氣候變化下重慶市水資源脆弱性評(píng)價(jià)及適應(yīng)性調(diào)控研究

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(1.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢430010；2.中國電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100000)

人類活動(dòng)和全球氣候變化共同作用，對(duì)全球水文循環(huán)產(chǎn)生較大影響，水資源脆弱性遭嚴(yán)重破壞[1]。在當(dāng)今倡導(dǎo)水資源可持續(xù)發(fā)展的大環(huán)境下，對(duì)水資源脆弱性開展研究可以定量分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水資源系統(tǒng)變化的影響，并提出適應(yīng)性調(diào)控對(duì)策。20世紀(jì)60年代以來，法國學(xué)者Albinet[2]首次在地下水領(lǐng)域提出脆弱性概念；20世紀(jì)80年代，Hashimoto[3]提出利用脆弱性對(duì)水資源供水能力的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估；1996年IPCC[4]認(rèn)為水資源脆弱性與氣候變化密不可分；2000年加拿大學(xué)者Can TY[5]提出草原地區(qū)水資源脆弱性主要受氣候變化和農(nóng)業(yè)灌溉等因素影響，并提出相應(yīng)解決策略，有效緩解了水資源脆弱性；2010年Nunes JP等[6]發(fā)現(xiàn)在降水、氣溫、CO2排放等變化下，適用性調(diào)控人類活動(dòng)的指標(biāo)對(duì)于緩解地中海地區(qū)水資源脆弱性很有必要；2012年夏軍等[7]認(rèn)為脆弱性是指在氣候變化及人類活動(dòng)干擾下導(dǎo)致自身水資源系統(tǒng)供需關(guān)系發(fā)生改變后，水資源系統(tǒng)難以發(fā)揮正常水平的可能性；2018年P(guān)atrónER等[8]研究墨西哥水資源在氣候變化和人類活動(dòng)干擾下，脆弱性承受的風(fēng)險(xiǎn)，并建立一套評(píng)價(jià)體系及適用性調(diào)控手段。綜合現(xiàn)有的研究成果，水資源脆弱性是指氣候變化及人類活動(dòng)的干擾下，對(duì)水資源系統(tǒng)造成不利的影響的可能性，這也將是適應(yīng)性調(diào)控研究的基礎(chǔ)。

1 水資源脆弱性評(píng)價(jià)

1.1 研究區(qū)概況

重慶市地處長江上游，全市總面積82 403 km2，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，降水量主要集中在山地地區(qū)，丘陵地區(qū)相對(duì)較少，多年平均降水量為1 177.92 mm，6—9月份降水量占全年60%以上；氣候溫度的空間分布呈中西部地區(qū)高，東南和東北部地區(qū)低的特征，多年平均氣溫為17.52℃；多年平均實(shí)際蒸散發(fā)量為904.82 mm，7—9月實(shí)際蒸散發(fā)量占全年43%。

過去30 a來重慶市的氣候發(fā)生了顯著變化，平均氣溫升高0.3℃/10a，平均降水量減小7.4 mm/10 a，同時(shí)8—10月份徑流量減少10%～25%，預(yù)計(jì)未來重慶市極端水文事件將更加頻繁[9]；同時(shí)，隨著人口密度的快速增長、經(jīng)濟(jì)型社會(huì)的高速發(fā)展和生產(chǎn)、生活、生態(tài)等各類用水需求大幅上漲，重慶市水資源短缺的問題愈發(fā)突出，將進(jìn)一步加劇重慶市水資源的脆弱性。

1.2 水資源脆弱性評(píng)價(jià)方法

水資源脆弱性評(píng)價(jià)方法主要分為定性、定量評(píng)價(jià)。定性評(píng)價(jià)法確定主要影響因素；定量評(píng)價(jià)分為指標(biāo)法和數(shù)學(xué)函數(shù)法，其中指標(biāo)法分為層次分析法[10]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[11]、DPSIR[12]等方法，主要用于建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，而函數(shù)法主要是利用數(shù)學(xué)邏輯構(gòu)建函數(shù)[13]。

指標(biāo)法構(gòu)建評(píng)價(jià)模型具有體系清晰、考慮全面等優(yōu)點(diǎn)，函數(shù)法難以考慮全面，結(jié)果不易解釋。本文綜合考慮系統(tǒng)性、科學(xué)性等原則，基于DPSIR模型將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響和響應(yīng)5部分。其中，壓力指標(biāo)是指用水需求以及對(duì)水資源造成破壞；狀態(tài)指標(biāo)是指滿足自身用水需求的能力；影響指標(biāo)是指人和自然因素導(dǎo)致的水資源系統(tǒng)破壞；響應(yīng)指標(biāo)是指針對(duì)水資源系統(tǒng)被破壞所采取的措施。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定

結(jié)合重慶市氣候變化的情況和數(shù)據(jù)的易獲性，將要素指標(biāo)進(jìn)行分類并列入表1中，這些指標(biāo)共同構(gòu)成重慶市水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，2006、2014年各評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體數(shù)值見表1。為明確單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子對(duì)水資源脆弱性評(píng)價(jià)中的影響以及未來氣候變化下能夠采取直接有效的調(diào)控措施，需要對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行脆弱性等級(jí)劃分。由于目前水科學(xué)界對(duì)于水資源系統(tǒng)指標(biāo)分級(jí)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文利用中國和重慶市已制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(重慶市水文局提供)，建立起一套適用于評(píng)價(jià)重慶市水資源脆弱性狀況的指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

1.4 水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型

由于評(píng)價(jià)對(duì)象是由多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)相互作用的結(jié)果，因此可以認(rèn)為水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型是一個(gè)模糊集，故本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)法來建立評(píng)價(jià)模型?；陟貦?quán)的重慶市水資源脆弱性模糊綜合評(píng)價(jià)的步驟主要通過以下4步。

a) 建立模糊集設(shè)定：設(shè)定評(píng)價(jià)對(duì)象集O{2001,2002，…,2014}，指標(biāo)集U{DPSIR指標(biāo)體系}與評(píng)語集V={不脆弱I，輕度脆弱II，中度脆弱III，重度脆弱IV}。

表1 重慶市水資源脆弱性指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)等級(jí)

b) 建立模糊關(guān)系矩陣R：

矩陣中第k列(k=1,2,…,n)為第k個(gè)被評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)各等級(jí)模糊指標(biāo)集的隸屬度。將指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行處理，得出水資源脆弱性模糊綜合評(píng)價(jià)中隸屬度rjk，即:

正向指標(biāo)：越大越優(yōu)型:rjk=(Xjk-Xj·min)/(Xj·max-Xj· min)

(1)

反向指標(biāo)：越小越優(yōu)型:rjk=(Xj·max-Xjk) /(Xj·max-Xj·min)

(2)

式中Xj·max——第j項(xiàng)指標(biāo)的最大值；Xj·min——第j項(xiàng)指標(biāo)的最小值。

c) 利用熵權(quán)建立模糊權(quán)向量A：由于每個(gè)子模型中的指標(biāo)對(duì)于評(píng)語來說，有不同的作用程度，故需要先確定評(píng)價(jià)因素的模糊權(quán)向量中的每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。本文采用客觀賦權(quán)法-熵權(quán)法[14]確定，對(duì)于某項(xiàng)指標(biāo)來說，熵值越小，表明該項(xiàng)指標(biāo)在評(píng)價(jià)對(duì)象中的占有比重越大，即權(quán)重越大，反之熵值越大，表示該項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重越小。

d) 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果：利用模糊關(guān)系矩陣R和模糊權(quán)向量A，建立M(·,⊕)合成算子模型，得出水資源脆弱性模糊綜合評(píng)價(jià)得分。

1.5 未來氣候變化下的情景和調(diào)控方案選擇

基于第五次IPCC評(píng)估報(bào)告(AR5)和中國自主研發(fā)的全球氣候評(píng)估模型，在未來氣候變化中設(shè)置了RCP2.6、RCP4.5和RCP8.53種受人為因素和氣候變化影響下的典型溫室氣體排放情景，以2017年為現(xiàn)狀基準(zhǔn)年在氣候變化環(huán)境下，將未來研究時(shí)段劃分為3個(gè)時(shí)期：近期(2019—2030年)、中期(2030—2060年)、遠(yuǎn)期(2060—2100年)，分別將2100年的輻射強(qiáng)迫水平穩(wěn)定在2.6、4.5、8.5 W/m2[15]。本文是采用未來最接近國家排放氣體路徑的RCP4.5的氣候變化情景下，采取有針對(duì)性的適應(yīng)性調(diào)控措施，降低水資源脆弱性，即：基于適應(yīng)性水資源管理中的單項(xiàng)調(diào)控敏感性分析法，采取了13種應(yīng)對(duì)未來氣候變化情境下水資源適應(yīng)性調(diào)控方案，見表2。

表2 未來氣候變化情景下水資源適應(yīng)性調(diào)控方案

2 結(jié)果分析

2.1 2001—2014年重慶市水資源脆弱性評(píng)價(jià)

結(jié)合重慶市水資源基本情況和脆弱性綜合得分，確定重慶市水資源脆弱性評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，從而得出2001—2014年重慶市水資源脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果，見圖1。從圖1可以看出，2001—2014年這14 a間重慶市水資源脆弱性綜合得分是動(dòng)態(tài)變化的，大體處于輕度脆弱區(qū)。其中2001—2006年，雖然有效灌溉面積比先減小后增大，但是水資源開發(fā)利用率先增大后減少，人口密度逐漸增大，同時(shí)在2006年重慶市突發(fā)大旱，導(dǎo)致水資源脆弱性不斷逼近中度脆弱區(qū)，最終在2006年脆弱性達(dá)到最脆弱期～中度脆弱區(qū)；之后在2007—2009年重慶市水資源脆弱性綜合得分不斷降低，主要是氣候變化下產(chǎn)水系數(shù)減小，廢污水的排放強(qiáng)度得到控制，水資源脆弱性降低。在2009—2014年由于人口密度的持續(xù)增長，人均年用水量的不斷降低，廢污水的排放強(qiáng)度再次居高不下，農(nóng)田有效灌溉面積比持續(xù)降低，最終導(dǎo)致重慶市水資源脆弱性綜合得分持續(xù)增加，水資源脆弱性再次不斷逼近中度脆弱區(qū)，且沒有任何預(yù)防措施條件下，水資源脆弱性在未來有加重的趨勢(shì)。因此，從動(dòng)態(tài)變化來看，這14 a來重慶市水資源脆弱性大體處于輕度脆弱區(qū)，但水資源脆弱性在總體上是有逐漸加重的趨勢(shì)。

2.2 氣候變化下重慶市水資源脆弱性調(diào)控結(jié)果分析

在未來氣候變化環(huán)境下，只有恪守國家最嚴(yán)格的水資源管理制度才能推動(dòng)水資源的生態(tài)文明建設(shè)，保障水資源系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本文在此基礎(chǔ)上，來確定水資源管理和調(diào)控方案，預(yù)計(jì)在2100年各項(xiàng)措施都達(dá)到不脆弱等級(jí)I(調(diào)控指標(biāo)參考表1)，分別對(duì)近期、中期、遠(yuǎn)期的各項(xiàng)調(diào)控措施進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到相應(yīng)時(shí)期的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，利用基于熵權(quán)的模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行水資源脆弱性評(píng)價(jià)，最終得出其相對(duì)于基準(zhǔn)年的水資源脆弱性評(píng)分變化，見表3。

適應(yīng)性單項(xiàng)調(diào)控結(jié)果分析表明：在未來RCP4.5排放路徑情景下，采用調(diào)控方案來應(yīng)對(duì)氣候變化造成的水資源脆弱性是十分有效的，從減少重慶市水資源脆弱性的目標(biāo)來看，近期單項(xiàng)調(diào)控最為靈敏的是控制人均年用水量，其次是有效灌溉面積比；在遠(yuǎn)期，最為靈敏的單項(xiàng)調(diào)控是生態(tài)環(huán)境用水比例、人均年用水量。

3 結(jié)論

本文將水資源脆弱性與氣候變化結(jié)合一起，基于DPSIR模型構(gòu)建重慶市水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將多指標(biāo)的評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)定量分析，評(píng)價(jià)2001—2014年氣候變化環(huán)境，并將RCP4.5氣候模型與適應(yīng)性調(diào)控模型相耦合，研究未來水資源脆弱性適應(yīng)性調(diào)控措施。本文研究成果將為該市水資源調(diào)控提供一套切實(shí)可行的方案，現(xiàn)得到結(jié)論如下。

表3 未來氣候變化下指標(biāo)調(diào)控的數(shù)值及脆弱性評(píng)分相對(duì)基準(zhǔn)年變化

a) 2001—2014年間重慶市水資源脆弱性大體處于輕度脆弱區(qū)，且有逐漸加重的趨勢(shì)。由于2001—2006年水資源開發(fā)利用率先增大后減少，人口密度逐漸增大，氣候變化下產(chǎn)水系數(shù)降低，故水資源脆弱逐漸升高，最終在2006年脆弱性達(dá)到中度脆弱；2007—2009年氣候變化下產(chǎn)水系數(shù)增大，廢污水的排放強(qiáng)度得到控制，水資源脆弱性逐漸降低；2009—2014年由于人口密度的持續(xù)增長，人均年用水量的降低，廢污水的排放強(qiáng)度再次居高不下，農(nóng)田有效灌溉面積比持續(xù)降低，最終導(dǎo)致重慶市水資源脆弱性不斷逼近中度脆弱區(qū)。

b) 在未來RCP4.5排放路徑情景下，采用調(diào)控方案來應(yīng)對(duì)氣候變化造成的水資源脆弱性是十分有效的，其中近期單項(xiàng)調(diào)控最為靈敏的是控制人均年用水量，其次是有效灌溉面積比；在遠(yuǎn)期，最為靈敏的單項(xiàng)調(diào)控是生態(tài)環(huán)境用水比例、人均年用水量。

4 討論

針對(duì)重慶市水資源脆弱性的現(xiàn)狀和單項(xiàng)調(diào)控分析結(jié)果，提出如下建議來降低水資源脆弱性。

a) 增強(qiáng)節(jié)約用水意識(shí)，提高用水效率，降低人均年用水量。降低人均用水量是近期及遠(yuǎn)期降低水資源脆弱性的重要舉措。故在工業(yè)上可以適當(dāng)抬高水價(jià)，提高工業(yè)用水的重復(fù)利用率；居民生活中加大節(jié)約用水的宣傳教育，全面營造節(jié)約用水的好氛圍。同時(shí)加大智慧水務(wù)投資，降低管網(wǎng)水漏損。

b) 維護(hù)和完善水利工程建設(shè)。水利工程設(shè)施的完善在提高有效灌溉面積比、增強(qiáng)水利工程的調(diào)蓄能力中發(fā)揮巨大的作用，是短期降低水資源脆弱性的有效措施。建議完善抗旱水利工程的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，引進(jìn)先進(jìn)的灌溉技術(shù)，建立起一套嚴(yán)格的水利建設(shè)管理機(jī)制。

c) 建立水資源的優(yōu)化配置方案。立足于重慶市水資源現(xiàn)狀，針對(duì)未來氣候變化以及社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源的影響，提高生態(tài)環(huán)境用水比例，對(duì)重慶市水資源系統(tǒng)利用進(jìn)行高效配置，實(shí)現(xiàn)重慶市水資源綜合效益的最佳化。