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衡水市水资源时空分布与脆弱性评价王永亮【摘要】以历史资料和站点监测数据为基础,分析了衡水市水资源在时空尺度上分布特征,并对水资源脆弱性进行评价.结果显示,全市降水资源时间上年际变率大,在空间上呈由东向西递减分布,水资源时空分异强烈;水资源脆弱性与水资源空间分布特征一致.衡水市水资源总量与人均占有量均不足,有必要加强水资源科学保护和科学调配.【期刊名称】《水科学与工程技术》【年(,期】2018(000002【总页数】4(P10-13【关键词】水资源;降水量;衡水市;脆弱性【作者】王永亮【作者单位】河北省衡水水文水资源勘测局,河北衡水053000【正文语种】【中图分类】TV213水资源不仅是孕育生命的物质基础,也是维系地球生态过程演进、人地可持续发展的重要生态要素之一[1]。水资源关系着居民日常生活,也与农业生产、经济建设、环境发展密切相关,如何有效开发和利用水资源,以促使水资源的社会经济效益得到长效发挥,是实现可持续发展的重要途径[2-3],因而理清区域水资源时
空分布特点具有一定的理论和现实意义。水资源脆弱性是对区域水资源涵养能力及其对经济社会发展支持能力的度量,在水资源供需形势严峻的背景下,研究水资源脆弱性为水环境保护和科学利用提供信息基础。1材料与方法1.1研究区概况衡水市位于我国华北平原、冀鲁交界之地,处于海河中下流冲积平原带,区域面积8815km2,占全省总面积的4.67%。区域位于亚欧大陆东岸中度稍高纬度带,受信风带和大陆高压交替控制,形成了大陆性季风气候[4-5],冬夏分明、春秋短促、雨热同期,多年平均降水量524.8mm,年平均气温12.6℃,年均蒸发量1557mm,无霜期200d,大于10℃的有效积温在2400~3500℃之间。由于气候暖干化发展及降水和地表径流缺失,衡水市干旱灾害时常发生,区域水资源供应形势不容乐观。1.2水资源脆弱性评价方法1.2.1水资源脆弱性评价指标体系水资源总量在一定时空范围内是有限的,受经济发展、人口增加、资源破坏等影响,水资源供需逐渐失去平衡[6]。水资源脆弱性反映了区域水资源产出、利用等综合情况,参照相关学者研究经验[6-8],从区域自然环境、社会环境、经济技术水平等方面建立水资源脆弱性评价指标体系:A1人口密度(人/km2)、A2人均水资源量(m3)、A3单位GDP耗水量(万元/m3)、A4产水模数(万m3/km2)、A5森林覆盖率(%)、A6降水量(mm)、A7污水处理率(%)。其中A1A3指标反映的是区域水资源供应压力,A4A6表征水源涵养能力,A7为人为响应。就指标性质来说,A1A3为正向指标,其指标值越大,则水资源越脆弱;其余为负向指标,指标值越大,水资源错弱性越小。该指标体系具有多维、独立性、可操作性,能够反映水资源综合情势[67]。
1.2.2水资源错弱性评价指标体系中各指标分属不同量纲,不能直接进行比较计算,采用极差标准化方法对其归一化处理。正向指标:负向指标:式中xij为第i年第j个指标数值;maxxjminxj分别为第j个指标中最大值和最小值;y为标准化值。各项指标对水资源错弱性的影响存在差异,为定量描述指标重要性,采用熵权法进行客观赋权,熵权法以属性值信息熵的大小度量指标重要性,因而权值精度更高,对变量维度的解释更具科学性[8]。其计算公式:其中。n为评价对象个数;m为指标个数。经计算,各指标权值依次为:0.1740.1480.1420.1320.1330.1390.131水资源脆弱性的度量用脆弱性指数E来表示:1.3数据来源与处理本文涉及了降水、地表水、地下水3类水资源类型数据,其中降水资料来源于国家气象局气候信息中心提供的衡水市站点资料;地表水和地下水数据从《衡水市水资源公报》(19892016)中提取。水资源脆弱性评价以衡水市各县域为评价对象,从《衡水统计年鉴》(20112016中提取20102015年的各项指标,并取其平均值。应用Excel2016软件对水资源数据进行基本处理,熵权计算和水资源脆弱性评价;
SPSS19软件平台上对水资源最大值、最小值、均值、标准差等特征进行统计。水资源在空间上的分布不均衡,为直观显示其空间格局,在ArcGIS10.3环境中采kriging插值法予以空间表达。2衡水市水资源时空分布2.1衡水市水资源描述性统计特征1为衡水市各县区水资源量描述性统计特征。由表1可知,各县区水资源总量与人均占有量分配不均,其中阜城县、景县水资源最丰富,达到0.77亿,0.75亿m3,其次为武邑县、故城县、深州市、武强县,水资源总量依次为0.68亿,0.65亿,0.63亿,0.615亿m3,冀州、桃城、饶阳、安平、枣强县水资源总量最少,为0.56亿,0.53亿,0.50亿,0.465亿m3就人均水资源占有量来看,武强县、阜城县最高,达到291.11231.875m3,其次是武邑、饶阳、安平县和冀州区,分别为191.55167.77156.15155.61m3,而其他县区人均水资源占有量小于全市平均水平。衡水市水资源总量达6.66亿m3,人均水资源量仅153.5m3,远低于全国23385m3的平均水平。1衡水市水资源描述性统计特征单位:亿m3人均占有量/m3安平县0.740.350.500.232.120.24156.15阜城县0.870.440.770.211.980.43231.87故城县0.920.410.650.242.250.39126.85冀州区0.810.340.560.252.370.35155.61景县1.020.620.750.171.640.49143.41饶阳县0.730.390.500.201.870.25167.77深州市0.940.490.630.201.930.45111.22桃城区0.760.480.530.161.570.28112.92武强县0.820.490.610.181.690.29291.00武邑县0.880.500.680.191.770.40191.55枣强县0.640.350.460.191.820.28116.45县区最大值最小值均值变异系数极值比95%保证率2.2衡水市水资源时间变化特征降水为衡水市水资源重要补给来源之一。观测资料(19892016年气象站点数据)
显示,衡水市降水资源年际之间呈波动性,降雨量大于500mm以上的有12年,其中最大值出现在1996年,为656.5mm,最低值出现在2013年,仅353.4mm,最大相差1.86倍。19982010年间降雨量趋于稳定,于400550mm之间,而在2012年之后全市降水波动性显著增强[3-4],时有干旱或强降雨发生。新世纪以来,衡水市降水强度更加集中,干旱和洪涝相间发生,年际降水稳定性较弱,这可能与气候变化引起的水循环过程有关,与其他学者的研究较为一致[6]。降水产流量年际变化特征与年平均降水量相似,19892016年间全市降水资源量平均值为55.7亿m3,其变化率为-0.0292亿m3/a。衡水地表水资源呈现显著减少趋势(P0.05),其最高值出现在1994年为16.95亿m3最低值仅为2016年的11.12亿m3。综合来看,衡水市降水资源呈现减少趋势,这将加剧水资源供需不平衡状态,如图11衡水市年降水与地表水资源总量时间变化2.3衡水市水资源空间分布特征衡水市面积广阔,域内虽然地貌形态差异不大,但是经纬度相差略远、与海洋距离位置不一,加上市下垫面环境差异大,这就使得区域降水量空间分布存在异质性。以县区为统计单位,计算了衡水市降水资源空间分布格局,其中安平县降水量476.2mm,为全市最低,其次为枣强县,达481.5mm;冀州区与武邑县、饶阳县的降水量相差不大,在510515mm之间;而武强县、故城县、景县的降水量明显高于其他地区,达554.2558.3552.6mm。总体而言,市降水空间分布不均衡,由东向西递减[9]。文中应用kriging插值法绘制了区域降水量分布图,如图22区域降水量分布3年径流分布规律衡水市年径流的分布规律与年平均降水量分布一致,如图3,但经过下垫面调节作
用,各区域地表径流量发生一定变化,全市各县区径流深度相差较大,其中阜城县最高,为19.68mm。究其原因该县居于河流下游,河湖较多、水面宽阔,径流量居于首位;而枣强县县域狭小,且居于河流上流,径流流失严重,仅有2.68mm为全市最低;景县、武邑县、深州市17.4215.0313.85mm,而饶阳县、安平县、桃城区、冀州区等县区水源涵养能力差,径流深度依次为3.735.486.227.33mmkriging差值图表明,衡水市径流量分布由东北向西部递减。2.4衡水市水资源脆弱性评价2.4.1桃城区水资源最脆弱,脆弱性指数达0.684。从社会经济条件来看,桃城区人口密度达281/km2,居衡水首位,其污水处理率达65.32%,高于其他县区,然而其人均水资源量仅112.92m3,另外其产生模数、森林覆盖率等自然状态均较差。2.4.2深州、安平、冀州水资源脆弱性次之,脆弱性指数分别为0.6650.6300.604,主要由于这3县区产水模数等指标均较低,且人口密度较大,水资源压力也较大。2.4.3饶阳县水资源脆弱性指数达0.584,虽然其人口密度较小,仅113/km2,然而其降水资源不足,仅514.6mm,且其污水处理率落后于全市平均水平,故而水资源能力仍较脆弱。2.4.4武邑县产水模数、降水量等自然指标状态较好,其水资源能力弱势在于森林覆盖率较低和单位GDP耗水量较高。2.4.5衡水市东南部阜城、故城、景县、枣强水资源脆弱性较低,且降水量较高介于530550mm,森林覆盖率较好,高于全
29.2%的平均水平,加之区域人口密度相对较小,水资源面临的压力小于其他县区,故而水资源脆弱性指数最低,如表22衡水市各县区水资源脆弱性指数A4A5A6A7脆弱性指数01.0000.1970.8910.0000.630深州市0.2061.0000.3550.5030.3900.4840.3900.665州区0.0760.4440.2560.3391.0000.5980.3080.604桃城区1.0000.3940.0950.5220.2341.0000.1750.684饶阳县0.3780.2500.5660.1300.5970.2430.7620.585武邑县0.0000.2780.5730.2610.5540.2350.8020.541强县0.2220.0000.7780.0000.5710.0001.0000.5140.1660.8610.4510.0340.4320.0310.5900.513故城县0.4240.8330.5220.3260.0000.2930.4390.487阜城县0.2160.3061.0000.2830.4960.2550.5340.518强县0.1600.5000.4640.4000.1450.3600.4650.49884为衡水市水资源指数空间分布,颜色越深表示脆弱性指数越高,则水资源能力越脆弱。其分布特征表明,东部地区水资源脆弱性较小,西部脆弱性较高,这与衡水市降水资源、地表水资源空间分布特征一致。4水资源脆弱性指数空间分布3结语1)衡水市地处我国北方半干旱地带上,作为华北地区重要的粮食生产基地,水资源数量与质量对全市经济社会的发展起着基础支撑作用。2)衡水市水资源总量为6.46亿m3,人均占有量153m3,远低于全国平均水平。3)水资源呈现年际变化大和逐渐减少趋势,空间上由东向西递减分布,这对衡水市经济社会可持续发展造成一定隐患。4)通过对水资源脆弱性评价,结果表明东部县区水资源整体质量较高,西部县区水资源较为脆弱。
1]张利平,夏军,胡志芳.中国水资源状况与水资源安全问题分析[J.长江流域资源与环境,2009182):116-120.2]汪党献,王浩,马静.中国区域发展的水资源支撑能力[J.水利学报,200011):21-26.3]关业祥.水资源合理配置的基本思路[J.中国水利,20025):25-26.4]张彦增.衡水市地下水资源分析探讨[J.地下水,2006282):20-22.5]王元培.解决衡水湖湿地水资源问题的探讨[J.南水北调与水利科技,200424):21-23.6]刘瑜洁,刘俊国,赵旭,等.京津冀水资源脆弱性评价[J.水土保持通报,2016363):211-218.7]马冬梅,陈大春.基于熵权法的模糊集对分析模型在乌鲁木齐市水资源脆弱性评价中的应用J.水电能源科学,20159):36-40.8]刘倩倩,陈岩.基于熵权法的流域水资源脆弱性评价——以淮河流域为例J.长江科学院院报,2016339):10-17.
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