基于靜態(tài)程度的荊南三口地區(qū)水資源短缺變化分析

代 穩(wěn)，呂殿青，王金鳳，王勝文

(1.六盤水師范學院旅游與歷史文化學院，貴州六盤水553004；2.湖南師范大學資源與環(huán)境科學學院，湖南長沙410081)

0 引 言

水資源是支持人類社會經濟持續(xù)健康發(fā)展的必要條件[1]。近年來，受氣候變化(極端天氣等)和人類活動(水庫建設及運行、土地利用變化等)的雙重影響，陸地水文循環(huán)狀況發(fā)生不同程度的改變，水質惡化、水土流失和水資源短缺等水資源安全問題日益突出，對經濟社會可持續(xù)發(fā)展提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

荊南三口既是連接長江的紐帶，又是溝通洞庭湖的水流通道；其分流的多寡對該地區(qū)水資源的豐歉起著決定性的作用。近幾十年來受環(huán)境變化和人類活動的綜合影響，荊江三口分流量呈現出逐期減少的趨勢[2]。通過對1951年～1966年、1967年～1972年、1973年～1980年、1981年～1998年、1999年～2002年和2003年～2015年6個時段多年平均分流量比較可知，三口多年平均分流量依次減少了310.2億、187.1億、135.7億、73.3億m3和106.3億m3，分流比(同期三口多年平均分流量與枝城站多年平均徑流量之比)依次減少了5.80%、4.90%、3.10%、1.70%、1.30%。三峽水庫蓄水運用后與下荊江系統裁彎前比較，三口分流量共減少了812.6 m3，減幅達到61%；同期，三口四站(沙道觀、彌陀寺、管家鋪、康家崗)出現了連續(xù)斷流現象且年斷流天數呈逐步增加的趨勢，尤其是特枯年份斷流時間更長[3]。受分流量逐期減少和斷流天數增加的影響，該地區(qū)季節(jié)性缺水和工程性缺水問題日益突出。其水資源短缺為何種程度，是加重還是減緩及快慢程度，是荊南地區(qū)、乃至長江中下游水資源配置和管理的重要問題。為此，本文采用突變級數法對三峽水庫運行后2003年～2015年荊南三口地區(qū)水資源短缺程度進行靜態(tài)評價，然后根據其評價結果，運用變化速度狀態(tài)測度和趨勢測度數理模型，從時空尺度上對該地區(qū)水資源短缺程度進行動態(tài)綜合評價，揭示其水資源短缺程度變化狀態(tài)，以期為進一步優(yōu)化三峽水庫調度方案和制定地區(qū)經濟社會發(fā)展規(guī)劃，以及產業(yè)結構優(yōu)化與調整提供理論依據。

1 研究區(qū)域概況

荊江是指長江干流枝城站至城陵磯河段的總稱，其南岸的松滋、虎渡和藕池三口(調弦口于1958年堵口)，習慣上稱為荊南三口水系，主要分泄長江來水進入洞庭湖。據統計，荊南三口地區(qū)的岳陽市華容縣、常德市安鄉(xiāng)縣及益陽市南縣80%以上的三生(生產、生活、生態(tài))用水均來源于荊南三口河系；因此，選取2003年～2015年該3縣作為評價樣區(qū)。水資源短缺程度評價指標體系中所涉及的基礎數據均來源于岳陽市、常德市、益陽市統計年鑒(2003年～2015年)，華容縣、安鄉(xiāng)縣、安縣國民經濟與社會發(fā)展公報(2003年～2015年)，以及岳陽市、常德市、益陽市水資源公報和洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)水資源配置與對策研究、洞庭湖湖區(qū)綜合規(guī)劃等。

2 研究方法及指標體系

2.1 突變級數法

突變級數法是運用突變數學模型對評價目標進行排序分析的一種綜合評價方法[4]。該方法對評價目標進行多層次分解；然后利用突變理論與模糊數學相結合產生突變模糊隸屬函數；再由歸一公式進行綜合量化運算， 最后歸一為一個參數。即，求出總的隸屬函數[5]，具體是以勢函數為研究對象，系統動態(tài)變化過程通過狀態(tài)變量(行為狀態(tài))X={x1，x2，…xn}和外部控制參量(影響突變的決定因素)V=f(A，X)來反映，其具體構造見文獻[4- 6]。突變級數法在進行計算時，要求將評價目標進行多層次分組，使得各層指標在層次結構中不多于4個，即某一系統其狀態(tài)變量的控制參數變量個數一般不超過4個[7]，不同的控制變量與不同的突變模型及勢函數、分歧集和歸一公式相對應。具體計算如下[7- 10]

式中，當各控制變量之間“非互補”，按公式(1)計算；若“互補”，按公式(2)計算。

2.2 速度特征的動態(tài)綜合評價法[10- 13]

首先，假設有m個被評價對象S1，S2，…，Sm，在連續(xù)n個時期t1，t2，…，tn，根據突變級數法可計算得到Si在tj時期內的靜態(tài)評價結果為rij=ri(tj)，(i=1，2，…m;j=1，2，…n)，由此評價結果形成了時序信息矩陣

即，被評價對象Si在[tj，tj+1]時段內的變化速度為vij，則可以形成變化速度時序信息矩陣

(5)

為了體現被評價對象的變化速度趨勢對動態(tài)綜合評價的激勵作用，需要不斷修正變化速度狀態(tài)：當aij=0時，λ(aij)=1，被評價對象變化速度狀態(tài)呈平穩(wěn)趨勢，不需要做修正處理；當aij>0時，λ(aij)>1，被評價對象變化速度狀態(tài)呈上升趨勢，變化速度需要做出獎勵修正處理；當aij<0時，λ(aij)<1，被評價對象變化速度狀態(tài)呈下降趨勢，變化速度需要做出懲罰修正處理。

最后，求出被評價對象Si在[tj，tj+1]的時間跨度內的動態(tài)綜合評價公式

式中，kj為系數，一般設定kj=1。式(7)主要用于計算被評價對象Si在[tj，tj+1]的時段內的動態(tài)綜合評價值，若要求出被評價對象Si在[tj，tn]的時段內的動態(tài)綜合評價值，則

(8)

表1 水資源短缺程度評價指標體系

2.3 指標體系確定

針對長江荊南三口地區(qū)水資源集中體現在時間分布不均、氣候變化的隨機性和“三生”需水量逐期增加的狀況，選取表征該地區(qū)水資源短缺程度評價指標遵循以下原則：①能夠充分反映出水資源供需狀況；②能夠集中體現“三生”用水程度；③能夠反映社會經濟發(fā)展水平；④能夠反映出變化環(huán)境下水資源的供給能力。依據上述原則，選取了支持力、壓力和協調力三類指標組成準則層的評價指標體系(見表1)。

2.4 指標權重及標準化處理

在對各項指標數值進行標準化處理(無量綱)的基礎上，按照層次分析法的思路，結合專家的賦權意見，可以得到以下14個指標的主觀優(yōu)先排序與重要程度的合理賦值；再根據熵值法[14]的計算步驟，計算求得14個指標的客觀權重，最后采取折中的辦法，確定各指標的權重值(見表2)。

表2 評價指標權重及標準化處理后的數據

2.5 評價等級標準

水資源短缺程度靜態(tài)評價值的大小反映了水資源短缺程度，其數值越大(接近1)，表明水資源短缺程度越不缺水；反之，數值越小(接近0)，意味著水資源短缺程度越嚴重。為了定量判斷水資源短缺程度，根據靜態(tài)評價值劃分出5個等級。即，0.9≤x≤1，不缺水；0.7≤x<0.9，基本不缺水；0.5≤x<0.7，輕度缺水；0.3≤x<0.5，中度缺水；0≤x<0.3，重度缺水。

3 結果與分析

3.1 時空變化規(guī)律

根據評價指標體系及各指標權重值的大小順序，結合歸一公式(折疊突變、尖點突變、燕尾突變、蝴蝶突變4個控制變量)和水資源短缺程度評價指標體系各層各級指標數以及各級控制變量之間是否存在指標“互補”來確定系統狀態(tài)變量值的計算方法。通過歸一公式及式(1)、式(2)獲得長江荊南三口地區(qū)華容縣、安鄉(xiāng)縣和南縣三縣水資源短缺程度靜態(tài)評價結果(見表3)。

表3 荊南三口地區(qū)水資源短缺靜態(tài)評價結果

荊南三口地區(qū)水資源短缺程度在時間尺度上：2003年為0.590 5，屬于輕度缺水類型；2005年增至0.933 9，連續(xù)跨過臨界值0.7、0.9變?yōu)椴蝗彼愋停浑S后2006年降至0.606 8，返回之前的輕度缺水類型，之后一直保持在0.8以上，呈上下波動趨勢，屬于基本不缺水類型或不缺水類型。說明該地區(qū)水資源短缺程度不嚴重，甚至很多年份未出現水資源短缺現象，如2005年、2008年、2009年、2010年和2012年等年份。值得指出的是：2003年和2006年該地區(qū)水資源短缺程度為輕度缺水類型，主要是2003年三峽工程開始蓄水運行及用水壓力指標偏高所致。其中，農業(yè)灌溉用水定額B11達8 000 m3/hm2，萬元工業(yè)產值用水量B13約為420 m3/萬元，單位GDP水耗C21為600 m3/萬元，而2006年三縣水資源短缺程度嚴重的原因主要是2006年為特枯年，三口分流量僅為184.6億m3[15]，三口平均斷流天數達到198 d。從表3可知，除2006年特枯年外，2003年～2015年水資源短缺程度大致呈緩慢上升的趨勢，與該地區(qū)同步平均斷流天數變化趨勢產生較好的對應關系(見圖1)；從而說明氣候變化與人類活動造成相對豐水地區(qū)出現了水資源短缺問題。從水資源短缺類型上講，不同的區(qū)域或地理位置有不同的缺水類型，我國西北干旱區(qū)、北方地區(qū)屬于資源性缺水類型，西南地區(qū)屬于工程性缺水類型[16]，而典型豐水區(qū)(長江荊南三口)既是季節(jié)性缺水類型，又是工程性缺水類型[3]。從氣候變化與人類活動對水資源變化影響的貢獻率上講，年徑流量趨勢性改變是由于上游徑流量的不斷減少及諸多人為工程共同作用的結果，其中裁彎和三峽工程的影響最為明顯[17- 18]，人類活動對三口地區(qū)徑流量減少的貢獻率占80%左右，降水僅占20%[19]。由此表明，由于人口的快速增長、經濟社會的迅猛發(fā)展、大型水利工程的建設等人類活動，使得水資源短缺變化迅速，僅依靠短缺程度評價值來分析水資源利用狀況不能有效、靈敏地反映出該地區(qū)水資源供需發(fā)展變化過程。因此，系統研究長江荊南三口地區(qū)水資源短缺程度的變化趨勢，有必要從短缺程度變化速度快慢反映水資源短缺的變化趨勢，以期為荊南三口地區(qū)應對氣候變化及人類活動對水資源影響的措施。

圖1 三縣歷年水資源短缺程度平均值與三口平均斷流天數對應關系

從空間分布上來看，該地區(qū)三縣水資源短缺程度多年平均值(2003年～2015年)均在0.8以上，均屬于基本不缺水類型。但三縣也存在一定的差異，其中東部華容縣最不缺水，多年平均值為0.847 7；南部南縣其次，多年平均值為0.840 3；西部安鄉(xiāng)縣排序第三，多年平均值為0.817 2。近十年來，華容縣水資源短缺程度整體上比南縣和安鄉(xiāng)縣的水資源短缺程度低(見表3)，具體表現在：①華容縣受斷流影響的程度低于南縣和安鄉(xiāng)縣，荊南三口水系斷流天數統計表明，華容縣境內的藕池河東支多年平均斷流天數為186 d，而南縣境內的藕池河西支為259 d，安鄉(xiāng)縣境內的松滋河、虎渡河分別為199 d、152 d；②華容縣用水指標無論是效益型還是成本型均優(yōu)于南縣和安鄉(xiāng)縣，如2003年單位GDP水耗，華容縣、南縣、安鄉(xiāng)縣分別為558、637、603 m3/萬元。由此表明，徑流量的多少或斷流的天數、用水效率制約著長江荊南三口地區(qū)水資源短缺程度，徑流量越豐富，用水效率越高，水資源短缺程度越低。顯然，要保證該地區(qū)水資源安全，使水資源與經濟社會發(fā)展相協調，就必須通過提高用水效率、雙向優(yōu)化產業(yè)結構與用水結構等途徑來實現。

表4 荊南三口地區(qū)水資源短缺程度變化速度狀態(tài)測度值及激勵修正值

3.2速度動態(tài)變化特點

水資源量具有明顯的不確定性和隨機性。前述的水資源短缺程度靜態(tài)評價結果只能反映現狀年水資源的短缺程度，對于短缺程度的整體變化發(fā)展趨勢，尤其是速度變化快慢程度，還需借助于水資源短缺程度變化速度狀態(tài)測度、短缺程度變化速度趨勢測度及短缺程度變化速度動態(tài)綜合評價。為揭示該地區(qū)三縣水資源短缺程度變化速度，將前述的突變級數法計算得出的靜態(tài)評價值作為初始值構建時序信息矩陣；然后，根據式(4)、(5)和(6)，應用MATLAB軟件計算得出各縣的水資源短缺程度變化速度狀態(tài)測度值(見表4、圖2)、趨勢測度值(見表5)及由趨勢測度值經激勵處理后變化速度狀態(tài)測度修正值(見表4)；最后，由公式(7)和(8)計算得到長江荊南三口地區(qū)三縣的水資源短缺程度變化速度動態(tài)綜合評價值。從缺水程度變化速度狀態(tài)測度結果來分析，該地區(qū)水資源短缺程度變化速度狀態(tài)測度呈先下降后上升再下降趨勢，隨后在0值附近起伏波動，如圖2a所示。其值有正有負，“+”變化速度軌跡位于橫軸上方(呈上升趨勢)，“-”變化速度軌跡位于橫軸下方(呈下降趨勢)，測度值是被評價對象變化速度軌跡與橫抽所組成的面積，面積大小反映被評價對象變化速度狀態(tài)的總體狀況[10]。可見，該地區(qū)水資源短缺程度變化速度狀態(tài)測度總體呈減緩趨勢，多時段平均減少0.065 1；在表3中個別時段存在加重狀態(tài)，但加重程度不激烈(除2006年～2007年外)，多年平均增加值僅為0.071 2。這說明荊南三口地區(qū)水資源短缺變化速度狀態(tài)以減緩為主，雖存在加重狀態(tài)， 但加重程度不激烈，隨著時間變化此變化速度狀態(tài)又恢復到減緩狀態(tài)，這可以解釋該地區(qū)水資源短缺靜態(tài)程度不嚴重缺水及變化起伏不大的原因。通過分析三縣水資源短缺程度變化速度狀態(tài)測度，不難發(fā)現，華容縣、安鄉(xiāng)縣和南縣減緩的年數分別為5、5a和4a，依次約占評價年數的45.5%、45.5%和36.4%，其余年份加重，除2006年外，其余年份水資源短缺程度加重或減緩的程度不明顯。2006年水資源短缺程度嚴重，這與靜態(tài)評價的結果是一致的。

圖2 口地區(qū)水資源短缺程度變化測度

短缺程度變化速度趨勢測度值表征單位時間內水資源短缺變化速度的改變程度，其值越大，說明水資源較容易出現短缺程度，趨勢測度為加重趨勢，反之，其值越小，說明水資源不易出現短缺程度，趨勢測度為減緩趨勢。從其計算結果來分析，該地區(qū)水資源短缺程度變化速度趨勢測度整體上呈先減緩后加重再減緩趨勢，隨之在1值上下波動，如圖2b所示。除2006年～2007年時段外，各時段之間的差異變化不大，最高時段為2012年～2013年，三縣均值達1.085 2，最低時段2005年～2006年為0.803 0，該區(qū)水資源短缺程度變化速度趨勢測度加重激烈程度不明顯。變化速度趨勢測度反映被評價對象變化速度變化趨勢，相當于加速度(速度變化快慢)，該地區(qū)總體減緩趨勢明顯，個別時段個別縣域偶有緩和加重趨勢(見表5)，這意味著氣候變化與人類活動對該地區(qū)水資源短缺造成一定影響后，但在一般情況下(除特枯年)造成水資源短缺程度嚴重的概率不大。2006年特枯年造成三口地區(qū)水資源短缺程度為輕度缺水類型，2007年～2008年激烈減緩趨勢使得該區(qū)2007年水資源短缺程度上升1個類型，變?yōu)榛静蝗彼愋汀?/p>

表5 荊南三口地區(qū)水資源短缺程度變化速度趨勢測度值

3.3 綜合變化特點

水資源短缺程度靜態(tài)評價更多地用于水資源短缺程度的現狀水平，了解被評價對象的等級排序情況；動態(tài)評價則是反映水資源短缺程度隨時間變化不斷發(fā)生改變的狀況，體現被評價對象的變化速度情況。通過對長江荊南三口地區(qū)水資源短缺程度靜態(tài)評價平均值與變化速度動態(tài)綜合評價值的比較發(fā)現，華容縣、安鄉(xiāng)縣和南縣靜態(tài)評價的平均值差不多，說明近十多年三縣水資源短缺程度基本不缺水，且水平程度相差不大；然而，華容縣、安鄉(xiāng)縣和南縣水資源短缺程度變化速度動態(tài)綜合評價值均在y=0軸之下為負值，三縣水資源短缺程度在2003年～2015年內均呈現減緩的變化趨勢，減緩的快慢程度(速度)為：華容縣>安鄉(xiāng)縣>南縣(見圖2)，說明華容縣水資源供需保障水平高于安鄉(xiāng)縣，安鄉(xiāng)縣高于南縣，而出現水資源短缺風險概率南縣最大，安鄉(xiāng)縣其次，華容縣最小。該地區(qū)變化速度動態(tài)綜合評價模型是由變化速度狀態(tài)測度與變化速度趨勢測度的耦合而成，其動態(tài)評價值的大小可以由兩者的數值來分析。2006年，三縣水資源短缺靜態(tài)程度均為輕度缺水，正是由水資源短缺變化速度趨勢測度呈較激烈加重趨勢所致(見表5)，體現在具體供需水指標上是2006特枯年供水嚴重不足；2014年，華容縣為不缺水類型，南縣為基本不缺水類型，主要也以兩縣水資源短缺變化速度趨勢測度呈激烈減緩和緩和加重相關。三縣動態(tài)評價值均為負值，是由于變化速度狀態(tài)和趨勢測度呈減緩趨勢的緣故。由此表明，長江荊南三口地區(qū)水資源短缺程度靜態(tài)評價可以初步實現該地區(qū)水資源短缺程度的等級大小排序，為動態(tài)評價提供時段信息集；其動態(tài)評價值大小不僅可以反映出該地區(qū)水資源短缺程度的總體呈減緩趨勢，而且可以透過變化速度狀態(tài)測度值和變化速度趨勢測定值來說明減緩速度越快，水資源出現短缺風險的概率越小。

4 結 論

(1)荊南三口地區(qū)2003年～2015年水資源短缺靜態(tài)程度不嚴重，甚至很多年份未曾出現水資源短缺現象，如2005、2008、2009、2010、2012等年份。該地區(qū)水資源短缺程度均屬于基本不缺水類型，但在區(qū)域內存在一定的差異。各縣徑流量的多少或斷流的天數、用水效率影響各地區(qū)水資源短缺程度。

(2)耦合水資源短缺程度變化速度狀態(tài)測度與變化速度趨勢測度的動態(tài)綜合評價模型能夠表征區(qū)域出現水資源短缺風險的概率及揭示短缺程度變化速度的原因。荊南三口地區(qū)水資源短缺變化速度狀態(tài)以減緩為主，雖存在加重狀態(tài)，但加重程度不激烈，變化速度趨勢測度整體上呈先減緩后加重再減緩趨勢，隨之在1值上下波動，兩者耦合能有效地解釋該地區(qū)水資源短缺靜態(tài)程度不嚴重缺水及變化起伏不大的原因。

(3)荊南三口地區(qū)水資源短缺程度綜合變化特點方面，三縣水資源短缺程度在2003年～2015年內均呈現減緩的變化趨勢。

本文從變化速度狀態(tài)測度和變化速度趨勢測度的角度對水資源短缺程度進行了初探，簡單介紹了其內涵，但理論基礎及影響機制還有待進一步的研究。本文對變化速度進行激勵時，對于變化速度給予獎勵的，對水資源短缺程度變化速度狀態(tài)乘以1.5的系數，而對于變化速度給予懲罰的，對水資源短缺程度變化速度狀態(tài)乘以0.5的系數，選取的系數值是否最合理還需進一步的研究、改進和驗證。本文從水資源短缺程度變化速度趨勢測度的持續(xù)性及總變化趨勢和速度來反映氣候變化與人類活動可能對相對豐水區(qū)造成水資源短缺的影響，但具體持續(xù)時間多長，來水低至什么程度及加重速度或減輕速度達到多少會造成水資源短缺發(fā)生質的改變，仍需進一步深入完善。