氣候變化下重慶市水資源脆弱性評價及適應性調控研究

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(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢430010；2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100000)

人類活動和全球氣候變化共同作用，對全球水文循環產生較大影響，水資源脆弱性遭嚴重破壞[1]。在當今倡導水資源可持續發展的大環境下，對水資源脆弱性開展研究可以定量分析氣候變化和人類活動對水資源系統變化的影響，并提出適應性調控對策。20世紀60年代以來，法國學者Albinet[2]首次在地下水領域提出脆弱性概念；20世紀80年代，Hashimoto[3]提出利用脆弱性對水資源供水能力的風險進行評估；1996年IPCC[4]認為水資源脆弱性與氣候變化密不可分；2000年加拿大學者Can TY[5]提出草原地區水資源脆弱性主要受氣候變化和農業灌溉等因素影響，并提出相應解決策略，有效緩解了水資源脆弱性；2010年Nunes JP等[6]發現在降水、氣溫、CO2排放等變化下，適用性調控人類活動的指標對于緩解地中海地區水資源脆弱性很有必要；2012年夏軍等[7]認為脆弱性是指在氣候變化及人類活動干擾下導致自身水資源系統供需關系發生改變后，水資源系統難以發揮正常水平的可能性；2018年PatrónER等[8]研究墨西哥水資源在氣候變化和人類活動干擾下，脆弱性承受的風險，并建立一套評價體系及適用性調控手段。綜合現有的研究成果，水資源脆弱性是指氣候變化及人類活動的干擾下，對水資源系統造成不利的影響的可能性，這也將是適應性調控研究的基礎。

1 水資源脆弱性評價

1.1 研究區概況

重慶市地處長江上游，全市總面積82 403 km2，屬于典型的亞熱帶季風濕潤氣候，降水量主要集中在山地地區，丘陵地區相對較少，多年平均降水量為1 177.92 mm，6—9月份降水量占全年60%以上；氣候溫度的空間分布呈中西部地區高，東南和東北部地區低的特征，多年平均氣溫為17.52℃；多年平均實際蒸散發量為904.82 mm，7—9月實際蒸散發量占全年43%。

過去30 a來重慶市的氣候發生了顯著變化，平均氣溫升高0.3℃/10a，平均降水量減小7.4 mm/10 a，同時8—10月份徑流量減少10%～25%，預計未來重慶市極端水文事件將更加頻繁[9]；同時，隨著人口密度的快速增長、經濟型社會的高速發展和生產、生活、生態等各類用水需求大幅上漲，重慶市水資源短缺的問題愈發突出，將進一步加劇重慶市水資源的脆弱性。

1.2 水資源脆弱性評價方法

水資源脆弱性評價方法主要分為定性、定量評價。定性評價法確定主要影響因素；定量評價分為指標法和數學函數法，其中指標法分為層次分析法[10]、模糊綜合評價法[11]、DPSIR[12]等方法，主要用于建立評價指標體系，而函數法主要是利用數學邏輯構建函數[13]。

指標法構建評價模型具有體系清晰、考慮全面等優點，函數法難以考慮全面，結果不易解釋。本文綜合考慮系統性、科學性等原則，基于DPSIR模型將評價指標體系分為驅動力、壓力、狀態、影響和響應5部分。其中，壓力指標是指用水需求以及對水資源造成破壞；狀態指標是指滿足自身用水需求的能力；影響指標是指人和自然因素導致的水資源系統破壞；響應指標是指針對水資源系統被破壞所采取的措施。

1.3 評價指標的選取和評價標準確定

結合重慶市氣候變化的情況和數據的易獲性，將要素指標進行分類并列入表1中，這些指標共同構成重慶市水資源脆弱性評價指標體系，2006、2014年各評價指標的具體數值見表1。為明確單個評價指標因子對水資源脆弱性評價中的影響以及未來氣候變化下能夠采取直接有效的調控措施，需要對每個評價指標進行脆弱性等級劃分。由于目前水科學界對于水資源系統指標分級沒有統一標準，本文利用中國和重慶市已制定的相關標準(重慶市水文局提供)，建立起一套適用于評價重慶市水資源脆弱性狀況的指標分級標準，見表1。

1.4 水資源脆弱性評價模型

由于評價對象是由多個評價指標相互作用的結果，因此可以認為水資源脆弱性評價模型是一個模糊集，故本文采用模糊綜合評價法來建立評價模型。基于熵權的重慶市水資源脆弱性模糊綜合評價的步驟主要通過以下4步。

a) 建立模糊集設定：設定評價對象集O{2001,2002，…,2014}，指標集U{DPSIR指標體系}與評語集V={不脆弱I，輕度脆弱II，中度脆弱III，重度脆弱IV}。

表1 重慶市水資源脆弱性指標分級標準及評價等級

b) 建立模糊關系矩陣R：

矩陣中第k列(k=1,2,…,n)為第k個被評價對象對各等級模糊指標集的隸屬度。將指標數值進行處理，得出水資源脆弱性模糊綜合評價中隸屬度rjk，即:

正向指標：越大越優型:rjk=(Xjk-Xj·min)/(Xj·max-Xj· min)

(1)

反向指標：越小越優型:rjk=(Xj·max-Xjk) /(Xj·max-Xj·min)

(2)

式中Xj·max——第j項指標的最大值；Xj·min——第j項指標的最小值。

c) 利用熵權建立模糊權向量A：由于每個子模型中的指標對于評語來說，有不同的作用程度，故需要先確定評價因素的模糊權向量中的每個指標的權重。本文采用客觀賦權法-熵權法[14]確定，對于某項指標來說，熵值越小，表明該項指標在評價對象中的占有比重越大，即權重越大，反之熵值越大，表示該項指標權重越小。

d) 模糊綜合評價結果：利用模糊關系矩陣R和模糊權向量A，建立M(·,⊕)合成算子模型，得出水資源脆弱性模糊綜合評價得分。

1.5 未來氣候變化下的情景和調控方案選擇

基于第五次IPCC評估報告(AR5)和中國自主研發的全球氣候評估模型，在未來氣候變化中設置了RCP2.6、RCP4.5和RCP8.53種受人為因素和氣候變化影響下的典型溫室氣體排放情景，以2017年為現狀基準年在氣候變化環境下，將未來研究時段劃分為3個時期：近期(2019—2030年)、中期(2030—2060年)、遠期(2060—2100年)，分別將2100年的輻射強迫水平穩定在2.6、4.5、8.5 W/m2[15]。本文是采用未來最接近國家排放氣體路徑的RCP4.5的氣候變化情景下，采取有針對性的適應性調控措施，降低水資源脆弱性，即：基于適應性水資源管理中的單項調控敏感性分析法，采取了13種應對未來氣候變化情境下水資源適應性調控方案，見表2。

表2 未來氣候變化情景下水資源適應性調控方案

2 結果分析

2.1 2001—2014年重慶市水資源脆弱性評價

結合重慶市水資源基本情況和脆弱性綜合得分，確定重慶市水資源脆弱性評分標準，從而得出2001—2014年重慶市水資源脆弱性評價結果，見圖1。從圖1可以看出，2001—2014年這14 a間重慶市水資源脆弱性綜合得分是動態變化的，大體處于輕度脆弱區。其中2001—2006年，雖然有效灌溉面積比先減小后增大，但是水資源開發利用率先增大后減少，人口密度逐漸增大，同時在2006年重慶市突發大旱，導致水資源脆弱性不斷逼近中度脆弱區，最終在2006年脆弱性達到最脆弱期～中度脆弱區；之后在2007—2009年重慶市水資源脆弱性綜合得分不斷降低，主要是氣候變化下產水系數減小，廢污水的排放強度得到控制，水資源脆弱性降低。在2009—2014年由于人口密度的持續增長，人均年用水量的不斷降低，廢污水的排放強度再次居高不下，農田有效灌溉面積比持續降低，最終導致重慶市水資源脆弱性綜合得分持續增加，水資源脆弱性再次不斷逼近中度脆弱區，且沒有任何預防措施條件下，水資源脆弱性在未來有加重的趨勢。因此，從動態變化來看，這14 a來重慶市水資源脆弱性大體處于輕度脆弱區，但水資源脆弱性在總體上是有逐漸加重的趨勢。

2.2 氣候變化下重慶市水資源脆弱性調控結果分析

在未來氣候變化環境下，只有恪守國家最嚴格的水資源管理制度才能推動水資源的生態文明建設，保障水資源系統的正常運行。本文在此基礎上，來確定水資源管理和調控方案，預計在2100年各項措施都達到不脆弱等級I(調控指標參考表1)，分別對近期、中期、遠期的各項調控措施進行預測，得到相應時期的預測數據，利用基于熵權的模糊綜合評價法進行水資源脆弱性評價，最終得出其相對于基準年的水資源脆弱性評分變化，見表3。

適應性單項調控結果分析表明：在未來RCP4.5排放路徑情景下，采用調控方案來應對氣候變化造成的水資源脆弱性是十分有效的，從減少重慶市水資源脆弱性的目標來看，近期單項調控最為靈敏的是控制人均年用水量，其次是有效灌溉面積比；在遠期，最為靈敏的單項調控是生態環境用水比例、人均年用水量。

3 結論

本文將水資源脆弱性與氣候變化結合一起，基于DPSIR模型構建重慶市水資源脆弱性評價指標體系，將多指標的評價轉化為單目標定量分析，評價2001—2014年氣候變化環境，并將RCP4.5氣候模型與適應性調控模型相耦合，研究未來水資源脆弱性適應性調控措施。本文研究成果將為該市水資源調控提供一套切實可行的方案，現得到結論如下。

表3 未來氣候變化下指標調控的數值及脆弱性評分相對基準年變化

a) 2001—2014年間重慶市水資源脆弱性大體處于輕度脆弱區，且有逐漸加重的趨勢。由于2001—2006年水資源開發利用率先增大后減少，人口密度逐漸增大，氣候變化下產水系數降低，故水資源脆弱逐漸升高，最終在2006年脆弱性達到中度脆弱；2007—2009年氣候變化下產水系數增大，廢污水的排放強度得到控制，水資源脆弱性逐漸降低；2009—2014年由于人口密度的持續增長，人均年用水量的降低，廢污水的排放強度再次居高不下，農田有效灌溉面積比持續降低，最終導致重慶市水資源脆弱性不斷逼近中度脆弱區。

b) 在未來RCP4.5排放路徑情景下，采用調控方案來應對氣候變化造成的水資源脆弱性是十分有效的，其中近期單項調控最為靈敏的是控制人均年用水量，其次是有效灌溉面積比；在遠期，最為靈敏的單項調控是生態環境用水比例、人均年用水量。

4 討論

針對重慶市水資源脆弱性的現狀和單項調控分析結果，提出如下建議來降低水資源脆弱性。

a) 增強節約用水意識，提高用水效率，降低人均年用水量。降低人均用水量是近期及遠期降低水資源脆弱性的重要舉措。故在工業上可以適當抬高水價，提高工業用水的重復利用率；居民生活中加大節約用水的宣傳教育，全面營造節約用水的好氛圍。同時加大智慧水務投資，降低管網水漏損。

b) 維護和完善水利工程建設。水利工程設施的完善在提高有效灌溉面積比、增強水利工程的調蓄能力中發揮巨大的作用，是短期降低水資源脆弱性的有效措施。建議完善抗旱水利工程的基礎設施建設，引進先進的灌溉技術，建立起一套嚴格的水利建設管理機制。

c) 建立水資源的優化配置方案。立足于重慶市水資源現狀，針對未來氣候變化以及社會發展對水資源的影響，提高生態環境用水比例，對重慶市水資源系統利用進行高效配置，實現重慶市水資源綜合效益的最佳化。