康平縣水資源時空分布特征及其脆弱性評價

王瑩瑩

(康平縣水利局，遼寧 康平 110500)

日益發展的經濟社會與居民生活水平對水資源供應及其數量和質量的保證提出了更高要求，水源污染、氣候變化不確定性增加等情況為水資源供需平衡增加了一系列不利因素[1-2]。厘清區域水資源的年季變化特性，把握其空間分布格局，可為區域經濟人口布局調整、資源開發與利用提供決策依據。水資源是動態自然變量，水資源整體質量隨著自然環境、人為干擾強度的變化而改變，長時期以來鮮有學者揭示其動態演進特征。康平縣地處遼河水土保持功能區，建立水資源脆弱性評價指標體系，開展水環境、水資源質量綜合分析，對促進水資源永續利用與可持續發展具有重要意義[3]。

1 概 述

康平地處遼中南向松嫩地區過渡帶，居于遼寧北部沈陽境內，地理坐標介于E122°45′～E123°37、N42°31′～N43°02′，區域面積為2 175 km2，人口達37萬人(2014年)。區域屬巫聞山地丘陵向平原傾向地形，平均海拔381 m，總體地勢平坦、坡度和緩。由于位居歐亞大陸東岸中緯度沿海地區，受氣候環流與熱力效應形成溫帶季風性氣候，冬寒夏熱、雨熱同期，降水集中度強，年平均氣溫6.9℃，年降水量540 mm，日照時數2 867 h，無霜期150 d。全縣屬渾河流域，主要河流有秀水河，流速平緩、河面寬平，受冰雪融水與夏季降水影響，形成春汛和夏汛，地表水資源量達2.58×108m3，為該縣生產生活主要用水類型。區域用地類型以林地(溫帶落葉林和針葉林)、草地(溫帶草原)和耕地為主，森林覆被率達38%，具有較好的水土涵養能力。隨著該縣城鎮化深入發展，區域水資源主要問題表現為水源供應不足、水土流失惡化、水源污染。

2 研究方法

2.1 水資源時間性分析

回歸分析(regression analysis)能夠確定變量之間相互依賴性關系[9]，并能夠將這種關系量化，一元回歸分析則能夠直觀度量目標變量隨解釋變量的變化趨勢。以年為度量的時間尺度上，水資源總量的變化具有一維特性，遂采用一元回歸法解析其傾向趨勢。該分析方法如下：

式中：h為線性趨勢擬合系數，若其為正時，則表明水資源量隨著時間序列呈增加態勢；若其為負數，則表明其隨著時間序列的變化而變小；i為年份序列；n為研究時域長度[4]。

2.2 GIS空間插值分析

水資源量的監測往往通過站點、斷面測量，尚不能進行全域量算。而水資源特別是降水資源具有明顯的空間分布特征，即在不同空間位置上的屬性值存在差異。為了便于觀察其全局空間分布特征，通常采用空間插值法。而Kriging法的理論基礎即是空間變量理論，水資源分布符合這一插值理念。作為一種無偏最優的估計方法，Kriging 插值定義如下[5]：

式中:λi為對目標觀測點權重系數，當估算誤差為最小時，方可達到線性無偏估計最優，此時的權重由Ordinary Kriging 方程組分配，公式如下：

2.3 水資源脆弱性評價

Steep1：構建評價指標體系。水資源脆弱性意指水資源本體在為經濟社會發展提供必要支撐且維持其再生能力不受損壞條件下的水資源供應脆弱性程度。其具有自然、社會雙重屬性，前者體現在其是生態環境要素之一，后者在于其提供必要的生產生活資料。水資源脆弱性的影響因素可劃分為人口因素、經濟社會因素、生態環境因素、水資源因素，從這些維度構建水資源脆弱性評價框架需要將綜合性問題具體化，即將影響因素細致為某一個具有獨立性、可量化的指標[6]。遵循完整性、簡明性、層次性、動態性的準則，出于對康平縣水資源環境與經濟社會基礎的認知，構建了由14個指標組成的水資源脆弱性評價指標體系，見圖1。

圖1 康平縣水資源脆弱性評價指標體系

Steep2：指標歸一化處理。圖1中，各指標與水資源脆弱性之間的關系不同。正向指標為指標屬性值越大，水資源脆弱程度越高；反之，水資源脆弱性越小。依據指標正負屬性，將其歸一化為0～1之間的標準值，公式如下：

+指標：yij-(xij-minxj)/(maxxj-minxj)

(1)

-指標：yij(maxxj-xij)/(maxxj-minxj)

(2)

式中：maxxj和minxj分別為第j個指標中最大值和最小值；yij為第i個評價對象的第j個指標的標準化值。

Steep3：確定指標權值。當進行多指標綜合決策時，各項指標之間存在競爭性。從信息熵的角度，單一之間的差值越小，則其熵值信息越少，表明該項指標平穩性越高，熵權越大。作為客觀賦權法，熵權計算公式如下：

Steep4：水資源脆弱性指數計算。將水資源脆弱性指標矩陣歸一化后與相應的權值進行加權求和，即能量化表達區域水資源脆弱性，其得分越高，表明水資源脆弱程度高、水環境整體質量較差；反之，水資源脆弱性程度低，水資源總量與水環境能夠為經濟社會發展提供良好支撐。水資源脆弱性指數計算模型如下：

2.4 數據來源

本研究涉及到康平縣降水數據(1989～2016年)，通過氣象數據共享服務網站(http://data.cma.cn/)獲取。徑流深度數據、地表水資源和水資源總量數據由康平縣水文局提供。水資源時間變化和水資源脆弱性評價通過Excel 2016軟件計算得到，水資源空間分布分析通過ArcGIS10.3完成。

3 結果與分析

3.1 唐山市水資源時間分布特征

水資源總量主要受降雨、地下水資源量影響，本區地下水資源量相對較少，故在此不做分析。應用一元回歸分析，能夠宏觀描述區域隨自變量變化特征，并對未來趨勢進行預測。由圖2可知，28年間(1989～2016年)，康平縣降水量呈波動特征，在1996年達到峰值，為723.7 mm，1998和2016年為次高峰，依次為689.3和686.2 mm，并在1992、1997和2001年3個時間點存在明顯低值，分別為433.06、451.2和424.4 mm。在這一時期，康平縣降水量總的變化趨勢為y=-0.235 4x+1 035.4，年變化率為-0.235 4 mm，呈減少趨勢。經5%水平的信度檢驗，R2=0.000 6，p>0.05，未通過統計顯著性檢驗，表明該變化趨勢不顯著。

地表徑流為降水經產流、匯流等水文過程在一定的地表環境下形成的相對穩定的集水區域，地表徑流往往是區域水資源利用的主體。由圖2可知，1988～2016年康平縣地表水資源量由2.72×108m3逐步減少至2.695×108m3，總體為減少趨勢。其與年際的關系為y=-0.013 3x+29.301，變化量為0.133×108m3/10 a，在0.05水平上呈顯著性(R2=0.234 8，p<0.05)。觀測期內，康平縣地表水資源量峰值出現在1995和1998年，達到3.125×108和3.118×108m3，最低值出現在1997年，僅為2.25×108m3。

圖2 康平縣水資源總量動態變化

本區地表徑流量占水資源總量的80%左右，因而水資源總量的年際變化趨勢與地表徑流量具有相似特征。由圖3可知，觀測期內康平縣水資源總量呈階段性減少，在1989～1999年間，水資源總量呈現較大波動，但其均值為2.982×108m3；在2000～2016年間，該縣水資源總量均值僅為2.71×108m3。回歸分析表明，區域水資源總量與年際的變化關系為：y=-0.016 1x+35.381，并通過5%水平的信度檢驗，表明其減少趨勢明顯。

3.2 康平縣水資源空間分布特征

康平縣降水量主要受西方環流帶來的西太平洋水汽影響，同我國東北地區降水空間分布特征一致，康平縣年降水量呈現自東向西遞減格局。縣域東西狹長、南北稍短，來自日本海上空的海洋氣流自東向西輸入歐亞大陸東北岸，隨著距離增加而逐漸衰減，由此本縣降水量東多西少。其中，東南端降水量最多，局部達到700 mm，東部和東北部地區次之，介于550～600 mm，西部地區降水量最少，局部少于500 mm。

將氣象站點降雨量數據結合區域地表徑流斷面數據，采用格網法測算其徑流深度，結果見圖3。該縣東南端為河流流域下游、地勢低平，便于徑流匯集，加之本區降水量集中于東部地區，故而該地徑流深度最大，達60 mm，表明局域水資源豐富。該縣北部地區為水庫、湖泊和河網聚集區，地表產流豐富，徑流深度次之，約為30～50 mm。中西部地區徑流深度最小，僅為18～30 mm。縣域中部為人口、經濟密集區，而水資源量相對較少，因此有必要加強區域水源空間調配。

3.3 康平縣水資源脆弱性評價

依據水資源脆弱性量化模型,得到2005～2015年康平縣水資源脆弱性指數變化趨勢圖，見圖4。

圖4 康平縣水資源脆弱性指數動態特征

由圖4可知，近12年來該縣水資源脆弱性指數呈起伏上升，由2005年的0.263增加至2015年的0.574，其年際變化關系為：y=0.016 7x-33.209，在5%水平上通過了信度檢驗(R2=0.435 5，p<0.05)，表明水資源脆弱性指數上升趨勢明顯，康平縣水資源整體質量與承載能力下降。其中，2004～2008年全縣水資源承載力指數升高較快，增加了0.202，這期間該縣人口密度由136人/km2升高至147人/km2，人均用水量與需水量增加迅速，而單位GDP耗水量高達51元/m3，并且水資源利用效率依然不高，污染徑流比重達20%～35%，因此該期間水環境惡化明顯，水資源脆弱性呈線性增加。2009～2011年，該縣水資源脆弱性指數增速平緩，主要由于期間人口增加速度放緩，水資源的需求量呈低速增加，相應森林覆蓋率由28%升高至 33%，區域污水處理逐漸正規化，這在一定程度上緩和了水資源脆弱性。2012年后，康平縣水資源脆弱性仍處于較高水平。從各項指標演進趨勢來看，主要由于需水模數增加、產水模數下降、水資源總量減少導致的。依據上文分析可知，康平縣水資源總量呈線性減少趨勢特征，而其水資源脆弱性呈增加態勢，表明水資源總量是水資源脆弱性的主要影響因素之一。

4 結 論

對康平縣水資源特性分析可知，該縣降水量與徑流深度呈自東向西減少的地帶性分布規律，其空間不均勻性與該縣的經濟人口布局不匹配，這是區域水資源空間調配的必然性所在。線性分析表明，1989～2015年全縣降水量呈波動性趨勢，反映了氣候變化對本區降水存在不確定性影響，而地表水和水資源總量總體呈線性減少趨勢，對供水平衡和環境演變存在不利。近期以及未來一段時期，康平縣水資源整體狀況較為脆弱，應注重開源節流，即一方面加強以生態環境建設為核心的水土保持、水源涵養、水環境保護工程，另一方面推廣節水技術，節約水資源，提高水的利用率。