基于GIS技術(shù)分析水資源脆弱性

劉 碩，馮美麗

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原030024；2.北京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京100875）

水資源問(wèn)題日益引起國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。20世紀(jì)80年代以來(lái)，相關(guān)領(lǐng)域?qū)λY源的研究成為水文地質(zhì)工作者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。其中，法國(guó)Albinet和Marget于1999年提出了地下水資源脆弱性概念［1］：在自然條件下污染源從地表滲透與擴(kuò)散到地下水面的可能性。20世紀(jì)80年代后期，歐美國(guó)家又陸續(xù)展開(kāi)了地下水脆弱性評(píng)價(jià)與編圖工作。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（USEAP）于1987年提出的DRASTIC評(píng)價(jià)方法［2］，為宏觀尺度大范圍區(qū)域地下水脆弱性的定量評(píng)價(jià)模型的應(yīng)用提供了合理有效的措施，得到了該領(lǐng)域研究者的認(rèn)同和廣泛使用。

我國(guó)水資源脆弱性研究起步于20世紀(jì)90年代，雖起步較晚，但近年來(lái)發(fā)展速度較快，其水資源研究主要集中在水資源承載力、水資源管理、水資源安全，以及水資源開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)［3］等方面；而在水資源脆弱性方面的研究，主要集中在北方地下水資源脆弱性的評(píng)價(jià)和編圖工作方面［4］。研究工作者提出了多種水資源脆弱性的概念、研究方法、評(píng)價(jià)體系和計(jì)算模型。從國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況來(lái)看，根據(jù)各地水文地質(zhì)具體情況，各種評(píng)價(jià)模型都有自己的指標(biāo)體系，地區(qū)不同、評(píng)價(jià)模型不同，所選用的參數(shù)也不同。但總體來(lái)看，目前主要以應(yīng)用美國(guó)DRASTIC方法或其改進(jìn)模型為主。在研究方向上，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的水資源脆弱性研究集中于對(duì)水資源脆弱性總體情況的掌握，而往往忽視水資源脆弱性空間分布狀況的研究。

1 水資源脆弱性評(píng)價(jià)內(nèi)涵與研究手段

1.1 水資源脆弱性的內(nèi)涵

水資源脆弱性的概念是在水資源危機(jī)日益突出的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。在上世紀(jì)90年代，國(guó)外學(xué)者就提出了水資源脆弱性這個(gè)詞［5］，并且對(duì)氣候變化對(duì)水資源系統(tǒng)的影響進(jìn)行了探索性的研究。但是迄今為止，水資源脆弱性概念、理論及計(jì)算方法都還處于拓展階段，還不是很成熟，尚未形成公認(rèn)的定義和系統(tǒng)的理論體系；對(duì)于水資源脆弱性的評(píng)價(jià)大都局限于進(jìn)行地表水和地下水脆弱性的界定和研究［6－10］。

綜合以往，可以看出，脆弱性主要強(qiáng)調(diào)外界環(huán)境對(duì)于水資源系統(tǒng)功能的影響，側(cè)重人為作用的因素。可以概括為以下幾種：

1）水資源自身特性所表現(xiàn)的脆弱性方面；

2）水資源在受到污染破壞時(shí)所表現(xiàn)的脆弱性方面；

3）水資源脆弱性應(yīng)該指在一定社會(huì)政治、經(jīng)濟(jì)、文化背景下，水資源系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境的不利影響所表現(xiàn)出的自身功能下降的性質(zhì)，這種性質(zhì)是氣候變化與各種人類活動(dòng)互相作用的綜合產(chǎn)物。

1.2 GIS技術(shù)在水資源脆弱性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

水資源脆弱性評(píng)價(jià)因素主要包括水資源的數(shù)量、質(zhì)量，涉及社會(huì)因素和自然因素兩個(gè)方面［11］，因此需要建立一個(gè)全面的且針對(duì)性強(qiáng)的指標(biāo)體系與之相配套。目前，用于水資源脆弱性評(píng)價(jià)的模型及方法有很多，如綜合指數(shù)法、模糊分析法、定量分析法、集合論法、信息度量法等［12］。然而無(wú)論采用哪種模型，都會(huì)面對(duì)大量的自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)處理和問(wèn)題分析。而作為一種能采集、存儲(chǔ)、檢索、變換、處理和顯示輸出從自然界和人類社會(huì)獲取的各種各樣數(shù)據(jù)、信息的強(qiáng)有力工具地理信息系統(tǒng)（GIS），對(duì)于水資源脆弱性評(píng)價(jià)研究能起到相當(dāng)大的推動(dòng)作用。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)處理、管理的對(duì)象是多種地理空間實(shí)體數(shù)據(jù)及其關(guān)系，包括空間定位數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等，用于分析和處理在一定地理區(qū)域內(nèi)分布的各種現(xiàn)象和過(guò)程，解決復(fù)雜的規(guī)劃、決策和管理問(wèn)題［13］?；谝陨咸攸c(diǎn)，地理信息系統(tǒng)（GIS）可以用于水資源脆弱性評(píng)價(jià)的各項(xiàng)研究。

首先，在脆弱度評(píng)定方面，地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理有利于將涉及自然、經(jīng)濟(jì)與人文領(lǐng)域的多個(gè)變量和大量數(shù)據(jù)歸并到統(tǒng)一系統(tǒng)中，在此基礎(chǔ)上建立起水資源脆弱性的評(píng)價(jià)模型。而相關(guān)的模型計(jì)算也是以地理信息系統(tǒng)的多種信息的疊加處理和一系列分析軟件（回歸分析、模糊加權(quán)評(píng)價(jià)、聚類分析、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型等）加以保證的。

其次，為了研究區(qū)域水資源脆弱性的空間分布，還可以將遙感技術(shù)與GIS相結(jié)合，引入到水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型中，具體而言有兩種方法：一是利用遙感GIS手段將水資源脆弱性評(píng)價(jià)因子數(shù)字化成圖，逐因子逐像元進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)，再將單因子評(píng)價(jià)結(jié)果復(fù)合，得到區(qū)域水資源脆弱性的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果；二是先將各評(píng)價(jià)因子數(shù)字化圖像復(fù)合，再對(duì)所得圖像進(jìn)行分類，并分區(qū)賦值得到最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 陽(yáng)曲縣水資源脆弱性評(píng)價(jià)

陽(yáng)曲縣位于山西省中部，太原市區(qū)北部，總面積2 027.67km2。2005年末，全縣總?cè)丝跒?41 970人。全縣4鎮(zhèn)6鄉(xiāng)，即黃寨鎮(zhèn)、大盂鎮(zhèn)、東黃水鎮(zhèn)、泥屯鎮(zhèn)、侯村鄉(xiāng)、高村鄉(xiāng)、凌井店鄉(xiāng)、楊興鄉(xiāng)、西凌井、北小店鄉(xiāng)。作為太原市的市轄縣，陽(yáng)曲縣經(jīng)濟(jì)近年來(lái)發(fā)展比較迅速。伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，和水資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)，同時(shí)還受來(lái)水量減少和水質(zhì)惡化等方面的影響，供水難度逐漸增大，嚴(yán)重影響著陽(yáng)曲縣生活和生產(chǎn)用水。日益嚴(yán)重的“水危機(jī)”，一直困擾著本區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展和人民生活水平的提高。

本次評(píng)價(jià)以陽(yáng)曲縣管轄范圍內(nèi)4鎮(zhèn)6鄉(xiāng)的水資源脆弱性為評(píng)價(jià)對(duì)象，分區(qū)評(píng)價(jià)以2004年至2010年為評(píng)價(jià)期間，采用基于GIS的聚類分析模型，通過(guò)野外調(diào)查試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)，以及收集到的以往相關(guān)研究成果，根據(jù)其具體地形、水文地質(zhì)、氣候條件、土地利用、污染負(fù)荷等數(shù)據(jù)資料，結(jié)合上述建立的水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型，運(yùn)用前述的研究方法，對(duì)陽(yáng)曲縣的水資源脆弱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和分區(qū)評(píng)價(jià)。

2.1 陽(yáng)曲縣水資源脆弱性綜合評(píng)價(jià)

2.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的選取

對(duì)于陽(yáng)曲縣來(lái)說(shuō)，既要作為城市的一部分來(lái)考慮，同時(shí)也要根據(jù)其區(qū)域自身的特點(diǎn)來(lái)構(gòu)建水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)上述的指標(biāo)選取原則和陽(yáng)曲縣的地形地貌、水資源狀況等實(shí)際情況，考慮實(shí)驗(yàn)區(qū)域的數(shù)據(jù)和技術(shù)條件的有限性，分別選擇了具有代表性的一些指標(biāo)來(lái)進(jìn)行考察。此次研究，我們從自然因素和人為因素兩個(gè)方面選取了降雨量、蒸發(fā)量、草地類型、地貌類型、地下水含量、生態(tài)敏感性、地面高程、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、河流五項(xiàng)、河流有機(jī)污染、年干燥度、年氣溫、生態(tài)恢復(fù)能力、水蝕模數(shù)、水土流失、水系流域、土壤類型、相對(duì)濕度、植被區(qū)劃、自然凈化、綜合自然區(qū)劃、環(huán)境容量超載度、交通優(yōu)勢(shì)度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、可利用水資源、人口集聚度等27個(gè)關(guān)鍵參評(píng)因子，構(gòu)成陽(yáng)曲縣水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度可判斷其對(duì)水資源脆弱性的影響，關(guān)聯(lián)度越大對(duì)水資源脆弱性的影響越不利。在實(shí)踐中，應(yīng)盡可能降低關(guān)聯(lián)度大的指標(biāo)因子，使其朝有利于改善水資源脆弱性的方向變化。

相關(guān)評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定，通常有模糊綜合評(píng)判法、灰色關(guān)聯(lián)法、AHP法等方法，本文選擇適宜于評(píng)價(jià)范圍小、計(jì)算方法簡(jiǎn)便易行的特爾菲法來(lái)確定上述27項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。結(jié)果表明，27項(xiàng)評(píng)價(jià)因子中，僅4項(xiàng)人為因素所占權(quán)重就有29.2%，接近30%。人口集聚度和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平尤為重要，體現(xiàn)了水資源脆弱性的人口壓力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)壓力。自然因素分為氣候狀況、水資源狀況、地質(zhì)地貌、生態(tài)環(huán)境四部分，分別占全部因子權(quán)重的8.8%，21.7%，18%，22.3%。

2.1.2 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

區(qū)域水資源脆弱性指數(shù)用來(lái)表述評(píng)價(jià)對(duì)象現(xiàn)狀與目標(biāo)符合程度和向目標(biāo)接近的速度，指數(shù)越接近1，就越脆弱，越接近0，就越穩(wěn)定。但采用此量化指標(biāo)直觀上較難判斷脆弱性程度，需對(duì)該結(jié)果進(jìn)行分級(jí)處理。由于目前還沒(méi)有這種分級(jí)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)可以采用，筆者結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況并參照相關(guān)文獻(xiàn)，將陽(yáng)曲縣水資源系統(tǒng)脆弱性程度（即脆弱度）劃分為5個(gè)等級(jí)：基本穩(wěn)定（I級(jí)），輕微脆弱（II級(jí)），一般脆弱（III級(jí)），脆弱（IV級(jí)），嚴(yán)重脆弱（V級(jí)）。如表1所示。

表1 區(qū)域水資源脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)分類表

本文采用綜合評(píng)分法對(duì)研究區(qū)的水資源脆弱性狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)AHP法確定的水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，逐層逐項(xiàng)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)評(píng)分，即得到研究區(qū)域水資源脆弱性狀況的綜合值。其計(jì)算公式如下：

式中：P為鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源脆弱性綜合指數(shù)；Ui為指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)化值；Ei為指標(biāo)i的權(quán)重值；n為指標(biāo)個(gè)數(shù)。顯然P的最高值為1，表示水資源脆弱性最大，水資源狀況達(dá)到了最差狀態(tài)；當(dāng)P＝0時(shí)，說(shuō)明水資源脆弱性為0，水資源狀況處于最佳狀態(tài)。P越大，表示該區(qū)域的水資源脆弱性越大。

依據(jù)公式（1）、（2），我們可以得到陽(yáng)曲縣各個(gè)指標(biāo)的單因子脆弱性指數(shù)Pi，最終得到的陽(yáng)曲縣水資源脆弱性綜合指數(shù)用P來(lái)表示。經(jīng)計(jì)算，陽(yáng)曲縣水資源脆弱性值P＝0.553，屬于水資源脆弱性綜合評(píng)價(jià)中的中等脆弱狀態(tài)，水資源脆弱性情況屬于一般，代表該地區(qū)水資源系統(tǒng)呈現(xiàn)脆弱性警告，水循環(huán)功能己有退化。水環(huán)境受到一定破壞，水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有變化，但尚可維持基本功能，受干擾后易惡化，水資源供需矛盾時(shí)常顯現(xiàn)。

2.2 陽(yáng)曲縣水資源脆弱性分區(qū)評(píng)價(jià)

為了深入了解陽(yáng)曲縣的水資源脆弱性狀態(tài)的空間分布，我們對(duì)陽(yáng)曲縣10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的27個(gè)指標(biāo)做了橫向分析對(duì)比。運(yùn)用本文前述的模型及指標(biāo)體系對(duì)陽(yáng)曲縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水資源脆弱性指數(shù)水平進(jìn)行計(jì)算分析。具體而言，即是利用遙感GIS技術(shù)將上述27項(xiàng)指標(biāo)數(shù)字化成圖，再與陽(yáng)曲縣行政圖匹配，根據(jù)公式（3）得到表征各指標(biāo)在陽(yáng)曲縣10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布狀況表（如表2所示）。之后利用主成分分析法［14］和分層聚類法，得到陽(yáng)曲縣水資源脆弱性評(píng)價(jià)因子分區(qū)圖（圖1所示）。

水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式如下：

圖1 陽(yáng)曲縣水資源脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果分區(qū)示意圖

式中：K為鄉(xiāng)鎮(zhèn)的指標(biāo)值；Si為色塊i所占該鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積的比重；Vi為色塊i所代表的屬性值；n為該鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域中包含的總色塊數(shù)。

由圖1可以看出，高村、侯村水資源脆弱性狀況比較接近，形成一小類，水資源脆弱性最弱，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；北小店、黃寨的水資源脆弱性為輕微狀態(tài)，屬于一類；大盂、泥屯鎮(zhèn)成為一類，水資源脆弱性一般；東黃水、西凌井成一類，水資源比較脆弱；凌井店、楊興成為一類，水資源脆弱性最嚴(yán)重。

表2 評(píng)價(jià)分區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的K指標(biāo)值

3 結(jié)論和建議

根據(jù)以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基礎(chǔ)進(jìn)行的區(qū)域水資源脆弱性分析結(jié)果，可以看出，陽(yáng)曲縣大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源脆弱值都偏高，迫切需要采取措施來(lái)保護(hù)該縣的水資源。但不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的脆弱值還存在著較大差別。從研究區(qū)的整個(gè)分布而言，脆弱性呈現(xiàn)的是東高西低、中間高南北低的特征，且從東西分別向中間呈逐漸降低趨勢(shì)。其中，凌井店和楊興鄉(xiāng)，地下水極度貧乏，再加上其降水量的分布很少，導(dǎo)致該地區(qū)水資源脆弱度很大；而對(duì)西凌井鄉(xiāng)和東黃水鎮(zhèn)而言，水土流失狀況嚴(yán)重，屬于黃土丘陵臺(tái)地中度流失區(qū)，并且年干燥度和年氣溫均較高，導(dǎo)致蒸發(fā)量很大。除此之外，西凌井鄉(xiāng)屬于極貧水區(qū)；而東黃水鎮(zhèn)有45%屬于極貧水區(qū)，55%屬于貧水區(qū)。綜上所述，這4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水資源脆弱性較大且有一定的相似性。分析其原因，水資源的資源性匱乏是最主要的因素，再加上經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低而導(dǎo)致水資源監(jiān)管治理力度不足，是造成陽(yáng)曲縣東南部三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和西部最大面積的西凌井鄉(xiāng)水資源脆弱性嚴(yán)重的主要原因。

高村、侯村緊鄰黃寨鎮(zhèn)，其人口聚集度和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平僅次于黃寨，生態(tài)環(huán)境和土壤狀況等發(fā)展較好，水資源脆弱性最低，水資源狀況在全縣屬于最好的。根據(jù)陽(yáng)曲縣生態(tài)功能及社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)圖（如圖2所示），高村和侯村這兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)屬于生態(tài)經(jīng)濟(jì)最協(xié)調(diào)的地區(qū)，也是該地區(qū)水資源系統(tǒng)穩(wěn)定，水環(huán)境功能正常發(fā)揮的重要表現(xiàn)之一。此外，該地區(qū)屬于太原盆地北部生態(tài)農(nóng)業(yè)與水土保持重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)，對(duì)降低水資源脆弱性有一定的作用。

陽(yáng)曲縣縣政府所在地黃寨鎮(zhèn)，位于陽(yáng)曲縣地理位置中心，同時(shí)也是陽(yáng)曲縣的政治經(jīng)濟(jì)中心，資源豐富，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。黃寨鎮(zhèn)脆弱度值減少的關(guān)鍵原因在于，該地區(qū)地處積水的盆地區(qū)，且沒(méi)有用水量很大的企業(yè)和廠礦，地下水涵養(yǎng)度也比較高。另一方面，黃寨鎮(zhèn)是陽(yáng)曲縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)、人口素質(zhì)較高的鎮(zhèn)，對(duì)于水資源保護(hù)和治理的投入較大，各項(xiàng)水資源保護(hù)的政策和法規(guī)等的實(shí)施和監(jiān)管也比較到位，水資源總體開(kāi)發(fā)利用的效率較其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)高。

圖2 陽(yáng)曲縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果分析柱狀圖

通過(guò)本次對(duì)陽(yáng)曲縣水資源脆弱性的系統(tǒng)研究，我們認(rèn)為，只有通過(guò)合理開(kāi)發(fā)利用水資源，才能促使陽(yáng)曲縣水資源的開(kāi)發(fā)利用步入良性循環(huán)。今后可以從以下幾方面考慮：

1）積極防治農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染［15］。陽(yáng)曲縣的水污染很大一部分是由于化肥和農(nóng)藥的不合理使用，應(yīng)根據(jù)陽(yáng)曲縣農(nóng)田的土壤狀況，制定一個(gè)切合實(shí)際的化肥和農(nóng)藥施用技術(shù)的暫行管理辦法，降低農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染形成的危險(xiǎn)性。

2）解決鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的水環(huán)境問(wèn)題。嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家有關(guān)環(huán)境保護(hù)法律和法規(guī)，促使這些企業(yè)轉(zhuǎn)變產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，根據(jù)地區(qū)發(fā)展選擇污染小的產(chǎn)業(yè)。此外，還應(yīng)重視引進(jìn)高新技術(shù)，提高水資源的利用效率、降低能源消耗；提高資源利用水平，降低污染物排放總量，減輕生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境造成的不利影響，降低人類對(duì)水資源脆弱性的影響。

3）加大國(guó)家退耕還林、還草政策的實(shí)施力度。通過(guò)退耕還林、還草，減少水土流失對(duì)水資源脆弱性帶來(lái)的影響。對(duì)已經(jīng)被污染和破壞的水環(huán)境實(shí)施恢復(fù)治理，增強(qiáng)水資源系統(tǒng)的自我恢復(fù)能力，從而提高水環(huán)境的生態(tài)承載力。

4）加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和監(jiān)管力度。對(duì)禁止開(kāi)發(fā)區(qū)和限制開(kāi)發(fā)區(qū)要加強(qiáng)監(jiān)管力度，保持區(qū)內(nèi)濕地生態(tài)系統(tǒng)的良好發(fā)展。對(duì)于工礦企業(yè)，要對(duì)其整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)施環(huán)境影響評(píng)價(jià)、污染物排放總量控制和排污收費(fèi)等制度，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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