北票市水资源时空分布及其脆弱性评价

董艳玲

1 研究理论

1.1 一元回归分析

水资源数量随时间分布具有波动性,可通过一元回归分析法确定水资源量与时间尺度间的相互依赖性关。其计算公式如下[4]：

式中，h为线性回归拟合斜率，当h＞0时，表明随着时间的变化，水资源量呈增加趋势，当h<0时，表明随着时间变化，水资源逐渐减少，当h=0时，说明水资源量无变化。式中i为年份序列，n为研究时域长度。

1.2 Kriging插值分析

水资源特别是降水资源具有明显的空间分布特征。为解析其空间格局，通常采用地统计学方法。地统计学通过邻近度观测检测空间连续性变量变量的随机不恒定变化与空间位置之间的关系，进而确定临近位置上水资源空间分布影响因素的重要性即空间权值，利用空间权值与观测值，对目标空间于进行预测。Kriging插值的公式如下[5]：

式中，Z(x0)、Z(x0)分别表示变量在 x0、x1处的估计值、实测值，λ表示临近点对其影响程度，即权值。

1.3 水资源脆弱性评价框架

关于其评价框架的研究，众多学者从影响因素出发，将水资源承载力指标框架逐层分解为压力、状态、响应三个层次。其中压力层为水资源本体面临的压力，主要是经济发展、人口、农业生产对水资源的巨大需求；状态表示水资源承受压力后呈现的本底质量；响应为人们为保护水环境而付诸的措施。据此,建立了北票市水资源脆弱性评价:指标体系,其中压力层为:人口密度（人/km2）、人均水资源量（m3）、需水模数（万 m3/km2）；状态层为：降水量（mm）、森林覆盖率（%）、产水模数（万 m3/km2）；响应层为：污水处理率（%）、节水率（%）、环境投资占GDP比重（%）。这9项指标综合反映了北票市水资源的影响因子与多维反馈，具有一定的应用性。

1.4 水资源脆弱性量化方案

基于1.2.3部分所述，提取2005～2015年该市水资源脆弱性9个指标因子的原始值。由于各因子属于不同量纲，且其正负属性存在差异，不便进行直接量算。鉴于此采用极差归一化法，将各原始值化为0～1之间的数值，公式如下：

式中x为指标原数据，i为评价对象序列，j为指标序列，maxxj和minxj分别表示第j个指标中最大值和最小值，y为标准化值。其中+指标表示指标原始值越大，水资源脆弱程度越高，-指标表示指标原始值越小，水资源脆弱性越小。根据上式，得出了其熵权大小：0.094、0.117、0.134、0.118、0.089、0.142、0.099、0.086、0.121。

在水资源脆弱性评价框架中，各项因子的重要性存在差异，为量化其影响程度，以熵值信息进行客观表达。其函式如下：

水资源脆弱性指数E的值域为[0,1]，按照等分法将其划分为5各层次，用以渐进评价水资源脆弱性动态演替。其划分标准为：[0,0.2)不脆弱、[0.2,0.4)较不脆弱、[0.4,0.6)临界、[0.6,0.8)较脆弱、[0.8,1]脆弱。

1.5 数据来源与处理平台

本研究以北票市水资源为研究对象，数据涉及区域大气降水、地表水、地下水等，其中大降水资料由国家气象局气候信息中心提供；地表水和地下水数据从《朝阳统计年鉴》《朝阳统计年鉴》(1989～2016)中提取。其中水资源脆弱性评价以全为评价对象，评价时域为2005～2015年。文章从时间/空间维度对北票市水资源变化特征进行分析,其时间变化特征在Excel2016软件的绘图模块中完成,其空间分布特征于ArcGIS 10.3平台的Spatial Analysis模块的Geostatistics插件完成。北票市水资源脆弱性评价及其指数计算通过Excel进行。

2 北票市水资源时空分布特征

2.1 北票市水资源年际变化特征

图1直观反映l989～2016年北票市水资源总量动态特征。就降水量来看，全市年降水量波动较大，观测期内降水量最大值为1996年的686.5 mm，最小值为2013年的384.2 mm，该时期全市降水量平均值为507mm。近28年中，仅有10个年份的降水量高于平均值，其他18个年份的降水量低于平均水平，表明本市降水量变异性较大。回归分析显示，随着年份增加，北票市降水量呈减少趋势，年减少量为1.125mm，但不具有统计显著性(r2=0.0153，p＞0.5)。

图1 北票市水资源年级变化特征

地表水资源是温带季风气候区的北票市的重要水资源类型，其年平均量达1.74×108m3，占区域水资源总量的7/10。地表水资源为降水经地表汇流后在地面上形成的相对稳定的水资源体，其年季变化特征与降水量的变化相一致。1989～2016年间，全市代表水资源量波动于0.956～2.386×108m3之间，最大值出现在1989年，最小值出现在1997年。其中于1989～1999年期间，北票市地表水资源量波动性较大，而在2000～2016年其趋于稳定，介于1.21～1.65×108m3之间。线性趋势表明，28年来北票市地表水资源量逐渐减少，年变化量为-0.0208×108m3，在0.05水平上达到统计显著性(r2=0.2455，p<0.05)。

图1中反映了1989～2016年北票市水资源总量的线性趋势图。可知，观测时期内该市水资源总量呈减少的特征，年减少量达到0.0212×108m3，并且达到统计显著性 (r2=0.2433，p<0.05)。这种变化趋势与经济发展、人口增加的社会背景不协调，势必导致水资源脆弱性加大。

2.2 北票市水资源空间分布特征

根据北票市各乡镇资料，将其转化为点值空间文件，在ArcGIS10.3平台上进行空间化为shp格式，然后采用普通Kriging插值法进行全局估计，得到北票市径流深度结果(图1)。该市径流深度值介于5～14 mm之间，其中南部低地平原区的径流深度最大，达12～14 mm，主要由于该局部为河流下游地区，水面广阔、流量丰富、产流聚集。东部地区的径流深径流深度介于8～12 mm,该地为平原、丘陵交错分布区,耕地、林地、园地分布密集,灌溉水域分布较多,人工截留利用广泛。西北径流深度最小,仅为5～8 mm,局部小于6 mm,这是由于该地地势较高,径流流失快、不易汇聚;地形因素决定了该区修建水利设施成本大,地表径流利用率低。全局来看,北票市径流深度分布呈现自东南向西北递减的格局,这反映了区域地表径流与水文的空间不均匀性。

图2 北票市水资源空间分布特征

降水是气候的典型因子，其空间分布格局不仅与海陆位置、地形、下垫面等因素密切相关，还收大气循环过程影响。北票市降水量空间分布特征如图2所示，可知全区降水量呈地带性分布。东南部距离海洋较近的地区降水量丰富,达600～645 mm，西北内陆山地区仅为335～400 mm，降水量为全市最低值，其他大部分地区降水量约在450～550 mm之间。北票市降水量空间分布表现出自东南向西北递减格局,这与区域径流深度空间特征相一致。

3 北票市水资源脆弱性分析

3.1 北票市水资源脆弱性影响因素分析

图3为北票市水资源脆弱性评价指标体系各因子熵值权重雷达图。9个指标因子的权值不一,表明其对水资源脆弱性的影响存在差异。具体来看,产水模数(万m3/km2)的权值最大,达到0.142,其是该评价方案中对水资源脆弱性起关键作用的因子。产水模数为区域水资源在单位土地面积上的总量分布,其值越大,表明水资源越丰富。需水模数 (万m3/km2)的权值次之,达到0.134,其表征用水需求压力,在其他条件一致的情况下,需水模数越大,水资源脆弱性越大。环境投资占GDP比重(%)的权值达到0.121,表明水环境改善行动对水资源脆弱性具有重要影响。4降水量(mm)、人均水资源量(m3)的权值分别达到0.118、0.117,而人口密度(人/km2)、森林覆盖率(%)、节水率(%)、污水处理率(%)的熵权依次为 0.094、0.089、0.086、0.099；虽然其权值不大,但其对水资源脆弱性具有一定影响。综合来看,产水模数、需水模数、环境投资占GDP比重是北票市水资源脆弱性的关键影响因子。

图3 北票市水资源脆弱性影响因素雷达图

3.2 北票市水资源脆弱性动态评价

依据前述熵权综合指数法对2005～2015年北票市水资源脆弱性进行动态评价,结果如图4所示。可知,11年间北票市水资源脆弱性指数有2005年的0.270波段升高至2015年的0.737,相应地,脆弱性等级由较不脆弱 (2005～2007)演变至临界 (2008～2010)、较脆弱等级(2011～2016)，表明北票市水资源承载状况逐渐恶化。线性分析表明，水资源脆弱性指数逐年升高，增加率达到0.0348，在5%水平上达到显著(r2=0.875，p<0.05)。北票市水资源脆弱性演变趋势是经济社会压力、水环境状态、环境保护响应等维度综合作用的结果。就具体指标因素来看，近10年来，该市人口逐年增加，人口密度由106(人/km2)升高至135(人/km2)，相应地人均水资源量由405 m3降低至376(m3);一方面经济社会发展需求对用水量需求增大,需水模数由874(万m3/km2)增加至1263(万m3/km2)；另一方面居民环保意识增强,污水处理率由10%提高至35%,节水率由5.6%升高至23.7%,环境投资占GDP比重由0.25%增高到1.26%,森林覆盖率由26.78%扩展为31.68%。而降水量降水量(mm)、产水模数(万m3/km2)具有较强的不确定性，不具有稳定线性趋势。综合而言,近年来北票市经济发展较快，人类活动强度加大、水环境遭受破坏,水资源数量及其自生能力退化，人水矛盾凸显，水资源脆弱性加大。

图4 北票市水资源脆弱性动态趋势图

4 结论

北票市水资源量在1989～2016年间呈线性减少趋势,这与本区气候干化、降水量减少等自然因素以及人口增加、城镇化推进等社会因素密切相关，从长远来看这不利于区域可持续发展。北票市水资源呈自东南向西北减少的空间格局，这与本区经济和人口布局相匹配。2005～2016年水资源脆弱性综合演变呈恶化发展，表明区域水资源书质量及其自生能力难以为经济社会发展提供良好支撑,故而,加强区域水环境调配与水环境生态治理是极有必要的。

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