基于GIS的揚州水資源分布與承載力研究

沈 沛，許龍祥

（1.江蘇省儀征市真州水利站,江蘇 儀征 211400；2.江蘇省儀征市棗林灣水利站,江蘇 儀征 211400）

水是人類生存和發展的基本條件,也是生態系統重要組成部分。隨著人口不斷增加和經濟發展,水資源供需矛盾日益突出,水資源分布和承載力研究已是當今社會關注熱點,也是制約社會經濟可持續發展的重要因素之一[1-3]。揚州位于長江下游,是中國歷史文化名城和旅游勝地,也是江蘇省的重要經濟快速發展區之一。由于地理位置和氣候條件影響,揚州市水資源供應缺口極大,相應地水資源承載力面臨嚴峻挑戰[3-5]。本文旨在通過對揚州市水資源分布和承載力的研究,以期為制定科學合理的水資源管理和保護措施提供參考。

1 研究方法

1.1 揚州市自然特征

揚州地處江蘇中部、長江北岸、京杭大運河中南段,地理位置介于32°15'～33°25'N、119°01'～119°54'E之間（圖1）,總面積達6643 km2,其中陸地面積為4856.2 km2。區域為江淮平原地區,地形地勢平坦,海拔介于0～149.5 m,平均海拔僅為2 m。受氣象系統與海陸位置影響形成北亞熱帶季風濕潤氣候,四季分明、預熱同期,夏季盛行東南風,冬季為西北風,全市年平均氣溫15.8℃,年降水量864 mm,日照時數1721 h,主要氣象為暴雨、雷電、寒潮等。土地利用類型以農用地、建設用地為主,林地不足1%,水域面積占比達26.3%。境內河湖密度,有長江、淮河等一級河流與白馬、高郵等重要湖泊,總流長593.6 km,多年平均徑流總量16.9億m3,但由于地表水源涵養性差和人口基數大,揚州市人均水資源量極為貧乏。

圖1 揚州市地表河流分布

1.2 水資源分布研究方法

水資源主要包含地表水、地下水和降水資源三種類型,其中降水是其他水資源的直接有效補充,也是衡量區域水資源豐度的關鍵指標。受數據資料可得性限制,本文僅評估區域降水量資源分布特征。為精細研究區域降水量特征,使用降尺度的數據處理方法,即使用全球降水量測量（Global Precipitation Measurement, GPM）遙感降水產品數據為基礎,使用隨機森林（Random forest）算法進行降尺度處理,得到區域精細化降水量空間分布。RF是基于回歸樹（CART）的非線性擬合計算,其先利用bootstrap隨抽樣法從原始訓練集T={（x1,y1）,（x2,y2）,…,（xn,yn）}中抽取n個樣本,記作訓練集Tt,進行k次抽樣,則有k個獨立樣本形成的訓練集,RF回歸預測結果h（x）表示為k棵回歸模型的預測結果是k棵決策樹{h（X,θi,i=1,2…,k）}回歸的均值：

式中：P（x）為隨機森林組合模型結果；pi為單棵樹分類模型；I為指示函數；Y為輸出變量[6]。

為反映區域水資源現勢性特征,使用的GPM數據為2010年～2020年平均資料,數據來源于Google earth engine平臺,其產品編號為“NASA/GPM_L3/IMERG_V06”。

1.3 水資源承載力評價方法

步驟一：水資源承載力評價因子確立?；谒Y源承載力概念、壓力來源、受體等特征,結合前人研究經驗,從自然、社會兩方面選取獨立性評價指標因子,各指標因子為獨立柵格面數據（tif）,見表1。

表1 水資源評價指標體系

步驟二：指標因子量綱消除處理。采用極差標準化方法對指標數據柵格面進行無量綱化,相關技術公式如下：

式中：x為指標因子原值；i為柵格像元序數；j為指標序樹；maxxj和minxj分別為第j個指標中最大、最小值；y為無量綱化后的值；正向指標表示承載力指數隨著指標數值單調性增加,反之為負向指標。

該過程利用ArcGIS軟件中柵格計算器工具實現。

步驟三：對指標因子進行客觀賦權。為將各項指標因子聯立,采用熵權法對各指標進行賦權[7-8],公式如下：

式中：；i=（1,2,…a,a+1,…b,b+1,…m）。

步驟四：利用柵格計算器對標準化后的柵格面與權重相乘,經加權（式（4））求和計算得到區域水資源承載力,其計算公式為：

1.4 數據來源與分析

本研究中土壤、人口、夜間燈光指數數據來自中國科學院資源環境科學數據中心（https://www.resdc.cn/）,其空間分辨率為1km；土地利用類型數據為開源Global land 2020產品,數據精度Kappa系數達0.8以上,空間分辨率為30 m；提取TWI因子數據是來自地理空間數據云（https://www.gscloud.cn/）的Aster GDEM數據,分辨率為30 m；NPP、溫度數據從國家系統科學數據庫搜集,分辨率達1 km；GPM降水數據從GEE中提取得到,另外通過對Landsat8（2015年～2020年）影像進行均值合成得到了NDVI；生成水域核密度柵格面所使用的矢量水文圖件是經過Google earth影像目視解譯得到的。上述指標因子預處理與計算均在ArcGIS10.8平臺進行,經統一空間投影（UTM-38 N）和空間分辨率（50 m）后進行可視化出圖。

2 結果與分析

2.1 揚州市GPM降水量統計特征

圖2為揚州市GPM衛星觀測降水量像素值,在本區共計53個像素端元,最大、最小值為914 mm、719 mm；空間平均值、中值達856 mm、847 mm；離差系數為23.56%,表明區域降水量總體差異性不大。觀呈現出該地降水量分布特征：自東向西遞減分布。但展示的降水量信息過于粗略,且粗糙格網特征不符合實際降水量分布規律。

圖2 揚州市原GPM降水量及其半方差結構

利用降尺度方法之前,需檢測GPM降水量像素值是否存在空間自相關性。利用ArcGIS 軟件地統計工具分析得到其半方差函數圖,見圖2,其半方差值隨著空間距離增加呈現先迅速增大后趨于平緩的態勢。當空間距離h=0時,半方差值Nugget=0.064,當h=35km時的半方差值為0.362,記作PSill；基臺值為0.426,塊金值達0.426,說明其符合二階平穩假設,因此可采用隨機森林降尺度方法進行精細化處理。

2.2 揚州市降水資源空間分布特征

研究區2010年～2020年平均降水量空間分布見圖3。經降尺度后降水量數值信息與原GPM特征基本一致,但其展現更多精細化漸變規律,例如詳細描述了降水量趨勢面特征、聚集性特征；且降水量帶具有自然平滑特征,因此更符合區域實際。該降水量資源分布圖顯示揚州市降水量數值性差異較小,總體為東多西少格局。

圖3 揚州市降水量資源空間分布特征

2.3 揚州市水資源承載力因子權重

揚州市水資源承載力各項指標的權值見圖4。其中,植被用地分布核密度（ZB）、降水量（MAP）的權重最大,依次為0.122、0.112,反映了植被涵養水源、降水對水資源補給的重要性。其他因子權值依次為：人口密度（PD,0.104）＞蒸發量（ZF,0.097）＞歸一化植被指數（NDVI,0.096）＞耕地分布核密度（GD,0.093）＞工業用地核密度（GY,0.079）＞夜間燈光指數（YJ,0.074）＞水域分布和密度（SY＞0.062）＞田間持水量（TJ,0.059）＞地形濕度指數（TWI,0.057）＞土壤濕度（SM,0.044）?？梢?區域水資源承載力是經濟、社會各方因素綜合交互影響的結果。

圖4 揚州市水資源承載力指標權重

圖5 揚州市水資源承載力空間分布特征

2.4 揚州市水資源承載力空間分布特征

基于前述流程計算得到30 m空間分辨率尺度承載力指數柵格面,其結果見圖4?？梢?揚州市水資源承載力指數介于0～1之間,均值為0.54,標準差達0.18,離差系數為20%,說明承載力空間異質性復雜。承載力指數斑塊呈團狀離散分布,在市域北部承載力高值區分布于京杭運河西岸與東20 km外東側,其值域介于0.6～0.95之間；而靠近運河東側地段的承載力較低,其指數僅為0～0.5,主要由于該地多為城鎮居民和農用地,其本身水源涵養能力低而用水壓力較大。在揚州南部地區,承載力較高值區位于西南部,該地為林地、園地聚集區,也是區域生態水源蘊藏地；其他地區承載力指數相對較低?？傮w來看,該地承載力與區域用地類型、人口聚集程度一致。綜合來看,區域水資源承載力仍處于0.54的臨界值水平,說明該地面臨著嚴峻生態供水和社會需水壓力。

3 結論

本文運用GIS和統計學方法刻畫了水資源分布與承載力空間差異性特點,得出結論如下：①揚州市降水量資源處于較豐沛水平,呈現自東向西減少格局,然而由于區域生態涵養性較低,因此對水資源有效補給較差；②區域水資源承載力處于臨界水平,說明水資源供需局勢緊張。③熵權法基于指標數據的離散程度進行客觀賦權,具有一定的科學性,熵值信息表明,植被生態是區域水資源涵養關鍵自然因素；人口密度分布則是主要社會因素。因此未來應注重經濟社會發展與水生態涵養能力同步。為提高區域水資源承載力水平,促進人地協調,需聯系當前實際,促進土地資源合理配置、優化生態用地布局,增強水資源涵養能力。