甘肅省水資源承載力時空特征與承載狀態(tài)研究

劉家溪 ,王立權(quán) ,劉 巖,王雙宇,陳 楷

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院,哈爾濱 150080;2．黑龍江省水利科學(xué)研究院,哈爾濱 150080)

1 研究區(qū)概況

甘肅地處中國西北部,東臨陜西,西至新疆,南望四川、青海,北抵寧夏、內(nèi)蒙古,西南與蒙古交界,下轄地級市12個、自治州2個。甘肅地域狹長,地形多樣,四面都是峻嶺,地勢由西南向東北方向傾斜。甘肅為青藏高原、內(nèi)蒙古高原和黃土高原三大高原交匯之地,氣候類型由南到北分為4個主要類型:亞熱帶季風(fēng)氣候、溫帶季風(fēng)氣候、溫帶大陸性干旱氣候和高原山地氣候。甘肅省自產(chǎn)地表水資源量286.2×108m3,地下水8.7×108m3,自產(chǎn)水資源總量約294.9×108m3,人均1 150m3。全省河流年總徑流量415.8×108m3。

本研究主要數(shù)據(jù)來源于2015-2020年水資源公報與統(tǒng)計年鑒。

2 研究方法

2.1 甘肅省水資源承載力指標(biāo)體系構(gòu)建

評價指標(biāo)體系見表1。

2.2 賦 權(quán)

變異系數(shù)法是一種客觀賦權(quán)法,它依據(jù)每個評價指標(biāo)的當(dāng)前值和目標(biāo)值之間的變異程度,為每個指標(biāo)賦予權(quán)重。當(dāng)指標(biāo)的現(xiàn)有值和目標(biāo)值相差較遠(yuǎn)時,表明指標(biāo)更難到達(dá)目標(biāo)值,應(yīng)給予更大權(quán)重;相反,應(yīng)給予更小權(quán)重,其結(jié)果客觀性強(qiáng)。

表1 甘肅省水資源承載力指標(biāo)體系

2.3 狀態(tài)空間法

狀態(tài)空間法是利用歐氏幾何空間對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行定量刻畫的有效方法,通常由表示系統(tǒng)元素狀態(tài)向量的三維狀態(tài)空間軸組成。采用狀態(tài)空間法承載狀態(tài)點(diǎn),在具體的時間尺度上,可以表示地區(qū)的不同承載狀況。用狀態(tài)空間中原點(diǎn)與系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)組成的矢量模數(shù)來表達(dá)區(qū)域承載力大小［1-2］。

2.4 空間自相關(guān)分析

根據(jù)空間統(tǒng)計資料進(jìn)行空間自相關(guān)分析,分為全局空間自相關(guān)與局部空間自相關(guān)［3-5］。局部空間自相關(guān)性是指在一定時間內(nèi),一個地區(qū)或區(qū)域內(nèi)所有單位之間存在著相互關(guān)聯(lián)關(guān)系,而不依賴于其他任何地理要素。以莫蘭指數(shù)為主,表現(xiàn)出空間分布特征,莫蘭指數(shù)又分為全局莫蘭指數(shù)與局部莫蘭指數(shù)［6-7］。

全局莫蘭指數(shù)取0～1,呈正相關(guān),表明有類似性質(zhì)聚集;全局莫蘭指數(shù)值介于0～-1之間時,呈負(fù)相關(guān),表明存在著相異性質(zhì)聚集;如果接近于零,則表明是隨機(jī)分布的,不存在空間自相關(guān)性。全局莫蘭指數(shù)的顯著與否,用Z值的大小來判斷。

3 研究結(jié)果分析

3.1 時間序列上水資源承載力分析

由圖1可知,近6年來,甘肅省水資源承載力整體呈不斷提高趨勢。2015年為0.1579;2016年上升為0.1603;2017年增長明顯,上升為0.1707;2018年上升趨勢又變緩,為0.1750;2019年稍稍下降為0.1743;2020年又呈上升趨勢為0.1774。

圖1 2015-2020年甘肅省水資源承載力發(fā)展趨勢圖

各地市水資源承載力值與排名見表2。

表2 2015-2020年各地市水資源承載力值與排名

3.2 空間分布上水資源承載力分析

根據(jù)ArcGIS10.2軟件,利用自然斷裂點(diǎn)法,把甘肅省各地級市水資源承載力分為高值區(qū)、較高值區(qū)和中值區(qū)、較低值區(qū)、低值區(qū)等5個區(qū)域,并以此為基礎(chǔ),對空間分布上不同年份的水資源承載能力進(jìn)行分析。本研究將甘肅省分為河西地區(qū)、隴中地區(qū)、隴東地區(qū)、隴南地區(qū)、甘南地區(qū)共5個地區(qū)進(jìn)行空間分析,見圖2。甘肅省水資源承載力具體每年的空間分布格局如下:

1)2015年,甘肅省水資源承載力高值區(qū)分布在河西的酒泉和武威;較高值區(qū)分布在隴中的蘭州、白銀、平?jīng)龊秃游鞯慕鸩?中值區(qū)分布在嘉峪關(guān)、張掖、臨夏;較低值區(qū)只有甘南;低值區(qū)分布在定西、天水、隴南、慶陽。

2)2016年與2015年相比,高值區(qū)主要分布在酒泉、張掖、武威;較高值區(qū)分布在白銀和慶陽;中值區(qū)包含蘭州、甘南、臨夏、隴南、金昌、平?jīng)?個地市;較低值區(qū)只有嘉峪關(guān);低值區(qū)位于定西和天水。

3)2017年,甘肅省水資源承載力高值區(qū)有隴南和慶陽;較高值區(qū)主要集中在河西地區(qū)的酒泉、張掖、武威;中值區(qū)分布在隴中地區(qū)的蘭州、白銀、定西,還有隴南地區(qū)的天水和甘南;較低值區(qū)與2016年相同;低值區(qū)主要分布在金昌、臨夏、平?jīng)觥?/p>

4)2018年,甘肅省水資源承載力高值區(qū)主要分布在嘉峪關(guān)、臨夏、白銀和慶陽;較高值區(qū)只有天水;中值區(qū)主要分布在金昌、甘南、定西、平?jīng)?較低值區(qū)有蘭州和隴南;低值區(qū)主要分布在酒泉、張掖、武威。

5)2019年,甘肅省水資源承載力高值區(qū)只有定西;較高值區(qū)主要分布在嘉峪關(guān)、金昌、蘭州、甘南、天水等5個地市;中值區(qū)分布在隴東地區(qū)的平?jīng)龊蛻c陽;較低值區(qū)主要分布在武威、白銀;低值區(qū)主要分布在酒泉、張掖、臨夏、隴南。

6)2020年,甘肅省水資源承載力高值區(qū)只有嘉峪關(guān);較高值區(qū)位于甘南和隴南;中值區(qū)集中在蘭州、臨夏、定西、天水、平?jīng)龅?個地市;較低值區(qū)集中在酒泉、張掖、白銀、慶陽;低值區(qū)位于金昌和武威。

綜上,2015-2020年甘肅省水資源承載力在空間分布上變化較大,各地市之間有所變化。高值區(qū)由河西地區(qū)逐步向隴中、隴東地區(qū)變化;中值區(qū)的分布相對集中,以隴中、隴東和隴南一帶為主;較高值區(qū)分布相對分散,各地區(qū)均有分布;較低值區(qū)和低值區(qū)分布最零散,各區(qū)域均有分布。

3.3 水資源承載狀態(tài)分析

本研究通過比較承載力真實(shí)值與理想值作為量化依據(jù),采用多年平均法,選擇2015-2020年間各項(xiàng)指標(biāo)多年平均值計算得出理想值,通過理想值與各地市水資源承載力值的比較分析,得出2015-2020年甘肅省各地市水資源承載狀態(tài),見表3。

表3 2015-2020年甘肅省各地市水資源承載狀態(tài)

總體來說,2015-2020年甘肅省各地市水資源承載狀態(tài)呈現(xiàn)反復(fù)的趨勢。其中,2015年只有金昌、酒泉、武威處于可載狀態(tài),2016年可載狀態(tài)地市數(shù)量不變,2017年增加至6個,2018和2019年可載狀態(tài)地市增加至12個,2020年減少至8個。由此可以得出,水資源承載狀態(tài)和水資源承載力的變化趨勢類似,隨著水資源承載力的上升,相應(yīng)的承載狀態(tài)也在上升。

隨著生態(tài)文明建設(shè)理念的不斷深入,國家先后頒布了“水十條”等最為嚴(yán)格的水資源管理制度,生態(tài)環(huán)境得到明顯的改善,水資源承載力也得到明顯提升。

3.4 水資源承載力空間關(guān)聯(lián)格局分析

運(yùn)用GeoDa軟件,根據(jù)甘肅省的全局莫蘭指數(shù),對甘肅省水資源承載力有無關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析。結(jié)果顯示,2015年甘肅省莫蘭指數(shù)和Z值分別為0.331和2.035;2016年甘肅省莫蘭指數(shù)和Z值分別為0.0475和0.7732;2017年甘肅省莫蘭指數(shù)和Z值分別為0.3299和2.029;2018年甘肅省莫蘭指數(shù)和Z值分別為0.455和0.6332;2019年甘肅省莫蘭指數(shù)和Z值分別為0.2007和1.9678;2020年甘肅省莫蘭指數(shù)和Z值分別為0.1396和1.4714。見圖3。

研究顯示,2015-2020年甘肅省14個地市水資源承載力在空間分布上存在正相關(guān)性,一定程度上都是經(jīng)過檢驗(yàn)的(P<0.05),與水資源承載力相近的空間單元在空間上呈集聚分布趨勢。表明2015-2020年甘肅省各地市水資源承載能力的空間分布呈非隨機(jī)性,在地理空間上具有空間聚集效應(yīng)。莫蘭指數(shù)及Z值均在2015年達(dá)到最大值,空間集聚效應(yīng)最為顯著;莫蘭指數(shù)與Z值在2018年達(dá)到最小值,空間集聚效應(yīng)比較微弱;2015-2020年莫蘭指數(shù)值呈波浪型趨勢。

由圖3可以看出,2015年甘肅省承載力高高值集聚區(qū)為張掖,低低值集聚區(qū)主要在臨夏、甘南、隴南和定西等4個區(qū)縣,其余地市未表現(xiàn)集聚特征;2016年甘肅省承載力低高值集聚區(qū)為平?jīng)龊碗]南,其余地市未表現(xiàn)集聚特征;2017年甘肅省承載力高高值集聚區(qū)為定西,低高值集聚區(qū)為白銀,低低值集聚區(qū)為酒泉、張掖,其余地市未表現(xiàn)集聚特征;2018年甘肅省承載力低低值集聚區(qū)為白銀和蘭州,其余地市未表現(xiàn)集聚特征;2019年甘肅省承載力高低值集聚區(qū)分布在白銀、慶陽,低高值集聚區(qū)分布在隴南,其余地市未表現(xiàn)集聚特征;2020年甘肅省承載力高低值集聚區(qū)在酒泉,低高值集聚區(qū)分布在慶陽,其余地市未表現(xiàn)集聚特征。

4 結(jié) 論

本研究首先構(gòu)建了水資源承載力指標(biāo)體系,通過狀態(tài)空間法,計算得到甘肅省各地級市2015-2020年間的水資源承載力值及其承載狀態(tài),基于GIS與GeoDa軟件,開展了水資源承載力值時空分析及關(guān)聯(lián)格局分析與研究。

1)2015-2020年甘肅省水資源承載力在年際間呈現(xiàn)出先上升、后下降、再上升的趨勢,各地市水資源承載力的變化趨勢不同。

2)2015-2020年甘肅省水資源承載力的空間分布變化較大,各地市之間有所變化。高值區(qū)由河西地區(qū)逐步向隴中、隴東地區(qū)變化;中值區(qū)的分布相對集中,以隴中、隴東和隴南一帶為主;較高值區(qū)分布相對分散,各地區(qū)均有分布;較低值區(qū)和低值區(qū)分布最零散,各區(qū)域均有分布。

3)總體來說,2015-2020年甘肅省各地市水資源承載狀態(tài)反復(fù)變化。其中,2015年只有金昌、酒泉、武威處于可載狀態(tài);2016年可載狀態(tài)地市數(shù)量不變;2017年增加至6個;2018和2019年可載狀態(tài)地市增加至12個;2020年減少至8個。由此可以得出,水資源承載力上升,對應(yīng)的承載狀態(tài)也呈現(xiàn)上升趨勢。

4)2015-2020年甘肅省各地市水資源承載能力的空間分布呈非隨機(jī)性,在地理空間上具有空間聚集效應(yīng)。