楊振華,周秋文,郭 躍,蘇維詞,4*,張鳳太

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基于SPA-MC模型的巖溶地區(qū)水資源安全動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)——以貴陽(yáng)市為例

楊振華1,周秋文2,郭 躍3,蘇維詞3,4*,張鳳太5

(1.貴州師范大學(xué)喀斯特研究院,貴州貴陽(yáng) 550001；2.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院,貴州貴陽(yáng)550001；3.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院,重慶 400047；4.貴州科學(xué)院山地資源研究所,貴州貴陽(yáng)550001；5.貴州師范學(xué)院資源環(huán)境與災(zāi)害研究所,貴州貴陽(yáng) 550003)

為合理評(píng)價(jià)巖溶地區(qū)水資源安全態(tài)勢(shì),基于PESBR概念模型構(gòu)建涵蓋巖溶地區(qū)工程性缺水特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并采用SPA-MC(集對(duì)分析--馬爾科夫鏈)耦合模型對(duì)2002~2014年貴陽(yáng)市水資源安全狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià).研究表明:貴陽(yáng)市水資源安全除2008、2012、2014年屬“較安全”等級(jí)外,其余年份為“臨界安全”等級(jí),受“安全”等級(jí)隸屬度1和累計(jì)等級(jí)聯(lián)系度2逐漸上升的影響,貴陽(yáng)市水資源安全等級(jí)逐漸向“較安全”的趨勢(shì)轉(zhuǎn)變;依據(jù)貴陽(yáng)市2015~2050年水資源安全預(yù)測(cè)結(jié)果可知,貴陽(yáng)市未來(lái)水資源安全將長(zhǎng)期處于“較安全”狀態(tài),其中,“安全”等級(jí)隸屬度1在2015~2050年期間從0.365持續(xù)上升至0.435,而“不安全”等級(jí)5則由0.194下降至0.138,年均下降率達(dá)1.93%;實(shí)例證明SPA-MC耦合模型對(duì)水資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果合理、客觀.

SPA-MC；巖溶；水資源安全；動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

巖溶地區(qū)是一個(gè)由雙重含水介質(zhì)組成的“二元三維”空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng),具有特殊的地貌-水文結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)過(guò)程,地表儲(chǔ)水能力差,可利用、便于利用的水資源相對(duì)有限[1-3].同時(shí),由于城市人口不斷增長(zhǎng),工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展,大量生活、生產(chǎn)污水的排放,嚴(yán)重破壞水環(huán)境質(zhì)量,加劇區(qū)域用水困難,導(dǎo)致水資源成為許多巖溶地區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要制約因素,水資源安全問(wèn)題也逐漸成為巖溶水資源研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[4-6].因此,構(gòu)建科學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,運(yùn)用合適的巖溶地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)模型,開展巖溶地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)研究,對(duì)制定巖溶地區(qū)城市水資源安全利用規(guī)劃、保障城市水資源安全尤為重要.

目前,關(guān)于水資源安全評(píng)價(jià)的研究成果主要集中在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建、評(píng)價(jià)模型設(shè)計(jì)和選取等方面,如從RSR、DPSIR、DPSIRM概念模型的角度構(gòu)建指標(biāo)體系[7-9],選取WEAP模型[10]、CN-AM模型[11]、投影尋蹤模型[12]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[13]、SPA模型[14]、支持向量機(jī)[15]、聚類分析法[16]等眾多評(píng)價(jià)模型、方法應(yīng)用于水資源安全評(píng)價(jià)中,而這些模型、方法在巖溶地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)中也取得了一定的研究進(jìn)展,如張鳳太等構(gòu)建熵權(quán)集對(duì)耦合評(píng)價(jià)模型對(duì)貴州省水資源安全進(jìn)行整體評(píng)價(jià)[17];鄒勝章等提出巖溶地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)應(yīng)涵蓋水量、水質(zhì)、水資源利用以及水災(zāi)害防治等內(nèi)容[18];段琪彩等結(jié)合巖溶地形地貌,水循環(huán)時(shí)空特征和人口經(jīng)濟(jì)狀況分析出水資源安全的影響因素[19];不難看出,已有的巖溶地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)研究多是直接借鑒了傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,使所選取的指標(biāo)體系不能體現(xiàn)巖溶地區(qū)工程性缺水特性,更不能突顯巖溶水資源利用特征,導(dǎo)致其評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性也有待商榷.另外,受評(píng)價(jià)模型的限制,其評(píng)價(jià)過(guò)程多注重歷年水資源安全狀態(tài)而忽略各影響因素的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,對(duì)歷年數(shù)據(jù)的線性趨勢(shì)分析不能突出水資源安全的變化特征,對(duì)水資源安全的預(yù)測(cè)研究也比較薄弱.

模糊集對(duì)與馬爾科夫鏈的耦合評(píng)價(jià)模型(SPA-MC)是利用集對(duì)聯(lián)系度衡量水資源安全系統(tǒng)內(nèi)的確定性與不確定性,然后,對(duì)聯(lián)系度的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律來(lái)預(yù)測(cè)各序列狀態(tài)的變化趨勢(shì),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源安全的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè).其中,模糊集對(duì)分析(SPA)將水資源安全系統(tǒng)因素的不確定性和確定性作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合考察[20-21].馬爾科夫鏈(MC)主要通過(guò)研究各水資源安全狀態(tài)的初始概率及各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率,來(lái)預(yù)測(cè)各序列狀態(tài)的變化趨勢(shì),具有對(duì)于短期水資源安全水平預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)[22].

基于此,本文根據(jù)巖溶地區(qū)“三水”資源轉(zhuǎn)化迅速, “工程性”缺水顯著、工農(nóng)業(yè)用水效率低下等水資源系統(tǒng)特征,依照PSR模型原理,構(gòu)建基于PESBR概念模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用SPA-MC模型動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)貴陽(yáng)市2002~2014年水資源安全狀況,并預(yù)測(cè)其2015~2050年變化趨勢(shì),為協(xié)調(diào)巖溶地區(qū)水資源可持續(xù)利用與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)支撐和決策依據(jù).

1 水資源安全評(píng)價(jià)模型

本文依據(jù)水資源安全的內(nèi)涵,巖溶地區(qū)水資源供需利用特征,設(shè)計(jì)出水資源安全PESBR概念模型(圖1).其中, “工程性”缺水(E)主要表現(xiàn)在水資源獲取基礎(chǔ)性條件,保障城鎮(zhèn)用水的主要水庫(kù)蓄水率和滿足農(nóng)田用水的有效灌溉面積比等3方面(表1).相比于非巖溶地區(qū),巖溶地區(qū)地表產(chǎn)流系數(shù)較低,地表、地下水漏失嚴(yán)重,地形起伏度大,導(dǎo)致水資源獲取條件差,其獲取方式以高差提水和長(zhǎng)距離引水為主,供水成本高;巖溶地質(zhì)、地貌復(fù)雜,地層不穩(wěn)定性高,水利設(shè)施建設(shè)難度大,工程滲漏問(wèn)題嚴(yán)重,蓄水工程的蓄水率低,城市化進(jìn)程中水源保障能力有限;巖溶地區(qū)耕地保水能力弱,農(nóng)田有效灌溉絕大部分需農(nóng)業(yè)水利工程的支持,故用有效灌溉面積代表代表農(nóng)田水利工程的完善程度,可突顯“工程性”缺水對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響.

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)PESBR概念模型內(nèi)涵,建立涵蓋需水壓力(P)、工程性缺水(E)、承載狀態(tài)(S)、生態(tài)基礎(chǔ)(B)、人為響應(yīng)(R)等5個(gè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則27個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的巖溶地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.根據(jù)指標(biāo)屬性分成正向型與負(fù)向型指標(biāo)(表1),對(duì)不同屬性指標(biāo)分別進(jìn)行賦權(quán)評(píng)價(jià).

表1 巖溶地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及釋義

注 :X＋/－(=1,2,…,27)中的“＋/－”代表該項(xiàng)指標(biāo)屬性為正向性/負(fù)向性,“(-)”代表該指標(biāo)無(wú)量綱.

1.2 指標(biāo)賦權(quán)

在構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上,融合AHP法與變異系數(shù)法[26]對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行組合賦權(quán),實(shí)現(xiàn)主觀偏好與客觀相關(guān)的結(jié)合權(quán)重[27],其值見表1.

1.3 指標(biāo)分級(jí)

考慮到巖溶地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性和“三水”轉(zhuǎn)化規(guī)律性,參照已有水資源安全標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)文獻(xiàn)[7-9,13-16],結(jié)合有關(guān)水資源安全指標(biāo)臨界值以及國(guó)內(nèi)外政府頒布的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)劃目標(biāo),并根據(jù)專家意見將安全標(biāo)準(zhǔn)做出適當(dāng)調(diào)整,將水資源安全評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為“安全、較安全、臨界安全、較不安全、不安全”5個(gè)等級(jí),并確定評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2).

表2 水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.4 評(píng)價(jià)模型

1.4.1 模糊集對(duì)分析 SPA理論將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與安全等級(jí)當(dāng)作一個(gè)集對(duì),根據(jù)指標(biāo)體系X和評(píng)價(jià)等級(jí)B構(gòu)造集對(duì),得到=5的多元聯(lián)系度[28],即:

令

則公式(1)變成:

(2)

對(duì)于負(fù)向性指標(biāo),指標(biāo)值x與該指標(biāo)級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度如下[28]:

(3)

對(duì)于正向性指標(biāo),指標(biāo)值x與該指標(biāo)級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度(x,B)如下:

根據(jù)參考文獻(xiàn)[28],本文采用置信度準(zhǔn)則來(lái)確定樣本的等級(jí).即:

(5)

式中:為置信度,其取值范圍一般建議為[0.5,0.7];h為樣本的元聯(lián)系度.

1.4.2 馬爾科夫鏈 設(shè)是一概率空間, {(),30}為定義在概率空間內(nèi)的整數(shù)隨機(jī)序列,若對(duì)于任意的31,當(dāng)1,2,…,t(其中1, <2<,…,<t)時(shí)刻,對(duì)應(yīng)()的觀測(cè)(1), C(2),…,C(t)滿足條件[29-30]:

((t)|(t-1),(t-2),…,(1))=((t)|(t-1)) (6)

則稱{(),30}為馬爾科夫鏈(Markov Chain).馬爾科夫鏈性質(zhì)表明:t時(shí)刻的{(),30}只與t-1時(shí)刻的數(shù)值有關(guān),有其他時(shí)刻的數(shù)值無(wú)關(guān),((t)|(t-1))即為t-1與t時(shí)段的轉(zhuǎn)移概率.設(shè)時(shí)間狀態(tài)集合=1,2,3,…,S,則將=((t)|(t-1))稱為轉(zhuǎn)移概率矩陣.

在[t,t+D]時(shí)段內(nèi),評(píng)估指標(biāo)的安全等級(jí)通常會(huì)因D不同而不同.由此,假設(shè)在t時(shí)刻有S個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的安全等級(jí)為非常安全,到t+D時(shí)有S1個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為非常安全等級(jí),有S2、S3、S4、S5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)分別轉(zhuǎn)變成安全、臨界安全、不安全和極不安全,且=1+2+3+4+5.故S個(gè)安全等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)在[t,t+D]周期內(nèi)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率向量為:

1=(11,12,13,14,15)=

式中:11+12+13+14+15=1,為[t,t+D]周期內(nèi)的各轉(zhuǎn)移方向的權(quán)重之和.同理,可以得到2、3、4、5對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移概率向量,進(jìn)而可得出評(píng)價(jià)指標(biāo)體系在[t,t+D]期間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣為:

(8)

通過(guò)上述SPA確定的安全等級(jí)聯(lián)系度和狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣,采用隸屬度的原理建立水資源安全評(píng)價(jià)模型,即[t,t+D]時(shí)期內(nèi),水資源安全評(píng)價(jià)值為:

~B(t+D)=(t+D)+(t+D)1+(t+D)2+(t+D)3+(t+D)=[(t),(t),(t),g(t),(t)]×

PD×(1,1,2,3,)(9)

式(9)中,(t)、(t)、(t)、(t)、(t)分別代表t時(shí)刻原始同一度、對(duì)立度分量集和差異度;PDt為D時(shí)段后的概率轉(zhuǎn)移矩陣;(1,1,2,3,)為同一度、對(duì)立度和差異度系數(shù).

由MC的遍歷性可知,轉(zhuǎn)移概率矩陣PDt符合A.N.柯爾莫哥洛夫方程[31],即隨著變化周期的遞增,PDt將趨于穩(wěn)定.因此,時(shí)刻的安全狀態(tài)評(píng)估值在經(jīng)過(guò)多個(gè)變化周期的轉(zhuǎn)移矩陣后,最終達(dá)到穩(wěn)定態(tài)勢(shì).同時(shí),考慮到聯(lián)系度歸一化的性質(zhì),則可由方程組(10)得到水資源安全評(píng)價(jià)穩(wěn)態(tài)值.

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)概況

貴陽(yáng)市地處云貴高原的東部,屬我國(guó)東部丘陵向西部高原過(guò)渡地帶.地形、地貌走勢(shì)大致呈東西向延展,南北高,中部低,地形起伏度大.巖溶地貌發(fā)育廣泛,高原山地、丘陵、盆地、河谷等地貌分布廣泛,海拔介于872~1659m之間.貴陽(yáng)市下轄六區(qū)一市三縣,總面積8034km2,市區(qū)面積2403km2.貴陽(yáng)市常年受西風(fēng)帶控制,屬于亞熱帶濕潤(rùn)溫和型氣候,并有明顯的高原季風(fēng)氣候特征,極端最高最低溫分別為32.5℃和-4.1℃,年平均氣溫為15.3℃,年平均相對(duì)濕度為78%,年平均降水量為1129.5mm,年徑流量45.2×108m3,徑流密度達(dá)12.4km/km2.

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《貴陽(yáng)市水資源公報(bào)》(2002~2014),《貴陽(yáng)市環(huán)境狀況公報(bào)》(2002~2014)以及《貴陽(yáng)市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《貴陽(yáng)年鑒》、《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》(2002~2014)等資料整理.部分指標(biāo)涉及其他數(shù)據(jù)來(lái)源簡(jiǎn)述如下:降水季節(jié)變異性采用貴陽(yáng)市國(guó)家氣象站點(diǎn)逐日數(shù)據(jù)中計(jì)算得到;地表徑流密度(13)來(lái)源于貴陽(yáng)市水系圖(1:50000)提取;巖溶石漠化率(20)一律采用國(guó)土部門提供的數(shù)據(jù),缺值年份通過(guò)該年度石漠化治理面積得到;另外,工業(yè)廢水達(dá)標(biāo)率(24)和生活污水處理率(26)最近兩年的數(shù)據(jù)根據(jù)以往年份的平均增長(zhǎng)率插值得到.

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

2.3.1 水資源安全評(píng)價(jià) 根據(jù)式(3~4)構(gòu)造水資源安全評(píng)價(jià)因子與評(píng)價(jià)等級(jí)集對(duì)分析集合,并作同一性(1)、差異性(2-4)、對(duì)立性(5)等聯(lián)系度分析,得到貴陽(yáng)市2002~2014年水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的聯(lián)系度,然后,將各指標(biāo)的聯(lián)系度與權(quán)重相結(jié)合,得到貴陽(yáng)市2002~2014年歷年水資源安全水平與評(píng)價(jià)等級(jí)的聯(lián)系度,取=0.5為界,3=1+2+3=0.55>,由置信度準(zhǔn)則[32]可以判斷2002年貴陽(yáng)市水資源安全為臨界安全等級(jí),同理,可以計(jì)算出2002~2014年貴陽(yáng)市水資源安全等級(jí)(表3).

由表3可知,貴陽(yáng)市2002~2014年水資源安全等級(jí)除了2005、2012、2014年為較安全外,其余年份均為臨界安全水平,歷年水資源安全水平變化較小,且呈現(xiàn)出波動(dòng)式上升的趨勢(shì),累計(jì)聯(lián)系度H和H與置信度的距離也有逐漸變小的趨勢(shì).這表明貴陽(yáng)市在供水能力和用水效率上有較大提升,這也是貴陽(yáng)市生態(tài)文明城市建設(shè)進(jìn)程中,水利設(shè)施不斷完善,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化,生態(tài)環(huán)境趨于良性循環(huán)的結(jié)果.結(jié)合圖2所示,2002~2008年、2008~2012年和2012~2014期間,分別以2004年、2010年和2013年為分界點(diǎn),H皆呈現(xiàn)出現(xiàn)出先上升后下降的過(guò)程,這與貴陽(yáng)市供水能力不足,人口聚集,經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,需水量大且密集的水資源利用特征相關(guān),如2009~2010年受西南大旱影響,水資源缺乏,導(dǎo)致2010年左右全市水資源安全降為臨界安全狀態(tài).

表3 貴陽(yáng)市2002~2014年水資源安全等級(jí)聯(lián)系度

2.3.2 水資源安全動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè) 水資源利用系統(tǒng)的不確定性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的年際差異性,導(dǎo)致水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的歷年變異系數(shù)值較高(Cv=0.235),屬于離散時(shí)間序列,符合馬爾科夫過(guò)程.文章在各指標(biāo)等級(jí)聯(lián)系度的基礎(chǔ)上,利用馬爾科夫鏈(MC)對(duì)貴陽(yáng)市2015~2020年水資源安全趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè).將貴陽(yáng)市2015~2020年水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)與權(quán)重相結(jié)合,計(jì)算出2002~ 2003、2003~2004、…、2013~2014等各時(shí)段的轉(zhuǎn)移向量,代入式(7)中得到2002~2014年水資源安全轉(zhuǎn)移概率矩陣的穩(wěn)態(tài)值(圖4).

由于Dt滿足C-K方程,即經(jīng)過(guò)多個(gè)D周期后,Dt趨于穩(wěn)定.根據(jù)馬爾科夫過(guò)程的遍歷性,代入式(10)可得到未來(lái)年份的貴陽(yáng)市水資源安全等級(jí)聯(lián)系度的預(yù)測(cè)值(表4)以及貴陽(yáng)市水資源安全的穩(wěn)態(tài)聯(lián)系度:(,)=[0.2006, 0.2001, 0.1999, 0.1998, 0.1995],處于臨界安全狀態(tài),與歷年貴陽(yáng)市的水資源安全系統(tǒng)的整體態(tài)勢(shì)吻合.另外,文章將2002~2010年作為水資源安全轉(zhuǎn)移概率矩陣模擬年份,2011~2014年為驗(yàn)證年份,從驗(yàn)證結(jié)果(表4)可以看出,多元聯(lián)系度的預(yù)測(cè)整體精度較高,平均相對(duì)誤差僅為0.069,故達(dá)到MC對(duì)貴陽(yáng)市未來(lái)年份的水資源安全狀態(tài)預(yù)測(cè)精度要求.

從表5可以看出,2015~2050年貴陽(yáng)市水資源安全等級(jí)將長(zhǎng)期處于較安全狀態(tài),呈臨界安全向較安全-安全的過(guò)渡趨勢(shì).123的等級(jí)聯(lián)系度整體上逐年上升,其中1從2015年的0.365上升至2050年的0.435,逐漸向置信度0.5靠近,說(shuō)明未來(lái)將有更多的水資源安全單一指標(biāo)向安全等級(jí)變化.將45的等級(jí)聯(lián)系度則持續(xù)下降,特別是5的等級(jí)聯(lián)系度下降0.056,下降率達(dá)28.86%,表明在人為因素的影響下,水資源安全單一指標(biāo)等級(jí)上升明顯.

表4 2011~2014貴陽(yáng)市水資源安全水平預(yù)測(cè)精度驗(yàn)證

表5 2015~2030年貴陽(yáng)市水資源安全預(yù)測(cè)值(MC)

2.3.3 驅(qū)動(dòng)因素分析 根據(jù)各個(gè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的加權(quán)等級(jí)聯(lián)系度,可識(shí)別出貴陽(yáng)市2002~2014年水資源安全等級(jí)主要驅(qū)動(dòng)因素類別.結(jié)合表3和圖5可知,貴陽(yáng)市2002~2014年水資源安全等級(jí)主要由P、E、S、B、R等因素類對(duì)123的加權(quán)等級(jí)聯(lián)系度決定,對(duì)高等級(jí)聯(lián)系度越高,水資源安全等級(jí)也越高,反之則越低.同時(shí),從2002年以來(lái),貴陽(yáng)市不安全、較不安全要素類越來(lái)越少,安全和較安全的要素類越來(lái)越多,特別是P、E、S、B、R等3個(gè)要素類逐漸從不安全、較不安全向較安全、臨界安全轉(zhuǎn)變.

通過(guò)分析貴陽(yáng)市2002~2014年水資源資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各個(gè)指標(biāo)的歷年變化特征,及其對(duì)水資源安全要素類的貢獻(xiàn)率,對(duì)各類水資源安全驅(qū)動(dòng)因素的主要因子簡(jiǎn)述如下:

(1)需水壓力(P)

從需水壓力(P)(圖5a)來(lái)看,2002~2003年、2008年、2010年、2013~2014年為較不安全等級(jí),其余年份為臨界安全等級(jí),呈波動(dòng)下降趨勢(shì),說(shuō)明在2002~2005年以前經(jīng)濟(jì)技術(shù)相對(duì)落后,萬(wàn)元GDP耗水量平均值達(dá)845m3/萬(wàn)元(圖6),而隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,新興低耗產(chǎn)業(yè)比重增加,萬(wàn)元GDP耗水量降至2014年的176m3/萬(wàn)元,但2011以來(lái)人口密度持續(xù)性增加至2014年的567人/km2,導(dǎo)致人均水資源量也由2002年的415m3逐步下降至2014年的232m3,生活用水比重以年均20.81%的增長(zhǎng)率上升,促使需水壓力(P)逐漸由臨界安全向較不安全轉(zhuǎn)化.從整體來(lái)說(shuō),貴陽(yáng)市面臨的需水壓力將會(huì)不斷加大,特別是在城市化水平進(jìn)程加快,居民生活用水量增加的背景下,城市供水壓力會(huì)持續(xù)上升.

(2)工程性缺水(E)

從工程性缺水(E)(圖5b)來(lái)看,2002~2006年、2011年為較不安全等級(jí),2007~2010年、2012~2013年為臨界安全等級(jí),2014年為較安全等級(jí),整體由較不安全向臨界安全轉(zhuǎn)變的態(tài)勢(shì).貴陽(yáng)市雖地處巖溶丘陵地帶,地表水資源調(diào)節(jié)能力弱,在“十二五”期間黔中水利骨干水源工程、引提灌溉工程和地下水開發(fā)利用工程建設(shè)以來(lái),城市供水缺口2010年將缺水18萬(wàn)t/d降至2013年的9~10萬(wàn)t/d.全市有效灌溉面積由2002年的46%提升至2014年的75%(圖7),農(nóng)田設(shè)施對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的滿足率不斷提高,使工程性缺水狀況得到一定的改善,但大中型水庫(kù)蓄水量受降水影響較大,如2011年降水量?jī)H783mm,距平值達(dá)246mm,導(dǎo)致大中型水庫(kù)蓄水量?jī)H有23.68億m3,年末蓄水率為50.27%,較歷年平均值少9億m3,該年份水資源安全等級(jí)降低,表明貴陽(yáng)市仍然屬于工程性缺水城市.提引水比重受地表蓄水量和地形特征的影響較大,一定程度表明貴陽(yáng)市用水的不便性,其平均值為33.1%,且變化特征不明顯.

(3)承載狀態(tài)(S)

從水資源承載狀態(tài)(S)(圖5c)來(lái)看,除2010~ 2011年受“西南大旱”的影響為臨界安全等級(jí)外,其余年份均為安全或較安全等級(jí).水資源承載狀態(tài)指標(biāo)可分成3類:

1)降水特征:貴陽(yáng)市雖地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),降水總量豐富,但降水的時(shí)空變異性也相當(dāng)顯著,特別是降水季節(jié)變異性平均指數(shù)值0.918,相比空間異質(zhì)性高出0.804,其出入境水量也與產(chǎn)水模數(shù)保持顯著正相關(guān)性(圖8b),表明降雨直接決定區(qū)域出入境水量差.

2)水量特征:貴陽(yáng)市地形起伏度大,巖溶地貌廣布,導(dǎo)致地表徑流密度大,但地表產(chǎn)流系數(shù)(圖8.a)介于0.37~0.6之間,表明地表徑流量較小,較大一部分的地表水直接通過(guò)巖溶裂隙、落水洞、豎井等流入地下,導(dǎo)致地下水比重達(dá)24.91%,接近全國(guó)平均水平,地表便于利用的河川徑流量較小.

3)水質(zhì)特征:不管是飲用水還是城市地表水,水質(zhì)皆相對(duì)良好,歷年水質(zhì)達(dá)標(biāo)率平均值達(dá)96.43%,其主要原因?yàn)橘F陽(yáng)市重工業(yè)、高污染企業(yè)比重小,水體污染物中的COD和氨氮的主要來(lái)源于生活污水排放,特別是貴陽(yáng)市人口密集的中心城區(qū).

(4)生態(tài)基礎(chǔ)(B)

由于生態(tài)基礎(chǔ)(B)(圖5d)的年際變化較小,故其等級(jí)聯(lián)系度均為安全等級(jí),對(duì)水資源安全系統(tǒng)的影響也較小.貴陽(yáng)市近10年以來(lái),持續(xù)推進(jìn)石漠化治理工程和封山育林的相關(guān)工作,森林覆蓋率基本呈平穩(wěn)上升的趨勢(shì),使全市石漠化率持續(xù)降低,由2002年的29.87%降至2014年的16.55%(圖9).而對(duì)于輸沙模數(shù)來(lái)說(shuō),其變化幅度較大,主要是受監(jiān)測(cè)站點(diǎn)單一的影響.

(5)人為響應(yīng)(R)

從人為響應(yīng)(R)(圖5e)來(lái)看,貴陽(yáng)市工程性缺水難題一直是困擾全市水資源安全水平提升的關(guān)鍵問(wèn)題,因此,通過(guò)人為響應(yīng)加強(qiáng)水利工程建設(shè),提升水資源利用效率,合理開發(fā)與保護(hù)水源成為保障貴陽(yáng)市供水的重要途徑.貴陽(yáng)市先后啟動(dòng)實(shí)施了水利建設(shè)“三大會(huì)戰(zhàn)”、滋黔水利工程、黔中水利工程、“小康水”行動(dòng)計(jì)劃、水利建設(shè)“三年行動(dòng)計(jì)劃”、水利八大改革、山區(qū)現(xiàn)代水利建設(shè)示范等一系列水利工作,使得病險(xiǎn)水庫(kù)治理率接近100%,水資源開發(fā)利用率也降低至18.21%.在生態(tài)文明建設(shè)的驅(qū)動(dòng)下,全市在節(jié)能減排成效集中于萬(wàn)元GDP污染物減排率和生活污水處理率等方面,其中,GDP污染物減排率平均值達(dá)15.68%,減排成效顯著.生活污水處理率以年均提升1.63%,降低水體污染物對(duì)水源的影響(圖10).

綜合上述PESBR概念模型的各驅(qū)動(dòng)因素分析結(jié)果可知,2002~2014年貴陽(yáng)市水資源安全等級(jí)變化不明顯,但各個(gè)因素類年際變化顯著,整體向安全和較安全等級(jí)轉(zhuǎn)變,尤其是工程性缺水(E)和人為響應(yīng)(R),表明人為活動(dòng)對(duì)貴陽(yáng)市水資源安全具有重要意義.

水資源安全評(píng)價(jià)研究的重難點(diǎn)之一在于如何構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn).本文根據(jù)巖溶地區(qū)“工程性”缺水特征,結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和國(guó)家水資源安全利用相關(guān)規(guī)劃,確定各指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),彌補(bǔ)指標(biāo)體系未考慮工程性缺水狀況的缺陷,為科學(xué)評(píng)價(jià)巖溶地區(qū)水資源安全提供新的指標(biāo)體系構(gòu)建依據(jù).但囿于數(shù)據(jù)有限,未能對(duì)貴陽(yáng)市轄區(qū)內(nèi)各區(qū)縣市水資源安全利用特征進(jìn)行研究.另外,對(duì)于全球變化環(huán)境下巖溶地區(qū)水資源的安全響應(yīng)機(jī)理及效應(yīng)仍有待探討.

3 結(jié)論

3.1 在構(gòu)建貴陽(yáng)市PESBR評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上,采用SPA-MC耦合模型對(duì)其水資源安全安全動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià),由評(píng)價(jià)結(jié)果可知,貴陽(yáng)市2002~2014年水資源安全等級(jí)為“臨界安全”,歷年評(píng)價(jià)等級(jí)逐漸向“較安全”轉(zhuǎn)變,歷年“安全”等級(jí)隸屬度1和累計(jì)等級(jí)聯(lián)系度2逐漸上升.未來(lái)2015~2050年貴陽(yáng)市水資源安全等級(jí)將逐漸由“較安全”向“安全”等級(jí)轉(zhuǎn)變,其“安全”、“較安全”和“臨界安全”的等級(jí)隸屬度123整體上逐年上升,水資源安全水平逐年提升.

3.2 基于PESBR概念模型的驅(qū)動(dòng)因子分析表明,解決貴陽(yáng)市“工程性”缺水主導(dǎo)下的水資源安全問(wèn)題,不僅需要加大水利設(shè)施建設(shè),提升水利工程蓄水效益,充分利用有效水資源量,還需控制城市人口密度和國(guó)土空間開發(fā)強(qiáng)度,降低城市生活用水與廢水排放,提高水資源重復(fù)利用率.

3.3 與常規(guī)的DPSIR、DPSIRM概念模型相比,PESBR概念模型將巖溶地區(qū)“工程性”缺水指標(biāo)納入評(píng)價(jià)體系中,突顯“工程性”缺水對(duì)巖溶地區(qū)水資源安全的影響,特別是在驅(qū)動(dòng)力分析方面,常規(guī)模型只強(qiáng)調(diào)供、用水量的直接影響因素,而忽略了巖溶地區(qū)水資源獲取的難度和有限性,誤判貴陽(yáng)市水資源安全處于“危機(jī)”狀態(tài),其評(píng)價(jià)結(jié)果也難免有失偏頗.其次,SPA-MC耦合模型動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)水資源的變化特征,與單純?cè)u(píng)價(jià)水資源歷年?duì)顩r更具指導(dǎo)性,符合貴陽(yáng)市長(zhǎng)期工程性缺水明顯的現(xiàn)狀.

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Dynamic assessment of water resources security in karst area based on SPA-MC model--a case study of Guiyang city.

YANG Zhen-hua1, ZHOU Qiu-wen2, GUO-Yue3, SU Wei-ci3,4*, ZHANG Feng-tai5

(1.Institute of Karst, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China；2.School of Geography and Environment, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China；3.School of Geography and Tourism, Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China；4.Institute of Mountain Resources, Guizhou Academy of Sciences, Guiyang 550001, China；5.Institute of Environment, Resources and Disaster, Guizhou Normal College, Guiyang 550018, China).

To reasonable evaluate water resources security situation in karst area, this paper based on the PESBR conceptual model, build evaluation index system of water resources safety which covered engineering water shortage characteristics, then the SPA-MC (Set pair analysis-Markov chain) coupling model was adopted to dynamically evaluated water resources security situation in Guiyang city during 2002~2014. According to the forecast results of the safety of water resources in Guiyang city 2015~2050, Guiyang city in the future water resources security will remain relatively safe state, the "safe" level of membership in the12015~2050 period lasted from 0.365 rose to 0.435, while the "unsafe" level of5decreased from 0.194 to 0.138, with an average annual decline rate up to 1.93%; the example proved that the SPA-MC coupling model to evaluate the water resources dynamic results are reasonable and objective.

SPA-MC；karst；water resources security；dynamic assessment

X824

A

1000-6923(2017)04-1589-12

2016-08-01

貴州省重大科技專項(xiàng)([2012]6015號(hào));國(guó)家科技支撐技術(shù)項(xiàng)目(2014BAB03B01);貴州省創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)([2014]4014號(hào))

楊振華(1991-),男,江西贛州人,貴州師范大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)樗Y源開發(fā)與評(píng)價(jià).發(fā)表論文10余篇.

* 責(zé)任作者, 研究員, suweici@sina.com

, 2017,37(4)：1589~1600