山西省水資源脆弱性時(shí)空分析評(píng)價(jià)研究

杜 娟 娟

(山西省水利水電科學(xué)研究院, 太原 030002)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源短缺、水質(zhì)惡化等問(wèn)題隨之而來(lái)，尤其在水資源相對(duì)匱乏的許多地區(qū)，水資源開(kāi)發(fā)利用的程度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于了當(dāng)?shù)氐乃Y源承載能力，水資源危機(jī)已越來(lái)越不容忽視。山西省作為缺水大省，其水資源總量位居全國(guó)倒數(shù)第2，人均水資源占有量?jī)H為381 m3(國(guó)際公認(rèn)的缺水警戒線為1 700 m3)，而水污染問(wèn)題更加加劇了水資源的供需矛盾，加之極端氣候帶來(lái)的影響，使得山西省水資源的脆弱性問(wèn)題更加凸顯[1]。因此，在該區(qū)域進(jìn)行水資源脆弱性評(píng)價(jià)研究，分析水資源變化對(duì)其經(jīng)濟(jì)社會(huì)的響應(yīng)規(guī)律，并提出相應(yīng)的對(duì)策，具有十分重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

水資源的脆弱性可以被定義為當(dāng)面對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)及環(huán)境改變時(shí)水資源系統(tǒng)所表現(xiàn)的弱點(diǎn)及缺陷[2]。早期對(duì)脆弱性的研究主要集中在地下水方面，近年來(lái)，隨著聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署、氣候變化專門委員會(huì)IPCC等部門對(duì)該理論的不斷重視，水資源脆弱性研究已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)及前言問(wèn)題。我國(guó)早期對(duì)水資源脆弱性的研究也大多集中于地下水資源方面，對(duì)地表水的脆弱性研究則起步相對(duì)較晚一些。夏軍等[3]以海河流域?yàn)槔?，研究了變化環(huán)境下的水資源脆弱性及其適應(yīng)性，并提出了新形勢(shì)下的水資源脆弱性與適應(yīng)性管理的新概念及定義。朱怡娟等[4]對(duì)武漢市水資源脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，表明武漢城市圈水資源脆弱性存在著許多的不安全因素，并提出了相應(yīng)的規(guī)劃與管理建議。劉瑜潔[1]也對(duì)京津冀區(qū)域2003-2013年水資源脆弱性進(jìn)行了分析，并結(jié)合南水北調(diào)工程等對(duì)未來(lái)情景下的京津冀地區(qū)的水資源脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。目前，水資源脆弱性的研究無(wú)論是從技術(shù)手段還是評(píng)價(jià)方法上都取得了一定的進(jìn)展，但仍存在一些問(wèn)題，目前的評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究往往具有區(qū)域的特點(diǎn)，在其他空間尺度上的有效適用性相對(duì)較差。因此，本研究在借鑒及參考各研究成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于水資源短缺壓力-發(fā)展壓力-生態(tài)系統(tǒng)健康-水資源生產(chǎn)壓力(簡(jiǎn)稱為RDEP)的水資源脆弱性指標(biāo)框架體系[1,2]，該體系采用與水資源政策息息相關(guān)的指標(biāo)來(lái)量化其應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的脆弱性，且這些指標(biāo)來(lái)源于國(guó)家或省級(jí)的長(zhǎng)系列統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，方便獲取，為其推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)將該成果初步應(yīng)用于山西省全省11個(gè)地市2010-2016年間的水資源脆弱性評(píng)價(jià)當(dāng)中，以期從時(shí)間及空間尺度上對(duì)山西省水資源脆弱性程度做出評(píng)價(jià)，為其后期的水資源綜合管理提供理論依據(jù)。

1 方 法

1.1 水資源脆弱性指標(biāo)體系

根據(jù)構(gòu)建的RDEP指標(biāo)框架體系，水資源脆弱性指標(biāo)WRVI的表達(dá)式為：

WRVI=f(RS,DP,EH,PS)

(1)

式中：RS為水資源短缺壓力指數(shù)；DP為發(fā)展壓力指數(shù)；EH為生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)；PS為水資源生產(chǎn)壓力指數(shù)。

考慮到不同指標(biāo)體系量綱的統(tǒng)一性，對(duì)不同的指標(biāo)進(jìn)行了歸一化處理[5]，各指標(biāo)的值均在0～1的范圍內(nèi)，其中0表示該系統(tǒng)水資源脆弱性的最低值，1表示水資源脆弱性的最高值。

(1)水資源短缺壓力。采用水資源短缺壓力指數(shù)(WRS)來(lái)表征研究區(qū)域的可用水資源量是否可以滿足該地區(qū)的用水需求，該指標(biāo)的表達(dá)式為：

(2)

式中：WRP為人均水資源量，m3/人；1 700 m3/人為國(guó)際公認(rèn)的缺水警戒線。

(2)發(fā)展壓力。發(fā)展壓力采用水資源利用壓力指數(shù)(WRU)和安全飲用水壓力指數(shù)(SDW)來(lái)衡量，表達(dá)式分別為

(3)

(4)

式中：WS為年總的用水量，m3；WR為年總的水資源量，m3；P?為獲得水源改善的人口或者是供水人口；P為年總的人口數(shù)。

(3)生態(tài)系統(tǒng)健康。采用水污染指數(shù)(WP)來(lái)表征生態(tài)系統(tǒng)的健康，反映了廢污水排放程度對(duì)水資源脆弱性的貢獻(xiàn)。該指數(shù)的表達(dá)式為：

(5)

式中：WW為年總的廢污水排放量，m3；0.1表征1單位的廢水可以導(dǎo)致大約10單位未被污染的水不能使用[6]。

(4)水資源生產(chǎn)壓力。采用水分生產(chǎn)能力(WPC)來(lái)表征水資源的生產(chǎn)壓力，表達(dá)式為：

(6)

式中：GDPWW為年度總的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值與總水資源的比值，元/m3；GDPWWm為近10 a內(nèi)該地區(qū)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值與總水資源的比值的平均值，元/m3。

1.2 指標(biāo)權(quán)重確定

水資源脆弱性評(píng)價(jià)的另一項(xiàng)主要工作為指標(biāo)權(quán)重的確定，目前常用的方法為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法，主觀賦權(quán)法主要包括模糊評(píng)價(jià)法、專家賦權(quán)法等，客觀賦權(quán)法包括主成分分析法、變異系數(shù)法、熵值法等。單一的賦權(quán)法具有一定的局限性，因此本文采用主客觀賦權(quán)法相結(jié)合的方法(模糊評(píng)級(jí)法與熵值法)來(lái)確定指標(biāo)的權(quán)重，使評(píng)價(jià)結(jié)果更為合理與客觀。

模糊評(píng)價(jià)模型是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)行的綜合評(píng)價(jià)[7]，表達(dá)式為：

B=A·R

(7)

式中：B為模糊評(píng)價(jià)結(jié)果；A為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重集；R為模糊關(guān)系矩陣；·為模糊合成算子。

(1)模糊矩陣。模糊關(guān)系矩陣R的表達(dá)式為：

(8)

式中：R由標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)成；m為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)；n為被評(píng)價(jià)對(duì)象的個(gè)數(shù)；rjk為隸屬度。

(9)

式中：xjmax為第j項(xiàng)指標(biāo)的最大值；xjmin為第j項(xiàng)指標(biāo)的最小值。

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。熵值法為客觀賦權(quán)法中的一種，根據(jù)熵值計(jì)算結(jié)果來(lái)確定指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，對(duì)于m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，則某一項(xiàng)指標(biāo)的熵的表達(dá)式為：

(10)

(11)

則各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為：

(12)

可得指標(biāo)權(quán)重集A：

A=(a1,a2,…,am)

(13)

(3)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。將模糊指標(biāo)權(quán)重矩陣A與模糊關(guān)系矩陣R通過(guò)合成運(yùn)算·求得模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 山西省水資源脆弱性評(píng)價(jià)

2.1 研究區(qū)概況

山西省位于華北地區(qū)西部，東經(jīng)110°14′～114°33′，北緯34°34′～40°43′，總面積約為15.63 萬(wàn)km2。按地形起伏特點(diǎn)，可將全省分為東部山地區(qū)、西部高原區(qū)和中部盆地區(qū)3大部分。其中中部盆地區(qū)自東北-西南向縱貫全省，由大同、忻州、太原、臨汾、運(yùn)城等一系列雁行式平行排列的地塹型斷陷盆地組成，高程自北向南梯級(jí)下降，大同盆地1 050 m，太原盆地750 m，至運(yùn)城盆地降為400 m。

山西水資源主要來(lái)源于降水，其多年平均降雨量約為508.8 mm，全省多年平均水資源總量為123.8 億m3(據(jù)山西省第2次水資源評(píng)價(jià))，人均水資源占有量?jī)H為381 m3，屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)。同時(shí)，山西省也屬于水質(zhì)型缺水省份，據(jù)《2010年山西省水資源公報(bào)》顯示： 25處重點(diǎn)河段中，有19處為重度污染(劣Ⅴ類)，占76.0%；16條主要河流評(píng)價(jià)河長(zhǎng)1 432.9 km，污染河長(zhǎng)1 179.4 km；參與評(píng)價(jià)的水功能區(qū)22個(gè)，達(dá)標(biāo)的僅4個(gè)，達(dá)標(biāo)率為18.2%。2016年山西省的主要河流污染形式依然嚴(yán)峻，25處重點(diǎn)河段中，有15處為重度污染(劣Ⅴ類)，占60.0%；參與評(píng)價(jià)的水功能區(qū)83個(gè)，達(dá)標(biāo)的僅43個(gè)，達(dá)標(biāo)率為51.8%，全省地表水水質(zhì)屬中度污染。同2010年相比，隨著最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”和生態(tài)文明建設(shè)的逐步推進(jìn)實(shí)施，山西省水質(zhì)狀況有好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，但其水質(zhì)狀況仍不容樂(lè)觀。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

各指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源于2010-2016年的《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《山西省水資源公報(bào)》以及各地市的《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》、《環(huán)境狀況公報(bào)》等。

2.3 各指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)構(gòu)建的指標(biāo)體系，對(duì)山西省2010-2016年的5個(gè)水資源脆弱性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知，山西省11個(gè)地市的水資源短缺壓力指數(shù)及安全飲用水壓力指數(shù)年際變化規(guī)律不明顯；太原市、運(yùn)城市、大同市的水短缺壓力及水資源利用壓力最大，晉城市、忻州市相對(duì)壓力較小；安全引用水壓力指數(shù)各個(gè)地市都較低，說(shuō)明山西省各地市的引水問(wèn)題都能得到保障；太原市、大同市、陽(yáng)泉市的水污染壓力最大，忻州市、呂梁市壓力較??；水分生產(chǎn)能力壓力指數(shù)分布在0～0.7，太原市、陽(yáng)泉市、朔州市壓力最小。

圖1 山西省各地市2010-2016年水資源脆弱性指標(biāo)Fig.1 Index of water resource vulnerability in various cities of Shanxi Province from 2010 to 2016

2.4 水資源脆弱度的閾值

結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果的數(shù)值分布及專家經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定不同等級(jí)的水資源脆弱程度閾值，將水資源脆弱性程度劃分為4個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表1。

表1 水資源脆弱性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Evaluation criteria for water resource vulnerability

3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

綜合以上指標(biāo)結(jié)果，采用基于熵權(quán)法的模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法求得各指標(biāo)的權(quán)重，并進(jìn)行水資源脆弱性綜合計(jì)算，見(jiàn)表2，并繪制了2010、2013、2016年3 a山西省水資源脆弱性分布圖，見(jiàn)圖2?？傮w而言，太原市水資源脆弱性年際變化規(guī)律不明顯，屬于中等脆弱，壓力值較高，主要是人口相對(duì)密集，水資源開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度較大，污染相對(duì)嚴(yán)重；其余各地市7 a間的水資源脆弱性基本呈遞減趨勢(shì)(2015年除外)，且大同市、陽(yáng)泉市、晉城市、晉中市、臨汾市等由中等脆弱逐步好轉(zhuǎn)為輕度脆弱，這與近年來(lái)山西省實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度和生態(tài)文明建設(shè)取得的積極成效密不可分。呂梁市、忻州市、長(zhǎng)治市一直處于輕度脆弱狀態(tài)；2015年各地市的水資源脆弱程度基本呈上升趨勢(shì)，這主要與2015年降雨量較少有關(guān)，全省水資源總量?jī)H為94 億m3，低于7 a間水資源總量的平均值115 億m3，使得水資源短缺壓力指數(shù)及水污染指數(shù)相對(duì)較高?？偟膩?lái)說(shuō)，水資源脆弱性不僅與該區(qū)域的自然條件和水資源稟賦具有較大的關(guān)系，也與人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的發(fā)展密不可分，各地市在水資源管理及風(fēng)險(xiǎn)控制方面仍有待提高。

因此，為了確保山西省未來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)能夠又好又快的發(fā)展，必須采取積極而有效的對(duì)策，進(jìn)一步降低研究區(qū)水資源系統(tǒng)的脆弱性。主要對(duì)策包括：①進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)水資源的統(tǒng)一規(guī)劃與管理；②改善水資源供需結(jié)構(gòu)，提高用水效率；③繼續(xù)做好水污染的防治工作。

表2 山西省2010-2016年水資源脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.2 Assessment results of water resource vulnerability in Shanxi Province from 2010 to 2016

圖2 山西省各地市2010、2013、2016年水資源脆弱性分布Fig.2 Water resource vulnerability distribution map of cities in shanxi in 2010, 2013 and 2016

4 結(jié)論及建議

本研究在借鑒及參考各研究成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于水資源短缺壓力-發(fā)展壓力-生態(tài)系統(tǒng)健康-水資源生產(chǎn)壓力(簡(jiǎn)稱為RDEP)的水資源脆弱性指標(biāo)框架體系，并將該成果應(yīng)用于山西省2010-2016年7 a間的水資源脆弱性評(píng)價(jià)中。主要結(jié)論如下。

(1)構(gòu)建了RDEP水資源脆弱性指標(biāo)框架體系，該體系中各項(xiàng)指標(biāo)與水資源政策息息相關(guān)，且這些指標(biāo)來(lái)源于國(guó)家或省級(jí)的長(zhǎng)系列統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，方便獲取，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。

(2)通過(guò)基于熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)山西省2010-2016年間的水資源脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，太原市水資源脆弱性年際變化規(guī)律不明顯，屬于中等脆弱，其余各地市7 a間的水資源脆弱性基本呈遞減趨勢(shì)。

(3)對(duì)山西省水資源脆弱性的研究表明，目前山西省水資源系統(tǒng)狀況不僅與各地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)，也與各地市的政策息息相關(guān)，因此，在未來(lái)水資源管理中應(yīng)合理調(diào)整用水結(jié)構(gòu)與格局，且要保障水資源用水需求與當(dāng)?shù)厮Y源承載能力相匹配，以期緩解區(qū)域水資源脆弱性壓力。

(4)水資源是個(gè)巨大的復(fù)雜系統(tǒng)，涵蓋的內(nèi)容非常的廣。因此，影響水資源脆弱性的因素眾多，從中挑選出具有代表性和科學(xué)性的指標(biāo)，進(jìn)而構(gòu)建水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的難度較大。因此，本文構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系仍存在著不足之處，接下來(lái)的研究中應(yīng)將指標(biāo)體系進(jìn)一步的優(yōu)化和完善，構(gòu)建一個(gè)更為科學(xué)合理有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。