張 平

(昌圖縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鐵嶺 112599)

1 區(qū)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(diào)兵山市、開原市、西豐縣、鐵嶺縣、昌圖縣、新城區(qū)、銀州區(qū)和清河區(qū)。遼河水系為鐵嶺工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)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(qū)域為大陸性季風(fēng)氣候，日照豐富，雨熱同季，季節(jié)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(fā)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(tài)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(qū)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(qū)相對較少，在各流域內(nèi)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(qū)和平原區(qū)為1.79、5.55億m3，二者重復(fù)計算0.22億m3，地下水資源主要分布于開遠(yuǎn)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(xiàn)出普遍下降的特征，平原地區(qū)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(qū)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(qū)用水緊張、山區(qū)工程蓄水困難等面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)[4-7]?，F(xiàn)有研究涉及鐵嶺市水資源脆弱性的較少，仍需要進(jìn)一步加強時空演變、細(xì)化尺度等方面研究?？山梃b脆弱性模型、區(qū)域脆弱性及系統(tǒng)脆弱性等相關(guān)成果開展水資源研究[8]，如鄒君等[9]采用一種客觀定權(quán)的綜合指數(shù)法及GIS指標(biāo)疊置法的研究思路，為水資源脆弱性研究奠定了理論基礎(chǔ)； Chen Jun Xu等[10]綜合考慮風(fēng)險概率、暴露度、敏感性、抗壓性等要素提出了RESC模型。據(jù)此，對鐵嶺市2008-2018年各區(qū)縣的水資源脆弱性及其時空異質(zhì)性運用基于熵權(quán)法的評價模型進(jìn)行分析，以期為應(yīng)對區(qū)域旱澇災(zāi)害及保障水資源安全提供科學(xué)依據(jù)。

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(qū)域水資源系統(tǒng)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(biāo)，各指標(biāo)計算方法及其內(nèi)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(biāo)數(shù)據(jù)來源，依據(jù)2008-2018年各區(qū)縣統(tǒng)計年鑒獲取其它指標(biāo)數(shù)據(jù)，其中負(fù)向指標(biāo)為X1、X2、X3，其它指標(biāo)屬于正向指標(biāo)。

根據(jù)最嚴(yán)格水資源管理要求和區(qū)域?qū)嶋H情況，結(jié)合相關(guān)研究成果將承載力脆弱性劃分為1-5級5個標(biāo)準(zhǔn)，各分級標(biāo)準(zhǔn)下指標(biāo)參考值見表2。

表1 水資源脆弱性評價指標(biāo)及其內(nèi)涵特征

表2 水資源脆弱性各分級標(biāo)準(zhǔn)參考值

運用參考值標(biāo)準(zhǔn)化法分別處理正向、負(fù)向指標(biāo)的初始數(shù)據(jù)，相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(1)

(2)

式中：Xi、ri為評價指標(biāo)i的初始數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化處理值；Xijmax、Xijmin為第j個標(biāo)準(zhǔn)化分級區(qū)間中評價指標(biāo)i的最大與最小值；Rjmax、Rjmin為第j級標(biāo)準(zhǔn)化取值區(qū)間內(nèi)第i個指標(biāo)值Xi的最大與最小值。其中，i=1，2，…，7；j=1，2，…，5。

采用熵權(quán)法確定n個評價單元中m項指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，即利用下式求解承載力脆弱性指標(biāo)i的權(quán)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(guān)系數(shù)；rik、fik為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的評價指標(biāo)i關(guān)于評價單元k的數(shù)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(biāo)i的權(quán)重，即：

(5)

(6)

式中：ωi、r為脆弱性指標(biāo)i的權(quán)重及其標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。

總體而言，根據(jù)下述步驟構(gòu)造脆弱性評價模型：①結(jié)合區(qū)域水系統(tǒng)情況選取具有代表性的脆弱性評判因子；②各因子權(quán)重系數(shù)利用熵權(quán)法求解；③采用加權(quán)求和法處理歸一化指標(biāo)值及指標(biāo)權(quán)重，最終獲取綜合評判值及其對應(yīng)的脆弱性等級。

3 結(jié)果分析

根據(jù)公式(3)-(5)和2008-2018年年均數(shù)據(jù)求解各因子權(quán)重，見圖1。從圖1可知，水資源供需比相對于其它指標(biāo)的貢獻(xiàn)率較高為0.21，其次為人口密度，權(quán)重最小值為年降水距平百分比的0.09?？梢姡瑢^(qū)域水資源脆弱性影響最大和最小的指標(biāo)為水資源供需比、年降水距平百分比。

圖1 評價指標(biāo)權(quán)重值

根據(jù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)將水資源脆弱性綜合指數(shù)值WWVIk劃分為5個區(qū)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(yīng)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(zhì)性

2008-2018年鐵嶺市各區(qū)縣水資源脆弱性指數(shù)及其年均指標(biāo)值見表3。從表3可知，鐵嶺縣的脆弱性指數(shù)最大為0.65，該區(qū)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(chǎn)水模數(shù)(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(qū)存在突出的供需矛盾；同時，鐵嶺縣的人口密度達(dá)到425人/km2，顯著高于遼寧省平均值。統(tǒng)計資料顯示，鐵嶺縣的干旱災(zāi)害發(fā)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(qū)。調(diào)兵山市位居水資源脆弱性第2位，該區(qū)域農(nóng)業(yè)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(qū)而言，脆弱性較低的為銀州區(qū)，該區(qū)域水資源量較為豐富且人口密度較低，產(chǎn)水模數(shù)達(dá)到3.466×105m3/km2，指數(shù)值為0.38屬于弱脆弱等級。

表3 2008-2018年鐵嶺市脆弱性指數(shù)及年均指標(biāo)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(shù)值處于0.38-0.65范圍。水資源強脆弱地區(qū)為鐵嶺縣，中脆弱性地區(qū)有調(diào)兵山市、開原市、新城區(qū)，其它地區(qū)為弱脆弱區(qū)。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(diào)兵山市、新城區(qū)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(yīng)的水資源供需比為0.86、0.62、0.82、0.60，而其它地區(qū)的相對較低處于弱脆弱水平。

近10年鐵嶺市水系統(tǒng)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(diào)兵山市、新城區(qū)上升至強脆弱，而弱脆弱區(qū)增大至中脆弱水平。水資源需供比快速增大、產(chǎn)水模數(shù)和年降水量降低、GDP持續(xù)增長及年降水距平百分比波動增加等為導(dǎo)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(zhì)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(jìn)鐵嶺市水資源脆弱性呈顯著的異質(zhì)性，年均指數(shù)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(xiàn)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(shù)值處于0.38-0.44之間。2012-2015年的脆弱性最強，指數(shù)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(yán)峻。2016-2018年脆弱性較2012-2015年明顯減少，但仍高于2008-2011年，指數(shù)值處于0.46-0.47之間，進(jìn)一步分析其原因為此期間的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展速度較快，工農(nóng)業(yè)發(fā)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(dāng)年經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展程度、水資源狀況與鐵嶺市水資源脆弱性時間異質(zhì)性密切相關(guān)，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(yè)需水量壓力的增強使得水資源系統(tǒng)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(huán)節(jié)了水資源供給壓力，但人口壓力持續(xù)增大且經(jīng)濟(jì)社會仍快速發(fā)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(qū)脆弱性構(gòu)成

隨著區(qū)域特征和具體指標(biāo)的不斷變化，不同區(qū)域內(nèi)脆弱性指標(biāo)的受影響程度存在差異，鐵嶺市各區(qū)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(chǎn)水模數(shù)、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(qū)處于0.38以下，圖3(c)中數(shù)值均<0.06,；水資源供需比在中脆弱性地區(qū)不超過0.82，圖3(b)中數(shù)值均低于0.15；水資源供需比在強脆弱地區(qū)為0.85，圖3(a)中數(shù)值為0.15?？傮w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(zhì)性特征，最終確定供需矛盾加劇、干旱影響大、人口增長快、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的地區(qū)，其水資源系統(tǒng)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(qū)為強脆弱區(qū)；對于水利設(shè)施建設(shè)落后、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、水資源利用效率低等欠發(fā)達(dá)地區(qū)，如開原市、調(diào)兵山市等水資源系統(tǒng)為中脆弱等級，各參數(shù)具體數(shù)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(qū)，其水資源系統(tǒng)脆弱性為弱脆弱等級，如銀州區(qū)、西豐縣、昌圖縣的脆弱性指數(shù)為0.38、0.43、0.41。

圖3水資源脆弱性年均構(gòu)成

鐵嶺市2008-2018年水資源系統(tǒng)總體為中脆弱等級，這與以往相關(guān)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(jié)果較為科學(xué)合理。另外，文章從區(qū)縣的角度分析鐵嶺市水資源系統(tǒng)狀況，不同區(qū)縣的脆弱性有所不同，由此更加詳細(xì)、系統(tǒng)的反映了區(qū)域水資源空間格局。

4 結(jié) 論

1) 空間適度上鐵嶺市水資源系統(tǒng)總體處于中脆弱等級，從區(qū)縣尺度上細(xì)化得到的脆弱性評價結(jié)果，準(zhǔn)確揭示了鐵嶺市水資源系統(tǒng)呈南高北低的空間異質(zhì)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(xiàn)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(qū)域、不同時段內(nèi)各要素影響程度存在較大差異。