基于gis的水資源承載力評價模型研究

基于gis的水資源承載力評價模型研究

1水資源評價研究水資源是人類社會不可替代的重要資源。隨著水資源短缺形勢的日益嚴峻,時空分布不均勻,人口、生產(chǎn)力、資源的匹配狀況不理想、生態(tài)與環(huán)境相對脆弱,以及在區(qū)域水資源的開發(fā)利用中存在種種問題。使得區(qū)域可持續(xù)發(fā)展在很大程度上取決于水資源的可持續(xù)開發(fā)利用,而保證水資源的可持續(xù)開發(fā)利用的關(guān)鍵就是如何保護水資源的再生能力。只要對水資源的開發(fā)利用不超過其承載能力和環(huán)境容量,水資源就可以持續(xù)利用。因此水資源承載力的研究十分必要,有重大的現(xiàn)實意義。目前,模糊綜合評價模型已經(jīng)被廣泛用于水資源研究領(lǐng)域,包括區(qū)域水資源開發(fā)利用潛力評價、水資源短缺風(fēng)險評價、水資源可再生能力評價,以及水資源承載力研究方面都有較多應(yīng)用。由于模糊綜合評價模型的優(yōu)勢在于其極強的綜合評價功能,多數(shù)應(yīng)用研究的結(jié)論仍然停留在區(qū)域整體評價層次上,缺乏對區(qū)域內(nèi)部水資源空間差異性研究。而基于GIS技術(shù)的“網(wǎng)絡(luò)模型”以其擅長區(qū)域內(nèi)部空間差異分析,被廣泛用于流域水循環(huán)模擬,在水資源評價方面的應(yīng)用主要集中在對地下水資源的評價,將GIS系統(tǒng)同地下水資源評價模型相結(jié)合,建立了相應(yīng)模型。這些模型在基于GIS的水資源評價及其指標體系建立方面做出了有益的探討,將GIS空間數(shù)據(jù)的分析和存儲功能應(yīng)用于地下水資源評價中,并取得了很好的效果,但模型對評價因子只是進行了簡單的疊加,準確性較差。本文建立了基于“網(wǎng)絡(luò)模型”的模糊綜合評價水資源承載力量化模型,并以北京市通州區(qū)為例,分析了其2003年的水資源承載力空間變化情況,并預(yù)測其2010年和2020年的水資源承載力空間變化情況,為通州區(qū)水資源的合理利用及區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展提供一定的參考。2資源環(huán)境空間差異水資源承載力具有明顯的空間和時間屬性,同時必須承認水資源系統(tǒng)與社會經(jīng)濟系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)之間是相互依賴、相互影響的復(fù)雜關(guān)系。不能孤立地計算水資源系統(tǒng)對某一方面的支撐作用,而是把水資源系統(tǒng)與社會經(jīng)濟系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)合起來進行研究,在社會經(jīng)濟-水資源-生態(tài)與環(huán)境復(fù)合大系統(tǒng)中,尋求滿足水資源可承載條件的最大發(fā)展規(guī)模,才是水資源承載能力。同時考慮到社會經(jīng)濟指標、水資源指標和生態(tài)與環(huán)境指標,在空間上的差異性。綜合以上考慮,本文采用了網(wǎng)格法實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部的空間差異分析,將統(tǒng)計得來的連續(xù)的指標信息,依據(jù)各指標的特性,確定不同統(tǒng)計指標的影響范圍,根據(jù)確定范圍的情況,給屬于這個范圍內(nèi)的網(wǎng)格對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)庫輸入相應(yīng)的屬性信息。以每一個小網(wǎng)格為一個評價單元,并且充分考慮到水資源承載力評價系統(tǒng)的不確定性和貧信息的特點,采用模糊綜合評判模型,將GIS技術(shù)和模糊綜合評價模型結(jié)合在一起,實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)水資源承載力的空間差異分析。2.1模糊官能部模糊集b模糊綜合評判模型原理為:設(shè)給定兩個有限論域U=/u1,u2,…,un1和V=/v1,v2,…,vm1,其中U代表綜合評判的因素所組成的集合,V代表評語所組成的集合,則模糊綜合評判為下列模糊變換,即式中,A為U上的模糊子集,而評判結(jié)果B則為V上的模糊子集,并且可表示為A=(a1,a2,…,am),0≤ai≤1;B=(b1,b2,…,bn),0≤bj≤1。其中,ai為ui對A的隸屬度,它表示單因素ui評定等級的能力,而bj則為等級vj對綜合評定所得模糊子集B的隸屬度,它表示綜合評判的結(jié)果。評價矩陣為:模糊綜合評價方法的關(guān)鍵是隸屬度函數(shù)的確定,本次計算為了消除等級之間的跳躍現(xiàn)象,使函數(shù)在等級間平滑過渡,借鑒高彥春等提出的隸屬度函數(shù)構(gòu)造方法。為了定量反映各級別隸屬度對目標的影響程度,對評價標準=/Ⅴ,Ⅳ,Ⅲ,Ⅱ,Ⅰ1在0~1之間進行離散,令a=(0.9,0.7,0.5,0.3,0.1),級別越高對水資源承載力的貢獻就越高,評分值也就越高,表明水資源承載力越大。綜合評價取上述計算所得到的aj和bj值進行計算,其計算公式為:式中,a是水資源承載力綜合評分;bj是各等級的隸屬度;aj是各等級的評分,該式為了突出占優(yōu)勢等級的作用,利用各等級隸屬度bj為權(quán)重進行加權(quán)平均計算。2.2特征分區(qū)的確定根據(jù)每個指標的特性確定其指標數(shù)據(jù)的影響范圍。在考慮社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的影響范圍時,根據(jù)指標特性和實際指標數(shù)據(jù)的搜集情況,多數(shù)指標以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為最小單位。地下水資源數(shù)據(jù)是根據(jù)研究區(qū)內(nèi)每個觀測點地下水位數(shù)據(jù)和相應(yīng)點狀圖形數(shù)據(jù)的相互結(jié)合,建立地下水觀測數(shù)據(jù)的點狀數(shù)據(jù)庫,通過GIS技術(shù)對點狀數(shù)據(jù)進行空間插值分析,得到空間趨勢面柵格圖形數(shù)據(jù)。將每個評價單元網(wǎng)格中點對應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)作為網(wǎng)格的指標數(shù)據(jù),就得到每個小網(wǎng)格的地下水?dāng)?shù)據(jù),從而實現(xiàn)由點狀數(shù)據(jù)向面狀數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。為了實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部水資源承載能力的差異分析,將研究區(qū)進行網(wǎng)格剖分。考慮到本次研究區(qū)域面積不是很大,確定本研究中的每網(wǎng)格為500m×500m,代表0.25km2的區(qū)域。研究每個網(wǎng)格內(nèi)社會經(jīng)濟、水資源量和生態(tài)與環(huán)境的時空變化。在邊界網(wǎng)格化過程中對于不規(guī)則的多邊形,為了減少計算誤差,按照少刪多補的原則對所劃分的邊界單元網(wǎng)格進行修正。當(dāng)邊界網(wǎng)格在研究區(qū)邊界內(nèi)所占的面積大于網(wǎng)格面積的1/3時,則按一個網(wǎng)格的面積計算;如果其比例小于1/3,則將該網(wǎng)格刪除。在GIS空間分析工具的支撐下,將研究區(qū)劃分為3628個網(wǎng)格。2.3模糊綜合評判將GIS空間數(shù)據(jù)同綜合評價模型結(jié)合,將二者的技術(shù)優(yōu)勢有機地結(jié)合在一起,實現(xiàn)對每個評價單元的模糊綜合評判。利用已經(jīng)建立好的水資源承載力各評價指標分單元圖形庫和屬性庫,利用數(shù)據(jù)庫的嵌套功能將模糊評價數(shù)學(xué)模型嵌到GIS屬性數(shù)據(jù)庫中,對每個小網(wǎng)格內(nèi)各項指標的屬性信息,用模糊綜合評判模型計算其隸屬度。實現(xiàn)對每個評價單元的水資源承載力綜合評價。其計算公式如下:式中:(i,j)表示相應(yīng)單元因子圖層第i行,第j列的網(wǎng)格單元;SES(i,j)表示社會經(jīng)濟系統(tǒng)指標評價值;WRS(i,j)表示水資源系統(tǒng)指標評價值;EES(i,j)表示生態(tài)與環(huán)境指標評價值;WCC(i,j)表示水資源承載力綜合評價結(jié)果值;(n,m)表示相應(yīng)指標第n個準則層,第m個指標;C為各單項指標的隸屬度;W為相應(yīng)各單項指標的權(quán)重;W1、W2、W3分別表示相應(yīng)準則層因子的權(quán)重。3大氣象區(qū)2、東南角通州區(qū)位于北京市東南部、京杭大運河的北端。區(qū)域地理坐標為北緯39°36′~40°02′、東經(jīng)116°32′~116°56′,面積907km2。通州區(qū)屬于海河流域,境內(nèi)有潮白河和北運河兩大水系經(jīng)過,其中北運河的流域面積占通州區(qū)總面積的92.3%。通州區(qū)地形由西北向東南緩慢傾斜,整體比較平坦,地勢低凹,是北京市的主要泄洪區(qū)和污水排放區(qū)。3.1評價指標的確定按區(qū)域復(fù)合系統(tǒng)的三大子系統(tǒng):社會經(jīng)濟系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)和生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng),參考前人研究成果[13~15],確定水資源承載力評價指標體系由1個總目標層,3個準則層,13項評價指標組成的層次體系。水資源承載力評價標準的確定應(yīng)面向可持續(xù)發(fā)展,有利于水資源的開發(fā)利用和保護,而且具有可操作性。本次評價標準的確定以北京市具體情況為基準,借鑒國內(nèi)外其他學(xué)者研究成果,對大多數(shù)指標,以國內(nèi)外已有研究成果為確定依據(jù);對已有國家規(guī)定標準的指標如水質(zhì)類指標等,按國家規(guī)定標準;對于沒有規(guī)定標準的指標如人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)比重等,通過參考北京市平均、全國平均和世界平均水平,結(jié)合通州區(qū)實際確定通州區(qū)該項指標的上限和下限;對于那些缺少明確標準的指標,通過請教專家和當(dāng)?shù)厮畡?wù)部門的人員,確定其可接受的上下限。將通州區(qū)水資源承載力分為很強、較強、中等、較弱和很弱5個等級。3.2各因素權(quán)重的選取水資源承載力是復(fù)雜多變的,可以看作是由多種因素交織而成的復(fù)雜系統(tǒng)。各因素在系統(tǒng)的變化中所起的作用是不同的。在對系統(tǒng)進行評價時,應(yīng)根據(jù)各因素的重要程度分別賦予不同的權(quán)重,才能客觀、準確地把握系統(tǒng)的特點,揭示其發(fā)展規(guī)律。本文根據(jù)通州區(qū)的具體情況,結(jié)合專家打分法(Delphi法),比較指標間的重要程度,采用AHP法構(gòu)造評價矩陣,確定各評價指標權(quán)重。3.3水資源可持續(xù)利用技術(shù)通州區(qū)現(xiàn)狀水資源承載力整體處于很弱等級(圖2),水資源承載力綜合評分在0.25~0.40之間(圖1),只有中心城區(qū)其承載能力較高,同其它地區(qū)的差異較大。同時,也掩飾不住其子系統(tǒng)評價水平的極端不平衡性,即社會經(jīng)濟發(fā)展水平較高,而水資源水平和生態(tài)與環(huán)境水平較低,說明通州區(qū)目前城區(qū)人口過于集中,水資源開發(fā)利用率較高,全區(qū)經(jīng)濟發(fā)展以城區(qū)為絕對的核心,水資源消耗量較大,水資源供需矛盾緊張,對生態(tài)與環(huán)境質(zhì)量造成嚴重的不利影響,尤其是水環(huán)境條件較差。因此,可以認為通州區(qū)現(xiàn)狀的水資源利用是不可持續(xù)的,目前的經(jīng)濟規(guī)模、人口規(guī)模和城市綠化規(guī)模已經(jīng)臨近現(xiàn)狀水資源可承載能力的邊緣,可以預(yù)言,如果通州區(qū)以這樣的發(fā)展模式進行下去,很快就會超過其水資源可承載范圍,引發(fā)一系列的社會和環(huán)境問題。2010年通州區(qū)水資源承載力水平比現(xiàn)狀年有了明顯的提高,水資源承載力綜合評分由0.28~0.44范圍提高至0.45~0.59(圖3)。南部永樂店地區(qū)由于其經(jīng)濟發(fā)展相對較弱,水環(huán)境和生態(tài)與環(huán)境指標均較差,因此,該地區(qū)綜合評分較低。承載力綜合評級在區(qū)內(nèi)空間差異不是很明顯,除了城區(qū)比其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)的承載力明顯要高之外,大部分地區(qū)均為中等承載力水平(圖4)。城區(qū)較高的水資源承載力主要是由于其較高的經(jīng)濟發(fā)展水平和生態(tài)與環(huán)境的良好恢復(fù),從而導(dǎo)致社會經(jīng)濟評價結(jié)果和生態(tài)與環(huán)境評價結(jié)果明顯升高所致。2020年通州區(qū)水資源綜合承載力水平比現(xiàn)狀年和2010年有了極大的提高,水資源承載力綜合評分介于0.54~0.66之間(圖5),大部分地區(qū)的承載力綜合評級都在較強承載級別(圖6),區(qū)內(nèi)水資源承載力空間差異表現(xiàn)出以城區(qū)為中心逐漸向東南方向減弱。4水資源環(huán)境綜合評價指標體系水資源承載力空間差異分析結(jié)果顯示,通州區(qū)內(nèi)部水資源承載力與區(qū)域發(fā)展水平的差異一致,由城區(qū)到遠郊,水資源承載力呈逐漸減弱趨勢。水資源承載力綜合評分2003年在0.25~0.40之間、2010年在0.40~0.55之間、2020年在0.50~0.70之間,高值區(qū)集中在新城及其附近輻射地區(qū),伴隨城區(qū)不斷發(fā)展,影響范圍擴大,預(yù)測通州區(qū)到2020年水資源承載力綜合評級在區(qū)內(nèi)空間差異不明顯,多數(shù)地區(qū)處于很強級別。