氣候變化條件下水資源脆弱性評(píng)價(jià)研究概述

黃舒婷

（黑龍江省農(nóng)墾哈爾濱管理局水利工程管理分站，黑龍江 哈爾濱150090）

水資源是基礎(chǔ)性自然資源，也是一個(gè)國(guó)家的戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源，水資源問(wèn)題對(duì)區(qū)域、國(guó)家乃至全球的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展都具有重要意義。然而地球上的淡水資源是非常有限的，隨著社會(huì)人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類對(duì)水資源的需求越來(lái)越大，全世界許多國(guó)家都處于水資源短缺的現(xiàn)狀。中國(guó)是水資源短缺和水資源污染問(wèn)題最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，雖然水資源總量較大，但人均水資源量卻只有世界平均水平的1／4，且南北時(shí)空分布不均，北方地表水匱乏，地下水超采嚴(yán)重，南方水資源豐富，但水資源系統(tǒng)脆弱；這些水資源短缺矛盾的日益突出，加劇了水資源的脆弱性。地球水圈和生物圈、大氣圈是耦合的，人類活動(dòng)影響到的植被、氣候的變化，如二氧化碳排放的增加會(huì)影響到大氣中溫室氣體的增加，而氣溫的升高將會(huì)通過(guò)影響降雨、蒸發(fā)、徑流、土壤濕度等因素來(lái)改變?nèi)蛩难h(huán)的現(xiàn)狀，從而影響水資源格局的變化。

根據(jù) IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）近幾年研究結(jié)果表明，全球平均氣溫在20世紀(jì)約升高了0．6℃，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末氣溫將進(jìn)一步升高1．4～5．8℃［1］。全球氣溫升高引起的極端天氣和強(qiáng)降水事件發(fā)生頻率增加，嚴(yán)重影響到全球水資源短缺形勢(shì)和水資源供需平衡問(wèn)題。未來(lái)，中國(guó)的氣候變化將加大水資源的年內(nèi)與年際變化，增大洪澇和干旱等極端災(zāi)害發(fā)生的概率，北方地區(qū)干旱化趨勢(shì)更為明顯，水資源短缺和供需矛盾更為突出。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院等多部門發(fā)起的“氣候變化與貧困——中國(guó)案例研究”項(xiàng)目表明，氣候變化已成為我國(guó)貧困地區(qū)致貧甚至返貧的重要原因。因此，氣候變化條件下的水資源脆弱性評(píng)估問(wèn)題成為近年來(lái)水資源研究的熱點(diǎn)［2］。氣候變化下的水資源脆弱性評(píng)估不僅是國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)心的全球性問(wèn)題，也是中國(guó)可持續(xù)發(fā)展道路中將要面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。有關(guān)探討氣候變化條件下水資源脆弱性的評(píng)估方法，可以分析區(qū)域內(nèi)自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人類活動(dòng)對(duì)氣候變化的影響，及水資源系統(tǒng)在氣候變化、人為活動(dòng)等作用因素下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、供需變化的響應(yīng)［2］；以此，為整治脆弱生態(tài)環(huán)境和水資源規(guī)劃管理等緩解氣候變化不利因素的適應(yīng)性對(duì)策的制定提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 水資源脆弱性定義

IPCC在1995年的第二次評(píng)估報(bào)告中，將水資源脆弱性表示為氣候變化可能對(duì)水資源系統(tǒng)造成損害或不利影響程度［3］；2011年IPCC又在特別報(bào)告中指出，應(yīng)將脆弱性與暴露度結(jié)合起來(lái)，認(rèn)為脆弱性是使人員、生計(jì)、環(huán)境服務(wù)和各種資源、基礎(chǔ)設(shè)施，及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化資產(chǎn)受到不利影響的可能性或趨勢(shì)［4］。夏軍等人［4］參考了IPCC對(duì)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的分析方法，認(rèn)為水資源脆弱性也是氣候變化條件下（包括氣候變率和極端氣候事件）水資源系統(tǒng)對(duì)所處氣候變化特征、幅度、速率，及敏感性、適應(yīng)能力的函數(shù)。唐國(guó)平［15］按表現(xiàn)方式將水資源脆弱性分為了水文系統(tǒng)的脆弱性、水利系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)的脆弱性、自然地理環(huán)境和社會(huì)的脆弱性三類。而陳攀［2］認(rèn)為水資源系統(tǒng)脆弱性內(nèi)涵包括水資源系統(tǒng)自身內(nèi)部的脆弱性、對(duì)外部驅(qū)動(dòng)因素的敏感性與適應(yīng)性、水質(zhì)脆弱性和水量脆弱性、以及不同區(qū)域特征下的脆弱性，修正了僅靠相關(guān)指標(biāo)疊加而成的評(píng)價(jià)方法。

隨著研究的開展，對(duì)水資源脆弱性的概念認(rèn)識(shí)也將進(jìn)一步深化，這有助于我們科學(xué)改進(jìn)水資源脆弱性評(píng)價(jià)體系。

氣候變化下的水資源脆弱性是指在氣象及氣候變化的條件下，水資源系統(tǒng)及其涉及的脆弱度，主要反映于年際徑流量變化、水資源供需平衡、水利管理法規(guī)建設(shè)等方面。水資源脆弱性指水資源系統(tǒng)在氣候變化、人類活動(dòng)等外部因素的干擾作用下，水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在數(shù)量、質(zhì)量上減少或降低，導(dǎo)致水資源系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化特征、幅度、速率的敏感度和適應(yīng)能力函數(shù)發(fā)生變化，從而引發(fā)水資源供需不平衡、旱澇災(zāi)害和極端自然情況的發(fā)生，這種結(jié)構(gòu)和功能性的破壞很難自行恢復(fù)。

對(duì)水資源系統(tǒng)脆弱性評(píng)估的主要內(nèi)容涉及水資源自身的穩(wěn)態(tài)程度、水資源供需的脆弱性和自身脆弱性所引起的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性方面，并對(duì)不同時(shí)間、空間的水資源進(jìn)行損害程度、損害預(yù)估和適應(yīng)能力的評(píng)價(jià)。

2 國(guó)內(nèi)外研究成果

2．1 國(guó)外研究狀況

從20世紀(jì)60年代起，國(guó)際上有了對(duì)水資源脆弱性研究的開端。最早代表是法國(guó)Albinet、Marget等人提出的地下水資源脆弱性概念，認(rèn)為它是影響污染物質(zhì)進(jìn)入含水層的復(fù)雜性因素［5］。20世紀(jì)80年代，水資源脆弱性評(píng)估領(lǐng)域形成了一種以缺水程度等為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的水資源脆弱性評(píng)估方法，如Brouwer等人利用人類對(duì)水資源的依賴性和區(qū)域水資源的供需平衡性來(lái)確定影響因子，根據(jù)各因 子 的 閾 值 分 析 水 資 源 的 脆 弱 程 度［3，6］；Hashimoto于1982年提出的用描述水資源供給不足對(duì)系統(tǒng)造成損失的方法來(lái)評(píng)價(jià)地下水資源的脆弱性；美國(guó)環(huán)保局（USEPA）在1985年提出DRASTIC方法評(píng)價(jià)因子體系等［7］。

研究至今，已有各式計(jì)算脆弱性指數(shù)模型30多 種，如 Vierhuff，DRASTIC，SIGA，GOD，Legrand，SEPPAGE，SINTACS，EPIK 模 型等［2］。隨著研究的開展與深入，越來(lái)越多學(xué)者嘗試將GIS等高新技術(shù)引入到水資源脆弱性評(píng)價(jià)中，例如Doerfliger在1999年提出的利用EPIK法和GIS技術(shù)在巖溶地區(qū)進(jìn)行水資源脆弱性的評(píng)價(jià)法［8］。2000年Charles等人在預(yù)測(cè)1985－2025年間氣候變化對(duì)水資源脆弱性影響時(shí)，選取了水資源開發(fā)利用率作為評(píng)價(jià)因子，并將GCMs的氣候情景與水量平衡模型WBM相結(jié)合對(duì)全球水資源脆弱性狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)［9］。2008年Rahman采用了基于GIS的DRASTIC模型，對(duì)印度阿里格里地區(qū)潛水含水層脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)［2，10］；2009年P(guān)athak等人也用此方法對(duì)加德滿都地區(qū)水資源脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并提出脆弱性圖的建立，即一種能夠?qū)Φ叵滤Y源進(jìn)行有效管理的工具［2，11］。2009年，Hanouda等人根據(jù)IPCC的定義構(gòu)建了缺水量、灌溉效率和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等共31個(gè)指標(biāo)的脆弱性評(píng)價(jià)體系，選取與水資源系統(tǒng)相關(guān)的眾多因子，經(jīng)過(guò)人為賦值后以雷達(dá)圖的形式評(píng)估了尼羅河流域東部的水資源脆弱性［3，12］。2010年，Sullivan又提出了水資源貧困指數(shù)，并將其細(xì)分為資源、能力、途徑、利用、環(huán)境5個(gè)分指數(shù)，從水資源的供需入手，將社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等因子經(jīng)過(guò)權(quán)重相加后得到水資源脆弱性指標(biāo)［4］。氣候變化對(duì)水資源的影響關(guān)系到農(nóng)業(yè)、水利、環(huán)境等多個(gè)部門所開展的管理及規(guī)劃工作，而以往的國(guó)際研究更多關(guān)注于地下水資源的脆弱性評(píng)價(jià)以及水質(zhì)的評(píng)價(jià)，對(duì)區(qū)域水量的評(píng)價(jià)不夠。GIS技術(shù)與脆弱性圖的繪制法建立，為區(qū)域水資源可持續(xù)利用和風(fēng)險(xiǎn)管理提供了較好的參照作用。21世紀(jì)水資源在全球戰(zhàn)略地位的提升，使水資源脆弱性評(píng)價(jià)成為水資源研究的熱點(diǎn)之一。

2．2 國(guó)內(nèi)研究狀況

國(guó)內(nèi)水資源脆弱性研究興起于20世紀(jì)90年代，最早主要集中在對(duì)地下水，特別是北方地區(qū)的水資源脆弱性評(píng)估，如1996年劉淑芳等人［13］對(duì)河北平原地下水防污性能的研究，1997年鄭西來(lái)等人［14］對(duì)西安市潛水脆弱性評(píng)價(jià)。21世紀(jì)后，研究從地下水?dāng)U展到了地表水。2000年唐國(guó)平等人［15］在《全球氣候變化下水資源脆弱性及其評(píng)估方法》一文中，對(duì)水資源脆弱性進(jìn)行了分類，并根據(jù)水資源供需關(guān)系從宏觀上對(duì)水資源脆弱性予以定義。2002年劉綠柳等人在《水資源脆弱性及其定量評(píng)價(jià)》中認(rèn)為，水資源脆弱性是水資源系統(tǒng)易遭受人類活動(dòng)、自然災(zāi)害威脅和損失的性質(zhì)和狀態(tài)，受損后難以恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)和功能的性質(zhì)［16］，并在此基礎(chǔ)上提出了水資源脆弱性的定量評(píng)價(jià)法。王國(guó)慶、張建云等人［17］于2005年發(fā)表了《全球氣候變化對(duì)中國(guó)淡水資源及脆弱性影響研究綜述》，通過(guò)在近幾十年來(lái)我國(guó)淡水資源變化特點(diǎn)及氣候條件波動(dòng)或變化對(duì)徑流現(xiàn)實(shí)影響的基礎(chǔ)上分析水資源在氣候變化情境下的脆弱性，真正意義上開啟了國(guó)內(nèi)對(duì)氣候變化下全球水資源脆弱性評(píng)價(jià)的研究。2010年董四方等人［18］從水資源復(fù)雜系統(tǒng)角度并結(jié)合了DPSIR概念模型，從而構(gòu)建出水資源系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。2012年夏軍等人［3］針對(duì)與氣候變化影響的水資源系統(tǒng)的敏感性和抗壓性相聯(lián)系的脆弱性與適應(yīng)性問(wèn)題，提出氣候變化環(huán)境下水資源脆弱性評(píng)估理論體系和一般性公式，并以水資源供需安全為出發(fā)點(diǎn)，采用溫度、降雨雙參數(shù)彈性系數(shù)和直觀簡(jiǎn)單的水資源關(guān)鍵性指標(biāo)體系方法，提出氣候變化和人類活動(dòng)背景下水資源脆弱性評(píng)估模型。

從總體上而言，國(guó)內(nèi)關(guān)于氣候變化下水資源脆弱性的研究仍處在基礎(chǔ)階段，且基本都遵從“未來(lái)氣候情景設(shè)計(jì)——水文模擬——影響研究”的一個(gè)模式，評(píng)價(jià)方法以概念性框架為主，還未能創(chuàng)造出物理概念與系統(tǒng)機(jī)制相結(jié)合的綜合性評(píng)價(jià)模型［3］。在評(píng)價(jià)當(dāng)中，指標(biāo)的選取、賦值、權(quán)重也不夠全面，人為性和任意性較大，從而影響到評(píng)價(jià)的合理性與科學(xué)性。

3 評(píng)價(jià)方法

通過(guò)梳理20世紀(jì)60年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)水資源脆弱性評(píng)價(jià)的研究，特別是氣候變化條件下全球水資源的變化與脆弱性評(píng)估研究，闡述氣候變化背景下水資源脆弱性的概念、內(nèi)涵及其分類，概述、分析各種對(duì)水資源脆弱性定量評(píng)估的方法，從中提煉各類方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出在未來(lái)氣候變化背景下我國(guó)水資源脆弱性評(píng)估研究的重點(diǎn)與應(yīng)對(duì)水資源脆弱性的適應(yīng)性對(duì)策，探索一種更科學(xué)合理的基于氣候變化條件下對(duì)水資源脆弱性評(píng)價(jià)的理論和方法。這部分內(nèi)容屬于軟課題研究，研究方法就是在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用各種手段、工具、方法對(duì)相關(guān)學(xué)科的研究及資料進(jìn)行分析，必要時(shí)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬、調(diào)查等，最終建立一種評(píng)價(jià)方法；在探索過(guò)程中選擇一些有代表性的區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，用實(shí)踐完善評(píng)價(jià)理論和方法。

從前人研究成果來(lái)看，目前對(duì)水資源脆弱性的評(píng)價(jià)主要分為定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)兩大類，此外還有諸如迭置指數(shù)法一類的半定性半定量的評(píng)價(jià)法。定性評(píng)價(jià)是對(duì)與水資源變化有密切關(guān)系的諸多因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，找出影響水資源脆弱性的主要因素，如氣候與氣候變化導(dǎo)致的降水時(shí)空分布不均、人口數(shù)量增加、土地荒漠化面積擴(kuò)大等等，并結(jié)合區(qū)域地理特征和氣候、生態(tài)特征提出保護(hù)水資源及生態(tài)環(huán)境的相應(yīng)措施。而定量評(píng)價(jià)主要是從水資源脆弱性的影響因素出發(fā)，在評(píng)價(jià)過(guò)程中引入一個(gè)能定量衡量水資源脆弱程度的量，來(lái)計(jì)算水資源系統(tǒng)對(duì)抗干擾能力的強(qiáng)弱，方法主要包括函數(shù)法、綜合指標(biāo)法和指標(biāo)權(quán)重法。

指標(biāo)權(quán)重法是水資源脆弱性評(píng)價(jià)研究的基本方法，它可以較為全面地反應(yīng)水資源脆弱性的特點(diǎn)和屬性，且易于GIS疊置配合進(jìn)行作圖，評(píng)價(jià)結(jié)果能較客觀地反映水資源脆弱性實(shí)質(zhì)，因而在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。指標(biāo)權(quán)重法運(yùn)用過(guò)程中，確定一系列有代表性且容易獲得的參數(shù)來(lái)構(gòu)建水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是基礎(chǔ)，研究者對(duì)水資源脆弱性概念和內(nèi)涵的理解不同、研究區(qū)域不同、選取資料不同，評(píng)價(jià)時(shí)所選擇的指標(biāo)性質(zhì)和數(shù)量也大不相同。

綜合指標(biāo)法及函數(shù)法是評(píng)價(jià)水資源脆弱性另一重要方法。如夏軍等人［4］發(fā)展了耦合氣候變化對(duì)水資源影響的敏感性、抗壓性及適應(yīng)性對(duì)策與調(diào)控水資源脆弱性的理論。根據(jù)IPCC 1995年的報(bào)告，水資源脆弱性是水資源相對(duì)氣候變化等影響因子的敏感性與抗壓力性（適應(yīng)性）的函數(shù)，可用綜合公式表示為：

式中：V為水資源脆弱性，α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，S（t）為敏感性函數(shù)，C（t）為抗壓力性函數(shù)，這個(gè)公式涵蓋了水資源系統(tǒng)受水資源分布、水資源供需安全、水資源系統(tǒng)適應(yīng)性等多個(gè)因子影響下的函數(shù)關(guān)系。

在抗壓力性方面，在針對(duì)水資源供需安全、水資源時(shí)空變異、可利用量變化、用水變化、承載能力問(wèn)題、開發(fā)利用程度與生態(tài)需水保障等問(wèn)題上，國(guó)際水資源協(xié)會(huì)（IWRA）的水資源供需安全抗壓力性綜合評(píng)價(jià)函數(shù)［3，19］可通過(guò)水資源抗壓能力的非線性變化關(guān)系反應(yīng)水資源脆弱性的等級(jí)程度。因此，通過(guò)不同的氣候變化情景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景的組合，分析和調(diào)整基于不同指標(biāo)間的關(guān)鍵性控制變量，就可以找出將水資源脆弱性的高值風(fēng)險(xiǎn)降低的對(duì)應(yīng)性策略。

4 評(píng)價(jià)水資源脆弱性的困難點(diǎn)和可能創(chuàng)新之處

水資源脆弱性評(píng)價(jià)研究的困難點(diǎn)，首先是關(guān)于水資源脆弱性的內(nèi)涵與外延鑒定問(wèn)題，由于這是一個(gè)多學(xué)科交叉的綜合性領(lǐng)域，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、自然生態(tài)系統(tǒng)、大氣科學(xué)、植物學(xué)、土壤學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科研究相耦合和制約，受到這些相關(guān)學(xué)科研究進(jìn)展的制約，要發(fā)展一個(gè)盡可能科學(xué)的理論和使用方法、技術(shù)是非常困難的。其次，影響水資源脆弱性的因子有很多，對(duì)于如何量化表征，科學(xué)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系有一定難度。過(guò)去的水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)中，總以單一的指標(biāo)和指標(biāo)體系為主，只關(guān)注脆弱性的一個(gè)方面，不能充分反映水資源系統(tǒng)的脆弱狀況。然而從多因素、多角度考慮水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的涉及面又太廣，資料難以收集，而且各個(gè)區(qū)域受到區(qū)域特征的影響程度很大，很難建立起一套成熟的、具有清晰水資源管理和調(diào)控概念的指標(biāo)體系。

所以，建立一個(gè)物理概念與水資源系統(tǒng)機(jī)制相結(jié)合的變量控制體系成為未來(lái)研究的熱門方向，未來(lái)氣候情景設(shè)計(jì)也是研究氣候變化對(duì)水資源脆弱性評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

進(jìn)行水資源脆弱性評(píng)價(jià)研究，可能的創(chuàng)新之處就是通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外對(duì)水資源脆弱性評(píng)價(jià)的研究方法和研究成果，提煉有利的評(píng)價(jià)方法，總結(jié)已有研究成果的不足之處；設(shè)想未來(lái)氣候變化下水資源脆弱性評(píng)價(jià)體系的發(fā)展趨勢(shì)；盡可能地尋找到可以精確定量水資源脆弱性、具有物理基礎(chǔ)的方法，利用函數(shù)設(shè)置不同尺度的參數(shù)來(lái)調(diào)控評(píng)價(jià)體系，以適應(yīng)不同尺度區(qū)域上的水資源脆弱性評(píng)價(jià)。

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