康平县水资源时空分布特征及其脆弱性评价

王莹莹

(康平县水利局，辽宁 康平 110500)

日益发展的经济社会与居民生活水平对水资源供应及其数量和质量的保证提出了更高要求，水源污染、气候变化不确定性增加等情况为水资源供需平衡增加了一系列不利因素[1-2]。厘清区域水资源的年季变化特性，把握其空间分布格局，可为区域经济人口布局调整、资源开发与利用提供决策依据。水资源是动态自然变量，水资源整体质量随着自然环境、人为干扰强度的变化而改变，长时期以来鲜有学者揭示其动态演进特征。康平县地处辽河水土保持功能区，建立水资源脆弱性评价指标体系，开展水环境、水资源质量综合分析，对促进水资源永续利用与可持续发展具有重要意义[3]。

1 概 述

康平地处辽中南向松嫩地区过渡带，居于辽宁北部沈阳境内，地理坐标介于E122°45′～E123°37、N42°31′～N43°02′，区域面积为2 175 km2，人口达37万人(2014年)。区域属巫闻山地丘陵向平原倾向地形，平均海拔381 m，总体地势平坦、坡度和缓。由于位居欧亚大陆东岸中纬度沿海地区，受气候环流与热力效应形成温带季风性气候，冬寒夏热、雨热同期，降水集中度强，年平均气温6.9℃，年降水量540 mm，日照时数2 867 h，无霜期150 d。全县属浑河流域，主要河流有秀水河，流速平缓、河面宽平，受冰雪融水与夏季降水影响，形成春汛和夏汛，地表水资源量达2.58×108m3，为该县生产生活主要用水类型。区域用地类型以林地(温带落叶林和针叶林)、草地(温带草原)和耕地为主，森林覆被率达38%，具有较好的水土涵养能力。随着该县城镇化深入发展，区域水资源主要问题表现为水源供应不足、水土流失恶化、水源污染。

2 研究方法

2.1 水资源时间性分析

回归分析(regression analysis)能够确定变量之间相互依赖性关系[9]，并能够将这种关系量化，一元回归分析则能够直观度量目标变量随解释变量的变化趋势。以年为度量的时间尺度上，水资源总量的变化具有一维特性，遂采用一元回归法解析其倾向趋势。该分析方法如下：

式中：h为线性趋势拟合系数，若其为正时，则表明水资源量随着时间序列呈增加态势；若其为负数，则表明其随着时间序列的变化而变小；i为年份序列；n为研究时域长度[4]。

2.2 GIS空间插值分析

水资源量的监测往往通过站点、断面测量，尚不能进行全域量算。而水资源特别是降水资源具有明显的空间分布特征，即在不同空间位置上的属性值存在差异。为了便于观察其全局空间分布特征，通常采用空间插值法。而Kriging法的理论基础即是空间变量理论，水资源分布符合这一插值理念。作为一种无偏最优的估计方法，Kriging 插值定义如下[5]：

式中:λi为对目标观测点权重系数，当估算误差为最小时，方可达到线性无偏估计最优，此时的权重由Ordinary Kriging 方程组分配，公式如下：

2.3 水资源脆弱性评价

Steep1：构建评价指标体系。水资源脆弱性意指水资源本体在为经济社会发展提供必要支撑且维持其再生能力不受损坏条件下的水资源供应脆弱性程度。其具有自然、社会双重属性，前者体现在其是生态环境要素之一，后者在于其提供必要的生产生活资料。水资源脆弱性的影响因素可划分为人口因素、经济社会因素、生态环境因素、水资源因素，从这些维度构建水资源脆弱性评价框架需要将综合性问题具体化，即将影响因素细致为某一个具有独立性、可量化的指标[6]。遵循完整性、简明性、层次性、动态性的准则，出于对康平县水资源环境与经济社会基础的认知，构建了由14个指标组成的水资源脆弱性评价指标体系，见图1。

图1 康平县水资源脆弱性评价指标体系

Steep2：指标归一化处理。图1中，各指标与水资源脆弱性之间的关系不同。正向指标为指标属性值越大，水资源脆弱程度越高；反之，水资源脆弱性越小。依据指标正负属性，将其归一化为0～1之间的标准值，公式如下：

+指标：yij-(xij-minxj)/(maxxj-minxj)

(1)

-指标：yij(maxxj-xij)/(maxxj-minxj)

(2)

式中：maxxj和minxj分别为第j个指标中最大值和最小值；yij为第i个评价对象的第j个指标的标准化值。

Steep3：确定指标权值。当进行多指标综合决策时，各项指标之间存在竞争性。从信息熵的角度，单一之间的差值越小，则其熵值信息越少，表明该项指标平稳性越高，熵权越大。作为客观赋权法，熵权计算公式如下：

Steep4：水资源脆弱性指数计算。将水资源脆弱性指标矩阵归一化后与相应的权值进行加权求和，即能量化表达区域水资源脆弱性，其得分越高，表明水资源脆弱程度高、水环境整体质量较差；反之，水资源脆弱性程度低，水资源总量与水环境能够为经济社会发展提供良好支撑。水资源脆弱性指数计算模型如下：

2.4 数据来源

本研究涉及到康平县降水数据(1989～2016年)，通过气象数据共享服务网站(http://data.cma.cn/)获取。径流深度数据、地表水资源和水资源总量数据由康平县水文局提供。水资源时间变化和水资源脆弱性评价通过Excel 2016软件计算得到，水资源空间分布分析通过ArcGIS10.3完成。

3 结果与分析

3.1 唐山市水资源时间分布特征

水资源总量主要受降雨、地下水资源量影响，本区地下水资源量相对较少，故在此不做分析。应用一元回归分析，能够宏观描述区域随自变量变化特征，并对未来趋势进行预测。由图2可知，28年间(1989～2016年)，康平县降水量呈波动特征，在1996年达到峰值，为723.7 mm，1998和2016年为次高峰，依次为689.3和686.2 mm，并在1992、1997和2001年3个时间点存在明显低值，分别为433.06、451.2和424.4 mm。在这一时期，康平县降水量总的变化趋势为y=-0.235 4x+1 035.4，年变化率为-0.235 4 mm，呈减少趋势。经5%水平的信度检验，R2=0.000 6，p>0.05，未通过统计显著性检验，表明该变化趋势不显著。

地表径流为降水经产流、汇流等水文过程在一定的地表环境下形成的相对稳定的集水区域，地表径流往往是区域水资源利用的主体。由图2可知，1988～2016年康平县地表水资源量由2.72×108m3逐步减少至2.695×108m3，总体为减少趋势。其与年际的关系为y=-0.013 3x+29.301，变化量为0.133×108m3/10 a，在0.05水平上呈显著性(R2=0.234 8，p<0.05)。观测期内，康平县地表水资源量峰值出现在1995和1998年，达到3.125×108和3.118×108m3，最低值出现在1997年，仅为2.25×108m3。

图2 康平县水资源总量动态变化

本区地表径流量占水资源总量的80%左右，因而水资源总量的年际变化趋势与地表径流量具有相似特征。由图3可知，观测期内康平县水资源总量呈阶段性减少，在1989～1999年间，水资源总量呈现较大波动，但其均值为2.982×108m3；在2000～2016年间，该县水资源总量均值仅为2.71×108m3。回归分析表明，区域水资源总量与年际的变化关系为：y=-0.016 1x+35.381，并通过5%水平的信度检验，表明其减少趋势明显。

3.2 康平县水资源空间分布特征

康平县降水量主要受西方环流带来的西太平洋水汽影响，同我国东北地区降水空间分布特征一致，康平县年降水量呈现自东向西递减格局。县域东西狭长、南北稍短，来自日本海上空的海洋气流自东向西输入欧亚大陆东北岸，随着距离增加而逐渐衰减，由此本县降水量东多西少。其中，东南端降水量最多，局部达到700 mm，东部和东北部地区次之，介于550～600 mm，西部地区降水量最少，局部少于500 mm。

将气象站点降雨量数据结合区域地表径流断面数据，采用格网法测算其径流深度，结果见图3。该县东南端为河流流域下游、地势低平，便于径流汇集，加之本区降水量集中于东部地区，故而该地径流深度最大，达60 mm，表明局域水资源丰富。该县北部地区为水库、湖泊和河网聚集区，地表产流丰富，径流深度次之，约为30～50 mm。中西部地区径流深度最小，仅为18～30 mm。县域中部为人口、经济密集区，而水资源量相对较少，因此有必要加强区域水源空间调配。

3.3 康平县水资源脆弱性评价

依据水资源脆弱性量化模型,得到2005～2015年康平县水资源脆弱性指数变化趋势图，见图4。

图4 康平县水资源脆弱性指数动态特征

由图4可知，近12年来该县水资源脆弱性指数呈起伏上升，由2005年的0.263增加至2015年的0.574，其年际变化关系为：y=0.016 7x-33.209，在5%水平上通过了信度检验(R2=0.435 5，p<0.05)，表明水资源脆弱性指数上升趋势明显，康平县水资源整体质量与承载能力下降。其中，2004～2008年全县水资源承载力指数升高较快，增加了0.202，这期间该县人口密度由136人/km2升高至147人/km2，人均用水量与需水量增加迅速，而单位GDP耗水量高达51元/m3，并且水资源利用效率依然不高，污染径流比重达20%～35%，因此该期间水环境恶化明显，水资源脆弱性呈线性增加。2009～2011年，该县水资源脆弱性指数增速平缓，主要由于期间人口增加速度放缓，水资源的需求量呈低速增加，相应森林覆盖率由28%升高至 33%，区域污水处理逐渐正规化，这在一定程度上缓和了水资源脆弱性。2012年后，康平县水资源脆弱性仍处于较高水平。从各项指标演进趋势来看，主要由于需水模数增加、产水模数下降、水资源总量减少导致的。依据上文分析可知，康平县水资源总量呈线性减少趋势特征，而其水资源脆弱性呈增加态势，表明水资源总量是水资源脆弱性的主要影响因素之一。

4 结 论

对康平县水资源特性分析可知，该县降水量与径流深度呈自东向西减少的地带性分布规律，其空间不均匀性与该县的经济人口布局不匹配，这是区域水资源空间调配的必然性所在。线性分析表明，1989～2015年全县降水量呈波动性趋势，反映了气候变化对本区降水存在不确定性影响，而地表水和水资源总量总体呈线性减少趋势，对供水平衡和环境演变存在不利。近期以及未来一段时期，康平县水资源整体状况较为脆弱，应注重开源节流，即一方面加强以生态环境建设为核心的水土保持、水源涵养、水环境保护工程，另一方面推广节水技术，节约水资源，提高水的利用率。