周 奉，蘇維詞，鄭群威

(1.重慶師范大學地理與旅游學院，重慶 401331；2.貴州省山地資源研究所，貴陽 550001；3.地表過程與環(huán)境遙感實驗室，重慶 401331)

隨著城鎮(zhèn)化的推進和社會經(jīng)濟發(fā)展，受氣候變化和水資源開發(fā)及布局不合理等因素影響，水資源短缺及污染問題嚴重，水資源脆弱性研究已成為水資源領域研究的熱點問題之一[1]?！按嗳跣浴备拍钤从谏鷳B(tài)學領域，20世紀90年代，脆弱性研究擴展到自然、技術、人為災害等領域和減輕災害的各個環(huán)節(jié)，1968年法國學者Albinet和Marget將脆弱性應用到地下水資源的研究中，水資源脆弱性也開始受到廣泛關注[2,3]。水資源脆弱性是指受氣候變化、極端事件、人類活動等因素的影響，水資源系統(tǒng)正常的結構和功能受到損壞并難以恢復到原有狀態(tài)的傾向或趨勢[4]。水資源脆弱性研究的目的是暴露水資源自然脆弱性、人為脆弱性、承載脆弱性所存在的不利影響，脆弱性指數(shù)可以協(xié)助實施水資源管理戰(zhàn)略，并制定針對性的措施與政策進行動態(tài)管控，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用與經(jīng)濟社會的健康發(fā)展[5,6]。近年來，以水資源脆弱性量化[7,8]、GIS結合高新技術評價[9,10]、氣候變化背景下的水資源脆弱性研究[11,12]等是國外的研究熱點，且國外針對喀斯特地區(qū)水資源脆弱性的相關研究相對成熟。Ziad A. Mimi等[13]通過敏感性分析修改了DRASTIC含水層介質和水力傳導性的權重，并以拉馬拉地區(qū)(巴勒斯坦)的喀斯特含水層作為案例進行了研究。P.E.van Beynen等[10]運用一項新的基于地理信息系統(tǒng)的指數(shù)—Karst含水層脆弱性指數(shù)與敏感性指數(shù)對美國佛羅里達州中部喀斯特含水層進行了比較分析。A I Mar′n等[14]對法國和西班牙的地中海碳酸鹽含水層進行了脆弱性測繪方法(COP和PaPRIKa)的比較試驗得出每個含水層獲得的脆弱性圖表存在重大差異，并識別和確定了引起這些差異的原因。

國內(nèi)水資源脆弱性研究起于20世紀90年代，已取得了一系列的研究成果。早期多以水資源脆弱性概念、內(nèi)涵等定性評價和定量評價方法的研究為主，如唐國平[15]、劉綠柳[16]等對水資源脆弱性的概念、類型及研究方法進行了分析；郭躍東等[17]分析評價了扎龍河濱濕地水系統(tǒng)脆弱性特征和影響因素。2010年后，水資源脆弱性以具體區(qū)域為研究對象的定量評價逐漸增多，采用了指標權重法、綜合指標法、函數(shù)法、GIS/RS與數(shù)學模型相結合等方法。如鄒軍等[18]以衡陽盆地為例，運用GIS/RS對南方丘陵區(qū)農(nóng)村水資源系統(tǒng)脆弱性進行了評價；夏軍等[19]運用耦合暴露度、災害風險、敏感性與抗壓性的水資源脆弱性評價模型，從水資源供需平衡角度分析了在全球氣候變化背景下中國東部季風區(qū)水資源脆弱性影響；唐劍鋒等[20]采用指標與函數(shù)法對丹江口水源區(qū)水資源脆弱性進行了評價并提出適應性對策；崔東文等[21]運用改進的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型對云南文山州水資源脆弱性進行了綜合評價。還有相關學者對黃河上游[4]、河西走廊[22]、巢湖流域[23]、浐灞河流域[24]、烏魯木齊[25]、泉州[26]、塔里木河流域[27]等地區(qū)進行了研究。GIS、RS技術方法雖更精細、準確，但其不能全面反映水資源脆弱性的影響因素；相關學者所提出的指標法多根據(jù)研究區(qū)的特色，對非喀斯特地區(qū)的水資源脆弱性研究所建立的指標體系不能完全適用于喀斯特地區(qū)評價，如地下水資源的開發(fā)利用情況。針對喀斯特地區(qū)水資源脆弱性研究起步較晚，成果較少，且以地下水脆弱性研究居多。如：王山峰等[28]從水質方面研究了涪陵地區(qū)喀斯特水資源的脆弱性及可持續(xù)發(fā)展；彭穩(wěn)等[29]對喀斯特含水層脆弱性評價方法展開了探討；魏興萍等[30]分析喀斯特發(fā)育程度、坡度分級、土壤類型等自然特征影響因素評價了重慶喀斯特地區(qū)地下水脆弱性；劉玲等[31]運用基于AHP的改進DRASTIC模型對貴陽市烏當區(qū)地下水脆弱性進行了分析評價等。

總體上，當前針對喀斯特地區(qū)水資源脆弱性的研究相對較少，且已有研究大都從自然特征影響因素角度出發(fā)對水資源脆弱性進行評價，對社會經(jīng)濟發(fā)展、人類活動響應等方面的影響因素重視不夠，并缺少基于宏觀視角的水資源脆弱性研究。因此，本文以黔中(六枝特區(qū)、普定縣、鎮(zhèn)寧縣、關嶺縣、平壩縣)五個區(qū)縣為例，根據(jù)DPSIR模型選取與喀斯特地區(qū)特色和水資源脆弱性密切相關的指標，采用熵權-TOPSIS法對研究區(qū)包含地表水、地下水在內(nèi)的整體水資源的脆弱性進行分析評價，為該類地區(qū)水資源開發(fā)利用、保護及管理等提供一定參考借鑒。

1 研究區(qū)概況

黔中地區(qū)位于貴州省中部，包括貴陽市、安順市(西秀區(qū)、普定縣、鎮(zhèn)寧縣、關嶺縣、平壩縣)、六盤水市的六枝特區(qū)及黔南州的長順縣等。2011年黔中國土面積53 802 km2、常住人口1 571 萬、地區(qū)生產(chǎn)總值3 396 億元、固定資產(chǎn)投資2 538 億元，分別占貴州省的31%、 45%、60%、50%。黔中地區(qū)是貴州人類活動最強烈、社會經(jīng)濟最發(fā)達、耕地資源集中成片的地區(qū)，區(qū)位優(yōu)勢突出，是貴州未來優(yōu)先發(fā)展地區(qū)。

黔中地區(qū)山多坡陡，碳酸鹽巖分布面積占比在80%以上，地表起伏度大，其中六枝、普定、鎮(zhèn)寧、關嶺、平壩地表起伏度分別為1.28、1.22、1.29、1.31、1.14，石漠化面積比為46.01%、46.91%、52.99%、33.91%、26.87%。巖溶裂隙漏斗等發(fā)育，地表地下水交換頻繁，形成了獨特的地貌-水系結構和水文動態(tài)過程[32,33]，與非喀斯特地區(qū)相比，水文地質環(huán)境特殊。土層瘠薄，植被系統(tǒng)生長緩慢且具有嗜鈣性、石生性等特點[34]，適生植物種類相對較少，石漠化現(xiàn)象較突出，植被覆蓋率低，涵水能力弱，地表儲水能力差造成地表水資源貧乏，可利用水資源有限，干旱現(xiàn)象嚴重[35]。由于地區(qū)經(jīng)濟條件限制及建設成本高等原因，區(qū)域水利工程缺乏，除黔中水利樞紐工程外，缺乏大型水利骨干工程支撐，供水能力不足，供需矛盾尖銳，工程性缺水較為嚴重[36]。特殊的水文地質條件使工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(特別是部分煤礦)產(chǎn)生的廢水易對地下水造成污染[37]。

據(jù)《黔中巖溶山區(qū)水資源可持續(xù)利用關鍵技術研究報告》，至2020年，黔中地區(qū)需水量將達到145 105 萬m3/a，可供水量為89738 萬m3/a，缺水量為55 367 萬m3/a，水資源缺乏已成為該地區(qū)發(fā)展的重要瓶頸。黔中地區(qū)是貴州省確定的重點發(fā)展區(qū)，又是國家主體功能規(guī)劃的重點開發(fā)區(qū)，主要以能源原材料、冶金、裝備制造業(yè)等為重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)，其相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展均對水資源有較大的需求作用。同時，城市人口不斷增長，工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速對用水需求大幅增加，研究區(qū)需水量2007-2015年增加了52.33%～130.59%。因此針對黔中典型區(qū)縣的水資源脆弱性進行評價，明確其水資源脆弱性現(xiàn)狀及主要影響因素，將對相關區(qū)縣乃至黔中地區(qū)的水資源保護及產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學參考。

2 黔中喀斯特地區(qū)水資源脆弱性評價

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要來源于研究區(qū)《2007、2015年統(tǒng)計年鑒》、《2007年、2015年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》和《黔中巖溶山區(qū)水資源可持續(xù)利用關鍵技術研究報告》等資料。

2.2 評價方法

2.2.1 指標體系的建立

喀斯特地區(qū)與非喀斯特地區(qū)相比，其水文地質條件存在顯著差異。一方面，主要表現(xiàn)為降水豐富，但由于喀斯特作用地表水難以儲存、滲漏嚴重，地表水與地下水交換頻繁，地下水儲量豐富。同時，強烈的喀斯特作用使水利工程建設成本高，相關資源投入不足，進一步喪失了地表水的儲存，喀斯特地區(qū)的地下水資源可開采承載力較高[38]，因此地下水已成為喀斯特地區(qū)發(fā)展的重要水源。另一方面，植被及土層的環(huán)境特性，使其涵養(yǎng)水源的能力遠低于非喀斯特地區(qū)。因此，在水資源脆弱性評價指標選取方面與非喀斯特地區(qū)存在差異，如喀斯特水資源系統(tǒng)安全閾值內(nèi)，地下水資源開發(fā)利率對降低水資源脆弱性具有重要的意義。

根據(jù)科學性、客觀性、數(shù)據(jù)可得性等原則，文章基于DPSIR模型選取人均GDP 、人口密度及城鎮(zhèn)化率等20個水質、水量相關指標作為研究區(qū)水資源脆弱性評價指標體系。

表1 黔中地區(qū)水資源脆弱性評價指標體系

2.2.2 評價計算方法

根據(jù)DPSIR模型建立研究區(qū)水資源脆弱性評價指標體系，運用熵權-TOPSIS法對指標數(shù)據(jù)進行計算得出水資源脆弱性貼近度。運用改進的熵權法進行分析，使得結果更加合理。TOPSIS模型即為“逼近理想解排序方法”，把綜合評價的問題通過矩陣歸一、加權后確定理想解和負理想解，計算被評價對象與理想解和負理想解之間的差距，再計算與理想解的貼近度[39]。該方法可全面客觀反映區(qū)域水資源脆弱性的動態(tài)變化趨勢。

(1)數(shù)據(jù)標準化。共有t年份，n個地區(qū)，m個指標，rλij為第λ年第j個地區(qū)第i個指標。對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，正向指標rλij=(fλij-minfij)/(maxfij-minfij)，負向指標rλij=(maxfij-fλij)/(maxfij-minfij)。

(2)指標熵值的確定。

(3)指標權重的確定。

式中：gi表示第i項指標的信息效用值，gi=1-ei。

(4)基于熵權的評價矩陣構建。為進一步提高客觀性，運用熵權wi構建加權評價矩陣Y。

其中，y11=r12·w1，y21=r21·w2，…，ym1=rmi·wm；y1n=r1n·w1，y2n=r2n·w2,…，ymn=rmn·wm。

(5)正負理想解確定。設Y+為評價數(shù)據(jù)中第i個指標加權后在所有地區(qū)所有年份中的最大值，即體現(xiàn)水資源脆弱性最低的方案，為正理想解；Y-為評價數(shù)據(jù)中第i個指標加權后在所有地區(qū)所有年份中的最小值，即水資源脆弱性最高的方案，為負理想解。

Y+={max(1≤j≤n)yij|i=1,2,…,n}=

Y-={min(1≤j≤n)yij|i=1,2,…,n}=

(7)評價對象脆弱性貼近度。令貼進度Ti為第i個地區(qū)水資源脆弱性接近最脆弱的程度，其取值范圍介于[0，1]，Ti越小，表明該地區(qū)水資源越脆弱。文章以貼近度表示水資源脆弱性的大小。計算公式如下：

2.3 評價結果

根據(jù)以上模型和方法，計算得出研究區(qū)各指標權重如下(表2)。

表2 研究區(qū)水資源脆弱性評價指標權重

根據(jù)得到的權重和標準化的矩陣分別對2007、2015年構建加權矩陣。

確定偏好向量和最不偏好向量，然后根據(jù)公式(6)、式(7)計算出各地區(qū)2007、2015年水資源脆弱性偏向正/負理想解的距離。

表3 2007、2015年水資源脆弱性偏正/負理想解的距離

2.4 研究區(qū)水資源脆弱性評價閾值劃分

不同研究者對水資源脆弱性分析評價所運用的方法不一樣，很難找到統(tǒng)一的閾值對水資源脆弱性程度進行界定。根據(jù)參考文獻[2, 18, 40,41]和研究區(qū)自然社會經(jīng)濟環(huán)境的特性，將研究區(qū)水資源脆弱性程度劃分為5個等級(表4)。

表4 研究區(qū)水資源脆弱性等級劃分閾值

計算出2007、2015年研究區(qū)的水資源脆弱性貼近度，結果見表5。

表5 研究區(qū)各區(qū)縣水資源脆弱性貼近度

3 結果與討論

整體上，在研究時段2007、2015年，研究區(qū)各區(qū)縣水資源脆弱性都較高，水資源脆弱性存在一定變化，但變化波動較小，各區(qū)縣水資源脆弱性在空間維度、時間維度上水資源脆弱性存在一定的差異。

研究區(qū)各區(qū)縣2007年水資源脆弱性貼近度空間上變化不顯著(圖1)。各區(qū)縣水資源脆弱度均處于中度脆弱性，并且在脆弱性絕對數(shù)值上差距不大。2015年各區(qū)縣水資源脆弱性在空間上出現(xiàn)了一定分化(圖1)，其中普定縣、平壩縣水資源脆弱性已接近重度脆弱，其他地區(qū)為中度脆弱。時間維度上，以2007年為基準，2015年鎮(zhèn)寧縣、關嶺縣水資源脆弱性降低，但下降程度較輕，六枝特區(qū)水資源脆弱性雖有輕微上升，但基本保持未變，普定縣、平壩縣水資源脆弱性上升趨勢較明顯。

圖1 研究區(qū)各區(qū)縣水資源脆弱性貼近度柱狀圖

研究區(qū)各區(qū)縣水資源資源脆弱性的空間差異主要是水資源脆弱性程度的整體體現(xiàn)，故僅從時間維度分析研究區(qū)各區(qū)縣水資源脆弱性變化的影響因素。六枝特區(qū)2007、2015年水資源脆弱性帖近度分別為0.5439、0.5416，整體水資源脆弱性穩(wěn)定。但從各指標的變化來看，水資源系統(tǒng)各部分還是存在一定變化。一方面，人均GDP(驅動力)、工業(yè)增長速度(壓力)、管網(wǎng)漏損(壓力)、工業(yè)用水占比(壓力)、單位面積缺水量(狀態(tài))的增加，使用水需求增加，導致水資源脆弱性升高。另一方面，人口密度(驅動力)、地下水占供水比例(壓力)、萬元GDP需水量(壓力)、水資源開發(fā)利用率(影響)、森林覆蓋率(影響)、III級以上水質占比(影響)、單位面積興利庫容(響應)等指標的改善，則有效地較低了水資源的脆弱性，水資源系統(tǒng)各部分的對沖，導致水資源脆弱性穩(wěn)定。

同理，2007、2015年鎮(zhèn)寧縣、關嶺縣的水資源脆弱性均穩(wěn)定在中度脆弱，脆弱性有輕微降低但其絕對數(shù)值變化不大，分別為0.576 5、0.595 3和0.584 9、0.600 0。其中，鎮(zhèn)寧縣人均GDP(壓力)、城鎮(zhèn)化率(壓力)、單位面積蓄水興利庫容等指標的提高加劇了水資源脆弱性，而工業(yè)增長速度、生活用水占比(壓力)、森林覆蓋率、III級以上水質占比指標的好轉緩解了水資源脆弱性。關嶺縣人均GDP、城鎮(zhèn)化率、地下水占供水比例、降水量加劇了水資源脆弱性，GDP年增長率(壓力)、人口增長率(壓力)、III級以上水質占比指標的改善緩解了水資源脆弱性。

2007、2015年普定縣、平壩縣水資源脆弱性變化較為顯著，均由中度脆弱進展到中度-偏重度脆弱，在水資源脆弱度絕對數(shù)值上的變化也較為顯著，分別為0.583 8、0.487 8和0.533 6、0.496 1，上升程度為16.44%、7.03%。從水資源脆弱性評價指標系統(tǒng)的各部分變化看，兩者存在一定的差異。普定縣水資源脆弱性增加主要是影響指標為人均GDP、GDP年增長率、城鎮(zhèn)化率、人口增長率、工業(yè)用水占比、年降水量(狀態(tài))、單位面積缺水量(狀態(tài))、單位面積興利庫容等指標的增長，脆弱性降低則主要是萬元GDP需水量、森林覆蓋率、生活用水占比等指標的改善；平壩縣水資源脆弱性的上升則是人均GDP、城鎮(zhèn)化率、人口增長率、降水量、單位面積興利庫容等指標的增長，脆弱性降低則是工業(yè)增長速度、水資源開發(fā)利用率等指標改善引起的。

通過對研究區(qū)各區(qū)縣水資源脆弱性變化的分析，可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)不同區(qū)縣的水資源脆弱性變化的影響因素存在一定差異，但也存在較大的共性因素。整體上，水資源脆弱性上升的主要因素是與經(jīng)濟社會發(fā)展，人口增長、工業(yè)發(fā)展等相關的指標因素相關，如GDP增速，城鎮(zhèn)化率等，區(qū)域的發(fā)展尤其是工業(yè)的發(fā)展導致需水量增加顯著，引起區(qū)域水資源脆弱性增加。這與非喀斯特地區(qū)及喀斯特地區(qū)的研究成果是一致的[4,20]。水資源脆弱性人為響應方面，研究區(qū)各區(qū)縣地下水開發(fā)利用率低，水資源污染突出，進一步加劇了水資源的脆弱性。其中地下水利用率[4]及水資源污染問題[31,42]均是水資源脆弱地區(qū)的共性問題。喀斯特生態(tài)環(huán)境問題嚴重，尤其是生態(tài)環(huán)境的涵養(yǎng)水源問題。研究區(qū)森林覆蓋率較低，造成水土流失較嚴重，石漠化問題相對突出，生態(tài)環(huán)境尤其是地表涵養(yǎng)水源的供水能力低，加劇了水資源缺乏，也間接增強了對地下水資源的開發(fā)利用?？傮w上，區(qū)域水資源脆弱性降低的主要影響因素有萬元GDP需水量減少、單位面積可供水量增加、水資源開發(fā)利用率提高、森林覆蓋率增加等。此外，加強水利基礎建設，大型水利設施與中小型水利基礎設施并舉對于增加地表水資源儲存，降低水資源脆弱性具有重要的作用。

4 結 語

黔中地區(qū)水資源脆弱性影響因子復雜多樣，基于DPSIR模型構建了黔中地區(qū)水資源脆弱性評價指標體系，運用熵權-TOPSIS法分析計算得出研究區(qū)的水資源脆弱性，該方法能較好適用于此研究。分析表明：①水資源脆弱性上升是因為經(jīng)濟社會發(fā)展，人口增長、工業(yè)發(fā)展加快，造成需水量增加；未修黔中水利樞紐工程前，工程性水利設施建設缺乏，供水能力弱，同時石漠化較嚴重、森林覆蓋率較低造成水土流失嚴重，對供水能力也產(chǎn)生一定影響；人為響應方面，地下水開發(fā)利用率低、水資源污染嚴重、再生水利用少等。②水資源脆弱性降低的主要影響因素有萬元GDP需水量減少、水資源開發(fā)利用率提高、森林覆蓋率增加等。

結合研究結果，從促進區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展及生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定改善的條件下，應具體從以下幾個方面降低研究區(qū)水資源脆弱性。①在保持水資源系統(tǒng)安全與穩(wěn)定的條件下，提高地下水資源開發(fā)利用率，加強水資源的合理開發(fā)利用，增強水資源供給能力。②提高森林覆蓋率，強化石漠化治理等水土流失治理，提高生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能力。③提高水資源利用效率，尤其是萬元GDP需水量，工業(yè)廢水循環(huán)利用等；加強水資源高效利用工程、蓄水保水技術、水質保護與改善技術等的研發(fā)及推廣。降低工業(yè)、生活用水，進行產(chǎn)業(yè)結構調整，發(fā)展節(jié)水產(chǎn)業(yè)體系(旱作農(nóng)業(yè))，發(fā)展低耗水的高新技術產(chǎn)業(yè)；制度方面可建議實施階梯水價，控制用水量，并加強對水資源保護及節(jié)約水資源的積極宣傳，提高人們節(jié)水意識。④加強水利工程建設及對現(xiàn)有病害水庫的防滲、加固、擴容等改建維修。

本研究的水資源脆弱性主要基于喀斯特地區(qū)水資源系統(tǒng)的區(qū)域特征角度出發(fā)，并選取相應指標體系。由于數(shù)據(jù)資料的獲取問題，研究未能很好地反映研究區(qū)水資源脆弱性的變化趨勢，研究結果的適用性也存在一定限制，但研究結果對研究區(qū)水資源脆弱性的主要影響因素的分析是可靠地，可以較好地滿足研究目標，文章不足之處有待豐富數(shù)據(jù)后的深入研究。