巖溶區水資源利用綜合評價
——以貴州省為例

王亞維,曾曉林

(1.遵義市國土空間生態修復工程技術中心,貴州 遵義 563000;2.貴州省地質礦產勘查開發局 114地質大隊,貴州 遵義 563000;3.貴州省地礦局 第二工程勘察院有限公司,貴州 遵義 563000)

0 引 言

隨著人口、經濟的飛速增長以及氣候的變化,越來越多的地方出現了水資源匱乏、水環境惡化等一系列水資源問題,對國家和部分地區的水資源安全構成嚴重的威脅[1-5]。為實現水資源的可持續利用,保持社會經濟的可持續發展,對水資源問題的研究具有重大的現實意義。

目前,在水資源開發利用風險方面的研究主要集中在水量、水質以及水生態系統等方面。如吳澤宇[6]基于人工神經網絡模型,對某地區生態經濟區域的水量水質進行了綜合風險評價。王麗萍等[7]應用模糊-隨機模型,對水資源污染進行綜合風險評價,以此量化出富營養化水體的污染風險水平。秦寧等[8]探討了多環芳烴在水生態系統中存在的生態風險。事實上,水資源利用風險評價處在一個極其復雜的系統當中,影響因素眾多,僅用簡單的幾個指標難以反映出水資源利用風險的真實狀態。

因此,本文綜合考慮供水、社會、經濟、生態環境4個方面的水資源問題,對主要控制因素進行層次劃分,確立研究區地下水開發風險綜合評價指標體系,并基于突變理論,對所選取的指標數據進行歸一轉化處理,最后對貴州省水資源利用風險狀態進行評估。

1 水資源利用綜合風險評價指標體系

水資源利用風險狀態受多種因素的影響,針對研究區的用水特點,選擇合理的評價指標,是保證評價體系準確性最為重要的環節。本文綜合考慮國家標準、行業規范,結合相關領域研究成果,最后確定從研究區供水、社會、經濟和生態環境4個方面來評價水資源風險狀況,選取13項代表性影響因素作為指標層,構建水資源利用綜合風險評價指標體系,見圖1。

圖1 水資源利用綜合風險評價體系

2 評價方法

1969年,勒內·托姆率先提出了突變理論的概念。突變理論是研究事物突變現象的一種數學表達,是對不連續變化的突變現象進行表示,從而更好地控制事物發生突變,使事態向更好的方向發展[9-10]。其詳細評價步驟如下[11]。

2.1 突變模型

突變理論主要針對勢函數進行研究,根據勢函數對臨界點進行分類,由此得出各類臨界點附近非連續變化狀態的特征分布。勢函數中,表示系統行為狀態的稱為狀態變量;影響行為狀態的一個或多個因素稱控制變量。本研究主要運用4種突變模型,具體表達式見表1。

表1 突變模型類型及其表達式

表1中,f(x)表示狀態變量的勢函數;x為狀態變量;a、b、c、d為控制變量,表示影響行為狀態的一個或多個因素。

2.2 突變模型歸一化處理

歸一化是一種簡化計算的方法。可求出突變模糊隸屬度函數值,其變量的取值范圍在0～1之間。需要注意的是,隸屬度函數中變量均有主次之分,一般情況下將主控變量標定在前。一般通過歸一法簡化所得絕對值小于1,其歸一公式如下:

折疊突變型歸一方程:

尖點突變型歸一方程:

燕尾突變型歸一方程:

蝴蝶突變型歸一方程:

2.3 評價原則

根據問題的具體特征性質,評價過程可采用3種不同計算準則,見表2。

表2 突變模型評價原則

3 實例分析

3.1 研究區概況

貴州省地處我國西南部,為西南地區重要交通樞紐。其位于云貴高原,平均海拔1 100m左右,整體地勢西北高、東南低,地形起伏大。區內屬亞熱帶季風氣候,年平均溫度約16.2℃,年平均降水量約1 200mm。區域內碳酸鹽巖分布范圍廣,占國土面積的60%以上,巖溶發育特征明顯,巖溶發育類型復雜多樣。雖然區內降水豐富,但地表水與地下水相互補給、轉化、循環交替較為頻繁,強烈的巖溶作用使地表水漏失嚴重,區域水資源供需矛盾仍然突出。

3.2 數據來源

本文基礎數據主要來源于2008-2015年公開數據《貴州省水資源公報》[12]和《貴州省統計年鑒》[13],部分數據需要進行相應轉換得出。見表3。

表3 2008-2015年貴州省水資源利用風險評價影響指標數據

3.3 基于突變模型的水資源利用綜合風險評價

3.3.1 評價指標體系的建立

綜合考慮研究區水資源量變化、地下水開采狀況、生產生活用水狀況、水質的變化情況、生態用水、植被覆蓋狀況以及人口密度、人均用水量等因素,得到地下水資源開發利用風險評價指標體系表。見表4。

表4 貴州省水資源利用綜合風險評價指標體系

3.3.2 指標的轉換

水資源利用風險評價中選取的指標有正負向之分,即積極影響和消極影響之分。鑒于此,需要考慮各指標的含義及其對整個指標體系的貢獻,在突變模型求解綜合評價結果前,必須進行數據轉換處理,將所得指標通過歸一化轉化為0～1的統一隸屬度函數。指標轉換公式如下:

對越大越優的指標:

對越小越優的指標:

對適中指標:

式中:a1、a2為函數的上、下界,可由實際情況估算而來。當實際情況不明確時,函數的上、下界可通過各指標最大、最小值10%的增減值計算[14]。

據此得出研究區2008-2015年水資源利用風險評價指標數值轉換結果,見表5。

表5 貴州省2008-2015年水資源利用風險評價指標轉換值

3.3.3 突變級數的計算

利用各突變級數轉化公式,且根據風險評價指標體系,通過逐級計算評價,得到各指標突變級數大小,見表6。

表6 貴州省2008-2015年水資源利用風險評價指標突變級數及綜合評價結果

本文借鑒青春炳、潘華盛等[15-16]學者的風險等級劃分標準,對貴州省水資源利用風險狀態等級進行劃分,劃分標準見表7。

表7 水資源安全風險狀態等級劃分標準

結合風險評價指標突變級數計算結果,可以得到貴州省2008-2015年水資源利用風險狀態值及變化趨勢,見圖2、圖3。

圖2 水資源利用準則層年際風險值

圖3 貴州省2008-2015年水資源利用風險值變化趨勢

分析表明,貴州省2008-2015年水資源利用狀態綜合風險值在0.777 8～0.950 8之間。根據風險狀態等級劃分標準,研究區內水資源利用綜合風險等級屬于中險～特險,且年份風險值由高到低排序為2009>2010>2008>2011>2013>2012>2015>2014。具體分析如下:

2008-2010年,水資源利用狀態綜合風險值均大于0.9,總體處于較高水平,其中供水安全和經濟安全風險值明顯高于其它年份。通過查閱水資源公報等相關資料可知,這幾年間降雨量大幅減少,區域內多地發生洪澇、干旱災害,水資源量蒸發嚴重。特別是2010年,區內遭遇百年一遇的干旱,致使多地無水可飲,嚴重影響了人們的生產、生活。

2011-2015年間,水資源利用狀態風險等級出現了明顯的下降,其中變化較為明顯的是經濟安全準則下的“萬元GDP用水量”指標,與2010年相比,至2015年下降51.14%。此外,2010-2015年間生態環境安全準則下的“水功能區水質達標率”提升近5倍之多,這主要歸功于近年來貴州在發展思路上的轉變。需要引起重視的是,水資源社會安全風險等級一直處于較高水平,其原因主要是人均用水量居高不下所致。

4 結 論

1)本文從水資源的供水、社會、經濟和生態環境4個方面考慮,分析選取了影響水資源利用風險評價的13項特征評價指標,構建了水資源利用綜合風險評價指標體系;并基于突變理論,建立了能夠客觀反映多因素決策特征的水資源利用綜合風險評價模型。

2)結果表明,貴州省2008-2015年水資源利用綜合風險值在0.777 8～0.950 8之間,水資源利用風險狀態屬于中險～特險,風險值由高到低排序為2009>2010>2008>2011>2013>2012>2015>2014。由綜合風險值趨勢線可知,風險值總體呈逐年下降的趨勢,表明貴州省近幾年水資源利用狀態正朝著好的方向發展。該評價結果與實際情況相符,表明采用突變評價法對水資源安全綜合評價是合理、有效的。