鐵嶺市水資源脆弱性與時空異質性分析

張 平

(昌圖縣水利事務服務中心，遼寧 鐵嶺 112599)

1 區域概況

鐵嶺市位于松遼平原中段，地理位置為E123°27'-125°06'，N41°59'-43°28'，總面積1.3萬km2，下轄調兵山市、開原市、西豐縣、鐵嶺縣、昌圖縣、新城區、銀州區和清河區。遼河水系為鐵嶺工農業生產和經濟發展的重要水源，沿途匯交支流眾多，有長溝河、凡河、柴河、清河以扶蘇臺河等支流。該區域為大陸性季風氣候，日照豐富，雨熱同季，季節性干濕交替特征顯著，2018年年均氣溫6.8℃，年降水量524.5mm，全年60%以上降水發生于汛期，地域分布上降水量呈東南高、西北低的特點。2018年鐵嶺市地表水7.87億m3，主要涉及湖泊、河流等動態水量，相對于2017年地表水減少25.6%，較多年平均值降低62.0%。從不同的行政分區的角度，地表水主要分布于西豐縣2.34億m3，昌圖縣2.09億m3，開原市1.75億m3，鐵嶺縣1.25億m3，其他各分區相對較少，在各流域內的分布為柴河0.74億m3、招蘇臺河0.88億m3、寇河1.43億m3、凡河0.61億m3、清河1.78億m3等。2018年地下水總量7.12億m3，山丘區和平原區為1.79、5.55億m3，二者重復計算0.22億m3，地下水資源主要分布于開遠縣1.49億m3，昌圖縣3.29億m3，鐵嶺縣1.39億m3。由于降水量的減少地下地下水位呈現出普遍下降的特征，平原地區的福德店地下水位下降0.09m、雙廟子下降1.56m、八面城下降0.95m。該區域共有23座水庫蓄水量4.92億m3，其中清河、柴河省屬水庫蓄水3.63億m3[1-3]。

在時空分布上鐵嶺市水資源量極不均衡，水資源安全保障因壩區用水緊張、山區工程蓄水困難等面臨嚴重挑戰[4-7]。現有研究涉及鐵嶺市水資源脆弱性的較少，仍需要進一步加強時空演變、細化尺度等方面研究。可借鑒脆弱性模型、區域脆弱性及系統脆弱性等相關成果開展水資源研究[8]，如鄒君等[9]采用一種客觀定權的綜合指數法及GIS指標疊置法的研究思路，為水資源脆弱性研究奠定了理論基礎； Chen Jun Xu等[10]綜合考慮風險概率、暴露度、敏感性、抗壓性等要素提出了RESC模型。據此，對鐵嶺市2008-2018年各區縣的水資源脆弱性及其時空異質性運用基于熵權法的評價模型進行分析，以期為應對區域旱澇災害及保障水資源安全提供科學依據。

2 水資源脆弱性評價模型

遵循代表性、獨立性、可比性、可操作性等原則選擇參評要素，綜合考慮區域水資源系統存在的問題及既有脆弱性評價體系最終確定7項典型指標，各指標計算方法及其內涵特征見表1。選取2008-2018年鐵嶺市水資源公報為X1、X2、X4、X6指標數據來源，依據2008-2018年各區縣統計年鑒獲取其它指標數據，其中負向指標為X1、X2、X3，其它指標屬于正向指標。

根據最嚴格水資源管理要求和區域實際情況，結合相關研究成果將承載力脆弱性劃分為1-5級5個標準，各分級標準下指標參考值見表2。

表1 水資源脆弱性評價指標及其內涵特征

表2 水資源脆弱性各分級標準參考值

運用參考值標準化法分別處理正向、負向指標的初始數據，相應的數學表達式如下：

(1)

(2)

式中：Xi、ri為評價指標i的初始數據和標準化處理值；Xijmax、Xijmin為第j個標準化分級區間中評價指標i的最大與最小值；Rjmax、Rjmin為第j級標準化取值區間內第i個指標值Xi的最大與最小值。其中，i=1，2，…，7；j=1，2，…，5。

采用熵權法確定n個評價單元中m項指標的權重系數，即利用下式求解承載力脆弱性指標i的權重值：

(3)

(4)

式中：Hi為脆弱性評價因子i的熵值；K為評價單元相關系數；rik、fik為標準化處理后的評價指標i關于評價單元k的數值及其比重。其中：K=1/lnn；i=1，2，…，m；k=1，2，…，n。

若fik值取0，則fiklnfik=0。最終利用下式確定指標i的權重，即：

(5)

(6)

式中：ωi、r為脆弱性指標i的權重及其標準化數值。

總體而言，根據下述步驟構造脆弱性評價模型：①結合區域水系統情況選取具有代表性的脆弱性評判因子；②各因子權重系數利用熵權法求解；③采用加權求和法處理歸一化指標值及指標權重，最終獲取綜合評判值及其對應的脆弱性等級。

3 結果分析

根據公式(3)-(5)和2008-2018年年均數據求解各因子權重，見圖1。從圖1可知，水資源供需比相對于其它指標的貢獻率較高為0.21，其次為人口密度，權重最小值為年降水距平百分比的0.09。可見，對區域水資源脆弱性影響最大和最小的指標為水資源供需比、年降水距平百分比。

圖1 評價指標權重值

根據等級劃分標準將水資源脆弱性綜合指數值WWVIk劃分為5個區間，即0.72≤WWVIk<1.00、0.60≤WWVIk<0.72、0.45≤WWVIk<0.60、0.25≤WWVIk<0.45、0≤WWVIk<0.25，對應的評價級別為極脆弱、強脆弱、中脆弱、弱脆弱和不脆弱。

3.1 鐵嶺市水資源脆弱性空間異質性

2008-2018年鐵嶺市各區縣水資源脆弱性指數及其年均指標值見表3。從表3可知，鐵嶺縣的脆弱性指數最大為0.65，該區域的水資源脆弱性最強。從自然條件的角度分析，鐵嶺縣的年均產水模數(16.02×104m3/km2)居鐵嶺市第3位，水資源供需比屬于較高水平的0.86，因此該地區存在突出的供需矛盾；同時，鐵嶺縣的人口密度達到425人/km2，顯著高于遼寧省平均值。統計資料顯示，鐵嶺縣的干旱災害發生頻繁，僅在2008-2018年就有3年屬于偏枯水年，所以屬于水資源最為脆弱區。調兵山市位居水資源脆弱性第2位，該區域農業用水需求大且水資源較為貧乏，水資源需供比和人口密度均處于較高水平。較其它地區而言，脆弱性較低的為銀州區，該區域水資源量較為豐富且人口密度較低，產水模數達到3.466×105m3/km2，指數值為0.38屬于弱脆弱等級。

表3 2008-2018年鐵嶺市脆弱性指數及年均指標值

從空間分布的角度鐵嶺市水資源脆弱性呈南高北低的格局，各曲線脆弱性指數值處于0.38-0.65范圍。水資源強脆弱地區為鐵嶺縣，中脆弱性地區有調兵山市、開原市、新城區，其它地區為弱脆弱區。鐵嶺市水資源潛在壓力、稟賦條件、供需配置與脆弱性空間分布保持較好的一致性，位于中南部的鐵嶺縣、開原市、調兵山市、新城區均具有較高的人口密度和水資源供需比，人口密度依次為425、327、388、186人/km2，對應的水資源供需比為0.86、0.62、0.82、0.60，而其它地區的相對較低處于弱脆弱水平。

近10年鐵嶺市水系統脆弱性最強年份為2012年，相對于年均脆弱性有4個上升至更高脆弱性得分。其中，朝陽縣水資源由之前的強脆弱上升至極脆弱程度，中脆弱的開原市、調兵山市、新城區上升至強脆弱，而弱脆弱區增大至中脆弱水平。水資源需供比快速增大、產水模數和年降水量降低、GDP持續增長及年降水距平百分比波動增加等為導致2012年水資源脆弱性最強的主要原因。例如，朝陽縣2012年人均GDP較2011年增大9.5%，而降水距平百分比顯著下降19.5%左右，水資源需供比快速上升至1.4左右。

3.2 鐵嶺市水資源脆弱性時間異質性

鐵嶺市2008-2018年水資源脆弱性見圖2。從圖2可知，隨著時間的演進鐵嶺市水資源脆弱性呈顯著的異質性，年均指數值介于0.38-0.56范圍，多年平均值為0.48，處于中脆弱等級。2008-2018年水資源脆弱性總體呈3個變化階段，其中2008-2011年、2012-2015年、2016-2018年為弱脆弱、中脆弱及中脆弱分界線左右，研究期間呈現出先上升后小幅下降的變化趨勢。水資源脆弱性最強和最弱年為2012年、2010年，2008-2011年的脆弱性波動幅度較小，指數值處于0.38-0.44之間。2012-2015年的脆弱性最強，指數值處于0.53-0.56范圍，此期間的降水量急劇減少，水資源需供比大且旱情十分嚴峻。2016-2018年脆弱性較2012-2015年明顯減少，但仍高于2008-2011年，指數值處于0.46-0.47之間，進一步分析其原因為此期間的經濟社會發展速度較快，工農業發展和生活用水量迅速增大。

圖2鐵嶺市2008-2018年水資源脆弱性

當年經濟社會發展程度、水資源狀況與鐵嶺市水資源脆弱性時間異質性密切相關，年降水量距平百分比在2008-2011年依次為1.3%、2.4%、15.0%、9.2%，整體大于其它時段；另外，此期間的人均GDP依次為1.76、1.95、2.25、2.85萬元/人，總體低于其它時期。2012-2015年，鐵嶺市年降水量急劇減少，人口的增加和各行業需水量壓力的增強使得水資源系統更加脆弱，此階段為中脆弱水平。隨著2016-2018年降水量的逐漸增加，在一定程度環節了水資源供給壓力，但人口壓力持續增大且經濟社會仍快速發展，因此在中脆弱界限上下波動，且總體高于2008-2011年階段。

3.3 不同分區脆弱性構成

隨著區域特征和具體指標的不斷變化，不同區域內脆弱性指標的受影響程度存在差異，鐵嶺市各區縣2008-2018年年均脆弱性組成見圖3。

從圖3可知，人口密度和水資源需供比影響隨著水資源脆弱性的增強而增大，有效灌溉面積、產水模數、萬元GDP用水量影響隨著不同外部情景的變化逐漸減少。水資源供需比在弱脆弱地區處于0.38以下，圖3(c)中數值均<0.06,；水資源供需比在中脆弱性地區不超過0.82，圖3(b)中數值均低于0.15；水資源供需比在強脆弱地區為0.85，圖3(a)中數值為0.15。總體而言，在時空變化上2008-2018年鐵嶺市水資源脆弱性存在顯著的異質性特征，最終確定供需矛盾加劇、干旱影響大、人口增長快、經濟發展迅速的地區，其水資源系統處于強脆弱等級，如朝陽縣水資源供需比、人口密度和人均GDP均處于較高水平，有效灌溉面積為8.15×103m2，因此該地區為強脆弱區；對于水利設施建設落后、產業結構不合理、水資源利用效率低等欠發達地區，如開原市、調兵山市等水資源系統為中脆弱等級，各參數具體數值見表2；而針對供給壓力小、供需矛盾不突出、水資源豐富且較為落后的地區，其水資源系統脆弱性為弱脆弱等級，如銀州區、西豐縣、昌圖縣的脆弱性指數為0.38、0.43、0.41。

圖3水資源脆弱性年均構成

鐵嶺市2008-2018年水資源系統總體為中脆弱等級，這與以往相關研究相比基本相同，雖然個別年份的脆弱等級有所差別，但評價結果較為科學合理。另外，文章從區縣的角度分析鐵嶺市水資源系統狀況，不同區縣的脆弱性有所不同，由此更加詳細、系統的反映了區域水資源空間格局。

4 結 論

1) 空間適度上鐵嶺市水資源系統總體處于中脆弱等級，從區縣尺度上細化得到的脆弱性評價結果，準確揭示了鐵嶺市水資源系統呈南高北低的空間異質性特征。時間尺度上，2008-2018年水資源脆弱性總體呈3個變化階段，其中2008-2011年、2012-2015、2016-2018年為弱脆弱、中脆弱及中脆弱分界線左右，呈現出先上升后小幅下降的變化趨勢。

2) 人口密度和水資源需供比對鐵嶺市水資源脆弱性的影響較為顯著，不同區域、不同時段內各要素影響程度存在較大差異。