像元尺度上廣西西江流域水資源可獲取性綜合評價

閆 妍，王 鈺，胡寶清，黃凱燕

(1.南寧師范大學北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西南寧530001；2.南寧師范大學廣西地表過程與智能模擬重點實驗室，廣西南寧530001；3.南寧師范大學地理科學與規劃學院，廣西南寧530001)

0 引 言

隨著國家戰略珠江-西江經濟帶的推進，西江流域水資源的供需、開發利用與水環境保護的矛盾日益突出，制約著流域水資源利用的可持續發展。因此，亟需對流域水資源利用開展有效評價。前期研究多圍繞承載力[1-2]、脆弱性[3- 4]、壓力和稀缺性[5]等方面，對區域水資源可持續利用開展評價研究，然而流域水資源空間配置尚未得到有效解決。部分研究使用分布式水文模型，揭示流域水資源運移過程和空間格局[6-7]；但對水資源利用空間信息的反映不夠精確。

近期有學者提出水資源可獲取性概念，指在不考慮水循環和水資源利用目的的條件下，流域任一格元水資源獲取的難易程度[8]。通過分析水可獲取性的影響因素，如徑流、取水距離和高差等，建立水資源可獲取性評價模型，計算流域內任意像元的取水難易程度。得到小尺度上精確的水資源空間分布信息，為流域水資源精細管理和利用提供科學依據。然而，水可獲取性模型對于特定的河流系統存在區域差異，且在時空尺度上變化較大[9-10]，只有針對性分析徑流產生過程和水文體系變化來識別特定流域的有效水資源可獲取性。因此，研究選取國家戰略所在地——西江流域(廣西境內)進行實證研究，通過改進水可獲取性模型，獲取流域水資源可獲取性難易程度，以期為廣西西江流域水資源精細化管理實踐提供科學基礎。

廣西西江流域位于104°28’E～112°35’E， 20°35’N～26°20’N，境內西江河長約869 km，是廣西壯族自治區的重要水系。流域集雨面積約20×104km2，占廣西行政區總面積的85.88%，水資源總量約占廣西水資源總量的85.5%。流域地貌主要是山地丘陵盆地地貌，地勢自西北向東南傾斜，西北是云貴高原，東南是丘陵盆地。土壤類型以紅壤、赤紅壤、水稻土為主。研究區屬亞熱帶季風濕潤氣候，氣候濕熱多雨，夏長冬短。年均降水量在1 080～2 760 mm之間，年平均氣溫在16.5～23.1 ℃之間。

1 材料與方法

1.1 數據來源

基礎地理數據包括研究區行政邊界、自然水系分布，來源于全國1∶25萬數據庫。數字高程模型數據選取GDEM V2 30 m分辨率數字高程數據，來源于地理空間數據云(http:∥www.giscloud.cn/)。統計數據取自于2008年～2015年《廣西壯族自治區水資源公報》。其他數據來源于《廣西通志·水利志》。

1.2 自然水系提取

數字高程模型(Digital Elevation Model， DEM)，即地形表面形態的數字化表達。基于DEM數據提取真實準確的水系，是建立水文模型的基礎，能反映流域地形、地貌、氣象、水文等的綜合情況[11-12]。

基于DEM數據提取水系主要分為三個步驟：①無洼地DEM生成；②水流方向及匯流累積量計算；③水系提取。本研究采用坡面徑流模擬方法實現連續河網的提取，其中，水流方向計算主要采用單流向法中的D8算法[13]。依據不同匯流累積量閾值提取水系，提取不同閾值下水系的河道數、河流長度及河網密度進行趨勢線擬合，并與廣西水利志數據比較，獲取廣西西江流域水系數據。為進一步驗證基于DEM提取的河網信息的正確性，將1∶25萬數據庫中的西江流域水系數據與提取出的河網相互疊加比較。

1.3 水資源可獲取性模型

根據Yu等提出的水可獲取性概念，研究利用“空間用水點”的概念，在不考慮水循環、利用目的情況下，在空間中任意點取水的難易受坡度、相對高差、年徑流量和距河道距離的影響，因此建立水可獲取性模型用以評價流域水可獲取性的難易程度。

(1)

式中，W為水可獲取性綜合指數；Wi(i=1，…，4)分別為S、H、R和D引起的水可獲取性分量；β為區域擬合系數；S為坡度；H為單元點跟河流的相對高差；R為河流徑流量；D為單元點到河流的距離；β1、β2、β3、β4分別為S、H、R、D的區域擬合系數。

(1)坡度：指過地表面上任一點的切平面與水平面的夾角，表示該點的傾斜程度。

(2)相對高差：引水會受到高程的限制，引水點與水源地的相對高程越大，越難取水，投入取水的成本也就越多，那么該點的可獲取性也越難。在現實中，每個格點與距最近河流的高差比較難計算。因此，本文以DEM數據為基礎，以劃分出來的小流域為單位，利用分區統計工具計算流域內的河流平均高程與最小高程，并且假設小流域內各點取水均來自河流，則可用柵格計算器計算各點與河流的相對高差，柵格計算器中的計算法則指若單元格高程比河流平均高程大，則單元格高程減去河流平均高程；反之，則單元格高程減去河流最小高程。

(3)年徑流量：指年度內通過河流某一斷面的水量，用于估計地區水資源總量的變化。本文用徑流量來估計地表水資源量。由于Flow Accumulation計算出的匯流累積量不等于實際徑流量，因此需要進行轉換；在現實中當某地區缺乏實測徑流數據的時候，可以用水文比擬法、徑流系數法、經驗公式法[14]等來計算一定時間段內的流量。當流域存在上游入境水量時，流域干流徑流量需加上入境水量。 則

(2)

式中，Ra為年徑流量，104m3；F為承雨面積，km2；h為流域平均徑流深，mm；P為干流上游入境水量。根據《廣西通志·水利志》獲取h值為684.48 mm，根據《廣西壯族自治區水資源公報》獲取P值為4.3187 × 1010m3。

(4)距離：取水也受距離水源遠近的影響，基于柵格河網數據，利用ArcGIS軟件歐氏距離工具，計算每個柵格點與最近河源的歐氏距離，即量測每個點到最近源的直線距離。

(5)指數的標準化：對于式(1)中的各個變量，我們先規定坡度、高程、徑流量、距離引起的水可獲取性Wi(Wi∈[0，1]，i=1，…，4)，Wi值越大表明水資源可獲取性越容易；反之，水資源可獲取性就越困難。由于選取的指標有正相關的(如R)，有負相關的(如S、H、D)，所以本文采用綜合指數法將不同性質量綱標準化。即

(3)

其中，xi是第i個評價指標標準化后的值；dimax為第i個評價指標的最大值。

2 結果與討論

2.1 河網提取

在提取河網中最重要的是如何設定比較合適的集水閾值。由于還不知道閾值設定為何值時得到的河網與實際河網最相近，因此用ArcGIS中的柵格計算器在流域匯流累積量的基礎上，分別設定不同的集水面積閾值以提取出相應的河道數與河網密度的河網，根據分析閾值和河道數、河流長度及河網密度的關系來最終決定閾值(表1)。

表1 河網特征隨集水面積閾值的變化

集水面積閾值從4 km2增加到70 km2，河道數從26 540條減至1 860條，總的河長從77 432.12 km減少到20 924.31 km，河網密度從0.38 km/km2變為0.10 km/km2。根據線條數、河網密度和集水面積閾值間的負相關性，采用冪函數進行趨勢擬合分析，擬合度R2分別達到0.997 9和0.997 7，擬合度良好(見圖1)。

本文選擇21 km2作為西江流域集水面積的閾值。從表1可得知，當閾值為21 km2，河道數為6 213條，河流長度38 132.08 km，河網密度0.187 0，與《廣西通志·水利志》記錄中西江流域實際長度38 072 km、實際河網密度0.188相接近。為了驗證基于DEM提取河網的科學性合理性，將通過設定最合理閾值21 km2得到的柵格河網，與原有廣西水系矢量圖層相疊加顯示(見圖2)。

圖1 河道數、河網密度隨閾值變化擬合結果

圖2 研究區矢量水系與河網疊加對比示意

2.2 模型系數

通過計算得到西江流域各格元的S、H、R、D值見表2。

表2 模型參數統計

以S、H、R、D4個因子的最大值與最小值，根據式(3)進行指標標準化處理(見表3)。

表3 參數標準化處理(部分)

把表3的數據進行指數擬合，得到各個指標分量的水可獲取性分量表達式

(4)

圖3 廣西西江流域水可獲取性模型分量空間分布

擬合精度R2=0.911 9，根據式(1)得到本研究區的水可獲取性評價模型

(5)

2.3 水資源可獲取性

基于ArcGIS10.2軟件平臺的水文分析工具和空間分析方法，得到了廣西西江流域內各個柵格點的坡度、相對高差、徑流量、取水距離(見圖3)。

根據水可獲取性模型公式(5)計算廣西西江流域各個柵格點的水可獲取性(圖4)。

研究區水資源可獲取性在0.092～3.961 1之間，數值越大，則水可獲取性越好；反之，則越差；西江流域水可獲取性有從流域內西北部到東南部不斷增強的趨勢。流域的水可獲取性與坡度、距水源距離、高差與河流徑流量有關，取水點坡度越大、距水源距離越遠、與河流的相對落差越大、徑流量越少，則可獲取性越差；反之，則越好。

圖4 像元尺度上廣西西江流域水可獲取性指數

水資源可獲取性與區域河網分布及徑流量關系密切，表現為干流的水可獲取性較容易，其次是支流，而離河流較遠的地方水可獲取性較低。研究區西北部、北部地區坡度最大，相對高差也比較大，徑流量較小，水可獲取性相對較差，僅在河流的沿岸附近的水可獲取性略大。研究區中部、南部地區坡度比西北部小，相對高差也比西北部小，年徑流量大，所以中部、南部比西北部和北部的水資源可獲取性高。而中部、東部，特別是東南部水資源可獲取性最強，這些地區處在流域的下游，坡度相對低，相對高差小，主干流多、徑流量大，河網密集。因此，該結果總體符合研究區水資源分布的實際情況。

3 結 論

本文通過設定不同的閾值，基于覆蓋研究區30 m的DEM數據提取河網，當集水面積閾值設定21 km2時，得到的河流長度、河網密度與實際水文資料中記錄的值最接近，證明了使用DEM提取河網信息的可靠性。

對于區域中某一空間用水點來說，它的取水難易程度和水源是否充足、取水距離的遠近、取水路徑的坡度及相對水源的高差等有關。水源充足，可以保證有水可獲取的基本條件；距水源距離決定了取水成本的大小；坡度和相對高差越大，越難取水。所以根據這四個影響因素，建立水資源可獲取性模型來分析“空間用水點”跟其周圍最近河源的關系，評價其水可獲取性的難易程度，是可行的研究模型。

不同于前期水資源利用評價，本研究通過考慮自然水系、空間格元，得到研究區像元尺度的水資源可獲取性難易程度，能直觀地表現出流域內水資源可獲取性的空間差異。像元尺度的水資源可獲取性可以推動農業精細化管理，如農田灌溉、引水規劃，以及為居民用水管理等提供更有參考價值的基礎數據，為微觀決策者實踐和管理決策提供科學依據。