铁岭市水资源脆弱性与时空异质性分析

张 平

(昌图县水利事务服务中心，辽宁 铁岭 112599)

1 区域概况

铁岭市位于松辽平原中段，地理位置为E123°27'-125°06'，N41°59'-43°28'，总面积1.3万km2，下辖调兵山市、开原市、西丰县、铁岭县、昌图县、新城区、银州区和清河区。辽河水系为铁岭工农业生产和经济发展的重要水源，沿途汇交支流众多，有长沟河、凡河、柴河、清河以扶苏台河等支流。该区域为大陆性季风气候，日照丰富，雨热同季，季节性干湿交替特征显著，2018年年均气温6.8℃，年降水量524.5mm，全年60%以上降水发生于汛期，地域分布上降水量呈东南高、西北低的特点。2018年铁岭市地表水7.87亿m3，主要涉及湖泊、河流等动态水量，相对于2017年地表水减少25.6%，较多年平均值降低62.0%。从不同的行政分区的角度，地表水主要分布于西丰县2.34亿m3，昌图县2.09亿m3，开原市1.75亿m3，铁岭县1.25亿m3，其他各分区相对较少，在各流域内的分布为柴河0.74亿m3、招苏台河0.88亿m3、寇河1.43亿m3、凡河0.61亿m3、清河1.78亿m3等。2018年地下水总量7.12亿m3，山丘区和平原区为1.79、5.55亿m3，二者重复计算0.22亿m3，地下水资源主要分布于开远县1.49亿m3，昌图县3.29亿m3，铁岭县1.39亿m3。由于降水量的减少地下地下水位呈现出普遍下降的特征，平原地区的福德店地下水位下降0.09m、双庙子下降1.56m、八面城下降0.95m。该区域共有23座水库蓄水量4.92亿m3，其中清河、柴河省属水库蓄水3.63亿m3[1-3]。

在时空分布上铁岭市水资源量极不均衡，水资源安全保障因坝区用水紧张、山区工程蓄水困难等面临严重挑战[4-7]。现有研究涉及铁岭市水资源脆弱性的较少，仍需要进一步加强时空演变、细化尺度等方面研究。可借鉴脆弱性模型、区域脆弱性及系统脆弱性等相关成果开展水资源研究[8]，如邹君等[9]采用一种客观定权的综合指数法及GIS指标叠置法的研究思路，为水资源脆弱性研究奠定了理论基础； Chen Jun Xu等[10]综合考虑风险概率、暴露度、敏感性、抗压性等要素提出了RESC模型。据此，对铁岭市2008-2018年各区县的水资源脆弱性及其时空异质性运用基于熵权法的评价模型进行分析，以期为应对区域旱涝灾害及保障水资源安全提供科学依据。

2 水资源脆弱性评价模型

遵循代表性、独立性、可比性、可操作性等原则选择参评要素，综合考虑区域水资源系统存在的问题及既有脆弱性评价体系最终确定7项典型指标，各指标计算方法及其内涵特征见表1。选取2008-2018年铁岭市水资源公报为X1、X2、X4、X6指标数据来源，依据2008-2018年各区县统计年鉴获取其它指标数据，其中负向指标为X1、X2、X3，其它指标属于正向指标。

根据最严格水资源管理要求和区域实际情况，结合相关研究成果将承载力脆弱性划分为1-5级5个标准，各分级标准下指标参考值见表2。

表1 水资源脆弱性评价指标及其内涵特征

表2 水资源脆弱性各分级标准参考值

运用参考值标准化法分别处理正向、负向指标的初始数据，相应的数学表达式如下：

(1)

(2)

式中：Xi、ri为评价指标i的初始数据和标准化处理值；Xijmax、Xijmin为第j个标准化分级区间中评价指标i的最大与最小值；Rjmax、Rjmin为第j级标准化取值区间内第i个指标值Xi的最大与最小值。其中，i=1，2，…，7；j=1，2，…，5。

采用熵权法确定n个评价单元中m项指标的权重系数，即利用下式求解承载力脆弱性指标i的权重值：

(3)

(4)

式中：Hi为脆弱性评价因子i的熵值；K为评价单元相关系数；rik、fik为标准化处理后的评价指标i关于评价单元k的数值及其比重。其中：K=1/lnn；i=1，2，…，m；k=1，2，…，n。

若fik值取0，则fiklnfik=0。最终利用下式确定指标i的权重，即：

(5)

(6)

式中：ωi、r为脆弱性指标i的权重及其标准化数值。

总体而言，根据下述步骤构造脆弱性评价模型：①结合区域水系统情况选取具有代表性的脆弱性评判因子；②各因子权重系数利用熵权法求解；③采用加权求和法处理归一化指标值及指标权重，最终获取综合评判值及其对应的脆弱性等级。

3 结果分析

根据公式(3)-(5)和2008-2018年年均数据求解各因子权重，见图1。从图1可知，水资源供需比相对于其它指标的贡献率较高为0.21，其次为人口密度，权重最小值为年降水距平百分比的0.09。可见，对区域水资源脆弱性影响最大和最小的指标为水资源供需比、年降水距平百分比。

图1 评价指标权重值

根据等级划分标准将水资源脆弱性综合指数值WWVIk划分为5个区间，即0.72≤WWVIk<1.00、0.60≤WWVIk<0.72、0.45≤WWVIk<0.60、0.25≤WWVIk<0.45、0≤WWVIk<0.25，对应的评价级别为极脆弱、强脆弱、中脆弱、弱脆弱和不脆弱。

3.1 铁岭市水资源脆弱性空间异质性

2008-2018年铁岭市各区县水资源脆弱性指数及其年均指标值见表3。从表3可知，铁岭县的脆弱性指数最大为0.65，该区域的水资源脆弱性最强。从自然条件的角度分析，铁岭县的年均产水模数(16.02×104m3/km2)居铁岭市第3位，水资源供需比属于较高水平的0.86，因此该地区存在突出的供需矛盾；同时，铁岭县的人口密度达到425人/km2，显著高于辽宁省平均值。统计资料显示，铁岭县的干旱灾害发生频繁，仅在2008-2018年就有3年属于偏枯水年，所以属于水资源最为脆弱区。调兵山市位居水资源脆弱性第2位，该区域农业用水需求大且水资源较为贫乏，水资源需供比和人口密度均处于较高水平。较其它地区而言，脆弱性较低的为银州区，该区域水资源量较为丰富且人口密度较低，产水模数达到3.466×105m3/km2，指数值为0.38属于弱脆弱等级。

表3 2008-2018年铁岭市脆弱性指数及年均指标值

从空间分布的角度铁岭市水资源脆弱性呈南高北低的格局，各曲线脆弱性指数值处于0.38-0.65范围。水资源强脆弱地区为铁岭县，中脆弱性地区有调兵山市、开原市、新城区，其它地区为弱脆弱区。铁岭市水资源潜在压力、禀赋条件、供需配置与脆弱性空间分布保持较好的一致性，位于中南部的铁岭县、开原市、调兵山市、新城区均具有较高的人口密度和水资源供需比，人口密度依次为425、327、388、186人/km2，对应的水资源供需比为0.86、0.62、0.82、0.60，而其它地区的相对较低处于弱脆弱水平。

近10年铁岭市水系统脆弱性最强年份为2012年，相对于年均脆弱性有4个上升至更高脆弱性得分。其中，朝阳县水资源由之前的强脆弱上升至极脆弱程度，中脆弱的开原市、调兵山市、新城区上升至强脆弱，而弱脆弱区增大至中脆弱水平。水资源需供比快速增大、产水模数和年降水量降低、GDP持续增长及年降水距平百分比波动增加等为导致2012年水资源脆弱性最强的主要原因。例如，朝阳县2012年人均GDP较2011年增大9.5%，而降水距平百分比显著下降19.5%左右，水资源需供比快速上升至1.4左右。

3.2 铁岭市水资源脆弱性时间异质性

铁岭市2008-2018年水资源脆弱性见图2。从图2可知，随着时间的演进铁岭市水资源脆弱性呈显著的异质性，年均指数值介于0.38-0.56范围，多年平均值为0.48，处于中脆弱等级。2008-2018年水资源脆弱性总体呈3个变化阶段，其中2008-2011年、2012-2015年、2016-2018年为弱脆弱、中脆弱及中脆弱分界线左右，研究期间呈现出先上升后小幅下降的变化趋势。水资源脆弱性最强和最弱年为2012年、2010年，2008-2011年的脆弱性波动幅度较小，指数值处于0.38-0.44之间。2012-2015年的脆弱性最强，指数值处于0.53-0.56范围，此期间的降水量急剧减少，水资源需供比大且旱情十分严峻。2016-2018年脆弱性较2012-2015年明显减少，但仍高于2008-2011年，指数值处于0.46-0.47之间，进一步分析其原因为此期间的经济社会发展速度较快，工农业发展和生活用水量迅速增大。

图2铁岭市2008-2018年水资源脆弱性

当年经济社会发展程度、水资源状况与铁岭市水资源脆弱性时间异质性密切相关，年降水量距平百分比在2008-2011年依次为1.3%、2.4%、15.0%、9.2%，整体大于其它时段；另外，此期间的人均GDP依次为1.76、1.95、2.25、2.85万元/人，总体低于其它时期。2012-2015年，铁岭市年降水量急剧减少，人口的增加和各行业需水量压力的增强使得水资源系统更加脆弱，此阶段为中脆弱水平。随着2016-2018年降水量的逐渐增加，在一定程度环节了水资源供给压力，但人口压力持续增大且经济社会仍快速发展，因此在中脆弱界限上下波动，且总体高于2008-2011年阶段。

3.3 不同分区脆弱性构成

随着区域特征和具体指标的不断变化，不同区域内脆弱性指标的受影响程度存在差异，铁岭市各区县2008-2018年年均脆弱性组成见图3。

从图3可知，人口密度和水资源需供比影响随着水资源脆弱性的增强而增大，有效灌溉面积、产水模数、万元GDP用水量影响随着不同外部情景的变化逐渐减少。水资源供需比在弱脆弱地区处于0.38以下，图3(c)中数值均<0.06,；水资源供需比在中脆弱性地区不超过0.82，图3(b)中数值均低于0.15；水资源供需比在强脆弱地区为0.85，图3(a)中数值为0.15。总体而言，在时空变化上2008-2018年铁岭市水资源脆弱性存在显著的异质性特征，最终确定供需矛盾加剧、干旱影响大、人口增长快、经济发展迅速的地区，其水资源系统处于强脆弱等级，如朝阳县水资源供需比、人口密度和人均GDP均处于较高水平，有效灌溉面积为8.15×103m2，因此该地区为强脆弱区；对于水利设施建设落后、产业结构不合理、水资源利用效率低等欠发达地区，如开原市、调兵山市等水资源系统为中脆弱等级，各参数具体数值见表2；而针对供给压力小、供需矛盾不突出、水资源丰富且较为落后的地区，其水资源系统脆弱性为弱脆弱等级，如银州区、西丰县、昌图县的脆弱性指数为0.38、0.43、0.41。

图3水资源脆弱性年均构成

铁岭市2008-2018年水资源系统总体为中脆弱等级，这与以往相关研究相比基本相同，虽然个别年份的脆弱等级有所差别，但评价结果较为科学合理。另外，文章从区县的角度分析铁岭市水资源系统状况，不同区县的脆弱性有所不同，由此更加详细、系统的反映了区域水资源空间格局。

4 结 论

1) 空间适度上铁岭市水资源系统总体处于中脆弱等级，从区县尺度上细化得到的脆弱性评价结果，准确揭示了铁岭市水资源系统呈南高北低的空间异质性特征。时间尺度上，2008-2018年水资源脆弱性总体呈3个变化阶段，其中2008-2011年、2012-2015、2016-2018年为弱脆弱、中脆弱及中脆弱分界线左右，呈现出先上升后小幅下降的变化趋势。

2) 人口密度和水资源需供比对铁岭市水资源脆弱性的影响较为显著，不同区域、不同时段内各要素影响程度存在较大差异。