基于GIS的大凌河流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)

張 穎

(葫蘆島市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧葫蘆島 125001)

水資源脆弱性是指在生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境、農(nóng)業(yè)社會(huì)、工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，水資源受到人類活動(dòng)、自然災(zāi)害以及氣候環(huán)境變化等影響作用，所體現(xiàn)出來(lái)的容易受到破壞與改變的特征［1］。水資源系統(tǒng)中的某一個(gè)子系統(tǒng)，在受到外界干擾和系統(tǒng)內(nèi)部作用時(shí)遭到的破壞，由于各子系統(tǒng)之間的不確定、模糊性關(guān)系，可對(duì)其他部分產(chǎn)生直接或間接的影響作用，從而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)并對(duì)整體系統(tǒng)帶來(lái)較為顯著的不利影響，甚至對(duì)生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人類生活等造成嚴(yán)重的破壞。因此，根據(jù)水資源系統(tǒng)特征將其脆弱性概括為以下方面：水資源脆弱性在系統(tǒng)內(nèi)可表現(xiàn)為水環(huán)境在面對(duì)外來(lái)作用力時(shí)所產(chǎn)生的影響程度，它是具有時(shí)間與空間尺度的一種狀態(tài)；外來(lái)驅(qū)動(dòng)因素中的人類生產(chǎn)活動(dòng)決定了其外部環(huán)境的脆弱性承載力，而其自身內(nèi)在脆弱性則直接與生態(tài)環(huán)境的影響相關(guān)；在外力作用下水資源系統(tǒng)具有盡力維持它原有現(xiàn)狀的性能，即具有一定的時(shí)間延遲性；系統(tǒng)脆弱性還未顯現(xiàn)時(shí)，并不代表其沒有脆弱性，即系統(tǒng)具有隱性特征，在足夠大的外力作用下水資源脆弱性才能顯現(xiàn)。

對(duì)水資源脆弱性在某一空間區(qū)域分布格局的研究已成為目前研究的熱點(diǎn)與主要方向，而不再局限于點(diǎn)域的評(píng)價(jià)分析。大凌河流域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度較快，不僅是遼寧省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心區(qū)域，而且在促進(jìn)人水和諧發(fā)展和保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重大作用。該流域的水資源與生態(tài)環(huán)境受經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響較為顯著，尤其是水資源的不合理開發(fā)以及供需矛盾持續(xù)緊張，進(jìn)一步加劇了流域水資源脆弱程度。因此，通過(guò)科學(xué)的方法評(píng)價(jià)該流域水資源狀況，對(duì)于促進(jìn)區(qū)域水資源可持續(xù)利用和解決水生態(tài)環(huán)境問題具有重要作用。

1 大凌河流域概況

大凌河流域總面積2.35萬(wàn)km2，全長(zhǎng)為398km，流域內(nèi)各支流縱橫交錯(cuò)，主要有牤牛河、老虎山河、涼水河等，在保證城鎮(zhèn)居民生活用水以及工農(nóng)業(yè)發(fā)展等方面發(fā)揮著不可替代的作用；大凌河屬于溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，冬冷夏熱，日照充足，年均氣溫為8.0～12.6℃，年降水量在450～1000mm，其中62.7%以上降水發(fā)生在7—8月，主要以強(qiáng)降雨和暴雨形式出現(xiàn)。近年來(lái)，為滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要而忽視了對(duì)水資源的保護(hù)，使生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量嚴(yán)重失調(diào)，水資源過(guò)度的開發(fā)與利用造成生態(tài)系統(tǒng)的退化，水土流失、水資源緊缺以及水體污染等矛盾日趨突出［2］。水資源脆弱性隨水資源的日益短缺而逐漸凸顯，因此，利用科學(xué)、合理的方法開展該流域水資源承載力的評(píng)價(jià)分析，對(duì)于指導(dǎo)該區(qū)域水資源管理并提升其承載力水平具有重要意義。

2 水資源脆弱性評(píng)價(jià)體系

2.1 建立評(píng)價(jià)體系

水資源承載力的脆弱性評(píng)價(jià)［3］涉及的范圍比較廣，影響因素較多，并且各影響因素之間關(guān)系較為復(fù)雜，為更科學(xué)、全面地反映流域范圍內(nèi)各分區(qū)的脆弱性狀態(tài)，本文在遵循區(qū)域性、獨(dú)立性、完備性、代表性、可操作性等原則基礎(chǔ)上，充分考慮當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水文地質(zhì)、氣候地形等自然條件，分別從人為因素與自然環(huán)境兩方面建立評(píng)價(jià)體系，見表1。

表1 大凌河流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)體系

2.2 GIS評(píng)價(jià)分區(qū)

通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域的空間劃分實(shí)現(xiàn)大凌河流域水資源脆弱性各分區(qū)的評(píng)價(jià)，結(jié)合遼寧省水資源公報(bào)、環(huán)境地質(zhì)圖集等相關(guān)資料對(duì)各指標(biāo)空間分布屬性值進(jìn)行提取，將各參數(shù)指標(biāo)的圖層文件利用Map GIS軟件進(jìn)行疊加運(yùn)算，從而完成流域空間區(qū)域的劃分，由此可得到大凌河流域160個(gè)分區(qū)，分區(qū)點(diǎn)位見圖1。

圖1 大凌河流域GIS評(píng)價(jià)分區(qū)圖

3 大凌河流域水資源脆弱性評(píng)價(jià)

3.1 構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型

模糊綜合評(píng)價(jià)是對(duì)具體的待評(píng)價(jià)事物運(yùn)用模糊系統(tǒng)理論構(gòu)建評(píng)語(yǔ)集、因素權(quán)重集以及評(píng)價(jià)因素集，利用合成算子作出綜合的評(píng)價(jià)與分析，主要步驟如下。

a.建立因素集與評(píng)語(yǔ)集。根據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)的各影響因素可組成指標(biāo)因素集C，對(duì)于因素集合中代表性的單因素可用 ci(i=1，2，…，n) 表示［4-5］，因此可建立因素集C={c1，c2，…，cn}，各指標(biāo)因素見表1。依據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)所建立的評(píng)語(yǔ)集用V表示，即V={v1，v2，…，vm}，集合中各指標(biāo)因子為 vj(j=1，2，…，m)，評(píng)價(jià)等級(jí)分別與評(píng)語(yǔ)一一對(duì)應(yīng)。

確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系后需要進(jìn)行科學(xué)、合理的脆弱性標(biāo)準(zhǔn)的劃分，如果標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分過(guò)于粗略，則不利于評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度的控制；如果劃分的等級(jí)過(guò)于詳細(xì)和繁多，則不利于評(píng)價(jià)結(jié)果的計(jì)算并造成評(píng)價(jià)結(jié)果誤差的增大［6］。本文結(jié)合大凌河水資源開發(fā)利用與環(huán)境保護(hù)實(shí)際狀況，將其脆弱性隸屬度劃分為0.1～0.3、0.3～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0五個(gè)區(qū)間，所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)分別為脆弱性強(qiáng)、較強(qiáng)、中等、低、弱。

b.各樣本初始值的歸一化處理。假定待評(píng)價(jià)樣本為m個(gè)，參與評(píng)價(jià)的指標(biāo)數(shù)為n，本文中待評(píng)價(jià)樣本m為160，脆弱性指標(biāo)n為15。由于各指標(biāo)單位和量綱的不同無(wú)法直接用于評(píng)價(jià)，所以應(yīng)進(jìn)行歸一化處理。對(duì)于目標(biāo)特征值越大則脆弱性程度越低型指標(biāo)，其歸一化處理方法為

對(duì)于目標(biāo)特征值越小則脆弱性程度越高型指標(biāo)，其歸一化處理方法為

式中：x(i，j)、x*(i，j)分別為第 j個(gè)指標(biāo)在第 i個(gè)樣本中歸一化處理后及其初始值；xmax(j)、xmin(j)分別為第j個(gè)指標(biāo)的最大與最小值。

c.建立單因素評(píng)價(jià)模糊矩陣R。假定ui為水資源脆弱性評(píng)價(jià)影響因素，并以rij代表元素vj的隸屬度。因此根據(jù)每個(gè)因素所對(duì)應(yīng)的單因素評(píng)價(jià)等級(jí)可構(gòu)建評(píng)價(jià)集R：

d.以熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)熵值的具體含義，脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值可按下式計(jì)算［7］：

式中：Hi為待評(píng)價(jià)樣本中第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值；fij為第j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第i項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重占評(píng)價(jià)的權(quán)重。

e.運(yùn)用下式對(duì)各指標(biāo)的熵權(quán)wi進(jìn)行計(jì)算：

式中：wi為各指標(biāo)的權(quán)重，取值區(qū)間為0～1，并滿足所有指標(biāo)的熵權(quán)求和為1的要求。

將各指標(biāo)權(quán)重wi及其相對(duì)隸屬度rij代入下式即可得到大凌河流域160個(gè)分區(qū)的水資源脆弱性水平：

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)文中所述權(quán)重計(jì)算方法確定脆弱性評(píng)價(jià)各指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果見表1，對(duì)大凌河流域水資源脆弱性影響較大的為人為因素指標(biāo)，權(quán)重最大的指標(biāo)為地表水污染指數(shù)(0.112)，其次為單位面積用水量(0.102)，另外外調(diào)水所占比重、地下水開采模數(shù)、工程調(diào)蓄能力、含水層補(bǔ)給模數(shù)以及萬(wàn)元GDP用水量等指標(biāo)也可對(duì)水資源脆弱性產(chǎn)生較大的影響。

通過(guò)對(duì)各指標(biāo)的相對(duì)隸屬度與權(quán)重的計(jì)算，可分別對(duì)大凌河流域各分區(qū)水資源脆弱性進(jìn)行確定，結(jié)果見表2。

表2 大凌河流域各分區(qū)水資源脆弱性評(píng)價(jià)

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果以及脆弱性評(píng)價(jià)劃分等級(jí)可知，大凌河流域基本上不存在弱脆弱區(qū)域，即綜合評(píng)價(jià)值沒有處于0.8～1.0范圍的分區(qū)，其中整個(gè)流域91.5%的區(qū)域處于中等及以上脆弱程度。在不同空間區(qū)域，水資源脆弱性程度存在較大差異，清河以及小沙河等支流的脆弱性較高，而在降雨量較為充沛的東南區(qū)域脆弱性相對(duì)較低。進(jìn)一步分析其原因?yàn)椋捍罅韬恿饔驏|南部降雨較為充足，可為地下水源提供補(bǔ)給，另外該區(qū)域水利工程配套措施相對(duì)比較完善，因此脆弱性相對(duì)較低；而在中西部區(qū)域的小沙河區(qū)域地表水污染較為嚴(yán)重，加之對(duì)地下水的過(guò)度開采、水環(huán)境保護(hù)措施的相對(duì)滯后等，從而使該區(qū)域水資源脆弱性較高。

通過(guò)上述評(píng)價(jià)分析，該評(píng)價(jià)結(jié)果與流域水資源實(shí)際狀況基本相符，本文所建立的評(píng)價(jià)模型可對(duì)某一事物的等級(jí)狀況進(jìn)行全面、客觀的反映，在水資源系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)分析方面具有較好的適用性與可行性［6］。

3.3 脆弱性提升措施

為進(jìn)一步提高大凌河流域水資源承載能力，并促進(jìn)區(qū)域水資源協(xié)調(diào)發(fā)展，本文結(jié)合各分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果以及大凌河近年來(lái)的水資源實(shí)際狀況，有針對(duì)性地提出了如下建議：加強(qiáng)水資源的管理與調(diào)控并完善相應(yīng)的監(jiān)控體系；依法淘汰高能耗、高污染的陳舊設(shè)備并提高水資源利用效率；加快引進(jìn)并推廣優(yōu)化配置和水資源開發(fā)利用技術(shù)，加強(qiáng)水資源的開采和保護(hù)體系機(jī)制建設(shè)；大力宣傳提高公民保護(hù)用水、節(jié)約用水意識(shí)；加快污水處理再回收利用建設(shè)，提高循環(huán)用水制度建設(shè)；加快發(fā)展水資源科技利用與研發(fā)，實(shí)現(xiàn)低成本海水轉(zhuǎn)化等非傳統(tǒng)水資源的利用。

4 結(jié)語(yǔ)

水資源脆弱性評(píng)價(jià)不僅可為水資源合理開發(fā)利用以及空間優(yōu)化配置提供一定參考，而且可為水生態(tài)環(huán)境的修復(fù)治理提供指導(dǎo)依據(jù)。本文以大凌河流域?yàn)槔贕IS技術(shù)和模糊綜合法客觀評(píng)價(jià)了各分區(qū)水資源狀況，得出了對(duì)大凌河流域水資源脆弱性影響較大的為人為因素指標(biāo)、大凌河流域基本上不存在弱脆弱區(qū)域等結(jié)論。為進(jìn)一步提高大凌河流域水資源承載能力，并促進(jìn)區(qū)域水資源協(xié)調(diào)發(fā)展，結(jié)合各分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果及大凌河近年來(lái)的水資源實(shí)際狀況，從多個(gè)角度提出了針對(duì)性的改進(jìn)措施。