基于GIS的揚州水資源分布與承載力研究

沈 沛，許龍祥

（1.江蘇省儀征市真州水利站,江蘇 儀征 211400；2.江蘇省儀征市棗林灣水利站,江蘇 儀征 211400）

水是人類生存和發(fā)展的基本條件,也是生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分。隨著人口不斷增加和經(jīng)濟發(fā)展,水資源供需矛盾日益突出,水資源分布和承載力研究已是當(dāng)今社會關(guān)注熱點,也是制約社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[1-3]。揚州位于長江下游,是中國歷史文化名城和旅游勝地,也是江蘇省的重要經(jīng)濟快速發(fā)展區(qū)之一。由于地理位置和氣候條件影響,揚州市水資源供應(yīng)缺口極大,相應(yīng)地水資源承載力面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3-5]。本文旨在通過對揚州市水資源分布和承載力的研究,以期為制定科學(xué)合理的水資源管理和保護措施提供參考。

1 研究方法

1.1 揚州市自然特征

揚州地處江蘇中部、長江北岸、京杭大運河中南段,地理位置介于32°15'～33°25'N、119°01'～119°54'E之間（圖1）,總面積達6643 km2,其中陸地面積為4856.2 km2。區(qū)域為江淮平原地區(qū),地形地勢平坦,海拔介于0～149.5 m,平均海拔僅為2 m。受氣象系統(tǒng)與海陸位置影響形成北亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候,四季分明、預(yù)熱同期,夏季盛行東南風(fēng),冬季為西北風(fēng),全市年平均氣溫15.8℃,年降水量864 mm,日照時數(shù)1721 h,主要氣象為暴雨、雷電、寒潮等。土地利用類型以農(nóng)用地、建設(shè)用地為主,林地不足1%,水域面積占比達26.3%。境內(nèi)河湖密度,有長江、淮河等一級河流與白馬、高郵等重要湖泊,總流長593.6 km,多年平均徑流總量16.9億m3,但由于地表水源涵養(yǎng)性差和人口基數(shù)大,揚州市人均水資源量極為貧乏。

圖1 揚州市地表河流分布

1.2 水資源分布研究方法

水資源主要包含地表水、地下水和降水資源三種類型,其中降水是其他水資源的直接有效補充,也是衡量區(qū)域水資源豐度的關(guān)鍵指標(biāo)。受數(shù)據(jù)資料可得性限制,本文僅評估區(qū)域降水量資源分布特征。為精細研究區(qū)域降水量特征,使用降尺度的數(shù)據(jù)處理方法,即使用全球降水量測量（Global Precipitation Measurement, GPM）遙感降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),使用隨機森林（Random forest）算法進行降尺度處理,得到區(qū)域精細化降水量空間分布。RF是基于回歸樹（CART）的非線性擬合計算,其先利用bootstrap隨抽樣法從原始訓(xùn)練集T={（x1,y1）,（x2,y2）,…,（xn,yn）}中抽取n個樣本,記作訓(xùn)練集Tt,進行k次抽樣,則有k個獨立樣本形成的訓(xùn)練集,RF回歸預(yù)測結(jié)果h（x）表示為k棵回歸模型的預(yù)測結(jié)果是k棵決策樹{h（X,θi,i=1,2…,k）}回歸的均值：

式中：P（x）為隨機森林組合模型結(jié)果；pi為單棵樹分類模型；I為指示函數(shù)；Y為輸出變量[6]。

為反映區(qū)域水資源現(xiàn)勢性特征,使用的GPM數(shù)據(jù)為2010年～2020年平均資料,數(shù)據(jù)來源于Google earth engine平臺,其產(chǎn)品編號為“NASA/GPM_L3/IMERG_V06”。

1.3 水資源承載力評價方法

步驟一：水資源承載力評價因子確立。基于水資源承載力概念、壓力來源、受體等特征,結(jié)合前人研究經(jīng)驗,從自然、社會兩方面選取獨立性評價指標(biāo)因子,各指標(biāo)因子為獨立柵格面數(shù)據(jù)（tif）,見表1。

表1 水資源評價指標(biāo)體系

步驟二：指標(biāo)因子量綱消除處理。采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對指標(biāo)數(shù)據(jù)柵格面進行無量綱化,相關(guān)技術(shù)公式如下：

式中：x為指標(biāo)因子原值；i為柵格像元序數(shù)；j為指標(biāo)序樹；maxxj和minxj分別為第j個指標(biāo)中最大、最小值；y為無量綱化后的值；正向指標(biāo)表示承載力指數(shù)隨著指標(biāo)數(shù)值單調(diào)性增加,反之為負向指標(biāo)。

該過程利用ArcGIS軟件中柵格計算器工具實現(xiàn)。

步驟三：對指標(biāo)因子進行客觀賦權(quán)。為將各項指標(biāo)因子聯(lián)立,采用熵權(quán)法對各指標(biāo)進行賦權(quán)[7-8],公式如下：

式中：；i=（1,2,…a,a+1,…b,b+1,…m）。

步驟四：利用柵格計算器對標(biāo)準(zhǔn)化后的柵格面與權(quán)重相乘,經(jīng)加權(quán)（式（4））求和計算得到區(qū)域水資源承載力,其計算公式為：

1.4 數(shù)據(jù)來源與分析

本研究中土壤、人口、夜間燈光指數(shù)數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（https://www.resdc.cn/）,其空間分辨率為1km；土地利用類型數(shù)據(jù)為開源Global land 2020產(chǎn)品,數(shù)據(jù)精度Kappa系數(shù)達0.8以上,空間分辨率為30 m；提取TWI因子數(shù)據(jù)是來自地理空間數(shù)據(jù)云（https://www.gscloud.cn/）的Aster GDEM數(shù)據(jù),分辨率為30 m；NPP、溫度數(shù)據(jù)從國家系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)庫搜集,分辨率達1 km；GPM降水?dāng)?shù)據(jù)從GEE中提取得到,另外通過對Landsat8（2015年～2020年）影像進行均值合成得到了NDVI；生成水域核密度柵格面所使用的矢量水文圖件是經(jīng)過Google earth影像目視解譯得到的。上述指標(biāo)因子預(yù)處理與計算均在ArcGIS10.8平臺進行,經(jīng)統(tǒng)一空間投影（UTM-38 N）和空間分辨率（50 m）后進行可視化出圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 揚州市GPM降水量統(tǒng)計特征

圖2為揚州市GPM衛(wèi)星觀測降水量像素值,在本區(qū)共計53個像素端元,最大、最小值為914 mm、719 mm；空間平均值、中值達856 mm、847 mm；離差系數(shù)為23.56%,表明區(qū)域降水量總體差異性不大。觀呈現(xiàn)出該地降水量分布特征：自東向西遞減分布。但展示的降水量信息過于粗略,且粗糙格網(wǎng)特征不符合實際降水量分布規(guī)律。

圖2 揚州市原GPM降水量及其半方差結(jié)構(gòu)

利用降尺度方法之前,需檢測GPM降水量像素值是否存在空間自相關(guān)性。利用ArcGIS 軟件地統(tǒng)計工具分析得到其半方差函數(shù)圖,見圖2,其半方差值隨著空間距離增加呈現(xiàn)先迅速增大后趨于平緩的態(tài)勢。當(dāng)空間距離h=0時,半方差值Nugget=0.064,當(dāng)h=35km時的半方差值為0.362,記作PSill；基臺值為0.426,塊金值達0.426,說明其符合二階平穩(wěn)假設(shè),因此可采用隨機森林降尺度方法進行精細化處理。

2.2 揚州市降水資源空間分布特征

研究區(qū)2010年～2020年平均降水量空間分布見圖3。經(jīng)降尺度后降水量數(shù)值信息與原GPM特征基本一致,但其展現(xiàn)更多精細化漸變規(guī)律,例如詳細描述了降水量趨勢面特征、聚集性特征；且降水量帶具有自然平滑特征,因此更符合區(qū)域?qū)嶋H。該降水量資源分布圖顯示揚州市降水量數(shù)值性差異較小,總體為東多西少格局。

圖3 揚州市降水量資源空間分布特征

2.3 揚州市水資源承載力因子權(quán)重

揚州市水資源承載力各項指標(biāo)的權(quán)值見圖4。其中,植被用地分布核密度（ZB）、降水量（MAP）的權(quán)重最大,依次為0.122、0.112,反映了植被涵養(yǎng)水源、降水對水資源補給的重要性。其他因子權(quán)值依次為：人口密度（PD,0.104）＞蒸發(fā)量（ZF,0.097）＞歸一化植被指數(shù)（NDVI,0.096）＞耕地分布核密度（GD,0.093）＞工業(yè)用地核密度（GY,0.079）＞夜間燈光指數(shù)（YJ,0.074）＞水域分布和密度（SY＞0.062）＞田間持水量（TJ,0.059）＞地形濕度指數(shù)（TWI,0.057）＞土壤濕度（SM,0.044）?？梢?區(qū)域水資源承載力是經(jīng)濟、社會各方因素綜合交互影響的結(jié)果。

圖4 揚州市水資源承載力指標(biāo)權(quán)重

圖5 揚州市水資源承載力空間分布特征

2.4 揚州市水資源承載力空間分布特征

基于前述流程計算得到30 m空間分辨率尺度承載力指數(shù)柵格面,其結(jié)果見圖4?？梢?揚州市水資源承載力指數(shù)介于0～1之間,均值為0.54,標(biāo)準(zhǔn)差達0.18,離差系數(shù)為20%,說明承載力空間異質(zhì)性復(fù)雜。承載力指數(shù)斑塊呈團狀離散分布,在市域北部承載力高值區(qū)分布于京杭運河西岸與東20 km外東側(cè),其值域介于0.6～0.95之間；而靠近運河?xùn)|側(cè)地段的承載力較低,其指數(shù)僅為0～0.5,主要由于該地多為城鎮(zhèn)居民和農(nóng)用地,其本身水源涵養(yǎng)能力低而用水壓力較大。在揚州南部地區(qū),承載力較高值區(qū)位于西南部,該地為林地、園地聚集區(qū),也是區(qū)域生態(tài)水源蘊藏地；其他地區(qū)承載力指數(shù)相對較低?？傮w來看,該地承載力與區(qū)域用地類型、人口聚集程度一致。綜合來看,區(qū)域水資源承載力仍處于0.54的臨界值水平,說明該地面臨著嚴(yán)峻生態(tài)供水和社會需水壓力。

3 結(jié)論

本文運用GIS和統(tǒng)計學(xué)方法刻畫了水資源分布與承載力空間差異性特點,得出結(jié)論如下：①揚州市降水量資源處于較豐沛水平,呈現(xiàn)自東向西減少格局,然而由于區(qū)域生態(tài)涵養(yǎng)性較低,因此對水資源有效補給較差；②區(qū)域水資源承載力處于臨界水平,說明水資源供需局勢緊張。③熵權(quán)法基于指標(biāo)數(shù)據(jù)的離散程度進行客觀賦權(quán),具有一定的科學(xué)性,熵值信息表明,植被生態(tài)是區(qū)域水資源涵養(yǎng)關(guān)鍵自然因素；人口密度分布則是主要社會因素。因此未來應(yīng)注重經(jīng)濟社會發(fā)展與水生態(tài)涵養(yǎng)能力同步。為提高區(qū)域水資源承載力水平,促進人地協(xié)調(diào),需聯(lián)系當(dāng)前實際,促進土地資源合理配置、優(yōu)化生態(tài)用地布局,增強水資源涵養(yǎng)能力。