(河北省滄州水文水資源勘測(cè)局,河北 滄州 061000)

水資源是基礎(chǔ)性戰(zhàn)略經(jīng)濟(jì)資源，水資源的數(shù)質(zhì)量分布制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)格局、民生發(fā)展、環(huán)境安全等，新世紀(jì)以來國家提出水生態(tài)文明建設(shè)，著力于水資源優(yōu)化配置來緩解水資源短缺的問題，而這項(xiàng)工作的前提就是厘清區(qū)域水情[1-2]。為此，本文以滄州市為案例區(qū)，采樣回歸分析方法定量表征該市不同類型水資源的時(shí)間變化趨勢(shì)，并基于地理信息可視化技術(shù)給出其空間分布形態(tài)，直觀測(cè)評(píng)滄州市各縣區(qū)水資脆弱性量級(jí)，以期為區(qū)域水情提供資料，也為水資源管理貢獻(xiàn)依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

滄州位于華北平原中部、渤海之濱，地理坐標(biāo)為N37°29′-N38°57′，E115°42′-E117°50′，行政區(qū)域面積1.342×104km2，總?cè)丝?80萬人(2015年)。該市屬于冀中平原折疊地形地貌，地形平坦，高程介于0～18 m，地勢(shì)自西南的太行山山前沖積扇向東北部黃泛平原傾斜。境內(nèi)河流為黃河、漳河、滹沱河、唐河等水系，徑流年內(nèi)分配不均且年際變率較大。受海陸位置效應(yīng)與東亞季風(fēng)影響，滄州表現(xiàn)為暖溫帶大陸季風(fēng)氣候，四季分明、溫度適中、雨熱同季，年平均氣溫12.5℃，年平均降水581 mm，大于10℃的年積溫4 785℃，無霜期181天。該區(qū)為華北平原重要農(nóng)作區(qū)，用地類型以耕地、園地為主，森林、草地覆被程度低，徑流保育功能較差。經(jīng)測(cè)算，該市水資源平均總量為12.3×108m3，人均水資源占有量僅為180 m3，每公頃平均水資源為1 530 m3，不足全國平均水平的1/15。近年來隨著能源開發(fā)、土地開發(fā)的推進(jìn)，滄州市水資源面臨著石油化工污染、農(nóng)業(yè)化肥污染等問題。

1.2 物元分析法

物元分析結(jié)合形式邏輯與模糊數(shù)學(xué)提出的以邏輯細(xì)胞三元組為基礎(chǔ)橫斷科學(xué)之一，用以解決互不相容問題，成為“硬”科學(xué)、“軟”科學(xué)重要的方法論內(nèi)容。物元分析理論應(yīng)用于水資源脆弱性評(píng)價(jià)方面，其數(shù)學(xué)過程如下[2]。

1) 利用物元有序三元組表示水資源綜合效益的結(jié)構(gòu)層次性特征，即R=(M，C，X)，其中R表示物元矩陣，M為水資源脆弱性指數(shù)，C為其水資源脆弱性的特征屬性指標(biāo)，X為相對(duì)應(yīng)指標(biāo)的量值。若M有n個(gè)指標(biāo)屬性特征，則其基礎(chǔ)物元矩陣如下[3]：

(1)

2) 根據(jù)相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建物元的經(jīng)典域和節(jié)域，其思想就是構(gòu)建指標(biāo)量值與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的模糊關(guān)系。故經(jīng)典域物元矩陣Rj描述如下：

(2)

式中：(j=1，2，…，m)為指標(biāo)評(píng)價(jià)區(qū)間；(i=1，2，…，n)為指標(biāo)排序；Mj為水資源脆弱性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的第j個(gè)等級(jí)；同理，Ci為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的第i項(xiàng)指標(biāo)；Xji=(aji，bji)為Mj關(guān)于Ci所規(guī)定的量值范圍。其節(jié)域矩陣如下：

(3)

式中：Ms為評(píng)價(jià)等級(jí)區(qū)間矩陣；Xsi=(asi，bsi)為Ms關(guān)于Ci所取的指標(biāo)取值范圍。

3) 關(guān)聯(lián)隸屬度表征單一指標(biāo)距離評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的距離，其計(jì)算以指標(biāo)量值大小為基礎(chǔ)。關(guān)聯(lián)度計(jì)算如下：

(4)

其中：

(5)

(6)

|Xji|=|aji-bji|

(7)

式中：p(xi，Xji)為第i個(gè)指標(biāo)的距離到經(jīng)典域區(qū)間的距離；ρ(xi，Xsi)為其距離節(jié)域的矢量長度。

4) 確定綜合關(guān)聯(lián)度，即根據(jù)各評(píng)價(jià)對(duì)象與每一評(píng)價(jià)區(qū)間的隸屬度值進(jìn)行加權(quán)求和，則為綜合關(guān)聯(lián)度，公式如下：

(8)

式中：Kj(xi)為評(píng)價(jià)對(duì)象S0的第i項(xiàng)指標(biāo)在第j級(jí)評(píng)價(jià)區(qū)間的關(guān)聯(lián)度；wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，采用熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重[4]；Kj(S0)為待評(píng)對(duì)象P0的綜合關(guān)聯(lián)度。

5) 確定對(duì)象評(píng)定等級(jí)。參考相關(guān)學(xué)者[5]的研究方案劃分評(píng)價(jià)等級(jí)。

1.3 水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

水資源脆弱性是指一定區(qū)域內(nèi)，水資源系統(tǒng)在維系自身健康演替的條件下對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的最大支撐能力，水資源脆弱程度越高，表明其服務(wù)功能越低。其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等多重屬性，由于其影響因素眾多，在參考前人的研究基礎(chǔ)上[1-2,5-6]，遵循層次性、普適性、可得性等原則提取具有高頻、獨(dú)立性的指標(biāo)因子，用以構(gòu)建水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)著物元分析中的經(jīng)典域，是水資源脆弱性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵內(nèi)容。通常，該標(biāo)準(zhǔn)要求具有普世通用性，即能夠適用于其他類似的問題解決；層次性，即評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的層級(jí)能夠反映水資源脆弱性及其指標(biāo)屬性的變化特征；可操作性，即數(shù)據(jù)來源可得可靠，指標(biāo)可描述且量級(jí)化。鑒于此，在參考聯(lián)合國糧農(nóng)組織所推薦的水資源綜合評(píng)價(jià)指南，以及河北省和全國通行的標(biāo)準(zhǔn)值[5-6]，劃分了水資源脆弱性評(píng)價(jià)分級(jí)，其閾值劃分見表1。

圖1 水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

指標(biāo)理想較好一般較差差S1[6000,)[3500,6000)[2300,3500)[800,2300)[0,800)S2[10,)[7,10)[4,7)[2,4)[0,2)S3[800,)[600,800)[450,600)[200,450)[0,200)S4[90,)[70,90)[50,70)[30,50)[0,30)S5[80,)[60,80)[40,60)[20,40)[0,20)S6[80,)[60,80)[40,60)[20,40)[0,20)S7[80,)[60,80)[40,60)[20,40)[0,20)S8[300,0)[300,600)[600,1000)[1000,1500)[1500,)S9[180,)[150,180)[120,150)[100,120)[0,100)S10[0,20)[20,30)[30,40)[40,50)[50,100)S11[80,)[60,80)[40,60)[20,40)[0,20)S12[90,100)[75,90)[50,75)[30,50)[0,30)S13[0,10)[10,20)[20,30)[30,40)[40,100)S14[90,100)[75,90)[50,75)[30,50)[0,30)

1.4 數(shù)據(jù)來源與處理

通過《河北省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《滄州統(tǒng)計(jì)年鑒》中提取2001-2017年滄州市逐年的水資源總量、地表水資源總量、地下水資源總量與各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，在Excel 2016中運(yùn)用一元回歸分析法對(duì)水資源變化趨勢(shì)進(jìn)行描述。另外，通過通過氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)站(http://data.cma.cn/)獲取全市13個(gè)氣象站點(diǎn)資料，得到其逐年降水?dāng)?shù)據(jù)，并通過arcgis10.3的geostastics功能進(jìn)行空間可視化表達(dá)。全市各縣區(qū)水資源脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果亦運(yùn)用該方法進(jìn)行空間呈現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 滄州市水資源時(shí)間變化特征

一元回歸分析直觀揭示了不同類型水資源的變化趨勢(shì)(圖2)。由圖2可知，2000-2018年滄州市水資源呈現(xiàn)一定的增加趨勢(shì)，其中地表水資源變化趨勢(shì)為y=0.086 4x-168.69，R2=0.070 1，雖然該趨勢(shì)并未通過5%水平信度檢驗(yàn)，但這種變化對(duì)于緩解區(qū)域水資源短缺具有積極意義。地下水是滄州市水資源重要構(gòu)成，其演變特征為y=0.093 4x-180.31，R2=0.115 4，地下水資源的增加主要是由于近數(shù)十年來城市擴(kuò)展速度快、人口逐漸增加，用水缺口增大導(dǎo)致對(duì)地下水資源依賴性加強(qiáng)。水資源總量為地下水和地表水資源的總和，近18年來區(qū)域水資源總量最高值出現(xiàn)在2008年，為14.28×108m3，最低值為2002年的7.29×108m3，年際變異系數(shù)達(dá)36.87%。降水是水資源的基礎(chǔ)來源，是構(gòu)成地下水、地表水資源的重要成分，監(jiān)測(cè)時(shí)域內(nèi)滄州市降水量變化趨勢(shì)為y=4.769x-9 003.7，R2=0.125 4，在0.05水平上達(dá)到顯著性，有學(xué)者研究表明氣候變化背景下河北省局部降水量呈增加趨勢(shì)，與本研究一致。

圖2 滄州市水資源時(shí)間變化趨勢(shì)特征

2.2 滄州市水資源空間分布特征

運(yùn)用13個(gè)氣象站點(diǎn)逐日降水資料累加求平均得到各站點(diǎn)年均降水量值，并據(jù)此計(jì)算徑流深度，然后才有kriging插值法進(jìn)行空間可視化，其結(jié)果見圖3。由圖3可知，滄州市徑流深全局自西南向東北部遞減，變化范圍介于4.5～28.6 mm之間，西南部為太行山山前沖積扇，河流發(fā)育密集、徑流相對(duì)豐富；其中局部空間上呈條帶狀分布，這與區(qū)域河流分布十分吻合。滄州市降水量集中于6-9月份，空間上亦呈現(xiàn)聚集分布，其中全市中部為降水密集區(qū)，可達(dá)650 mm，主要由于該區(qū)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布地帶，下墊面升溫快，導(dǎo)致夏季暖濕氣流易于成云致雨；西南部受地勢(shì)抬升作用，降水也較多；西北和東南局部為降水缺失地帶，少于550 mm。

圖3 滄州市水資源空間分布特征

2.3 滄州市水資源脆弱性指數(shù)計(jì)算

以黃驊市為例，結(jié)合表1的評(píng)價(jià)指標(biāo)值域，將該市的14項(xiàng)指標(biāo)測(cè)量值代入式(4) -式(7)，計(jì)算得到關(guān)聯(lián)度(表2)；由式(8)計(jì)算各評(píng)價(jià)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度，其中綜合關(guān)聯(lián)度最大的評(píng)價(jià)區(qū)間為該市水資源脆弱性結(jié)構(gòu)。分析可知，黃驊市水資源脆弱性指標(biāo)中多數(shù)單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)屬于強(qiáng)脆弱、極脆弱等級(jí)，其綜合關(guān)聯(lián)度為0.016，評(píng)價(jià)結(jié)果為極脆弱，說明該市水資源的經(jīng)濟(jì)社會(huì)服務(wù)功能較差。

各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值是水資源綜合效益評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，需要指出的是各項(xiàng)指標(biāo)可能存在一定的測(cè)量誤差。鑒于此，應(yīng)將該誤差考慮進(jìn)去，識(shí)別變量誤差對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性影響。關(guān)于這一問題，國內(nèi)外學(xué)者廣泛采用局部靈敏度方法進(jìn)行分析，即在計(jì)算某一評(píng)價(jià)對(duì)象綜合關(guān)聯(lián)度時(shí)，在保持其他指標(biāo)量值不便的條件下對(duì)其中之一的指標(biāo)量值取其±0.1的區(qū)間，計(jì)算指標(biāo)量值變化后的最大關(guān)聯(lián)度等級(jí)。

表2 黃驊市水資源效益評(píng)價(jià)指標(biāo)閾值分級(jí)

2.4 滄州市水資源脆弱性空間分布

運(yùn)用前述物元分析方法，將滄州市16個(gè)縣區(qū)的水資源脆弱性進(jìn)行測(cè)評(píng)，并運(yùn)用Arcgis平臺(tái)進(jìn)行空間可視化表達(dá)，結(jié)果見圖4。由圖4可知，有4個(gè)縣區(qū)屬于中度脆弱，分別是任丘、肅寧、泊頭和吳橋，其均位于滄州西部地區(qū)，屬于水資源相對(duì)豐富區(qū)，且人口密度低，水資源脆弱程度較其他地方低；河間、獻(xiàn)縣、南皮、東光、鹽山水資源脆弱性屬于強(qiáng)脆弱；而青縣、滄縣、市轄區(qū)、孟村、海興和黃驊市為極脆弱區(qū)。綜合來看，滄州市水資源脆弱性呈自東向西減小分布，東部濱海區(qū)和市域中心水資源匱乏、人口密集，地表徑流缺失，水資源難以維系經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

圖4 滄州市水資源綜合效益評(píng)價(jià)空間分布圖

3 結(jié) 論

通過熵權(quán)法構(gòu)建指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合物元分析計(jì)算滄州市各縣區(qū)水資源脆弱性綜合關(guān)聯(lián)度，并進(jìn)行5級(jí)區(qū)間評(píng)價(jià)。結(jié)論如下：2001-2017年滄州市地下水、地表水和水資源總量隨著降水量增加呈現(xiàn)弱的增加趨勢(shì)，但全市人均水資源占有量低于全國全省平均水平；徑流深度呈自西南向東北遞減，降水則呈中部高、西北東南部低；全市水資源脆弱性空間分布不均衡，呈自東向西減小，在今后的水生態(tài)建設(shè)中應(yīng)分區(qū)對(duì)待。