基于組合權(quán)重法的巖溶地區(qū)地下水資源生態(tài)安全動態(tài)演化研究

張鳳太，蘇維詞(1.貴州師范學(xué)院資源環(huán)境與災(zāi)害研究所，貴陽 550018；2.南京大學(xué)地理與海洋學(xué)院，南京 21009； . 貴州省山地資源研究所，貴陽 550001)

0 引 言

水資源是人類及一切生物賴以生存的不可替代的物質(zhì)，隨著近年來人口的急劇增加和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，出現(xiàn)水資源短缺和水質(zhì)污染等水資源安全問題。近年來學(xué)術(shù)界對地表水資源安全的研究較多，取得了豐富的研究成果，地下水資源由于其獲取資料的難度和本身地質(zhì)賦存結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，對地下水資源生態(tài)安全的研究相對較少。如皮建高等通過水質(zhì)分析樣品資料的深入分析與計算，系統(tǒng)地評價了洞庭湖區(qū)淺層地下水質(zhì)量，指出了淺層地下水安全供水方向，并提出了安全供水措施及建議[1]。劉禧超等從地下水的安全內(nèi)涵出發(fā),構(gòu)建了包括水質(zhì)安全、水量安全、含水層安全和生態(tài)環(huán)境安全的4個一級評價指標(biāo), 對天津市寧河縣地下水安全進(jìn)行評價淺析[2]。謝振華等從應(yīng)急水源地論證、勘探、建設(shè)過程，分析了地下水位動態(tài)變化情況及供水保證程度，提出華北平原典型城市地下水供水安全保障措施[3]。韓麗偉等構(gòu)建了基于熵權(quán)的模糊物元綜合評價模型，對三江平原地下水資源承載力進(jìn)行綜合評價[4]。上述的研究大多停留在地下水資源生態(tài)承載力(地下水資源安全的度量方式)、地下水水質(zhì)安全、地下水資源開采安全、地下水資源污染與飲用水安全等方面，對地下水資源的生態(tài)安全涉及較少，尤其是在西南巖溶地區(qū)關(guān)于地下水資源生態(tài)安全的研究尚無相關(guān)文獻(xiàn)。

貴州地處我國西南巖溶的腹心地帶,碳酸鹽巖出露面積達(dá)13 km2,占全省土地總面積的73%,是我國巖溶地貌最發(fā)育的省份[5]。巖溶地區(qū)土層淺薄且不連續(xù),土壤的貯水保水能力差,加上巖體裂隙、漏斗、落水洞發(fā)育, 地表降水很容易迅速轉(zhuǎn)入地下形成巖溶水，巖溶水(地下水)是水資源的主要賦存形式, 同時也是人民生活和生產(chǎn)用水的主要來源。巖溶水所賦存的碳酸鹽巖含水層系統(tǒng)屬于高度開放的脆弱天然水文系統(tǒng)。西南巖溶山區(qū)由于表層儲水介質(zhì)的孔隙率、裂隙率高、降水入滲透率比北方地區(qū)高0.3～0.5[6]，加之地表土壤層較薄，甚至缺乏土壤等過濾層，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的廢水和生活污水，極易下滲進(jìn)入地下水環(huán)境，造成地下水環(huán)境污染，加上地下水開發(fā)利率的增加，巖溶地區(qū)地下水資源生態(tài)安全面臨巨大威脅。基于此，本文研究借助DPSIR概念框架，構(gòu)建巖溶地區(qū)地下水資源生態(tài)安全評價指標(biāo)，采用組合賦權(quán)法賦權(quán)，對貴州巖溶地區(qū)地下水資源生態(tài)安全進(jìn)行動態(tài)分析，以期為巖溶地區(qū)水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為消除由評價指標(biāo)物理量量綱不同帶來的影響,在評價之前需將樣本中各指標(biāo)無綱量化處理。本文采用線性插值法的標(biāo)準(zhǔn)化方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理。評價某地區(qū)m年的包括n個評價指標(biāo)的地下水資源安全狀況,則其原始指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣為[7]:

(1)

(1)首先將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化方法本研究采用min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法，此方法是對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換。設(shè)minA和maxA分別為屬性A的最小值和最大值，將A的一個原始值x通過min-max標(biāo)準(zhǔn)化映射成在區(qū)間[0,1]中的值，正向指標(biāo)(效益型指標(biāo))是指數(shù)值越大越好的指標(biāo), 負(fù)向指標(biāo)(成本型指標(biāo))是指數(shù)值越小越好的指標(biāo),其標(biāo)準(zhǔn)化方法分別為[7,8]:

(3)

式中：xmax為該項指標(biāo)最大值；xmin為該項指標(biāo)的最小值。

1.2 確定權(quán)重

指標(biāo)權(quán)重的確定對評價結(jié)果的影響較大。目前常采用的灰色關(guān)聯(lián)方法是灰色系統(tǒng)理論中新的分析方法,它根據(jù)因素間的相似或相異程度來衡量因素之間的關(guān)聯(lián)度[9，10],克服了傳統(tǒng)主觀賦權(quán)法，權(quán)重確定更趨合理，但該方法沒有考慮單純指標(biāo)數(shù)據(jù)之間影響，因此本文引入均方差法賦權(quán)法，參考李柏洲等的關(guān)于組合賦權(quán)的研究[9]，引入拉格朗日函數(shù)構(gòu)建組合權(quán)重系數(shù)，將灰色關(guān)聯(lián)和均方差法組合賦權(quán)，以期更加合理。

1.2.1灰色關(guān)聯(lián)法

(1)確定數(shù)列的最優(yōu)向量,由于對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理且都轉(zhuǎn)化為正向指標(biāo),所以最優(yōu)向量為[7,8]:

G=(g1,g2,…,gn)=

(y11vy12…vy1m,y21vy22…vy2m,y11vy12…vynm)

(4)

式中：v為取最大運算符。

(2)利用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)公式計算j個評價指標(biāo)yj與最優(yōu)向量G的關(guān)聯(lián)系數(shù)δ(yj,G):

(5)

式中：miniminj|yij-gi|和maximaxj|yij-gi|分別為兩級極小差和兩級極大差；ρ為分辨系數(shù),0<ρ<1,一般取ρ=0.5[7,8]。

(3)計算第j個評價指標(biāo)yj的權(quán)重wj[7,8]:

(6)

1.2.2均方差法

(9)

式中：wk為第k個指標(biāo)的均方差權(quán)重；sk為指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；yki為第k個指標(biāo)第i個對象的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)；m為評價指標(biāo)的個數(shù)；n為評價對象的個數(shù)。

1.2.3組合權(quán)重

利用拉格朗日函數(shù)構(gòu)建組合權(quán)重系數(shù),公式如下[9]：

(10)

式中：參數(shù)θ為兩個目標(biāo)之間的平衡系數(shù)，0≤θ≤1，一般取θ=0.5。

則權(quán)重計算公式如下：

(11)

1.3 地下水資源生態(tài)安全綜合指數(shù)及安全等級

參考馬子惠等關(guān)于綜合指數(shù)的研究[10]，構(gòu)建地下水資源生態(tài)安全綜合指數(shù)(WS)，其計算公式如下：

(12)

式中：WS為地下水資源生態(tài)安全綜合指數(shù)；w為權(quán)重；y為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值。

表1 地下水資源生態(tài)安全等級[10,11]Tab.1 Ecological security level of groundwater resources

2 巖溶地區(qū)地下水資源生態(tài)安全評價

2.1 研究區(qū)概況

貴州省地處西南腹地，與重慶、四川、云南、廣西相接壤，全省總面積17.61 萬km2，截至2014年末，貴州省常住人口為3 508.04 萬人，農(nóng)業(yè)人口占到60%以上，貴州地貌屬于中國西南部高原山地，巖溶地貌發(fā)育非常典型，巖溶面積達(dá)13 萬km2，占土地總面積的73.8%以上[12]，巖溶縣占85.36%，巖溶比例大于70%的縣數(shù)有57個縣市。人均耕地面積不到0.05 hm2，遠(yuǎn)低于全中國平均水平。處在長江和珠江兩大水系上游交錯地帶，是長江、珠江上游地區(qū)的重要生態(tài)屏障。

2.2 基于DPSIR概念框架的地下水資源生態(tài)安全評價指標(biāo)體系構(gòu)建

歐洲環(huán)境署采用系統(tǒng)論方法，基于表述引發(fā)生態(tài)環(huán)境問題的起源與結(jié)果關(guān)系因果鏈的角度，提出“驅(qū)動力一壓力一狀態(tài)一影響一響應(yīng)”模型(DPSIR模型)[13]，DPSIR模型能表達(dá)影響生態(tài)安全各因素之間的信息耦合關(guān)系,體現(xiàn)了生態(tài)安全的演進(jìn)變化具有動力學(xué)特點[14]。該模型從系統(tǒng)分析的角度看待人和環(huán)境系統(tǒng)的相互作用，是一種在環(huán)境系統(tǒng)中廣泛使用的評價指標(biāo)體系概念模型，是組織環(huán)境狀態(tài)信息的通用框架[15]。DPSIR概念模型在區(qū)域生態(tài)安全評價、地表水資源安全評價、生態(tài)系統(tǒng)健康評價中應(yīng)用較廣，但是在地下水資源生態(tài)安全評價中尚無應(yīng)用，因此，將DPSIR概念框架引入到巖溶區(qū)地下水資源生態(tài)安全評價當(dāng)中， DPSIR 概念模型涵蓋社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源利用和環(huán)境保護(hù)等自然、人文的多個領(lǐng)域，將巖溶區(qū)地下水資源系統(tǒng)看成生態(tài)系統(tǒng)的一部分，為巖溶區(qū)地下水資源生態(tài)安全評價提供了新的研究思路[16]。巖溶區(qū)地下水資源生態(tài)安全評價DPSIR概念模型由驅(qū)動力子模型，壓力子模型，狀態(tài)子模型，影響子模型，響應(yīng)子模型5部分構(gòu)成。如圖1。

圖1 巖溶區(qū)地下水資源生態(tài)安全評價DPSIR模型框架Fig.1 DPSIR model framework of ecological security evaluation of groundwater resources in Karst area

基于圖1確定的巖溶地區(qū)地下水資源生態(tài)安全評價DPSIR概念框架，結(jié)合巖溶地區(qū)地下水資源系統(tǒng)特征，參考已有的土地生態(tài)安全、地下水資源以及水資源安全的相關(guān)研究[13,15，17]，并根據(jù)數(shù)據(jù)的可得性、獨立性和顯著性原則，選取具有代表性的巖溶區(qū)地下水資源生態(tài)安全評價指標(biāo)構(gòu)建基于DPSIR概念框架的巖溶區(qū)地下水資源生態(tài)安全評價指標(biāo)體系。如表2。

2.3 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

研究數(shù)據(jù)主要來源于《貴州省統(tǒng)計年鑒》(2005-2012)，《貴州省水土保持公報》，《貴州省水資源公報》，部分?jǐn)?shù)據(jù)通過年鑒數(shù)據(jù)換算得出，部分?jǐn)?shù)據(jù)采用趨勢預(yù)測獲取。

2.4 結(jié)果分析

依據(jù)公式(1)～(9)將評價指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，進(jìn)而換算每個指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)權(quán)重和均方差法，見表2。將單一方法獲得權(quán)重(表2)，代入公式(10)，得到權(quán)重組合系數(shù)為αc=(0.547，0.453)，將權(quán)重系數(shù)代入公式(11)獲得組合權(quán)重，如表2。借助公式(12)計算貴州省2005-2012年的地下水資源生態(tài)安全的綜合安全指數(shù)和驅(qū)動安全指數(shù)、壓力安全指數(shù)、狀態(tài)安全指數(shù)、影響安全指數(shù)以及響應(yīng)安全指數(shù)，如表3，依據(jù)計算獲得安全指數(shù)，對照表1的生態(tài)安全等級，確定生態(tài)安全等級，如表4。

2.4.1驅(qū)動力生態(tài)安全

從表3、4以及圖2來看，單純從驅(qū)動力安全指數(shù)來看，貴州省地下水資源生態(tài)安全呈現(xiàn)出波動下降趨勢，從安全等級來看，2005-2007年為敏感等級，2008年為不安全，2009和2010年為較安全，2011為敏感，2012年為不安全。2005-2012年GDP平均增長率達(dá)到12.125%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了全國平均水平，表明隨著近年來貴州省經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，對地下水資源生態(tài)安全的驅(qū)動影響已超出了地下水資源生態(tài)系統(tǒng)本身的承受力。

2.4.2壓力生態(tài)安全

從表3、4以及圖3來看，趨勢擬合R2=0.663 7，貴州省地下水資源壓力生態(tài)安全指數(shù)呈現(xiàn)緩慢增長趨勢。表明貴州省地下水資源壓力生態(tài)安全呈現(xiàn)轉(zhuǎn)好的趨勢。2005年為不安全、2006年為敏感、2008為安全、2007、2009、2010、2011、2012分別為較安全，壓力安全在波動調(diào)整中逐漸轉(zhuǎn)好。2004年7月,貴州省委九屆五次會議提出“生態(tài)立省”的貴州省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略[18]。經(jīng)過幾年的實施，其作用開始顯現(xiàn)，地下水資源面臨的壓力相對在減少，總體呈好轉(zhuǎn)趨勢。目前在貴州省經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分落后的情況下，地下水資源的壓力受到自然環(huán)境的壓力相對較大(干旱災(zāi)害)， 2008年底開始貴州省乃至整個西南地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)特大旱災(zāi)，導(dǎo)致地下水資源急劇減少，自然環(huán)境的變化對貴州省地下水資源產(chǎn)生巨大壓力，這可能是壓力安全指數(shù)2008年后下降的主要原因。

表2 地下水資源生態(tài)安全評價指標(biāo)體系Tab.2 Ecological security evaluation index system and weight of groundwater resource

表3 地下水資源生態(tài)安全綜合指數(shù)及分項指數(shù)(WS)(2005-2012)Tab.3 The composite index of ecological security of groundwater resources and the sub-index (WS) (2005-2012)

表4 地下水資源生態(tài)安全等級(2005-2012)Tab.4 Ecological security level of groundwater resources (2005-2012)

圖2 驅(qū)動力生態(tài)安全指數(shù)Fig.2 Ecological security index of drivers

圖3 壓力生態(tài)安全指數(shù)Fig. 3 Ecological security index of pressure

圖4 狀態(tài)生態(tài)安全指數(shù)Fig.4 Ecological security index of state

圖5 影響生態(tài)安全指數(shù)Fig.5 Ecological security index of influence

圖6 響應(yīng)生態(tài)安全指數(shù)Fig.6 Ecological security index of response

圖7 地下水資源生態(tài)安全綜合指數(shù)Fig.7 Composite index of ecological security

2.4.3狀態(tài)生態(tài)安全

從表3、4以及圖4來看，貴州省地下水資源狀態(tài)安全指數(shù)呈現(xiàn)明顯的波動增長趨勢，由2005、2006年的不安全，2007-2011年的敏感和較安全交替過渡到2012年的安全狀態(tài)。除了2012年狀態(tài)安全指數(shù)增加到93.8外，其他年份狀態(tài)安全指數(shù)增長緩慢，均值僅為47.75。

2.4.4影響生態(tài)安全

從表3、4以及圖5看出，影響安全指數(shù)呈現(xiàn)波動變化狀態(tài)，2008年之前呈現(xiàn)波動下降，2008年急劇下降，安全指數(shù)僅為10.9，2009年后波動增長。2008年之前緩慢下降可能的原因是生態(tài)立省戰(zhàn)略的滯后效應(yīng)所致，即政策制定之前影響的延續(xù)，2008年出現(xiàn)極端異常值，其原因是2008年旱澇災(zāi)害損失占GDP比重達(dá)到了13.68 %，2008年底發(fā)生了極端干旱，地下水資源急劇減少，嚴(yán)重影響了地下水資源的生態(tài)安全。2008年后交替緩慢的增長是貴州省生態(tài)立省、生態(tài)文明建設(shè)、退耕還林等政策的實施，減少了對地下水資源的影響，地下水資源影響安全狀態(tài)緩慢恢復(fù)。

2.4.5響應(yīng)生態(tài)安全

從表3、4以及圖6來看，趨勢擬合R2=0.882 8，趨勢擬合顯著，貴州省地下水資源響應(yīng)安全指數(shù)呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，由2005年的13，增長到2012年的77.2，年增長8.025。安全狀態(tài)由2005-2008年的不安全，過渡到2009年的敏感和2011年的安全以及2010與2012年的較安全狀態(tài)。表明在經(jīng)濟(jì)社會急劇發(fā)展和自然環(huán)境異常變化的情況下，貴州省政府和相關(guān)水資源和環(huán)境部門迅速做出反映，通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、環(huán)境保護(hù)力度的加大以及技術(shù)的提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)、水資源基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)等措施，盡量減少對地下水資源的安全威脅。

2.4.6地下水資源綜合生態(tài)安全

對貴州省2005-2012年的地下水資源生態(tài)安全指數(shù)進(jìn)行趨勢擬合，公式為：y=0.057 9x+0.287 3趨勢擬合R2=0.899 6。從擬合方程走勢可以看出，貴州省地下水資源整體安全指數(shù)與前面的分項如驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響的安全指數(shù)波動變化明顯，趨勢擬合不理想不同，與響應(yīng)生態(tài)安全指數(shù)擬合類似，整體安全指數(shù)擬合顯著。安全狀態(tài)由2005年的不安全，過渡到2006-2009年的敏感，進(jìn)而到了2010-2012年呈現(xiàn)較安全狀態(tài)，整體安全狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)好。表明貴州省在實施了生態(tài)立省戰(zhàn)略、生態(tài)文明建設(shè)、退耕還林等政策后，地下水資源的驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響的安全在受到經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展影響下，自然環(huán)境的影響起到主要的作用，但是在自然環(huán)境的影響下，貴州省政府和相關(guān)水資源和環(huán)境部門迅速做出響應(yīng)，通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、環(huán)境保護(hù)力度的加大以及技術(shù)的提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)、水資源基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)等措施，對貴州省地下水資源的整體生態(tài)安全的調(diào)整起到關(guān)鍵的作用，使得整體地下水資源安全向著好的方向發(fā)展。

3 結(jié) 語

(1)本研究基于DPSIR概念框架，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)方法和均方差法進(jìn)行組合賦權(quán)，構(gòu)建巖溶區(qū)地下水資源生態(tài)安全指數(shù)模型，對貴州省2005-2012年地下水資源生態(tài)安全進(jìn)行動態(tài)研究，研究表明：貴州省2005-2012年的地下水資源生態(tài)安全指數(shù)呈現(xiàn)直線增長趨勢，安全狀態(tài)由2005年的不安全，過渡到2006-2009年的敏感，進(jìn)而到了2010-2012年呈現(xiàn)較安全狀態(tài)，整體安全狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)好。驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響的安全指數(shù)波動變化明顯，趨勢擬合不理想，響應(yīng)安全指數(shù)趨勢擬合顯著，貴州省地下水資源響應(yīng)安全指數(shù)呈現(xiàn)明顯的增長趨勢。自然環(huán)境的變化(干旱災(zāi)害)以及政府和相關(guān)水資源和環(huán)境部門的響應(yīng)，通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、環(huán)境保護(hù)力度的加大以及技術(shù)的提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)、水資源基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)等措施，對貴州省地下水資源的整體生態(tài)安全的調(diào)整起到關(guān)鍵的作用。

(2)嘗試應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)方法和均方差法進(jìn)行組合賦權(quán)，構(gòu)建巖溶地區(qū)的地下水資源整體生態(tài)安全DPSIR評價指標(biāo)體系，對巖溶地區(qū)地下水資源生態(tài)安全進(jìn)行評價，計算得出的結(jié)果與巖溶區(qū)地下水資源生態(tài)安全客觀情況相吻合，反映了其動態(tài)變化特征，證明了該評價方法具有一定的應(yīng)用價值，為巖溶區(qū)地下水資源生態(tài)安全評價提供了有益的方法參考。巖溶地區(qū)作為特殊的地貌單元，地下水資源生態(tài)安全演化特征與非巖溶地區(qū)差別巨大，本文限于數(shù)據(jù)采集的困難，時間選擇相對較短(8年)，雖然反映了一定的動態(tài)變化特征，但是不能反映變化環(huán)境下地下水資源大時間尺度的演化規(guī)律，下一步應(yīng)該進(jìn)一步完善。

□

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