北票市水資源時空分布及其脆弱性評價

董艷玲

1 研究理論

1.1 一元回歸分析

水資源數量隨時間分布具有波動性,可通過一元回歸分析法確定水資源量與時間尺度間的相互依賴性關。其計算公式如下[4]：

式中，h為線性回歸擬合斜率，當h＞0時，表明隨著時間的變化，水資源量呈增加趨勢，當h<0時，表明隨著時間變化，水資源逐漸減少，當h=0時，說明水資源量無變化。式中i為年份序列，n為研究時域長度。

1.2 Kriging插值分析

水資源特別是降水資源具有明顯的空間分布特征。為解析其空間格局，通常采用地統計學方法。地統計學通過鄰近度觀測檢測空間連續性變量變量的隨機不恒定變化與空間位置之間的關系，進而確定臨近位置上水資源空間分布影響因素的重要性即空間權值，利用空間權值與觀測值，對目標空間于進行預測。Kriging插值的公式如下[5]：

式中，Z(x0)、Z(x0)分別表示變量在 x0、x1處的估計值、實測值，λ表示臨近點對其影響程度，即權值。

1.3 水資源脆弱性評價框架

關于其評價框架的研究，眾多學者從影響因素出發，將水資源承載力指標框架逐層分解為壓力、狀態、響應三個層次。其中壓力層為水資源本體面臨的壓力，主要是經濟發展、人口、農業生產對水資源的巨大需求；狀態表示水資源承受壓力后呈現的本底質量；響應為人們為保護水環境而付諸的措施。據此,建立了北票市水資源脆弱性評價:指標體系,其中壓力層為:人口密度（人/km2）、人均水資源量（m3）、需水模數（萬 m3/km2）；狀態層為：降水量（mm）、森林覆蓋率（%）、產水模數（萬 m3/km2）；響應層為：污水處理率（%）、節水率（%）、環境投資占GDP比重（%）。這9項指標綜合反映了北票市水資源的影響因子與多維反饋，具有一定的應用性。

1.4 水資源脆弱性量化方案

基于1.2.3部分所述，提取2005～2015年該市水資源脆弱性9個指標因子的原始值。由于各因子屬于不同量綱，且其正負屬性存在差異，不便進行直接量算。鑒于此采用極差歸一化法，將各原始值化為0～1之間的數值，公式如下：

式中x為指標原數據，i為評價對象序列，j為指標序列，maxxj和minxj分別表示第j個指標中最大值和最小值，y為標準化值。其中+指標表示指標原始值越大，水資源脆弱程度越高，-指標表示指標原始值越小，水資源脆弱性越小。根據上式，得出了其熵權大小：0.094、0.117、0.134、0.118、0.089、0.142、0.099、0.086、0.121。

在水資源脆弱性評價框架中，各項因子的重要性存在差異，為量化其影響程度，以熵值信息進行客觀表達。其函式如下：

水資源脆弱性指數E的值域為[0,1]，按照等分法將其劃分為5各層次，用以漸進評價水資源脆弱性動態演替。其劃分標準為：[0,0.2)不脆弱、[0.2,0.4)較不脆弱、[0.4,0.6)臨界、[0.6,0.8)較脆弱、[0.8,1]脆弱。

1.5 數據來源與處理平臺

本研究以北票市水資源為研究對象，數據涉及區域大氣降水、地表水、地下水等，其中大降水資料由國家氣象局氣候信息中心提供；地表水和地下水數據從《朝陽統計年鑒》《朝陽統計年鑒》(1989～2016)中提取。其中水資源脆弱性評價以全為評價對象，評價時域為2005～2015年。文章從時間/空間維度對北票市水資源變化特征進行分析,其時間變化特征在Excel2016軟件的繪圖模塊中完成,其空間分布特征于ArcGIS 10.3平臺的Spatial Analysis模塊的Geostatistics插件完成。北票市水資源脆弱性評價及其指數計算通過Excel進行。

2 北票市水資源時空分布特征

2.1 北票市水資源年際變化特征

圖1直觀反映l989～2016年北票市水資源總量動態特征。就降水量來看，全市年降水量波動較大，觀測期內降水量最大值為1996年的686.5 mm，最小值為2013年的384.2 mm，該時期全市降水量平均值為507mm。近28年中，僅有10個年份的降水量高于平均值，其他18個年份的降水量低于平均水平，表明本市降水量變異性較大。回歸分析顯示，隨著年份增加，北票市降水量呈減少趨勢，年減少量為1.125mm，但不具有統計顯著性(r2=0.0153，p＞0.5)。

圖1 北票市水資源年級變化特征

地表水資源是溫帶季風氣候區的北票市的重要水資源類型，其年平均量達1.74×108m3，占區域水資源總量的7/10。地表水資源為降水經地表匯流后在地面上形成的相對穩定的水資源體，其年季變化特征與降水量的變化相一致。1989～2016年間，全市代表水資源量波動于0.956～2.386×108m3之間，最大值出現在1989年，最小值出現在1997年。其中于1989～1999年期間，北票市地表水資源量波動性較大，而在2000～2016年其趨于穩定，介于1.21～1.65×108m3之間。線性趨勢表明，28年來北票市地表水資源量逐漸減少，年變化量為-0.0208×108m3，在0.05水平上達到統計顯著性(r2=0.2455，p<0.05)。

圖1中反映了1989～2016年北票市水資源總量的線性趨勢圖。可知，觀測時期內該市水資源總量呈減少的特征，年減少量達到0.0212×108m3，并且達到統計顯著性 (r2=0.2433，p<0.05)。這種變化趨勢與經濟發展、人口增加的社會背景不協調，勢必導致水資源脆弱性加大。

2.2 北票市水資源空間分布特征

根據北票市各鄉鎮資料，將其轉化為點值空間文件，在ArcGIS10.3平臺上進行空間化為shp格式，然后采用普通Kriging插值法進行全局估計，得到北票市徑流深度結果(圖1)。該市徑流深度值介于5～14 mm之間，其中南部低地平原區的徑流深度最大，達12～14 mm，主要由于該局部為河流下游地區，水面廣闊、流量豐富、產流聚集。東部地區的徑流深徑流深度介于8～12 mm,該地為平原、丘陵交錯分布區,耕地、林地、園地分布密集,灌溉水域分布較多,人工截留利用廣泛。西北徑流深度最小,僅為5～8 mm,局部小于6 mm,這是由于該地地勢較高,徑流流失快、不易匯聚;地形因素決定了該區修建水利設施成本大,地表徑流利用率低。全局來看,北票市徑流深度分布呈現自東南向西北遞減的格局,這反映了區域地表徑流與水文的空間不均勻性。

圖2 北票市水資源空間分布特征

降水是氣候的典型因子，其空間分布格局不僅與海陸位置、地形、下墊面等因素密切相關，還收大氣循環過程影響。北票市降水量空間分布特征如圖2所示，可知全區降水量呈地帶性分布。東南部距離海洋較近的地區降水量豐富,達600～645 mm，西北內陸山地區僅為335～400 mm，降水量為全市最低值，其他大部分地區降水量約在450～550 mm之間。北票市降水量空間分布表現出自東南向西北遞減格局,這與區域徑流深度空間特征相一致。

3 北票市水資源脆弱性分析

3.1 北票市水資源脆弱性影響因素分析

圖3為北票市水資源脆弱性評價指標體系各因子熵值權重雷達圖。9個指標因子的權值不一,表明其對水資源脆弱性的影響存在差異。具體來看,產水模數(萬m3/km2)的權值最大,達到0.142,其是該評價方案中對水資源脆弱性起關鍵作用的因子。產水模數為區域水資源在單位土地面積上的總量分布,其值越大,表明水資源越豐富。需水模數 (萬m3/km2)的權值次之,達到0.134,其表征用水需求壓力,在其他條件一致的情況下,需水模數越大,水資源脆弱性越大。環境投資占GDP比重(%)的權值達到0.121,表明水環境改善行動對水資源脆弱性具有重要影響。4降水量(mm)、人均水資源量(m3)的權值分別達到0.118、0.117,而人口密度(人/km2)、森林覆蓋率(%)、節水率(%)、污水處理率(%)的熵權依次為 0.094、0.089、0.086、0.099；雖然其權值不大,但其對水資源脆弱性具有一定影響。綜合來看,產水模數、需水模數、環境投資占GDP比重是北票市水資源脆弱性的關鍵影響因子。

圖3 北票市水資源脆弱性影響因素雷達圖

3.2 北票市水資源脆弱性動態評價

依據前述熵權綜合指數法對2005～2015年北票市水資源脆弱性進行動態評價,結果如圖4所示。可知,11年間北票市水資源脆弱性指數有2005年的0.270波段升高至2015年的0.737,相應地,脆弱性等級由較不脆弱 (2005～2007)演變至臨界 (2008～2010)、較脆弱等級(2011～2016)，表明北票市水資源承載狀況逐漸惡化。線性分析表明，水資源脆弱性指數逐年升高，增加率達到0.0348，在5%水平上達到顯著(r2=0.875，p<0.05)。北票市水資源脆弱性演變趨勢是經濟社會壓力、水環境狀態、環境保護響應等維度綜合作用的結果。就具體指標因素來看，近10年來，該市人口逐年增加，人口密度由106(人/km2)升高至135(人/km2)，相應地人均水資源量由405 m3降低至376(m3);一方面經濟社會發展需求對用水量需求增大,需水模數由874(萬m3/km2)增加至1263(萬m3/km2)；另一方面居民環保意識增強,污水處理率由10%提高至35%,節水率由5.6%升高至23.7%,環境投資占GDP比重由0.25%增高到1.26%,森林覆蓋率由26.78%擴展為31.68%。而降水量降水量(mm)、產水模數(萬m3/km2)具有較強的不確定性，不具有穩定線性趨勢。綜合而言,近年來北票市經濟發展較快，人類活動強度加大、水環境遭受破壞,水資源數量及其自生能力退化，人水矛盾凸顯，水資源脆弱性加大。

圖4 北票市水資源脆弱性動態趨勢圖

4 結論

北票市水資源量在1989～2016年間呈線性減少趨勢,這與本區氣候干化、降水量減少等自然因素以及人口增加、城鎮化推進等社會因素密切相關，從長遠來看這不利于區域可持續發展。北票市水資源呈自東南向西北減少的空間格局，這與本區經濟和人口布局相匹配。2005～2016年水資源脆弱性綜合演變呈惡化發展，表明區域水資源書質量及其自生能力難以為經濟社會發展提供良好支撐,故而,加強區域水環境調配與水環境生態治理是極有必要的。

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