李 昕

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

區(qū)域水資源供需矛盾隨著人類活動(dòng)以及氣候環(huán)境變化等多種因素的影響而日益嚴(yán)峻，對(duì)水資源系統(tǒng)的脆弱性進(jìn)行科學(xué)、有效的評(píng)價(jià)有利于提高區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展與水資源和諧匹配程度。當(dāng)前，許多學(xué)者主要是將水資源系統(tǒng)脆弱性作為一個(gè)整體進(jìn)行研究并經(jīng)歷了由定性評(píng)價(jià)到定量分析的過程，然而對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)脆弱性環(huán)節(jié)對(duì)總體脆弱性影響研究相對(duì)較少[1]。本文依據(jù)DPSIR框架即系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力、外在壓力、脆弱性狀態(tài)、系統(tǒng)影響以及響應(yīng)程度5個(gè)方面構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和模型，然后對(duì)投影指標(biāo)函數(shù)利用混合蛙跳法進(jìn)行優(yōu)化并以投影值計(jì)算結(jié)果作為脆弱性評(píng)價(jià)依據(jù)，以遼陽市為例對(duì)模型的有效性和合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 水資源系統(tǒng)脆弱性內(nèi)涵

水資源系統(tǒng)脆弱性是針對(duì)水資源在生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境以及社會(huì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所受到人類活動(dòng)、自然災(zāi)害以及氣候環(huán)境變化所體現(xiàn)出來的容易受到損害的特征，區(qū)域水資源系統(tǒng)如果任其發(fā)展并達(dá)到一定程度可產(chǎn)生嚴(yán)重破壞的性質(zhì)。其基本概念可依據(jù)水環(huán)境系統(tǒng)的特點(diǎn)可具體體現(xiàn)在如下方面：①系統(tǒng)脆弱性表現(xiàn)為水環(huán)境體系面對(duì)外來作用力所產(chǎn)生的脆弱性程度，它反映的是水資源系統(tǒng)的一種狀態(tài)并具有空間和時(shí)間兩種尺度；②人類的生產(chǎn)發(fā)展等活動(dòng)作為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)因素決定了其外部環(huán)境的脆弱性承載力，而其自身內(nèi)在脆弱性則直接受到生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的影響； ③水資源系統(tǒng)受到外力作用時(shí)會(huì)盡力維持它原有的現(xiàn)狀的性能即具有一定的時(shí)間延遲性特征；④系統(tǒng)脆弱性未明顯顯現(xiàn)時(shí)并不代表系統(tǒng)沒有脆弱性即系統(tǒng)具有隱性特征，而是其脆弱性收到足夠大的外力作用時(shí)才能顯現(xiàn)；⑤可通過科學(xué)的、有針對(duì)性的措施對(duì)系統(tǒng)脆弱性進(jìn)行改善[2]。

1.2 構(gòu)建基于DPSIR框架的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

綜合考慮水資源系統(tǒng)內(nèi)在性質(zhì)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)環(huán)境等影響系統(tǒng)脆弱性的各要素，是進(jìn)行水資源系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。當(dāng)前，可對(duì)系統(tǒng)因果聯(lián)系性、綜合性等特點(diǎn)進(jìn)行全面、客觀表征和反映方法為DPSIR指標(biāo)框架法，該方法不僅可提供清晰、準(zhǔn)確的系統(tǒng)脆弱性分析思路，而且可對(duì)系統(tǒng)各要素之間的連續(xù)反饋機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)描述[3]。據(jù)此，本文結(jié)合水資源脆弱性及指標(biāo)體系框架相關(guān)研究成果和資料，結(jié)合研究區(qū)域水資源系統(tǒng)實(shí)際狀況，篩選了31個(gè)具有代表性評(píng)價(jià)指標(biāo)并建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[4]，見表1。

1.3 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)水資源系統(tǒng)脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)是科學(xué)合理的確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，如果標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分過于粗略，則不利于評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度控制；如果劃分的等級(jí)過于詳細(xì)和繁多，則不利于評(píng)價(jià)結(jié)果的計(jì)算從而造成評(píng)價(jià)結(jié)果誤差的增大[5]。據(jù)此，本研究結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)和水資源脆弱性情況將其標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分Ⅰ—Ⅳ級(jí)4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別代表脆弱性弱、中等、強(qiáng)、較強(qiáng)，各指標(biāo)在不同標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的取值范圍見表1。

2 建立基于混合蛙跳與投影尋蹤的評(píng)價(jià)模型

2.1 混合蛙跳算法

表1 遼陽市DPSIR框架結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(1)

(2)

2.2 投影尋蹤法

2.3 構(gòu)建評(píng)價(jià)模型

可按照下述基本過程和相關(guān)公式構(gòu)建基于混合蛙跳與投影尋蹤的水資源系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)模型：

(1)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理?？紤]到評(píng)價(jià)指標(biāo)多樣且不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的單位和量綱存在一定的差異，因此需對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行無量綱化標(biāo)準(zhǔn)處理以此消除指標(biāo)之間的不可通透性[7]。對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)值越大則脆弱性越弱型指標(biāo)利用下式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(3)

對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)值越大則脆弱性越強(qiáng)型指標(biāo)可利用下式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(4)

式中，xmaxj、xminj—分別代表j指標(biāo)的最大值和最小值。利用公式可將各評(píng)價(jià)歸一處理至0～1范圍內(nèi)的值越小系統(tǒng)越脆弱型評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)對(duì)投影尋蹤函數(shù)進(jìn)行構(gòu)造。以指標(biāo)所含有的有效信息以及能夠反映評(píng)價(jià)特征的數(shù)據(jù)為基本依據(jù)，在某個(gè)方向上的投影值zi為上述經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù){xij}乘以向量a=(a1，a2，…，ap)，可表示為：

(5)

如果最佳投影方向?yàn)閍=(a1，a2，…，ap)則可對(duì)投影值利用上述公式進(jìn)行求解并定量的分析評(píng)價(jià)水資源系統(tǒng)的脆弱性。在進(jìn)行綜合投影值計(jì)算時(shí)應(yīng)盡可能的使得zi包含較多的變異信息，并因此可構(gòu)建投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)作為最佳方向的判別依據(jù)，其計(jì)算公式如下：

Q(a)=SzDz

(6)

(7)

(8)

(3)對(duì)指標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解。指標(biāo)函數(shù)Q(a)在樣本集合確定時(shí)僅隨投影向量a的改變而發(fā)生變化，滿足Q(a)值達(dá)到最大時(shí)向量a即為最佳投影方向矢量，因此優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可表述為：

(9)

公式(9)為一個(gè)復(fù)雜的非線性優(yōu)化求解問題，

表2 各評(píng)價(jià)指標(biāo)值以及最佳投影方向的計(jì)算結(jié)果

采用傳統(tǒng)的方法很難進(jìn)行求解，據(jù)此本研究利用混合蛙跳法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

(4)對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定，并利用樣本投影值計(jì)算結(jié)果按照等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行脆弱性分析評(píng)價(jià)。利用公式(5)并結(jié)合各評(píng)價(jià)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化值求得的最佳投影方向a進(jìn)行投影范圍值的確定，并以此對(duì)評(píng)價(jià)分析標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。然后利用指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值{xij|i=1，2，…，n;j=1，2，…，p}和公式(5)對(duì)脆弱性指標(biāo)影值y求解，結(jié)合各投影值標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)取值范圍確定研究區(qū)域水資源脆弱性。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 研究區(qū)域概況

本文以遼陽市為例對(duì)模型的有效性和適用性進(jìn)行驗(yàn)證分析。遼陽市位于遼寧省中部，地處東經(jīng)122°35′～123°40′，北緯40°42′～41°36′范圍之間，區(qū)域面積約為4744km2。受地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及地勢特征等條件影響區(qū)域內(nèi)各地區(qū)氣候特征存在一定差異，屬于濕潤性、半濕潤性季風(fēng)氣候；全年降水量較多的區(qū)域位于東部的低山丘陵區(qū)并以大雨和暴雨為主，全年降水量在800～900mm之間且主要集中在夏季；區(qū)域內(nèi)北部的丘陵平原區(qū)全年降水量約500～700mm少于低山丘陵區(qū)，且冬季寒冷漫長，春季多風(fēng)干燥。遼陽市境內(nèi)大小河流縱橫交錯(cuò)，5km以上的河流及支流約百余條并共同組成遼寧省內(nèi)的兩大水系。遼陽市具有豐富的動(dòng)物資源和礦產(chǎn)資源，區(qū)域經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值2011年為888.7億元，三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比為6.4∶63.1∶30.5。人均GDP為47791元，同比增長13.5。該區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展造成了對(duì)用水量的巨大需求，所以開展遼陽市水資源系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)對(duì)于進(jìn)一步提高該區(qū)域用水效率，促進(jìn)區(qū)域水資源優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[8]。

3.2 水資源系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)

結(jié)合研究區(qū)域水資源資料收集整理狀況，本文選取2016年的水資源數(shù)據(jù)資料為依據(jù)，在保證研究真實(shí)可靠的基礎(chǔ)上進(jìn)行水資源生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)分析[9]。利用遼寧省統(tǒng)計(jì)年鑒和相關(guān)報(bào)告分別對(duì)表1中31個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，并利用公式(3)、(4)對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用文中所述公式(5)—(9)進(jìn)行最優(yōu)投影方向求解，計(jì)算結(jié)果見表2。

利用表2中各指標(biāo)最佳投影方向以及表1中各標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的閥值并結(jié)合公式(5)，可對(duì)系統(tǒng)脆弱性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行求解，計(jì)算結(jié)果見表3。利用公式(5)對(duì)遼陽市2016年水資源脆弱性各評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行求解，得到其投影值為3.082，按照表3中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)取值區(qū)間可得研究區(qū)域?yàn)棰蚣?jí)脆弱性的中等范圍。

表3 水資源系統(tǒng)脆弱性等級(jí)計(jì)算結(jié)果

結(jié)合遼陽市水資源開發(fā)利用資料可知該區(qū)域的農(nóng)業(yè)用水占有量較大且多以大漫灌模式為主；區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)為Ⅳ類或Ⅴ類水，僅有渾河局部區(qū)域?yàn)棰箢?，其水資源系統(tǒng)環(huán)境面臨嚴(yán)峻調(diào)整；遼陽市農(nóng)業(yè)灌溉干渠設(shè)施老化、工程配套程度低且渠水利用系數(shù)較低。雖然遼寧省為富水區(qū)域，但仍面臨著水資源浪費(fèi)和污染嚴(yán)重的問題，利用本研究模型得出：其水資源脆弱性程度為Ⅱ級(jí)中等程度，該評(píng)價(jià)結(jié)果與遼陽市水資源利用現(xiàn)狀基本保持一致，研究表明所構(gòu)建的模型具有一定的適用性與可靠性[10]。

表4 各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換前后的投影值對(duì)比表

圖1 研究區(qū)水資源脆弱性構(gòu)成

結(jié)合上表計(jì)算結(jié)果以及區(qū)域水資源實(shí)際狀況圖1可知，DPSIR指標(biāo)框架結(jié)構(gòu)中狀態(tài)以及影響類指標(biāo)對(duì)水資源系統(tǒng)脆弱性影響程度較高，以此表明農(nóng)藥、化肥的超標(biāo)使用或任意排放、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源環(huán)境系統(tǒng)造成一定的破壞；水資源系統(tǒng)脆弱性主要受區(qū)域水資源開發(fā)利用技術(shù)落后、水利設(shè)施配套不完善以及水資源供需矛盾緊張等因素作用影響；結(jié)合響應(yīng)類指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果可知，該類指標(biāo)的脆弱性程度最低，由此說明通過采取科學(xué)技術(shù)措施可顯著提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率和水資源循環(huán)利用效率。

4 結(jié)論

(1)遼寧省主要面臨水資源浪費(fèi)和污染嚴(yán)重問題，其水資源脆弱性程度為Ⅱ級(jí)中等程度，該評(píng)價(jià)結(jié)果與遼陽市水資源利用現(xiàn)狀基本保持一致，研究表明所構(gòu)建的模型具有一定的適用性與可靠性。

(2)通過采取科學(xué)技術(shù)措施可顯著提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率和水資源循環(huán)利用效率，并有助于提高區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水循環(huán)系統(tǒng)的科學(xué)匹配程度。

(3)由于水資源數(shù)據(jù)資料收集的限制，本研究僅對(duì)2016年的脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此對(duì)水資源的科學(xué)管理以及脆弱性評(píng)價(jià)研究仍需要提供更多的數(shù)據(jù)資料，并進(jìn)行長期的研究分析。