唐山市水資源時(shí)空分布及其脆弱性評(píng)價(jià)

宗 珊

(河北省唐山水文水資源勘測(cè)局,河北 唐山 063000)

1 基本情況

唐山市位于華北平原東北部渤海北岸、燕山南麓，全市面積為13.472km2，人口757萬(wàn)(2015年)。區(qū)域?qū)偾昂５偷叵蜓嗌降嘏_(tái)過(guò)度地形，東北高、西南低，海拔介于0～843m之間，主要地貌為平原、地山丘陵。由于位居歐亞大陸東岸中緯度沿海地區(qū)，受氣候環(huán)流與熱力效應(yīng)形成溫帶季風(fēng)性氣候，冬寒夏熱、雨熱同期，降水集中度強(qiáng)，年均溫12.5℃，多年平均降水量在500～700mm之間。唐山市水系屬渤海外流區(qū)，河流短小、比降低，有春汛和夏汛。該市多年均水資源28.5億m3，其中地表徑流量為14.62億m3，地下水資源量達(dá)13.69億m3，而人均占有水資源量?jī)H有385m3，不足全國(guó)平均水平的1/6，為典型缺水城市。唐山市為河北省經(jīng)濟(jì)龍頭乃至北方地區(qū)工業(yè)核心城市之一，近年來(lái)隨著區(qū)域城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的推動(dòng)，該市人口逐年增加、水域濕地被征用、大型工業(yè)基地落后，這一方面使得區(qū)域水環(huán)境遭受破壞，另一方面增加了供水壓力。以唐山市為研究區(qū)，旨在闡明區(qū)域水資源時(shí)空分布特征，并綜合測(cè)評(píng)水資源狀況，以期為區(qū)域水資源管理、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供基礎(chǔ)信息。

2 研究方法

2.1 水資源時(shí)間性分析

水資源數(shù)量隨時(shí)間分布具有波動(dòng)性，通常具有年際、季候、月際等不同時(shí)間尺度變化特征，其表現(xiàn)為趨勢(shì)傾向、震蕩或周期，在此主要探究其逐年變化規(guī)律。水資源的時(shí)間性特征為一維宏觀趨勢(shì)，可通過(guò)一元線性回歸分析法確定水資源量與時(shí)間尺度間的相互依賴性關(guān)系。其計(jì)算公式如下[1]：

(1)

式中，Slope—水資源量變化的斜率值，i—時(shí)間序列，x—降水量,mm。當(dāng)Slope>0時(shí)，表明水資源量的一維線性趨勢(shì)表現(xiàn)為增加，當(dāng)Slope<0時(shí)，表明其逐漸減小，當(dāng)Slope=0時(shí)，說(shuō)明水資源量無(wú)變化。

2.2 水資源空間性分析

水資源特別是降水資源具有明顯的空間分布特征，這源于水循環(huán)過(guò)程以及海陸位置、地形、下墊面特征、人為活動(dòng)等多種因素綜合作用。為解析其空間格局，通常采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。地統(tǒng)計(jì)學(xué)通過(guò)鄰近度觀測(cè)檢測(cè)空間連續(xù)性變量變量的隨機(jī)不恒定變化與空間位置之間的關(guān)系，進(jìn)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(quán)值，利用空間權(quán)值與觀測(cè)值，對(duì)目標(biāo)空間于進(jìn)行預(yù)測(cè)。Kriging插值的公式如下[2]：

(2)

式中，i—空間點(diǎn)位序列；x—空間位置；Z(x0)、Z(x0)—變量在x0、x1處的估計(jì)值、實(shí)測(cè)值；λ—臨近點(diǎn)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的影響程度，即空間權(quán)值。Kriging插值法對(duì)區(qū)域化變量空間格局的預(yù)測(cè)是無(wú)偏最優(yōu)，在水土科學(xué)中具有廣泛應(yīng)用。

2.3 水資源脆弱性分析

水資源脆弱性反映了水資源狀況對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的承載，當(dāng)其能夠提供充足水資源并不損害本身發(fā)展能力的情況下，水資源脆弱程度低，當(dāng)水資源供需形勢(shì)嚴(yán)峻且面臨較大污染壓力情況下，水資源脆弱性大。關(guān)于其評(píng)價(jià)框架的研究，眾多學(xué)者從影響因素出發(fā)，將水資源承載力指標(biāo)框架逐層分解為壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三個(gè)層次[3- 4]。其中壓力層為水資源本體面臨的壓力，主要是經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水資源的巨大需求；狀態(tài)表示水資源承受壓力后呈現(xiàn)的本底質(zhì)量；響應(yīng)為人們?yōu)楸Ｗo(hù)水環(huán)境而付諸的措施。據(jù)此,建立了唐山市水資源脆弱性評(píng)價(jià)，如圖1所示。

圖1 唐山市水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)框架

2.4 水資源脆弱性評(píng)價(jià)流程

(1)厘清各指標(biāo)因子正負(fù)屬性。正向指標(biāo)為水資源脆弱性與該指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系，負(fù)向指標(biāo)為水資源脆弱性與其呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上剔除量綱差異，將其歸一化為0～1之間數(shù)值。通常采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法，如下[5]：

+指標(biāo)：yij=(xij-minxj)/(maxxj-minxj)

(3)

-指標(biāo)：yij=(maxxj-xij)/(maxxj-minxj)

(4)

式中，maxxj和minxj—第j個(gè)指標(biāo)中最大值和最小值,yij—第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。

(2)權(quán)值計(jì)算。在如圖1所示的水資源脆弱性指標(biāo)框架由12個(gè)因子構(gòu)成，各因子從不同維度對(duì)水資源整體質(zhì)量施加影響，因而其影響程度存在差異。為量化各因子的重要性，需求計(jì)算其權(quán)值。通常的方法由主觀賦權(quán)法(AHP層次分析、專家打分法)、客觀賦權(quán)法(熵權(quán)法、主成分分析法)等，其中熵權(quán)法以熵值信息描述變量重要性，具有評(píng)價(jià)客觀的優(yōu)點(diǎn)。其計(jì)算流程為：先計(jì)算各序列指標(biāo)所占的信息量(式5)；根據(jù)信息結(jié)構(gòu)計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)信息熵(式6)；熵權(quán)為信息熵插值的結(jié)構(gòu)比(式7)。

(5)

(6)

(7)

水資源脆弱性指數(shù)計(jì)算與評(píng)價(jià)。采用綜合指數(shù)法將前述歸一化值與熵權(quán)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，即為水資源脆弱性指數(shù)I，其表達(dá)式為：

(8)

據(jù)此得出的水資源脆弱性指數(shù)為水資源整體狀況的量化表達(dá)，其值越大，則表明水資源脆弱程度越大，反之水資源脆弱性較小。I的范圍介于0～1之間，參照徐美等人的研究經(jīng)驗(yàn)，將其按照等分法劃分為5個(gè)層次，依次為[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[8- 11]。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理平臺(tái)

本研究先從時(shí)空維度上分析唐山市水資源的時(shí)間變化特征和空間分布特征，再利用熵權(quán)綜合指數(shù)法對(duì)唐山縣域和2010～2016年市域的水資源脆弱性展開(kāi)縱向、橫向評(píng)價(jià)。涉及的資料包含水資源統(tǒng)計(jì)資料，該數(shù)據(jù)類型中的降水?dāng)?shù)據(jù)由國(guó)家氣象局氣候信息中心提供，地下水和地表水資源數(shù)據(jù)由各市水文局提供。12個(gè)指標(biāo)因子的數(shù)據(jù)從《唐山統(tǒng)計(jì)年鑒》、《河北統(tǒng)計(jì)年鑒》中提取。

應(yīng)用Excel2016軟件對(duì)水資源量時(shí)間變化、水資源脆弱性動(dòng)態(tài)趨勢(shì)以及熵權(quán)信息進(jìn)行測(cè)算；在ArcGIS 10.3平臺(tái)上對(duì)水資源空間分布特征，水資源脆弱性橫向格局進(jìn)行可視化表達(dá)。

4 結(jié)果與分析

4.1 唐山市水資源量?jī)A向斜率

圖2直觀顯示了唐山市年降水量、地表水資源量、地下水資源量和水資源總量隨時(shí)間的一維變化趨勢(shì)。觀測(cè)期內(nèi)(1989～2016年)，唐山市年降水量最高值為780.91mm，發(fā)生于1998年，該年全國(guó)多低降水量突破歷史高值，并引發(fā)洪災(zāi)；降水量最低值為2013年，僅為430.22mm，低于平均值近150mm。于1989～2013年間，全市年降水量減小趨勢(shì)明顯，而在2003～2016年間，又突變成增加趨勢(shì)?？傮w來(lái)看，唐山市年降水量與年際的關(guān)系為y=-3.1274x+6872.9，變化速率達(dá)-31.274mm/10a，但未通過(guò)5%水平的信度檢驗(yàn)(R2=0.0789，p>0.05)，表明其變化趨勢(shì)不顯著。

圖2 唐山市水資源量年際變化趨勢(shì)

研究表明，觀測(cè)期內(nèi)唐山市地表水資源量呈波動(dòng)減少的趨勢(shì)特征(y=-0.0808x+176.34，R2=0.129，p<0.05)，變化速率為0.808億m3/10a，并且在0.05水平上達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著性，表明該變化趨勢(shì)明顯。期間，唐山市地表水資源量最高值為2000年的18.12億m3，最低值為1999年的10.3億m3，在1989～2007年間地表水資源量平均水平穩(wěn)定于14.7億m3，而在2008～2016年間地表水資源量平均值僅為13.62億m3，表明該市地表水資源總量呈階梯性減少。

長(zhǎng)期以來(lái)，唐山市需水量缺口較大，城市供水緊張，地表水資源總量難以滿足用水需求，在此背景下地下水資源成為該市水源開(kāi)發(fā)的主要方向之一。但地下水資源再生周期較長(zhǎng)，在短時(shí)期內(nèi)難以有效恢復(fù)。如圖2所示，唐山市地下水資源總年際變化略有起伏，其中2001、2007年等達(dá)到較高水平，1999、2013年處于低值狀態(tài)，28年間其總體趨勢(shì)下降，與年際的關(guān)系為y=-0.0637x+140.95，并在0.05水平上達(dá)到顯著性(R2=0.1757,p>0.05)。

受降水因素以及地表徑流量和地下徑流量綜合影響，唐山市水資源總量變化趨勢(shì)較為復(fù)雜，但綜合趨勢(shì)呈線性減少，區(qū)域水資源總量與年際的關(guān)系表現(xiàn)為y=-0.1115x+251.86，通過(guò)了5%水平的信度檢驗(yàn)(R2=0.1587，p<0.05)，表明該市水資源變化趨勢(shì)顯著。隨著人口聚增、經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)步、居民生活水平的提高，唐山市用水需求量勢(shì)必增加，這將加大區(qū)域供水壓力，也未區(qū)域水環(huán)境承載能力帶來(lái)負(fù)擔(dān)。然而唐山市水資源量總體呈波動(dòng)性減少的格局與經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)不匹配，對(duì)此應(yīng)予以重視。

4.2 唐山市水資源空間分布特征

通過(guò)對(duì)唐山市氣象站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)匯總，計(jì)算各站點(diǎn)年平均降水量，然后應(yīng)用Kriging插值法進(jìn)行空間全局預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖3所示。全區(qū)降水量介于514～821mm之間，高值區(qū)分布于東北度山地，局部達(dá)到800mm。唐山市降水量呈西南-東北遞增分布，而中南部位區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)核心區(qū)，降水量的空間分布與經(jīng)濟(jì)社會(huì)格局不匹配。

圖3 唐山市水資源量空間分布特征

Kriging插值表明，唐山市徑流深度在15～42mm之間，呈由南向北地帶性減少分布格局。其中高值區(qū)位于南部曹妃甸前海地區(qū)，該地區(qū)為市內(nèi)河流入?？冢掠蔚貐^(qū)水面寬闊、河湖密布，過(guò)境流量大，局部徑流深度在35mm以上。北部山地丘陵區(qū)雖然降水量豐富，但受地形影響位于河流上游區(qū)，徑流流失率高，水資源利用率低，因而徑流深度相對(duì)較低，局部小于25mm，中部地區(qū)徑流深度介于20～30mm之間。唐山市徑流深度呈自南向北遞減分布，這與區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)布局相一致。

4.3 唐山市水資源脆弱性橫向評(píng)價(jià)

依據(jù)前述研究方法，得到唐山市水資源脆弱性空間分布圖(圖4)?？芍?，該市水資源脆弱性等級(jí)包含4個(gè)，其中遵化、遷西、遷安屬于較不脆弱級(jí)別；樂(lè)亭為臨界水平；玉田、豐潤(rùn)、豐南、灤縣、曹妃甸和灤南屬于較脆弱等級(jí)，而市中心呈脆弱等級(jí)。唐山市水資源脆弱性空間分布呈環(huán)狀特點(diǎn)。

圖4 唐山市水資源脆弱性空間分布

4.4 唐山市水資源脆弱性縱向評(píng)價(jià)

以市域?yàn)樵u(píng)價(jià)單位，采用前述方法，對(duì)2005～2015年唐山市水資源脆弱性進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖5所示?？芍?，2005～2007年間該市水資源脆弱性屬于較不脆弱等級(jí)，表明該階段水資源整體情況較好，能夠支持社會(huì)發(fā)展需要。于2008～2013年，水資源脆弱性達(dá)到臨界水平，表明該階段水資源問(wèn)題凸顯，并影響到民生發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步。在2013～2015年間水資源脆弱性更是達(dá)到較脆弱等級(jí)。10年來(lái)唐山市水資源脆弱性指數(shù)由0.27波動(dòng)升高至0.693，相應(yīng)地，水資源脆弱性等級(jí)逐漸惡化。

圖5 唐山市水資源脆弱性時(shí)間

5 結(jié)論

本文從時(shí)空維度上刻畫(huà)了唐山水資源分布格局，為區(qū)域水源規(guī)劃與調(diào)配提供了客觀參考。一元線性回歸分析從宏觀上揭示了唐山市水資源量年際變化特征，其線性減少的傾向趨勢(shì)對(duì)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)較為不利，對(duì)此應(yīng)當(dāng)積極應(yīng)對(duì)。Kriging插值法描述了水資源量的空間特征，水資源在空間上分布不均勻是進(jìn)行水資源管理基礎(chǔ)依據(jù)。熵權(quán)綜合指數(shù)法表明，2005～2015年間唐山市水資源脆弱性逐漸惡化，并且該市水資源脆弱性在空間呈聚集性分布，這意味著在為了發(fā)展規(guī)劃中應(yīng)將經(jīng)濟(jì)、人口布局為水資源空間分布相匹配。

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