基于綜合指數(shù)法的保定市地表水資源脆弱性評價

黃壘 張禮中 朱吉祥 霍志彬 蔡子昭

摘要：根據(jù)地表水資源脆弱性內(nèi)涵及保定市地表水資源的特點，從自然脆弱性、人為脆弱性和承載脆弱性三個方面選取10項評價指標。利用層次分析法確定各指標權(quán)重，基于綜合指數(shù)法結(jié)合GIS/RS技術(shù)對保定市地表水資源脆弱性進行了定量評價。結(jié)果表明，保定市地表水資源總體上呈現(xiàn)出較為脆弱的態(tài)勢，其中以保定市西北部、西部、中部偏東及東南部地區(qū)表現(xiàn)得最為明顯。根據(jù)脆弱性結(jié)構(gòu)，將這些地區(qū)分成自然脆弱性主導(dǎo)型地區(qū)、人為脆弱性主導(dǎo)型地區(qū)和承載脆弱性主導(dǎo)型地區(qū)三類。針對自然和人為脆弱性主導(dǎo)型地區(qū)，提出加快水利設(shè)施建設(shè)、擴大綠化面積等對策;針對承載脆弱性主導(dǎo)型地區(qū)，提出控制用水總量和人口增長、淘汰落后產(chǎn)能、發(fā)展節(jié)水技術(shù)、宣傳節(jié)水知識等對策。

關(guān)鍵詞：保定市;地表水資源;層次分析法;綜合指數(shù)法;GIS;RS;脆弱性

中圖分類號：P331;TV211.1文獻標志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：黃壘

Evaluation of vulnerability of surface water resources in Baoding based on comprehensive index method

HUANG Lei，ZHANG Lizhong，ZHU Jixiang，HUO Zhibin，CAI Zizhao

（Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Shijiazhuang 050061，China

Abstract：According to the connotation of surface water resources vulnerability and the characteristics of surface water resources in Baoding，10 evaluation indexes are selected from three aspects：natural vulnerability，human vulnerability and burden vulnerability.The weight of each index is calculated by AHP，and the vulnerability of surface water resources is quantitatively evaluated by comprehensive index method and GIS/RS technology.The results show that the surface water resources in Baoding are generally vulnerable，and the most vulnerable areas are the northwestern，western，east-central，and southeastern parts of Baoding.According to the vulnerability structure，these areas are divided into three categories：natural vulnerability-dominant areas，human vulnerability-dominant areas and burden vulnerability-dominant areas.For the natural vulnerability-dominant and human vulnerability-dominant areas，some countermeasures are put forward such as construction of water conservancy facilities and expansion of afforestation area;for the burden vulnerability-dominant areas，this paper proposes controlling water consumption and population growth，eliminating backward production capacity，developing water-saving technologies and promoting water-saving knowledge.

Key words：Baoding;surface water resources;AHP;comprehensive index method;GIS;RS;vulnerability

水資源是人類生存的根本保證，對其合理的開發(fā)與利用，不僅關(guān)系到社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，更加關(guān)系到人類自身的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。我國水資源問題十分突出，人均淡水資源占有量僅為世界平均水平的四分之一[3-4]。尤其是廣大北方地區(qū)年降水量較少、季節(jié)分布不均、地表徑流少且人口稠密，水資源問題顯得尤為嚴峻[2，4-6]。因此，水資源脆弱性評價對于我國，尤其是我國北方地區(qū)而言，已成為一個不容忽視的重要課題。國內(nèi)外學(xué)者對其展開了多方面研究[7-15]，例如，F(xiàn)arley等[13]耦合人類環(huán)境系統(tǒng)，探討了氣候變化對美國俄勒岡山脈地區(qū)水資源脆弱性的影響;Babel等[14]總結(jié)了八個水資源脆弱性參數(shù)應(yīng)用于尼泊爾巴格馬蒂河流域的水資源脆弱性評價;鄒君等[9，11，15]以衡陽盆地為例對南方地區(qū)地表水資源脆弱性和農(nóng)業(yè)水資源脆弱性的概念、內(nèi)涵和評價方法做了詳盡研究。就評價方法而言，綜合指數(shù)法綜合考慮了影響水資源脆弱性的各種自然與人為因素，評價結(jié)果具有一定的代表性和可比性，同時評價過程較為簡單，因此得到了廣泛的應(yīng)用[16]。保定市域是典型的資源型缺水地區(qū)，隨著經(jīng)濟的快速增長和用水需求的持續(xù)提高，水資源已成為制約地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[17]。在國家提出建立河北雄安新區(qū)，打造北京非首都功能疏散集中承載地的背景下，開展保定市水資源脆弱性定量評價對當?shù)厮Y源的可持續(xù)利用與管理具有非常重要的現(xiàn)實意義。本文以保定市地表水資源脆弱性為研究對象，從自然脆弱性、人為脆弱性和承載脆弱性三個方面提取10項評價指標，構(gòu)建其評價模型，采用綜合指數(shù)法，結(jié)合GIS/RS技術(shù)，對保定市地表水資源脆弱性進行定量評價。

1研究區(qū)概況

保定市位于河北省中西部（38°10′-40°00′N，113°40′-116°20′E），地處太行山北部東麓、冀中平原西部。境內(nèi)地勢由西北向東南傾斜，地貌主要包括山地和平原兩類，且二者面積基本相同。河流主要屬海河流域大清河水系，分為南北兩支，部分河流匯入華北平原最大的淡水湖泊—白洋淀。保定市多年平均降水量為566.9 mm，其中山區(qū)為607.8 mm，平原為526.6 mm，7月、8月份平均降水量達到全年降水量的一半，時空分布極為不均。2016年，保定市地下水資源量21.87億m.3，地表水資源量10.37億m.3，扣除地表水和地下水的重復(fù)計算量，全市水資源總量24.81億m.3，人均水資源量僅為238 m.3，遠低于人均500 m.3的國際水資源緊缺標準，屬于極度缺水地區(qū)。據(jù)保定市2016年統(tǒng)計年鑒顯示，全市地區(qū)生產(chǎn)總值3 110.4億元，人均生產(chǎn)總值29 945元。年末常住人口數(shù)1 042.5萬人，其中城鎮(zhèn)人口511.2萬人，城鎮(zhèn)化率為49.03%。

2指標體系的構(gòu)建與數(shù)據(jù)來源

2.1指標體系的構(gòu)建

地表水資源系統(tǒng)是一個復(fù)雜的巨型系統(tǒng)，只有建立一個能反映其脆弱性內(nèi)涵及研究區(qū)域特征的評價指標體系才能對其脆弱性進行恰當?shù)脑u價。對于地表水資源系統(tǒng)而言，脆弱性具有以下幾層含義：（1）脆弱性是地表水資源系統(tǒng)自身的一種客觀屬性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是決定脆弱性的根本因素;（2）脆弱性容易受水旱災(zāi)害、水質(zhì)污染、水資源開發(fā)利用等外在因素的影響，并以一定的形式表現(xiàn)出來;（3）脆弱性具有使地表水資源系統(tǒng)從各種不良影響中實現(xiàn)自我修復(fù)的能力。在充分理解上述地表水資源脆弱性內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，將影響保定市地表水資源系統(tǒng)脆弱性的因素劃分為自然脆弱性、人為脆弱性和承載脆弱性三類。結(jié)合保定市地表水資源系統(tǒng)的特點，立足于科學(xué)性、可操作性以及簡便性等原則，參考前人的研究成果[8，15，18]，從三類脆弱性中選取10項評價指標，構(gòu)建保定市地表水資源脆弱性評價的指標體系，見圖1。

（1）自然脆弱性。指由人類活動難以改變的地表水資源系統(tǒng)內(nèi)部固有自然要素所形成的維持其在水質(zhì)和水量上符合人類各種利用要求的適用性或敏感性。降水量、蒸散量等氣候因子和坡度、高程等地貌因子是影響自然脆弱性的主要因素。選取年平均降水量（X1）、干旱指數(shù)（X2）、降水集中度（X3）和坡度（X4）四項指標，其中X2等于保定市年平均蒸發(fā)量除以年平均降水量，它與X1分別代表地表水資源的排泄和補給強度，反映了保定市地表水資源的豐富程度;X3等于保定市7月、8月降水量除以年平均降水量，反映了保定市降水時間分布的不均勻性;X4代表下墊面對水資源的持蓄能力，坡度較大往往不利于雨水在土壤中充分下滲和儲存。

（2）人為脆弱性。指由于人類活動改變了地表水資源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)而形成的維持其在水質(zhì)和水量上符合人類各種利用要求的適用性或敏感性。通過人工綠化、退耕還林、還草等措施提高植被覆蓋率從而改善下墊面對水資源的持蓄能力以及通過建設(shè)各種提水、引水的水利設(shè)施來改善地表水資源在空間上分布不均的問題都是人為脆弱性的體現(xiàn)。選取植被覆蓋率（X5）、土地利用指數(shù)（X6）以及最近水源地距離（X7）三項指標，其中X5反映了人類活動對下墊面的改造程度;X6由專家根據(jù)各種土地利用類型對地表水資源脆弱性影響程度的大小打分得到，用于定量描述不同土地利用類型對地表水資源的依賴性;X7表示地面某點距離最近河流、湖泊、水庫等水源地的遠近，反映了地面點獲取地表水資源的能力以及各類水利設(shè)施的分布情況。

（3）承載脆弱性。指地表水資源系統(tǒng)應(yīng)對外部負荷或人類對其不合理開發(fā)利用所形成的其在水質(zhì)和水量上符合人類各種利用要求的適用性或敏感性。不同于自然脆弱性和人為脆弱性，承載脆弱性主要與系統(tǒng)所受的外部負荷有關(guān)，而與系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)無關(guān)，且這種外部負荷多是指人類活動。一方面，由于保定市人口的增長和經(jīng)濟的高速發(fā)展，人類自身的生活活動、農(nóng)業(yè)灌溉活動以及工業(yè)生產(chǎn)活動都會產(chǎn)生極大的用水需求，給區(qū)域地表水資源系統(tǒng)以巨大的壓力;另一方面，在水資源開發(fā)利用過程中的不合理行為，如農(nóng)藥化肥的施放、生活污水及工業(yè)廢水的排放等也給地表水資源系統(tǒng)帶來了非常惡劣的影響。選取人口密度（X8）、單位面積產(chǎn)值（X9）以及道路密度（X10）三項指標。三者分別反映了保定市人類生活活動強度、生產(chǎn)活動強度和交通活動強度。

2.2數(shù)據(jù)來源

在考慮可獲得性的前提下，盡可能地選取同期數(shù)據(jù)，如X5、X6、X7、X8、X9、X10指標中涉及的Landsat 8遙感影像和X8、X9中涉及的經(jīng)濟、人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)均取自于2015年。而對于降水量、蒸發(fā)量等氣象數(shù)據(jù)，由于其年變化較大，故選用多年平均值代替，二者分別取自于1981-2010年和1971-2000年。遙感影像和DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http：//www.gscloud.cn），氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn），統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于保定市統(tǒng)計年鑒。

3評價方法

地表水資源脆弱性定量評價主要可分為函數(shù)法和指標法兩類。函數(shù)法具有系統(tǒng)性，易于在地區(qū)間比較且物理機制清晰，但指標選擇困難、因素難以考慮全面、不夠靈活且難以對結(jié)果進行解釋;而指標法體系清晰、指標構(gòu)建靈活、考慮全面且結(jié)果更易于解釋[19]。綜合指數(shù)法是典型的指標法之一，該方法通過判斷各指標對地表水資源脆弱性的影響程度來確定權(quán)重，并將其賦給對應(yīng)的指標數(shù)值后求和，從而得到地表水資源脆弱性得分。本文采用綜合指數(shù)法，結(jié)合GIS/RS技術(shù)，以指標圖層為參數(shù)對保定市地表水資源脆弱性進行評價分析，其技術(shù)路線見圖2。

4保定市地表水資源脆弱性評價

4.1指標圖層的生成

基于空間分析、柵格計算及遙感分類技術(shù)等對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)字化和圖層編輯處理，生成保定市地表水資源脆弱性評價各指標圖層見圖3。為了排除量綱和數(shù)據(jù)趨向的影響，對上述10個指標圖層進行極值標準化處理，將其屬性值控制在0～1的范圍之內(nèi)。其中X1和X5為負向指標，其余為正向指標。

4.2指標權(quán)重的計算

權(quán)重的確定是整個評價過程的一個重要環(huán)節(jié)和研究難點，主要可采用主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法[20]?？陀^賦權(quán)法往往過分依賴于數(shù)學(xué)或統(tǒng)計方法，容易忽略系統(tǒng)的規(guī)律和主觀特性，而主觀賦權(quán)法主要依賴于專家的經(jīng)驗判斷，適用于解決那些對評價結(jié)果難以直接準確定量的場合。層次分析法是一種常用的主觀賦權(quán)方法，它利用評價者的經(jīng)驗來判斷各衡量指標之間的相對重要程度，由此合理地計算出每個指標的權(quán)重。該方法使復(fù)雜的評價問題層次化，僅利用少量的定量信息將評價的思維過程數(shù)學(xué)化，尤其適用于指標體系較為復(fù)雜的地表水資源脆弱性評價。因此，本文選用層次分析法來確定各評價指標的權(quán)重。

邀請專家用1-9標度法對層次指標進行兩兩比較構(gòu)造判斷矩陣，并據(jù)此計算層次單排序和總排序，通過一致性檢驗后，得到各評價指標在保定市地表水資源脆弱度計算中的權(quán)重，見表1。

4.3評價結(jié)果與分析

將各指標的權(quán)重賦給其對應(yīng)的圖層進行柵格疊加運算，以表2為評價標準，得到保定市地表水資源脆弱性評價結(jié)果，見圖4。

總的來看，保定市地表水資源脆弱性問題表現(xiàn)得非常突出：全市80%以上的地區(qū)脆弱度等級為中脆弱及其以上，接近一半的地區(qū)為強脆弱及其以上。

具體來說，保定市地表水資源脆弱性呈現(xiàn)出比較明顯的空間分布差異現(xiàn)象：西北部、西部、中部偏東及東南部地區(qū)脆弱度大，東北部及西南部地區(qū)脆弱度小。為了進一步分析這種差異形成的原因，根據(jù)脆弱性結(jié)構(gòu)將它們分為以下三類，并做分別探討。

（1）自然脆弱性主導(dǎo)型地區(qū)。分析評價結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，全市90%以上的地區(qū)的自然脆弱度得分能占總脆弱度得分的一半，總脆弱性較高的地區(qū)基本都分布在年平均降水量小、干旱指數(shù)大的區(qū)域，這說明自然要素是影響保定市地表水資源脆弱性最主要的控制因素。總脆弱性較高的地區(qū)中，淶源縣西部和阜平縣西部偏北地區(qū)是典型的自然脆弱性主導(dǎo)型。這些地區(qū)年平均降水量普遍在500 mm以下，干旱指數(shù)達到4以上，地表水資源極度匱乏，加上它們基本都是高程在1 000 m以上的山地、陡坡，無疑更加重了當?shù)氐牡乇硭Y源脆弱性。

（2）人為脆弱性主導(dǎo)型地區(qū)。以最近水源地距離指標為主的人為脆弱性是導(dǎo)致保定市部分地區(qū)脆弱性突出的又一重要原因。這一類型主要分布在阜平縣東北部、西部偏南、淶源縣北部、淶水縣西南部、保定市東南部及中部偏東地區(qū)等。這些地區(qū)均距河流、湖泊等天然水源地較遠，對水庫等水利設(shè)施建設(shè)的投入不足，缺乏提水、引水的能力，地表水資源可獲得性較差。其中，淶水縣西南部、保定市東南部及中部偏東地區(qū)由于城鎮(zhèn)建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對原有下墊面持水能力的破壞，地表水資源脆弱性得到進一步提高。

（3）承載脆弱性主導(dǎo)型地區(qū)。此類多是指發(fā)展程度相對較高的保定市各縣（區(qū)）城鎮(zhèn)區(qū)域。經(jīng)濟的高速發(fā)展和人口的迅速膨脹是造成這類地區(qū)地表水資源脆弱性較高的重要因素。一方面，城鎮(zhèn)地區(qū)的人口密度遠高于其它區(qū)域，過量的人口引發(fā)了嚴重的生活用水問題;另一方面，大量的工廠、企業(yè)多分布在城鎮(zhèn)地區(qū)，其所需的工業(yè)用水使得區(qū)域地表水資源的供需矛盾更加突出，脆弱性更為顯著。

4.4適應(yīng)性對策

地表水資源脆弱性評價的目的在于根據(jù)評價結(jié)果找出區(qū)域地表水資源系統(tǒng)存在的問題，從而有針對性地制定對策，降低地表水資源系統(tǒng)的脆弱性，實現(xiàn)區(qū)域地表水資源的可持續(xù)利用。根據(jù)以上地表水資源脆弱性評價結(jié)果，本研究提出以下適應(yīng)性對策。

（1）針對自然與人為脆弱性主導(dǎo)型地區(qū)，亟需解決的問題是地表水資源的獲取與持蓄。①保護河流、湖泊等天然水系，加快水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，構(gòu)建覆蓋保定全境的水系網(wǎng)絡(luò)，提高獲取地表水資源的能力。②加大生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境保護力度，因地制宜地植樹造林，擴大森林、綠地面積，以涵養(yǎng)水源、防治水土流失。

（2）針對承載脆弱性主導(dǎo)型地區(qū)，則要對現(xiàn)有地表水資源制定科學(xué)合理的利用方案，緩解供需矛盾。①嚴格把控用水總量，建立科學(xué)的水資源有償使用機制，防止地表水資源過度使用。②控制區(qū)域人口數(shù)量，尤其是要限制城市人口增長，降低城市人口密度。③工業(yè)上限制高污染、高消耗的產(chǎn)品和設(shè)備，推動企業(yè)加快生產(chǎn)工藝的升級換代，促進產(chǎn)業(yè)綠色健康發(fā)展。④農(nóng)業(yè)上加強農(nóng)民節(jié)水意識，大力發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)，實現(xiàn)地表水資源的最大化利用。⑤社會上宣傳節(jié)水知識，樹立人水和諧的節(jié)水理念，引導(dǎo)居民節(jié)約用水，建設(shè)節(jié)水型社會。

5結(jié)語

保定市域是典型的資源型缺水地區(qū)，當前經(jīng)濟高速增長、人口劇烈膨脹、用水需求持續(xù)提高，水資源已成為制約地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的主要因素?；诰C合指數(shù)法，構(gòu)建了一套評價指標體系，結(jié)合層次分析法及GIS/RS技術(shù)，對保定市地表水資源脆弱性進行定量評價。評價結(jié)果顯示，保定市總體地表水資源脆弱性問題較為突出，且主要集中在保定市西北部、西部、中部偏東及東南部地區(qū)。根據(jù)脆弱性結(jié)構(gòu)，將這些地區(qū)分成自然脆弱性主導(dǎo)型地區(qū)、人為脆弱性主導(dǎo)型地區(qū)和承載脆弱性主導(dǎo)型地區(qū)三類，不同的脆弱性主導(dǎo)類型宜采取相應(yīng)的適應(yīng)性對策，以降低其水資源脆弱性。研究結(jié)果可供保定市制定科學(xué)合理的用水規(guī)劃與政策參考，同時對于北方其它地區(qū)的水資源脆弱性分析與評價，也具有一定的借鑒意義。[HJ1.75mm]

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