基于熵权的沈阳市水资源脆弱性及其时空异质性研究

2018-12-24李庆昕

水利技术监督 2018年6期

李庆昕

(辽宁省沈阳市水文局，辽宁沈阳 110094)

1 研究区域概况

沈阳市总面积约1.3万km2，是我国东北地区经济发展的核心区域；沈阳市共下辖10个市辖区即沈北新区、浑南区、铁西区、沈河区、于洪区、皇姑区、苏家屯区、辽中区、和平区、大东区，2个县即法库县、康平县和1个县级市新民市[1]。沈阳市位于温带半湿润大陆性季风气候区，全市年将雨水量约600～800mm，降雨量受季风气候影响主要集中在夏季，年均气温为6.2～9.7℃，冬季寒冷漫长且降雪量较低，夏季短暂且暴雨较为集中[2]；境内大小河流共27条，主要有绕阳河、辽河、北沙河、浑河、秀水河等，水资源总量约32.6亿m3，其中地下水和地表水分别为21.2亿m3和11.4亿m3，人均水资源量约1862m3，不足我国水资源平均水平的1/4，而人均水资源占有量在铁西区、大东区、沈河区等区域不足1200m3，远远低于平均水平，极易造成夏季或春季干旱灾害。沈阳市水资源在时空分布上极不均衡，水利工程在山区蓄水较为困难、城区用水紧张、水体污染严峻等问题对水资源安全保障构成严重威胁[3]。沈阳市水资源脆弱性在时间演变、细化尺度等方面的研究相对较少，当前主要有水资源模型、区域以及系统脆弱性等相关研究成果可供借鉴和参考，如CHEN Junxu等[4]构建了基于风险概率、敏感度、抗压性以及暴露度的RESC模型；邹君等[5]基于GIS指标叠置法和客观丁醛综合指数法对水资源开展研究并表现出一定的现实指导意义。据此，本文在详细分析熵权法基本理论的基础上构建了评价模型，并以沈阳市为研究对象利用评价模型对2006—2016年水资源脆弱性演变规律及其空间异质性进行研究，以期为研究流域水资源的科学开采利用以及洪涝干旱灾害的准确预测提供一定的理论依据和决策支持。

2 建立基于熵权的水资源脆弱性评价模型

依据研究区域水资源脆弱性现状、存在的基本问题以及评价指标的独立性、代表性、可获取性和可对比性等基本原则，在借鉴相关研究成果和评价指标选取基本方法的基础上最终构建了沈阳市评价指标体系，见表1。

水资源脆弱性受不同本地自然状况的作用影响可通过自然指标进行表征，而降水量的年际变化状况可利用年降水量距平值与多年降水量平均值的比值表征即降水量距平百分比，且区域水资源的禀赋现状可用单位面积径流量即产水模数表征[6]。人类活动以及社会经济发展对水资源的作用影响往往利用社会指标进行表征，而正常灌溉条件下的可灌溉耕地面积即为有效灌溉面积，是表征农田抗旱能力的关键性指标。区域缺水程度和供水与需水之间的平衡程度可利用需水量与可供水量的比值即水资源供需比进行表示，而区域人口对水资源的潜在需求可利用单位面积上的人口数量即人口密度指标表征。水资源脆弱性受社会经济发展的间接作用影响可利用经济指标进行表征，其中经济发展对水资源利用的现状可采用万元GDP用水量进行表征，而水资源脆弱性受人们的赋予程度的潜在作用影响可利用GDP与人口数的比值即人均GDP进行表征。结合相关资料对脆弱性等级的评定标准以及研究区域实际状况，可将沈阳市水资源脆弱性等级划分为5个等级，各评价指标的在标准化参考分级的取值范围见表2，其中正向和负向评价指标分别为X4、X5、X6、X7和X1、X2、X3。对正向指标和负向指标可分别利用下述公式进行标准化参考数值处理：

表1 沈阳市水资源脆弱性评价指标体系

(1)

(2)

式中，ri—标准化处理后第i个评价指标值；Xi—第i个评价指标真实值；Xijmin、Xijmax—第j的标准区间内第i个评价指标的标准化最小值和最大值；Rjmin、Rjmax—第j个标准化取值范围对应于第i个指标值Xi的最小值和最大值。

结合评价指标熵值的具体含义，对于有n个评价单元的m个指标可按下式进行计算：

(3)

(4)

式中，Hi—评价指标中第i项评价指标的熵值；fij—第j个评价对象的第i项指标权重占评价的权重值。

根据上述计算结果可对各评价指标的熵权ωi进行计算，计算公式如下：

(5)

式中，ωi—各评价指标的熵权，取值范围为0～1，所有评价指标的熵权之和为1。

结合上述计算结果可利用下述公式对第k个评价对象的脆弱性指数进行计算：

(6)

式中，r—标准化处理后的指标值；ωi—评价指标的熵权。

表2 水资源脆弱性评价指标标准化分级参考值

本研究利用熵值法建立的评价模型，计算过程为：首先选取具有代表性的评价指标并建立评价指标体系，然后对各指标的权重利用熵权法进行计算求解，最后对各指标的权重进行归一化标准处理并进行求和，求解得到研究区域的水资源脆弱性综合指标值[7]。

3 结果与分析

3.1 水资源脆弱性的空间异质性

利用文中所述公式(3)和(4)，并结合研究区域2006—2016年的评价数据可对各指标的权重进行求解，结果如图2所示。由图2可知，基于熵权法的权重系数最大值和次大值评价指标分别为水资源需供比和人口密度，分别为0.24和0.20，权重最小值为年降水距百分比指标，为0.08。由此表明水资源脆弱性主要受人口密度和水资源需供比影响显著，而年降水距百分比对水资源脆弱性的影响程度最低。

图1 各评价指标的水资源脆弱性权重

对沈阳市水资源脆弱性分级标准利用公式(5)进行判定，结果见表3。水资源脆弱性分级可分为极脆弱、强脆弱、中脆弱、弱脆弱和不脆弱5个等级标准。

表3 水资源脆弱性分级标准

3.2 水资源脆弱性的时空异质性

2006—2016年沈阳市各行政区水资源脆弱性及各评价指标值计算结果见表4。由表4可知，相较于其他区域沈阳市辽中区的脆弱性指数最大为0.62，结合该区域自然条件可知，其产水模数年均值为15.48万m3/km2并处于沈阳市第3位，然而供需比在该区域却高达0.85，由此表明其水资源供需矛盾较为突出。结合该区域人口密度等指标，其人口密度为450人/km2，接近于沈阳市平均水平的2.5倍。辽中区属于典型的干旱灾害频发区，仅在2006—2016年期间就有5次达到偏枯年份，并在2014年12月达到特旱水平，由此说明相较于其他区域辽中区属于沈阳市脆弱性程度最高的区域[8]。结合表4中数据，沈北新区属于第二脆弱区为0.60，该区域人口密度较大且经济发展水平相对较高，水资源需供比高达0.80为严重的水资源紧缺区。而和平区的水资源储蓄量相对较为丰富、产水模数较大而人口密度较低，该区域为沈阳市水资源脆弱性最低的区域属于弱脆弱性为0.38。

表4 沈阳市各行政区2006—2016年年均水资源脆弱性及指标值

由水资源脆弱性在沈阳市各行政区的计算结果和分布状况可知，该区域脆弱性指数取值区间为0.38～0.62，且脆弱性由东至西整体呈逐渐降低趋势，各区域脆弱性指数区间为0.38～0.62，其中辽中区和沈北新区属于强脆弱性，而浑南区、苏家屯区、大东区、于洪区均为中脆弱区，而其他各区域为弱脆弱区。结合沈阳市各区域水资源禀赋、供需匹配以及潜在压力可知，各区域脆弱性空间分布特征与实际状况保持良好的一致性。辽中区、沈北新区、浑南区、苏家屯区、大东区、于洪区的水资源需供比分别为0.85、0.80、0.62、0.60，与其对应的人口密度为450、385、326和300人/km2，相对于其他区域属于较高水平。

沈阳市2006—2016年水资源脆弱性变化趋势如图2所示。由图2可知，该区域具有明显的时间异质性特征，其脆弱性指数年均值变化范围为0.38～0.52，均值为0.45属于中脆弱性。结合在不同时段的变化情况，可将其划分为3个差异阶段：弱脆弱阶段即2006—2009年；中脆弱阶段即2010—2013年；而2014—2016年的脆弱性指数介于中脆弱与较强脆弱区间范围。2006—2016年沈阳市水资源脆弱性呈现出先增大后减小的趋势，其脆弱性最强和最弱的年份分别为2010和2008年，其原因主要和各年份的经济发展速度和人口增加等因素相关。

图2 2006—2016年沈阳市总体水资源脆弱性

沈阳市各年份的社会经济发展水平与当年的水资源状况是影响其脆弱性时间异质性的关键性因素，年降水量距平百比在2006—2009年分别为1.2%、2.5%、15.0%和9.2%，均明显高于其他阶段，而此期间的人均GDP均小于其他阶段。在2010—2013年沈阳市西南区域的降水量明显降低而人口数量增加较快，并且因此造成社会发展对需水量的压力急剧增强，此期间水资源脆弱性明显增大所以为中脆弱区。而后2013—2016年随着水资源保护、开采利用等措施的实施、降水量的恢复正常等水资源保障压力得到一定缓解，然而随着人口压力的依旧增大和社会的持续发展，此期间处于中脆弱程度附近且相对于第一阶段有一定的提升[9]。

3.3 脆弱性在不同分区的构成

结合不同区域和脆弱性指标的变化特征，不同区域对水资源脆弱性的作用影响程度不同。研究表明，人口密度以及水资源供需比指标是影响水资源脆弱性的关键性因素，其中产水模数、万元GDP用水量以及有效灌溉面积等指标随着外部情景的不断变化而逐渐减少[10]。水资源需供比在弱脆弱区、中脆弱区以及强脆弱区分别不超过0.36、0.82和0.85，其计算值分别在0.06、0.15以内和0.15。结合文中上述分析结果，本文得出沈阳水资源强脆弱区往往属于干旱影响程度较大、经济发展较为迅速、供需矛盾突出以及人口增长较快的区域，如辽中区和沈北新区；而水资源中脆弱区往往具有产业结构不合理、水资源利用效率低以及水利设施相对较低等经济欠发展的区域，如浑南区、苏家屯区、大东区、于洪区等；弱脆弱区具有的特征主要为供需矛盾不突出、水资源储蓄量较为丰富且供给压力较少、经济发展较为落后等特征，如和平区等。结合沈阳市以往脆弱性评价研究结果，本文得出该区域2006—2016年的脆弱性整体属于中脆弱区，且脆弱性在不同年份表现出一定的差异[11]。