寧理科，劉海隆，包安明

（1.石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子832003；2.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊830011）

水資源系統脆弱性研究是開展流域水資源規(guī)劃和管理的基礎，已成為應對氣候變化、保障水資源安全重點關注的問題［1］。從國內外對水資源系統脆弱性的研究內容來看，大多數研究集中在氣候變化對水資源脆弱性的影響上，如王國慶等［2］研究了我國淡水資源在氣候變化情景下的脆弱性；唐國平等［3］提出了構建了全球變化下水資源脆弱性的評估方法；D?ll［4］從人為和自然兩個系統入手研究了氣候變化下地下水資源的脆弱性；Farley等［5］考慮政策影響研究了氣候變化下供水系統脆弱性的影響。另外，Hamouda等［6］將脆弱性作為系統屬性分別從社會經濟、基礎設施、生態(tài)等角度研究了水資源系統脆弱性。但是這些研究很少考慮水資源供給、需求和管理等諸多因素，因此，對水系統脆弱性的形成過程與機理研究不夠，尤其是對于內陸河流域這樣缺水嚴重的地區(qū)，難以解釋水資源系統脆弱性的本質，無法滿足水資源優(yōu)化配置和高效利用的需要。

在由來水—供水—用水—耗水—排水形成的內陸河流域水系統中，來水和耗水發(fā)生大幅變化時，平衡的供水—用水系統很容易被徹底傾覆，造成重大損失。研究表明，我國西北干旱區(qū)多個省區(qū)的水資源脆弱性將進一步加?。?］，而減小水資源系統脆弱性是應對未來變化的第一步［7］。因此，研究干旱區(qū)內陸河流域水資源系統脆弱性是十分必要的。

此外，水資源系統脆弱性的定義尚不統一［8］，如秦大河等［9］從氣候變化和人類活動影響的角度出發(fā)，認為水資源系統脆弱性是氣候變化對水資源可能造成損害的程度；Liu［10］則認為水資源系統脆弱性應該由水資源對氣候變化的敏感性來反映；劉綠柳［11］從地下水脆弱性引申，認為水資源系統脆弱性是水資源系統易遭受人類活動、自然災害威脅和損失的性質和狀態(tài)，受損后難于恢復到原來狀態(tài)和功能的性質。

Luers［12］認為脆弱性評估之前需要明確脆弱性的概念。陳亞寧等［13］指出干旱區(qū)內陸河流域水問題研究的重點是山區(qū)來水與流域內生活、生產與生態(tài)需水的內在聯系以及流域水系統中供需水依賴關系。因此，筆者認為干旱區(qū)內陸河流域水資源系統脆弱性是指以供需水為核心的水資源系統在發(fā)展過程中，受到不同的自然、社會系統的內在特征、資源條件和法規(guī)體系影響，維持自身穩(wěn)定性的能力。干旱區(qū)內陸河流域水資源系統脆弱性以供需水為核心進行定義，當供需水的各個方面在系統內在特征變化和法規(guī)體系的影響下，系統不能維持正常的供需水關系時，脆弱性就會以農業(yè)災害、土壤退化、生態(tài)惡化等不良后果的形式表現出來。其次，脆弱性是干旱區(qū)內陸河流域水資源系統的固有屬性，隨系統的變化而變化，是動態(tài)的，具有時間尺度，并且脆弱性在干旱區(qū)內陸河流域隨區(qū)域位置發(fā)生變化，具有空間尺度。最后，干旱區(qū)內陸河流域水資源系統脆弱性存在一個閾值，當超過該閾值時，系統遭到破壞，可能轉化為另外一種系統，并且該轉化在短時間內具有不可逆性。

本文擬選擇典型的干旱區(qū)內陸河流域塔里木河流域為研究對象，結合干旱區(qū)內陸河流域水資源系統的特點，提出定量表達干旱區(qū)水資源系統脆弱性的方法，并構建合理的指標體系，展開流域水資源系統脆弱性定量評估。

1 研究區(qū)概況及數據來源

塔里木河流域是一個封閉的內陸水循環(huán)和水均衡的水文區(qū)域，自西向東繞塔克拉瑪干大沙漠，貫穿地處天山山脈南側和昆侖山北麓的塔里木盆地。流域內分布有五地州42個縣市，包括新疆生產建設兵團4個師的55個團場，流域面積1.02×106km2（包括沙漠面積）。流域多年平均地表水天然徑流量3.98×108m3，其中冰川融水量占出山口徑流量的40%左右［14］，綠洲耗水量約為2.21×108m3［15］。徑流年內分配不均，6—9月來水量在全年徑流量中的比重超過70%。并且干流來水量約以8×108～1.0×109m3／年 減少，源流區(qū)耗水量約以 5.5×107m3／年增加［16］。同時，研究區(qū)內各縣市水資源分布不均，人口密度空間分布差異較大，經濟發(fā)展不平衡，水資源開發(fā)利用率已突破西北干旱區(qū)70%的合理開發(fā)利用率，高達79%［17］。

本文以塔里木河流域縣域為基本研究單元，開展干旱區(qū)內陸河流域水資源系統脆弱性的定量評價研究。數據來源于2011年巴音郭楞蒙古自治州統計年鑒、和田地區(qū)統計年鑒、阿克蘇地區(qū)統計年鑒和喀什地區(qū)統計年鑒，考慮到數據的的一致性，本文選擇塔里木河流域30個縣市作為研究對象，

2 研究方法

2.1 水資源脆弱性指數

本文針對干旱區(qū)內陸河流域水循環(huán)過程的特點，根據干旱區(qū)內陸河流域水資源系統脆弱性的概念和內涵，提出一個表示區(qū)域水資源系統脆弱性的綜合指標——水資源脆弱性指數。該指標由供水脆弱性和需水脆弱性組成，即反映水資源系統本身脆弱性和用水者附加脆弱性。依據多準則分析方法，水資源系統脆弱性指數（WSVI）由供水脆弱性（SDWV）和需水脆弱性（DDWV）綜合而成：

式（1）中供水脆弱性和需水脆弱性指數采用綜合指數加權求和模型求得：

式中：C——選擇的計算指標；r——相應指標的權重。計算過程中可能采用的指標主要從流域供需水角度考慮，供水主要包括正常水資源、極端事件供水以及水存儲，需水脆弱性主要包括生活用水、工業(yè)、農業(yè)和生態(tài)蓄水等，最終根據研究區(qū)的情況及專家意見和數據的可用性對指標進行選取、確定。本文中α，β均取為0.5。

2.2 指標選擇及權重確定

根據數據可用性和專家意見，最終確定9個指標進行2010年研究區(qū)水資源系統脆弱性的計算。為消除國土面積大小和人口多少的差別，本文部分指標采用人均量以便比較（表1）。其中灌溉面積百分比表示有效灌溉面積與國土面積的比值；森林覆蓋率表示森林面積與國土面積的比值，森林覆蓋率越大，表示生態(tài)需水量越多。人均農業(yè)生產總值和人均工業(yè)成產總值作為經濟指標，反映經濟發(fā)展水平，經濟發(fā)展水平越高，水資源的消耗越大。本文中由于缺少詳細的地下水數據，因此假設各縣的地下水開采均在可開采范圍之內，并采用機電井裝機容量代表地下水開采量。

表1 最終確定水資源系統脆弱性指標及數據來源

指標權重反映各指標對水資源系統脆弱性的影響程度。本文中各指標權重采用層次分析法（AHP）確定，該方法已被廣泛用于脆弱性以及區(qū)域水資源系統評價理論中權重確定［18－20］。具體計算方法見文獻［21］。經計算得到各指標的權重（見表2），且均通過一致性檢驗。

由于各個指標量級和量綱不一致，因此本文引入模糊數學的中的隸屬函數概念進行無量綱化：

式中：F——無量綱編碼；xi——指標取值（i＝1，2，…，n）；（x1：xn）——指標的平均值。

表2 各水資源系統脆弱性指標權重

3 結果與分析

3.1 供需水脆弱性分析

根據多準則分析方法，按照式（2）分別計算研究區(qū)各縣域供水脆弱性指數和需水脆弱性指數（如圖1所示）。圖1中供、需水脆弱性均隨脆弱性指數增大而加劇。

相關分析表明，供、需水脆弱性指數的相關系數為0.20，顯著性水平為0.281，說明二者之間并不存在明顯的相關關系。

圖1 2010年研究區(qū)供需水源脆弱性指數

就供水脆弱性而言，研究區(qū)內30個縣域差異較為明顯，存在4個較大值，分別為若羌縣（0.74）、且末縣（0.79）、柯坪縣（0.71）和民豐縣（0.79），比研究區(qū)供水脆弱性指數均值高出51%以上，說明這4個縣域水資源系統本身比較脆弱。另外，庫爾勒市、阿克蘇市、莎車縣和和田縣供水脆弱性指數較小，分別為0.27，0.32，0.32和0.27，約為研究區(qū)供水脆弱性指數均值的41%～49%，說明這4個縣域供水脆弱性較為穩(wěn)定。這一方面由縣域的地理位置和氣候條件決定，如若羌縣、且末縣和民豐縣均有區(qū)域位于塔克拉瑪干大沙漠，氣候干燥，降水稀少。另一方面是由于這4個縣域缺乏相應的蓄水工程，僅民豐縣有小一型水庫1座，無法對河道來水進行合理的調節(jié)。

相對于供水脆弱性，研究區(qū)內大部分縣域的需水脆弱性指數高于供水脆弱性指數，這說明研究區(qū)內需水導致的脆弱性普遍較高，同時也說明研究區(qū)內用水者附加的脆弱性大于水資源系統本身的脆弱性。與供水脆弱性相同的是，若羌縣、且末縣、柯坪縣和民豐縣4個縣域的需水脆弱性也較大，分別為0.72，0.73，0.78和0.82；此外，和田縣、墨玉縣、皮山縣、策勒縣和于田縣5個縣域的需水脆弱性指數分別為0.81，0.80，0.83，0.82和0.81，比研究區(qū)需水脆弱性指數均值高出10%～27%。

綜上所述，研究區(qū)30個縣域供、需水脆弱性差異較為明顯，有9個縣域供水脆弱性指數較大，其中若羌縣、且末縣、柯坪縣和民豐縣4個縣域需水脆弱性指數也較大，說明這4個縣域水資源形勢相對其他縣域較為嚴峻；并且有大部分縣域需水脆弱性指數大于供水脆弱性指數，說明用水者附加的脆弱性大于水資源系統本身的脆弱性。

3.2 水資源脆弱性組成及其分析

水資源系統脆弱性指數由供水脆弱性指數和需水脆弱性指數兩部分構成，按照式（1）可求得研究區(qū)各縣域水資源系統脆弱性指數。研究區(qū)各縣域的水資源系統脆弱性指數構成如圖2所示。

由圖2可知，研究區(qū)各縣水資源系統脆弱性指數變幅較大，脆弱性指數最大值（民豐縣，0.81）約是最小值（庫爾勒市，0.27）的3倍；并且供需水矛盾較為突出，有27個縣域需、供水脆弱性比大于1，約占研究區(qū)的90%。

圖2 研究區(qū)水資源脆弱性指數及其構成

同時，鑒于“自然間斷點分類法”可使各類之間差異最大化，對相似值進行最恰當的分組，故本文采用該方法將水資源脆弱性指數計算結果分為5類，并將各類分別定義為不脆弱（0.48以下），微脆弱（0.48～0.55），中脆弱（0.55～0.60），強脆弱（0.60～0.68）和極脆弱（0.68～0.81）。其中，庫爾勒市、阿克蘇市、疏勒縣、莎車縣、伽師縣和和田市分別為0.36，0.48，0.48，0.47，0.48和0.48，為不脆弱區(qū)，但這5個縣域除疏勒縣外供、需水脆弱性相差較大，需水脆弱性指數與供水脆弱性指數之比分別為1.67，1.44，1.96，1.56和1.81，說明不脆弱區(qū)除疏勒縣外的其他縣域存在較為明顯的供需水矛盾。另外，中脆弱區(qū)和強脆弱區(qū)的若干縣域，如葉城縣、墨玉縣、皮山縣、策勒縣和于田縣，供需水矛盾同樣尖銳，需、供水脆弱性比分別為1.52，2.05，2.17，2.28和1.76。如果不采取恰當的措施減緩供需矛盾，隨著區(qū)域的發(fā)展和需水量的增加，以上縣域水資源供需矛盾將進一步加劇，水資源系統脆弱性可能會逐漸升級，逐步演變?yōu)閺姶嗳鯀^(qū)甚至極脆弱區(qū)。

若羌、且末、柯坪和民豐4縣水資源脆弱性指數分別為0.68，0.76，0.75和0.81，屬于極脆弱區(qū)域，盡管供需較為均衡，需、供水脆弱性比分別為0.96，0.93，1.10，1.04，同時由前分析可知，這4個縣域供水脆弱性指數和需水脆弱性指數均較大，說明水資源問題比較嚴重，需要通過修建水利工程措施、調整用水結構等措施降低水資源系統的脆弱性，以防止水資源系統脆弱性進一步加劇。

綜上所述，研究區(qū)30個縣域水資源系統脆弱性差異較為明顯，構成各不相同，但基本上都是有高的需水脆弱性指數和較低的供水脆弱性指數組成，都存在供需不和諧的現象，供需水矛盾可能是造成研究區(qū)水資源系統脆弱性的重要原因。

3.3 水資源系統脆弱性評價

為分析研究區(qū)水資源系統脆弱性的空間分布，通過ArcGIS軟件對研究區(qū)30個縣域的水資源系統脆弱性進行空間分析，以更加清晰地比較研究區(qū)不同縣域水資源系統脆弱性之間的差異（如附圖13所示）。

附圖13表明，2010年研究區(qū)內只有6個縣市表現為不脆弱，占研究區(qū)的20%，有4個縣市為極脆弱，大約為13%，其他3類縣市有20個，占研究區(qū)的67%，呈現“兩頭小，中間大”的特征，即不脆弱和極脆弱兩個極端類別所占比例較小，中間3類所占比例較大，說明研究區(qū)水資源脆弱性表現較為明顯。

從水資源系統脆弱性指數的空間分布來看，研究區(qū)東北部、阿爾金山北部4個縣水資源脆弱性較大，研究區(qū)北部、天山南坡各縣水資源脆弱性較小，研究區(qū)西南部、昆侖山北側水資源脆弱性變化較大，但總體脆弱性較小。即研究區(qū)“NE—WS”對角線大部分縣域上水資源脆弱性較小，“NW—ES”對角線上柯坪縣、阿瓦提縣、民豐縣、且末縣和若羌縣水資源較為脆弱。從流域尺度來說，塔里木河中下游區(qū)域，水資源脆弱性較大，源流區(qū)水資源脆弱性較小，與實際情況較為吻合，說明本研究提出的方法和選擇的指標體系具有較高的可信度。究其原因，一方面是由于“NE—WS”對角線分別匯集了天山水系和昆侖山水系的水，分布著塔里木河的4個源頭，即和田河、葉爾羌河、阿克蘇河以及開孔河水系，水資源條件較好。另一方面“NE—WS”對角線是塔里木河流域人口和經濟重心［22］，社會經濟結構較為完善，工業(yè)化水平較高，水資源利用率高。

4 結論

（1）干旱區(qū)內陸河流域水資源系統脆弱性是指以供需水為核心的水資源系統在發(fā)展過程中，受到不同的自然、社會系統的內在特征、資源條件和法規(guī)體系影響，維持自身穩(wěn)定性的能力，并且脆弱性是干旱區(qū)內陸河流域水資源系統的固有屬性，具有動態(tài)性、尺度性特點，而且具有閾值。

（2）對研究區(qū)各縣域供、需水脆弱性指數和水資源系統脆弱性的分析結果表明，研究區(qū)內約有90%的縣域需水脆弱性高于供水脆弱性，即需、供水脆弱性指數比大于1，并且有30%的縣域需水脆弱性較為明顯，同時，研究區(qū)內30個縣市水資源系統脆弱性差異較大，80%的縣市水資源系統較為脆弱，說明研究區(qū)內水資源脆弱性較大，并且水資源系統供需矛盾較為突出，這可能是造成研究區(qū)水資源系統脆弱的主要原因。

（3）結合ArcGIS軟件平臺對研究區(qū)內30個縣市的水資源系統脆弱性進行空間分析，結果表明，研究區(qū)內水資源系統脆弱性分布呈現“兩頭小，中間大”的特征，即不脆弱區(qū)域和極脆弱區(qū)域所占比例較小，弱脆弱、中等脆弱和強脆弱區(qū)域所占比例較大，說明研究區(qū)內水資源系統脆弱性表現較為明顯；研究區(qū)內脆弱性縣域主要分布在“NW—ES”對角線上，整體的空間分布與實際情況較為吻合，說明結果較為合理。

本文結合干旱區(qū)水資源特點，提出干旱區(qū)水資源系統脆弱性的概念，并提出相應的計算方法以塔里木河流域為例進行定量評估，對干旱區(qū)內陸河流域水資源評價和水資源管理具有一定的應用價值和指導意義。

［1］ 夏軍，劉春蓁，任國玉.氣候變化對我國水資源影響研究面臨的機遇與挑戰(zhàn)［J］.地球科學進展，2011，26（1）：1-12.

［2］ 王國慶，張建云，章四龍.全球氣候變化對中國淡水資源及其脆弱性影響研究綜述［J］.水資源與水工程學報，2005（2）：7-10.

［3］ 唐國平，李秀彬，劉燕華.全球氣候變化下水資源脆弱性及其評估方法［J］.地球科學進展，2000，15（3）：313-317.

［4］ D?ll P.Vulnerability to the impact of climate change on renewable groundwater resources：A global-scale assessment［J］.Environmental Research Letters，2009，4（3）：035006.

［5］ Farley K A，Tague C，Grent G E.Vulnerability of water supply from the Oregon Cascades to changing climate：Linking science to users and policy［J］.Global Environmental Change：Human and Policy Dimensions，2011，21（1）：110-122.

［6］ Hamouda M A，El-din M M N，Moursy F I.Vulnerability assessment of water resources systems in the Eastern Nile Basin［J］. Water Resources Management，2009，23（13）：2697-2725.

［7］ Oki T，Kanae S.Global hydrological cycles and world water resources［J］.Science，2006，313（5790）：1068-1072.

［8］ 于翠松.環(huán)境脆弱性研究進展綜述［J］.水電能源科學，2007，25（4）：23-27.

［9］ 秦大河，陳宜瑜，李學勇.中國氣候與環(huán)境演變（下卷）：氣候與環(huán)境變化的影響與適應，減緩對策［M］.北京：科學出版社，2005.

［10］ Liu C.The vulnerability of water resources in Northwest China［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2003，25（3）：309-314.

［11］ 劉綠柳.水資源脆弱性及其定量評價［J］.水土保持通報，2002，22（2）：41-44.

［12］ Luers A L.The surface of vulnerability：an analytical framework for examining environmental change［J］.Global Environmental Change Part A，2005，15（3）：214-223.

［13］ 陳亞寧，楊青，羅毅，等.西北干旱區(qū)水資源問題研究思考［J］.干旱區(qū)地理，2012，35（1）：1-9.

［14］ 劉時銀，丁永建，張勇，等.塔里木河流域冰川變化及其對水資源影響［J］.地理學報，2006，61（5）：482-490.

［15］ 雷志棟，胡和平，楊詩秀，等.塔里木盆地綠洲耗水分析［J］.水利學報，2006，37（12）：1470-1475.

［16］ 雷志棟，甄寶龍，尚松浩，等.塔里木河干流水資源的形成及其利用問題［J］.中國科學：E輯，2003，33（5）473-480.

［17］ 王浩，秦大庸，王研，等.西北內陸干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境及其演變趨勢［J］.水利學報，2004（8）：8-14.

［18］ 張海濤，周勇，汪善勤，等.利用GIS和RS資料及層次分析法綜合評價江漢平原后湖地區(qū)耕地自然地力［J］.農業(yè)工程學報，2003（2）：219-223.

［19］ 李慧伶，王修貴，崔遠來，等.灌區(qū)運行狀況綜合評價的方法研究［J］.水科學進展，2006，17（4）：543-548.

［20］ 陳攀，李蘭，周文財.水資源脆弱性及評價方法國內外研究進展［J］.水資源保護，2011，27（5）：32-38.

［21］ 王為人，屠梅曾.基于層次分析法的流域水資源配置權重測算［J］.同濟大學學報：自然科學版，2005，33（8）：1133-1136.

［22］ 肖艷秋，楊德剛，唐宏，等.塔里木河流域人口—經濟分布不均衡特征分析［J］.干旱區(qū)地理，2012，35（2）：309-317.