基于組合權重法的巖溶地區地下水資源生態安全動態演化研究

張鳳太，蘇維詞(1.貴州師范學院資源環境與災害研究所，貴陽 550018；2.南京大學地理與海洋學院，南京 21009； . 貴州省山地資源研究所，貴陽 550001)

0 引 言

水資源是人類及一切生物賴以生存的不可替代的物質，隨著近年來人口的急劇增加和經濟社會的發展，出現水資源短缺和水質污染等水資源安全問題。近年來學術界對地表水資源安全的研究較多，取得了豐富的研究成果，地下水資源由于其獲取資料的難度和本身地質賦存結構的復雜，對地下水資源生態安全的研究相對較少。如皮建高等通過水質分析樣品資料的深入分析與計算，系統地評價了洞庭湖區淺層地下水質量，指出了淺層地下水安全供水方向，并提出了安全供水措施及建議[1]。劉禧超等從地下水的安全內涵出發,構建了包括水質安全、水量安全、含水層安全和生態環境安全的4個一級評價指標, 對天津市寧河縣地下水安全進行評價淺析[2]。謝振華等從應急水源地論證、勘探、建設過程，分析了地下水位動態變化情況及供水保證程度，提出華北平原典型城市地下水供水安全保障措施[3]。韓麗偉等構建了基于熵權的模糊物元綜合評價模型，對三江平原地下水資源承載力進行綜合評價[4]。上述的研究大多停留在地下水資源生態承載力(地下水資源安全的度量方式)、地下水水質安全、地下水資源開采安全、地下水資源污染與飲用水安全等方面，對地下水資源的生態安全涉及較少，尤其是在西南巖溶地區關于地下水資源生態安全的研究尚無相關文獻。

貴州地處我國西南巖溶的腹心地帶,碳酸鹽巖出露面積達13 km2,占全省土地總面積的73%,是我國巖溶地貌最發育的省份[5]。巖溶地區土層淺薄且不連續,土壤的貯水保水能力差,加上巖體裂隙、漏斗、落水洞發育, 地表降水很容易迅速轉入地下形成巖溶水，巖溶水(地下水)是水資源的主要賦存形式, 同時也是人民生活和生產用水的主要來源。巖溶水所賦存的碳酸鹽巖含水層系統屬于高度開放的脆弱天然水文系統。西南巖溶山區由于表層儲水介質的孔隙率、裂隙率高、降水入滲透率比北方地區高0.3～0.5[6]，加之地表土壤層較薄，甚至缺乏土壤等過濾層，工農業生產產生的廢水和生活污水，極易下滲進入地下水環境，造成地下水環境污染，加上地下水開發利率的增加，巖溶地區地下水資源生態安全面臨巨大威脅。基于此，本文研究借助DPSIR概念框架，構建巖溶地區地下水資源生態安全評價指標，采用組合賦權法賦權，對貴州巖溶地區地下水資源生態安全進行動態分析，以期為巖溶地區水資源可持續利用提供科學依據。

1 研究方法

1.1 數據標準化

為消除由評價指標物理量量綱不同帶來的影響,在評價之前需將樣本中各指標無綱量化處理。本文采用線性插值法的標準化方法對原始數據進行無量綱處理。評價某地區m年的包括n個評價指標的地下水資源安全狀況,則其原始指標數據矩陣為[7]:

(1)

(1)首先將數據進行標準化，標準化方法本研究采用min-max標準化方法，此方法是對原始數據進行線性變換。設minA和maxA分別為屬性A的最小值和最大值，將A的一個原始值x通過min-max標準化映射成在區間[0,1]中的值，正向指標(效益型指標)是指數值越大越好的指標, 負向指標(成本型指標)是指數值越小越好的指標,其標準化方法分別為[7,8]:

(3)

式中：xmax為該項指標最大值；xmin為該項指標的最小值。

1.2 確定權重

指標權重的確定對評價結果的影響較大。目前常采用的灰色關聯方法是灰色系統理論中新的分析方法,它根據因素間的相似或相異程度來衡量因素之間的關聯度[9，10],克服了傳統主觀賦權法，權重確定更趨合理，但該方法沒有考慮單純指標數據之間影響，因此本文引入均方差法賦權法，參考李柏洲等的關于組合賦權的研究[9]，引入拉格朗日函數構建組合權重系數，將灰色關聯和均方差法組合賦權，以期更加合理。

1.2.1灰色關聯法

(1)確定數列的最優向量,由于對原始數據進行了標準化處理且都轉化為正向指標,所以最優向量為[7,8]:

G=(g1,g2,…,gn)=

(y11vy12…vy1m,y21vy22…vy2m,y11vy12…vynm)

(4)

式中：v為取最大運算符。

(2)利用灰色關聯系數公式計算j個評價指標yj與最優向量G的關聯系數δ(yj,G):

(5)

式中：miniminj|yij-gi|和maximaxj|yij-gi|分別為兩級極小差和兩級極大差；ρ為分辨系數,0<ρ<1,一般取ρ=0.5[7,8]。

(3)計算第j個評價指標yj的權重wj[7,8]:

(6)

1.2.2均方差法

(9)

式中：wk為第k個指標的均方差權重；sk為指標的標準差；yki為第k個指標第i個對象的標準化數據；m為評價指標的個數；n為評價對象的個數。

1.2.3組合權重

利用拉格朗日函數構建組合權重系數,公式如下[9]：

(10)

式中：參數θ為兩個目標之間的平衡系數，0≤θ≤1，一般取θ=0.5。

則權重計算公式如下：

(11)

1.3 地下水資源生態安全綜合指數及安全等級

參考馬子惠等關于綜合指數的研究[10]，構建地下水資源生態安全綜合指數(WS)，其計算公式如下：

(12)

式中：WS為地下水資源生態安全綜合指數；w為權重；y為指標標準化后的數值。

表1 地下水資源生態安全等級[10,11]Tab.1 Ecological security level of groundwater resources

2 巖溶地區地下水資源生態安全評價

2.1 研究區概況

貴州省地處西南腹地，與重慶、四川、云南、廣西相接壤，全省總面積17.61 萬km2，截至2014年末，貴州省常住人口為3 508.04 萬人，農業人口占到60%以上，貴州地貌屬于中國西南部高原山地，巖溶地貌發育非常典型，巖溶面積達13 萬km2，占土地總面積的73.8%以上[12]，巖溶縣占85.36%，巖溶比例大于70%的縣數有57個縣市。人均耕地面積不到0.05 hm2，遠低于全中國平均水平。處在長江和珠江兩大水系上游交錯地帶，是長江、珠江上游地區的重要生態屏障。

2.2 基于DPSIR概念框架的地下水資源生態安全評價指標體系構建

歐洲環境署采用系統論方法，基于表述引發生態環境問題的起源與結果關系因果鏈的角度，提出“驅動力一壓力一狀態一影響一響應”模型(DPSIR模型)[13]，DPSIR模型能表達影響生態安全各因素之間的信息耦合關系,體現了生態安全的演進變化具有動力學特點[14]。該模型從系統分析的角度看待人和環境系統的相互作用，是一種在環境系統中廣泛使用的評價指標體系概念模型，是組織環境狀態信息的通用框架[15]。DPSIR概念模型在區域生態安全評價、地表水資源安全評價、生態系統健康評價中應用較廣，但是在地下水資源生態安全評價中尚無應用，因此，將DPSIR概念框架引入到巖溶區地下水資源生態安全評價當中， DPSIR 概念模型涵蓋社會經濟發展、資源利用和環境保護等自然、人文的多個領域，將巖溶區地下水資源系統看成生態系統的一部分，為巖溶區地下水資源生態安全評價提供了新的研究思路[16]。巖溶區地下水資源生態安全評價DPSIR概念模型由驅動力子模型，壓力子模型，狀態子模型，影響子模型，響應子模型5部分構成。如圖1。

圖1 巖溶區地下水資源生態安全評價DPSIR模型框架Fig.1 DPSIR model framework of ecological security evaluation of groundwater resources in Karst area

基于圖1確定的巖溶地區地下水資源生態安全評價DPSIR概念框架，結合巖溶地區地下水資源系統特征，參考已有的土地生態安全、地下水資源以及水資源安全的相關研究[13,15，17]，并根據數據的可得性、獨立性和顯著性原則，選取具有代表性的巖溶區地下水資源生態安全評價指標構建基于DPSIR概念框架的巖溶區地下水資源生態安全評價指標體系。如表2。

2.3 數據來源與數據處理

研究數據主要來源于《貴州省統計年鑒》(2005-2012)，《貴州省水土保持公報》，《貴州省水資源公報》，部分數據通過年鑒數據換算得出，部分數據采用趨勢預測獲取。

2.4 結果分析

依據公式(1)～(9)將評價指標的原始數據進行標準化處理，進而換算每個指標的灰色關聯權重和均方差法，見表2。將單一方法獲得權重(表2)，代入公式(10)，得到權重組合系數為αc=(0.547，0.453)，將權重系數代入公式(11)獲得組合權重，如表2。借助公式(12)計算貴州省2005-2012年的地下水資源生態安全的綜合安全指數和驅動安全指數、壓力安全指數、狀態安全指數、影響安全指數以及響應安全指數，如表3，依據計算獲得安全指數，對照表1的生態安全等級，確定生態安全等級，如表4。

2.4.1驅動力生態安全

從表3、4以及圖2來看，單純從驅動力安全指數來看，貴州省地下水資源生態安全呈現出波動下降趨勢，從安全等級來看，2005-2007年為敏感等級，2008年為不安全，2009和2010年為較安全，2011為敏感，2012年為不安全。2005-2012年GDP平均增長率達到12.125%，遠遠超出了全國平均水平，表明隨著近年來貴州省經濟社會的發展，對地下水資源生態安全的驅動影響已超出了地下水資源生態系統本身的承受力。

2.4.2壓力生態安全

從表3、4以及圖3來看，趨勢擬合R2=0.663 7，貴州省地下水資源壓力生態安全指數呈現緩慢增長趨勢。表明貴州省地下水資源壓力生態安全呈現轉好的趨勢。2005年為不安全、2006年為敏感、2008為安全、2007、2009、2010、2011、2012分別為較安全，壓力安全在波動調整中逐漸轉好。2004年7月,貴州省委九屆五次會議提出“生態立省”的貴州省社會經濟發展的重大戰略[18]。經過幾年的實施，其作用開始顯現，地下水資源面臨的壓力相對在減少，總體呈好轉趨勢。目前在貴州省經濟發展十分落后的情況下，地下水資源的壓力受到自然環境的壓力相對較大(干旱災害)， 2008年底開始貴州省乃至整個西南地區連續出現特大旱災，導致地下水資源急劇減少，自然環境的變化對貴州省地下水資源產生巨大壓力，這可能是壓力安全指數2008年后下降的主要原因。

表2 地下水資源生態安全評價指標體系Tab.2 Ecological security evaluation index system and weight of groundwater resource

表3 地下水資源生態安全綜合指數及分項指數(WS)(2005-2012)Tab.3 The composite index of ecological security of groundwater resources and the sub-index (WS) (2005-2012)

表4 地下水資源生態安全等級(2005-2012)Tab.4 Ecological security level of groundwater resources (2005-2012)

圖2 驅動力生態安全指數Fig.2 Ecological security index of drivers

圖3 壓力生態安全指數Fig. 3 Ecological security index of pressure

圖4 狀態生態安全指數Fig.4 Ecological security index of state

圖5 影響生態安全指數Fig.5 Ecological security index of influence

圖6 響應生態安全指數Fig.6 Ecological security index of response

圖7 地下水資源生態安全綜合指數Fig.7 Composite index of ecological security

2.4.3狀態生態安全

從表3、4以及圖4來看，貴州省地下水資源狀態安全指數呈現明顯的波動增長趨勢，由2005、2006年的不安全，2007-2011年的敏感和較安全交替過渡到2012年的安全狀態。除了2012年狀態安全指數增加到93.8外，其他年份狀態安全指數增長緩慢，均值僅為47.75。

2.4.4影響生態安全

從表3、4以及圖5看出，影響安全指數呈現波動變化狀態，2008年之前呈現波動下降，2008年急劇下降，安全指數僅為10.9，2009年后波動增長。2008年之前緩慢下降可能的原因是生態立省戰略的滯后效應所致，即政策制定之前影響的延續，2008年出現極端異常值，其原因是2008年旱澇災害損失占GDP比重達到了13.68 %，2008年底發生了極端干旱，地下水資源急劇減少，嚴重影響了地下水資源的生態安全。2008年后交替緩慢的增長是貴州省生態立省、生態文明建設、退耕還林等政策的實施，減少了對地下水資源的影響，地下水資源影響安全狀態緩慢恢復。

2.4.5響應生態安全

從表3、4以及圖6來看，趨勢擬合R2=0.882 8，趨勢擬合顯著，貴州省地下水資源響應安全指數呈現明顯的增長趨勢，由2005年的13，增長到2012年的77.2，年增長8.025。安全狀態由2005-2008年的不安全，過渡到2009年的敏感和2011年的安全以及2010與2012年的較安全狀態。表明在經濟社會急劇發展和自然環境異常變化的情況下，貴州省政府和相關水資源和環境部門迅速做出反映，通過產業結構的調整、環境保護力度的加大以及技術的提高，農業生產技術改進、水資源基礎設施的建設等措施，盡量減少對地下水資源的安全威脅。

2.4.6地下水資源綜合生態安全

對貴州省2005-2012年的地下水資源生態安全指數進行趨勢擬合，公式為：y=0.057 9x+0.287 3趨勢擬合R2=0.899 6。從擬合方程走勢可以看出，貴州省地下水資源整體安全指數與前面的分項如驅動力、壓力、狀態、影響的安全指數波動變化明顯，趨勢擬合不理想不同，與響應生態安全指數擬合類似，整體安全指數擬合顯著。安全狀態由2005年的不安全，過渡到2006-2009年的敏感，進而到了2010-2012年呈現較安全狀態，整體安全狀態逐漸轉好。表明貴州省在實施了生態立省戰略、生態文明建設、退耕還林等政策后，地下水資源的驅動力、壓力、狀態、影響的安全在受到經濟社會發展影響下，自然環境的影響起到主要的作用，但是在自然環境的影響下，貴州省政府和相關水資源和環境部門迅速做出響應，通過產業結構的調整、環境保護力度的加大以及技術的提高，農業生產技術改進、水資源基礎設施的建設等措施，對貴州省地下水資源的整體生態安全的調整起到關鍵的作用，使得整體地下水資源安全向著好的方向發展。

3 結 語

(1)本研究基于DPSIR概念框架，應用灰色關聯方法和均方差法進行組合賦權，構建巖溶區地下水資源生態安全指數模型，對貴州省2005-2012年地下水資源生態安全進行動態研究，研究表明：貴州省2005-2012年的地下水資源生態安全指數呈現直線增長趨勢，安全狀態由2005年的不安全，過渡到2006-2009年的敏感，進而到了2010-2012年呈現較安全狀態，整體安全狀態逐漸轉好。驅動力、壓力、狀態、影響的安全指數波動變化明顯，趨勢擬合不理想，響應安全指數趨勢擬合顯著，貴州省地下水資源響應安全指數呈現明顯的增長趨勢。自然環境的變化(干旱災害)以及政府和相關水資源和環境部門的響應，通過產業結構的調整、環境保護力度的加大以及技術的提高，農業生產技術改進、水資源基礎設施的建設等措施，對貴州省地下水資源的整體生態安全的調整起到關鍵的作用。

(2)嘗試應用灰色關聯方法和均方差法進行組合賦權，構建巖溶地區的地下水資源整體生態安全DPSIR評價指標體系，對巖溶地區地下水資源生態安全進行評價，計算得出的結果與巖溶區地下水資源生態安全客觀情況相吻合，反映了其動態變化特征，證明了該評價方法具有一定的應用價值，為巖溶區地下水資源生態安全評價提供了有益的方法參考。巖溶地區作為特殊的地貌單元，地下水資源生態安全演化特征與非巖溶地區差別巨大，本文限于數據采集的困難，時間選擇相對較短(8年)，雖然反映了一定的動態變化特征，但是不能反映變化環境下地下水資源大時間尺度的演化規律，下一步應該進一步完善。

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