基于模糊集理論的巖溶地區水資源安全評價

楊振華， 蘇維詞， 周秋文

(1.貴州師范大學 巖溶研究院，貴州 貴陽 550001；2.貴州科學院 山地資源研究所，貴州 貴陽 550001；3.貴州師范大學 地理與環境科學學院，貴州 貴陽 550001)

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基于模糊集理論的巖溶地區水資源安全評價

楊振華1， 蘇維詞2， 周秋文3

(1.貴州師范大學 巖溶研究院，貴州 貴陽 550001；2.貴州科學院 山地資源研究所，貴州 貴陽 550001；3.貴州師范大學 地理與環境科學學院，貴州 貴陽 550001)

指出了巖溶地區水資源短缺主要是由于巖溶地貌發育，水資源可獲取性差，利用難度大造成的。為合理評價巖溶地區水資源安全，在模糊集理論基本原理的基礎上，結合西南巖溶地區水資源的特點，選取了體現巖溶地區水資源特性的評價指標，構建了水資源安全評價模型，并對2004～2013年貴州省水資源安全狀況進行了評價。結果表明：貴州省水資源安全整體水平達到臨界安全，歷年評價平均值為0.606，但區域差異性明顯，呈東南向西北遞減趨勢；其中，黔南、遵義水資源安全水平較高，評價均值分別為0.919(Ⅰ級)、0.839(Ⅱ級)。六盤水和畢節水資源安全水平較低，分別為0.1(Ⅴ級)和0.4(Ⅴ級)，其余地區介于兩者之間；各地州水資源安全水平年際變異性大，平均變異系數為0.477。分析認為，加大水利設施建設投資力度，保護現有水資源，提高水資源開發利用率才是解決貴州巖溶地區水資源安全問題的關鍵。

巖溶；水資源安全；模糊理論；評價

1　引言

隨著人口的增長對水資源的需求越來越大，水資源的時空分配不均勻以及水質污染等問題已經對人類社會的可持續發展造成嚴重的威脅，水資源安全問題逐漸成為水資源研究領域的熱點[1-3]。巖溶流域是一個由雙重含水介質組成的“二元三維”空間結構系統,具有特殊的地貌-水系結構和水文動態過程[4]，使地表儲水能力差，可利用、便于利用的水資源非常有限。同時，由于巖溶地區人口不斷增長，工農業發展迅速，大量生活、生產污水的排放，嚴重破壞水環境，加劇了區域性用水困難。水資源安全問題已成為許多地區社會、經濟發展的重要制約因素[5]。因此，運用合適的巖溶地區水資源安全評價模型，進行合理的水資源安全評價就顯得尤為重要。

目前，針對水資源安全評價，已有較多的研究成果。如DPSIR模型、WEAP模型、GIS技術等眾多模型、方法都被應用于區域水資源安全評價[6～8]。而對于巖溶地區水資源安全評價，不少學者也進行了相關研究。如段琪彩等結合云南省巖溶地形地貌，水循環時空分布差異性和人口經濟分布等，分析水資源安全的主要影響因素[9]。張鳳太等在分析了巖溶地區表層巖溶帶“二元”水資源特點基礎上，構建熵權集對耦合評價模型[10]。鄒波等發現貴州巖溶地區強烈巖溶發育，生態脆弱；水利設施建設難度大，體制性和機制性障礙突出，水資源分配和管理效率低下，水資源安全問題嚴峻[11]。鄒勝章等提出了西南巖溶區水資源安全評價應涵蓋水量、水質、水資源利用以及水災害防治等評價內容, 并闡述了西南巖溶區水資源安全的主要保障措施[12]。不難看出，已有的巖溶水資源安全評價研究中，多是直接借鑒了通用水資源安全評價的模型和方法，所選取的指標體系并不能體現出巖溶水資源的特點，其評價結果的合理性也相應受到影響。因此，迫切需要根據巖溶地區水資源“二元三維”的特點，構建適用于巖溶地區的水資源安全評價指標體系與模型。

鑒于此，依據典型巖溶地區充沛的降水快速滲漏至地下，導致地表水缺乏，地下水富集的水文特性，采用反映巖溶水資源特征的指標體系和模糊集綜合評價法，構建巖溶地區水資源安全評價模型，并采用該模型評價貴州省各地州水資源安全狀況。該研究既可為巖溶地區水資源安全評價提供模型參考，也可為巖溶地區水資源可持續利用和區域經濟發展提供數據支撐和決策依據。

2　水資源安全評價模型構建

筆者在總結國內外水資源安全研究的基礎上，以巖溶水文地質特性為參考，根據水資源安全評價的傳統指標和新型巖溶指標構建指標體系，并確定5個評價角度，分別為水資源自身條件(水資源供給)、水資源社會安全( 社會發展用水) 、水資源經濟安全(產業發展用水) 及水資源生態安全( 生態環境用水)、水資源可獲取性(利用難度)。在水資源安全評價方法中，模糊集是一種結合專家評分經驗的定量分析方法[13，14]，而采用組合AHP法和熵權法的權重確定方式 ，計算過程中融合主觀因素和客觀因素，使評價結果符合客觀實際，可信度較高。

2.1水資源安全評價指標體系建立

水資源安全內涵包括兩方面：一方面是水資源的自然屬性，如降水特征、水資源賦存特征等；另一方面是水資源的社會經濟屬性，如水源開發狀況、水源利用設施、利用效率、水質污染、水環境破壞、水生態系統功能減退等。

2.1.1指標選取依據

(1)巖溶地區水資源特性分析：①降水季節性變異顯著。巖溶高原地區在特殊的氣候和地貌條件影響下，降水分布的季節性差異較大，季風氣候影響下，年降雨量60%～80%集中在5～9月份，呈現出夏秋季節洪澇災害嚴重，冬春季節水資源缺乏，季節性旱澇災害頻發的特點[12]。受降水季節性變異的影響，水資源也呈現出明顯的季節性變異特征，地表水利設施是緩和巖溶地區水資源季節性變異的重要手段。②水資源空間分布不均。年降水總量上并不缺乏，但地表可利用水資源量缺乏，這是巖溶地區水資源的重要特征。究其原因，是巖溶地區典型的地貌、水文條件導致的。巖溶地區山高土薄、地形崎嶇，表層裂隙、管道、落水洞、地下暗河發育，地表水和地下水的頻繁交替的水文特征，形成特殊的“二元三維”水結構系統，使雨水在產匯流過程中迅速流入深邃的暗河系統[15]，難以得到利用。

(2)喀斯特地區指標選取依據：由于巖溶地貌發育區的“二元三維”空間結構，地表水與地下河網緊密聯系，地表水與地下水轉換較快，溶蝕性漏水現象嚴重，再加上降水的時空差異性，使易獲取地表水資源量相當有限。因此，利用水庫等儲水設施集留地表水資源顯得相當重要，其中，大型水庫數量少卻影響范圍廣，供水能力一般都能達到一個地級市以上，所以其單位采用“個/萬km2”。而小型水庫雖數量多但影響能力小，其供水范圍集中在水庫周圍的鄉鎮，供水能力一般只能滿足臨近地區人們生產、生活需要，所以其單位采用“個/萬人”。另外，山高谷深的高原巖溶地貌區土高水低、房高水矮，使河湖等地表水資源利用難度較大。而地下河網發育程度又與地表巖溶地貌發育成正比，地下河網發育密度越大，地表水漏失的可能性就越大。 因此，只有完整地分析巖溶高原山區水資源特性，充分考慮地表起伏特征和水利設施的完善程度對水資源利用的影響，才能得到巖溶地區合理的水資源安全評價。

2.1.2構建指標體系

針對巖溶地區水資源的特性，在引用傳統水資源安全評價指標的基礎上，根據巖溶地區水資源特性，增加了反映巖溶地區水資源安全的重要指標，構建出體現巖溶水資源安全特點的指標體系(表1)。指標體系包含四個層次：1個評價目標，2個評價內容(A1-A2)，5個評價準則(B1-B5)，14個評價指標(C1-C14)，如表1所示。

表1　巖溶地區水資源安全評價的指標體系

2.2指標組合賦權

采用綜合權重可利用兩種權重的優點，避開兩種權重的不足，即反映客觀信息又體現主觀信息[18]。

設ωsj,ωoj分別表示AHP法權重和熵值法對應的第j個權重，則稱：

(1)

是具有同時體現兩種賦權法信息組合特征的權重值。按式(1)得到的組合權重ωj(表2)。

2.3模糊集評價方法

采用模糊集理論中多目標決策的方法，對水資源影響因子的隸屬度分解成正反兩個方面來研究，設水資源安全評價矩陣，確定每個方案的評價值。定義函數score(x)=t(x)-f(x)，其中t(x)，f(x)，score(x)∈[-1，1] 。用來度量方案對于決策者需求的適合程度。評分函數score(x) 的值越大，方案對于決策者需求的滿足程度就越大。因此，可以根據這個評分函數來對方案進行排序，進而選出最優方案x*，滿足：

score(x*)=max(score(x*))，其中(x*∈X)

(2)，

(2)式中，t(x)，f(x)分別代表各個方案的真隸屬度和假隸屬度，計算公式如下：

t(x)=∑i∈tθi;t={i│fi≥αi,i=1,2,3…n}

(3)，

f(x)=∑i∈fθi;f={i│fi≤β_i,i=1,2,3…n}

(4)，

表2　水資源安全評價指標權重

注：表中評價指標Ci+代表第i個指標效益型(越大越優型)，Ci-代表第i個指標為成本型(越小越優型)

(3)式中，fi為每個方案對應的第i個指標標準化后的屬性值，αi為第i個指標滿意度下限，βi為第i個指標的不滿意度上限。其中αi和βi的確定方法如下： 由于指標體系中每個指標的特性不同，每個指標可以接受的滿意度的下限和不滿意度的上限也是不同的。在筆者研究中，邀請了50位專家學者打分，發放打分表50份，收回打分表43份，回復率86%，分別對經標準化處理后的14個指標的滿意度的下限和不滿意度的上限打分，綜合43位專家學者的意見，得到各指標的滿意度的下限和不滿意度的上限(表3)。

2.4水資源安全評價水平劃分

水資源安全水平劃分是基于水資源安全現狀的分類，是水資源安全評級的重要一環，為區域水資源安全問題的發現，水資源安全工作的重點尋求有力的依據。根據國內外專家的研究現狀以及許多國家的水資源安全標準，結合西南巖溶山區缺水的特點，制定評價水平的閾值[19](表3)。根據閾值設定水資源安全5個水平，分別是：非常安全、較安全、臨界安全、較不安全、不安全。對模糊集函數的評價值歸一化，再將評價結果與評價水平閾值比較，得出水資源安全水平的歷年變化情況。

表3　評價水平與閾值

3　研究區概況與數據來源

3.1研究區概況

貴州省地處我國西部高原山地向東部丘陵平原的過渡地帶，地勢西高東低，地表起伏大，是一個以高原、山地為主的省份，高原、山原、山地約占貴州省總面積的 87%，丘陵占 10%，平地僅占3%，即所謂“八山一水一分田”。也是巖溶分布最廣的省份，碳酸鹽巖出露面積占貴州省總面積的 73.8%。其次，巖溶地貌廣泛發育，也導致地表峰林、峰叢、洼地、漏斗及落水洞等巖溶形態非常典型，地下溶洞、伏流、暗河也十分發育，使水文系統的發育和展布呈雙層分異結構，即地表、地下水系同時發育，水文特征區別明顯但水文聯系又非常密切。貴州雖屬亞熱帶季風氣候區，雨水充沛，多年平均降水量為 1100～1300mm，但降水地域性和季節性差異顯著；水旱災害頻繁。貴州的河流多是山區雨源型河流，由降水補給河川徑流，大致以苗嶺為分水嶺，以北屬長江流域，以南屬珠江流域，地表水系相對不發達[20]。

3.2數據來源與處理

筆者選取貴州省9個地級市2004～2013年水資源利用狀況指標，其數據來源見表1，組成以2004年為基準年的原始數據集，利用模糊集方法，評價各地級市水資源安全程度。為了消除各評價指標的量綱影響，對各評價指標的原始數據集進行標準化處理。根據不同評價指標的屬性，將評價指標劃分為3種類型：效益型(越大越優型)、成本型(越小越優型)和均衡型(適中型)，根據不同的指標類型選擇不同的標準化公式進行處理。

(5)；

(6)；

均衡型：y(i，j)=

(7)；

其中，Xmax(j)、Xmin(j)、Xmid(j)分別為第j個指標的最小值、最大值和中間平衡值；y(i，j)為標準歸一化后的評價指標值；k，q為校正系數，經過以上的標準化處理后的值在[k，k+q]之間。按照上述算法，標準化處理后得到各年的指標值。

4　貴州省水資源安全評價

4.1水資源安全評價結果

對于任意一個方案xj∈X，根據各指標的權重向量θ=(θ1，θ2，…，θn)，及標準化屬性值與各指標滿意度的下限和不滿意度的上限比較，利用(2)式和(3)式，得到 2014年貴州省 9 個地市的真隸屬度t_A(x_j)和假隸屬度f_A(x_j)值，并計算出2014年貴州省9個地市歷年水資源安全評價Vague值(圖1)。

根據上述貴州省水資源安全評價結果，結合表2中的評價水平閾值，得出貴州省各個地州2004～2013年水資源安全評價等級(表5)。

圖1　2004～2013年貴州省水資源安全狀況及變化趨勢

4.2水資源安全特征分析

4.2.1水資源安全狀況區域特征

貴州省水資源安全水平整體水平較差，且區域差異明顯。該省水資源安全Vague集評價多年平均值為0.599，僅達到臨界安全等級。從區域上看，水資源安全狀況良好的區域集中在貴州省東部和東南部，而西部和西南部地區水資源狀況較差(圖2)。其主要原因在于貴州省降水呈現由東南向西北減少的趨勢，且西部和南部區域為珠江流域與長江流域的分水嶺，地表起伏大，巖溶地貌發育，導致集水面積狹小，可利用水資源少。從歷年評價結果的平均值來看，黔南水平最高，為該省水資源安全等級最高的地區，達到0.912。其次是遵義和銅仁地區，再次是安順、黔東南、貴陽、六盤水和黔西南，畢節地區最低，僅為0.06。遵義歷年平均值為0.839，達到比較安全級；遵義、銅仁和黔南歷年水資源安全狀況良好，分別只有兩年、三年和兩年的水資源安全水平低于較不安全級。畢節、六盤水、黔西南絕大多數的年份水資源安全水平為不安全級，其中，畢節有一半以上的年份屬于不安全級，僅有2004、2005、2013年為較不安全級。六盤水和黔西南則80%年份為較不安全或不安全級，區域水資源差異將使貴州水資源可持續開發利用面臨較大的壓力。

圖2貴州省各地州水資源安全評價結果

4.2.2水資源安全狀況年際特征

貴州省水資源安全平均水平呈波動變化趨勢，且各地、州年際變化大。從2004～2013年水資源安全評價結果來看，該省水資源安全水平呈波動變化趨勢，評價結果的波動幅度達到0.329，且多為臨界安全水平。2004～2005年水資源安全水平下降幅度最大，2006～2011年水資源安全水平相對比較穩定，但評價結果在2012年出現明顯降幅后2013年又有所回升。從各地州2004～2013年來看，水資源安全評價Vague值波動類型可分成3類： 第一類，2005年水資源安全水平呈現明顯下降后，2006年又回升到之前的水平，2007～2013年除2012年下降外，其余年份則變化不大，符合此類型的地州有安順、黔南和銅仁。 第二類，2004～2010年水資源安全水平呈穩定趨勢， 2011～2012年卻波動下降比較明顯，但2013年又回升到2010年以前的水平，符合此類型的地州有遵義和黔東南。 第三類，2004～2006年水資源安全水平出現明顯下降趨勢，2007～2010年呈穩定水平，2011～2013年卻呈明顯波動的“ W”型 變化態勢，符合此類型的地州有六盤水、畢節、貴陽和黔西南。

4.3水資源安全現狀成因

從2004～2013年貴州水資源安全評價結果可以發現， 貴州省水資源安全特征集中體現在區域差異和時間差異上，水資源安全問題因地因時不同，對該省水資源安全構成極大壓力，也威脅著各地州水資源安全。

4.3.1水資源安全的區域性差異成因

貴州省降水的區域差異，特殊地質地貌結構和石漠化程度，導致各地州多年降水變化量、地表徑流量和地下河網發育程度各不相同。且各地州水利設施完善程度，水資源利用量及其結構的不同，加劇了水資源安全水平的區域差異，形成“東多西少”的可利用水資源量及“東密西疏”的地表河網密度[26]。其中，各地州多年降水量和平均徑流量變幅都超過290 mm以上，如多年平均徑流量較大地州是黔東南和銅仁，分別為570.7 mm和519.4 mm。較小地州是安順和六盤水，分別僅有271.4 mm和290.5 mm，直接影響地表可利用水資源的補給量。在石漠化地區，由于碳酸鹽巖的可溶性大、透水性強、地下溶蝕空間發育，形成地表地下雙層結構，使大氣降水通過豎井、落水洞、漏斗等快速匯入地下，導致地表徑流銳減，地表河網分布相對非碳酸鹽巖地區稀疏，地下河網發育卻相對非碳酸鹽巖地區密集，雖地下水資源豐富，但卻是水資源獲取難度加大，限制水資源的有效利用，因而，西南石漠化嚴重地區也往往是干旱缺水地區。在貴州省水庫分布上，全部大型水庫都分布在烏江水系，而洞庭湖和南北盤江水系水庫少而小，且山高谷深，人高水低，流域分水嶺等原因，促使黔西南、六盤水、畢節等地區水資源安全狀況較差。

4.3.2水資源安全的時間差異成因

從2004～2013年，各地州水資源安全狀況年際變異性較大，經歷了兩個時期的明顯波動下降時期，分別是2004～2006年和2010～2012年。從2004～2006年，除貴陽和黔東南外，其他地州水資源安全水平出現明顯下滑，主要原因是2005～2006年降水量減少，地表水資源減少，可利用水資源減少，而水資源利用量增加。2010～2012年地州的水資源安全狀況變差是因為西南大旱，降水量驟降，各地州降水補給顯著減少。其中，2009年7月～2010年5月，貴州省遭受了百年不遇的特大旱災，該省共有1869萬人、受災農作物84.8萬hm2，695萬人、504萬頭大牲畜因旱出現飲水困難，因災直接經濟損失達132億元。同時貴州工業強省的戰略，使工業用水量急速增加，加劇水資源安全的壓力。“十一五”期間，貴州省規模以上工業增加值從2005年的585.85億元增長到2010年的1227.17億元，年均增長14.1%，快速的工業發展一定程度上會加劇水資源的消耗。

5　結論

從水資源的供給、利用及可獲取性因素3個角度，選取了體現巖溶地區水資源特性的指標，包括地下河網發育程度、水庫設施和地下水的比重等。結合模糊集評價法，構建巖溶地區水資源安全評價模型。運用AHP法和熵權法確定權重，通過模糊集評價法確定水資源安全評分值，然后借鑒相關研究最新成果，確定水資源安全水平閾值，得出了貴州省水資源安全的歷年現狀。

(1)評價指標是基于巖溶巖溶地質、地貌、水資源特性和水利建設等角度構建的評價指標體系，揭示出巖溶地區水資源安全問題的主要原因,即地表石漠化嚴重、地下溶蝕地貌發育，導致地表天然集水量(含植被、土壤和各種水體的集水量)不足，而水利設施不完善，人工集水量低，使區域防治季節性缺水問題的能力降低，導致季節性干旱時有發生。

(2)評價方法中對指標權重的確定和數據處理依據模糊評價法原理，對貴州省各地州歷年水資源安全進行評價，得出貴州省水資源安全水平的區域差異和年際變化特征，評價結果合理、可信，對區域抗旱救災，提高水資源安全水平具有重要指導意義。

(3)通過對水資源安全保障措施分析認為，加大水利設施建設的投資力度、保護現有水資源、提高水資源開發利用率是解決貴州水資源安全問題的關鍵。

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Evaluation System of Water Resource Security in Karst Region Based on Fuzzy Set Theory

Yang Zhenhua1, Su Weici2, Zhou Qiuwen3

(1.InstituteofKarst,GuizhouNormalUniversity,Guiyang,Guizhou550001,China;2.ResearchInstituteofMountainResourcesandEnvironment,GuizhouAcademyofSciences,Guiyang,Guizhou550001,China;3.CollegeofGeographyandEnvironment,GuizhouNormalUniversity,Guiyang,Guizhou550001,China)

This paper pointed out that the water shortage in karst region was mainly caused by the development of karst landform, the low availability and difficult utilization of water resources. To reasonably evaluate the water resource security of karst region, based on the basic principle of fuzzy set theory and combined with the characteristics of water resources in karst areas of Southwest China, we selected the evaluation index which reflected the characteristics of water resources in karst areas, constructed the evaluation model of water resources security, and evaluated the water resources security in Guizhou Province in 2004-2013. Results showed that water resources safety in Guizhou only achieved the overall level of criticality safety and the evaluation of the calendar year average value was 0.606.However, the regional difference was obvious, which showed a decreasing trend from the southeast to the northwest; among them, water resources security in Guizhou and Zunyi were in high levels, and the values were the 0.919 (grade I), 0.839 (grade II), respectively. The water resource security levels in Liupanshui and Bijie were low, and evaluation values were 0.1 (grade V) and 0.4 (grade V),and the values of the rest areas lied in between. Around the states, the interannual variation of water resource security levels were large and the average value of variation was 0.477. According to the analysis, it was believed that the investment intensity of water conservancy facilities construction, the protection of the existing water resources, and the utilization rate of water resource development were the key to solve the problem of water resource security in karst areas of Guizhou.

karst; water resource safety; fuzzy set theory; evaluation

2016-06-23

國家科技支撐計劃課題(編號2014BAB03B001)

楊振華，男，貴州師范大學巖溶研究院碩士研究生。

蘇維詞，男，研究員，主要從事巖溶地區資源、生態環境與可持續發展研究工作。

TV211.1

A

1674-9944(2016)16-0001-06