陜西省水資源脆弱性評(píng)價(jià)

任源鑫, 林 青, 韓 婷, 李改萍,3, 周 旗,2

(1.寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院, 陜西 寶雞 721013; 2.寶雞文理學(xué)院 陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 寶雞 721013; 3.陜西省寶雞市金臺(tái)區(qū)金河鎮(zhèn)人民政府, 陜西 寶雞 721013)

水安全問題已經(jīng)成為當(dāng)今世界所面臨最嚴(yán)重的問題之一，氣候變化及人類活動(dòng)的影響造成水資源空間分布格局的改變，直接導(dǎo)致人類生活環(huán)境的變化，水資源脆弱性研究對(duì)于探求水資源安全、預(yù)測(cè)水資源脆弱性變化趨勢(shì)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[1]。水資源脆弱性的概念最早由法國學(xué)者Albinet等[2]針對(duì)地下水的脆弱性提出。早期的研究中，國內(nèi)外專家學(xué)者主要針對(duì)地下水的污染問題進(jìn)行相關(guān)脆弱性探討[3-4]。21世紀(jì)以來，隨著水問題的突出，水資源脆弱性的定義逐漸擴(kuò)展為地表水與地下水共同的脆弱性，且包含水質(zhì)與水量?jī)煞矫妗erveen等[5]指出水資源脆弱性的直接原因主要為水資源自身?xiàng)l件的限制所產(chǎn)生。近年來，國內(nèi)針對(duì)于水資源脆弱性的評(píng)價(jià)已經(jīng)發(fā)展成為評(píng)價(jià)地區(qū)水資源質(zhì)量的重要途徑。如劉瑜潔等[6]針對(duì)京津冀地區(qū)的水資源狀況進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，并指出該地區(qū)目前所面臨的水資源問題及未來發(fā)展趨勢(shì)。蘇賢保等[7]針對(duì)西北典型區(qū)域的水資源脆弱性評(píng)價(jià)，得出氣候暖濕化對(duì)水資源脆弱性的良性影響。陜西作為“一帶一路”和“西部大開發(fā)”重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域在我國具有重要的戰(zhàn)略地位，而水資源嚴(yán)重短缺和水質(zhì)污染已經(jīng)成為陜西省所面臨最嚴(yán)峻的問題，探究水資源脆弱性空間格局對(duì)于陜西省水資源優(yōu)化與管理具有重要意義。2017年，劉珍等[8]首次針對(duì)人類活動(dòng)影響下的陜西省水資源脆弱性做出了整體性評(píng)價(jià)。屈小娥[9]從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等方面對(duì)陜西省水資源承載力進(jìn)行了綜合研究。但現(xiàn)有研究中對(duì)于水資源存在狀態(tài)未能排除主觀因素的影響，難以將水資源進(jìn)行定性及定量的區(qū)分。本研究綜合考慮人為因素與客觀條件因素，以水質(zhì)與水量?jī)煞矫?，建立以抵抗力、適應(yīng)力、恢復(fù)力3個(gè)層次下的水資源脆弱性指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，以陜西省各地級(jí)行政單位為評(píng)價(jià)單元，通過均方差法與變異系數(shù)法組成的客觀綜合權(quán)重法對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，旨在探究陜西省水資源脆弱性空間格局及未來發(fā)展趨勢(shì)，找到影響水資源脆弱性的綜合原因，為陜西省水資源管理及評(píng)價(jià)提供相關(guān)參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

陜西省位處我國西北部，東西窄，南北長(zhǎng)，地貌多樣性主要表現(xiàn)在北部為黃土高原、中部為關(guān)中平原，南部為秦嶺山地。秦嶺山脈是中國南北氣候的分界線，秦嶺以北為黃河流域，秦嶺以南為長(zhǎng)江流域，陜西境內(nèi)南北主要河流分別為漢江、嘉陵江、丹江、旬河、牧馬河、渭河、無定河、延河、洛河和涇河等。陜西省南北跨度大，造成了降水量時(shí)空分布不均，整體上呈南多北少，由北向南遞增的特點(diǎn)，圖1為陜西省主要水系分布圖。

圖1 陜西省水系分布

2 水資源脆弱性指標(biāo)體系構(gòu)建及數(shù)據(jù)來源

區(qū)域水資源脆弱性的大小與該地區(qū)水系要素、自然條件、過境水量、人為活動(dòng)等年際變化活動(dòng)密切相關(guān)。根據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性、主導(dǎo)性、可操作性、獨(dú)立性、區(qū)域性6個(gè)基本原則[10]，結(jié)合陜西省地區(qū)特征，本文從水質(zhì)與水量?jī)煞矫婵紤]，構(gòu)建由抵抗力、適應(yīng)力、恢復(fù)力3部分16個(gè)指標(biāo)的水資源評(píng)價(jià)體系。數(shù)據(jù)主要來源于《陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《陜西省水資源公報(bào)》及各研究區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒，個(gè)別統(tǒng)計(jì)未記載數(shù)據(jù)，采用插值法計(jì)算得成，評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)的含義見表1。

由于各指標(biāo)性質(zhì)不一，需將指標(biāo)分為以下3類：(1) 正向指標(biāo)：指標(biāo)的值越大其脆弱性越高的指標(biāo)。(2) 逆向指標(biāo)：其值越大，脆弱性就越低。(3) 適度指標(biāo)：指標(biāo)值不宜過大，也不宜過小，而是在一定的閾值范圍內(nèi)為佳。在進(jìn)行水資源脆弱性綜合評(píng)價(jià)時(shí)，必須將指標(biāo)進(jìn)行同趨化處理，即將逆向指標(biāo)和適度指標(biāo)轉(zhuǎn)化為正向指標(biāo)，將這一過程稱之為指標(biāo)正向化。本文對(duì)16個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了分類，其中X1為適度指標(biāo)；X2，X3，X4，X13，X14，X15，X16為負(fù)向指標(biāo);X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12為正向指標(biāo)。

3 評(píng)價(jià)方法

3.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

指標(biāo)權(quán)重的確定是水資源脆弱性評(píng)價(jià)體系建立的一個(gè)重要步驟，權(quán)重的確立既要遵循客觀規(guī)律，又要考慮各指標(biāo)要素的實(shí)際科學(xué)內(nèi)涵[11]。為了避免主觀因素的影響，本文基于陜西省2008—2017年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，選擇客觀賦權(quán)法中變異系數(shù)法和均方差法相結(jié)合的組合賦權(quán)法來確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。由于各指標(biāo)之間的量綱(度量單位)存在差異，需對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。設(shè)Xi(i=1,2,3)為層次級(jí)，其中i表示抵抗力、適應(yīng)力、恢復(fù)力3個(gè)層次的順序。Xj(j=1,2,…,16)，其中j表示各指標(biāo)順序。

表1 水資源脆弱性各指標(biāo)含義

3.1.1 極差變換法

正向指標(biāo)極差化法[12]公式：

(1)

負(fù)向指標(biāo)極差正規(guī)化法公式:

(2)

適度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式:

yij=1/(1+|Xij-A|) (Xij為適度指標(biāo))

(3)

式中：A為各適度指標(biāo)多年均值，正向指標(biāo)、逆向指標(biāo)及適度指標(biāo)經(jīng)過指標(biāo)正向標(biāo)準(zhǔn)化后，其最大值為1，最小值為0。

3.1.2 均方差法 均方差法[13]是用于反映數(shù)據(jù)集合中隨機(jī)變量離散程度的常用指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方法。具體計(jì)算步驟如下：

計(jì)算各指標(biāo)的均值E(Cj)，計(jì)算公式如下：

(4)

計(jì)算各指標(biāo)的均方差值R(Ci)，計(jì)算公式如下：

(5)

計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)值ω1j，計(jì)算公式如下：

(6)

式中：yij為各指標(biāo)的極差正規(guī)化數(shù)值。

3.1.3 變異系數(shù)法 變異系數(shù)法客觀反映指標(biāo)間的相對(duì)重要程度，削弱極值指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響[11,14]。計(jì)算公式如下：

(7)

3.1.4 組合賦權(quán) 本文利用組合賦權(quán)法[15]將變異系數(shù)法與均值法相結(jié)合，結(jié)合了兩者優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)相互間不足。使得指標(biāo)權(quán)重與實(shí)際更貼合。其組合方法為線性加權(quán)法[16]，其公式為：

ω=λω1j+(1-λ)ω2j

(8)

式中：ω為權(quán)重值；ω1j為變異系數(shù)法得到的權(quán)重值；ω2j為均方差法得到的權(quán)重值；λ=0.5。表2為陜西省水資源脆弱性各指標(biāo)權(quán)重值。

3.2 評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

根據(jù)水資源脆弱性指數(shù)(WVIi)公式對(duì)水資源脆弱性進(jìn)行量化[7]。

(9)

式中：ωj為第j個(gè)指標(biāo)的組合權(quán)重值；rij為第i個(gè)評(píng)價(jià)單元第j個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后結(jié)果。眾多聚類算法中基于K-Means算法的劃分是眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)，并在不同研究領(lǐng)域中取得相當(dāng)理想的效果。為了達(dá)到類內(nèi)差距最小，類間差距最大的效果[17]。本文選取K=5進(jìn)行聚類劃分，以5個(gè)聚類中心為分割閾值，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分級(jí)，分為不脆弱、較脆弱、中等脆弱、重度脆弱和極脆弱。結(jié)合陜西省10市1區(qū)2008—2017年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)陜西省水資源脆弱性綜合指數(shù)進(jìn)行等級(jí)劃分，表3為陜西省水資源脆弱性等級(jí)劃分結(jié)果。

表2 陜西省水資源各指標(biāo)權(quán)重

表3 水資源脆弱性等級(jí)劃分

4 結(jié)果與分析

4.1 陜西省水資源脆弱性時(shí)間評(píng)價(jià)及分析

根據(jù)公式(9)結(jié)合陜西省2008—2017年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算出近10年來陜西省10市1區(qū)水資源脆弱性變化情況，各地區(qū)采用平均值法來表征該地區(qū)水資源脆弱性情況[18]，綜合指數(shù)值越大表明脆弱性越強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，近10 a間陜西省水資源脆弱性整體呈下降趨勢(shì)。陜西省水資源脆弱性已由2008年的0.4(中等脆弱)，降到了2017年的0.34(較脆弱)，降幅達(dá)到17.6%。2008—2014年，陜西省水資源脆弱性呈波動(dòng)形式，在2015—2017年，水資源脆弱性呈直線下降的趨勢(shì)。2015年為陜西省自2013年實(shí)施最嚴(yán)格管理制度的目標(biāo)之年[19]，全省水質(zhì)達(dá)標(biāo)率已實(shí)現(xiàn)70%以上，城鎮(zhèn)污水處理率達(dá)到84%，因此在2015年后，陜西省水資源脆弱性持續(xù)下降。近10 a間，陜西省水資源脆弱性綜合指數(shù)均值為0.37，屬中等脆弱。由于陜西省不同地域條件的差異，關(guān)中(西安、銅川、寶雞、咸陽、渭南、楊凌)、陜北(榆林、延安)、陜南(漢中、安康、商洛)水資源脆弱綜合指數(shù)在各自內(nèi)部城市之間存在一定的一致性，但在3種不同的地域條件范圍內(nèi)存在明顯的不同，但均呈現(xiàn)整體下降的趨勢(shì)。

關(guān)中、陜北地區(qū)脆弱性綜合指數(shù)在時(shí)間趨勢(shì)存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.6，且通過顯著性檢驗(yàn)。具體可分為兩個(gè)階段，第1階段為2008—2014年，水資源脆弱性呈上升趨勢(shì)，最為嚴(yán)重的西安市及渭南市呈現(xiàn)出重度脆弱以上等級(jí)，關(guān)中地區(qū)水資源脆弱性綜合指數(shù)由2008年的0.38上升到2014年的0.44(重度脆弱)，升幅達(dá)15.8%。陜北地區(qū)水資源脆弱性綜合指數(shù)由2008年的0.33升到2014年的0.43(重度脆弱)。2014年，陜西省關(guān)中及陜北地區(qū)出現(xiàn)了大范圍的持續(xù)干旱[20]，主要江河徑流流量減少偏枯，各月降雨量均遠(yuǎn)低于多年平均值，水量的嚴(yán)重不足直接導(dǎo)致了該時(shí)間內(nèi)水資源脆弱性達(dá)到峰值。第2階段為2015—2017年，關(guān)中城市整體呈現(xiàn)出大的下降趨勢(shì)，寶雞市水資源脆弱性降為較脆弱等級(jí)，關(guān)中地區(qū)2017年脆弱性指數(shù)為0.38，已經(jīng)降為中等脆弱等級(jí)。關(guān)中、陜北10 a間脆弱性指數(shù)均值分別為0.42，0.37，均屬中等脆弱等級(jí)。

陜南地區(qū)時(shí)間趨勢(shì)可分為3個(gè)階段，第1階段2008—2013年，水資源脆弱性呈降低趨勢(shì)，由2008年的0.32(較脆弱)降為2013年的0.27(不脆弱)。第2階段2014—2015年，此階段陜南地區(qū)水資源脆弱性雖有小幅上升，但均在不脆弱等級(jí)范圍之內(nèi)。第3階段2016—2017年，陜南地區(qū)水資源脆弱性在不脆弱階段呈下降趨勢(shì)。陜南地區(qū)在10 a間水資源脆弱性綜合指數(shù)均值為0.3，屬不脆弱等級(jí)。陜南地區(qū)水資源豐富，水系發(fā)達(dá)，丹江、漢江污染較輕，近年來當(dāng)?shù)卣⒅睾恿魃鷳B(tài)治理與保護(hù)[21]，因此陜南地區(qū)水資源脆弱性一直處于較低階段。

4.2 陜西省水資源綜合脆弱性指數(shù)空間分布

通過對(duì)抵抗力、適應(yīng)力、恢復(fù)力16個(gè)指標(biāo)因子的綜合平均計(jì)算，利用ArcGIS 10.3繪制出陜西省10市1區(qū)10 a間水資源綜合脆弱性指數(shù)空間等級(jí)分布圖(圖3)。

由圖3可以看出，在地級(jí)行政尺度上，水資源脆弱性的空間差異明顯。其中，不脆弱區(qū)1個(gè)，較脆弱區(qū)3個(gè)，中等脆弱區(qū)5個(gè)，重度脆弱區(qū)1個(gè)，極脆弱區(qū)1個(gè)。西安市水資源脆弱性綜合指數(shù)為0.63，屬極脆弱等級(jí)，在陜西省各地市中最為嚴(yán)重。安康市水資源脆弱性綜合指數(shù)為0.24，屬不脆弱等級(jí)，在陜西省各城市中脆弱性最低。陜南地區(qū)地處秦嶺以南，屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候，降雨充沛，水系發(fā)達(dá)，水利工程建設(shè)力度較大，森林覆蓋率相對(duì)于關(guān)中和陜北較高，且人口僅占陜西省總?cè)丝诘?2%，但2008—2017年水資源總量的占有率卻達(dá)到了全省的66%，污水排放總量只為全省的16%；關(guān)中平原屬于暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱地區(qū)，位于秦嶺以北，降雨較于陜南少，且關(guān)中地區(qū)地形較為平坦，人口所占陜西省總?cè)丝诘?3%，為陜西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的黃金地帶，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，其生活、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)用水需求量大，但水資源占有率僅為全省的19%，污水排放量卻占到全省的75%，如此不合理的配比使得關(guān)中地區(qū)水資源極為脆弱；陜北為溫帶大陸性干旱半干旱地區(qū)，特有的自然條件本身影響著當(dāng)?shù)厮Y源脆弱性的形式。由評(píng)價(jià)結(jié)果我們可以看出，關(guān)中城市群水資源脆弱性較陜北、陜南最為嚴(yán)重，陜南地區(qū)水資源脆弱性最好，這與劉引鴿等[22]所提出的陜西省水資源生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)趨勢(shì)相吻合。

圖2 陜西省各地市水資源脆弱性綜合指數(shù)時(shí)間分布

圖3 陜西省水資源綜合脆弱性指數(shù)空間等級(jí)分布

5 結(jié) 論

(1) 除榆林市外，陜西省各地級(jí)市水資源脆弱性綜合指數(shù)均處于下滑狀態(tài)，且在未來有著較為明顯的下降趨勢(shì)。2015年是陜西省實(shí)行最嚴(yán)格管理制度的目標(biāo)之年，陜西省各地市在此之后脆弱性下滑趨勢(shì)明顯。由此可見，政府的強(qiáng)有力干預(yù)政策對(duì)于水資源脆弱性的改善具有重要意義。

(2) 關(guān)中及陜北地區(qū)在水資源脆弱性時(shí)間趨勢(shì)上具有一致性，即可分為2008—2014年上升階段和2015—2017年下降階段。陜南地區(qū)水資源脆弱性綜合指數(shù)可分為3個(gè)階段：2008—2013年下降階段，2014—2015年上升階段，2015—2017年下降階段。2014年陜西省20 a一遇的罕見旱情使得受災(zāi)區(qū)域水資源脆弱性達(dá)到峰值，極端天氣對(duì)于水資源脆弱性的影響較為顯著。

(3) 陜西省水資源脆弱性整體呈中等脆弱等級(jí)，關(guān)中、陜北屬中等脆弱等級(jí)，陜南屬不脆弱等級(jí)。陜西省水資源脆弱性空間差異明顯，關(guān)中脆弱性最高，其次為陜北、陜南。西安市水資源脆弱性最為嚴(yán)重，為極脆弱等級(jí)。安康市水資源脆弱性最好，為不脆弱等級(jí)。關(guān)中地區(qū)面臨著嚴(yán)重的水資源短缺及水污染問題，陜南地區(qū)較豐富的水資源環(huán)境及較少的污染問題直接決定著其較低的水資源脆弱性。因此，改善陜西省水資源配比及降低水體污染對(duì)提升水資源脆弱性有著巨大的作用。