巖溶山區城市飲用水源地生態環境脆弱性評價
——以凱里市水源地為例

尚海龍，蔣煥洲，徐 宏，史正濤

(1.凱里學院旅游學院, 貴州 凱里 556011; 2.云南師范大學旅游與地理科學學院，昆明 650500)

“脆弱性”概念最早源于災害學[1]，現今其基本理論與定量方法已受到廣泛關注，并被引用到生態學[2]、氣象學[3]、農學[4]和水文學[5]等學科領域。其中，在水環境領域，將脆弱性的性質概括為：①水環境脆弱性是與生俱來的一種屬性；②當水環境受到擾動時這種屬性才表現出來[6]。由于氣候變化與城市化水平的快速提升，城市飲用水資源日益匱乏，水資源與水源地生態環境的雙重脆弱性[7, 8]嚴重脅迫城市飲用水永續利用與水生態安全。因此，進行城市飲用水源地生態環境脆弱性研究已成為環境科學與水科學重點關注的科學問題，且對于保護城市供水安全及水生態健康具有重要意義。

貴州山區城市多位于巖溶區，喀斯特作用強烈，較非巖溶區地質環境問題突出[9]，巖溶生境容量低、敏感度高、脆弱性強[10]，水土水文結構復雜，城市水庫成為最主要的供水源地[11]。城市飲用水源地生態環境發展水平關系到巖溶山區城市供水安全及地表涵養水源的能力。近年來，隨著城市飲用水源地生態保護工程的實施，水質健康狀況與水源涵養功能大有改善。但是，受脆弱的巖溶生境與不合理的耕作活動的影響，水質污染、水源退化、水土流失的等突出問題致使飲用水源地生態安全依然面臨嚴峻挑戰。目前，城市飲用水源地脆弱性研究成果[12-14]較少，主要針對其生態環境脆弱性內涵與定量評價指標體系進行了初步探討，并提出了水源地生態環境保護及修復對策，此對于后續研究具有一定的借鑒價值。但是，關于巖溶山區城市飲用水源地生態環境脆弱性評價成果尚屬鮮見，亟待系統診斷與分析。因此，以貴州典型巖溶山區凱里市普舍寨與金泉湖集中式飲用水源地為例，在實地調研的基礎上，構建飲用水源地生態環境脆弱性評價指標體系，運用模糊綜合評判模型對飲用水源地生態環境脆弱性進行診斷、分析與評價，旨在為巖溶山區城市集中式飲用水源地供水安全與民族區域城市生態健康提供有益參考。

1 研究區概況

凱里市是貴州省黔東南苗族侗族自治州首府，全域面積1 569.72 km2，屬中亞熱帶溫和濕潤氣候。全市年均氣溫14.10～16.50 ℃，平均日照時數1 288 h，年均降水量1 240 mm[15]。境內以巖溶地貌為主，地層巖性及地質構造復雜，河谷深切，地勢起伏較大。現有城市集中式河流型水庫飲用水源地與湖庫型水庫飲用水源地各1個，即普舍寨與金泉湖，取水點坐標分別為E 107°54′46″、N 108°12′09″，E 125°58′35″、N 26°34′10″。它們承擔著凱里市區、經濟開發區城市供水與重要的灌溉、防洪、養殖等生活、生態及生產功能，在黔東巖溶山區城市經濟社會發展與生態功能區保護中發揮著重要作用。2017-2018年，兩大水源地保護區面積分別為1 560與3 842 hm2，斷面水質均達到國家Ⅰ類標準，水體營養狀態為中營養，取水量達到了2.14×107t，占城市供水總量的70.45%[16]。但是，受巖溶山區地貌和地形制約及區域氣候變化的影響，水源地面源污染與人類擾動嚴重影響著生態環境系統的功能與效應，為水資源供需平衡及開發利用帶來了新挑戰。

2 研究方法與數據來源

巖溶山區城市飲用水源地生態環境脆弱性定義可表述為：常態自然條件下，表征水源地生態環境系統抗干擾的性質與狀態，包括原生脆弱性和脅迫脆弱性兩個維度。原生脆弱性指水源地當前所處的相對穩定狀態，為脆弱性產生的內部因素，主要包括氣候因素和土壤地質因素；脅迫脆弱性指人類活動對水源地的直接影響，是脆弱性產生的外部因素，主要包括環境污染和地表擾動[14]。

2.1 研究方法

2.1.1 指標體系構建與指標權重測算

巖溶山區城市飲用水源地是一個特殊地貌單元的人與環境交互作耦合系統及動態系統。評價其生態環境脆弱性，指標體系構建是進行診斷與定量分析的關鍵。因此，本文從飲用水源地生態環境脆弱性內涵出發，以人地關系理論為指導，參考已有研究成果[12-14,17]，并咨詢同行專家，構建了能夠客觀反映研究區集中式飲用水源地人類活動與自然環境相互作用及自然狀態的評價指標體系(表1)。其中，水質類別與土壤類型2項具體指標為定性指標，多年平均降水量、降水年際變差系數、降水年內分配均勻度等13項具體指標為定量指標。

表1 城市飲用水源地生態環境脆弱性評價指標體系Tab.1 Assessment indicator system of the eco-environment vulnerability of urban drinking water source

改進的熵值法是一種客觀賦值法。它克服了多指標變量間信息重疊和人為確定權重的主觀性，保證數據標準化后的非零與完整性，能夠深刻地反映指標信息熵的效用價值，給出的權重比其他權重確定方法更具可信度，尤其適合多指標系統的綜合評價[18]。所以，本文運用該客觀賦值法確定功能團與具體指標權重(表1)。

2.1.2 模糊綜合評判模型

城市飲用水源地生態環境脆弱性評價是將多源生態環境信息整合為整體的相對脆弱性等級，并以此評價生態環境的相對優劣程度。目前，評價方法有綜合評估法、景觀評估法、主成分分析法、神經網絡法、模糊層次分析法和模糊綜合評價法等[19-23]。其中，模糊綜合評價法在高原盆地水源地脆弱性評價中已有應用[6]，該方法可將一些邊界不清，不易定量的評價指標定量化(即確定隸屬度)，它將一個低層次、小系統過渡到高層次、大系統，并綜合得到最終評價結果[14]。其核心是在對影響生態環境脆弱性單因素分析的基礎上，用綜合評判矩陣評價區域生態環境脆弱性程度等級。

(1)評價指標分級識別標準。本文在對典型巖溶山區凱里市飲用水源地生態環境脆弱性評價指標進行標準差標準化的基礎上，借鑒已有研究成果[17, 23]，將水源地生態環境脆弱性劃分為潛在脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、嚴重脆弱和極端脆弱5個等級區間，分別用j1、j2、j3、j4與j5表示，并確定各具體指標評價標準(表2)。

表2 城市飲用水源地生態環境脆弱性具體評價指標分級標準Tab.2 Grading standards of the vulnerability assessment eco-environment of urban drinking water source

(2)模糊隸屬度函數。隸屬度函數是用來表征模糊信息集合的，是模糊控制與綜合評判方法的應用基礎。它能夠確保定量評價指標的隸屬度函數在各級平滑過渡，并消除個別評價指標值差值不大，而評價等級相差一級的模糊現象[23]。所以，本文通過模糊隸屬度函數確定各具體指標對飲用水源地每個等級生態環境脆弱性貢獻的高低。其中，正向具體指標，根據式(1)～式(5)測算；負向指標測算方法可類比構建；非數值型的指標，如i5和i6，在自然語言描述基礎上，根據表2直接在相應等級賦值為1。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：U1、U2、U3、U4與U5分別表示i指標在第j1、j2、j3、j4與j5等級區間的隸屬度；P1、P3、P5與P7分別表示5個等級區間的4個臨界值，P2、P4與P6分別表示臨界值的中點值。

(3)模糊綜合評判模型。測算指標權重(λi)與隸屬度矩陣的張量積(R)，得到凱里市飲用水源地生態環境脆弱性在第j等級區間的隸屬度(U)[式(6)]，式中b1、b2、b3、b4與b5為綜合評判向量。根據最大隸屬度，應用ArcGIS10.2軟件對凱里市飲用水源地生態環境脆弱性進行等級綜合評判，并通過空間分析功能，獲取各水源地脆弱度等級分區面積。

U=λi?R=[b1,b2,b3,b4,b5]

(6)

2.2 數據來源

定量指標數據：在調查走訪、查閱文獻、遙感解譯、采樣分析與數字化處理的基礎上，通過測算或直接獲取方式得到2017-2018年凱里市飲用水源地生態環境脆弱性評價指標體系各功能團具體定量指標數據。定性指標數據：水質類別與土壤類型分別采用黔東南州生態環境局水質檢測與貴州省土壤肥料研究所土壤檢測結果。矢量數據：根據貴州省測繪地理信息局提供的1:400萬本底矢量數據，提取凱里市水源地邊界矢量信息。將以上數據經過處理，在ArcGIS10.2軟件中構建為圖層，并置于阿爾伯投影坐標體系，其中地理坐標是Gcs_Wgs_1984、投影坐標為Wgs_1984_Utm zone_49N。依據500 m×500 m柵格精度，對柵格數據進行重采樣，將已有矢量數據轉換為柵格數據，運用ENVI4.8軟件解譯。

3 結果與分析

首先，將凱里市飲用水源地脆弱性評價指標數值代入式(1)～式(5)，得到隸屬度判斷矩陣R(表3)；其次，根據權重(表1)向量λi以及隸屬度判斷矩陣R，運用式(6)測算水源地生態環境脆弱性評判向量，根據最大隸屬度原則，得出綜合評判結果(表4)；最后，通過ArcGIS10.2軟件空間分析功能與ENVI4.8軟件解譯功能獲得各水源地不同等級脆弱度分區面積(表5)。

3.1 凱里市飲用水源地生態環境脆弱性總體特征

根據凱里市飲用水源地脆弱性指標隸屬度矩陣(表3)與綜合評判向量(表4)判斷，普舍寨飲用水源地與金泉湖飲用水源地生態環境均對應j3級，屬于中度脆弱狀態。其中，普舍寨飲用水源地水文氣象功能團處于輕度脆弱狀態，土壤地質功能團處于中度脆弱狀態，水源污染功能團處于高度脆弱狀態，地表擾動功能團處于潛在脆弱狀態；金泉湖飲用水源地水文氣象功能團、土壤地質功能團表現為中度脆弱狀態，水源污染功能團表現為極度脆弱狀態，地表擾動功能團表現為潛在脆弱狀態。普舍寨飲用水源地生態環境輕度脆弱區、中度脆弱區、極度脆弱區與高度脆弱區面積占保護區總面積的比例分別是4.02%、55.51%、2.78%與2.23%(表5)；金泉湖飲用水源地生態環境輕度脆弱區、中度脆弱區、極度脆弱區與高度脆弱區面積占保護區總面積的比例分別是9.13%、46.31%、2.34%與3.91%。分析表5可知，飲用水源地中度脆弱區分布面積廣且較集中，而極度脆弱區與高度脆弱區分布面積小且分散，潛在脆弱區所占面積比例較高，占比為37.49%，說明水源地保護區生態健康存在較大潛在威脅。

究其原因，凱里市飲用水源地居民以農業經濟為主，人口增速較快，不合理的經濟社會活動仍較為頻繁；飲用水源地處于黔東巖溶地區，地表崎嶇、土壤貧瘠、涵養水源功能差，生態經濟系統較為脆弱；隨著郊區城市化的快速發展，人地作用對水源地生態環境脅迫效應日益增強。主要表現：其一，污水處理設施中人工濕地植物已枯萎，嚴重影響污水處理效果；其二，水源染物超標，有效治理與監管效率欠高，導致水質出現弱礦化度、低硬度與中度營養化等特征；其三，飲用水源地準保護區的商業與旅游節事活動對于水質凈化產生了較大影響。

表3 城市飲用水源地生態環境脆弱性評價指標隸屬度矩陣Tab.3 Membership matrix of the vulnerability assessment eco-environment of urban drinking water source

表4 城市飲用水源地生態環境脆弱性綜合評判結果Tab.4 Comprehensive assessment of the vulnerability assessment eco-environment of urban drinking water source

表5 城市飲用水源地生態環境各級脆弱性分區Tab.5 Vulnerability zoning of the eco-environment of urban drinking water source

3.2 凱里市飲用水源地生態環境脆弱性影響因素分析

根據表1數據分析，凱里市飲用水源地生態環境脆弱性指標層權重值較大的是I1與I3，分別為0.316 5與0.268 6。說明影響水源地生態脆弱性的功能團主要為水文氣象與水源污染。其中廢污水排放量、固體污染物排放量權重貢獻率分別是0.091 9與0.100 6，成為脅迫水源地生態健康發展的主要人為因素。將功能團I1與I2權重貢獻率比較，發現水文氣象諸自然因素對水源地生態環境脆弱性發揮主導作用，其中多年降水量與水文地質因子對水源地生態環境脆弱性影響較大，說明凱里市中亞熱帶濕潤氣候對水源區生態環境保育是有利的，但受巖溶地貌典型發育的影響，水土流失、土壤貧瘠、石漠化嚴重等突出問題對水源地土壤地質環境極為不利。其實，土壤地質是水源地生態環境脆弱的基礎，而環境污染與地表擾動則加劇了水源地生態環境脆弱程度。因此，水源地生態環境脆弱狀態變化是人類活動與自然環境基礎交互作用的結果。通過實地調研，發現普舍寨飲用水源地保護區取水點上游1 000 m至下游100 m的水域和兩岸縱深100 m的地域中度脆弱性與高度脆弱性分區面積集中分布；金泉湖飲用水源地保護區周邊約1 km2的區域，中度脆弱區、高度脆弱區與極度脆弱區面積較大且集中分布。反映出一級保護區內的違章建筑、人畜活動、污水垃圾處理等問題亟待全面整治。

飲用水源地生態環境脆弱性問題較為突出，中度脆弱分區面積、高度脆弱分區面積與極度脆弱面積所占比例分別為48.97%、2.47%、3.43%(表5)，主要分布于居民經濟社會活動較為強烈的二級保護區域與準保護區域。該區域地形地貌以中、低山為主，土壤為石灰巖土，富呂化作用極弱，森林覆蓋率不高。目前，準保護區鄉村人口密度較高，日常生活、農業產業經營與商業活動產生的環境污染的潛在隱患短時期難以通過控制郊區居民生產方式的策略實現。據調查，凱里經濟開發區的中壩村5組普舍寨、鴨塘村7～12組青虎寨、清新村4組新寨、萬潮鎮清江組村寨、清新村1～3組廉刀灣寨、三江村寨位于水源地準保護區及二級保護區，生活污水直排污染較為嚴重，成為保護區內重要的污染源，村寨生活垃圾收集設施與清運制度還不夠完善與健全。因此，加強凱里市飲用水源地生態環境保育與修復刻不容緩，應從技術、補償、教育及管理諸方面科學統籌決策，逐步降低飲用水源地保護區生態健康面臨的風險與壓力。

3.3 凱里市飲用水源地生態環境脆弱性排序

對凱里市普舍寨與金泉湖飲用水源地生態環境脆弱性進行診斷，為精確比較兩大飲用水源地脆弱性發展狀態奠定了基礎。針對處于中度脆弱性狀態的兩大飲用水源地無法直接比較其生態環境優劣的狀況，特將歐式貼近度與模糊物元理論[24]相融合，通過對飲用水源地生態環境進行脆弱性進行排序，能夠實現用數值直觀、精確的表征飲用水源地生態環境發展狀態目標。首先，通過對具體指標進行從優隸屬度[25]測算，得到凱里市飲用水源地生態環境脆弱性的目標優屬度模糊物元矩陣與復合模糊物元矩陣；其次，根據綜合權重法[26]測算飲用水源地生態環境脆弱性具體指標變異系數權重；最后，運用模糊物元矩陣和綜合權重法，測算兩大飲用水源地生態環境脆弱性歐式貼近度。排序結果如(7)式所示。

(7)

式中：PH表示飲用水源地生態環境歐式貼近度。PH值越大，說明水源地態環境發展狀態與最優值區域越接近，質量越優；反之相反。

根據上述測算的歐式貼近度對凱里市兩大飲用水源地生態環境脆弱性進行優差排序：普舍寨飲用水源地較優，金泉湖飲用水源地次之。但飲用水源地生態健康與環境保護仍存在重要問題，進行脆弱性調控與生態環境保育刻不容緩。

4 結 語

本文在構建巖溶山區城市飲用水源地生態環境脆弱性評價指標體系的基礎上，運用模糊綜合評判模型與ENVI4.8和ArcGIS10.2軟件，對貴州省凱里市普舍寨與金泉湖飲用水源地生態環境脆弱性進行了診斷、分析與評價，得出以下結論。

(1)飲用水源地生態環境均處于中度脆弱狀態。其中，中度脆弱區面積最大，占總面積的48.97%；輕度脆弱區面積次之，占比為37.49%；高度脆弱區與極端脆弱區面積較小，分別為2.47%與3.43%，生態環境問題較為嚴重。

(2)飲用水源地準保護區植被覆蓋率較低，不合理的農業與服務業生產活動較為集中，水源污染功能團是影響生態環境脆弱性的重要因素，地表擾動功能團次之。

(3)飲用水源地生態環境歐式貼近度分別為0.330 7、0.121 8，普舍寨飲用水源地生態環境發展狀態略優于金泉湖飲用水源地。

針對研究結論，特提出巖溶山區城市飲用水源地保育對策。飲用水源地生態環境保護與修復，應堅持統籌規劃原則與依法治理原則，將土地利用優化、生態補償、教育補償及科學管理相結合，構建巖溶山區農林生態復合系統；開發巖溶山區水源地涵養功能恢復的生態技術與工程技術；建立大學生志愿者服務制度，加強水源地公眾環境教育工作。

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