基于物元分析與GIS的滄州市水資源空間分布與脆弱性評價

(河北省滄州水文水資源勘測局,河北 滄州 061000)

水資源是基礎(chǔ)性戰(zhàn)略經(jīng)濟資源，水資源的數(shù)質(zhì)量分布制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)格局、民生發(fā)展、環(huán)境安全等，新世紀以來國家提出水生態(tài)文明建設(shè)，著力于水資源優(yōu)化配置來緩解水資源短缺的問題，而這項工作的前提就是厘清區(qū)域水情[1-2]。為此，本文以滄州市為案例區(qū)，采樣回歸分析方法定量表征該市不同類型水資源的時間變化趨勢，并基于地理信息可視化技術(shù)給出其空間分布形態(tài)，直觀測評滄州市各縣區(qū)水資脆弱性量級，以期為區(qū)域水情提供資料，也為水資源管理貢獻依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

滄州位于華北平原中部、渤海之濱，地理坐標為N37°29′-N38°57′，E115°42′-E117°50′，行政區(qū)域面積1.342×104km2，總?cè)丝?80萬人(2015年)。該市屬于冀中平原折疊地形地貌，地形平坦，高程介于0～18 m，地勢自西南的太行山山前沖積扇向東北部黃泛平原傾斜。境內(nèi)河流為黃河、漳河、滹沱河、唐河等水系，徑流年內(nèi)分配不均且年際變率較大。受海陸位置效應(yīng)與東亞季風(fēng)影響，滄州表現(xiàn)為暖溫帶大陸季風(fēng)氣候，四季分明、溫度適中、雨熱同季，年平均氣溫12.5℃，年平均降水581 mm，大于10℃的年積溫4 785℃，無霜期181天。該區(qū)為華北平原重要農(nóng)作區(qū)，用地類型以耕地、園地為主，森林、草地覆被程度低，徑流保育功能較差。經(jīng)測算，該市水資源平均總量為12.3×108m3，人均水資源占有量僅為180 m3，每公頃平均水資源為1 530 m3，不足全國平均水平的1/15。近年來隨著能源開發(fā)、土地開發(fā)的推進，滄州市水資源面臨著石油化工污染、農(nóng)業(yè)化肥污染等問題。

1.2 物元分析法

物元分析結(jié)合形式邏輯與模糊數(shù)學(xué)提出的以邏輯細胞三元組為基礎(chǔ)橫斷科學(xué)之一，用以解決互不相容問題，成為“硬”科學(xué)、“軟”科學(xué)重要的方法論內(nèi)容。物元分析理論應(yīng)用于水資源脆弱性評價方面，其數(shù)學(xué)過程如下[2]。

1) 利用物元有序三元組表示水資源綜合效益的結(jié)構(gòu)層次性特征，即R=(M，C，X)，其中R表示物元矩陣，M為水資源脆弱性指數(shù)，C為其水資源脆弱性的特征屬性指標，X為相對應(yīng)指標的量值。若M有n個指標屬性特征，則其基礎(chǔ)物元矩陣如下[3]：

(1)

2) 根據(jù)相關(guān)評價標準構(gòu)建物元的經(jīng)典域和節(jié)域，其思想就是構(gòu)建指標量值與評價標準之間的模糊關(guān)系。故經(jīng)典域物元矩陣Rj描述如下：

(2)

式中：(j=1，2，…，m)為指標評價區(qū)間；(i=1，2，…，n)為指標排序；Mj為水資源脆弱性評價標準的第j個等級；同理，Ci為評價指標體系中的第i項指標；Xji=(aji，bji)為Mj關(guān)于Ci所規(guī)定的量值范圍。其節(jié)域矩陣如下：

(3)

式中：Ms為評價等級區(qū)間矩陣；Xsi=(asi，bsi)為Ms關(guān)于Ci所取的指標取值范圍。

3) 關(guān)聯(lián)隸屬度表征單一指標距離評價標準之間的距離，其計算以指標量值大小為基礎(chǔ)。關(guān)聯(lián)度計算如下：

(4)

其中：

(5)

(6)

|Xji|=|aji-bji|

(7)

式中：p(xi，Xji)為第i個指標的距離到經(jīng)典域區(qū)間的距離；ρ(xi，Xsi)為其距離節(jié)域的矢量長度。

4) 確定綜合關(guān)聯(lián)度，即根據(jù)各評價對象與每一評價區(qū)間的隸屬度值進行加權(quán)求和，則為綜合關(guān)聯(lián)度，公式如下：

(8)

式中：Kj(xi)為評價對象S0的第i項指標在第j級評價區(qū)間的關(guān)聯(lián)度；wi為第i個指標的權(quán)重，采用熵權(quán)法計算權(quán)重[4]；Kj(S0)為待評對象P0的綜合關(guān)聯(lián)度。

5) 確定對象評定等級。參考相關(guān)學(xué)者[5]的研究方案劃分評價等級。

1.3 水資源脆弱性評價指標體系與分級標準

水資源脆弱性是指一定區(qū)域內(nèi)，水資源系統(tǒng)在維系自身健康演替的條件下對經(jīng)濟社會發(fā)展的最大支撐能力，水資源脆弱程度越高，表明其服務(wù)功能越低。其社會、經(jīng)濟、生態(tài)等多重屬性，由于其影響因素眾多，在參考前人的研究基礎(chǔ)上[1-2,5-6]，遵循層次性、普適性、可得性等原則提取具有高頻、獨立性的指標因子，用以構(gòu)建水資源脆弱性評價指標體系，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

評價標準對應(yīng)著物元分析中的經(jīng)典域，是水資源脆弱性評價的關(guān)鍵內(nèi)容。通常，該標準要求具有普世通用性，即能夠適用于其他類似的問題解決；層次性，即評價標準的層級能夠反映水資源脆弱性及其指標屬性的變化特征；可操作性，即數(shù)據(jù)來源可得可靠，指標可描述且量級化。鑒于此，在參考聯(lián)合國糧農(nóng)組織所推薦的水資源綜合評價指南，以及河北省和全國通行的標準值[5-6]，劃分了水資源脆弱性評價分級，其閾值劃分見表1。

圖1 水資源脆弱性評價指標體系

指標理想較好一般較差差S1[6000,)[3500,6000)[2300,3500)[800,2300)[0,800)S2[10,)[7,10)[4,7)[2,4)[0,2)S3[800,)[600,800)[450,600)[200,450)[0,200)S4[90,)[70,90)[50,70)[30,50)[0,30)S5[80,)[60,80)[40,60)[20,40)[0,20)S6[80,)[60,80)[40,60)[20,40)[0,20)S7[80,)[60,80)[40,60)[20,40)[0,20)S8[300,0)[300,600)[600,1000)[1000,1500)[1500,)S9[180,)[150,180)[120,150)[100,120)[0,100)S10[0,20)[20,30)[30,40)[40,50)[50,100)S11[80,)[60,80)[40,60)[20,40)[0,20)S12[90,100)[75,90)[50,75)[30,50)[0,30)S13[0,10)[10,20)[20,30)[30,40)[40,100)S14[90,100)[75,90)[50,75)[30,50)[0,30)

1.4 數(shù)據(jù)來源與處理

通過《河北省統(tǒng)計年鑒》和《滄州統(tǒng)計年鑒》中提取2001-2017年滄州市逐年的水資源總量、地表水資源總量、地下水資源總量與各項指標數(shù)據(jù)，在Excel 2016中運用一元回歸分析法對水資源變化趨勢進行描述。另外，通過通過氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)站(http://data.cma.cn/)獲取全市13個氣象站點資料，得到其逐年降水數(shù)據(jù)，并通過arcgis10.3的geostastics功能進行空間可視化表達。全市各縣區(qū)水資源脆弱性評價結(jié)果亦運用該方法進行空間呈現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 滄州市水資源時間變化特征

一元回歸分析直觀揭示了不同類型水資源的變化趨勢(圖2)。由圖2可知，2000-2018年滄州市水資源呈現(xiàn)一定的增加趨勢，其中地表水資源變化趨勢為y=0.086 4x-168.69，R2=0.070 1，雖然該趨勢并未通過5%水平信度檢驗，但這種變化對于緩解區(qū)域水資源短缺具有積極意義。地下水是滄州市水資源重要構(gòu)成，其演變特征為y=0.093 4x-180.31，R2=0.115 4，地下水資源的增加主要是由于近數(shù)十年來城市擴展速度快、人口逐漸增加，用水缺口增大導(dǎo)致對地下水資源依賴性加強。水資源總量為地下水和地表水資源的總和，近18年來區(qū)域水資源總量最高值出現(xiàn)在2008年，為14.28×108m3，最低值為2002年的7.29×108m3，年際變異系數(shù)達36.87%。降水是水資源的基礎(chǔ)來源，是構(gòu)成地下水、地表水資源的重要成分，監(jiān)測時域內(nèi)滄州市降水量變化趨勢為y=4.769x-9 003.7，R2=0.125 4，在0.05水平上達到顯著性，有學(xué)者研究表明氣候變化背景下河北省局部降水量呈增加趨勢，與本研究一致。

圖2 滄州市水資源時間變化趨勢特征

2.2 滄州市水資源空間分布特征

運用13個氣象站點逐日降水資料累加求平均得到各站點年均降水量值，并據(jù)此計算徑流深度，然后才有kriging插值法進行空間可視化，其結(jié)果見圖3。由圖3可知，滄州市徑流深全局自西南向東北部遞減，變化范圍介于4.5～28.6 mm之間，西南部為太行山山前沖積扇，河流發(fā)育密集、徑流相對豐富；其中局部空間上呈條帶狀分布，這與區(qū)域河流分布十分吻合。滄州市降水量集中于6-9月份，空間上亦呈現(xiàn)聚集分布，其中全市中部為降水密集區(qū)，可達650 mm，主要由于該區(qū)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布地帶，下墊面升溫快，導(dǎo)致夏季暖濕氣流易于成云致雨；西南部受地勢抬升作用，降水也較多；西北和東南局部為降水缺失地帶，少于550 mm。

圖3 滄州市水資源空間分布特征

2.3 滄州市水資源脆弱性指數(shù)計算

以黃驊市為例，結(jié)合表1的評價指標值域，將該市的14項指標測量值代入式(4) -式(7)，計算得到關(guān)聯(lián)度(表2)；由式(8)計算各評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度，其中綜合關(guān)聯(lián)度最大的評價區(qū)間為該市水資源脆弱性結(jié)構(gòu)。分析可知，黃驊市水資源脆弱性指標中多數(shù)單項指標評價屬于強脆弱、極脆弱等級，其綜合關(guān)聯(lián)度為0.016，評價結(jié)果為極脆弱，說明該市水資源的經(jīng)濟社會服務(wù)功能較差。

各項指標的實測值是水資源綜合效益評價的基礎(chǔ)，需要指出的是各項指標可能存在一定的測量誤差。鑒于此，應(yīng)將該誤差考慮進去，識別變量誤差對評價結(jié)果的不確定性影響。關(guān)于這一問題，國內(nèi)外學(xué)者廣泛采用局部靈敏度方法進行分析，即在計算某一評價對象綜合關(guān)聯(lián)度時，在保持其他指標量值不便的條件下對其中之一的指標量值取其±0.1的區(qū)間，計算指標量值變化后的最大關(guān)聯(lián)度等級。

表2 黃驊市水資源效益評價指標閾值分級

2.4 滄州市水資源脆弱性空間分布

運用前述物元分析方法，將滄州市16個縣區(qū)的水資源脆弱性進行測評，并運用Arcgis平臺進行空間可視化表達，結(jié)果見圖4。由圖4可知，有4個縣區(qū)屬于中度脆弱，分別是任丘、肅寧、泊頭和吳橋，其均位于滄州西部地區(qū)，屬于水資源相對豐富區(qū)，且人口密度低，水資源脆弱程度較其他地方低；河間、獻縣、南皮、東光、鹽山水資源脆弱性屬于強脆弱；而青縣、滄縣、市轄區(qū)、孟村、海興和黃驊市為極脆弱區(qū)。綜合來看，滄州市水資源脆弱性呈自東向西減小分布，東部濱海區(qū)和市域中心水資源匱乏、人口密集，地表徑流缺失，水資源難以維系經(jīng)濟社會發(fā)展。

圖4 滄州市水資源綜合效益評價空間分布圖

3 結(jié) 論

通過熵權(quán)法構(gòu)建指標權(quán)重，結(jié)合物元分析計算滄州市各縣區(qū)水資源脆弱性綜合關(guān)聯(lián)度，并進行5級區(qū)間評價。結(jié)論如下：2001-2017年滄州市地下水、地表水和水資源總量隨著降水量增加呈現(xiàn)弱的增加趨勢，但全市人均水資源占有量低于全國全省平均水平；徑流深度呈自西南向東北遞減，降水則呈中部高、西北東南部低；全市水資源脆弱性空間分布不均衡，呈自東向西減小，在今后的水生態(tài)建設(shè)中應(yīng)分區(qū)對待。