水壓力綜合指數在區域水資源時空演變定量評估中的應用

劉士霞

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

1 概述

當前，水利部頒布最嚴格的水資源管理制度已逐步得到實施[1]。區域水資源量較為有限的基礎上，如何實現最優配置是當前水資源學科領域研究的熱點[2]，進行最優配置最主要的前提是對區域水資源進行有效評估，在評估的基礎上進行優化，才能達到最優效果[3]。遼寧東部屬于遼寧地區水資源相對豐富的區域，但由于城鎮化以及工業化的快速發展，早期農業、生活用水為主的水資源結構已經逐步向多元化水資源結構并向發展，急需要對區域水資源進行有效評估，從而解決新時期下水資源量與供需之間日益增長的矛盾。近年來，水壓力指數被許多研究學者用于對區域水資源壓力的定量評估[4- 10]，但是大都針對于水資源的質量和數量進行評估，而新時期下水資源壓力的影響因素已經不是單純的水資源供需矛盾，水資源承載能力[11- 12]以及水生態壓力[13- 15]也需要進行重點探討。為此本文提出一種新的水壓力綜合指數，構建基于水資源承載力-水資源供需壓力-水生態壓力為一體的水壓力綜合指數，對遼寧東部地區水資源壓力進行綜合評估。研究成果對于遼寧東部水資源優化配置及最嚴格管理具有重要參考價值。

2 水資源綜合壓力指數原理

水資源綜合壓力指數是從農業、生活、工業、水生態、水資源承載能力角度出發，構建綜合水壓力指數，結合水壓力指數對其水資源壓力進行綜合評估，其基礎原理在于構建不同壓力指數的綜合方程，其計算方程為：

WEF=γW(Wa+Wi+We+W1+We)/Pw

(1)

式中，WEF—生態足跡值，hm2；Wa、Wi、WC、W1、We—農業、工業、城鎮用水、生活、生態用水資源量，m3；γw—水壓力系數；Pw—水資源生產的能力值。在綜合壓力指數計算時，需要計算區域的水資源承載能力壓力指數，計算方程為：

WEC=0.4γWφWW/PW

(2)

式中，WEC—計算區域水資源開發利用所能承載的最大量，m3；ψW—壓力系數；W—計算區域總的水資源數量，m3。

在水資源承載能力壓力指數計算的基礎上，結合水生態壓力指數計算方程進行區域水生態壓力指數，計算方程為：

(3)

式中，WEP—水生態壓力指數；其他變量同上述方程中的變量含義。

結合Moran指數對水壓力綜合指數進行聚集特性的表征，其計算方程為：

(4)

其中：

(5)

(6)

綜合考慮不同水資源計算單元的相關程度，采用局部相關Moran指數來表示水資源綜合壓力指數的聚集特征，其計算方程為：

(7)

式中，Ii—計算的水資源綜合壓力指數；其他變量同上述方程中的變量含義。

3 水資源綜合壓力指數時空演變分析結果

3.1 遼寧東部水資源概況

以遼寧東部區域8個水資源分區為主要分析區域，遼寧東部主要包括的城市為本溪和撫順兩個城市，水資源主要分為8個區域，區域多年地表水資源量總和為35.4億m3，區域主要用水結構為農業和工業，但進入2000年以后，由于城鎮化的快速發展，居民生活用水呈現明顯遞增變幅，其用水結果逐步向多元化、城鎮化發展。多年平均水資源開發利用率在21.6%～67.2%之間，平均開發率為38.5%，屬于中等開發現狀。區域地表水資源情況見表1。地下水資源相比起遼寧西部、中部屬于相對豐富的區域，多年地下水資源量為16.8億m3，各水資源分區平均開采量在0.1042～9.3772億m3之間，各分區地下水資源開采率不同，這主要和各水資源分區的用水結構相關，各水資源分區地下水資源量情況見表2。

3.2 各壓力指數時間演變結果

基于遼寧東部二次、三次以及水利普查數據，收集區域1960年—2018年水資源數據系列，分別結合水資源承載力、水資源供需、水生態壓力指數計算方程，對各年份不同壓力指數進行分析，并設定不同壓力權重得到水壓力綜合指數，計算結果如圖1所示，并分析各類壓力指數和綜合指數的相關性，相關性分析結果如圖2所示。

表1 遼寧東部各水資源分區地表水資源量情況

表2 遼寧東部各水資源分區地下水資源量情況

從圖1中可看出，各類壓力指數呈現較為明顯的遞增變化趨勢，這主要是受到社會經濟發展，水資源供需矛盾突出，使得各方面用水壓力不斷遞增，從水資源承載能力壓力指數變化過程可看出，在1990年以后其遞增變化最為明顯，總體過程中水資源承載力壓力指數增幅為0.005/a，而水資源供需壓力指數在2000年以后指數呈現明顯浮動，這主要是因為2000年以后，遼寧東部用水結構逐步從農業向工業及生活用水發生轉變，水資源供需壓力指數從2000年以后其增幅達到0.007/a。而水生態壓力從1990年開始受到工業和城鎮化的快速發展，其壓力指數快速增長，到2000年以后，其增幅達到0.006/a。從其水壓力綜合指數看，受到各類壓力指數綜合變化的影響，從1960年—2018

圖1 各壓力指數年尺度變化特征

圖2 不同壓力指數與綜合指數相關分析結果

年，遼寧東部水壓力指數呈現明顯遞增變化，年增幅為0.04。從相關性分析結果可看出，水資源供需壓力指數和水壓力綜合指數相關程度最高，達到0.7681，水生態相關度最低，為0.6184，水資源供需壓力指數和水資源承載能力之間相關系數為0.3413，相關度較低，表明水資源供需壓力指數對水資源承載能力指數影響程度不高。

3.3 各壓力指數突變特征分析結果

在遼寧東部地區各類壓力指數年尺度變化特征分析的基礎上，考慮各壓力指數變幅較為明顯，采用突變分析方法對各類水壓力指數的突變特征進行分析，分析結果如圖3所示。

從突變特征分析可看出，各水資源壓力指數突變特征較為相似，在95%置信區間內水資源承載力的突變點為1980年，水資源供需壓力指數的突變點為1979年，水生態壓力指數突變點發生在1980年，而水壓力綜合指數突變點發生在1979年，總體看，遼寧東部地區水壓力指數突變點發生在

圖3 各壓力指數突變特征分析結果

1980年左右。這和遼寧東部區域水資源結構變化時間節點較為吻合，從1980年開始，區域農業快速發展，農業用水量出現明顯遞增變化，而進入90年代以后，工業和城鎮用水的增加，使得區域水生態壓力指數呈現明顯變化，2000年后，受工業和城鎮化發展，其綜合指數經過二次突變。總體而言，水生態壓力指數突變年份較其他壓力指數有所延緩。

3.4 各壓力指數空間演變結果

結合空間分析方法對區域不同年代際水壓力綜合指數的空間演變特征進行分析，其空間演變特征分析結果如圖4所示。

從各年代際水壓力綜合指數的空間變化過程可看出，在1960—1969年，水壓力低壓區占比為70%，且大部分集中在南部區域，這也是因為遼寧東部區域其南部水資源較為豐富，因此其壓力指數較低，在1970年—1979年，其低壓占比明顯減少，中低壓區域遞增明顯，其占比為45%，部分區域出現中高壓變化。進入1980年代以后，隨著農業快速發展，區域中低壓指數區域進一步有所縮減，中低壓占比為30%，而較高壓力指數區域從70年代遞增到80年代的35%，進入1990年以后，其高壓區域相比有所縮減，但是較高及中壓指數區域都較80年代增幅較大。而進入2000年以后，從2000—2009年，其水壓力綜合指數的高壓區域明顯增加，占比為50%，進入2010年以后，由于受到最嚴格水資源管理制度的影響，區域高壓呈現縮減變化，總體占比為30%。總體而言，受水資源量分布影響，區域各年代際水資源壓力空間分布規律性明顯，總體呈現從東向西遞減變化，高壓區域主要位于中部，占比20%，南部和北部區域低壓分布占比35%。

4 結論

(1)本文構建的水壓力綜合指數可全面考慮區域水資源承載能力、供需能力以及水生態指標，適合區域水壓力綜合評估，在區域水資源評價中可推廣應用。

(2)遼東水資源供需壓力指數與水壓力綜合指數相關度最高，對區域水資源利用影響度最高，應重點解決高壓區域水資源供需關系。

(3)遼東水資源壓力綜合指數突變節點主要在1980年左右，其突變主因是農業發展，水資源利用度增加，2000年后，受工業和城鎮化發展，其綜合指數經過二次突變。

(4)研究成果對于區域水壓力時空演變特征進行初步探討和分析，但對區域水資源安全利用相關措施還未研究，還需進一步完善和探討。

圖4 不同年代際水壓綜合指數空間分布特征