像元尺度上廣西西江流域水資源可獲取性綜合評價

閆 妍，王 鈺，胡寶清，黃凱燕

(1.南寧師范大學(xué)北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西南寧530001；2.南寧師范大學(xué)廣西地表過程與智能模擬重點實驗室，廣西南寧530001；3.南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西南寧530001)

0 引 言

隨著國家戰(zhàn)略珠江-西江經(jīng)濟(jì)帶的推進(jìn)，西江流域水資源的供需、開發(fā)利用與水環(huán)境保護(hù)的矛盾日益突出，制約著流域水資源利用的可持續(xù)發(fā)展。因此，亟需對流域水資源利用開展有效評價。前期研究多圍繞承載力[1-2]、脆弱性[3- 4]、壓力和稀缺性[5]等方面，對區(qū)域水資源可持續(xù)利用開展評價研究，然而流域水資源空間配置尚未得到有效解決。部分研究使用分布式水文模型，揭示流域水資源運移過程和空間格局[6-7]；但對水資源利用空間信息的反映不夠精確。

近期有學(xué)者提出水資源可獲取性概念，指在不考慮水循環(huán)和水資源利用目的的條件下，流域任一格元水資源獲取的難易程度[8]。通過分析水可獲取性的影響因素，如徑流、取水距離和高差等，建立水資源可獲取性評價模型，計算流域內(nèi)任意像元的取水難易程度。得到小尺度上精確的水資源空間分布信息，為流域水資源精細(xì)管理和利用提供科學(xué)依據(jù)。然而，水可獲取性模型對于特定的河流系統(tǒng)存在區(qū)域差異，且在時空尺度上變化較大[9-10]，只有針對性分析徑流產(chǎn)生過程和水文體系變化來識別特定流域的有效水資源可獲取性。因此，研究選取國家戰(zhàn)略所在地——西江流域(廣西境內(nèi))進(jìn)行實證研究，通過改進(jìn)水可獲取性模型，獲取流域水資源可獲取性難易程度，以期為廣西西江流域水資源精細(xì)化管理實踐提供科學(xué)基礎(chǔ)。

廣西西江流域位于104°28’E～112°35’E， 20°35’N～26°20’N，境內(nèi)西江河長約869 km，是廣西壯族自治區(qū)的重要水系。流域集雨面積約20×104km2，占廣西行政區(qū)總面積的85.88%，水資源總量約占廣西水資源總量的85.5%。流域地貌主要是山地丘陵盆地地貌，地勢自西北向東南傾斜，西北是云貴高原，東南是丘陵盆地。土壤類型以紅壤、赤紅壤、水稻土為主。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，氣候濕熱多雨，夏長冬短。年均降水量在1 080～2 760 mm之間，年平均氣溫在16.5～23.1 ℃之間。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括研究區(qū)行政邊界、自然水系分布，來源于全國1∶25萬數(shù)據(jù)庫。數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)選取GDEM V2 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.giscloud.cn/)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)取自于2008年～2015年《廣西壯族自治區(qū)水資源公報》。其他數(shù)據(jù)來源于《廣西通志·水利志》。

1.2 自然水系提取

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model， DEM)，即地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)?；贒EM數(shù)據(jù)提取真實準(zhǔn)確的水系，是建立水文模型的基礎(chǔ)，能反映流域地形、地貌、氣象、水文等的綜合情況[11-12]。

基于DEM數(shù)據(jù)提取水系主要分為三個步驟：①無洼地DEM生成；②水流方向及匯流累積量計算；③水系提取。本研究采用坡面徑流模擬方法實現(xiàn)連續(xù)河網(wǎng)的提取，其中，水流方向計算主要采用單流向法中的D8算法[13]。依據(jù)不同匯流累積量閾值提取水系，提取不同閾值下水系的河道數(shù)、河流長度及河網(wǎng)密度進(jìn)行趨勢線擬合，并與廣西水利志數(shù)據(jù)比較，獲取廣西西江流域水系數(shù)據(jù)。為進(jìn)一步驗證基于DEM提取的河網(wǎng)信息的正確性，將1∶25萬數(shù)據(jù)庫中的西江流域水系數(shù)據(jù)與提取出的河網(wǎng)相互疊加比較。

1.3 水資源可獲取性模型

根據(jù)Yu等提出的水可獲取性概念，研究利用“空間用水點”的概念，在不考慮水循環(huán)、利用目的情況下，在空間中任意點取水的難易受坡度、相對高差、年徑流量和距河道距離的影響，因此建立水可獲取性模型用以評價流域水可獲取性的難易程度。

(1)

式中，W為水可獲取性綜合指數(shù)；Wi(i=1，…，4)分別為S、H、R和D引起的水可獲取性分量；β為區(qū)域擬合系數(shù)；S為坡度；H為單元點跟河流的相對高差；R為河流徑流量；D為單元點到河流的距離；β1、β2、β3、β4分別為S、H、R、D的區(qū)域擬合系數(shù)。

(1)坡度：指過地表面上任一點的切平面與水平面的夾角，表示該點的傾斜程度。

(2)相對高差：引水會受到高程的限制，引水點與水源地的相對高程越大，越難取水，投入取水的成本也就越多，那么該點的可獲取性也越難。在現(xiàn)實中，每個格點與距最近河流的高差比較難計算。因此，本文以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以劃分出來的小流域為單位，利用分區(qū)統(tǒng)計工具計算流域內(nèi)的河流平均高程與最小高程，并且假設(shè)小流域內(nèi)各點取水均來自河流，則可用柵格計算器計算各點與河流的相對高差，柵格計算器中的計算法則指若單元格高程比河流平均高程大，則單元格高程減去河流平均高程；反之，則單元格高程減去河流最小高程。

(3)年徑流量：指年度內(nèi)通過河流某一斷面的水量，用于估計地區(qū)水資源總量的變化。本文用徑流量來估計地表水資源量。由于Flow Accumulation計算出的匯流累積量不等于實際徑流量，因此需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換；在現(xiàn)實中當(dāng)某地區(qū)缺乏實測徑流數(shù)據(jù)的時候，可以用水文比擬法、徑流系數(shù)法、經(jīng)驗公式法[14]等來計算一定時間段內(nèi)的流量。當(dāng)流域存在上游入境水量時，流域干流徑流量需加上入境水量。 則

(2)

式中，Ra為年徑流量，104m3；F為承雨面積，km2；h為流域平均徑流深，mm；P為干流上游入境水量。根據(jù)《廣西通志·水利志》獲取h值為684.48 mm，根據(jù)《廣西壯族自治區(qū)水資源公報》獲取P值為4.3187 × 1010m3。

(4)距離：取水也受距離水源遠(yuǎn)近的影響，基于柵格河網(wǎng)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件歐氏距離工具，計算每個柵格點與最近河源的歐氏距離，即量測每個點到最近源的直線距離。

(5)指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化：對于式(1)中的各個變量，我們先規(guī)定坡度、高程、徑流量、距離引起的水可獲取性Wi(Wi∈[0，1]，i=1，…，4)，Wi值越大表明水資源可獲取性越容易；反之，水資源可獲取性就越困難。由于選取的指標(biāo)有正相關(guān)的(如R)，有負(fù)相關(guān)的(如S、H、D)，所以本文采用綜合指數(shù)法將不同性質(zhì)量綱標(biāo)準(zhǔn)化。即

(3)

其中，xi是第i個評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值；dimax為第i個評價指標(biāo)的最大值。

2 結(jié)果與討論

2.1 河網(wǎng)提取

在提取河網(wǎng)中最重要的是如何設(shè)定比較合適的集水閾值。由于還不知道閾值設(shè)定為何值時得到的河網(wǎng)與實際河網(wǎng)最相近，因此用ArcGIS中的柵格計算器在流域匯流累積量的基礎(chǔ)上，分別設(shè)定不同的集水面積閾值以提取出相應(yīng)的河道數(shù)與河網(wǎng)密度的河網(wǎng)，根據(jù)分析閾值和河道數(shù)、河流長度及河網(wǎng)密度的關(guān)系來最終決定閾值(表1)。

表1 河網(wǎng)特征隨集水面積閾值的變化

集水面積閾值從4 km2增加到70 km2，河道數(shù)從26 540條減至1 860條，總的河長從77 432.12 km減少到20 924.31 km，河網(wǎng)密度從0.38 km/km2變?yōu)?.10 km/km2。根據(jù)線條數(shù)、河網(wǎng)密度和集水面積閾值間的負(fù)相關(guān)性，采用冪函數(shù)進(jìn)行趨勢擬合分析，擬合度R2分別達(dá)到0.997 9和0.997 7，擬合度良好(見圖1)。

本文選擇21 km2作為西江流域集水面積的閾值。從表1可得知，當(dāng)閾值為21 km2，河道數(shù)為6 213條，河流長度38 132.08 km，河網(wǎng)密度0.187 0，與《廣西通志·水利志》記錄中西江流域?qū)嶋H長度38 072 km、實際河網(wǎng)密度0.188相接近。為了驗證基于DEM提取河網(wǎng)的科學(xué)性合理性，將通過設(shè)定最合理閾值21 km2得到的柵格河網(wǎng)，與原有廣西水系矢量圖層相疊加顯示(見圖2)。

圖1 河道數(shù)、河網(wǎng)密度隨閾值變化擬合結(jié)果

圖2 研究區(qū)矢量水系與河網(wǎng)疊加對比示意

2.2 模型系數(shù)

通過計算得到西江流域各格元的S、H、R、D值見表2。

表2 模型參數(shù)統(tǒng)計

以S、H、R、D4個因子的最大值與最小值，根據(jù)式(3)進(jìn)行指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理(見表3)。

表3 參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化處理(部分)

把表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)擬合，得到各個指標(biāo)分量的水可獲取性分量表達(dá)式

(4)

圖3 廣西西江流域水可獲取性模型分量空間分布

擬合精度R2=0.911 9，根據(jù)式(1)得到本研究區(qū)的水可獲取性評價模型

(5)

2.3 水資源可獲取性

基于ArcGIS10.2軟件平臺的水文分析工具和空間分析方法，得到了廣西西江流域內(nèi)各個柵格點的坡度、相對高差、徑流量、取水距離(見圖3)。

根據(jù)水可獲取性模型公式(5)計算廣西西江流域各個柵格點的水可獲取性(圖4)。

研究區(qū)水資源可獲取性在0.092～3.961 1之間，數(shù)值越大，則水可獲取性越好；反之，則越差；西江流域水可獲取性有從流域內(nèi)西北部到東南部不斷增強的趨勢。流域的水可獲取性與坡度、距水源距離、高差與河流徑流量有關(guān)，取水點坡度越大、距水源距離越遠(yuǎn)、與河流的相對落差越大、徑流量越少，則可獲取性越差；反之，則越好。

圖4 像元尺度上廣西西江流域水可獲取性指數(shù)

水資源可獲取性與區(qū)域河網(wǎng)分布及徑流量關(guān)系密切，表現(xiàn)為干流的水可獲取性較容易，其次是支流，而離河流較遠(yuǎn)的地方水可獲取性較低。研究區(qū)西北部、北部地區(qū)坡度最大，相對高差也比較大，徑流量較小，水可獲取性相對較差，僅在河流的沿岸附近的水可獲取性略大。研究區(qū)中部、南部地區(qū)坡度比西北部小，相對高差也比西北部小，年徑流量大，所以中部、南部比西北部和北部的水資源可獲取性高。而中部、東部，特別是東南部水資源可獲取性最強，這些地區(qū)處在流域的下游，坡度相對低，相對高差小，主干流多、徑流量大，河網(wǎng)密集。因此，該結(jié)果總體符合研究區(qū)水資源分布的實際情況。

3 結(jié) 論

本文通過設(shè)定不同的閾值，基于覆蓋研究區(qū)30 m的DEM數(shù)據(jù)提取河網(wǎng)，當(dāng)集水面積閾值設(shè)定21 km2時，得到的河流長度、河網(wǎng)密度與實際水文資料中記錄的值最接近，證明了使用DEM提取河網(wǎng)信息的可靠性。

對于區(qū)域中某一空間用水點來說，它的取水難易程度和水源是否充足、取水距離的遠(yuǎn)近、取水路徑的坡度及相對水源的高差等有關(guān)。水源充足，可以保證有水可獲取的基本條件；距水源距離決定了取水成本的大??；坡度和相對高差越大，越難取水。所以根據(jù)這四個影響因素，建立水資源可獲取性模型來分析“空間用水點”跟其周圍最近河源的關(guān)系，評價其水可獲取性的難易程度，是可行的研究模型。

不同于前期水資源利用評價，本研究通過考慮自然水系、空間格元，得到研究區(qū)像元尺度的水資源可獲取性難易程度，能直觀地表現(xiàn)出流域內(nèi)水資源可獲取性的空間差異。像元尺度的水資源可獲取性可以推動農(nóng)業(yè)精細(xì)化管理，如農(nóng)田灌溉、引水規(guī)劃，以及為居民用水管理等提供更有參考價值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為微觀決策者實踐和管理決策提供科學(xué)依據(jù)。