山东省水资源时空分布及其承载力综合评价

马付苍

（山东省兰陵县水利局，山东 兰陵 277700）

山东地处黄河下游向海洋延伸地带，北接华北、南依黄淮，区域面积15.8万km2，总人口9964万人(2015年)。区域为山地、丘陵、平原交汇，形成中高周低的地势特征，海拔介于0 m～1532.7 m，可分为鲁西平原、鲁中南山地和鲁东丘陵。属暖温带季风气候，年平均气温11℃～14℃，降水量介于480 mm～968 mm之间，冬季寒冷干燥、夏季炎热湿润、雨热同期，时有旱涝灾害发生。受地势影响，区域河流呈放射状流向，注入黄河、渤海和黄海，典型植被为温带落叶阔叶林。据统计资料显示，山东省年平均水资源总量为168.89亿m3，属于人均占有量少于500 mm的严重缺水区。作为我国经济发展强省，水资源是其可持续发展的战略资源之一，基于当前背景，极有必要厘清区域水环境质量与承载力，为经济发展和民生安全提供实践参考。

1 水资源承载力评价方法

1.1 水资源承载力评价指标体系

水资源承载力不仅体现水环境质量特性还反映其社会服务能力，因此，应该从多角度展开对其综合承载力的度量[1]。联合国环境规划署推广使用的PSR(Pressure-State-Response)模型将生态环境评价问题以动力循环与综合反馈的视角进行分层模拟，并得到广泛认可。本文以PSR结构模型评估水资源承载力，其中压力指标意指，为支持社会经济系统的发展，从水生态系统中获取水资源，并产生排放，对水资源造成压力；状态指标反映人与水之间的交互影响后水资源数量、质量以及水生态环境本底情况；响应指标表征水资源本底状态的改变影响经济社会的健康发展，随人类通过意识与行动做出积极反馈，以保护和改善水资源环境，如此系统动力循环，构成了针对水资源承载力的压力-状态-响应评价模型[2～3]。基于这一逻辑思维，并结合相关学者研究成果，给出了针对山东省的水资源承载力评价指标体系见表1。

表1 区域水资源承载力力评价指标体系

1.2 指标归一化

以山东省17地势相关指标数据为基础，进行归一化处理，以剔除量纲、噪声影响。公式如下：

正向指标：yij=（xij-xj）/（max xj-min xj）

负向指标：yij=（max xj-xij）/（max xj-min xj）

式中：x为指标原始数据，i为行政区序列，j为指标项目序列，max xj和min xj分别表示第j个指标中最大值和最小值，y为标准化值。

1.3 熵权计算

采用熵权法对各项指标予以客观赋权，定义如下[4]：

标权重见表1。

1.4 水资源承载力指数计算与评价分级

单项指标表征某一因子对生态环境的影响作用程度，运用综合指数法，将各项指标标准化值与指标贡献值加权求和则能量化反映区域水资源承载力综合水平，该模型公式为：

式中：Ed(d＝1,2,3)为各子系统安全指数，E为水资源承载力综合指数。安全指数值域为[0,1]，依据自然裂点法原理[2,5]，将其分为3级：较不安全，临界安全，较安全。

1.5 数据来源与处理

研究数据主要来源于《山东统计年鉴》(2016)，鉴于数据可获得性的限制，另从《中国统计年鉴》(2016)中提取了部分数据。

基本数据处理与水资源承载力指数计算是在Excel 2010支持下完成，自然裂点分级以及水资源承载力空间分布图绘制在ArcGIS10.3平台上完成。

2 结果与分析

2.1 山东省降水资源空间分布

降水是区域水资源直接且最有效的来源，其更新周期短、时间延续性长，可汇聚成地表径流。将1989年～2016年全省各站点年降水量的平均值进行空间内插，得到结果见图1。虽然与全区降水量实际值存在一定差异，但其总体平滑效应能够直观反映降水量空间分布差异。可知，山东省降水资源介于458mm～1039 mm之间，呈团状分布。其中高值区位于鲁中济南、莱芜和泰安三市交界区，临沂、枣庄、日照南部地区，烟台、青岛东部地区，局部高于800 mm。总体来看鲁中和鲁南山地与东部沿海地区降水量丰富，而鲁西、鲁北地区降水量较少，局部少于600 mm。这种分布特征呈现明显的地形雨海陆位置效应。鲁中泰山地区、鲁南临沂山脉地区海拔较高，来自海洋的气流受地势抬升作用导致水汽富集、成云致雨，形成降雨集中区。东部沿海地区主要因为距离海洋较近，受暖湿气流影响而形成丰沛降水。相较而言，鲁西、鲁北地区的降水量较少，主要因为距离海洋相对较远，且地面无山地丘陵阻挡，水汽难以汇集。

图1 山东省降水资源空间分布图

2.2 山东省水资源时间分布

为了解山东省水资源总量时间变化趋势，以1989年～2016年水资源总量数据进行一元线性回归分析，结果见图2。可知，该时域内山东省水资源总量峰值出现在1999年，为181.6亿m3，1998年次之，为180.3亿m3，而于2007年达到历史最低水平，仅为158.6亿m3，2010年为次低值，为160.81亿m3。近28年来山东省水资源总量呈波形变化趋势，在1989年～1995年间呈减少趋势，由180.57亿m3减少至169.99亿m3，而于1995年～1999年呈显著升高趋势，但其总趋势呈减少特征。区域水资源总量与时间序列关系为(y＝-0.494x＋1159.5)，并且在0.05水平上通过信度检验(R2＝0.442,p＜0.05)，表明这种变化趋势显著。

图2 康平县水资源总量动态变化

2.3 山东省水资源承载力空间分布

2.3.1 山东省水资源承载力压力系统

依据前述研究方法，将压力系统指标因子归一化值与其权值加权求和，采用自然裂点法进行分级，得到山东省水资源承载力压力空间分布图，见图3。可知，全省水资源承载力的压力空间分布不均，其中鲁南地区的菏泽市的水资源压力最小，主要由于该市人均水资源量处于全省前列(为364 mm)，而山东全省人均水资源量仅为169 mm，不足全国的1/10。另外，该市用水量较少，用水模数仅为165 mm，远低于全省206 mm的平均水平。济南、淄博、青岛、聊城市的水资源压力为较不安全等级，主要由于这些地市为山东省人口密集区，因此供水压力大，其人均水资源量较低，尤其青岛仅为103 mm；另外这4市用水需求量大，分别为16.06亿m3、11.21亿m3、18.07亿m3、11.38亿m3，约占全省总需水量的35%。德州、烟台等其他地市属于临界安全等级。

图3 山东省水资源承载力压力系统空间分布

2.3.2 山东省水资源承载力状态系统

山东省水资源承载力状态系统安全分级图见图4。依图可知，烟台、菏泽、临沂三地的水资源承载力系统状态较好，属于较安全级别，表明其水环境质量较高，尚能够为区域水源供应、水源涵养提供生态支撑能力。究其原因主要是烟台地区地表径流丰富，水资源总量达17.6亿m3，产水模数居全省前列，达17.70万m3，高于全省的10.49万m3，其水资源总量并不缺乏。鲁南地区的菏泽、临沂主要由于降水量丰富为区域水源更新提供基础保证，另外该市山地、丘陵分布较多，森林覆盖率达18%以上，这有利于水源涵养。德州、济南、济宁、滨州和潍坊等市的水资源状态达到临界安全等级，表明该地水环境遭到一定破坏，从具体指标来看主要由于其降水量较少，介于454 mm～672 mm之间，水源供应潜力有限，另外其森林覆盖率低于20%，局部水土流失严重。聊城、淄博、青岛等地的水资源状态属于较不安全级别，表明区域水环境恶化严重，对此应加以重视。从状态因素来看，是由于该地产水模数较低，产水模数介于6.11万m3～11.80万m3，多低于全省平均水平；另外这些地市除青岛、日照外，其降水量也较少，难以为地表径流提供有效补给；加之其人多地狭、森林覆盖率有限，水环境综合治理处于全省最低水平。

图4 山东省水资源承载力状态系统空间分布

2.3.3 山东省水资源承载力状态系统

图5 山东省水资源承载力响应系统空间分布

山东省哥市水资源承载力响应系统安全分布差异见图5。威海、烟台、青岛三地的响应系统属于较不安全等级，表明在应对水环境保护与治理工作时仍有较大提高空间。主要由于青岛等三市属于山东省海洋经济重点分布区，陆地狭小而海洋范围广泛，响应地环境投资在水环境中比重较少(不足GDP的1%)；另一方面其节水率也处于全省较低水平。东营、淄博、济南、泰安、潍坊、日照和枣庄等地市的水资源承载力响应系统为临界安全等级，滨州、德州、聊城、菏泽、济宁、莱芜和临沂属于较安全等级。其中鲁西地区位于黄河流域范围，域内河流众多、湖塘遍布，建国以来其水利设施建设充分；并且该地是山东省环境治理典型区，政府部门对水环境投入力度较大。而路南的临沂市水资源承载响应系统较好，则是因为该地地形复杂、降水多，是山东省水库分布密集区，水利水电设施及其投入也较多。就其空间格局来看，响应系统安全呈东-中-西递减分布。

2.3.4 山东省水资源承载力综合评价

在压力、状态、响应系统综合影响下，山东省水资源承载力空间异质性分布见图6。其中属于较安全级别的仅为菏泽、临沂两市；较不安全的有济南、淄博、青岛和威海四市；而德州、聊城、滨州等十市属于临界安全等级。山东省水资源承载力空间分布不均衡，反映了区域水资源对经济社会可持续发展支撑能力的差异，对此应因地制宜，注重水环境建设与保护。

图6 山东省水资源承载力空间分布

3 结论

依据水资源与经济社会、环境之间的系统动力反馈，选出12项指标因子以构建水资源承载力评价指标体系，以山东省为例，将熵权综合指数法和GIS计算应用于水资源承载力评价中。得出结论如下：①水资源承载力评价指标体系和评价分级标准对评价效果具有重要影响，基于压力、状态、响应框架的评价指标体系能够较好反映地区域水生态文明整体情况，鉴于当前研究不足，有待继续深入该评价框架的研究；②熵权综合模型简易、可操作性强，能够良好数据内部之间多维复杂关系，具有较好的应用性。同时，GIS技术的空间分析和空间表达能力直观展示了研究区水资源承载力维度和综合分布差异；③山地省水资源承载力空间分布不均衡，对此应当加强水资源规划和管理。