像元尺度上广西西江流域水资源可获取性综合评价

闫 妍，王 钰，胡宝清，黄凯燕

(1.南宁师范大学北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室，广西南宁530001；2.南宁师范大学广西地表过程与智能模拟重点实验室，广西南宁530001；3.南宁师范大学地理科学与规划学院，广西南宁530001)

0 引 言

随着国家战略珠江-西江经济带的推进，西江流域水资源的供需、开发利用与水环境保护的矛盾日益突出，制约着流域水资源利用的可持续发展。因此，亟需对流域水资源利用开展有效评价。前期研究多围绕承载力[1-2]、脆弱性[3- 4]、压力和稀缺性[5]等方面，对区域水资源可持续利用开展评价研究，然而流域水资源空间配置尚未得到有效解决。部分研究使用分布式水文模型，揭示流域水资源运移过程和空间格局[6-7]；但对水资源利用空间信息的反映不够精确。

近期有学者提出水资源可获取性概念，指在不考虑水循环和水资源利用目的的条件下，流域任一格元水资源获取的难易程度[8]。通过分析水可获取性的影响因素，如径流、取水距离和高差等，建立水资源可获取性评价模型，计算流域内任意像元的取水难易程度。得到小尺度上精确的水资源空间分布信息，为流域水资源精细管理和利用提供科学依据。然而，水可获取性模型对于特定的河流系统存在区域差异，且在时空尺度上变化较大[9-10]，只有针对性分析径流产生过程和水文体系变化来识别特定流域的有效水资源可获取性。因此，研究选取国家战略所在地——西江流域(广西境内)进行实证研究，通过改进水可获取性模型，获取流域水资源可获取性难易程度，以期为广西西江流域水资源精细化管理实践提供科学基础。

广西西江流域位于104°28’E～112°35’E， 20°35’N～26°20’N，境内西江河长约869 km，是广西壮族自治区的重要水系。流域集雨面积约20×104km2，占广西行政区总面积的85.88%，水资源总量约占广西水资源总量的85.5%。流域地貌主要是山地丘陵盆地地貌，地势自西北向东南倾斜，西北是云贵高原，东南是丘陵盆地。土壤类型以红壤、赤红壤、水稻土为主。研究区属亚热带季风湿润气候，气候湿热多雨，夏长冬短。年均降水量在1 080～2 760 mm之间，年平均气温在16.5～23.1 ℃之间。

1 材料与方法

1.1 数据来源

基础地理数据包括研究区行政边界、自然水系分布，来源于全国1∶25万数据库。数字高程模型数据选取GDEM V2 30 m分辨率数字高程数据，来源于地理空间数据云(http:∥www.giscloud.cn/)。统计数据取自于2008年～2015年《广西壮族自治区水资源公报》。其他数据来源于《广西通志·水利志》。

1.2 自然水系提取

数字高程模型(Digital Elevation Model， DEM)，即地形表面形态的数字化表达。基于DEM数据提取真实准确的水系，是建立水文模型的基础，能反映流域地形、地貌、气象、水文等的综合情况[11-12]。

基于DEM数据提取水系主要分为三个步骤：①无洼地DEM生成；②水流方向及汇流累积量计算；③水系提取。本研究采用坡面径流模拟方法实现连续河网的提取，其中，水流方向计算主要采用单流向法中的D8算法[13]。依据不同汇流累积量阈值提取水系，提取不同阈值下水系的河道数、河流长度及河网密度进行趋势线拟合，并与广西水利志数据比较，获取广西西江流域水系数据。为进一步验证基于DEM提取的河网信息的正确性，将1∶25万数据库中的西江流域水系数据与提取出的河网相互叠加比较。

1.3 水资源可获取性模型

根据Yu等提出的水可获取性概念，研究利用“空间用水点”的概念，在不考虑水循环、利用目的情况下，在空间中任意点取水的难易受坡度、相对高差、年径流量和距河道距离的影响，因此建立水可获取性模型用以评价流域水可获取性的难易程度。

(1)

式中，W为水可获取性综合指数；Wi(i=1，…，4)分别为S、H、R和D引起的水可获取性分量；β为区域拟合系数；S为坡度；H为单元点跟河流的相对高差；R为河流径流量；D为单元点到河流的距离；β1、β2、β3、β4分别为S、H、R、D的区域拟合系数。

(1)坡度：指过地表面上任一点的切平面与水平面的夹角，表示该点的倾斜程度。

(2)相对高差：引水会受到高程的限制，引水点与水源地的相对高程越大，越难取水，投入取水的成本也就越多，那么该点的可获取性也越难。在现实中，每个格点与距最近河流的高差比较难计算。因此，本文以DEM数据为基础，以划分出来的小流域为单位，利用分区统计工具计算流域内的河流平均高程与最小高程，并且假设小流域内各点取水均来自河流，则可用栅格计算器计算各点与河流的相对高差，栅格计算器中的计算法则指若单元格高程比河流平均高程大，则单元格高程减去河流平均高程；反之，则单元格高程减去河流最小高程。

(3)年径流量：指年度内通过河流某一断面的水量，用于估计地区水资源总量的变化。本文用径流量来估计地表水资源量。由于Flow Accumulation计算出的汇流累积量不等于实际径流量，因此需要进行转换；在现实中当某地区缺乏实测径流数据的时候，可以用水文比拟法、径流系数法、经验公式法[14]等来计算一定时间段内的流量。当流域存在上游入境水量时，流域干流径流量需加上入境水量。 则

(2)

式中，Ra为年径流量，104m3；F为承雨面积，km2；h为流域平均径流深，mm；P为干流上游入境水量。根据《广西通志·水利志》获取h值为684.48 mm，根据《广西壮族自治区水资源公报》获取P值为4.3187 × 1010m3。

(4)距离：取水也受距离水源远近的影响，基于栅格河网数据，利用ArcGIS软件欧氏距离工具，计算每个栅格点与最近河源的欧氏距离，即量测每个点到最近源的直线距离。

(5)指数的标准化：对于式(1)中的各个变量，我们先规定坡度、高程、径流量、距离引起的水可获取性Wi(Wi∈[0，1]，i=1，…，4)，Wi值越大表明水资源可获取性越容易；反之，水资源可获取性就越困难。由于选取的指标有正相关的(如R)，有负相关的(如S、H、D)，所以本文采用综合指数法将不同性质量纲标准化。即

(3)

其中，xi是第i个评价指标标准化后的值；dimax为第i个评价指标的最大值。

2 结果与讨论

2.1 河网提取

在提取河网中最重要的是如何设定比较合适的集水阈值。由于还不知道阈值设定为何值时得到的河网与实际河网最相近，因此用ArcGIS中的栅格计算器在流域汇流累积量的基础上，分别设定不同的集水面积阈值以提取出相应的河道数与河网密度的河网，根据分析阈值和河道数、河流长度及河网密度的关系来最终决定阈值(表1)。

表1 河网特征随集水面积阈值的变化

集水面积阈值从4 km2增加到70 km2，河道数从26 540条减至1 860条，总的河长从77 432.12 km减少到20 924.31 km，河网密度从0.38 km/km2变为0.10 km/km2。根据线条数、河网密度和集水面积阈值间的负相关性，采用幂函数进行趋势拟合分析，拟合度R2分别达到0.997 9和0.997 7，拟合度良好(见图1)。

本文选择21 km2作为西江流域集水面积的阈值。从表1可得知，当阈值为21 km2，河道数为6 213条，河流长度38 132.08 km，河网密度0.187 0，与《广西通志·水利志》记录中西江流域实际长度38 072 km、实际河网密度0.188相接近。为了验证基于DEM提取河网的科学性合理性，将通过设定最合理阈值21 km2得到的栅格河网，与原有广西水系矢量图层相叠加显示(见图2)。

图1 河道数、河网密度随阈值变化拟合结果

图2 研究区矢量水系与河网叠加对比示意

2.2 模型系数

通过计算得到西江流域各格元的S、H、R、D值见表2。

表2 模型参数统计

以S、H、R、D4个因子的最大值与最小值，根据式(3)进行指标标准化处理(见表3)。

表3 参数标准化处理(部分)

把表3的数据进行指数拟合，得到各个指标分量的水可获取性分量表达式

(4)

图3 广西西江流域水可获取性模型分量空间分布

拟合精度R2=0.911 9，根据式(1)得到本研究区的水可获取性评价模型

(5)

2.3 水资源可获取性

基于ArcGIS10.2软件平台的水文分析工具和空间分析方法，得到了广西西江流域内各个栅格点的坡度、相对高差、径流量、取水距离(见图3)。

根据水可获取性模型公式(5)计算广西西江流域各个栅格点的水可获取性(图4)。

研究区水资源可获取性在0.092～3.961 1之间，数值越大，则水可获取性越好；反之，则越差；西江流域水可获取性有从流域内西北部到东南部不断增强的趋势。流域的水可获取性与坡度、距水源距离、高差与河流径流量有关，取水点坡度越大、距水源距离越远、与河流的相对落差越大、径流量越少，则可获取性越差；反之，则越好。

图4 像元尺度上广西西江流域水可获取性指数

水资源可获取性与区域河网分布及径流量关系密切，表现为干流的水可获取性较容易，其次是支流，而离河流较远的地方水可获取性较低。研究区西北部、北部地区坡度最大，相对高差也比较大，径流量较小，水可获取性相对较差，仅在河流的沿岸附近的水可获取性略大。研究区中部、南部地区坡度比西北部小，相对高差也比西北部小，年径流量大，所以中部、南部比西北部和北部的水资源可获取性高。而中部、东部，特别是东南部水资源可获取性最强，这些地区处在流域的下游，坡度相对低，相对高差小，主干流多、径流量大，河网密集。因此，该结果总体符合研究区水资源分布的实际情况。

3 结 论

本文通过设定不同的阈值，基于覆盖研究区30 m的DEM数据提取河网，当集水面积阈值设定21 km2时，得到的河流长度、河网密度与实际水文资料中记录的值最接近，证明了使用DEM提取河网信息的可靠性。

对于区域中某一空间用水点来说，它的取水难易程度和水源是否充足、取水距离的远近、取水路径的坡度及相对水源的高差等有关。水源充足，可以保证有水可获取的基本条件；距水源距离决定了取水成本的大小；坡度和相对高差越大，越难取水。所以根据这四个影响因素，建立水资源可获取性模型来分析“空间用水点”跟其周围最近河源的关系，评价其水可获取性的难易程度，是可行的研究模型。

不同于前期水资源利用评价，本研究通过考虑自然水系、空间格元，得到研究区像元尺度的水资源可获取性难易程度，能直观地表现出流域内水资源可获取性的空间差异。像元尺度的水资源可获取性可以推动农业精细化管理，如农田灌溉、引水规划，以及为居民用水管理等提供更有参考价值的基础数据，为微观决策者实践和管理决策提供科学依据。