山東省水資源時空分布及其承載力綜合評價

馬付蒼

（山東省蘭陵縣水利局，山東 蘭陵 277700）

山東地處黃河下游向海洋延伸地帶，北接華北、南依黃淮，區(qū)域面積15.8萬km2，總?cè)丝?964萬人(2015年)。區(qū)域?yàn)樯降亍⑶鹆辍⑵皆粎R，形成中高周低的地勢特征，海拔介于0 m～1532.7 m，可分為魯西平原、魯中南山地和魯東丘陵。屬暖溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫11℃～14℃，降水量介于480 mm～968 mm之間，冬季寒冷干燥、夏季炎熱濕潤、雨熱同期，時有旱澇災(zāi)害發(fā)生。受地勢影響，區(qū)域河流呈放射狀流向，注入黃河、渤海和黃海，典型植被為溫帶落葉闊葉林。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，山東省年平均水資源總量為168.89億m3，屬于人均占有量少于500 mm的嚴(yán)重缺水區(qū)。作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)省，水資源是其可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源之一，基于當(dāng)前背景，極有必要厘清區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量與承載力，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民生安全提供實(shí)踐參考。

1 水資源承載力評價方法

1.1 水資源承載力評價指標(biāo)體系

水資源承載力不僅體現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量特性還反映其社會服務(wù)能力，因此，應(yīng)該從多角度展開對其綜合承載力的度量[1]。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署推廣使用的PSR(Pressure-State-Response)模型將生態(tài)環(huán)境評價問題以動力循環(huán)與綜合反饋的視角進(jìn)行分層模擬，并得到廣泛認(rèn)可。本文以PSR結(jié)構(gòu)模型評估水資源承載力，其中壓力指標(biāo)意指，為支持社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展，從水生態(tài)系統(tǒng)中獲取水資源，并產(chǎn)生排放，對水資源造成壓力；狀態(tài)指標(biāo)反映人與水之間的交互影響后水資源數(shù)量、質(zhì)量以及水生態(tài)環(huán)境本底情況；響應(yīng)指標(biāo)表征水資源本底狀態(tài)的改變影響經(jīng)濟(jì)社會的健康發(fā)展，隨人類通過意識與行動做出積極反饋，以保護(hù)和改善水資源環(huán)境，如此系統(tǒng)動力循環(huán)，構(gòu)成了針對水資源承載力的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)評價模型[2～3]。基于這一邏輯思維，并結(jié)合相關(guān)學(xué)者研究成果，給出了針對山東省的水資源承載力評價指標(biāo)體系見表1。

表1 區(qū)域水資源承載力力評價指標(biāo)體系

1.2 指標(biāo)歸一化

以山東省17地勢相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行歸一化處理，以剔除量綱、噪聲影響。公式如下：

正向指標(biāo)：yij=（xij-xj）/（max xj-min xj）

負(fù)向指標(biāo)：yij=（max xj-xij）/（max xj-min xj）

式中：x為指標(biāo)原始數(shù)據(jù)，i為行政區(qū)序列，j為指標(biāo)項(xiàng)目序列，max xj和min xj分別表示第j個指標(biāo)中最大值和最小值，y為標(biāo)準(zhǔn)化值。

1.3 熵權(quán)計(jì)算

采用熵權(quán)法對各項(xiàng)指標(biāo)予以客觀賦權(quán)，定義如下[4]：

標(biāo)權(quán)重見表1。

1.4 水資源承載力指數(shù)計(jì)算與評價分級

單項(xiàng)指標(biāo)表征某一因子對生態(tài)環(huán)境的影響作用程度，運(yùn)用綜合指數(shù)法，將各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值與指標(biāo)貢獻(xiàn)值加權(quán)求和則能量化反映區(qū)域水資源承載力綜合水平，該模型公式為：

式中：Ed(d＝1,2,3)為各子系統(tǒng)安全指數(shù)，E為水資源承載力綜合指數(shù)。安全指數(shù)值域?yàn)閇0,1]，依據(jù)自然裂點(diǎn)法原理[2,5]，將其分為3級：較不安全，臨界安全，較安全。

1.5 數(shù)據(jù)來源與處理

研究數(shù)據(jù)主要來源于《山東統(tǒng)計(jì)年鑒》(2016)，鑒于數(shù)據(jù)可獲得性的限制，另從《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》(2016)中提取了部分?jǐn)?shù)據(jù)。

基本數(shù)據(jù)處理與水資源承載力指數(shù)計(jì)算是在Excel 2010支持下完成，自然裂點(diǎn)分級以及水資源承載力空間分布圖繪制在ArcGIS10.3平臺上完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 山東省降水資源空間分布

降水是區(qū)域水資源直接且最有效的來源，其更新周期短、時間延續(xù)性長，可匯聚成地表徑流。將1989年～2016年全省各站點(diǎn)年降水量的平均值進(jìn)行空間內(nèi)插，得到結(jié)果見圖1。雖然與全區(qū)降水量實(shí)際值存在一定差異，但其總體平滑效應(yīng)能夠直觀反映降水量空間分布差異。可知，山東省降水資源介于458mm～1039 mm之間，呈團(tuán)狀分布。其中高值區(qū)位于魯中濟(jì)南、萊蕪和泰安三市交界區(qū)，臨沂、棗莊、日照南部地區(qū)，煙臺、青島東部地區(qū)，局部高于800 mm。總體來看魯中和魯南山地與東部沿海地區(qū)降水量豐富，而魯西、魯北地區(qū)降水量較少，局部少于600 mm。這種分布特征呈現(xiàn)明顯的地形雨海陸位置效應(yīng)。魯中泰山地區(qū)、魯南臨沂山脈地區(qū)海拔較高，來自海洋的氣流受地勢抬升作用導(dǎo)致水汽富集、成云致雨，形成降雨集中區(qū)。東部沿海地區(qū)主要因?yàn)榫嚯x海洋較近，受暖濕氣流影響而形成豐沛降水。相較而言，魯西、魯北地區(qū)的降水量較少，主要因?yàn)榫嚯x海洋相對較遠(yuǎn)，且地面無山地丘陵阻擋，水汽難以匯集。

圖1 山東省降水資源空間分布圖

2.2 山東省水資源時間分布

為了解山東省水資源總量時間變化趨勢，以1989年～2016年水資源總量數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸分析，結(jié)果見圖2。可知，該時域內(nèi)山東省水資源總量峰值出現(xiàn)在1999年，為181.6億m3，1998年次之，為180.3億m3，而于2007年達(dá)到歷史最低水平，僅為158.6億m3，2010年為次低值，為160.81億m3。近28年來山東省水資源總量呈波形變化趨勢，在1989年～1995年間呈減少趨勢，由180.57億m3減少至169.99億m3，而于1995年～1999年呈顯著升高趨勢，但其總趨勢呈減少特征。區(qū)域水資源總量與時間序列關(guān)系為(y＝-0.494x＋1159.5)，并且在0.05水平上通過信度檢驗(yàn)(R2＝0.442,p＜0.05)，表明這種變化趨勢顯著。

圖2 康平縣水資源總量動態(tài)變化

2.3 山東省水資源承載力空間分布

2.3.1 山東省水資源承載力壓力系統(tǒng)

依據(jù)前述研究方法，將壓力系統(tǒng)指標(biāo)因子歸一化值與其權(quán)值加權(quán)求和，采用自然裂點(diǎn)法進(jìn)行分級，得到山東省水資源承載力壓力空間分布圖，見圖3。可知，全省水資源承載力的壓力空間分布不均，其中魯南地區(qū)的菏澤市的水資源壓力最小，主要由于該市人均水資源量處于全省前列(為364 mm)，而山東全省人均水資源量僅為169 mm，不足全國的1/10。另外，該市用水量較少，用水模數(shù)僅為165 mm，遠(yuǎn)低于全省206 mm的平均水平。濟(jì)南、淄博、青島、聊城市的水資源壓力為較不安全等級，主要由于這些地市為山東省人口密集區(qū)，因此供水壓力大，其人均水資源量較低，尤其青島僅為103 mm；另外這4市用水需求量大，分別為16.06億m3、11.21億m3、18.07億m3、11.38億m3，約占全省總需水量的35%。德州、煙臺等其他地市屬于臨界安全等級。

圖3 山東省水資源承載力壓力系統(tǒng)空間分布

2.3.2 山東省水資源承載力狀態(tài)系統(tǒng)

山東省水資源承載力狀態(tài)系統(tǒng)安全分級圖見圖4。依圖可知，煙臺、菏澤、臨沂三地的水資源承載力系統(tǒng)狀態(tài)較好，屬于較安全級別，表明其水環(huán)境質(zhì)量較高，尚能夠?yàn)閰^(qū)域水源供應(yīng)、水源涵養(yǎng)提供生態(tài)支撐能力。究其原因主要是煙臺地區(qū)地表徑流豐富，水資源總量達(dá)17.6億m3，產(chǎn)水模數(shù)居全省前列，達(dá)17.70萬m3，高于全省的10.49萬m3，其水資源總量并不缺乏。魯南地區(qū)的菏澤、臨沂主要由于降水量豐富為區(qū)域水源更新提供基礎(chǔ)保證，另外該市山地、丘陵分布較多，森林覆蓋率達(dá)18%以上，這有利于水源涵養(yǎng)。德州、濟(jì)南、濟(jì)寧、濱州和濰坊等市的水資源狀態(tài)達(dá)到臨界安全等級，表明該地水環(huán)境遭到一定破壞，從具體指標(biāo)來看主要由于其降水量較少，介于454 mm～672 mm之間，水源供應(yīng)潛力有限，另外其森林覆蓋率低于20%，局部水土流失嚴(yán)重。聊城、淄博、青島等地的水資源狀態(tài)屬于較不安全級別，表明區(qū)域水環(huán)境惡化嚴(yán)重，對此應(yīng)加以重視。從狀態(tài)因素來看，是由于該地產(chǎn)水模數(shù)較低，產(chǎn)水模數(shù)介于6.11萬m3～11.80萬m3，多低于全省平均水平；另外這些地市除青島、日照外，其降水量也較少，難以為地表徑流提供有效補(bǔ)給；加之其人多地狹、森林覆蓋率有限，水環(huán)境綜合治理處于全省最低水平。

圖4 山東省水資源承載力狀態(tài)系統(tǒng)空間分布

2.3.3 山東省水資源承載力狀態(tài)系統(tǒng)

圖5 山東省水資源承載力響應(yīng)系統(tǒng)空間分布

山東省哥市水資源承載力響應(yīng)系統(tǒng)安全分布差異見圖5。威海、煙臺、青島三地的響應(yīng)系統(tǒng)屬于較不安全等級，表明在應(yīng)對水環(huán)境保護(hù)與治理工作時仍有較大提高空間。主要由于青島等三市屬于山東省海洋經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)分布區(qū)，陸地狹小而海洋范圍廣泛，響應(yīng)地環(huán)境投資在水環(huán)境中比重較少(不足GDP的1%)；另一方面其節(jié)水率也處于全省較低水平。東營、淄博、濟(jì)南、泰安、濰坊、日照和棗莊等地市的水資源承載力響應(yīng)系統(tǒng)為臨界安全等級，濱州、德州、聊城、菏澤、濟(jì)寧、萊蕪和臨沂屬于較安全等級。其中魯西地區(qū)位于黃河流域范圍，域內(nèi)河流眾多、湖塘遍布，建國以來其水利設(shè)施建設(shè)充分；并且該地是山東省環(huán)境治理典型區(qū)，政府部門對水環(huán)境投入力度較大。而路南的臨沂市水資源承載響應(yīng)系統(tǒng)較好，則是因?yàn)樵摰氐匦螐?fù)雜、降水多，是山東省水庫分布密集區(qū)，水利水電設(shè)施及其投入也較多。就其空間格局來看，響應(yīng)系統(tǒng)安全呈東-中-西遞減分布。

2.3.4 山東省水資源承載力綜合評價

在壓力、狀態(tài)、響應(yīng)系統(tǒng)綜合影響下，山東省水資源承載力空間異質(zhì)性分布見圖6。其中屬于較安全級別的僅為菏澤、臨沂兩市；較不安全的有濟(jì)南、淄博、青島和威海四市；而德州、聊城、濱州等十市屬于臨界安全等級。山東省水資源承載力空間分布不均衡，反映了區(qū)域水資源對經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展支撐能力的差異，對此應(yīng)因地制宜，注重水環(huán)境建設(shè)與保護(hù)。

圖6 山東省水資源承載力空間分布

3 結(jié)論

依據(jù)水資源與經(jīng)濟(jì)社會、環(huán)境之間的系統(tǒng)動力反饋，選出12項(xiàng)指標(biāo)因子以構(gòu)建水資源承載力評價指標(biāo)體系，以山東省為例，將熵權(quán)綜合指數(shù)法和GIS計(jì)算應(yīng)用于水資源承載力評價中。得出結(jié)論如下：①水資源承載力評價指標(biāo)體系和評價分級標(biāo)準(zhǔn)對評價效果具有重要影響，基于壓力、狀態(tài)、響應(yīng)框架的評價指標(biāo)體系能夠較好反映地區(qū)域水生態(tài)文明整體情況，鑒于當(dāng)前研究不足，有待繼續(xù)深入該評價框架的研究；②熵權(quán)綜合模型簡易、可操作性強(qiáng)，能夠良好數(shù)據(jù)內(nèi)部之間多維復(fù)雜關(guān)系，具有較好的應(yīng)用性。同時，GIS技術(shù)的空間分析和空間表達(dá)能力直觀展示了研究區(qū)水資源承載力維度和綜合分布差異；③山地省水資源承載力空間分布不均衡，對此應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)水資源規(guī)劃和管理。