基于VSD模型的豐水山區(qū)水資源脆弱性分析——以湘西土家族苗族自治州為例

肖安財(cái)，龍菁蔚，吳佳莉，王瑋

基于VSD模型的豐水山區(qū)水資源脆弱性分析——以湘西土家族苗族自治州為例

肖安財(cái)，龍菁蔚，吳佳莉，王瑋*

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128）

【目的】構(gòu)建南方豐水山區(qū)水資源脆弱性評(píng)價(jià)模型及厘清其演變規(guī)律?！痉椒ā恳韵嫖髦菟Y源系統(tǒng)為研究案例，基于VSD框架構(gòu)建3個(gè)維度（暴露度、敏感性和適應(yīng)能力）15個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用投影尋蹤法和綜合云模型構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，開(kāi)展2011—2018年湘西州水資源脆弱性評(píng)價(jià)?！窘Y(jié)果】2011—2018年，湘西州水資源脆弱性指標(biāo)根據(jù)發(fā)展趨勢(shì)可分為4種類(lèi)型，其中長(zhǎng)期較好類(lèi)指標(biāo)包括農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量、居民用水量、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率；穩(wěn)步提升類(lèi)指標(biāo)包括生態(tài)環(huán)境用水量、森林覆蓋率、大中型水庫(kù)蓄水量、污水回收處理率、堤防長(zhǎng)度；逐步下降或未有提升類(lèi)指標(biāo)包括接待旅游總收入、有效灌溉面積；波動(dòng)較大類(lèi)指標(biāo)包括產(chǎn)水系數(shù)、人均水資源量、年降水量、地下供水量。湘西州水資源脆弱性綜合評(píng)價(jià)整體呈中度脆弱向弱脆弱發(fā)展的趨勢(shì)?！窘Y(jié)論】湘西州水資源系統(tǒng)提升與該州注重水生態(tài)文明、河長(zhǎng)制建設(shè)有關(guān)，但是，仍須科學(xué)合理發(fā)展生態(tài)旅游和水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。此外，本文構(gòu)建模型適用于南方豐水山區(qū)水資源脆弱性評(píng)價(jià)。

水資源；脆弱性；南方豐水山區(qū)；VSD模型；投影尋蹤法；云模型

0 引言

【研究意義】我國(guó)是一個(gè)水資源短缺且不同區(qū)域存在顯著差異的國(guó)家，水資源稟賦方面，我國(guó)被列為世界13個(gè)貧水國(guó)家之一；空間分布方面，長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū)的國(guó)土面積占全國(guó)36.5%，然而，水資源總量占全國(guó)81%；災(zāi)害方面，我國(guó)約2/3國(guó)土面積存在不同程度及類(lèi)型的洪澇災(zāi)害[1]；水生態(tài)環(huán)境方面，我國(guó)水污染從局部河段發(fā)展至區(qū)域、流域，從地表水發(fā)展到地下水，從單一污染發(fā)展為復(fù)合污染，水污染擴(kuò)展速度加快[2]。因此，水資源問(wèn)題是制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)文明可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一?！狙芯窟M(jìn)展】“特殊地區(qū)的自然社會(huì)系統(tǒng)脆弱性或恢復(fù)力”研究已被列為可持續(xù)性科學(xué)的7個(gè)核心問(wèn)題，大量國(guó)內(nèi)外科學(xué)計(jì)劃及機(jī)構(gòu)將脆弱性視為重要研究?jī)?nèi)容，同時(shí)也成為分析水資源問(wèn)題的重要工具[3]。隨著聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）在1996年及2011年將水資源脆弱性與氣候變化、暴露度等因素相結(jié)合[4-5]，水資源脆弱性的研究?jī)?nèi)容已由分析污染物進(jìn)入含水層的可能性逐步發(fā)展為分析氣候變化、極端事件、人類(lèi)活動(dòng)等不確定因素影響下水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能受到損壞并難以恢復(fù)原有狀態(tài)的趨勢(shì)[6-9]。針對(duì)我國(guó)水資源問(wèn)題，眾多學(xué)者通過(guò)不同評(píng)價(jià)方法及模型開(kāi)展了不同區(qū)域和流域的水資源脆弱性研究[10]，如賈元童等[11]開(kāi)展了內(nèi)蒙古自治區(qū)自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)的干旱脆弱性研究。楊法暄等[12]基于西安市水資源現(xiàn)狀構(gòu)建了5個(gè)層級(jí)11個(gè)指標(biāo)的DPSIR城市水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；張永芳等[13]從水量、水質(zhì)、旱災(zāi)、洪災(zāi)4個(gè)方面構(gòu)建了河北省水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系?！厩腥朦c(diǎn)】綜上所述，區(qū)域水資源脆弱性研究已取得豐碩成果，但多數(shù)研究集中于我國(guó)北方缺水區(qū)域或者中東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域，針對(duì)南方豐水山區(qū)水資源脆弱性的研究較為匱乏。雖然南方豐水山區(qū)水資源相對(duì)充沛，但是，土壤結(jié)構(gòu)性差、基礎(chǔ)設(shè)施落后等因素導(dǎo)致該區(qū)域存在水質(zhì)性、工程性、季節(jié)性缺水的問(wèn)題[14]。此外，該區(qū)域既是長(zhǎng)江中下游的“大氧吧”、“綠肺”，又是南方紅壤丘陵山地生態(tài)脆弱區(qū)和生態(tài)旅游脫貧攻堅(jiān)重點(diǎn)地區(qū)。上述因素造成該區(qū)域水資源問(wèn)題呈現(xiàn)敏感性高、暴露性大、影響嚴(yán)重等特點(diǎn)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】鑒于此，以典型豐水山區(qū)—湖南省湘西土家族苗族自治州水資源系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于VSD模型框架構(gòu)建南方豐水山區(qū)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，針對(duì)水資源評(píng)價(jià)的不確定性，采用投影尋蹤法和綜合云模型構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，開(kāi)展2011—2018年湘西州水資源脆弱性評(píng)價(jià)，厘清該區(qū)域水資源脆弱性演變規(guī)律及其演變機(jī)理，為南方豐水山區(qū)水資源評(píng)價(jià)及緩解該區(qū)域人水矛盾提供理論依據(jù)。

1 評(píng)價(jià)體系與模型構(gòu)建

水資源脆弱性分析是指通過(guò)多維指標(biāo)評(píng)價(jià)不確定條件下水資源系統(tǒng)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)具有多目標(biāo)、不確定及模糊的特點(diǎn)[9, 15]。因此本文選擇能夠有效處理多維數(shù)據(jù)的投影尋蹤法及云模型構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，具體步驟如下：①數(shù)據(jù)收集及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建；②運(yùn)用基于加速遺傳算法的投影尋蹤法確定各指標(biāo)權(quán)重；③確定評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)、各指標(biāo)評(píng)價(jià)語(yǔ)集、綜合評(píng)價(jià)語(yǔ)集；④運(yùn)用云發(fā)生器確定各指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)的云模型參數(shù)，結(jié)合權(quán)重確定綜合云模型參數(shù)；⑤計(jì)算不同年份各脆弱性指標(biāo)對(duì)應(yīng)各評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度，闡明各評(píng)價(jià)指標(biāo)所屬等級(jí)及發(fā)展趨勢(shì)；⑥運(yùn)用綜合云發(fā)生器計(jì)算綜合云模型參數(shù)，結(jié)合云圖和綜合云確定度明晰綜合評(píng)價(jià)等級(jí)[15-17]。

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建應(yīng)遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、可比性、獨(dú)立性等原則，本文在此基礎(chǔ)上，根據(jù)湘西州實(shí)際情況并基于VSD模型框架(Vulnerability Scoping Diagram)構(gòu)建了3個(gè)維度（暴露度、敏感性和適應(yīng)能力）15個(gè)指標(biāo)的水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。暴露度是指水資源受到外界干擾或脅迫的參數(shù)，反應(yīng)干擾或脅迫的力度，案例區(qū)暴露源主要體現(xiàn)在人類(lèi)活動(dòng)上[18]，本文基于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)、旅游業(yè)對(duì)水資源系統(tǒng)的擾動(dòng)，選取農(nóng)業(yè)用水量、接待旅游總收入等指標(biāo)。敏感性是指暴露單元被脅迫因素影響的程度及其敏感性反應(yīng)，案例區(qū)對(duì)外界干擾的敏感性表現(xiàn)為生態(tài)、生活、水質(zhì)等方面受到外界正面或負(fù)面影響的程度，可選取人均水資源量、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率等指標(biāo)[19]。適應(yīng)能力是指案例區(qū)水資源系統(tǒng)能夠處理、適應(yīng)、修復(fù)脅迫造成損害的能力[20]，具體包括降雨轉(zhuǎn)換為水資源的能力、污水處理能力等，可通過(guò)產(chǎn)水系數(shù)、污水回收處理率等指標(biāo)體現(xiàn)。綜合上述分析以及結(jié)合已有研究[10]，構(gòu)建南方豐水山區(qū)水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，詳見(jiàn)表1。

表1 南方豐水山區(qū)水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)

投影尋蹤法是一種處理高維數(shù)據(jù)的方法，其基本原理為：將非正態(tài)、非線(xiàn)性的高維數(shù)據(jù)投影到低維子空間中，再通過(guò)求解局部投影最優(yōu)解進(jìn)而確定能夠反映高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的最佳投影，建立高維數(shù)據(jù)與低維數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，最終通過(guò)分析低維數(shù)據(jù)達(dá)到研究高維數(shù)據(jù)的目的?；玖鞒倘缦拢孩偻队爸笜?biāo)集的歸一化處理；②構(gòu)建投影指標(biāo)函數(shù)；③構(gòu)建投影目標(biāo)函數(shù)；④求解目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解，將最優(yōu)投影序列作為指標(biāo)權(quán)重[21]。

1.2.1 指標(biāo)數(shù)據(jù)歸一化處理

水資源脆弱性指標(biāo)分為正向指標(biāo)、逆向指標(biāo)，其中正向指標(biāo)的數(shù)值越大而脆弱程度越低，逆向指標(biāo)的數(shù)值越小而脆弱程度越低[22]。為統(tǒng)一各指標(biāo)的量綱及變化程度，通過(guò)下式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

正向指標(biāo)：

逆向指標(biāo)：

式中：()表示評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化數(shù)值(1,2,3;1,2,3,...,)；為樣本的數(shù)量；為評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量；min()與max()分別為數(shù)據(jù)中第個(gè)原始指標(biāo)數(shù)值的最小或最大值。

1.2.2 構(gòu)建投影指標(biāo)函數(shù)

將歸一化處理后的維數(shù)據(jù)按照投影序列((1),(2),(3),,())進(jìn)行投影并求出其投影特征值，即：

式中：為單位長(zhǎng)度向量；為投影特征值。

投影指標(biāo)函數(shù)可表示為：

()=()()， （4）

式中：=1,2,3,…,;=1,2,3,…,;()表示目標(biāo)函數(shù)；()表示類(lèi)間距離；()表示類(lèi)內(nèi)距離；(-r)表示階躍信號(hào)；r表示投影特征值間距離；表示局部密度窗口半徑，其為經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，根據(jù)樓文高等[23]研究成果，合理取值范圍為(r)/5≤≤(r)/3，本文取(r)/4。

1.2.3 投影目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化及求解

根據(jù)局部投影集中、整體最大程度散開(kāi)的原則，尋找最優(yōu)投影方向，即求解式（5）中()局部最大值，其優(yōu)化函數(shù)及約束條件為：

該問(wèn)題屬于非線(xiàn)性局部最優(yōu)解的求解，本文采用加速遺傳算法進(jìn)行求解，算法可參閱文獻(xiàn)[24]。

1.3 云模型及確定度確定

云模型是實(shí)現(xiàn)定性概念和定量分析相互轉(zhuǎn)換的方法，該方法可通過(guò)期望x、熵n、超熵e定量描述模糊性和不確定性，通過(guò)云模型發(fā)生器實(shí)現(xiàn)定性概念和定量數(shù)值的轉(zhuǎn)化。

1.3.1 云模型發(fā)生器

正向云發(fā)生器可通過(guò)xne等3個(gè)數(shù)值特征生成大量云滴，同時(shí)也可計(jì)算實(shí)際指標(biāo)值對(duì)應(yīng)各定性評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度以及繪制直觀體現(xiàn)評(píng)價(jià)等級(jí)的云圖[15-16]。具體流程如下：①生成以x為期望值、n為標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)隨機(jī)數(shù)x；②根據(jù)式（10）生成以n為期望值、e為標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)隨機(jī)數(shù)n；③根據(jù)式（11）計(jì)算u，令（x,u）稱(chēng)為云滴；④重復(fù)計(jì)算步驟①—③直至產(chǎn)生要求數(shù)目的云滴，并按照式（12）計(jì)算出實(shí)際指標(biāo)值與評(píng)價(jià)語(yǔ)集的確定度。

En,jh=(1)e+n,jh， （10）

式中：(1)為隨機(jī)數(shù)；u為指標(biāo)x對(duì)應(yīng)等級(jí)的確定度；為流程中步驟①—步驟③的重復(fù)計(jì)算次數(shù)，即產(chǎn)生云滴的數(shù)量，本文參考文獻(xiàn)[25]取值3 000。

1.3.2 云模型參數(shù)的選取

通過(guò)正向云發(fā)生器生成云滴需確定xne，本文結(jié)合模糊可變理論中相對(duì)差異度理論，調(diào)整接近指標(biāo)邊界值對(duì)相鄰等級(jí)的確定度[26]，確定正向云參數(shù)見(jiàn)式（13）。

式中：C,max與C,min分別表示第個(gè)指標(biāo)在第個(gè)等級(jí)中的上下限。e,jh反應(yīng)各云離散程度，與n大小有關(guān)，但是，在計(jì)算各指標(biāo)確定度時(shí)，指標(biāo)未歸一化，因此需根據(jù)評(píng)語(yǔ)本身模糊程度確定[25, 27]。

1.3.3 綜合云計(jì)算

由于各水資源脆弱性指標(biāo)的權(quán)重存在差異，因此本文在云模型基礎(chǔ)上運(yùn)用綜合云算法，結(jié)合上文求解的權(quán)重，確定水資源脆弱性綜合云特征值，并運(yùn)用式（11）、式（12）求解各年份實(shí)際綜合云計(jì)算值與綜合云評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度，具體步驟如下：

式中：＇x為歸一化后各年度綜合評(píng)價(jià)值；u,h為各指標(biāo)x對(duì)應(yīng)等級(jí)的確定度；w表示各指標(biāo)的權(quán)重；E為歸一化后第個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)集的期望值；＇n為各年份綜合評(píng)價(jià)值云模型的熵（根據(jù)式（10）求出），＇e為各年份綜合評(píng)價(jià)值云模型的超熵，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值為0.06。

2 實(shí)證研究

2.1 案例區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

湘西土家族苗族自治州（簡(jiǎn)稱(chēng)湘西州）位于湖南省西北部、云貴高原東側(cè)，以山地和丘陵地形為主。該州是湖南省唯一被列為國(guó)家“西部大開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略的城市，也是湖南省扶貧開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)地區(qū)，該區(qū)域經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱以及基礎(chǔ)設(shè)施落后。全州氣候類(lèi)型為亞熱帶季風(fēng)氣候，全州降水量充沛，年均降水量1 300～1 500 mm。境內(nèi)水網(wǎng)密布，全州已公布的水資源總量為213.7億m3，河流平均年徑流量為132.8億m3；干流長(zhǎng)大于5 km、流域面積覆蓋10 km2以上的河流共444條，主要河流有沅江、酉水、武水、猛洞河等。由于自然稟賦、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等因素，湘西州存在防御災(zāi)害能力不足、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、水資源利用效率低等水資源問(wèn)題。

本文中湘西州各年度的水資源開(kāi)發(fā)利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益情況數(shù)據(jù)來(lái)自于2011—2018年《湖南統(tǒng)計(jì)年鑒》《湖南省水資源公報(bào)》《湘西統(tǒng)計(jì)年鑒》《湘西州國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》及網(wǎng)上相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

2.2 權(quán)重確定

采用基于加速遺傳算法的投影尋蹤法確定各指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表1所示，加速遺傳算法建模過(guò)程詳見(jiàn)文獻(xiàn)[24, 28]，算法中相關(guān)參數(shù)參考文獻(xiàn)[28-29]，分別為種群規(guī)模700、加速次數(shù)20、交叉概率0.8、變異概率0.2。

2.3 水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)及確定度

2.3.1 評(píng)價(jià)集標(biāo)準(zhǔn)及云模型數(shù)字特征

在文獻(xiàn)[10, 30]分級(jí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合湘西州發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)值及發(fā)展現(xiàn)狀，并參考周邊相似地區(qū)（如張家界、貴州省黔東南州等市）實(shí)際情況，在均等分布方法的基礎(chǔ)上[15]，將案例區(qū)水資源脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為極端脆弱、強(qiáng)脆弱、中度脆弱、弱脆弱及不脆弱5個(gè)等級(jí)，并確定5個(gè)等級(jí)中各評(píng)價(jià)指標(biāo)上下限的數(shù)值，如表2所示。

根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)上下限及式（13），利用MATLAB 2018a編程求出評(píng)價(jià)集云模型數(shù)字特征（x,n,e），詳見(jiàn)表3。

表2 水資源脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)及標(biāo)準(zhǔn)

表3 評(píng)價(jià)等級(jí)云模型參數(shù)

2.3.2 水資源脆弱性確定度及發(fā)展趨勢(shì)分析

根據(jù)式（10）、式（11）及式（12）計(jì)算各年份水資源脆弱性指標(biāo)評(píng)價(jià)值對(duì)應(yīng)5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度，根據(jù)確定度發(fā)展趨勢(shì)可分為4大類(lèi)。

第一類(lèi)為長(zhǎng)期較好，2011—2018年，該類(lèi)型指標(biāo)持續(xù)表現(xiàn)為弱脆弱或者不脆弱，主要包括農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量、居民用水量、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。各指標(biāo)對(duì)應(yīng)5個(gè)脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度如圖1所示，2011—2018年，農(nóng)業(yè)用水量對(duì)應(yīng)弱脆弱評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度平均為0.925，工業(yè)用水量對(duì)應(yīng)不脆弱評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度平均為0.958，居民生活用水量對(duì)應(yīng)弱脆弱評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度平均為0.963，水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率對(duì)應(yīng)不脆弱評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度平均為0.971。

第二類(lèi)為穩(wěn)步提升，2011—2018年，該類(lèi)型指標(biāo)逐步提升，主要包括生態(tài)環(huán)境用水量、森林覆蓋率、大中型水庫(kù)蓄水量、污水回收處理率、堤防長(zhǎng)度。各指標(biāo)對(duì)應(yīng)5個(gè)脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度如圖2所示，生態(tài)環(huán)境用水量對(duì)應(yīng)極端脆弱評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度從2012年的0.70下降為2018年的0，對(duì)應(yīng)中脆弱評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度從2011年的0提升為2018年的0.59。森林覆蓋率對(duì)應(yīng)弱脆弱評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度從2011年的0.16提升為2018年的0.53。大中型水庫(kù)蓄水量對(duì)應(yīng)不脆弱評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度從2011年的0提升為2018年的0.96。污水回收處理率對(duì)應(yīng)弱脆弱評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度從2012年的0.13提升為2017年的0.82。堤防長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)弱脆弱評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度從2011年的0提升為2017年的0.99。

第三類(lèi)為逐步下降或未有提升，各指標(biāo)對(duì)應(yīng)5個(gè)脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度如圖3所示。該類(lèi)型指標(biāo)主要包括接待旅游總收入和有效灌溉面積，接待旅游總收入整體呈從不脆弱等級(jí)下降為中度脆弱等級(jí)的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)不脆弱等級(jí)的確定度從2011年的0.99下降為2018年的0，對(duì)應(yīng)中度脆弱等級(jí)的確定度從2011年的0發(fā)展為0.99。除2011年以外，有效灌溉面積基本維持在強(qiáng)脆弱等級(jí)，對(duì)應(yīng)強(qiáng)脆弱等級(jí)的確定度平均為0.91。

圖2 第二類(lèi)指標(biāo)確定度

圖3 第三類(lèi)指標(biāo)確定度

第四類(lèi)為波動(dòng)較大，該類(lèi)型指標(biāo)在2011—2018年不確定性較高，各指標(biāo)對(duì)應(yīng)5個(gè)脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度如圖4所示。部分指標(biāo)存在局部年份變動(dòng)較大，如產(chǎn)水系數(shù)、年降水量。此外，部分指標(biāo)未呈現(xiàn)特殊規(guī)律，包括人均水資源量、地下供水量。

圖4 第四類(lèi)指標(biāo)確定度

2.4 水資源脆弱性綜合評(píng)價(jià)云模型及確定度

2.4.1 綜合云模型數(shù)字特征

將評(píng)價(jià)等級(jí)上下限數(shù)值開(kāi)展無(wú)量綱和標(biāo)準(zhǔn)化處理，轉(zhuǎn)化為[0,10]區(qū)間數(shù)值，x數(shù)值越小表明水資源系統(tǒng)越脆弱。根據(jù)式（13）、式（14）及各指標(biāo)權(quán)重確定綜合評(píng)價(jià)等級(jí)云數(shù)字特征，如表4所示。

表4 綜合評(píng)價(jià)等級(jí)云數(shù)字特征

2.4.2 綜合云評(píng)價(jià)確定度及發(fā)展趨勢(shì)分析

根據(jù)式（10）與式（15）計(jì)算得到＇n為0.579 8，各年份綜合評(píng)價(jià)值為（4.751 8, 6.047 9, 6.140 9, 6.090 1, 6.284 7, 7.114, 7.102, 6.203 9），＇e取0.06。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算各年份綜合評(píng)價(jià)值對(duì)應(yīng)5個(gè)綜合評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度及繪制云圖，詳見(jiàn)圖5及表5（由于篇幅關(guān)系只列出2011、2012、2016年的綜合評(píng)價(jià)云圖）。

2011—2018年，各年份綜合評(píng)價(jià)云的移動(dòng)趨勢(shì)呈由左側(cè)往右側(cè)移動(dòng)（圖5），水資源脆弱性整體發(fā)展趨勢(shì)為中度脆弱向弱脆弱發(fā)展。由表5可知，2011年綜合評(píng)價(jià)值對(duì)應(yīng)中度脆弱等級(jí)的確定度為0.968，可判斷為中度脆弱性。2012、2013、2014年綜合評(píng)價(jià)值對(duì)應(yīng)中度脆弱等級(jí)的確定度基本保持為0.4左右，對(duì)應(yīng)弱脆弱等級(jí)的確定度保持為0.6左右，呈從中度脆弱向弱脆弱發(fā)展的趨勢(shì)。2016、2017年綜合評(píng)價(jià)值對(duì)應(yīng)中度脆弱等級(jí)的確定度約為0.04，對(duì)應(yīng)弱脆弱等級(jí)的確定度上升至0.973及0.976，并且對(duì)應(yīng)不脆弱等級(jí)的確定度也從2011年的0發(fā)展至2017年的0.115，2016—2017年，案例區(qū)水資源脆弱性呈弱脆弱并具有向不脆弱發(fā)展的趨勢(shì)。但是，2018年水資源脆弱程度有所增加，對(duì)應(yīng)弱脆弱等級(jí)的確定度下降為0.677、對(duì)應(yīng)不脆弱等級(jí)的確定度下降為0.011，整體與2013—2015年水資源脆弱性水平持平。

圖5 2011、2012年及2016年綜合評(píng)價(jià)云圖

表5 各年份綜合評(píng)價(jià)云確定度

3 討論

由各指標(biāo)確定度的發(fā)展趨勢(shì)可知，長(zhǎng)期較好的指標(biāo)主要包括與農(nóng)業(yè)、工業(yè)相關(guān)的指標(biāo)，這可能和該區(qū)域的地理位置、地形地貌、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展等因素相關(guān)，上述因素導(dǎo)致其工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及社會(huì)發(fā)展較為落后，如2018年湘西州GDP為605.05億元，約為懷化市（同屬大湘西地區(qū)）GDP的40%，此外，湘西州屬于國(guó)家限制開(kāi)發(fā)區(qū)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)中的武陵山區(qū)生物多樣性及水土保持生態(tài)功能區(qū)，因此農(nóng)業(yè)、工業(yè)、居民生活等暴露源對(duì)水資源系統(tǒng)擾動(dòng)較小。第二類(lèi)指標(biāo)主要包括生態(tài)用水量、森林覆蓋率等指標(biāo)，該類(lèi)型指標(biāo)主要是通過(guò)工程建設(shè)或自然休養(yǎng)等措施修復(fù)已被人類(lèi)活動(dòng)擾動(dòng)的水資源系統(tǒng)，這可能與國(guó)家重視生態(tài)文明建設(shè)有關(guān)，尤其，相較于其他區(qū)域，湖南西部地區(qū)更加重視水資源系統(tǒng)修復(fù)工作，如芷江侗族自治縣在2008年被評(píng)為“國(guó)家級(jí)生態(tài)示范區(qū)”，芷江縣與鳳凰縣在2015年成為全國(guó)第二批水生態(tài)文明建設(shè)試點(diǎn)城市且以“良好”成績(jī)通過(guò)驗(yàn)收，該類(lèi)型指標(biāo)逐步提升反映了湘西州在2011—2018年開(kāi)展了大量的水安全、水環(huán)境、水管理提升工作。第三類(lèi)指標(biāo)是逐步下降或者未有提升，其中，接待旅游收入的提升與該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略有關(guān)，隨著2015年湘西州入選為國(guó)家全域旅游示范區(qū)，該區(qū)域旅游接待收入平均增速為26.8%，快速增長(zhǎng)的旅游業(yè)對(duì)水資源系統(tǒng)提出了較大挑戰(zhàn)；此外，該區(qū)域山地面積約占80%左右，高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田及水利設(shè)施建設(shè)難度較大，因此有效灌溉面積指標(biāo)基本維持在強(qiáng)脆弱等級(jí)。第四類(lèi)指標(biāo)常與自然條件有關(guān)，如人均水資源、年降水量等，產(chǎn)水系數(shù)在2011—2017年基本保持逐步提升的趨勢(shì)，但是在2018年恢復(fù)到了2011年水準(zhǔn)，這可能與2018年湘西州地表水資源總量下降有關(guān)，此外，由于2014年降水量增加并超過(guò)其防洪防澇能力，導(dǎo)致湘西州遭遇歷史罕見(jiàn)洪澇災(zāi)害，因此，該年降水量指標(biāo)對(duì)應(yīng)5個(gè)脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度均近似于0。

由水資源脆弱性綜合云確定度及其發(fā)展趨勢(shì)分析可知，湘西州水資源脆弱性整體呈現(xiàn)由中度脆弱向弱脆弱發(fā)展的趨勢(shì)，這與水生態(tài)文明城市試點(diǎn)建設(shè)驗(yàn)收結(jié)果相符。水資源脆弱性提升的原因是湘西州在該段時(shí)間陸續(xù)開(kāi)展了水生態(tài)文明建設(shè)、河長(zhǎng)制及樣板河建設(shè)等工作[31]，提高了該區(qū)域水資源系統(tǒng)適應(yīng)能力，同時(shí)修復(fù)及降低其被脅迫的程度。

綜上可知，湘西州水資源脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果與該州水資源發(fā)展趨勢(shì)相符，表明評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性以及評(píng)價(jià)模型的適用性。

4 結(jié)論

1）2011—2018年，湘西州水資源脆弱性指標(biāo)根據(jù)發(fā)展趨勢(shì)可分為4種類(lèi)型，其中長(zhǎng)期較好類(lèi)指標(biāo)包括農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量、居民用水量、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率；穩(wěn)步提升類(lèi)指標(biāo)包括生態(tài)環(huán)境用水量、森林覆蓋率、大中型水庫(kù)蓄水量、污水回收處理率、堤防長(zhǎng)度；逐步下降或未有提升類(lèi)指標(biāo)包括接待旅游總收入、有效灌溉面積；波動(dòng)較大類(lèi)指標(biāo)包括產(chǎn)水系數(shù)、人均水資源量、年降水量、地下供水量。

2）湘西州水資源脆弱性總體由中度脆弱向弱脆弱發(fā)展，主要是因?yàn)樵搮^(qū)域陸續(xù)開(kāi)展水生態(tài)文明建設(shè)、河長(zhǎng)制及樣板河建設(shè)等工作。此外，湘西州仍須科學(xué)合理的發(fā)展生態(tài)旅游以及水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。評(píng)價(jià)結(jié)果與湘西州水資源系統(tǒng)發(fā)展與建設(shè)趨勢(shì)相符，說(shuō)明該模型適用于南方豐水山區(qū)水資源脆弱性評(píng)價(jià)及分析，可為其他相似區(qū)域水資源問(wèn)題分析提供參考。

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Using VSD Model to Analyze Water Resource Vulnerability in Wet Mountain Region:Taking Xiangxi Tujiazu & Miaozu Autonomous Prefecture as an Example

XIAO Ancai, LONG Jingwei, WU Jiali, WANG Wei*

(College of Water Resources and Civil Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

【Objective】The purpose of this paper is to investigate the evolution of water resource vulnerability in the southern wet mountain regions in China.【Method】We took Xiangxi Tujiazu & Miaozu Autonomous Prefecture as an example, and developed a VSD model to calculate their water resource vulnerability evaluation index by considering exposure, sensitivity and adaptation. It included three hierarchies and 15 indicators. The evaluation model was developed based on the projection pursuit-cloud model. 【Result】The trend of water resources vulnerability in Xiangxi Autonomous Prefecture can be divided into four categories including good category, category in continuous improvement, continuously worsening category, and category in fluctuation. The good category includes water consumptions by agriculture, industry, domestic use and water quality compliance rate; the continuous improvement category includes eco-environmental water demand, forest coverage rate, water storage of large and medium-sized reservoirs, sewage recovery rate, and length of embankments; continuously worsening category includes tourism revenue, effective irrigation area; the fluctuation category includes water yield coefficient, water resources per capita, annual rainfall, and groundwater water exploitation. The comprehensive evaluation changed from moderate vulnerability to weak vulnerability since the work for aquatic ecological civilization, the system for the river-leader and model river have been carried out. 【Conclusion】The enhancement of the water resources system in Xiangxi Prefecture is related to its eco-civilization of water, river chief system, but it should also develop ecological tourism and water infrastructure construction. The method we developed in this paper can be used to evaluate and analyze water resource vulnerability in the other wet mountainous regions.

water resource; vulnerability; southern wet mountain region; VSD model; projection pursuit; cloud model

肖安財(cái), 龍菁蔚, 吳佳莉, 等. 基于VSD模型的豐水山區(qū)水資源脆弱性分析: 以湘西土家族苗族自治州為例[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(8): 45-53.

XIAO Ancai, LONG Jingwei, WU Jiali, et al. Using VSD Model to Analyze Water Resource Vulnerability in Wet Mountain Region: Taking Xiangxi Tujiazu & Miaozu Autonomous Prefecture as an Example[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(8): 45-53.

1672 - 3317（2022）08 - 0045 - 09

TV213.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021087

2021-01-08

湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2020JJ5256）；湖南省教育廳資助科研項(xiàng)目（19C0907）；湖南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2309，2310）

肖安財(cái)，男。主要從事水資源管理研究。E-mail: 2576770312@qq.com

王瑋，男。講師，博士研究生，主要從事水土資源環(huán)境研究。E-mail: 4980097@163.com

責(zé)任編輯：白芳芳