基于gis的水资源承载力评价模型研究

基于gis的水资源承载力评价模型研究

1水资源评价研究水资源是人类社会不可替代的重要资源。随着水资源短缺形势的日益严峻,时空分布不均匀,人口、生产力、资源的匹配状况不理想、生态与环境相对脆弱,以及在区域水资源的开发利用中存在种种问题。使得区域可持续发展在很大程度上取决于水资源的可持续开发利用,而保证水资源的可持续开发利用的关键就是如何保护水资源的再生能力。只要对水资源的开发利用不超过其承载能力和环境容量,水资源就可以持续利用。因此水资源承载力的研究十分必要,有重大的现实意义。目前,模糊综合评价模型已经被广泛用于水资源研究领域,包括区域水资源开发利用潜力评价、水资源短缺风险评价、水资源可再生能力评价,以及水资源承载力研究方面都有较多应用。由于模糊综合评价模型的优势在于其极强的综合评价功能,多数应用研究的结论仍然停留在区域整体评价层次上,缺乏对区域内部水资源空间差异性研究。而基于GIS技术的“网络模型”以其擅长区域内部空间差异分析,被广泛用于流域水循环模拟,在水资源评价方面的应用主要集中在对地下水资源的评价,将GIS系统同地下水资源评价模型相结合,建立了相应模型。这些模型在基于GIS的水资源评价及其指标体系建立方面做出了有益的探讨,将GIS空间数据的分析和存储功能应用于地下水资源评价中,并取得了很好的效果,但模型对评价因子只是进行了简单的叠加,准确性较差。本文建立了基于“网络模型”的模糊综合评价水资源承载力量化模型,并以北京市通州区为例,分析了其2003年的水资源承载力空间变化情况,并预测其2010年和2020年的水资源承载力空间变化情况,为通州区水资源的合理利用及区域协调发展提供一定的参考。2资源环境空间差异水资源承载力具有明显的空间和时间属性,同时必须承认水资源系统与社会经济系统、生态系统之间是相互依赖、相互影响的复杂关系。不能孤立地计算水资源系统对某一方面的支撑作用,而是把水资源系统与社会经济系统、生态系统联合起来进行研究,在社会经济-水资源-生态与环境复合大系统中,寻求满足水资源可承载条件的最大发展规模,才是水资源承载能力。同时考虑到社会经济指标、水资源指标和生态与环境指标,在空间上的差异性。综合以上考虑,本文采用了网格法实现区域内部的空间差异分析,将统计得来的连续的指标信息,依据各指标的特性,确定不同统计指标的影响范围,根据确定范围的情况,给属于这个范围内的网格对应的属性数据库输入相应的属性信息。以每一个小网格为一个评价单元,并且充分考虑到水资源承载力评价系统的不确定性和贫信息的特点,采用模糊综合评判模型,将GIS技术和模糊综合评价模型结合在一起,实现对区域内水资源承载力的空间差异分析。2.1模糊官能部模糊集b模糊综合评判模型原理为:设给定两个有限论域U=/u1,u2,…,un1和V=/v1,v2,…,vm1,其中U代表综合评判的因素所组成的集合,V代表评语所组成的集合,则模糊综合评判为下列模糊变换,即式中,A为U上的模糊子集,而评判结果B则为V上的模糊子集,并且可表示为A=(a1,a2,…,am),0≤ai≤1;B=(b1,b2,…,bn),0≤bj≤1。其中,ai为ui对A的隶属度,它表示单因素ui评定等级的能力,而bj则为等级vj对综合评定所得模糊子集B的隶属度,它表示综合评判的结果。评价矩阵为:模糊综合评价方法的关键是隶属度函数的确定,本次计算为了消除等级之间的跳跃现象,使函数在等级间平滑过渡,借鉴高彦春等提出的隶属度函数构造方法。为了定量反映各级别隶属度对目标的影响程度,对评价标准=/Ⅴ,Ⅳ,Ⅲ,Ⅱ,Ⅰ1在0~1之间进行离散,令a=(0.9,0.7,0.5,0.3,0.1),级别越高对水资源承载力的贡献就越高,评分值也就越高,表明水资源承载力越大。综合评价取上述计算所得到的aj和bj值进行计算,其计算公式为:式中,a是水资源承载力综合评分;bj是各等级的隶属度;aj是各等级的评分,该式为了突出占优势等级的作用,利用各等级隶属度bj为权重进行加权平均计算。2.2特征分区的确定根据每个指标的特性确定其指标数据的影响范围。在考虑社会经济数据的影响范围时,根据指标特性和实际指标数据的搜集情况,多数指标以乡镇为最小单位。地下水资源数据是根据研究区内每个观测点地下水位数据和相应点状图形数据的相互结合,建立地下水观测数据的点状数据库,通过GIS技术对点状数据进行空间插值分析,得到空间趋势面栅格图形数据。将每个评价单元网格中点对应的栅格数据作为网格的指标数据,就得到每个小网格的地下水数据,从而实现由点状数据向面状数据的转化。为了实现区域内部水资源承载能力的差异分析,将研究区进行网格剖分。考虑到本次研究区域面积不是很大,确定本研究中的每网格为500m×500m,代表0.25km2的区域。研究每个网格内社会经济、水资源量和生态与环境的时空变化。在边界网格化过程中对于不规则的多边形,为了减少计算误差,按照少删多补的原则对所划分的边界单元网格进行修正。当边界网格在研究区边界内所占的面积大于网格面积的1/3时,则按一个网格的面积计算;如果其比例小于1/3,则将该网格删除。在GIS空间分析工具的支撑下,将研究区划分为3628个网格。2.3模糊综合评判将GIS空间数据同综合评价模型结合,将二者的技术优势有机地结合在一起,实现对每个评价单元的模糊综合评判。利用已经建立好的水资源承载力各评价指标分单元图形库和属性库,利用数据库的嵌套功能将模糊评价数学模型嵌到GIS属性数据库中,对每个小网格内各项指标的属性信息,用模糊综合评判模型计算其隶属度。实现对每个评价单元的水资源承载力综合评价。其计算公式如下:式中:(i,j)表示相应单元因子图层第i行,第j列的网格单元;SES(i,j)表示社会经济系统指标评价值;WRS(i,j)表示水资源系统指标评价值;EES(i,j)表示生态与环境指标评价值;WCC(i,j)表示水资源承载力综合评价结果值;(n,m)表示相应指标第n个准则层,第m个指标;C为各单项指标的隶属度;W为相应各单项指标的权重;W1、W2、W3分别表示相应准则层因子的权重。3大气象区2、东南角通州区位于北京市东南部、京杭大运河的北端。区域地理坐标为北纬39°36′~40°02′、东经116°32′~116°56′,面积907km2。通州区属于海河流域,境内有潮白河和北运河两大水系经过,其中北运河的流域面积占通州区总面积的92.3%。通州区地形由西北向东南缓慢倾斜,整体比较平坦,地势低凹,是北京市的主要泄洪区和污水排放区。3.1评价指标的确定按区域复合系统的三大子系统:社会经济系统、水资源系统和生态与环境系统,参考前人研究成果[13~15],确定水资源承载力评价指标体系由1个总目标层,3个准则层,13项评价指标组成的层次体系。水资源承载力评价标准的确定应面向可持续发展,有利于水资源的开发利用和保护,而且具有可操作性。本次评价标准的确定以北京市具体情况为基准,借鉴国内外其他学者研究成果,对大多数指标,以国内外已有研究成果为确定依据;对已有国家规定标准的指标如水质类指标等,按国家规定标准;对于没有规定标准的指标如人均GDP、第三产业比重等,通过参考北京市平均、全国平均和世界平均水平,结合通州区实际确定通州区该项指标的上限和下限;对于那些缺少明确标准的指标,通过请教专家和当地水务部门的人员,确定其可接受的上下限。将通州区水资源承载力分为很强、较强、中等、较弱和很弱5个等级。3.2各因素权重的选取水资源承载力是复杂多变的,可以看作是由多种因素交织而成的复杂系统。各因素在系统的变化中所起的作用是不同的。在对系统进行评价时,应根据各因素的重要程度分别赋予不同的权重,才能客观、准确地把握系统的特点,揭示其发展规律。本文根据通州区的具体情况,结合专家打分法(Delphi法),比较指标间的重要程度,采用AHP法构造评价矩阵,确定各评价指标权重。3.3水资源可持续利用技术通州区现状水资源承载力整体处于很弱等级(图2),水资源承载力综合评分在0.25~0.40之间(图1),只有中心城区其承载能力较高,同其它地区的差异较大。同时,也掩饰不住其子系统评价水平的极端不平衡性,即社会经济发展水平较高,而水资源水平和生态与环境水平较低,说明通州区目前城区人口过于集中,水资源开发利用率较高,全区经济发展以城区为绝对的核心,水资源消耗量较大,水资源供需矛盾紧张,对生态与环境质量造成严重的不利影响,尤其是水环境条件较差。因此,可以认为通州区现状的水资源利用是不可持续的,目前的经济规模、人口规模和城市绿化规模已经临近现状水资源可承载能力的边缘,可以预言,如果通州区以这样的发展模式进行下去,很快就会超过其水资源可承载范围,引发一系列的社会和环境问题。2010年通州区水资源承载力水平比现状年有了明显的提高,水资源承载力综合评分由0.28~0.44范围提高至0.45~0.59(图3)。南部永乐店地区由于其经济发展相对较弱,水环境和生态与环境指标均较差,因此,该地区综合评分较低。承载力综合评级在区内空间差异不是很明显,除了城区比其它乡镇的承载力明显要高之外,大部分地区均为中等承载力水平(图4)。城区较高的水资源承载力主要是由于其较高的经济发展水平和生态与环境的良好恢复,从而导致社会经济评价结果和生态与环境评价结果明显升高所致。2020年通州区水资源综合承载力水平比现状年和2010年有了极大的提高,水资源承载力综合评分介于0.54~0.66之间(图5),大部分地区的承载力综合评级都在较强承载级别(图6),区内水资源承载力空间差异表现出以城区为中心逐渐向东南方向减弱。4水资源环境综合评价指标体系水资源承载力空间差异分析结果显示,通州区内部水资源承载力与区域发展水平的差异一致,由城区到远郊,水资源承载力呈逐渐减弱趋势。水资源承载力综合评分2003年在0.25~0.40之间、2010年在0.40~0.55之间、2020年在0.50~0.70之间,高值区集中在新城及其附近辐射地区,伴随城区不断发展,影响范围扩大,预测通州区到2020年水资源承载力综合评级在区内空间差异不明显,多数地区处于很强级别。