基于GIS技術分析水資源脆弱性

劉 碩，馮美麗

（1.太原理工大學 礦業工程學院，太原030024；2.北京師范大學 環境學院，北京100875）

水資源問題日益引起國際社會的廣泛關注。20世紀80年代以來，相關領域對水資源的研究成為水文地質工作者研究的熱點問題。其中，法國Albinet和Marget于1999年提出了地下水資源脆弱性概念［1］：在自然條件下污染源從地表滲透與擴散到地下水面的可能性。20世紀80年代后期，歐美國家又陸續展開了地下水脆弱性評價與編圖工作。美國環境保護署（USEAP）于1987年提出的DRASTIC評價方法［2］，為宏觀尺度大范圍區域地下水脆弱性的定量評價模型的應用提供了合理有效的措施，得到了該領域研究者的認同和廣泛使用。

我國水資源脆弱性研究起步于20世紀90年代，雖起步較晚，但近年來發展速度較快，其水資源研究主要集中在水資源承載力、水資源管理、水資源安全，以及水資源開發利用與保護［3］等方面；而在水資源脆弱性方面的研究，主要集中在北方地下水資源脆弱性的評價和編圖工作方面［4］。研究工作者提出了多種水資源脆弱性的概念、研究方法、評價體系和計算模型。從國內應用情況來看，根據各地水文地質具體情況，各種評價模型都有自己的指標體系，地區不同、評價模型不同，所選用的參數也不同。但總體來看，目前主要以應用美國DRASTIC方法或其改進模型為主。在研究方向上，國內現有的水資源脆弱性研究集中于對水資源脆弱性總體情況的掌握，而往往忽視水資源脆弱性空間分布狀況的研究。

1 水資源脆弱性評價內涵與研究手段

1.1 水資源脆弱性的內涵

水資源脆弱性的概念是在水資源危機日益突出的背景下應運而生的。在上世紀90年代，國外學者就提出了水資源脆弱性這個詞［5］，并且對氣候變化對水資源系統的影響進行了探索性的研究。但是迄今為止，水資源脆弱性概念、理論及計算方法都還處于拓展階段，還不是很成熟，尚未形成公認的定義和系統的理論體系；對于水資源脆弱性的評價大都局限于進行地表水和地下水脆弱性的界定和研究［6－10］。

綜合以往，可以看出，脆弱性主要強調外界環境對于水資源系統功能的影響，側重人為作用的因素。可以概括為以下幾種：

1）水資源自身特性所表現的脆弱性方面；

2）水資源在受到污染破壞時所表現的脆弱性方面；

3）水資源脆弱性應該指在一定社會政治、經濟、文化背景下，水資源系統對外界環境的不利影響所表現出的自身功能下降的性質，這種性質是氣候變化與各種人類活動互相作用的綜合產物。

1.2 GIS技術在水資源脆弱性評價中的應用

水資源脆弱性評價因素主要包括水資源的數量、質量，涉及社會因素和自然因素兩個方面［11］，因此需要建立一個全面的且針對性強的指標體系與之相配套。目前，用于水資源脆弱性評價的模型及方法有很多，如綜合指數法、模糊分析法、定量分析法、集合論法、信息度量法等［12］。然而無論采用哪種模型，都會面對大量的自然與社會經濟的數據處理和問題分析。而作為一種能采集、存儲、檢索、變換、處理和顯示輸出從自然界和人類社會獲取的各種各樣數據、信息的強有力工具地理信息系統（GIS），對于水資源脆弱性評價研究能起到相當大的推動作用。

地理信息系統（Geographic Information System，GIS）是在計算機硬、軟件系統支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。地理信息系統處理、管理的對象是多種地理空間實體數據及其關系，包括空間定位數據、圖形數據、遙感圖像數據、屬性數據等，用于分析和處理在一定地理區域內分布的各種現象和過程，解決復雜的規劃、決策和管理問題［13］?；谝陨咸攸c，地理信息系統（GIS）可以用于水資源脆弱性評價的各項研究。

首先，在脆弱度評定方面，地理信息系統的數據庫管理有利于將涉及自然、經濟與人文領域的多個變量和大量數據歸并到統一系統中，在此基礎上建立起水資源脆弱性的評價模型。而相關的模型計算也是以地理信息系統的多種信息的疊加處理和一系列分析軟件（回歸分析、模糊加權評價、聚類分析、系統動力學模型等）加以保證的。

其次，為了研究區域水資源脆弱性的空間分布，還可以將遙感技術與GIS相結合，引入到水資源脆弱性評價模型中，具體而言有兩種方法：一是利用遙感GIS手段將水資源脆弱性評價因子數字化成圖，逐因子逐像元進行脆弱性評價，再將單因子評價結果復合，得到區域水資源脆弱性的綜合評價結果；二是先將各評價因子數字化圖像復合，再對所得圖像進行分類，并分區賦值得到最終評價結果。

2 陽曲縣水資源脆弱性評價

陽曲縣位于山西省中部，太原市區北部，總面積2 027.67km2。2005年末，全縣總人口為141 970人。全縣4鎮6鄉，即黃寨鎮、大盂鎮、東黃水鎮、泥屯鎮、侯村鄉、高村鄉、凌井店鄉、楊興鄉、西凌井、北小店鄉。作為太原市的市轄縣，陽曲縣經濟近年來發展比較迅速。伴隨著經濟的發展，和水資源的過度開發，同時還受來水量減少和水質惡化等方面的影響，供水難度逐漸增大，嚴重影響著陽曲縣生活和生產用水。日益嚴重的“水危機”，一直困擾著本區的社會經濟的進一步發展和人民生活水平的提高。

本次評價以陽曲縣管轄范圍內4鎮6鄉的水資源脆弱性為評價對象，分區評價以2004年至2010年為評價期間，采用基于GIS的聚類分析模型，通過野外調查試驗取得的數據，以及收集到的以往相關研究成果，根據其具體地形、水文地質、氣候條件、土地利用、污染負荷等數據資料，結合上述建立的水資源脆弱性評價模型，運用前述的研究方法，對陽曲縣的水資源脆弱性進行綜合評價和分區評價。

2.1 陽曲縣水資源脆弱性綜合評價

2.1.1 評價指標因子的選取

對于陽曲縣來說，既要作為城市的一部分來考慮，同時也要根據其區域自身的特點來構建水資源脆弱性評價指標。根據上述的指標選取原則和陽曲縣的地形地貌、水資源狀況等實際情況，考慮實驗區域的數據和技術條件的有限性，分別選擇了具有代表性的一些指標來進行考察。此次研究，我們從自然因素和人為因素兩個方面選取了降雨量、蒸發量、草地類型、地貌類型、地下水含量、生態敏感性、地面高程、水文地質、工程地質、河流五項、河流有機污染、年干燥度、年氣溫、生態恢復能力、水蝕模數、水土流失、水系流域、土壤類型、相對濕度、植被區劃、自然凈化、綜合自然區劃、環境容量超載度、交通優勢度、經濟發展水平、可利用水資源、人口集聚度等27個關鍵參評因子，構成陽曲縣水資源脆弱性評價指標體系。根據各項指標的關聯度可判斷其對水資源脆弱性的影響，關聯度越大對水資源脆弱性的影響越不利。在實踐中，應盡可能降低關聯度大的指標因子，使其朝有利于改善水資源脆弱性的方向變化。

相關評價因子權重的確定，通常有模糊綜合評判法、灰色關聯法、AHP法等方法，本文選擇適宜于評價范圍小、計算方法簡便易行的特爾菲法來確定上述27項指標的權重。結果表明，27項評價因子中，僅4項人為因素所占權重就有29.2%，接近30%。人口集聚度和經濟發展水平尤為重要，體現了水資源脆弱性的人口壓力和社會經濟壓力。自然因素分為氣候狀況、水資源狀況、地質地貌、生態環境四部分，分別占全部因子權重的8.8%，21.7%，18%，22.3%。

2.1.2 綜合評價結果

區域水資源脆弱性指數用來表述評價對象現狀與目標符合程度和向目標接近的速度，指數越接近1，就越脆弱，越接近0，就越穩定。但采用此量化指標直觀上較難判斷脆弱性程度，需對該結果進行分級處理。由于目前還沒有這種分級的統一標準可以采用，筆者結合區域實際情況并參照相關文獻，將陽曲縣水資源系統脆弱性程度（即脆弱度）劃分為5個等級：基本穩定（I級），輕微脆弱（II級），一般脆弱（III級），脆弱（IV級），嚴重脆弱（V級）。如表1所示。

表1 區域水資源脆弱性評價等級分類表

本文采用綜合評分法對研究區的水資源脆弱性狀況進行評價。根據AHP法確定的水資源脆弱性評價指標的權重，逐層逐項對各指標進行加權評分，即得到研究區域水資源脆弱性狀況的綜合值。其計算公式如下：

式中：P為鄉鎮水資源脆弱性綜合指數；Ui為指標i的標準化值；Ei為指標i的權重值；n為指標個數。顯然P的最高值為1，表示水資源脆弱性最大，水資源狀況達到了最差狀態；當P＝0時，說明水資源脆弱性為0，水資源狀況處于最佳狀態。P越大，表示該區域的水資源脆弱性越大。

依據公式（1）、（2），我們可以得到陽曲縣各個指標的單因子脆弱性指數Pi，最終得到的陽曲縣水資源脆弱性綜合指數用P來表示。經計算，陽曲縣水資源脆弱性值P＝0.553，屬于水資源脆弱性綜合評價中的中等脆弱狀態，水資源脆弱性情況屬于一般，代表該地區水資源系統呈現脆弱性警告，水循環功能己有退化。水環境受到一定破壞，水資源系統結構有變化，但尚可維持基本功能，受干擾后易惡化，水資源供需矛盾時常顯現。

2.2 陽曲縣水資源脆弱性分區評價

為了深入了解陽曲縣的水資源脆弱性狀態的空間分布，我們對陽曲縣10個鄉鎮的27個指標做了橫向分析對比。運用本文前述的模型及指標體系對陽曲縣各鄉鎮的水資源脆弱性指數水平進行計算分析。具體而言，即是利用遙感GIS技術將上述27項指標數字化成圖，再與陽曲縣行政圖匹配，根據公式（3）得到表征各指標在陽曲縣10個鄉鎮分布狀況表（如表2所示）。之后利用主成分分析法［14］和分層聚類法，得到陽曲縣水資源脆弱性評價因子分區圖（圖1所示）。

水資源脆弱性評價指標計算公式如下：

圖1 陽曲縣水資源脆弱性評價結果分區示意圖

式中：K為鄉鎮的指標值；Si為色塊i所占該鄉鎮面積的比重；Vi為色塊i所代表的屬性值；n為該鄉鎮區域中包含的總色塊數。

由圖1可以看出，高村、侯村水資源脆弱性狀況比較接近，形成一小類，水資源脆弱性最弱，處于基本穩定狀態；北小店、黃寨的水資源脆弱性為輕微狀態，屬于一類；大盂、泥屯鎮成為一類，水資源脆弱性一般；東黃水、西凌井成一類，水資源比較脆弱；凌井店、楊興成為一類，水資源脆弱性最嚴重。

表2 評價分區各鄉鎮的K指標值

3 結論和建議

根據以鄉鎮為基礎進行的區域水資源脆弱性分析結果，可以看出，陽曲縣大部分鄉鎮水資源脆弱值都偏高，迫切需要采取措施來保護該縣的水資源。但不同鄉鎮的脆弱值還存在著較大差別。從研究區的整個分布而言，脆弱性呈現的是東高西低、中間高南北低的特征，且從東西分別向中間呈逐漸降低趨勢。其中，凌井店和楊興鄉，地下水極度貧乏，再加上其降水量的分布很少，導致該地區水資源脆弱度很大；而對西凌井鄉和東黃水鎮而言，水土流失狀況嚴重，屬于黃土丘陵臺地中度流失區，并且年干燥度和年氣溫均較高，導致蒸發量很大。除此之外，西凌井鄉屬于極貧水區；而東黃水鎮有45%屬于極貧水區，55%屬于貧水區。綜上所述，這4個鄉鎮的水資源脆弱性較大且有一定的相似性。分析其原因，水資源的資源性匱乏是最主要的因素，再加上經濟發展水平較低而導致水資源監管治理力度不足，是造成陽曲縣東南部三個鄉鎮和西部最大面積的西凌井鄉水資源脆弱性嚴重的主要原因。

高村、侯村緊鄰黃寨鎮，其人口聚集度和經濟發展水平僅次于黃寨，生態環境和土壤狀況等發展較好，水資源脆弱性最低，水資源狀況在全縣屬于最好的。根據陽曲縣生態功能及社會經濟綜合評價圖（如圖2所示），高村和侯村這兩個鄉鎮屬于生態經濟最協調的地區，也是該地區水資源系統穩定，水環境功能正常發揮的重要表現之一。此外，該地區屬于太原盆地北部生態農業與水土保持重點開發區，對降低水資源脆弱性有一定的作用。

陽曲縣縣政府所在地黃寨鎮，位于陽曲縣地理位置中心，同時也是陽曲縣的政治經濟中心，資源豐富，經濟發達，人口密度遠遠大于其他9個鄉鎮。黃寨鎮脆弱度值減少的關鍵原因在于，該地區地處積水的盆地區，且沒有用水量很大的企業和廠礦，地下水涵養度也比較高。另一方面，黃寨鎮是陽曲縣社會經濟較發達、人口素質較高的鎮，對于水資源保護和治理的投入較大，各項水資源保護的政策和法規等的實施和監管也比較到位，水資源總體開發利用的效率較其他鄉鎮高。

圖2 陽曲縣各鄉鎮水資源脆弱性評價結果分析柱狀圖

通過本次對陽曲縣水資源脆弱性的系統研究，我們認為，只有通過合理開發利用水資源，才能促使陽曲縣水資源的開發利用步入良性循環。今后可以從以下幾方面考慮：

1）積極防治農業非點源污染［15］。陽曲縣的水污染很大一部分是由于化肥和農藥的不合理使用，應根據陽曲縣農田的土壤狀況，制定一個切合實際的化肥和農藥施用技術的暫行管理辦法，降低農業非點源污染形成的危險性。

2）解決鄉鎮企業的水環境問題。嚴格執行國家有關環境保護法律和法規，促使這些企業轉變產業結構，根據地區發展選擇污染小的產業。此外，還應重視引進高新技術，提高水資源的利用效率、降低能源消耗；提高資源利用水平，降低污染物排放總量，減輕生產過程對環境造成的不利影響，降低人類對水資源脆弱性的影響。

3）加大國家退耕還林、還草政策的實施力度。通過退耕還林、還草，減少水土流失對水資源脆弱性帶來的影響。對已經被污染和破壞的水環境實施恢復治理，增強水資源系統的自我恢復能力，從而提高水環境的生態承載力。

4）加強生態環境建設和監管力度。對禁止開發區和限制開發區要加強監管力度，保持區內濕地生態系統的良好發展。對于工礦企業，要對其整個生產過程進行監控，實施環境影響評價、污染物排放總量控制和排污收費等制度，實現經濟發展和生態環境的協調發展。

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