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(zāi)害學[1]，現(xiàn)今其基本理論與定量方法已受到廣泛關(guān)注，并被引用到生態(tài)學[2]、氣象學[3]、農(nóng)學[4]和水文學[5]等學科領(lǐng)域。其中，在水環(huán)境領(lǐng)域，將脆弱性的性質(zhì)概括為：①水環(huán)境脆弱性是與生俱來的一種屬性；②當水環(huán)境受到擾動時這種屬性才表現(xiàn)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(tài)環(huán)境的雙重脆弱性[7, 8]嚴重脅迫城市飲用水永續(xù)利用與水生態(tài)安全。因此，進行城市飲用水源地生態(tài)環(huán)境脆弱性研究已成為環(huán)境科學與水科學重點關(guān)注的科學問題，且對于保護城市供水安全及水生態(tài)健康具有重要意義。

貴州山區(qū)城市多位于巖溶區(qū)，喀斯特作用強烈，較非巖溶區(qū)地質(zhì)環(huán)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(jié)構(gòu)復(fù)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(tài)環(huán)境發(fā)展水平關(guān)系到巖溶山區(qū)城市供水安全及地表涵養(yǎng)水源的能力。近年來，隨著城市飲用水源地生態(tài)保護工程的實施，水質(zhì)健康狀況與水源涵養(yǎng)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(zhì)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(tài)安全依然面臨嚴峻挑戰(zhàn)。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(tài)環(huán)境脆弱性內(nèi)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(tài)環(huán)境保護及修復(fù)對策，此對于后續(xù)研究具有一定的借鑒價值。但是，關(guān)于巖溶山區(qū)城市飲用水源地生態(tài)環(huán)境脆弱性評價成果尚屬鮮見，亟待系統(tǒng)診斷與分析。因此，以貴州典型巖溶山區(qū)凱里市普舍寨與金泉湖集中式飲用水源地為例，在實地調(diào)研的基礎(chǔ)上，構(gòu)建飲用水源地生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)境脆弱性進行診斷、分析與評價，旨在為巖溶山區(qū)城市集中式飲用水源地供水安全與民族區(qū)域城市生態(tài)健康提供有益參考。

1 研究區(qū)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(shù)1 288 h，年均降水量1 240 mm[15]。境內(nèi)以巖溶地貌為主，地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，河谷深切，地勢起伏較大?，F(xiàn)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(qū)、經(jīng)濟開發(fā)區(qū)城市供水與重要的灌溉、防洪、養(yǎng)殖等生活、生態(tài)及生產(chǎn)功能，在黔東巖溶山區(qū)城市經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)功能區(qū)保護中發(fā)揮著重要作用。2017-2018年，兩大水源地保護區(qū)面積分別為1 560與3 842 hm2，斷面水質(zhì)均達到國家Ⅰ類標準，水體營養(yǎng)狀態(tài)為中營養(yǎng)，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(qū)地貌和地形制約及區(qū)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(tài)環(huán)境系統(tǒng)的功能與效應(yīng)，為水資源供需平衡及開發(fā)利用帶來了新挑戰(zhàn)。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

巖溶山區(qū)城市飲用水源地生態(tài)環(huán)境脆弱性定義可表述為：常態(tài)自然條件下，表征水源地生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)抗干擾的性質(zhì)與狀態(tài)，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(wěn)定狀態(tài)，為脆弱性產(chǎn)生的內(nèi)部因素，主要包括氣候因素和土壤地質(zhì)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(chǎn)生的外部因素，主要包括環(huán)境污染和地表擾動[14]。

2.1 研究方法

2.1.1 指標體系構(gòu)建與指標權(quán)重測算

巖溶山區(qū)城市飲用水源地是一個特殊地貌單元的人與環(huán)境交互作耦合系統(tǒng)及動態(tài)系統(tǒng)。評價其生態(tài)環(huán)境脆弱性，指標體系構(gòu)建是進行診斷與定量分析的關(guān)鍵。因此，本文從飲用水源地生態(tài)環(huán)境脆弱性內(nèi)涵出發(fā)，以人地關(guān)系理論為指導(dǎo)，參考已有研究成果[12-14,17]，并咨詢同行專家，構(gòu)建了能夠客觀反映研究區(qū)集中式飲用水源地人類活動與自然環(huán)境相互作用及自然狀態(tài)的評價指標體系(表1)。其中，水質(zhì)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(shù)、降水年內(nèi)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(tài)環(huán)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(quán)重的主觀性，保證數(shù)據(jù)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(quán)重比其他權(quán)重確定方法更具可信度，尤其適合多指標系統(tǒng)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(quán)重(表1)。

2.1.2 模糊綜合評判模型

城市飲用水源地生態(tài)環(huán)境脆弱性評價是將多源生態(tài)環(huán)境信息整合為整體的相對脆弱性等級，并以此評價生態(tài)環(huán)境的相對優(yōu)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(tǒng)過渡到高層次、大系統(tǒng)，并綜合得到最終評價結(jié)果[14]。其核心是在對影響生態(tài)環(huán)境脆弱性單因素分析的基礎(chǔ)上，用綜合評判矩陣評價區(qū)域生態(tài)環(huán)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(qū)凱里市飲用水源地生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標進行標準差標準化的基礎(chǔ)上，借鑒已有研究成果[17, 23]，將水源地生態(tài)環(huán)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(qū)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(tài)環(huán)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(shù)。隸屬度函數(shù)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(yīng)用基礎(chǔ)。它能夠確保定量評價指標的隸屬度函數(shù)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(xiàn)象[23]。所以，本文通過模糊隸屬度函數(shù)確定各具體指標對飲用水源地每個等級生態(tài)環(huán)境脆弱性貢獻的高低。其中，正向具體指標，根據(jù)式(1)～式(5)測算；負向指標測算方法可類比構(gòu)建；非數(shù)值型的指標，如i5和i6，在自然語言描述基礎(chǔ)上，根據(jù)表2直接在相應(yīng)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(qū)間的隸屬度；P1、P3、P5與P7分別表示5個等級區(qū)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(quán)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(tài)環(huán)境脆弱性在第j等級區(qū)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(jù)最大隸屬度，應(yīng)用ArcGIS10.2軟件對凱里市飲用水源地生態(tài)環(huán)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(qū)面積。

U=λi?R=[b1,b2,b3,b4,b5]

(6)

2.2 數(shù)據(jù)來源

定量指標數(shù)據(jù)：在調(diào)查走訪、查閱文獻、遙感解譯、采樣分析與數(shù)字化處理的基礎(chǔ)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(tài)環(huán)境脆弱性評價指標體系各功能團具體定量指標數(shù)據(jù)。定性指標數(shù)據(jù)：水質(zhì)類別與土壤類型分別采用黔東南州生態(tài)環(huán)境局水質(zhì)檢測與貴州省土壤肥料研究所土壤檢測結(jié)果。矢量數(shù)據(jù)：根據(jù)貴州省測繪地理信息局提供的1:400萬本底矢量數(shù)據(jù)，提取凱里市水源地邊界矢量信息。將以上數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，在ArcGIS10.2軟件中構(gòu)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(jù)500 m×500 m柵格精度，對柵格數(shù)據(jù)進行重采樣，將已有矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，運用ENVI4.8軟件解譯。

3 結(jié)果與分析

首先，將凱里市飲用水源地脆弱性評價指標數(shù)值代入式(1)～式(5)，得到隸屬度判斷矩陣R(表3)；其次，根據(jù)權(quán)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(tài)環(huán)境脆弱性評判向量，根據(jù)最大隸屬度原則，得出綜合評判結(jié)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(qū)面積(表5)。

3.1 凱里市飲用水源地生態(tài)環(huán)境脆弱性總體特征

根據(jù)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(tài)環(huán)境均對應(yīng)j3級，屬于中度脆弱狀態(tài)。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(tài)，土壤地質(zhì)功能團處于中度脆弱狀態(tài)，水源污染功能團處于高度脆弱狀態(tài)，地表擾動功能團處于潛在脆弱狀態(tài)；金泉湖飲用水源地水文氣象功能團、土壤地質(zhì)功能團表現(xiàn)為中度脆弱狀態(tài)，水源污染功能團表現(xiàn)為極度脆弱狀態(tài)，地表擾動功能團表現(xiàn)為潛在脆弱狀態(tài)。普舍寨飲用水源地生態(tài)環(huán)境輕度脆弱區(qū)、中度脆弱區(qū)、極度脆弱區(qū)與高度脆弱區(qū)面積占保護區(qū)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(tài)環(huán)境輕度脆弱區(qū)、中度脆弱區(qū)、極度脆弱區(qū)與高度脆弱區(qū)面積占保護區(qū)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(qū)分布面積廣且較集中，而極度脆弱區(qū)與高度脆弱區(qū)分布面積小且分散，潛在脆弱區(qū)所占面積比例較高，占比為37.49%，說明水源地保護區(qū)生態(tài)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(nóng)業(yè)經(jīng)濟為主，人口增速較快，不合理的經(jīng)濟社會活動仍較為頻繁；飲用水源地處于黔東巖溶地區(qū)，地表崎嶇、土壤貧瘠、涵養(yǎng)水源功能差，生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)較為脆弱；隨著郊區(qū)城市化的快速發(fā)展，人地作用對水源地生態(tài)環(huán)境脅迫效應(yīng)日益增強。主要表現(xiàn)：其一，污水處理設(shè)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(jiān)管效率欠高，導(dǎo)致水質(zhì)出現(xiàn)弱礦化度、低硬度與中度營養(yǎng)化等特征；其三，飲用水源地準保護區(qū)的商業(yè)與旅游節(jié)事活動對于水質(zhì)凈化產(chǎn)生了較大影響。

表3 城市飲用水源地生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)境脆弱性綜合評判結(jié)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(tài)環(huán)境各級脆弱性分區(qū)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(tài)環(huán)境脆弱性影響因素分析

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析，凱里市飲用水源地生態(tài)環(huán)境脆弱性指標層權(quán)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(tài)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(quán)重貢獻率分別是0.091 9與0.100 6，成為脅迫水源地生態(tài)健康發(fā)展的主要人為因素。將功能團I1與I2權(quán)重貢獻率比較，發(fā)現(xiàn)水文氣象諸自然因素對水源地生態(tài)環(huán)境脆弱性發(fā)揮主導(dǎo)作用，其中多年降水量與水文地質(zhì)因子對水源地生態(tài)環(huán)境脆弱性影響較大，說明凱里市中亞熱帶濕潤氣候?qū)λ磪^(qū)生態(tài)環(huán)境保育是有利的，但受巖溶地貌典型發(fā)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(zhì)環(huán)境極為不利。其實，土壤地質(zhì)是水源地生態(tài)環(huán)境脆弱的基礎(chǔ)，而環(huán)境污染與地表擾動則加劇了水源地生態(tài)環(huán)境脆弱程度。因此，水源地生態(tài)環(huán)境脆弱狀態(tài)變化是人類活動與自然環(huán)境基礎(chǔ)交互作用的結(jié)果。通過實地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)普舍寨飲用水源地保護區(qū)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(qū)面積集中分布；金泉湖飲用水源地保護區(qū)周邊約1 km2的區(qū)域，中度脆弱區(qū)、高度脆弱區(qū)與極度脆弱區(qū)面積較大且集中分布。反映出一級保護區(qū)內(nèi)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(tài)環(huán)境脆弱性問題較為突出，中度脆弱分區(qū)面積、高度脆弱分區(qū)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(jīng)濟社會活動較為強烈的二級保護區(qū)域與準保護區(qū)域。該區(qū)域地形地貌以中、低山為主，土壤為石灰?guī)r土，富呂化作用極弱，森林覆蓋率不高。目前，準保護區(qū)鄉(xiāng)村人口密度較高，日常生活、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)營與商業(yè)活動產(chǎn)生的環(huán)境污染的潛在隱患短時期難以通過控制郊區(qū)居民生產(chǎn)方式的策略實現(xiàn)。據(jù)調(diào)查，凱里經(jīng)濟開發(fā)區(qū)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(zhèn)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(qū)及二級保護區(qū)，生活污水直排污染較為嚴重，成為保護區(qū)內(nèi)重要的污染源，村寨生活垃圾收集設(shè)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(tài)環(huán)境保育與修復(fù)刻不容緩，應(yīng)從技術(shù)、補償、教育及管理諸方面科學統(tǒng)籌決策，逐步降低飲用水源地保護區(qū)生態(tài)健康面臨的風險與壓力。

3.3 凱里市飲用水源地生態(tài)環(huán)境脆弱性排序

對凱里市普舍寨與金泉湖飲用水源地生態(tài)環(huán)境脆弱性進行診斷，為精確比較兩大飲用水源地脆弱性發(fā)展狀態(tài)奠定了基礎(chǔ)。針對處于中度脆弱性狀態(tài)的兩大飲用水源地無法直接比較其生態(tài)環(huán)境優(yōu)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(tài)環(huán)境進行脆弱性進行排序，能夠?qū)崿F(xiàn)用數(shù)值直觀、精確的表征飲用水源地生態(tài)環(huán)境發(fā)展狀態(tài)目標。首先，通過對具體指標進行從優(yōu)隸屬度[25]測算，得到凱里市飲用水源地生態(tài)環(huán)境脆弱性的目標優(yōu)屬度模糊物元矩陣與復(fù)合模糊物元矩陣；其次，根據(jù)綜合權(quán)重法[26]測算飲用水源地生態(tài)環(huán)境脆弱性具體指標變異系數(shù)權(quán)重；最后，運用模糊物元矩陣和綜合權(quán)重法，測算兩大飲用水源地生態(tài)環(huán)境脆弱性歐式貼近度。排序結(jié)果如(7)式所示。

(7)

式中：PH表示飲用水源地生態(tài)環(huán)境歐式貼近度。PH值越大，說明水源地態(tài)環(huán)境發(fā)展狀態(tài)與最優(yōu)值區(qū)域越接近，質(zhì)量越優(yōu)；反之相反。

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

4 結(jié) 語

本文在構(gòu)建巖溶山區(qū)城市飲用水源地生態(tài)環(huán)境脆弱性評價指標體系的基礎(chǔ)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(tài)環(huán)境脆弱性進行了診斷、分析與評價，得出以下結(jié)論。

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

(2)飲用水源地準保護區(qū)植被覆蓋率較低，不合理的農(nóng)業(yè)與服務(wù)業(yè)生產(chǎn)活動較為集中，水源污染功能團是影響生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)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(tài)環(huán)境發(fā)展狀態(tài)略優(yōu)于金泉湖飲用水源地。

針對研究結(jié)論，特提出巖溶山區(qū)城市飲用水源地保育對策。飲用水源地生態(tài)環(huán)境保護與修復(fù)，應(yīng)堅持統(tǒng)籌規(guī)劃原則與依法治理原則，將土地利用優(yōu)化、生態(tài)補償、教育補償及科學管理相結(jié)合，構(gòu)建巖溶山區(qū)農(nóng)林生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)；開發(fā)巖溶山區(qū)水源地涵養(yǎng)功能恢復(fù)的生態(tài)技術(shù)與工程技術(shù)；建立大學生志愿者服務(wù)制度，加強水源地公眾環(huán)境教育工作。

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