寶雞市水資源脆弱性評(píng)價(jià)

任源鑫， 張海寧， 周 旗， 張星星,2

(1.寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院， 陜西 寶雞 721013； 2.陜西省寶雞市八魚(yú)鎮(zhèn)人民政府， 陜西 寶雞 721013)

1 研究背景

地球水資源系統(tǒng)受內(nèi)、外因素的共同擾動(dòng)作用，其不僅表現(xiàn)為水資源系統(tǒng)固有的屬性，還表現(xiàn)為一種人水關(guān)系，即水資源系統(tǒng)供需關(guān)系不能滿(mǎn)足人類(lèi)社會(huì)發(fā)展或生態(tài)需求時(shí)，人類(lèi)社會(huì)或生態(tài)體系正常功能難以發(fā)揮或受限的可能性[1-2]。 當(dāng)今世界格局下，水資源問(wèn)題已經(jīng)成為影響全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展最嚴(yán)重的問(wèn)題[3]。

水資源脆弱性研究起源于1968年法國(guó)Albineth和Margat的地下水脆弱性研究，研究中將地下水脆弱性理解為人類(lèi)所涉及水層的天然特性[4]。我國(guó)有關(guān)水資源脆弱性的研究相對(duì)較晚，但發(fā)展較快，如2013年雒新萍等[5]針對(duì)中國(guó)的8個(gè)流域做出了整體的脆弱性評(píng)價(jià)。對(duì)于水資源脆弱性的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均傾向于采用不同的方法對(duì)于水資源進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[6]?；陟貦?quán)法等傳統(tǒng)賦權(quán)方法仍是目前的主流趨勢(shì)[7-10]，GIS與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法也多被應(yīng)用于水資源脆弱性評(píng)價(jià)當(dāng)中[11-14]，姜海波等[15]通過(guò)水質(zhì)與水量的相關(guān)指標(biāo)評(píng)價(jià)了塔里木河流域水資源脆弱性相關(guān)趨勢(shì)，但這些方法均具有一定的客觀性，且受指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值范圍的影響，缺乏主觀因素的評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種能夠?qū)⒍ㄐ耘c定量、主觀與客觀相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方法[16-19]。本文以寶雞市為研究區(qū)域，針對(duì)水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性[20]，基于DPSIR模型，構(gòu)建出水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)層次分析法與改進(jìn)的熵值法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主客觀組合賦權(quán)，結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)寶雞市17年水資源脆弱性進(jìn)行綜合得分，將能夠反映脆弱性機(jī)理的S型曲線應(yīng)用于脆弱性分級(jí)當(dāng)中[21]，根據(jù)因子貢獻(xiàn)率找出主導(dǎo)影響因子，為寶雞市水資源脆弱性現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及改善水資源脆弱性提供現(xiàn)實(shí)支持。

2 研究區(qū)概況

寶雞，古稱(chēng)陳倉(cāng)，總面積約1 8131 km2，是陜西省第二大城市，自古有“關(guān)中水龍頭”的美稱(chēng)。全市位于秦嶺以北的黃河流域面積13 027 km2，占全市總流域面積的72%，分布有黃河的一級(jí)支流渭河，自西向東橫貫全境，流程200.02 km；位于秦嶺以南的長(zhǎng)江流域面積為5 104 km2，占全市總流域面積的28%。

寶雞市年平均降水量在600～900 mm之間，受地理位置、氣候特征和下墊面條件的影響，年內(nèi)分布不均，變化較大，降水空間分布不平衡，山區(qū)、平原差異懸殊，產(chǎn)流深高值區(qū)在秦嶺山區(qū)一帶，有東低西高、北低南高的特點(diǎn)。

圖1 寶雞地區(qū)地理位置及行政區(qū)劃圖

3 研究?jī)?nèi)容與方法

本文通過(guò)寶雞市水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系內(nèi)權(quán)重的確定以及模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)寶雞市1999-2015年水資源系統(tǒng)的脆弱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，通過(guò)計(jì)算各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率進(jìn)一步分析影響水資源脆弱性的主要因素。由綜合得分對(duì)寶雞市水資源脆弱情況進(jìn)行整體分析，并由此得出寶雞市1999-2015年水資源脆弱性動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。

3.1 模型指標(biāo)體系構(gòu)建

3.1.1 DPSIR模型的含義 DPSIR 概念模型，即“驅(qū)動(dòng)力(Driving forces)-壓力(Pressure)-狀態(tài)(State)-影響(Impact)-響應(yīng)(Responses)”模型。該模型描述起源和結(jié)果之間的環(huán)境問(wèn)題邏輯鏈，從系統(tǒng)的角度看待人與環(huán)境系統(tǒng)之間的相互作用，涵蓋了區(qū)域經(jīng)濟(jì)、人口、資源、社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境5大要素，較好地體現(xiàn)了人與資源環(huán)境之間的因果關(guān)系及各子系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。

3.1.2 DPSIR模型理論框架 本文根據(jù)DPSIR模型，共選取19個(gè)指標(biāo)構(gòu)建寶雞市水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖2所示。劃分情況、指標(biāo)含義及數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1，其中數(shù)據(jù)來(lái)源主要為《寶雞統(tǒng)計(jì)年鑒》[22]、《寶雞市水資源公報(bào)》[23]等。

針對(duì)不同指標(biāo)對(duì)水資源脆弱性評(píng)價(jià)的響應(yīng)關(guān)系，將指標(biāo)分為正負(fù)反向兩類(lèi)指標(biāo)。正向指標(biāo)數(shù)值與水資源脆弱性成正比，即同向變化的指標(biāo)為正向指標(biāo)；負(fù)向指標(biāo)與水資源脆弱性成反比，即反向變化的指標(biāo)為負(fù)向指標(biāo)。

圖2 寶雞市水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2 確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

各指標(biāo)權(quán)重的確定直接影響到水資源脆弱性的準(zhǔn)確程度。確定指標(biāo)權(quán)重既要遵循客觀規(guī)律，又應(yīng)與實(shí)際意義相結(jié)合。在已有的研究中，共有3種賦權(quán)方法：主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法、組合賦權(quán)法。為了克服單一方法存在的局限性，本文分別采用層次分析法和改進(jìn)的熵值法相結(jié)合的主觀+客觀的組合賦權(quán)方法來(lái)計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重[24]。

3.2.1 層次分析法(APH法) 經(jīng)過(guò)專(zhuān)家咨詢(xún)，本文共建立6個(gè)判斷矩陣：準(zhǔn)則因素判別矩陣、驅(qū)動(dòng)力因素判斷矩陣、壓力因素判斷矩陣、狀態(tài)因素判斷矩陣、影響因素判斷矩陣、響應(yīng)因素判斷矩陣。為避免專(zhuān)家的個(gè)人偏好對(duì)評(píng)判結(jié)果的影響，共邀請(qǐng)10位專(zhuān)家進(jìn)行打分。依據(jù)寶雞市水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)構(gòu)建的判斷矩陣，對(duì)各層級(jí)指標(biāo)兩兩比較，確定相對(duì)重要性，并采用Thom as L.satty標(biāo)度法，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦值，均通過(guò)公式進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。經(jīng)10位專(zhuān)家進(jìn)行打分后，綜合權(quán)重取10位專(zhuān)家打分的均值，結(jié)果如表2所示。

3.2.2 改進(jìn)的熵值法 熵最早是物理學(xué)中的概念，在社會(huì)系統(tǒng)中，信息熵主要用于測(cè)量系統(tǒng)的不確定性，信息熵越高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越平衡，差異較小，變化慢[25]；反之，則差異大，變化快。因此得出各指標(biāo)的權(quán)重[26]，如表3所示。

3.2.3 組合賦權(quán)法 客觀+主觀賦權(quán)法與單一賦權(quán)方法相比，計(jì)算結(jié)果的可信度更高，權(quán)重值的科學(xué)性更強(qiáng)。根據(jù)公式(1)得出各指標(biāo)的組合權(quán)重，即綜合權(quán)重，見(jiàn)表4。

Ai=λA1i+(1-λ)A2i

(1)

式中：Ai為權(quán)重值；A1i為層次分析法得到的權(quán)重值；A2i為改進(jìn)的熵值法得到的權(quán)重值；本文采用主客觀相結(jié)合的方法進(jìn)行組合權(quán)重的計(jì)算，因此根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)于主客觀方法的計(jì)算進(jìn)行等權(quán)賦值，由此將λ賦予0.5[10]。

3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)法

本文所選取的19項(xiàng)指標(biāo)中，正向指標(biāo)包括：人口密度、豐水期降水比例、農(nóng)藥化肥使用強(qiáng)度、廢污水排放強(qiáng)度、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)業(yè)灌溉每公頃用水量、人均日生活用水量；負(fù)向指標(biāo)包括：人均 GDP、人均水資源量、每公頃水資源量、水資源開(kāi)發(fā)利用率、水質(zhì)評(píng)價(jià)狀況、有效灌溉面積比、建成區(qū)綠化覆蓋率、森林覆蓋率、城市污水處理率、工業(yè)重復(fù)用水率、水利工程調(diào)蓄能力、生態(tài)環(huán)境用水比例。其中，正向指標(biāo)通過(guò)公式(2),負(fù)向指標(biāo)通過(guò)公式(3)進(jìn)行計(jì)算。

最大優(yōu)越性：

rjk=(Xjk-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

最小優(yōu)越性：

rjk=(Xmax-Xjk)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中：k=1，2，…，17；j=1，2，…,19。Xmax為第j項(xiàng)指標(biāo)的最大值;Xmin為第j項(xiàng)指標(biāo)的最小值。由此可得模糊關(guān)系矩陣R。

表1 寶雞市水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)含義及數(shù)據(jù)來(lái)源

表2 寶雞市水資源脆弱性評(píng)價(jià)體系主觀權(quán)重結(jié)果

表3 寶雞市水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)

表4 寶雞市水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重值

根據(jù)表4確定評(píng)價(jià)因素的模糊權(quán)向量矩陣A：

A=(0.0728,0.0722,0.0776,0.0426,0.0299,0.0338,0.0351,0.0328,0.0337,0.0501,0.0477,0.0383,0.0689,0.0763,0.0499,0.0577,0.0749,0.0503,0.0555)

本文采用M(·，+)模糊算子模型公式(4)對(duì)A與R進(jìn)行合成，此合成方法即保留了單因素的評(píng)價(jià)信息，又考慮了所有因素的影響。

(4)

通過(guò)構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣進(jìn)行相關(guān)矩陣運(yùn)算，可得寶雞市1999-2015年水資源脆弱性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，如表5所示。

表5 寶雞市1999-2015年水資源脆弱性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)果與分析

鑒于水資源脆弱性與指標(biāo)間的復(fù)雜關(guān)系，借助S型曲線對(duì)水資源脆弱性與指標(biāo)綜合得分之間建立非線性函數(shù)關(guān)系，如公式(5)所示[21]。

(5)

式中：c、d為根據(jù)公式(4)對(duì)模型設(shè)置的上、下限閾值，即c=0，d=1；x為S型曲線模型自變量。

將構(gòu)建好的S型曲線函數(shù)進(jìn)行5類(lèi)等間距劃分，并對(duì)應(yīng)于定義域之上。得出綜合評(píng)價(jià)得分劃分標(biāo)準(zhǔn)，即不脆弱(Ⅰ級(jí))，輕度脆弱(Ⅱ級(jí))，中等脆弱(Ⅲ級(jí))，嚴(yán)重脆弱(Ⅳ級(jí))，極脆弱(Ⅴ級(jí))得到分段標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)等級(jí)見(jiàn)表6。

表6 寶雞市水資源脆弱性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表5、6繪制出寶雞市1999-2015年水資源脆弱性綜合得分值圖，如圖3所示。圖3中4條橫線為水資源脆弱性等級(jí)分界上限，由圖3可知，1999-2015年間寶雞市水資源脆弱性呈整體下降趨勢(shì)，且在未來(lái)繼續(xù)下降的可能性較大。寶雞市水資源脆弱性程度主要分為3個(gè)階段，即1999-2006年寶雞市水資源脆弱性整體呈嚴(yán)重脆弱及極脆弱性；2007-2008年呈中等脆弱性；2009-2015年呈輕度脆弱性。近17年來(lái)，寶雞市水資源脆弱性平均綜合得分為0.555，屬于嚴(yán)重脆弱(Ⅳ級(jí))。

圖3 寶雞市1999-2015年水資源脆弱性綜合得分評(píng)價(jià)

通過(guò)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，尋求影響寶雞市水資源脆弱性的主要原因，找出主導(dǎo)因子進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。根據(jù)公式(6)計(jì)算得出指標(biāo)貢獻(xiàn)率,結(jié)果如圖4所示。

(6)

式中：WRVi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的貢獻(xiàn)度;WRV為所有指標(biāo)的總貢獻(xiàn)度;ri為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)水資源脆弱性的影響程度。數(shù)值大小與脆弱性影響呈正比關(guān)系。

結(jié)合圖4(a)～4(e)分析可知，1999-2006年間，響應(yīng)指標(biāo)中，工業(yè)重復(fù)用水率對(duì)寶雞市水資源脆弱性的影響最大。此結(jié)果表明，在這段時(shí)間內(nèi)，寶雞市工業(yè)重復(fù)用水率處于較低水平，大量的工業(yè)用水未得到有效的循環(huán)利用，造成了寶雞市水資源的巨大壓力；其次貢獻(xiàn)率較大的指標(biāo)為萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量和廢污水排放量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)，表明這一階段，寶雞市工業(yè)生產(chǎn)對(duì)水資源的需求量較大，而生產(chǎn)過(guò)程中工廠所產(chǎn)生的有害水體對(duì)水質(zhì)造成污染，從而增加了水資源的脆弱性； 1999 -2006年，寶雞市總體水質(zhì)比較差，水資源表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆弱性；從人均 GDP 這一指標(biāo)可以看出寶雞市當(dāng)時(shí)正處于高速發(fā)展階段，因此，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不合理造成了該段時(shí)間水資源巨大的壓力。

2007-2008年寶雞市水資源脆弱性表現(xiàn)為中等脆弱，這一階段年降水量較其他年份小，屬偏枯年份，因此對(duì)寶雞市水資源脆弱性貢獻(xiàn)率最大。人均GDP與工業(yè)重復(fù)用水率指標(biāo)貢獻(xiàn)率仍然較高，說(shuō)明寶雞經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有待轉(zhuǎn)型升級(jí)。同時(shí)，為了應(yīng)對(duì)寶雞市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與水資源日益短缺的新形勢(shì)，寶雞市2006年正式啟動(dòng)了創(chuàng)建節(jié)水型城市活動(dòng)，大量的節(jié)水措施及工程深入各個(gè)群體當(dāng)中，成果顯著。并于2008年9月通過(guò)國(guó)家考核小組驗(yàn)收。因此這一階段寶雞市水資源脆弱性快速下降。

圖4 5類(lèi)因素指標(biāo)貢獻(xiàn)率

2009-2015年寶雞市水資源脆弱性表現(xiàn)為輕度脆弱階段，根據(jù)指標(biāo)貢獻(xiàn)率分析可知，人口密度、豐水期降水比例、生態(tài)環(huán)境用水比例是影響寶雞市這一階段水資源脆弱性的主要因素。2009年經(jīng)國(guó)務(wù)院批復(fù)通過(guò)建設(shè)關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)，寶雞作為重要的節(jié)點(diǎn)城市，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快，城市人口的大量集聚加劇了水資源脆弱性。與此同時(shí)，國(guó)家針對(duì)農(nóng)村及小型節(jié)水措施的改造以及寶雞市渭河干支流水利措施的建設(shè)與加固工程，對(duì)于寶雞市水資源脆弱性總體下降趨勢(shì)起到了重要的影響作用。2015年，寶雞市渭河綜合治理主體工程全面竣工，渭河干流內(nèi)污水的全面截留已基本實(shí)現(xiàn)，對(duì)于寶雞市水資源脆弱性的降低起到了至關(guān)重要的作用。

5 結(jié)論與建議

以DPSIR模型5個(gè)邏輯層次為基礎(chǔ)，結(jié)合層次分析法與改進(jìn)的熵值法主客觀賦權(quán)優(yōu)勢(shì)，對(duì)寶雞市水資源脆弱性19個(gè)指標(biāo)進(jìn)行組合賦權(quán)，針對(duì)一些指標(biāo)之間信息挖掘度不足、指標(biāo)與指標(biāo)間定量化界限不清等特點(diǎn)，本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行綜合得分，并在S型曲線函數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)水資源脆弱性進(jìn)行了等級(jí)劃分，由此得出以下結(jié)論:

(1) 1999-2015年寶雞市水資源脆弱性等級(jí)處于嚴(yán)重脆弱(Ⅳ級(jí))，但17 a間脆弱性整體呈下降趨勢(shì)，且未來(lái)繼續(xù)下降可能較大。具體可分為3個(gè)階段：1999-2006年嚴(yán)重脆弱階段；2007-2008年中等脆弱階段；2009年-2015年輕度脆弱階段。

(2)根據(jù)寶雞市各指標(biāo)因素的貢獻(xiàn)率可以看出，自然因素與人為因素共同影響著寶雞市水資源脆弱性級(jí)別。其中，降水量、工業(yè)重復(fù)用水率、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量、廢污水排放量、人口密度、生態(tài)環(huán)境用水量為其主導(dǎo)因子。國(guó)家良好的水資源利用及管理政策能夠在很大程度上對(duì)水資源脆弱性起到降低的作用。

(3)根據(jù)水資源脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果及主導(dǎo)影響因子來(lái)看，提高水資源利用率、加大生態(tài)用水投入、整治廢水排放是降低水資源脆弱性的重要舉措，積極優(yōu)化水資源管理模式將有助于實(shí)現(xiàn)水資源合理配置及水資源脆弱性的整體改善。