基于GIS的貴陽市水資源脆弱性動(dòng)態(tài)演變研究

穆 瑾

(遵義市第十九中學(xué)，貴州 遵義 563000)

1 研究背景

水資源是國家基礎(chǔ)性的自然資源，也是戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源，同時(shí)又是一個(gè)國家綜合國力的有機(jī)組成部分，然而，隨著環(huán)境變化和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多國家和地區(qū)面臨嚴(yán)重水資源短缺問題[1]，水資源脆弱性已成為國內(nèi)外水資源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題[2]。水資源脆弱性研究起源于20世紀(jì)60年代法國Albineth和Marget所做的地下水脆弱性研究[3]，隨后，地下水資源脆弱性研究成果逐漸豐富[4-7]。20世紀(jì)90年代逐漸出現(xiàn)了對地表水水資源脆弱性的研究，一方面以流域水資源系統(tǒng)為研究對象[8-10]；另一方面以區(qū)域水資源系統(tǒng)為研究對象，評價(jià)了不同區(qū)域水資源脆弱性[11-15]。21世紀(jì)末，隨著全球氣候變化研究的逐漸深入，水資源脆弱性的研究轉(zhuǎn)向了全球氣候變化下的水資源脆弱性的影響評價(jià)[16-18]?？v觀各項(xiàng)研究可知國內(nèi)外對水資源系統(tǒng)脆弱性的研究多側(cè)重于對地下水資源的研究，其研究較多并且研究成果也較為豐富。對于地表水資源脆弱性的研究相對較少，其評價(jià)存在3個(gè)問題：①水資源是一個(gè)系統(tǒng)，其應(yīng)該考慮到自然和人文兩方面的影響；②現(xiàn)有水資源脆弱性研究較少考慮到區(qū)域?qū)嶋H情況，區(qū)域相關(guān)利益機(jī)構(gòu)參與程度較低；③目前水資源脆弱性大部分都集中在時(shí)間尺度上的定量評價(jià)，而忽略了空間上的脆弱性動(dòng)態(tài)演變狀況。文章基于前期現(xiàn)狀研究的基礎(chǔ)上，對貴陽市水資源脆弱性的動(dòng)態(tài)演變特征進(jìn)行研究，以便更好地了解水資源脆弱性的空間演變規(guī)律，為研究區(qū)的水資源管理和調(diào)控提供參考和依據(jù)。

貴陽市是貴州省省會，現(xiàn)轄六區(qū)三縣一市，屬于典型的喀斯特地區(qū)，峰叢與碟狀洼地、漏斗、溶洞發(fā)育完整，其西北面臨青藏高原，西南面臨印度洋，東南面臨太平洋，是西南季風(fēng)和東南季風(fēng)的交匯地，氣候帶上又位于信風(fēng)帶與西風(fēng)帶之間的過度地帶，其特殊的地理位置決定了該區(qū)域氣候變化規(guī)律的復(fù)雜性。同時(shí)，貴陽是貴州最大城市兼經(jīng)濟(jì)、金融、文化、教育交通和集散等中心，2015年，其國內(nèi)生產(chǎn)總值達(dá)2287億元，年末總?cè)丝谶_(dá)462.18萬人，總用水量達(dá)到10.51億立方米，其中生活用水量達(dá)1.93億立方米。隨著用水需求量的增長，水資源將成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。

2 數(shù)據(jù)來源與研究思路

2.1 數(shù)據(jù)來源

人口密度、國內(nèi)生產(chǎn)總值、普通中小學(xué)在校人口比例來源于《2001年貴陽統(tǒng)計(jì)年鑒》《2006年貴陽統(tǒng)計(jì)年鑒》《2011年貴陽統(tǒng)計(jì)年鑒》和《2016年貴陽統(tǒng)計(jì)年鑒》，其中國內(nèi)生產(chǎn)總值按2000年可比價(jià)進(jìn)行了換算；降水、氣溫和干旱指數(shù)數(shù)據(jù)來源于貴陽市各區(qū)縣氣象觀測站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)；人均水資源占有量、可利用降水資源、萬元GDP耗水量、人均GDP和有效灌溉率是通過計(jì)算所得；土地利用類型來源于“十年生態(tài)”，即2000年、2005年、2010年貴陽市土地利用圖和2015年TM影像；水質(zhì)等級、城鎮(zhèn)污水處理率和有效灌溉率來源于自來水公司、《貴陽市水資源公報(bào)》和《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展公報(bào)》，對于部分缺失值采用相臨年份替代。

2.2 研究思路

文章基于前期研究[19]，采用GIS空間分析方法對貴陽市水資源脆弱性進(jìn)行動(dòng)態(tài)演變分析，其研究思路是：

首先，文章綜合考慮氣候因素和人為因素對水資源系統(tǒng)造成的影響，基于IPCC SREX報(bào)告和政府間氣候變化專門委員會對暴露度、敏感性和適應(yīng)能力的定義，從暴露性-敏感性-適應(yīng)能力3個(gè)方面綜合歸納已有研究指標(biāo)，并走訪該研究區(qū)域的不同單位，結(jié)合貴陽市區(qū)域特點(diǎn)，以及調(diào)查、專家咨詢得到的信息，并向25位來自政府機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位和高校等不同部門的專家咨詢，在3個(gè)維度上優(yōu)化選取了共15個(gè)評價(jià)指標(biāo)，其各指標(biāo)權(quán)重的確定是根據(jù)專家學(xué)者的建議并結(jié)合層次分析法確定[19](見前期研究[19]表3)。

然后，對各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理，為此，文章結(jié)合聚類分析、國家和國際標(biāo)準(zhǔn)以及文獻(xiàn)參考3種方法對各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化分級，將其分為5個(gè)等級，即微度脆弱(Ⅰ)、輕度脆弱(Ⅱ)、中度脆弱(Ⅲ)、重度脆弱(Ⅳ)和極度脆弱(Ⅴ)(見前期研究[19]表2)。利用ArcGIS10.2軟件功能，把已經(jīng)分好等級的15個(gè)評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)空間化，并使用ArcGIS軟件中的Resample方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，將空間分辨率統(tǒng)一插值成30 m×30 m，之后，在ArcGIS10.2中，通過柵格計(jì)算器并結(jié)合水資源脆弱性指數(shù)(WVI)公式[20]，得到WVI值，采用自然斷點(diǎn)法把水資源脆弱性分為微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱5個(gè)等級，然后生成水資源脆弱性分布圖[19](見前期研究[19]圖1)。

最后，水資源脆弱性時(shí)空演變分析在ArcGIS10.2空間分析模塊完成，根據(jù)表1把2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年、2000—2015年水資源脆弱度分布圖進(jìn)行兩兩減法的疊置分析，生成水資源脆弱性動(dòng)態(tài)演變分類分布圖。

表1 脆弱度動(dòng)態(tài)演變分類依據(jù)

3 結(jié)果與分析

3.1 貴陽市市域尺度水資源脆弱性動(dòng)態(tài)演變

貴陽市水資源脆弱性動(dòng)態(tài)演變空間分異比較明顯，從2000—2015年的脆弱性動(dòng)態(tài)演變圖(圖1d)和表2可得，貴陽市水資源脆弱性增強(qiáng)和變?nèi)醪⒋?，脆弱性增?qiáng)區(qū)主要分布在南部和中東部，而脆弱性變?nèi)鯀^(qū)則主要集中在北部和西部，但是整體變?nèi)?。?000—2015期間，脆弱性減弱區(qū)域所占比例超過增強(qiáng)區(qū)域20%以上，另有27%左右的水資源脆弱性保持相對穩(wěn)定。水資源脆弱性變化存在明顯的時(shí)段性差異。從各個(gè)時(shí)段的變化來看(圖1a-c，表2)，貴陽市水資源脆弱性增強(qiáng)狀況大致呈現(xiàn)“首尾增長，中間下降”的狀態(tài)。2000—2005年、2010—2015年兩時(shí)段脆弱性增長面積超過20%，特別是2000—2005年，脆弱性增長面積超過27%。水資源脆弱性變?nèi)醴矫妫?000—2005年、2005—2010年、2010—2015年3個(gè)時(shí)段，脆弱性降低比例不斷增長，尤其在2010—2015年時(shí)段，其脆弱性降低區(qū)域面積比例超過40%，水資源脆弱性變化以脆弱性變?nèi)鯙橹骰{(diào)。

圖1 貴陽市不同時(shí)段水資源脆弱性動(dòng)態(tài)演變分布圖Fig.1 Dynamic evolution distribution of water resource vulnerability in different periods in Guiyang

表2 貴陽市不同時(shí)段水資源脆弱性動(dòng)態(tài)演變面積與比例

3.2 貴陽市縣域尺度水資源脆弱性動(dòng)態(tài)演變

為進(jìn)一步分析不同時(shí)段水資源脆弱性動(dòng)態(tài)變化的空間分異特征，按照云巖區(qū)、南明區(qū)、花溪區(qū)、烏當(dāng)區(qū)、白云區(qū)、觀山湖區(qū)、清鎮(zhèn)市、修文縣、息烽縣和開陽縣10個(gè)區(qū)縣(市)分別裁剪脆弱性變化分類分布(見圖1)，統(tǒng)計(jì)各區(qū)縣(市)屬性數(shù)據(jù)(見表3)。

表3 貴陽市各區(qū)縣(市)不同時(shí)段水資源脆弱性動(dòng)態(tài)演變面積及比例

續(xù)表3

區(qū)域變化類型2000—2005年面積(km2)比例(%)2005—2010年面積(km2)比例(%)2010—2015年面積(km2)比例(%)2005—2015年面積(km2)比例(%)修文縣顯著增長00.00%——————————————————緩慢增長341.0421.59%3.140.29%160.19.79%200.6511.25%未變化1200.7176.00%873.8280.21%551.5833.71%418.1823.45%緩慢降低38.062.41%212.4919.50%924.1956.49%1164.4165.30%顯著降低——————00.00%0.150.01%——————息烽縣顯著增長0.010.00%——————————————————緩慢增長914.6670.98%0.060.01%0.570.04%0.710.06%未變化371.3628.82%114.1911.67%491.1733.74%389.8933.35%緩慢降低2.60.20%864.3288.33%964.1566.22%778.5466.59%顯著降低————————————————————————開陽縣顯著增長————————————————————————緩慢增長95.98.08%3.990.19%130.5912.56%156.512.20%未變化1057.0289.11%1811.2586.20%470.7345.26%419.732.73%緩慢降低33.322.81%285.9513.61%438.7842.19%706.2355.07%顯著降低——————00.00%————————————

從圖1(d)和表3可得，在2000—2015年時(shí)段，云巖區(qū)、南明區(qū)、白云區(qū)、烏當(dāng)區(qū)、觀山湖區(qū)和花溪區(qū)6個(gè)區(qū)水資源脆弱性增強(qiáng)明顯，其脆弱性增強(qiáng)面積占全區(qū)45%以上，其中，南明區(qū)最為嚴(yán)重，脆弱性增強(qiáng)面積高達(dá)82%，說明這幾個(gè)區(qū)縣近15年來變化環(huán)境對水資源的擾動(dòng)比較劇烈，尤其是人類活動(dòng)的干擾，應(yīng)該引起當(dāng)?shù)卣约八Y源管理部門的高度重視；清鎮(zhèn)市、修文縣、息烽縣和開陽縣4個(gè)縣(市)則以脆弱性減弱為主調(diào)，水資源脆弱性降低面積比例高達(dá)55%以上，其中，清鎮(zhèn)市接近80%的面積脆弱性指數(shù)降低，說明這幾個(gè)縣(市)近15年來水生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)，人類活動(dòng)對水資源的擾動(dòng)減弱，水資源管理取得了較大成效。

從貴陽市不同時(shí)段水資源脆弱性演變來看，各區(qū)縣(市)差異性也較為明顯：

(1)云巖、花溪：先強(qiáng)勢減弱，后強(qiáng)勢增強(qiáng)。云巖區(qū)、花溪區(qū)2個(gè)區(qū)水資源脆弱性均表現(xiàn)出先強(qiáng)勢減弱，后強(qiáng)勢增強(qiáng)的態(tài)勢，第2時(shí)段(2005—2010年)相對于第1時(shí)段(2000—2005年)脆弱度指數(shù)基本呈現(xiàn)相同程度的下降，但是第3時(shí)段(2010—2015年)相對于第2時(shí)段(2005—2010年)呈現(xiàn)不同程度的增長，其中，花溪區(qū)增長趨勢更為明顯，指數(shù)比例由第2時(shí)段(2005—2010年)的1%增長至第3時(shí)段(2010—2015年)的69%。這說明研究時(shí)段的前10年，其人水和諧發(fā)展程度較好，而隨著后來社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這些地區(qū)水資源脆弱性以持續(xù)增長為特征，水資源在變化環(huán)境下受到較大程度的擾動(dòng)，應(yīng)該引起政府以及水資源管理部門的高度重視。

(2)南明、觀山湖區(qū)：先減弱，后強(qiáng)勢增強(qiáng)。南明區(qū)、觀山湖區(qū)2個(gè)區(qū)水資源脆弱性均呈現(xiàn)先減弱、后強(qiáng)勢增強(qiáng)的趨勢，第2時(shí)段(2005—2010年)相對于第1時(shí)段(2000—2005年)脆弱度指數(shù)呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢，其中，南明區(qū)下降趨勢更為明顯，指數(shù)增長比例由第1時(shí)段(2000—2005年)的30%下降至第2時(shí)段(2005—2010年)的不足1%。第3時(shí)段(2010—2015)相對于第2時(shí)段(2005—2010年)呈強(qiáng)勢增長。這說明這些水資源脆弱性狀況受進(jìn)來經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展?fàn)顩r影響比較大，水資源受到較大影響，以持續(xù)增長為特征，應(yīng)引起相關(guān)部門的重視。

(3)烏當(dāng)、清鎮(zhèn)市、修文縣、開陽縣：先減弱，后增強(qiáng)。烏當(dāng)區(qū)、清鎮(zhèn)市、修文縣、開陽縣4個(gè)區(qū)縣(市)都呈現(xiàn)出先減弱后增強(qiáng)的發(fā)展趨勢，第2時(shí)段(2005—2010年)相對于第1時(shí)段(2000—2005年)脆弱度指數(shù)呈不同程度的下降，其中，修文縣脆弱度增長趨勢下降最為明顯，指數(shù)增長比例由第1時(shí)段(2000—2005年)的22%下降到第2時(shí)段(2005—2010年)的不足1%；第3時(shí)段(2010—2015年)相對于第2時(shí)段(2005—2010年)也表現(xiàn)出不同程度的增強(qiáng)，其中以烏當(dāng)區(qū)脆弱度增長指數(shù)增強(qiáng)最為明顯，由1%左右增長至56%左右，說明這些區(qū)域在最近5年脆弱度指數(shù)以持續(xù)增長為特征，各部門還需要加大對該區(qū)域水資源狀況的關(guān)注度。

(4)白云區(qū)：先強(qiáng)勢增強(qiáng)，后強(qiáng)勢減弱。白云區(qū)在2000—2005年水資源脆弱性增強(qiáng)不明顯，第2時(shí)段(2005—2010年)脆弱性顯著增強(qiáng)，第3時(shí)段(2010—2015年)脆弱度增長指數(shù)下降，水資源系統(tǒng)開始呈良性循環(huán)態(tài)勢發(fā)展。

(5)息烽縣：顯著減弱。息烽縣水資源脆弱性整體呈減弱的變化趨勢，水資源脆弱度指數(shù)增長面積比例由第1時(shí)段(2000—2005年)的70%顯著減少到第2時(shí)段(2005—2010年)的0.0057%，而第3時(shí)段(2010—2015年)相對于第2時(shí)段變化很小。這說明息烽縣水資源脆弱性不斷下降，水資源系統(tǒng)呈良性發(fā)展趨勢，較好地實(shí)現(xiàn)了該地人水和諧發(fā)展。

4 結(jié)論

(1)貴陽市水資源脆弱性增強(qiáng)和變?nèi)醪⒋?，脆弱性增?qiáng)區(qū)主要分布在南部和中東部，而脆弱性變?nèi)鯀^(qū)則主要集中在北部和西部，但是整體變?nèi)酢?/p>

(2)云巖區(qū)、南明區(qū)、白云區(qū)、烏當(dāng)區(qū)、觀山湖區(qū)和花溪區(qū)6個(gè)區(qū)水資源脆弱性增強(qiáng)明顯，清鎮(zhèn)市、修文縣、息烽縣和開陽縣4個(gè)縣(市)則以脆弱性減弱為主調(diào)。在區(qū)縣尺度水資源脆弱性動(dòng)態(tài)變化方面，各區(qū)縣(市)差異性也較為明顯，其表現(xiàn)為：云巖區(qū)、花溪區(qū)2個(gè)區(qū)水資源脆弱性均表現(xiàn)出先強(qiáng)勢減弱，后強(qiáng)勢增強(qiáng)的態(tài)勢；南明區(qū)、觀山湖區(qū)2個(gè)區(qū)水資源脆弱性均呈現(xiàn)先減弱、后強(qiáng)勢增強(qiáng)的趨勢；烏當(dāng)區(qū)、清鎮(zhèn)市、修文縣、開陽縣4個(gè)區(qū)縣(市)都呈現(xiàn)出先減弱后增強(qiáng)的發(fā)展趨勢；白云區(qū)呈現(xiàn)先強(qiáng)勢增強(qiáng)，后強(qiáng)勢減弱；息烽縣呈現(xiàn)顯著減弱的趨勢。