山東省水資源時空分布及其承載力綜合評價

馬付蒼

（山東省蘭陵縣水利局，山東 蘭陵 277700）

山東地處黃河下游向海洋延伸地帶，北接華北、南依黃淮，區域面積15.8萬km2，總人口9964萬人(2015年)。區域為山地、丘陵、平原交匯，形成中高周低的地勢特征，海拔介于0 m～1532.7 m，可分為魯西平原、魯中南山地和魯東丘陵。屬暖溫帶季風氣候，年平均氣溫11℃～14℃，降水量介于480 mm～968 mm之間，冬季寒冷干燥、夏季炎熱濕潤、雨熱同期，時有旱澇災害發生。受地勢影響，區域河流呈放射狀流向，注入黃河、渤海和黃海，典型植被為溫帶落葉闊葉林。據統計資料顯示，山東省年平均水資源總量為168.89億m3，屬于人均占有量少于500 mm的嚴重缺水區。作為我國經濟發展強省，水資源是其可持續發展的戰略資源之一，基于當前背景，極有必要厘清區域水環境質量與承載力，為經濟發展和民生安全提供實踐參考。

1 水資源承載力評價方法

1.1 水資源承載力評價指標體系

水資源承載力不僅體現水環境質量特性還反映其社會服務能力，因此，應該從多角度展開對其綜合承載力的度量[1]。聯合國環境規劃署推廣使用的PSR(Pressure-State-Response)模型將生態環境評價問題以動力循環與綜合反饋的視角進行分層模擬，并得到廣泛認可。本文以PSR結構模型評估水資源承載力，其中壓力指標意指，為支持社會經濟系統的發展，從水生態系統中獲取水資源，并產生排放，對水資源造成壓力；狀態指標反映人與水之間的交互影響后水資源數量、質量以及水生態環境本底情況；響應指標表征水資源本底狀態的改變影響經濟社會的健康發展，隨人類通過意識與行動做出積極反饋，以保護和改善水資源環境，如此系統動力循環，構成了針對水資源承載力的壓力-狀態-響應評價模型[2～3]。基于這一邏輯思維，并結合相關學者研究成果，給出了針對山東省的水資源承載力評價指標體系見表1。

表1 區域水資源承載力力評價指標體系

1.2 指標歸一化

以山東省17地勢相關指標數據為基礎，進行歸一化處理，以剔除量綱、噪聲影響。公式如下：

正向指標：yij=（xij-xj）/（max xj-min xj）

負向指標：yij=（max xj-xij）/（max xj-min xj）

式中：x為指標原始數據，i為行政區序列，j為指標項目序列，max xj和min xj分別表示第j個指標中最大值和最小值，y為標準化值。

1.3 熵權計算

采用熵權法對各項指標予以客觀賦權，定義如下[4]：

標權重見表1。

1.4 水資源承載力指數計算與評價分級

單項指標表征某一因子對生態環境的影響作用程度，運用綜合指數法，將各項指標標準化值與指標貢獻值加權求和則能量化反映區域水資源承載力綜合水平，該模型公式為：

式中：Ed(d＝1,2,3)為各子系統安全指數，E為水資源承載力綜合指數。安全指數值域為[0,1]，依據自然裂點法原理[2,5]，將其分為3級：較不安全，臨界安全，較安全。

1.5 數據來源與處理

研究數據主要來源于《山東統計年鑒》(2016)，鑒于數據可獲得性的限制，另從《中國統計年鑒》(2016)中提取了部分數據。

基本數據處理與水資源承載力指數計算是在Excel 2010支持下完成，自然裂點分級以及水資源承載力空間分布圖繪制在ArcGIS10.3平臺上完成。

2 結果與分析

2.1 山東省降水資源空間分布

降水是區域水資源直接且最有效的來源，其更新周期短、時間延續性長，可匯聚成地表徑流。將1989年～2016年全省各站點年降水量的平均值進行空間內插，得到結果見圖1。雖然與全區降水量實際值存在一定差異，但其總體平滑效應能夠直觀反映降水量空間分布差異?？芍綎|省降水資源介于458mm～1039 mm之間，呈團狀分布。其中高值區位于魯中濟南、萊蕪和泰安三市交界區，臨沂、棗莊、日照南部地區，煙臺、青島東部地區，局部高于800 mm?？傮w來看魯中和魯南山地與東部沿海地區降水量豐富，而魯西、魯北地區降水量較少，局部少于600 mm。這種分布特征呈現明顯的地形雨海陸位置效應。魯中泰山地區、魯南臨沂山脈地區海拔較高，來自海洋的氣流受地勢抬升作用導致水汽富集、成云致雨，形成降雨集中區。東部沿海地區主要因為距離海洋較近，受暖濕氣流影響而形成豐沛降水。相較而言，魯西、魯北地區的降水量較少，主要因為距離海洋相對較遠，且地面無山地丘陵阻擋，水汽難以匯集。

圖1 山東省降水資源空間分布圖

2.2 山東省水資源時間分布

為了解山東省水資源總量時間變化趨勢，以1989年～2016年水資源總量數據進行一元線性回歸分析，結果見圖2?？芍?，該時域內山東省水資源總量峰值出現在1999年，為181.6億m3，1998年次之，為180.3億m3，而于2007年達到歷史最低水平，僅為158.6億m3，2010年為次低值，為160.81億m3。近28年來山東省水資源總量呈波形變化趨勢，在1989年～1995年間呈減少趨勢，由180.57億m3減少至169.99億m3，而于1995年～1999年呈顯著升高趨勢，但其總趨勢呈減少特征。區域水資源總量與時間序列關系為(y＝-0.494x＋1159.5)，并且在0.05水平上通過信度檢驗(R2＝0.442,p＜0.05)，表明這種變化趨勢顯著。

圖2 康平縣水資源總量動態變化

2.3 山東省水資源承載力空間分布

2.3.1 山東省水資源承載力壓力系統

依據前述研究方法，將壓力系統指標因子歸一化值與其權值加權求和，采用自然裂點法進行分級，得到山東省水資源承載力壓力空間分布圖，見圖3?？芍?，全省水資源承載力的壓力空間分布不均，其中魯南地區的菏澤市的水資源壓力最小，主要由于該市人均水資源量處于全省前列(為364 mm)，而山東全省人均水資源量僅為169 mm，不足全國的1/10。另外，該市用水量較少，用水模數僅為165 mm，遠低于全省206 mm的平均水平。濟南、淄博、青島、聊城市的水資源壓力為較不安全等級，主要由于這些地市為山東省人口密集區，因此供水壓力大，其人均水資源量較低，尤其青島僅為103 mm；另外這4市用水需求量大，分別為16.06億m3、11.21億m3、18.07億m3、11.38億m3，約占全省總需水量的35%。德州、煙臺等其他地市屬于臨界安全等級。

圖3 山東省水資源承載力壓力系統空間分布

2.3.2 山東省水資源承載力狀態系統

山東省水資源承載力狀態系統安全分級圖見圖4。依圖可知，煙臺、菏澤、臨沂三地的水資源承載力系統狀態較好，屬于較安全級別，表明其水環境質量較高，尚能夠為區域水源供應、水源涵養提供生態支撐能力。究其原因主要是煙臺地區地表徑流豐富，水資源總量達17.6億m3，產水模數居全省前列，達17.70萬m3，高于全省的10.49萬m3，其水資源總量并不缺乏。魯南地區的菏澤、臨沂主要由于降水量豐富為區域水源更新提供基礎保證，另外該市山地、丘陵分布較多，森林覆蓋率達18%以上，這有利于水源涵養。德州、濟南、濟寧、濱州和濰坊等市的水資源狀態達到臨界安全等級，表明該地水環境遭到一定破壞，從具體指標來看主要由于其降水量較少，介于454 mm～672 mm之間，水源供應潛力有限，另外其森林覆蓋率低于20%，局部水土流失嚴重。聊城、淄博、青島等地的水資源狀態屬于較不安全級別，表明區域水環境惡化嚴重，對此應加以重視。從狀態因素來看，是由于該地產水模數較低，產水模數介于6.11萬m3～11.80萬m3，多低于全省平均水平；另外這些地市除青島、日照外，其降水量也較少，難以為地表徑流提供有效補給；加之其人多地狹、森林覆蓋率有限，水環境綜合治理處于全省最低水平。

圖4 山東省水資源承載力狀態系統空間分布

2.3.3 山東省水資源承載力狀態系統

圖5 山東省水資源承載力響應系統空間分布

山東省哥市水資源承載力響應系統安全分布差異見圖5。威海、煙臺、青島三地的響應系統屬于較不安全等級，表明在應對水環境保護與治理工作時仍有較大提高空間。主要由于青島等三市屬于山東省海洋經濟重點分布區，陸地狹小而海洋范圍廣泛，響應地環境投資在水環境中比重較少(不足GDP的1%)；另一方面其節水率也處于全省較低水平。東營、淄博、濟南、泰安、濰坊、日照和棗莊等地市的水資源承載力響應系統為臨界安全等級，濱州、德州、聊城、菏澤、濟寧、萊蕪和臨沂屬于較安全等級。其中魯西地區位于黃河流域范圍，域內河流眾多、湖塘遍布，建國以來其水利設施建設充分；并且該地是山東省環境治理典型區，政府部門對水環境投入力度較大。而路南的臨沂市水資源承載響應系統較好，則是因為該地地形復雜、降水多，是山東省水庫分布密集區，水利水電設施及其投入也較多。就其空間格局來看，響應系統安全呈東-中-西遞減分布。

2.3.4 山東省水資源承載力綜合評價

在壓力、狀態、響應系統綜合影響下，山東省水資源承載力空間異質性分布見圖6。其中屬于較安全級別的僅為菏澤、臨沂兩市；較不安全的有濟南、淄博、青島和威海四市；而德州、聊城、濱州等十市屬于臨界安全等級。山東省水資源承載力空間分布不均衡，反映了區域水資源對經濟社會可持續發展支撐能力的差異，對此應因地制宜，注重水環境建設與保護。

圖6 山東省水資源承載力空間分布

3 結論

依據水資源與經濟社會、環境之間的系統動力反饋，選出12項指標因子以構建水資源承載力評價指標體系，以山東省為例，將熵權綜合指數法和GIS計算應用于水資源承載力評價中。得出結論如下：①水資源承載力評價指標體系和評價分級標準對評價效果具有重要影響，基于壓力、狀態、響應框架的評價指標體系能夠較好反映地區域水生態文明整體情況，鑒于當前研究不足，有待繼續深入該評價框架的研究；②熵權綜合模型簡易、可操作性強，能夠良好數據內部之間多維復雜關系，具有較好的應用性。同時，GIS技術的空間分析和空間表達能力直觀展示了研究區水資源承載力維度和綜合分布差異；③山地省水資源承載力空間分布不均衡，對此應當加強水資源規劃和管理。