寧理科，劉海隆，包安明

（1.石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子832003；2.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊830011）

水資源系統(tǒng)脆弱性研究是開展流域水資源規(guī)劃和管理的基礎，已成為應對氣候變化、保障水資源安全重點關注的問題［1］。從國內(nèi)外對水資源系統(tǒng)脆弱性的研究內(nèi)容來看，大多數(shù)研究集中在氣候變化對水資源脆弱性的影響上，如王國慶等［2］研究了我國淡水資源在氣候變化情景下的脆弱性；唐國平等［3］提出了構建了全球變化下水資源脆弱性的評估方法；D?ll［4］從人為和自然兩個系統(tǒng)入手研究了氣候變化下地下水資源的脆弱性；Farley等［5］考慮政策影響研究了氣候變化下供水系統(tǒng)脆弱性的影響。另外，Hamouda等［6］將脆弱性作為系統(tǒng)屬性分別從社會經(jīng)濟、基礎設施、生態(tài)等角度研究了水資源系統(tǒng)脆弱性。但是這些研究很少考慮水資源供給、需求和管理等諸多因素，因此，對水系統(tǒng)脆弱性的形成過程與機理研究不夠，尤其是對于內(nèi)陸河流域這樣缺水嚴重的地區(qū)，難以解釋水資源系統(tǒng)脆弱性的本質(zhì)，無法滿足水資源優(yōu)化配置和高效利用的需要。

在由來水—供水—用水—耗水—排水形成的內(nèi)陸河流域水系統(tǒng)中，來水和耗水發(fā)生大幅變化時，平衡的供水—用水系統(tǒng)很容易被徹底傾覆，造成重大損失。研究表明，我國西北干旱區(qū)多個省區(qū)的水資源脆弱性將進一步加?。?］，而減小水資源系統(tǒng)脆弱性是應對未來變化的第一步［7］。因此，研究干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水資源系統(tǒng)脆弱性是十分必要的。

此外，水資源系統(tǒng)脆弱性的定義尚不統(tǒng)一［8］，如秦大河等［9］從氣候變化和人類活動影響的角度出發(fā)，認為水資源系統(tǒng)脆弱性是氣候變化對水資源可能造成損害的程度；Liu［10］則認為水資源系統(tǒng)脆弱性應該由水資源對氣候變化的敏感性來反映；劉綠柳［11］從地下水脆弱性引申，認為水資源系統(tǒng)脆弱性是水資源系統(tǒng)易遭受人類活動、自然災害威脅和損失的性質(zhì)和狀態(tài)，受損后難于恢復到原來狀態(tài)和功能的性質(zhì)。

Luers［12］認為脆弱性評估之前需要明確脆弱性的概念。陳亞寧等［13］指出干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水問題研究的重點是山區(qū)來水與流域內(nèi)生活、生產(chǎn)與生態(tài)需水的內(nèi)在聯(lián)系以及流域水系統(tǒng)中供需水依賴關系。因此，筆者認為干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水資源系統(tǒng)脆弱性是指以供需水為核心的水資源系統(tǒng)在發(fā)展過程中，受到不同的自然、社會系統(tǒng)的內(nèi)在特征、資源條件和法規(guī)體系影響，維持自身穩(wěn)定性的能力。干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水資源系統(tǒng)脆弱性以供需水為核心進行定義，當供需水的各個方面在系統(tǒng)內(nèi)在特征變化和法規(guī)體系的影響下，系統(tǒng)不能維持正常的供需水關系時，脆弱性就會以農(nóng)業(yè)災害、土壤退化、生態(tài)惡化等不良后果的形式表現(xiàn)出來。其次，脆弱性是干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水資源系統(tǒng)的固有屬性，隨系統(tǒng)的變化而變化，是動態(tài)的，具有時間尺度，并且脆弱性在干旱區(qū)內(nèi)陸河流域隨區(qū)域位置發(fā)生變化，具有空間尺度。最后，干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水資源系統(tǒng)脆弱性存在一個閾值，當超過該閾值時，系統(tǒng)遭到破壞，可能轉(zhuǎn)化為另外一種系統(tǒng)，并且該轉(zhuǎn)化在短時間內(nèi)具有不可逆性。

本文擬選擇典型的干旱區(qū)內(nèi)陸河流域塔里木河流域為研究對象，結(jié)合干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水資源系統(tǒng)的特點，提出定量表達干旱區(qū)水資源系統(tǒng)脆弱性的方法，并構建合理的指標體系，展開流域水資源系統(tǒng)脆弱性定量評估。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

塔里木河流域是一個封閉的內(nèi)陸水循環(huán)和水均衡的水文區(qū)域，自西向東繞塔克拉瑪干大沙漠，貫穿地處天山山脈南側(cè)和昆侖山北麓的塔里木盆地。流域內(nèi)分布有五地州42個縣市，包括新疆生產(chǎn)建設兵團4個師的55個團場，流域面積1.02×106km2（包括沙漠面積）。流域多年平均地表水天然徑流量3.98×108m3，其中冰川融水量占出山口徑流量的40%左右［14］，綠洲耗水量約為2.21×108m3［15］。徑流年內(nèi)分配不均，6—9月來水量在全年徑流量中的比重超過70%。并且干流來水量約以8×108～1.0×109m3／年 減少，源流區(qū)耗水量約以 5.5×107m3／年增加［16］。同時，研究區(qū)內(nèi)各縣市水資源分布不均，人口密度空間分布差異較大，經(jīng)濟發(fā)展不平衡，水資源開發(fā)利用率已突破西北干旱區(qū)70%的合理開發(fā)利用率，高達79%［17］。

本文以塔里木河流域縣域為基本研究單元，開展干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水資源系統(tǒng)脆弱性的定量評價研究。數(shù)據(jù)來源于2011年巴音郭楞蒙古自治州統(tǒng)計年鑒、和田地區(qū)統(tǒng)計年鑒、阿克蘇地區(qū)統(tǒng)計年鑒和喀什地區(qū)統(tǒng)計年鑒，考慮到數(shù)據(jù)的的一致性，本文選擇塔里木河流域30個縣市作為研究對象，

2 研究方法

2.1 水資源脆弱性指數(shù)

本文針對干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水循環(huán)過程的特點，根據(jù)干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水資源系統(tǒng)脆弱性的概念和內(nèi)涵，提出一個表示區(qū)域水資源系統(tǒng)脆弱性的綜合指標——水資源脆弱性指數(shù)。該指標由供水脆弱性和需水脆弱性組成，即反映水資源系統(tǒng)本身脆弱性和用水者附加脆弱性。依據(jù)多準則分析方法，水資源系統(tǒng)脆弱性指數(shù)（WSVI）由供水脆弱性（SDWV）和需水脆弱性（DDWV）綜合而成：

式（1）中供水脆弱性和需水脆弱性指數(shù)采用綜合指數(shù)加權求和模型求得：

式中：C——選擇的計算指標；r——相應指標的權重。計算過程中可能采用的指標主要從流域供需水角度考慮，供水主要包括正常水資源、極端事件供水以及水存儲，需水脆弱性主要包括生活用水、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)蓄水等，最終根據(jù)研究區(qū)的情況及專家意見和數(shù)據(jù)的可用性對指標進行選取、確定。本文中α，β均取為0.5。

2.2 指標選擇及權重確定

根據(jù)數(shù)據(jù)可用性和專家意見，最終確定9個指標進行2010年研究區(qū)水資源系統(tǒng)脆弱性的計算。為消除國土面積大小和人口多少的差別，本文部分指標采用人均量以便比較（表1）。其中灌溉面積百分比表示有效灌溉面積與國土面積的比值；森林覆蓋率表示森林面積與國土面積的比值，森林覆蓋率越大，表示生態(tài)需水量越多。人均農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值和人均工業(yè)成產(chǎn)總值作為經(jīng)濟指標，反映經(jīng)濟發(fā)展水平，經(jīng)濟發(fā)展水平越高，水資源的消耗越大。本文中由于缺少詳細的地下水數(shù)據(jù)，因此假設各縣的地下水開采均在可開采范圍之內(nèi)，并采用機電井裝機容量代表地下水開采量。

表1 最終確定水資源系統(tǒng)脆弱性指標及數(shù)據(jù)來源

指標權重反映各指標對水資源系統(tǒng)脆弱性的影響程度。本文中各指標權重采用層次分析法（AHP）確定，該方法已被廣泛用于脆弱性以及區(qū)域水資源系統(tǒng)評價理論中權重確定［18－20］。具體計算方法見文獻［21］。經(jīng)計算得到各指標的權重（見表2），且均通過一致性檢驗。

由于各個指標量級和量綱不一致，因此本文引入模糊數(shù)學的中的隸屬函數(shù)概念進行無量綱化：

式中：F——無量綱編碼；xi——指標取值（i＝1，2，…，n）；（x1：xn）——指標的平均值。

表2 各水資源系統(tǒng)脆弱性指標權重

3 結(jié)果與分析

3.1 供需水脆弱性分析

根據(jù)多準則分析方法，按照式（2）分別計算研究區(qū)各縣域供水脆弱性指數(shù)和需水脆弱性指數(shù)（如圖1所示）。圖1中供、需水脆弱性均隨脆弱性指數(shù)增大而加劇。

相關分析表明，供、需水脆弱性指數(shù)的相關系數(shù)為0.20，顯著性水平為0.281，說明二者之間并不存在明顯的相關關系。

圖1 2010年研究區(qū)供需水源脆弱性指數(shù)

就供水脆弱性而言，研究區(qū)內(nèi)30個縣域差異較為明顯，存在4個較大值，分別為若羌縣（0.74）、且末縣（0.79）、柯坪縣（0.71）和民豐縣（0.79），比研究區(qū)供水脆弱性指數(shù)均值高出51%以上，說明這4個縣域水資源系統(tǒng)本身比較脆弱。另外，庫爾勒市、阿克蘇市、莎車縣和和田縣供水脆弱性指數(shù)較小，分別為0.27，0.32，0.32和0.27，約為研究區(qū)供水脆弱性指數(shù)均值的41%～49%，說明這4個縣域供水脆弱性較為穩(wěn)定。這一方面由縣域的地理位置和氣候條件決定，如若羌縣、且末縣和民豐縣均有區(qū)域位于塔克拉瑪干大沙漠，氣候干燥，降水稀少。另一方面是由于這4個縣域缺乏相應的蓄水工程，僅民豐縣有小一型水庫1座，無法對河道來水進行合理的調(diào)節(jié)。

相對于供水脆弱性，研究區(qū)內(nèi)大部分縣域的需水脆弱性指數(shù)高于供水脆弱性指數(shù)，這說明研究區(qū)內(nèi)需水導致的脆弱性普遍較高，同時也說明研究區(qū)內(nèi)用水者附加的脆弱性大于水資源系統(tǒng)本身的脆弱性。與供水脆弱性相同的是，若羌縣、且末縣、柯坪縣和民豐縣4個縣域的需水脆弱性也較大，分別為0.72，0.73，0.78和0.82；此外，和田縣、墨玉縣、皮山縣、策勒縣和于田縣5個縣域的需水脆弱性指數(shù)分別為0.81，0.80，0.83，0.82和0.81，比研究區(qū)需水脆弱性指數(shù)均值高出10%～27%。

綜上所述，研究區(qū)30個縣域供、需水脆弱性差異較為明顯，有9個縣域供水脆弱性指數(shù)較大，其中若羌縣、且末縣、柯坪縣和民豐縣4個縣域需水脆弱性指數(shù)也較大，說明這4個縣域水資源形勢相對其他縣域較為嚴峻；并且有大部分縣域需水脆弱性指數(shù)大于供水脆弱性指數(shù)，說明用水者附加的脆弱性大于水資源系統(tǒng)本身的脆弱性。

3.2 水資源脆弱性組成及其分析

水資源系統(tǒng)脆弱性指數(shù)由供水脆弱性指數(shù)和需水脆弱性指數(shù)兩部分構成，按照式（1）可求得研究區(qū)各縣域水資源系統(tǒng)脆弱性指數(shù)。研究區(qū)各縣域的水資源系統(tǒng)脆弱性指數(shù)構成如圖2所示。

由圖2可知，研究區(qū)各縣水資源系統(tǒng)脆弱性指數(shù)變幅較大，脆弱性指數(shù)最大值（民豐縣，0.81）約是最小值（庫爾勒市，0.27）的3倍；并且供需水矛盾較為突出，有27個縣域需、供水脆弱性比大于1，約占研究區(qū)的90%。

圖2 研究區(qū)水資源脆弱性指數(shù)及其構成

同時，鑒于“自然間斷點分類法”可使各類之間差異最大化，對相似值進行最恰當?shù)姆纸M，故本文采用該方法將水資源脆弱性指數(shù)計算結(jié)果分為5類，并將各類分別定義為不脆弱（0.48以下），微脆弱（0.48～0.55），中脆弱（0.55～0.60），強脆弱（0.60～0.68）和極脆弱（0.68～0.81）。其中，庫爾勒市、阿克蘇市、疏勒縣、莎車縣、伽師縣和和田市分別為0.36，0.48，0.48，0.47，0.48和0.48，為不脆弱區(qū)，但這5個縣域除疏勒縣外供、需水脆弱性相差較大，需水脆弱性指數(shù)與供水脆弱性指數(shù)之比分別為1.67，1.44，1.96，1.56和1.81，說明不脆弱區(qū)除疏勒縣外的其他縣域存在較為明顯的供需水矛盾。另外，中脆弱區(qū)和強脆弱區(qū)的若干縣域，如葉城縣、墨玉縣、皮山縣、策勒縣和于田縣，供需水矛盾同樣尖銳，需、供水脆弱性比分別為1.52，2.05，2.17，2.28和1.76。如果不采取恰當?shù)拇胧p緩供需矛盾，隨著區(qū)域的發(fā)展和需水量的增加，以上縣域水資源供需矛盾將進一步加劇，水資源系統(tǒng)脆弱性可能會逐漸升級，逐步演變?yōu)閺姶嗳鯀^(qū)甚至極脆弱區(qū)。

若羌、且末、柯坪和民豐4縣水資源脆弱性指數(shù)分別為0.68，0.76，0.75和0.81，屬于極脆弱區(qū)域，盡管供需較為均衡，需、供水脆弱性比分別為0.96，0.93，1.10，1.04，同時由前分析可知，這4個縣域供水脆弱性指數(shù)和需水脆弱性指數(shù)均較大，說明水資源問題比較嚴重，需要通過修建水利工程措施、調(diào)整用水結(jié)構等措施降低水資源系統(tǒng)的脆弱性，以防止水資源系統(tǒng)脆弱性進一步加劇。

綜上所述，研究區(qū)30個縣域水資源系統(tǒng)脆弱性差異較為明顯，構成各不相同，但基本上都是有高的需水脆弱性指數(shù)和較低的供水脆弱性指數(shù)組成，都存在供需不和諧的現(xiàn)象，供需水矛盾可能是造成研究區(qū)水資源系統(tǒng)脆弱性的重要原因。

3.3 水資源系統(tǒng)脆弱性評價

為分析研究區(qū)水資源系統(tǒng)脆弱性的空間分布，通過ArcGIS軟件對研究區(qū)30個縣域的水資源系統(tǒng)脆弱性進行空間分析，以更加清晰地比較研究區(qū)不同縣域水資源系統(tǒng)脆弱性之間的差異（如附圖13所示）。

附圖13表明，2010年研究區(qū)內(nèi)只有6個縣市表現(xiàn)為不脆弱，占研究區(qū)的20%，有4個縣市為極脆弱，大約為13%，其他3類縣市有20個，占研究區(qū)的67%，呈現(xiàn)“兩頭小，中間大”的特征，即不脆弱和極脆弱兩個極端類別所占比例較小，中間3類所占比例較大，說明研究區(qū)水資源脆弱性表現(xiàn)較為明顯。

從水資源系統(tǒng)脆弱性指數(shù)的空間分布來看，研究區(qū)東北部、阿爾金山北部4個縣水資源脆弱性較大，研究區(qū)北部、天山南坡各縣水資源脆弱性較小，研究區(qū)西南部、昆侖山北側(cè)水資源脆弱性變化較大，但總體脆弱性較小。即研究區(qū)“NE—WS”對角線大部分縣域上水資源脆弱性較小，“NW—ES”對角線上柯坪縣、阿瓦提縣、民豐縣、且末縣和若羌縣水資源較為脆弱。從流域尺度來說，塔里木河中下游區(qū)域，水資源脆弱性較大，源流區(qū)水資源脆弱性較小，與實際情況較為吻合，說明本研究提出的方法和選擇的指標體系具有較高的可信度。究其原因，一方面是由于“NE—WS”對角線分別匯集了天山水系和昆侖山水系的水，分布著塔里木河的4個源頭，即和田河、葉爾羌河、阿克蘇河以及開孔河水系，水資源條件較好。另一方面“NE—WS”對角線是塔里木河流域人口和經(jīng)濟重心［22］，社會經(jīng)濟結(jié)構較為完善，工業(yè)化水平較高，水資源利用率高。

4 結(jié)論

（1）干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水資源系統(tǒng)脆弱性是指以供需水為核心的水資源系統(tǒng)在發(fā)展過程中，受到不同的自然、社會系統(tǒng)的內(nèi)在特征、資源條件和法規(guī)體系影響，維持自身穩(wěn)定性的能力，并且脆弱性是干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水資源系統(tǒng)的固有屬性，具有動態(tài)性、尺度性特點，而且具有閾值。

（2）對研究區(qū)各縣域供、需水脆弱性指數(shù)和水資源系統(tǒng)脆弱性的分析結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)約有90%的縣域需水脆弱性高于供水脆弱性，即需、供水脆弱性指數(shù)比大于1，并且有30%的縣域需水脆弱性較為明顯，同時，研究區(qū)內(nèi)30個縣市水資源系統(tǒng)脆弱性差異較大，80%的縣市水資源系統(tǒng)較為脆弱，說明研究區(qū)內(nèi)水資源脆弱性較大，并且水資源系統(tǒng)供需矛盾較為突出，這可能是造成研究區(qū)水資源系統(tǒng)脆弱的主要原因。

（3）結(jié)合ArcGIS軟件平臺對研究區(qū)內(nèi)30個縣市的水資源系統(tǒng)脆弱性進行空間分析，結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)水資源系統(tǒng)脆弱性分布呈現(xiàn)“兩頭小，中間大”的特征，即不脆弱區(qū)域和極脆弱區(qū)域所占比例較小，弱脆弱、中等脆弱和強脆弱區(qū)域所占比例較大，說明研究區(qū)內(nèi)水資源系統(tǒng)脆弱性表現(xiàn)較為明顯；研究區(qū)內(nèi)脆弱性縣域主要分布在“NW—ES”對角線上，整體的空間分布與實際情況較為吻合，說明結(jié)果較為合理。

本文結(jié)合干旱區(qū)水資源特點，提出干旱區(qū)水資源系統(tǒng)脆弱性的概念，并提出相應的計算方法以塔里木河流域為例進行定量評估，對干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水資源評價和水資源管理具有一定的應用價值和指導意義。

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