甘肅省水資源承載力時空特征與承載狀態研究

劉家溪 ,王立權 ,劉 巖,王雙宇,陳 楷

(1.黑龍江大學 水利電力學院,哈爾濱 150080;2．黑龍江省水利科學研究院,哈爾濱 150080)

1 研究區概況

甘肅地處中國西北部,東臨陜西,西至新疆,南望四川、青海,北抵寧夏、內蒙古,西南與蒙古交界,下轄地級市12個、自治州2個。甘肅地域狹長,地形多樣,四面都是峻嶺,地勢由西南向東北方向傾斜。甘肅為青藏高原、內蒙古高原和黃土高原三大高原交匯之地,氣候類型由南到北分為4個主要類型:亞熱帶季風氣候、溫帶季風氣候、溫帶大陸性干旱氣候和高原山地氣候。甘肅省自產地表水資源量286.2×108m3,地下水8.7×108m3,自產水資源總量約294.9×108m3,人均1 150m3。全省河流年總徑流量415.8×108m3。

本研究主要數據來源于2015-2020年水資源公報與統計年鑒。

2 研究方法

2.1 甘肅省水資源承載力指標體系構建

評價指標體系見表1。

2.2 賦 權

變異系數法是一種客觀賦權法,它依據每個評價指標的當前值和目標值之間的變異程度,為每個指標賦予權重。當指標的現有值和目標值相差較遠時,表明指標更難到達目標值,應給予更大權重;相反,應給予更小權重,其結果客觀性強。

表1 甘肅省水資源承載力指標體系

2.3 狀態空間法

狀態空間法是利用歐氏幾何空間對系統狀態進行定量刻畫的有效方法,通常由表示系統元素狀態向量的三維狀態空間軸組成。采用狀態空間法承載狀態點,在具體的時間尺度上,可以表示地區的不同承載狀況。用狀態空間中原點與系統狀態點組成的矢量模數來表達區域承載力大?。?-2］。

2.4 空間自相關分析

根據空間統計資料進行空間自相關分析,分為全局空間自相關與局部空間自相關［3-5］。局部空間自相關性是指在一定時間內,一個地區或區域內所有單位之間存在著相互關聯關系,而不依賴于其他任何地理要素。以莫蘭指數為主,表現出空間分布特征,莫蘭指數又分為全局莫蘭指數與局部莫蘭指數［6-7］。

全局莫蘭指數取0～1,呈正相關,表明有類似性質聚集;全局莫蘭指數值介于0～-1之間時,呈負相關,表明存在著相異性質聚集;如果接近于零,則表明是隨機分布的,不存在空間自相關性。全局莫蘭指數的顯著與否,用Z值的大小來判斷。

3 研究結果分析

3.1 時間序列上水資源承載力分析

由圖1可知,近6年來,甘肅省水資源承載力整體呈不斷提高趨勢。2015年為0.1579;2016年上升為0.1603;2017年增長明顯,上升為0.1707;2018年上升趨勢又變緩,為0.1750;2019年稍稍下降為0.1743;2020年又呈上升趨勢為0.1774。

圖1 2015-2020年甘肅省水資源承載力發展趨勢圖

各地市水資源承載力值與排名見表2。

表2 2015-2020年各地市水資源承載力值與排名

3.2 空間分布上水資源承載力分析

根據ArcGIS10.2軟件,利用自然斷裂點法,把甘肅省各地級市水資源承載力分為高值區、較高值區和中值區、較低值區、低值區等5個區域,并以此為基礎,對空間分布上不同年份的水資源承載能力進行分析。本研究將甘肅省分為河西地區、隴中地區、隴東地區、隴南地區、甘南地區共5個地區進行空間分析,見圖2。甘肅省水資源承載力具體每年的空間分布格局如下:

1)2015年,甘肅省水資源承載力高值區分布在河西的酒泉和武威;較高值區分布在隴中的蘭州、白銀、平涼和河西的金昌;中值區分布在嘉峪關、張掖、臨夏;較低值區只有甘南;低值區分布在定西、天水、隴南、慶陽。

2)2016年與2015年相比,高值區主要分布在酒泉、張掖、武威;較高值區分布在白銀和慶陽;中值區包含蘭州、甘南、臨夏、隴南、金昌、平涼6個地市;較低值區只有嘉峪關;低值區位于定西和天水。

3)2017年,甘肅省水資源承載力高值區有隴南和慶陽;較高值區主要集中在河西地區的酒泉、張掖、武威;中值區分布在隴中地區的蘭州、白銀、定西,還有隴南地區的天水和甘南;較低值區與2016年相同;低值區主要分布在金昌、臨夏、平涼。

4)2018年,甘肅省水資源承載力高值區主要分布在嘉峪關、臨夏、白銀和慶陽;較高值區只有天水;中值區主要分布在金昌、甘南、定西、平涼;較低值區有蘭州和隴南;低值區主要分布在酒泉、張掖、武威。

5)2019年,甘肅省水資源承載力高值區只有定西;較高值區主要分布在嘉峪關、金昌、蘭州、甘南、天水等5個地市;中值區分布在隴東地區的平涼和慶陽;較低值區主要分布在武威、白銀;低值區主要分布在酒泉、張掖、臨夏、隴南。

6)2020年,甘肅省水資源承載力高值區只有嘉峪關;較高值區位于甘南和隴南;中值區集中在蘭州、臨夏、定西、天水、平涼等5個地市;較低值區集中在酒泉、張掖、白銀、慶陽;低值區位于金昌和武威。

綜上,2015-2020年甘肅省水資源承載力在空間分布上變化較大,各地市之間有所變化。高值區由河西地區逐步向隴中、隴東地區變化;中值區的分布相對集中,以隴中、隴東和隴南一帶為主;較高值區分布相對分散,各地區均有分布;較低值區和低值區分布最零散,各區域均有分布。

3.3 水資源承載狀態分析

本研究通過比較承載力真實值與理想值作為量化依據,采用多年平均法,選擇2015-2020年間各項指標多年平均值計算得出理想值,通過理想值與各地市水資源承載力值的比較分析,得出2015-2020年甘肅省各地市水資源承載狀態,見表3。

表3 2015-2020年甘肅省各地市水資源承載狀態

總體來說,2015-2020年甘肅省各地市水資源承載狀態呈現反復的趨勢。其中,2015年只有金昌、酒泉、武威處于可載狀態,2016年可載狀態地市數量不變,2017年增加至6個,2018和2019年可載狀態地市增加至12個,2020年減少至8個。由此可以得出,水資源承載狀態和水資源承載力的變化趨勢類似,隨著水資源承載力的上升,相應的承載狀態也在上升。

隨著生態文明建設理念的不斷深入,國家先后頒布了“水十條”等最為嚴格的水資源管理制度,生態環境得到明顯的改善,水資源承載力也得到明顯提升。

3.4 水資源承載力空間關聯格局分析

運用GeoDa軟件,根據甘肅省的全局莫蘭指數,對甘肅省水資源承載力有無關聯性進行分析。結果顯示,2015年甘肅省莫蘭指數和Z值分別為0.331和2.035;2016年甘肅省莫蘭指數和Z值分別為0.0475和0.7732;2017年甘肅省莫蘭指數和Z值分別為0.3299和2.029;2018年甘肅省莫蘭指數和Z值分別為0.455和0.6332;2019年甘肅省莫蘭指數和Z值分別為0.2007和1.9678;2020年甘肅省莫蘭指數和Z值分別為0.1396和1.4714。見圖3。

研究顯示,2015-2020年甘肅省14個地市水資源承載力在空間分布上存在正相關性,一定程度上都是經過檢驗的(P<0.05),與水資源承載力相近的空間單元在空間上呈集聚分布趨勢。表明2015-2020年甘肅省各地市水資源承載能力的空間分布呈非隨機性,在地理空間上具有空間聚集效應。莫蘭指數及Z值均在2015年達到最大值,空間集聚效應最為顯著;莫蘭指數與Z值在2018年達到最小值,空間集聚效應比較微弱;2015-2020年莫蘭指數值呈波浪型趨勢。

由圖3可以看出,2015年甘肅省承載力高高值集聚區為張掖,低低值集聚區主要在臨夏、甘南、隴南和定西等4個區縣,其余地市未表現集聚特征;2016年甘肅省承載力低高值集聚區為平涼和隴南,其余地市未表現集聚特征;2017年甘肅省承載力高高值集聚區為定西,低高值集聚區為白銀,低低值集聚區為酒泉、張掖,其余地市未表現集聚特征;2018年甘肅省承載力低低值集聚區為白銀和蘭州,其余地市未表現集聚特征;2019年甘肅省承載力高低值集聚區分布在白銀、慶陽,低高值集聚區分布在隴南,其余地市未表現集聚特征;2020年甘肅省承載力高低值集聚區在酒泉,低高值集聚區分布在慶陽,其余地市未表現集聚特征。

4 結 論

本研究首先構建了水資源承載力指標體系,通過狀態空間法,計算得到甘肅省各地級市2015-2020年間的水資源承載力值及其承載狀態,基于GIS與GeoDa軟件,開展了水資源承載力值時空分析及關聯格局分析與研究。

1)2015-2020年甘肅省水資源承載力在年際間呈現出先上升、后下降、再上升的趨勢,各地市水資源承載力的變化趨勢不同。

2)2015-2020年甘肅省水資源承載力的空間分布變化較大,各地市之間有所變化。高值區由河西地區逐步向隴中、隴東地區變化;中值區的分布相對集中,以隴中、隴東和隴南一帶為主;較高值區分布相對分散,各地區均有分布;較低值區和低值區分布最零散,各區域均有分布。

3)總體來說,2015-2020年甘肅省各地市水資源承載狀態反復變化。其中,2015年只有金昌、酒泉、武威處于可載狀態;2016年可載狀態地市數量不變;2017年增加至6個;2018和2019年可載狀態地市增加至12個;2020年減少至8個。由此可以得出,水資源承載力上升,對應的承載狀態也呈現上升趨勢。

4)2015-2020年甘肅省各地市水資源承載能力的空間分布呈非隨機性,在地理空間上具有空間聚集效應。