任源鑫, 林 青, 韓 婷, 李改萍,3, 周 旗,2

(1.寶雞文理學院 地理與環(huán)境學院, 陜西 寶雞 721013; 2.寶雞文理學院 陜西省災害監(jiān)測與機理模擬重點實驗室,陜西 寶雞 721013; 3.陜西省寶雞市金臺區(qū)金河鎮(zhèn)人民政府, 陜西 寶雞 721013)

水安全問題已經(jīng)成為當今世界所面臨最嚴重的問題之一，氣候變化及人類活動的影響造成水資源空間分布格局的改變，直接導致人類生活環(huán)境的變化，水資源脆弱性研究對于探求水資源安全、預測水資源脆弱性變化趨勢具有重大的現(xiàn)實意義[1]。水資源脆弱性的概念最早由法國學者Albinet等[2]針對地下水的脆弱性提出。早期的研究中，國內(nèi)外專家學者主要針對地下水的污染問題進行相關脆弱性探討[3-4]。21世紀以來，隨著水問題的突出，水資源脆弱性的定義逐漸擴展為地表水與地下水共同的脆弱性，且包含水質與水量兩方面。Perveen等[5]指出水資源脆弱性的直接原因主要為水資源自身條件的限制所產(chǎn)生。近年來，國內(nèi)針對于水資源脆弱性的評價已經(jīng)發(fā)展成為評價地區(qū)水資源質量的重要途徑。如劉瑜潔等[6]針對京津冀地區(qū)的水資源狀況進行了綜合評價，并指出該地區(qū)目前所面臨的水資源問題及未來發(fā)展趨勢。蘇賢保等[7]針對西北典型區(qū)域的水資源脆弱性評價，得出氣候暖濕化對水資源脆弱性的良性影響。陜西作為“一帶一路”和“西部大開發(fā)”重點開發(fā)區(qū)域在我國具有重要的戰(zhàn)略地位，而水資源嚴重短缺和水質污染已經(jīng)成為陜西省所面臨最嚴峻的問題，探究水資源脆弱性空間格局對于陜西省水資源優(yōu)化與管理具有重要意義。2017年，劉珍等[8]首次針對人類活動影響下的陜西省水資源脆弱性做出了整體性評價。屈小娥[9]從社會、經(jīng)濟等方面對陜西省水資源承載力進行了綜合研究。但現(xiàn)有研究中對于水資源存在狀態(tài)未能排除主觀因素的影響，難以將水資源進行定性及定量的區(qū)分。本研究綜合考慮人為因素與客觀條件因素，以水質與水量兩方面，建立以抵抗力、適應力、恢復力3個層次下的水資源脆弱性指標評價體系，以陜西省各地級行政單位為評價單元，通過均方差法與變異系數(shù)法組成的客觀綜合權重法對其進行綜合評價，旨在探究陜西省水資源脆弱性空間格局及未來發(fā)展趨勢，找到影響水資源脆弱性的綜合原因，為陜西省水資源管理及評價提供相關參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

陜西省位處我國西北部，東西窄，南北長，地貌多樣性主要表現(xiàn)在北部為黃土高原、中部為關中平原，南部為秦嶺山地。秦嶺山脈是中國南北氣候的分界線，秦嶺以北為黃河流域，秦嶺以南為長江流域，陜西境內(nèi)南北主要河流分別為漢江、嘉陵江、丹江、旬河、牧馬河、渭河、無定河、延河、洛河和涇河等。陜西省南北跨度大，造成了降水量時空分布不均，整體上呈南多北少，由北向南遞增的特點，圖1為陜西省主要水系分布圖。

圖1 陜西省水系分布

2 水資源脆弱性指標體系構建及數(shù)據(jù)來源

區(qū)域水資源脆弱性的大小與該地區(qū)水系要素、自然條件、過境水量、人為活動等年際變化活動密切相關。根據(jù)科學性、系統(tǒng)性、主導性、可操作性、獨立性、區(qū)域性6個基本原則[10]，結合陜西省地區(qū)特征，本文從水質與水量兩方面考慮，構建由抵抗力、適應力、恢復力3部分16個指標的水資源評價體系。數(shù)據(jù)主要來源于《陜西省統(tǒng)計年鑒》、《陜西省水資源公報》及各研究區(qū)統(tǒng)計年鑒，個別統(tǒng)計未記載數(shù)據(jù)，采用插值法計算得成，評價體系中各指標的含義見表1。

由于各指標性質不一，需將指標分為以下3類：(1) 正向指標：指標的值越大其脆弱性越高的指標。(2) 逆向指標：其值越大，脆弱性就越低。(3) 適度指標：指標值不宜過大，也不宜過小，而是在一定的閾值范圍內(nèi)為佳。在進行水資源脆弱性綜合評價時，必須將指標進行同趨化處理，即將逆向指標和適度指標轉化為正向指標，將這一過程稱之為指標正向化。本文對16個指標進行了分類，其中X1為適度指標；X2，X3，X4，X13，X14，X15，X16為負向指標;X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12為正向指標。

3 評價方法

3.1 指標權重的確定

指標權重的確定是水資源脆弱性評價體系建立的一個重要步驟，權重的確立既要遵循客觀規(guī)律，又要考慮各指標要素的實際科學內(nèi)涵[11]。為了避免主觀因素的影響，本文基于陜西省2008—2017年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，選擇客觀賦權法中變異系數(shù)法和均方差法相結合的組合賦權法來確定評價指標的權重。由于各指標之間的量綱(度量單位)存在差異，需對各指標進行標準化處理。設Xi(i=1,2,3)為層次級，其中i表示抵抗力、適應力、恢復力3個層次的順序。Xj(j=1,2,…,16)，其中j表示各指標順序。

表1 水資源脆弱性各指標含義

3.1.1 極差變換法

正向指標極差化法[12]公式：

(1)

負向指標極差正規(guī)化法公式:

(2)

適度指標標準化公式:

yij=1/(1+|Xij-A|) (Xij為適度指標)

(3)

式中：A為各適度指標多年均值，正向指標、逆向指標及適度指標經(jīng)過指標正向標準化后，其最大值為1，最小值為0。

3.1.2 均方差法 均方差法[13]是用于反映數(shù)據(jù)集合中隨機變量離散程度的常用指標權重計算方法。具體計算步驟如下：

計算各指標的均值E(Cj)，計算公式如下：

(4)

計算各指標的均方差值R(Ci)，計算公式如下：

(5)

計算各指標的權值ω1j，計算公式如下：

(6)

式中：yij為各指標的極差正規(guī)化數(shù)值。

3.1.3 變異系數(shù)法 變異系數(shù)法客觀反映指標間的相對重要程度，削弱極值指標對評價結果的影響[11,14]。計算公式如下：

(7)

3.1.4 組合賦權 本文利用組合賦權法[15]將變異系數(shù)法與均值法相結合，結合了兩者優(yōu)勢，彌補相互間不足。使得指標權重與實際更貼合。其組合方法為線性加權法[16]，其公式為：

ω=λω1j+(1-λ)ω2j

(8)

式中：ω為權重值；ω1j為變異系數(shù)法得到的權重值；ω2j為均方差法得到的權重值；λ=0.5。表2為陜西省水資源脆弱性各指標權重值。

3.2 評價等級劃分

根據(jù)水資源脆弱性指數(shù)(WVIi)公式對水資源脆弱性進行量化[7]。

(9)

式中：ωj為第j個指標的組合權重值；rij為第i個評價單元第j個指標標準化后結果。眾多聚類算法中基于K-Means算法的劃分是眾多學者研究的熱點，并在不同研究領域中取得相當理想的效果。為了達到類內(nèi)差距最小，類間差距最大的效果[17]。本文選取K=5進行聚類劃分，以5個聚類中心為分割閾值，對計算結果進行分級，分為不脆弱、較脆弱、中等脆弱、重度脆弱和極脆弱。結合陜西省10市1區(qū)2008—2017年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對陜西省水資源脆弱性綜合指數(shù)進行等級劃分，表3為陜西省水資源脆弱性等級劃分結果。

表2 陜西省水資源各指標權重

表3 水資源脆弱性等級劃分

4 結果與分析

4.1 陜西省水資源脆弱性時間評價及分析

根據(jù)公式(9)結合陜西省2008—2017年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算出近10年來陜西省10市1區(qū)水資源脆弱性變化情況，各地區(qū)采用平均值法來表征該地區(qū)水資源脆弱性情況[18]，綜合指數(shù)值越大表明脆弱性越強，計算結果如圖2所示。

由圖2可知，近10 a間陜西省水資源脆弱性整體呈下降趨勢。陜西省水資源脆弱性已由2008年的0.4(中等脆弱)，降到了2017年的0.34(較脆弱)，降幅達到17.6%。2008—2014年，陜西省水資源脆弱性呈波動形式，在2015—2017年，水資源脆弱性呈直線下降的趨勢。2015年為陜西省自2013年實施最嚴格管理制度的目標之年[19]，全省水質達標率已實現(xiàn)70%以上，城鎮(zhèn)污水處理率達到84%，因此在2015年后，陜西省水資源脆弱性持續(xù)下降。近10 a間，陜西省水資源脆弱性綜合指數(shù)均值為0.37，屬中等脆弱。由于陜西省不同地域條件的差異，關中(西安、銅川、寶雞、咸陽、渭南、楊凌)、陜北(榆林、延安)、陜南(漢中、安康、商洛)水資源脆弱綜合指數(shù)在各自內(nèi)部城市之間存在一定的一致性，但在3種不同的地域條件范圍內(nèi)存在明顯的不同，但均呈現(xiàn)整體下降的趨勢。

關中、陜北地區(qū)脆弱性綜合指數(shù)在時間趨勢存在較好的對應關系，相關系數(shù)達到0.6，且通過顯著性檢驗。具體可分為兩個階段，第1階段為2008—2014年，水資源脆弱性呈上升趨勢，最為嚴重的西安市及渭南市呈現(xiàn)出重度脆弱以上等級，關中地區(qū)水資源脆弱性綜合指數(shù)由2008年的0.38上升到2014年的0.44(重度脆弱)，升幅達15.8%。陜北地區(qū)水資源脆弱性綜合指數(shù)由2008年的0.33升到2014年的0.43(重度脆弱)。2014年，陜西省關中及陜北地區(qū)出現(xiàn)了大范圍的持續(xù)干旱[20]，主要江河徑流流量減少偏枯，各月降雨量均遠低于多年平均值，水量的嚴重不足直接導致了該時間內(nèi)水資源脆弱性達到峰值。第2階段為2015—2017年，關中城市整體呈現(xiàn)出大的下降趨勢，寶雞市水資源脆弱性降為較脆弱等級，關中地區(qū)2017年脆弱性指數(shù)為0.38，已經(jīng)降為中等脆弱等級。關中、陜北10 a間脆弱性指數(shù)均值分別為0.42，0.37，均屬中等脆弱等級。

陜南地區(qū)時間趨勢可分為3個階段，第1階段2008—2013年，水資源脆弱性呈降低趨勢，由2008年的0.32(較脆弱)降為2013年的0.27(不脆弱)。第2階段2014—2015年，此階段陜南地區(qū)水資源脆弱性雖有小幅上升，但均在不脆弱等級范圍之內(nèi)。第3階段2016—2017年，陜南地區(qū)水資源脆弱性在不脆弱階段呈下降趨勢。陜南地區(qū)在10 a間水資源脆弱性綜合指數(shù)均值為0.3，屬不脆弱等級。陜南地區(qū)水資源豐富，水系發(fā)達，丹江、漢江污染較輕，近年來當?shù)卣⒅睾恿魃鷳B(tài)治理與保護[21]，因此陜南地區(qū)水資源脆弱性一直處于較低階段。

4.2 陜西省水資源綜合脆弱性指數(shù)空間分布

通過對抵抗力、適應力、恢復力16個指標因子的綜合平均計算，利用ArcGIS 10.3繪制出陜西省10市1區(qū)10 a間水資源綜合脆弱性指數(shù)空間等級分布圖(圖3)。

由圖3可以看出，在地級行政尺度上，水資源脆弱性的空間差異明顯。其中，不脆弱區(qū)1個，較脆弱區(qū)3個，中等脆弱區(qū)5個，重度脆弱區(qū)1個，極脆弱區(qū)1個。西安市水資源脆弱性綜合指數(shù)為0.63，屬極脆弱等級，在陜西省各地市中最為嚴重。安康市水資源脆弱性綜合指數(shù)為0.24，屬不脆弱等級，在陜西省各城市中脆弱性最低。陜南地區(qū)地處秦嶺以南，屬亞熱帶濕潤氣候，降雨充沛，水系發(fā)達，水利工程建設力度較大，森林覆蓋率相對于關中和陜北較高，且人口僅占陜西省總人口的22%，但2008—2017年水資源總量的占有率卻達到了全省的66%，污水排放總量只為全省的16%；關中平原屬于暖溫帶半濕潤半干旱地區(qū)，位于秦嶺以北，降雨較于陜南少，且關中地區(qū)地形較為平坦，人口所占陜西省總人口的63%，為陜西省經(jīng)濟發(fā)展的黃金地帶，經(jīng)濟發(fā)達，其生活、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟用水需求量大，但水資源占有率僅為全省的19%，污水排放量卻占到全省的75%，如此不合理的配比使得關中地區(qū)水資源極為脆弱；陜北為溫帶大陸性干旱半干旱地區(qū)，特有的自然條件本身影響著當?shù)厮Y源脆弱性的形式。由評價結果我們可以看出，關中城市群水資源脆弱性較陜北、陜南最為嚴重，陜南地區(qū)水資源脆弱性最好，這與劉引鴿等[22]所提出的陜西省水資源生態(tài)風險趨勢相吻合。

圖2 陜西省各地市水資源脆弱性綜合指數(shù)時間分布

圖3 陜西省水資源綜合脆弱性指數(shù)空間等級分布

5 結 論

(1) 除榆林市外，陜西省各地級市水資源脆弱性綜合指數(shù)均處于下滑狀態(tài)，且在未來有著較為明顯的下降趨勢。2015年是陜西省實行最嚴格管理制度的目標之年，陜西省各地市在此之后脆弱性下滑趨勢明顯。由此可見，政府的強有力干預政策對于水資源脆弱性的改善具有重要意義。

(2) 關中及陜北地區(qū)在水資源脆弱性時間趨勢上具有一致性，即可分為2008—2014年上升階段和2015—2017年下降階段。陜南地區(qū)水資源脆弱性綜合指數(shù)可分為3個階段：2008—2013年下降階段，2014—2015年上升階段，2015—2017年下降階段。2014年陜西省20 a一遇的罕見旱情使得受災區(qū)域水資源脆弱性達到峰值，極端天氣對于水資源脆弱性的影響較為顯著。

(3) 陜西省水資源脆弱性整體呈中等脆弱等級，關中、陜北屬中等脆弱等級，陜南屬不脆弱等級。陜西省水資源脆弱性空間差異明顯，關中脆弱性最高，其次為陜北、陜南。西安市水資源脆弱性最為嚴重，為極脆弱等級。安康市水資源脆弱性最好，為不脆弱等級。關中地區(qū)面臨著嚴重的水資源短缺及水污染問題，陜南地區(qū)較豐富的水資源環(huán)境及較少的污染問題直接決定著其較低的水資源脆弱性。因此，改善陜西省水資源配比及降低水體污染對提升水資源脆弱性有著巨大的作用。