李小桐，于 格，鄭諭瑩

(中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

在以全球變暖為主要特征的氣候變化背景下，水資源短缺問題日益加劇[1]：氣溫升高會(huì)增加水量蒸發(fā)損失率，降水波動(dòng)會(huì)改變地表徑流，極端事件頻發(fā)會(huì)加劇水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)[2]。因此，開展氣候變化背景下區(qū)域水資源供給量的預(yù)估研究，對(duì)解決水資源供需矛盾、合理規(guī)劃和配置水資源具有一定的實(shí)踐意義。目前，在區(qū)域水資源供給預(yù)估研究中，根據(jù)對(duì)供給量預(yù)測(cè)方法的不同，大致可歸納為兩種：一是機(jī)理模型法，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[3]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[4]、灰色模型[5]等，二是統(tǒng)計(jì)模型法[6-9]。其中，機(jī)理模型法對(duì)輸入變量和參數(shù)的專業(yè)性要求較高，而統(tǒng)計(jì)模型則對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的可獲得性要求較高。

青島市作為中國(guó)北方缺水城市的典型代表之一，長(zhǎng)期遭受水資源短缺的困擾，多年平均人均水資源量?jī)H為全國(guó)平均水平的11%，隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的快速發(fā)展，青島市水資源供需矛盾問題愈發(fā)突出?，F(xiàn)階段，青島市的水資源供給主要來源于兩個(gè)渠道：一是本地水資源供給，二是客水調(diào)引供給。其中，對(duì)于青島市而言，本地水資源的主要來源為大氣降水,大氣降水的周期變化會(huì)影響地表水資源和地下水資源量的水位變化。相關(guān)研究顯示[10-11]，在氣候變化背景下，未來青島市將呈現(xiàn)氣溫攀升及降水量整體下降的趨勢(shì)，且降雨分布的空間異質(zhì)性增加，干旱型缺水問題將更加嚴(yán)重。因此，預(yù)估氣候變化背景下本地水資源的供給能力，對(duì)青島市未來水資源配置和客水調(diào)引數(shù)量確定及分配等工作而言，都具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)青島市水資源本地供給的特點(diǎn)，本文將統(tǒng)計(jì)模型法與機(jī)理模型法有機(jī)結(jié)合，基于區(qū)域水資源水量平衡原理，構(gòu)建基于地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)的青島市本地水資源供給預(yù)估方法；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)氣候變化及其影響的不確定性，設(shè)置不同的自然補(bǔ)給情景，對(duì)未來青島市本地水資源的供給及其空間異質(zhì)性進(jìn)行有效預(yù)估及分析，以期為未來青島市合理配置水資源和適應(yīng)氣候變化工作提供一定的技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

青島市地處山東半島南部，位于119°30′E～121°00′E、35°35′N～37°09′N，東、南瀕臨黃海。青島市現(xiàn)轄市南區(qū)、市北區(qū)、李滄區(qū)、嶗山區(qū)、西海岸新區(qū)、城陽區(qū)、即墨區(qū)、膠州市、平度市、萊西市10個(gè)行政區(qū)(見圖1)。青島市屬北溫帶季風(fēng)區(qū)域，具有顯著的海洋性氣候特點(diǎn)。據(jù)氣象資料[12]顯示，青島市的多年平均氣溫12.2 ℃，呈現(xiàn)氣溫波動(dòng)上升趨勢(shì)；青島市多年平均降水量為687.3 mm，且總體呈波動(dòng)減少趨勢(shì)；降水量的年際、年內(nèi)波動(dòng)性較大，空間差異性明顯，年平均降雨量呈現(xiàn)由西南沿海向內(nèi)陸逐漸遞減規(guī)律。青島市內(nèi)的大小河流共200余條，多為獨(dú)立入海的山溪性小河，可分為大沽河、北膠萊河以及沿海諸河流三大水系，且河流均為季風(fēng)區(qū)雨源型，其徑流量受氣候變化影響較大。

圖1 青島市研究區(qū)概況圖

本文采用的青島市水資源相關(guān)數(shù)據(jù)來源于公報(bào)類資料，主要涉及《青島市志-自然地理志/氣象志》、歷年青島市水資源公報(bào)(2011—2017年)、青島市水源建設(shè)及配置十三五規(guī)劃等。此外，在本文的預(yù)估過程中還使用了以下數(shù)據(jù)：(1)氣象數(shù)據(jù)：1961—2017年青島市7個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)(青島、嶗山、萊西、即墨、平度、膠州、膠南)的氣溫、降雨逐日數(shù)據(jù)，該部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于國(guó)家氣象信息中心及青島氣象局，并經(jīng)過質(zhì)量檢驗(yàn)和控制；(2)青島市土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)：由Landsat 8 OLI_TIRS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)(http://www.gscloud.cn/)解譯獲得；(3)未來情景下青島市土地利用數(shù)據(jù)：參考《青島市城市環(huán)境總體規(guī)劃(2016—2030年)》，根據(jù)2030年的青島市土地利用分類規(guī)劃圖，在土地利用現(xiàn)狀基礎(chǔ)上參照管控區(qū)、控制區(qū)范圍進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整；(4)土壤數(shù)據(jù)：采用1∶100萬的世界土壤數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database version 1.1)中的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織[13]。

2 研究方法

本文針對(duì)青島市本地水資源供給特點(diǎn)，根據(jù)不同情景下區(qū)域水量平衡原理，利用GIS的空間分析和地統(tǒng)計(jì)分析功能，構(gòu)建了基于GIS的青島市本地水資源供給預(yù)估方法。

2.1 不同情景下區(qū)域水量平衡原理

2.1.1 水量平衡原理 本文按照分區(qū)統(tǒng)計(jì)的思路，將可利用降水作為主要自變量，探究青島市本地水資源供給對(duì)可利用降水量的響應(yīng)；并在此基礎(chǔ)上，考慮氣候變化及其影響的不確定性，設(shè)置不同的自然補(bǔ)給情景，構(gòu)建青島市本地水資源供給的區(qū)域水量平衡原理。其中需要說明的是，考慮預(yù)估局限性，本文參照氣候變化預(yù)估時(shí)限的中期預(yù)測(cè)方案(非短期預(yù)測(cè)或長(zhǎng)期預(yù)測(cè))[14-15]，將2030年作為目標(biāo)年，并假定在短中期內(nèi)地下水開采等其他人為因素不發(fā)生明顯改變。

2.1.1.1 區(qū)域水量平衡原理 在區(qū)域尺度上，由于地表水和地下水存在著相互補(bǔ)排、轉(zhuǎn)化和循環(huán)等過程，地表水資源和地下水資源之間存在會(huì)被重復(fù)計(jì)算的水量，因此在計(jì)算區(qū)域水資源總量的過程中，需要扣除這部分重復(fù)計(jì)算量。針對(duì)青島市實(shí)際狀況，本地水資源量的區(qū)域水量平衡基本公式可以簡(jiǎn)化為：

W=Q+U-D。

(1)

其中：W表示多年平均水資源總量，m3；Q表示多年平均徑流量，即地表水資源量，m3；U為多年平均地下水補(bǔ)給量，即地下水資源量，m3；D為地表水與地下水之間相互轉(zhuǎn)化的重復(fù)計(jì)算量，m3。

2.1.1.2 以可利用降水量主要自變量的區(qū)域水量平衡原理 對(duì)于青島市而言，大氣降水是主要的自然補(bǔ)給來源。但是，大氣降水因存在蒸發(fā)等影響不能被全部利用，從降水總量中減去因蒸發(fā)而減少的水量，剩余的降水量才是真正能夠被實(shí)際利用的大氣降水，這部分降水量被稱之為可利用降水量[16-17]。可利用降水量是本地水資源實(shí)際補(bǔ)給量，并轉(zhuǎn)化為地表徑流和地下補(bǔ)給的增加量，因此針對(duì)青島市而言，水量平衡基本公式可以被認(rèn)為是以可利用降水量為自變量的水量平衡公式：

W(H)=Q(H)+U(H)-D(H)。

(2)

式中:H表示可利用降水量，mm；W(H)表示本地水資源總量，m3；Q(H)、U(H)、D(H)分別表現(xiàn)地表水、地下水及重復(fù)計(jì)算量對(duì)可利用降水量的響應(yīng)，以m3為計(jì)算單位，具體的計(jì)算方法將在后續(xù)小節(jié)中詳細(xì)介紹。

由于氣候變化及其對(duì)水資源影響的不確定性，在進(jìn)行未來情景下水資源量預(yù)估時(shí)，本文設(shè)置了針對(duì)可利用降水量的未來情景(Hi)，并參照《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T 22482-2008)，將未來情景細(xì)化為三種，分別為平均狀態(tài)情景、偏枯狀態(tài)情景、偏豐狀態(tài)情景。故水量平衡公式進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為：

(3)

即

(4)

2.1.2 可利用降水量

2.1.2.1 可利用降水量的計(jì)算與預(yù)估 作為區(qū)域水量平衡公式中的重要因子——可利用降水量，實(shí)際上就是降水量減去蒸發(fā)量剩余的降水量，因此可利用降水量的計(jì)算可通過降水量與蒸發(fā)量的差值獲取。

其中，降水量(P)可以直接從各氣象站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中得到；對(duì)于蒸發(fā)量而言，在實(shí)際預(yù)估過程中，由于其易受監(jiān)測(cè)手段和方法等的影響，經(jīng)驗(yàn)公式法成為估算蒸發(fā)量的常用方法[18-19]。本文利用高橋浩一郎經(jīng)驗(yàn)公式[20]，從影響蒸發(fā)的兩大物理影響因素(氣溫、降水)著手，間接進(jìn)行估算。

(5)

式中:Em為月蒸發(fā)量(mm)；Pm為月降水量(mm)；Tm月平均氣溫(℃)。本文按照行政區(qū)分別統(tǒng)計(jì)各代表測(cè)站點(diǎn)的月平均氣溫及月降水量，計(jì)算得到各行政區(qū)的年平均蒸發(fā)量E(mm)，因此區(qū)域年可利用降水量則可以表示為：

(6)

對(duì)于可利用降水量的預(yù)估而言，目前常用的預(yù)估方法有統(tǒng)計(jì)方法[21]、動(dòng)力模式方法[22]等。根據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)精度的要求，本文采用了趨勢(shì)外推法[23](屬于統(tǒng)計(jì)方法類別)對(duì)可利用降水量的基本趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)估。在假定到2030年青島市的氣候變化基本趨勢(shì)不發(fā)生顯著性變化的情況下，本文利用長(zhǎng)時(shí)間序列(1961—2017年)的可利用降水量數(shù)據(jù)，采用趨勢(shì)外延法，得到2030年各氣象站點(diǎn)的可利用降水量預(yù)估值。

2.1.2.2 降水補(bǔ)給情景的劃分 本文參照《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》，利用距平百分比法[24-25]，對(duì)可利用降水量進(jìn)行情景劃分。平水等級(jí)(-10%<距平≤10%)對(duì)應(yīng)的可利用降水量預(yù)估值為H1，將H1對(duì)應(yīng)的降水補(bǔ)給情景稱為歷史趨勢(shì)情景；偏枯等級(jí)(-10%<距平≤-20%)對(duì)應(yīng)的可利用降水預(yù)估值為H2，將H2對(duì)應(yīng)的降水補(bǔ)給情景稱為偏枯狀態(tài)情景；偏豐等級(jí)(10%<距平≤20%)對(duì)應(yīng)的可利用降水預(yù)估值為H3，將H3對(duì)應(yīng)的降水補(bǔ)給情景稱為偏豐狀態(tài)情景。其中，H1由趨勢(shì)外延法得到，并根據(jù)各等級(jí)的距平范圍，將H2、H3確定為相較H1發(fā)生±30%波動(dòng)的預(yù)估值。

2.1.3 本地水資源供給對(duì)可利用降水量的響應(yīng)

2.1.3.1 地表水補(bǔ)給量 本文參照相關(guān)研究[26-27]，采用經(jīng)典的美國(guó)農(nóng)業(yè)部的徑流曲線法(Soil Conservation Service-Curve Number Method，SCS-CN)，估算由可利用降水量產(chǎn)生的地表徑流量，即地表水補(bǔ)給量，則可以將地表徑流的估算公式寫作：

其中

(7)

式中:H為上文提到的可利用降水量，mm；Q(H)表示對(duì)可利用降水量響應(yīng)的地表水補(bǔ)給量，m3；A表示地表水補(bǔ)給面積，km2；S為潛在最大持流量，mm；CN為反映區(qū)域特性的無量綱綜合參數(shù)，表示形成地表徑流的能力。

2.1.3.2 地下水補(bǔ)給量 地下水補(bǔ)給量是指降水入滲土壤后由于重力作用下滲補(bǔ)給地下水的量。針對(duì)地下水補(bǔ)給，結(jié)合土地利用類型，根據(jù)大氣降水入滲補(bǔ)給量計(jì)算方法(Precipitation Infiltration Recharge Calculation Based on Landuse Type，PIRCL)[28-29]，計(jì)算地下水入滲補(bǔ)給量。計(jì)算公式為：

U(H)=α×H×F×103。

(8)

其中:U(H)表示對(duì)可利用降水量響應(yīng)的地下水補(bǔ)給量，m3；F表示可入滲面面積，km2；α表示無量綱的大氣降水入滲補(bǔ)給系數(shù)，它與土地利用情況有密切關(guān)系。

2.1.3.3 重復(fù)計(jì)算量 根據(jù)相關(guān)研究，區(qū)域地表水和地下水的重復(fù)計(jì)算量與地形地貌具有一定的相關(guān)性[30-31]。假定在預(yù)測(cè)期內(nèi)，地形地貌不發(fā)生變化，則：

D(H)=D(Q(H),U(H))=a×Q(H)+b×U(H)+c。

(9)

式中:D(H)表示對(duì)可利用降水量響應(yīng)的重復(fù)計(jì)算量；系數(shù)a、b分別代表與地表水、地下水的相關(guān)性系數(shù)，c表示公式中的常系數(shù)。

2.2 基于GIS的青島市本地水資源供給預(yù)估步驟

根據(jù)不同情景下區(qū)域水量平衡原理，本文運(yùn)用GIS的統(tǒng)計(jì)功能和空間分析功能，對(duì)不同情景下青島市各行政單元的本地水資源供給進(jìn)行預(yù)估，主要步驟如下：

2.2.1 研究區(qū)的合并與劃分 本文以青島市所屬的行政區(qū)劃分研究單元，并綜合考慮行政區(qū)劃的歷史變革，將青島市共劃為市內(nèi)三區(qū)(市南區(qū)、市北區(qū)、李滄區(qū))、嶗山區(qū)、西海岸新區(qū)、城陽區(qū)、即墨區(qū)、膠州市、平度市、萊西市共八個(gè)研究單元。

2.2.2 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理 本文使用的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)主要分為三類：氣象空間數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)。(1)針對(duì)氣象空間數(shù)據(jù)，在氣象站歷史逐日氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上，將計(jì)算得出的氣象數(shù)據(jù)與經(jīng)緯度信息關(guān)聯(lián)，在GIS平臺(tái)上，通過創(chuàng)建事件圖層，實(shí)現(xiàn)文本數(shù)據(jù)向空間點(diǎn)要素的轉(zhuǎn)化；(2)針對(duì)土地利用數(shù)據(jù)，在遙感影像輻射校正、幾何校正等預(yù)處理基礎(chǔ)上，采用監(jiān)督分類的方法解譯，并利用GIS平臺(tái)對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行矢量化、預(yù)測(cè)期土地利用變化調(diào)整等操作；(3)針對(duì)土壤類型數(shù)據(jù)，在獲取世界土壤數(shù)據(jù)的中國(guó)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)處理，利用GIS平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相應(yīng)的空間分析，并得到土壤信息的柵格數(shù)據(jù)。

2.2.3 CN值與入滲系數(shù)的計(jì)算 (1)對(duì)于地表徑流補(bǔ)給量計(jì)算中所需的CN值，結(jié)合青島市土地利用類型、植被覆蓋度、土壤類型等因素，對(duì)應(yīng)水文土壤組的屬性劃分，查表獲取(見《美國(guó)國(guó)家工程手冊(cè)》[32])。在此基礎(chǔ)上利用GIS平臺(tái)的條件函數(shù)及重分類工具，完成CN值的柵格賦值；(2)對(duì)地下水入滲補(bǔ)給量計(jì)算中涉及到的入滲補(bǔ)給系數(shù)α，參照相關(guān)文獻(xiàn)[28-29]，按照青島市植被與土地利用分布特征，劃分水域、可入滲地面、硬化地面三類土地利用類型分別賦值。對(duì)于小數(shù)型α值，結(jié)合柵格重分類與柵格運(yùn)算完成小數(shù)型轉(zhuǎn)換。

2.2.4 水資源數(shù)據(jù)的柵格化與計(jì)算 由公報(bào)資料所獲取的水資源數(shù)據(jù)多為文本數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)基于GIS的多數(shù)據(jù)融合，本文利用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、矢量轉(zhuǎn)柵格等操作實(shí)現(xiàn)水資源數(shù)據(jù)的空間化，主要涉及：各研究單元的多年平均水資源量、地表地下水重復(fù)計(jì)算量的函數(shù)關(guān)系常量等。并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同情景下區(qū)域水量平衡原理，借助于GIS的柵格計(jì)算器、分區(qū)統(tǒng)計(jì)、多值提取至點(diǎn)等功能進(jìn)行空間運(yùn)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 青島市本地水資源供給的預(yù)估

3.1.1 不同情景下預(yù)估結(jié)果 利用上述的預(yù)估方法，本文對(duì)2030年青島市本地水資源供給量進(jìn)行了預(yù)估，得到了在歷史趨勢(shì)、偏枯狀態(tài)、偏豐狀態(tài)三種情景下，青島市本地水資源供給的預(yù)估結(jié)果(見表1)。其中利用各行政單元的貢獻(xiàn)率分別表示各行政單元本地水資源供給的預(yù)估量對(duì)青島市本地水資源預(yù)估總量的貢獻(xiàn)程度。

表1 2030年青島市本地水資源供給預(yù)估結(jié)果

3.1.1.1 歷史趨勢(shì)情景 歷史趨勢(shì)情景下的青島市可利用降水量呈減少趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2030年，全市本地水資源預(yù)估總量約108 220.0萬m3。從各行政單元的貢獻(xiàn)率來看，各行政單元對(duì)本地水資源預(yù)估總量的貢獻(xiàn)率差異較大，表現(xiàn)為西海岸新區(qū)>平度市>萊西市>膠州市>嶗山區(qū)>即墨區(qū)>城陽區(qū)>市內(nèi)三區(qū)，其中西海岸新區(qū)和平度市兩地的貢獻(xiàn)率超50.0%，而市內(nèi)三區(qū)及城陽區(qū)兩地的貢獻(xiàn)率卻不足4.0%。

3.1.1.2 偏枯狀態(tài)情景 偏枯狀態(tài)情景下的青島市可利用降水的減少程度加劇，對(duì)本地水源的補(bǔ)給明顯減少。青島市本地水資源預(yù)估總量約41 611.2萬m3，僅約占?xì)v史趨勢(shì)情景預(yù)估總量的38.5%。從各行政單元的貢獻(xiàn)率來看，從大到小為西海岸新區(qū)>嶗山區(qū)>市內(nèi)三區(qū)>膠州市>城陽區(qū)>萊西市>平度市>即墨區(qū)。對(duì)比歷史趨勢(shì)情景，各行政單元之間的貢獻(xiàn)率差異增加，其中貢獻(xiàn)率增加的行政單元為西海岸新區(qū)、嶗山區(qū)、市內(nèi)三區(qū)及城陽區(qū)，西海岸新區(qū)貢獻(xiàn)率達(dá)59.4%，而下降明顯的即墨區(qū)與平度區(qū)卻出現(xiàn)了貢獻(xiàn)率負(fù)值，表現(xiàn)出本地水資源的供給不足。

3.1.1.3 偏豐狀態(tài)情景 偏豐狀態(tài)情景下，除西海岸新區(qū)的可利用降水量略有增加外，青島市其他行政單元的可利用降水量值仍呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。全市本地水資源預(yù)估總量為177 459.7萬m3，約為歷史趨勢(shì)情景預(yù)估總量的1.64倍。從各行政單元的貢獻(xiàn)率來看，貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為西海岸新區(qū)>平度市>萊西市>即墨區(qū)>膠州市>嶗山區(qū)>城陽區(qū)>市內(nèi)三區(qū)。對(duì)比歷史趨勢(shì)及偏狀態(tài)兩種情景，各行政單元之間的供給率差異減小，其中，貢獻(xiàn)率增加的行政單元均集中在即墨區(qū)、膠州市、平度市及萊西市，下降明顯的西海岸新區(qū)的貢獻(xiàn)率與平均貢獻(xiàn)率更加接近。

3.1.2 預(yù)估結(jié)果的變化量 本文根據(jù)上述不同情景下的預(yù)估結(jié)果，對(duì)比青島市多年平均水資源量，對(duì)青島市本地水資源供給的預(yù)估結(jié)果從數(shù)量變化上進(jìn)行了比較。如圖2所示，利用預(yù)估得到的不同情景下青島全市及各行政單元水資源供給的預(yù)估結(jié)果，分別與其各自的多年平均水資源量進(jìn)行差值運(yùn)算，得到本地水資源供給的情景預(yù)估結(jié)果較多年平均水資源量的變化量，下文簡(jiǎn)稱變化量。

圖2 青島市2030年本地水資源供給的預(yù)估量較多年平均水資源的變化量

從整體來看，在設(shè)置的三種情景中，青島市本地水資源供給整體呈現(xiàn)負(fù)變化量，以偏枯狀態(tài)情景最為顯著。偏枯情景下全市本地水資源供給的變化量達(dá)-106 577.0萬m3，約為歷史趨勢(shì)情景變化量的1.6倍、偏豐狀態(tài)情景變化量的4.6倍。

從各行政單元來看，在同一情景下的青島市各行政單元本地水資源供給的變化量差異較大。綜合來說，各行政單元變化量的絕對(duì)值從大到小依次為平度市、即墨區(qū)、萊西市、膠州市、西海岸新區(qū)、城陽區(qū)、嶗山區(qū)、市內(nèi)三區(qū)，歷史趨勢(shì)情景及偏枯狀態(tài)情景下的變化量絕對(duì)值排序與其保持一致。但在偏豐狀態(tài)情景下，西海岸新區(qū)呈現(xiàn)唯一的正變化量，變化量的絕對(duì)值排序則變?yōu)榧茨珔^(qū)>平度市>萊西市>城陽區(qū)>嶗山區(qū)>膠州市>市內(nèi)三區(qū)>西海岸新區(qū)。

3.2 青島市本地水資源供給的空間分析

3.2.1 不同情景下預(yù)估量的空間分布 在對(duì)青島市本地水資源供給的預(yù)估結(jié)果(預(yù)估量)數(shù)量關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，本文對(duì)未來青島市預(yù)估量的空間分布進(jìn)行了探討。如圖3所示，預(yù)測(cè)到2030年青島市本地水資源供給的預(yù)估量在歷史趨勢(shì)、偏枯狀態(tài)、偏豐狀態(tài)三種情景下呈現(xiàn)不同的空間分布特征：

圖3 歷史趨勢(shì)情景(a)、偏枯狀態(tài)情景(b)、偏豐狀態(tài)情景(c)下青島市本地水資源供給的預(yù)估量(單位：104 m3)

3.2.1.1 歷史趨勢(shì)情景 歷史趨勢(shì)情景下的青島市本地水資源供給的預(yù)估量整體呈西多東少的空間分布特征，預(yù)估量的高值地區(qū)主要分布在西海岸新區(qū)東部以及平度市中部，預(yù)估量的低值地區(qū)則主要分布于城陽區(qū)的東西兩側(cè)。從各個(gè)行政單元來說，歷史趨勢(shì)情景下的各行政單元之間的本地水資源預(yù)估量差別較大，根據(jù)行政單元的平均預(yù)估量(萬m3)，呈現(xiàn)西海岸新區(qū)(37 928.3)>平度市(20 814.9)>萊西市(11 605.7)>膠州市(11 353.7)>嶗山區(qū)(11 290.7)>即墨區(qū)(7 604.0)>城陽區(qū)(3 943.1)>市內(nèi)三區(qū)(3 679.7)的分布特征。就行政單元內(nèi)部的空間差異性來說，主要的空間分布特征如下：西海岸新區(qū)、膠州市的預(yù)估量呈東多西少趨勢(shì)；即墨、市內(nèi)三區(qū)及嶗山呈南多北少趨勢(shì)；城陽區(qū)與平度市呈現(xiàn)中心多外側(cè)少的特點(diǎn)；萊西市則呈現(xiàn)沿流域(大沽河)向外減少的分布特點(diǎn)。

3.2.1.2 偏枯狀態(tài)情景 偏枯狀態(tài)情景下的青島市本地水資源供給的預(yù)估量整體呈南多北少的空間分布特征，預(yù)估量的高值地區(qū)仍集中在西海岸的東部，而預(yù)估量的低值地區(qū)則集中于即墨區(qū)的北部。從各個(gè)行政單元來說，偏枯狀態(tài)情景下的各行政單元的本地水資源呈現(xiàn)偏枯趨勢(shì)，但較歷史趨勢(shì)情景預(yù)估量差別縮小，根據(jù)行政單元的平均預(yù)估量(萬m3)，呈現(xiàn)西海岸新區(qū)(24 728.9)>嶗山區(qū)(10 533.1)>市內(nèi)三區(qū)(3 601.1)>膠州市(3 079.0)>城陽區(qū)(2 937.7)>萊西市(1 589.4)>平度市(-424.6)>即墨區(qū)(-4 433.4)的分布特征。且行政單元內(nèi)部的空間分布特征與歷史趨勢(shì)情景下的內(nèi)部分布特征基本一致，但內(nèi)部的空間差異性增加，表現(xiàn)為即墨區(qū)南北部、萊西流域內(nèi)外部、與平度市中心/外側(cè)區(qū)域預(yù)估量的差異增加。

3.2.1.3 偏豐狀態(tài)情景 偏豐狀態(tài)情景下的青島市本地水資源供給的預(yù)估量整體分布特征與歷史趨勢(shì)情景相同，呈西多東少的空間分布特征。預(yù)估量的高值地區(qū)主要集中在西海岸的西南部，預(yù)估量的低值地區(qū)則主要分布于城陽區(qū)的東西兩側(cè)。從各個(gè)行政單元來說，偏枯狀態(tài)情景下的各行政單元的本地水資源呈現(xiàn)偏枯趨勢(shì)，但較歷史趨勢(shì)情景預(yù)估量差別縮小，根據(jù)行政單元的平均預(yù)估量(萬m3)，呈現(xiàn)西海岸新區(qū)(51 267.4)>平度市(43 009.3)>萊西市(22 046.2)>即墨區(qū)(20 198.1)>膠州市(20 055.4)>嶗山區(qū)(12 081.0)>城陽區(qū)(5 037.3)>市內(nèi)三區(qū)(3 765.1)的分布特征。就行政單元內(nèi)部的空間差異性來說，除西海岸新區(qū)外，其他行政單元內(nèi)部的空間分布特征與歷史趨勢(shì)、偏枯狀態(tài)情景下基本一致，而西海岸新區(qū)預(yù)估量的空間分布特征則與另外兩種情景相反，呈東多西少的空間分布特征。同時(shí)，行政單元內(nèi)部的空間差異性相對(duì)縮小，即墨區(qū)的南北部、萊西的流域內(nèi)外部及平度市的中心與外側(cè)區(qū)域尤為明顯。

綜上所述，在未來不同的氣候變化背景下，青島市本地水資源供給的預(yù)估量無論在整體還是行政單元內(nèi)部，均呈現(xiàn)較大的空間差異性，這使得未來青島市本地水資源供給在氣候變化背景下的空間不均衡性增加。從預(yù)估量的整體空間分布特征來看，未來青島市本地水資源供給的預(yù)估量大致呈西多東少、南多北少的空間分布特征；各行政單元的預(yù)估量分布來看，各行政單元之間的預(yù)估量差異性明顯，綜合三種不同情況的本地水資源平均預(yù)估量(萬m3)，呈現(xiàn)西海岸新區(qū)(37 974.8)>平度市(21 133.2)>萊西市(11 747.1)>膠州市(11 496.0)>嶗山區(qū)(11 301.6)>即墨區(qū)(7 789.6)>城陽區(qū)(3 972.7)>市內(nèi)三區(qū)(3 682.0)的空間分布特征；且行政單元內(nèi)部的空間分布特征各異，預(yù)估量的高值地區(qū)主要集中在西海岸新區(qū)，預(yù)估量的低值地區(qū)則主要分布于城陽區(qū)或偏枯狀態(tài)情景下的即墨區(qū)。

3.2.2 預(yù)估量變化率的空間分布 為進(jìn)一步探討青島市本地水資源供給的預(yù)估量在不同情景下的空間異質(zhì)性，本文對(duì)預(yù)估量較多年平均水資源量的變化率(簡(jiǎn)稱變化率)的空間分布特征進(jìn)行如下分析。

從整體來看，青島市的預(yù)估量變化率主要在負(fù)值范圍內(nèi)波動(dòng)，呈現(xiàn)預(yù)估量的下降趨勢(shì)，且在設(shè)置的三種情景下差異性明顯。根據(jù)變化率絕對(duì)值對(duì)比發(fā)現(xiàn)：歷史趨勢(shì)情景下，全市平均變化率約為-45.5%，變化率絕對(duì)值的高值地區(qū)分布于城陽區(qū)的東西兩側(cè)，而低值地區(qū)主要分布于西海岸新區(qū)東部以及市內(nèi)三區(qū)；偏枯趨勢(shì)情景下，全市平均變化率約為-69.7%，變化率絕對(duì)值的高值地區(qū)主要分布于即墨區(qū)北部以及城陽區(qū)的東西兩側(cè)，而低值地區(qū)仍分布于西海岸新區(qū)東部以及市內(nèi)三區(qū)；偏豐趨勢(shì)情景下，全市平均變化率約為-20.2%，變化率絕對(duì)值的高值地區(qū)分布在城陽區(qū)的東西兩側(cè)外，而低值地區(qū)則變?yōu)槲骱０缎聟^(qū)的西南部。

從各行政單元來看，在同一情景下各行政單元的預(yù)估量變化率差異較大。綜合三種情景來說，行政單元中預(yù)估量變化率最明顯的為城陽區(qū)的東西兩側(cè)以及即墨區(qū)北部。根據(jù)變化率的空間分布情況，在歷史趨勢(shì)情景下，未來本地水資源預(yù)估量變化程度呈現(xiàn)即墨區(qū)(-77.4%)>城陽區(qū)(-65.1%)>萊西市(-61.7%)>平度市(-59.8%)>膠州市(-45.5%)>嶗山區(qū)(-30.7%)>西海岸新區(qū)(-18.2%)>市內(nèi)三區(qū)(-5.2%)的特征；在偏枯狀態(tài)情景下，青島市北部的變化率較歷史趨勢(shì)情景絕對(duì)值增加明顯，未來本地水資源預(yù)估量變化排序則變?yōu)榧茨珔^(qū)(-113.2%)>平度市(-100.8%)>萊西市(-94.8%)>膠州市(-85.2%)>城陽區(qū)(-74.0%)>西海岸新區(qū)(-46.6%)>嶗山區(qū)(-35.4%)>市內(nèi)三區(qū)(-7.2%)；在偏豐狀態(tài)情景下，各行政單元的變化率波動(dòng)較大，青島市北部、中部地區(qū)負(fù)值變化率呈現(xiàn)增加，南部西海岸地區(qū)的變化率變?yōu)檎?，故呈現(xiàn)城陽區(qū)(-55.4%)>即墨區(qū)(-40.0%)>萊西市(-27.3%)>嶗山區(qū)(-25.9%)>平度市(-17.0%)>膠州市(-3.7%)>市內(nèi)三區(qū)(-3.0%)>西海岸新區(qū)(10.6%)的變化程度分布特征(見圖4)。

圖4 歷史趨勢(shì)情景(a)、偏枯狀態(tài)情景(b)、偏豐狀態(tài)情景(c)下青島市本地水資源供給的預(yù)估量較多年平均水資源量變化率(單位：%)

綜上所述，從各行政單元預(yù)估量較多年平均水資源量的變化率分布來看，同一情景下行政單元內(nèi)部的不同區(qū)域、與不同情景下行政單元內(nèi)部的同一區(qū)域變化率的差異性均較明顯。從前者同一情景下的差異性來看，變化程度較高的區(qū)域主要集中于本地水資源供給相對(duì)匱乏且城市化程度較高的市內(nèi)三區(qū)、城陽區(qū)的東西兩側(cè)以及西海岸新區(qū)東部；從后者不同情景下的差異性來看，變化率絕對(duì)值超過80%的區(qū)域主要集中在第一產(chǎn)業(yè)占比較大的即墨區(qū)、平度市、萊西市、膠州市，以偏枯狀態(tài)情景時(shí)的變化程度最為顯著。

4 結(jié)語

從區(qū)域尺度上來看，本地水資源的供給是影響整個(gè)區(qū)域水資源供給和供需平衡的根本因素之一，對(duì)于水資源匱乏且仍處于快速城市化的北方城市尤其如此。氣候變化背景下，未來水資源的供給將更加嚴(yán)峻，因此關(guān)注本地水資源供給及其空間異質(zhì)性，將對(duì)未來水資源配置和適應(yīng)氣候變化工作起到重要的基礎(chǔ)性作用。

本文從可利用降水量為切入點(diǎn)，利用水量平衡原理，構(gòu)建了基于GIS的本地水資源供給預(yù)估方法，對(duì)未來青島市本地水資源供給及其空間異質(zhì)性進(jìn)行有效預(yù)估及分析。結(jié)果顯示，在無論何種自然補(bǔ)給情景的氣候變化背景下，青島市本地水資源供給將持續(xù)出現(xiàn)供給短缺且不均衡分布的特點(diǎn)。且對(duì)于青島市而言，雖然氣候變化及其對(duì)水資源影響存在著較大的不確定性，但結(jié)合青島市氣象水文歷史統(tǒng)計(jì)資料和相關(guān)氣候模擬結(jié)果來看，未來青島市自然補(bǔ)給呈現(xiàn)較大可能性的偏枯狀態(tài)趨勢(shì)，本地水資源供給面臨的挑戰(zhàn)將更加嚴(yán)峻。因此在今后的水資源調(diào)配過程中，不僅要關(guān)注需求量，同時(shí)也要關(guān)注氣候變化影響下本地水資源供給的空間差異性，特別是供需短缺嚴(yán)峻的區(qū)域，以達(dá)到將水資源配置與適應(yīng)氣候變化工作有機(jī)結(jié)合的目的。

致謝：特別感謝中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院江文勝教授、彭輝副教授、以及中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院許吟隆研究員對(duì)本文思路及方法的指導(dǎo)！