宗 珊

(河北省唐山水文水資源勘測局,河北 唐山 063000)

1 基本情況

唐山市位于華北平原東北部渤海北岸、燕山南麓，全市面積為13.472km2，人口757萬(2015年)。區(qū)域?qū)偾昂５偷叵蜓嗌降嘏_過度地形，東北高、西南低，海拔介于0～843m之間，主要地貌為平原、地山丘陵。由于位居歐亞大陸東岸中緯度沿海地區(qū)，受氣候環(huán)流與熱力效應形成溫帶季風性氣候，冬寒夏熱、雨熱同期，降水集中度強，年均溫12.5℃，多年平均降水量在500～700mm之間。唐山市水系屬渤海外流區(qū)，河流短小、比降低，有春汛和夏汛。該市多年均水資源28.5億m3，其中地表徑流量為14.62億m3，地下水資源量達13.69億m3，而人均占有水資源量僅有385m3，不足全國平均水平的1/6，為典型缺水城市。唐山市為河北省經(jīng)濟龍頭乃至北方地區(qū)工業(yè)核心城市之一，近年來隨著區(qū)域城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的推動，該市人口逐年增加、水域濕地被征用、大型工業(yè)基地落后，這一方面使得區(qū)域水環(huán)境遭受破壞，另一方面增加了供水壓力。以唐山市為研究區(qū)，旨在闡明區(qū)域水資源時空分布特征，并綜合測評水資源狀況，以期為區(qū)域水資源管理、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整提供基礎信息。

2 研究方法

2.1 水資源時間性分析

水資源數(shù)量隨時間分布具有波動性，通常具有年際、季候、月際等不同時間尺度變化特征，其表現(xiàn)為趨勢傾向、震蕩或周期，在此主要探究其逐年變化規(guī)律。水資源的時間性特征為一維宏觀趨勢，可通過一元線性回歸分析法確定水資源量與時間尺度間的相互依賴性關系。其計算公式如下[1]：

(1)

式中，Slope—水資源量變化的斜率值，i—時間序列，x—降水量,mm。當Slope>0時，表明水資源量的一維線性趨勢表現(xiàn)為增加，當Slope<0時，表明其逐漸減小，當Slope=0時，說明水資源量無變化。

2.2 水資源空間性分析

水資源特別是降水資源具有明顯的空間分布特征，這源于水循環(huán)過程以及海陸位置、地形、下墊面特征、人為活動等多種因素綜合作用。為解析其空間格局，通常采用地統(tǒng)計學方法。地統(tǒng)計學通過鄰近度觀測檢測空間連續(xù)性變量變量的隨機不恒定變化與空間位置之間的關系，進而確定臨近位置上水資源空間分布影響因素的重要性即空間權(quán)值，利用空間權(quán)值與觀測值，對目標空間于進行預測。Kriging插值的公式如下[2]：

(2)

式中，i—空間點位序列；x—空間位置；Z(x0)、Z(x0)—變量在x0、x1處的估計值、實測值；λ—臨近點對目標點的影響程度，即空間權(quán)值。Kriging插值法對區(qū)域化變量空間格局的預測是無偏最優(yōu)，在水土科學中具有廣泛應用。

2.3 水資源脆弱性分析

水資源脆弱性反映了水資源狀況對經(jīng)濟社會發(fā)展的承載，當其能夠提供充足水資源并不損害本身發(fā)展能力的情況下，水資源脆弱程度低，當水資源供需形勢嚴峻且面臨較大污染壓力情況下，水資源脆弱性大。關于其評價框架的研究，眾多學者從影響因素出發(fā)，將水資源承載力指標框架逐層分解為壓力、狀態(tài)、響應三個層次[3- 4]。其中壓力層為水資源本體面臨的壓力，主要是經(jīng)濟發(fā)展、人口、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水資源的巨大需求；狀態(tài)表示水資源承受壓力后呈現(xiàn)的本底質(zhì)量；響應為人們?yōu)楸Ｗo水環(huán)境而付諸的措施。據(jù)此,建立了唐山市水資源脆弱性評價，如圖1所示。

圖1 唐山市水資源脆弱性評價指標框架

2.4 水資源脆弱性評價流程

(1)厘清各指標因子正負屬性。正向指標為水資源脆弱性與該指標呈正相關關系，負向指標為水資源脆弱性與其呈負相關關系。在此基礎上剔除量綱差異，將其歸一化為0～1之間數(shù)值。通常采用極差標準化法，如下[5]：

+指標：yij=(xij-minxj)/(maxxj-minxj)

(3)

-指標：yij=(maxxj-xij)/(maxxj-minxj)

(4)

式中，maxxj和minxj—第j個指標中最大值和最小值,yij—第i個評價對象的第j個指標的標準化值。

(2)權(quán)值計算。在如圖1所示的水資源脆弱性指標框架由12個因子構(gòu)成，各因子從不同維度對水資源整體質(zhì)量施加影響，因而其影響程度存在差異。為量化各因子的重要性，需求計算其權(quán)值。通常的方法由主觀賦權(quán)法(AHP層次分析、專家打分法)、客觀賦權(quán)法(熵權(quán)法、主成分分析法)等，其中熵權(quán)法以熵值信息描述變量重要性，具有評價客觀的優(yōu)點。其計算流程為：先計算各序列指標所占的信息量(式5)；根據(jù)信息結(jié)構(gòu)計算各項指標信息熵(式6)；熵權(quán)為信息熵插值的結(jié)構(gòu)比(式7)。

(5)

(6)

(7)

水資源脆弱性指數(shù)計算與評價。采用綜合指數(shù)法將前述歸一化值與熵權(quán)進行統(tǒng)一規(guī)劃，即為水資源脆弱性指數(shù)I，其表達式為：

(8)

據(jù)此得出的水資源脆弱性指數(shù)為水資源整體狀況的量化表達，其值越大，則表明水資源脆弱程度越大，反之水資源脆弱性較小。I的范圍介于0～1之間，參照徐美等人的研究經(jīng)驗，將其按照等分法劃分為5個層次，依次為[0,0.2)不脆弱、[0.2,0.4)較不脆弱、[0.4,0.6)臨界、[0.6,0.8)較脆弱、[0.8,1]脆弱[8- 11]。

3 數(shù)據(jù)來源與處理平臺

本研究先從時空維度上分析唐山市水資源的時間變化特征和空間分布特征，再利用熵權(quán)綜合指數(shù)法對唐山縣域和2010～2016年市域的水資源脆弱性展開縱向、橫向評價。涉及的資料包含水資源統(tǒng)計資料，該數(shù)據(jù)類型中的降水數(shù)據(jù)由國家氣象局氣候信息中心提供，地下水和地表水資源數(shù)據(jù)由各市水文局提供。12個指標因子的數(shù)據(jù)從《唐山統(tǒng)計年鑒》、《河北統(tǒng)計年鑒》中提取。

應用Excel2016軟件對水資源量時間變化、水資源脆弱性動態(tài)趨勢以及熵權(quán)信息進行測算；在ArcGIS 10.3平臺上對水資源空間分布特征，水資源脆弱性橫向格局進行可視化表達。

4 結(jié)果與分析

4.1 唐山市水資源量傾向斜率

圖2直觀顯示了唐山市年降水量、地表水資源量、地下水資源量和水資源總量隨時間的一維變化趨勢。觀測期內(nèi)(1989～2016年)，唐山市年降水量最高值為780.91mm，發(fā)生于1998年，該年全國多低降水量突破歷史高值，并引發(fā)洪災；降水量最低值為2013年，僅為430.22mm，低于平均值近150mm。于1989～2013年間，全市年降水量減小趨勢明顯，而在2003～2016年間，又突變成增加趨勢?？傮w來看，唐山市年降水量與年際的關系為y=-3.1274x+6872.9，變化速率達-31.274mm/10a，但未通過5%水平的信度檢驗(R2=0.0789，p>0.05)，表明其變化趨勢不顯著。

圖2 唐山市水資源量年際變化趨勢

研究表明，觀測期內(nèi)唐山市地表水資源量呈波動減少的趨勢特征(y=-0.0808x+176.34，R2=0.129，p<0.05)，變化速率為0.808億m3/10a，并且在0.05水平上達到統(tǒng)計顯著性，表明該變化趨勢明顯。期間，唐山市地表水資源量最高值為2000年的18.12億m3，最低值為1999年的10.3億m3，在1989～2007年間地表水資源量平均水平穩(wěn)定于14.7億m3，而在2008～2016年間地表水資源量平均值僅為13.62億m3，表明該市地表水資源總量呈階梯性減少。

長期以來，唐山市需水量缺口較大，城市供水緊張，地表水資源總量難以滿足用水需求，在此背景下地下水資源成為該市水源開發(fā)的主要方向之一。但地下水資源再生周期較長，在短時期內(nèi)難以有效恢復。如圖2所示，唐山市地下水資源總年際變化略有起伏，其中2001、2007年等達到較高水平，1999、2013年處于低值狀態(tài)，28年間其總體趨勢下降，與年際的關系為y=-0.0637x+140.95，并在0.05水平上達到顯著性(R2=0.1757,p>0.05)。

受降水因素以及地表徑流量和地下徑流量綜合影響，唐山市水資源總量變化趨勢較為復雜，但綜合趨勢呈線性減少，區(qū)域水資源總量與年際的關系表現(xiàn)為y=-0.1115x+251.86，通過了5%水平的信度檢驗(R2=0.1587，p<0.05)，表明該市水資源變化趨勢顯著。隨著人口聚增、經(jīng)濟社會進步、居民生活水平的提高，唐山市用水需求量勢必增加，這將加大區(qū)域供水壓力，也未區(qū)域水環(huán)境承載能力帶來負擔。然而唐山市水資源量總體呈波動性減少的格局與經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的目標不匹配，對此應予以重視。

4.2 唐山市水資源空間分布特征

通過對唐山市氣象站點降水數(shù)據(jù)匯總，計算各站點年平均降水量，然后應用Kriging插值法進行空間全局預測，結(jié)果如圖3所示。全區(qū)降水量介于514～821mm之間，高值區(qū)分布于東北度山地，局部達到800mm。唐山市降水量呈西南-東北遞增分布，而中南部位區(qū)域人口、經(jīng)濟核心區(qū)，降水量的空間分布與經(jīng)濟社會格局不匹配。

圖3 唐山市水資源量空間分布特征

Kriging插值表明，唐山市徑流深度在15～42mm之間，呈由南向北地帶性減少分布格局。其中高值區(qū)位于南部曹妃甸前海地區(qū)，該地區(qū)為市內(nèi)河流入?？?，下游地區(qū)水面寬闊、河湖密布，過境流量大，局部徑流深度在35mm以上。北部山地丘陵區(qū)雖然降水量豐富，但受地形影響位于河流上游區(qū)，徑流流失率高，水資源利用率低，因而徑流深度相對較低，局部小于25mm，中部地區(qū)徑流深度介于20～30mm之間。唐山市徑流深度呈自南向北遞減分布，這與區(qū)域經(jīng)濟社會布局相一致。

4.3 唐山市水資源脆弱性橫向評價

依據(jù)前述研究方法，得到唐山市水資源脆弱性空間分布圖(圖4)?？芍?，該市水資源脆弱性等級包含4個，其中遵化、遷西、遷安屬于較不脆弱級別；樂亭為臨界水平；玉田、豐潤、豐南、灤縣、曹妃甸和灤南屬于較脆弱等級，而市中心呈脆弱等級。唐山市水資源脆弱性空間分布呈環(huán)狀特點。

圖4 唐山市水資源脆弱性空間分布

4.4 唐山市水資源脆弱性縱向評價

以市域為評價單位，采用前述方法，對2005～2015年唐山市水資源脆弱性進行動態(tài)評價，結(jié)果如圖5所示。可知，2005～2007年間該市水資源脆弱性屬于較不脆弱等級，表明該階段水資源整體情況較好，能夠支持社會發(fā)展需要。于2008～2013年，水資源脆弱性達到臨界水平，表明該階段水資源問題凸顯，并影響到民生發(fā)展與社會進步。在2013～2015年間水資源脆弱性更是達到較脆弱等級。10年來唐山市水資源脆弱性指數(shù)由0.27波動升高至0.693，相應地，水資源脆弱性等級逐漸惡化。

圖5 唐山市水資源脆弱性時間

5 結(jié)論

本文從時空維度上刻畫了唐山水資源分布格局，為區(qū)域水源規(guī)劃與調(diào)配提供了客觀參考。一元線性回歸分析從宏觀上揭示了唐山市水資源量年際變化特征，其線性減少的傾向趨勢對可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn)較為不利，對此應當積極應對。Kriging插值法描述了水資源量的空間特征，水資源在空間上分布不均勻是進行水資源管理基礎依據(jù)。熵權(quán)綜合指數(shù)法表明，2005～2015年間唐山市水資源脆弱性逐漸惡化，并且該市水資源脆弱性在空間呈聚集性分布，這意味著在為了發(fā)展規(guī)劃中應將經(jīng)濟、人口布局為水資源空間分布相匹配。

[1] 趙艷濤, 常金霞. 一元線性回歸法徑流預測在新疆克孜爾水庫的應用[J]. 水資源與水工程學報, 2013, 24(05): 226- 228.

[2] 陳洋, 齊雁冰, 王茵茵, 等. 多重密度布點對土壤有機質(zhì)空間特性的解析[J]. 自然資源學報, 2016, 31(12): 2099- 2110.

[3] 王崴, 許新宜, 王紅瑞, 等. 基于PSR與DCE綜合模型的水資源短缺程度及變化趨勢分析——以北京市為例[J]. 自然資源學報, 2015(10): 1725- 1734.

[4] 余灝哲, 韓美. 基于PSR模型的陜西省水資源承載力熵權(quán)法評價[J]. 水電能源科學, 2016(01): 27- 31.

[5] 羅軍剛, 解建倉, 阮本清. 基于熵權(quán)的水資源短缺風險模糊綜合評價模型及應用[J]. 水利學報, 2008, 39(09): 1092- 1097.

[6] 陳南祥, 王延輝. 基于熵權(quán)的水資源可持續(xù)承載力模糊綜合評價[J]. 人民黃河, 2007, 29(10): 44- 46.

[7] 陳南祥, 王延輝. 基于熵權(quán)的水資源可持續(xù)承載力模糊綜合評價[J]. 人民黃河, 2007, 29(10): 44- 46.

[8] 韓啟民. 阜蒙縣水資源狀況及開發(fā)利用分析[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2014(10): 33- 36.

[9] 鄧志國. 大石橋市水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀分析與評價[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2015(03): 28- 29+51.

[10] 趙洪洋. 鐵嶺市水利綜合規(guī)劃問題的探討[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2014(09): 14- 17.

[11] 狄旭東. 遼寧朝陽市經(jīng)濟社會發(fā)展與水資源配置研究[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2011(05): 1- 2+49.