劉 碩，馮美麗

（1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，太原030024；2.北京師范大學 環(huán)境學院，北京100875）

水資源問題日益引起國際社會的廣泛關注。20世紀80年代以來，相關領域?qū)λY源的研究成為水文地質(zhì)工作者研究的熱點問題。其中，法國Albinet和Marget于1999年提出了地下水資源脆弱性概念［1］：在自然條件下污染源從地表滲透與擴散到地下水面的可能性。20世紀80年代后期，歐美國家又陸續(xù)展開了地下水脆弱性評價與編圖工作。美國環(huán)境保護署（USEAP）于1987年提出的DRASTIC評價方法［2］，為宏觀尺度大范圍區(qū)域地下水脆弱性的定量評價模型的應用提供了合理有效的措施，得到了該領域研究者的認同和廣泛使用。

我國水資源脆弱性研究起步于20世紀90年代，雖起步較晚，但近年來發(fā)展速度較快，其水資源研究主要集中在水資源承載力、水資源管理、水資源安全，以及水資源開發(fā)利用與保護［3］等方面；而在水資源脆弱性方面的研究，主要集中在北方地下水資源脆弱性的評價和編圖工作方面［4］。研究工作者提出了多種水資源脆弱性的概念、研究方法、評價體系和計算模型。從國內(nèi)應用情況來看，根據(jù)各地水文地質(zhì)具體情況，各種評價模型都有自己的指標體系，地區(qū)不同、評價模型不同，所選用的參數(shù)也不同。但總體來看，目前主要以應用美國DRASTIC方法或其改進模型為主。在研究方向上，國內(nèi)現(xiàn)有的水資源脆弱性研究集中于對水資源脆弱性總體情況的掌握，而往往忽視水資源脆弱性空間分布狀況的研究。

1 水資源脆弱性評價內(nèi)涵與研究手段

1.1 水資源脆弱性的內(nèi)涵

水資源脆弱性的概念是在水資源危機日益突出的背景下應運而生的。在上世紀90年代，國外學者就提出了水資源脆弱性這個詞［5］，并且對氣候變化對水資源系統(tǒng)的影響進行了探索性的研究。但是迄今為止，水資源脆弱性概念、理論及計算方法都還處于拓展階段，還不是很成熟，尚未形成公認的定義和系統(tǒng)的理論體系；對于水資源脆弱性的評價大都局限于進行地表水和地下水脆弱性的界定和研究［6－10］。

綜合以往，可以看出，脆弱性主要強調(diào)外界環(huán)境對于水資源系統(tǒng)功能的影響，側(cè)重人為作用的因素?？梢愿爬橐韵聨追N：

1）水資源自身特性所表現(xiàn)的脆弱性方面；

2）水資源在受到污染破壞時所表現(xiàn)的脆弱性方面；

3）水資源脆弱性應該指在一定社會政治、經(jīng)濟、文化背景下，水資源系統(tǒng)對外界環(huán)境的不利影響所表現(xiàn)出的自身功能下降的性質(zhì)，這種性質(zhì)是氣候變化與各種人類活動互相作用的綜合產(chǎn)物。

1.2 GIS技術(shù)在水資源脆弱性評價中的應用

水資源脆弱性評價因素主要包括水資源的數(shù)量、質(zhì)量，涉及社會因素和自然因素兩個方面［11］，因此需要建立一個全面的且針對性強的指標體系與之相配套。目前，用于水資源脆弱性評價的模型及方法有很多，如綜合指數(shù)法、模糊分析法、定量分析法、集合論法、信息度量法等［12］。然而無論采用哪種模型，都會面對大量的自然與社會經(jīng)濟的數(shù)據(jù)處理和問題分析。而作為一種能采集、存儲、檢索、變換、處理和顯示輸出從自然界和人類社會獲取的各種各樣數(shù)據(jù)、信息的強有力工具地理信息系統(tǒng)（GIS），對于水資源脆弱性評價研究能起到相當大的推動作用。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)處理、管理的對象是多種地理空間實體數(shù)據(jù)及其關系，包括空間定位數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等，用于分析和處理在一定地理區(qū)域內(nèi)分布的各種現(xiàn)象和過程，解決復雜的規(guī)劃、決策和管理問題［13］。基于以上特點，地理信息系統(tǒng)（GIS）可以用于水資源脆弱性評價的各項研究。

首先，在脆弱度評定方面，地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理有利于將涉及自然、經(jīng)濟與人文領域的多個變量和大量數(shù)據(jù)歸并到統(tǒng)一系統(tǒng)中，在此基礎上建立起水資源脆弱性的評價模型。而相關的模型計算也是以地理信息系統(tǒng)的多種信息的疊加處理和一系列分析軟件（回歸分析、模糊加權(quán)評價、聚類分析、系統(tǒng)動力學模型等）加以保證的。

其次，為了研究區(qū)域水資源脆弱性的空間分布，還可以將遙感技術(shù)與GIS相結(jié)合，引入到水資源脆弱性評價模型中，具體而言有兩種方法：一是利用遙感GIS手段將水資源脆弱性評價因子數(shù)字化成圖，逐因子逐像元進行脆弱性評價，再將單因子評價結(jié)果復合，得到區(qū)域水資源脆弱性的綜合評價結(jié)果；二是先將各評價因子數(shù)字化圖像復合，再對所得圖像進行分類，并分區(qū)賦值得到最終評價結(jié)果。

2 陽曲縣水資源脆弱性評價

陽曲縣位于山西省中部，太原市區(qū)北部，總面積2 027.67km2。2005年末，全縣總?cè)丝跒?41 970人。全縣4鎮(zhèn)6鄉(xiāng)，即黃寨鎮(zhèn)、大盂鎮(zhèn)、東黃水鎮(zhèn)、泥屯鎮(zhèn)、侯村鄉(xiāng)、高村鄉(xiāng)、凌井店鄉(xiāng)、楊興鄉(xiāng)、西凌井、北小店鄉(xiāng)。作為太原市的市轄縣，陽曲縣經(jīng)濟近年來發(fā)展比較迅速。伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展，和水資源的過度開發(fā)，同時還受來水量減少和水質(zhì)惡化等方面的影響，供水難度逐漸增大，嚴重影響著陽曲縣生活和生產(chǎn)用水。日益嚴重的“水危機”，一直困擾著本區(qū)的社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展和人民生活水平的提高。

本次評價以陽曲縣管轄范圍內(nèi)4鎮(zhèn)6鄉(xiāng)的水資源脆弱性為評價對象，分區(qū)評價以2004年至2010年為評價期間，采用基于GIS的聚類分析模型，通過野外調(diào)查試驗取得的數(shù)據(jù)，以及收集到的以往相關研究成果，根據(jù)其具體地形、水文地質(zhì)、氣候條件、土地利用、污染負荷等數(shù)據(jù)資料，結(jié)合上述建立的水資源脆弱性評價模型，運用前述的研究方法，對陽曲縣的水資源脆弱性進行綜合評價和分區(qū)評價。

2.1 陽曲縣水資源脆弱性綜合評價

2.1.1 評價指標因子的選取

對于陽曲縣來說，既要作為城市的一部分來考慮，同時也要根據(jù)其區(qū)域自身的特點來構(gòu)建水資源脆弱性評價指標。根據(jù)上述的指標選取原則和陽曲縣的地形地貌、水資源狀況等實際情況，考慮實驗區(qū)域的數(shù)據(jù)和技術(shù)條件的有限性，分別選擇了具有代表性的一些指標來進行考察。此次研究，我們從自然因素和人為因素兩個方面選取了降雨量、蒸發(fā)量、草地類型、地貌類型、地下水含量、生態(tài)敏感性、地面高程、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、河流五項、河流有機污染、年干燥度、年氣溫、生態(tài)恢復能力、水蝕模數(shù)、水土流失、水系流域、土壤類型、相對濕度、植被區(qū)劃、自然凈化、綜合自然區(qū)劃、環(huán)境容量超載度、交通優(yōu)勢度、經(jīng)濟發(fā)展水平、可利用水資源、人口集聚度等27個關鍵參評因子，構(gòu)成陽曲縣水資源脆弱性評價指標體系。根據(jù)各項指標的關聯(lián)度可判斷其對水資源脆弱性的影響，關聯(lián)度越大對水資源脆弱性的影響越不利。在實踐中，應盡可能降低關聯(lián)度大的指標因子，使其朝有利于改善水資源脆弱性的方向變化。

相關評價因子權(quán)重的確定，通常有模糊綜合評判法、灰色關聯(lián)法、AHP法等方法，本文選擇適宜于評價范圍小、計算方法簡便易行的特爾菲法來確定上述27項指標的權(quán)重。結(jié)果表明，27項評價因子中，僅4項人為因素所占權(quán)重就有29.2%，接近30%。人口集聚度和經(jīng)濟發(fā)展水平尤為重要，體現(xiàn)了水資源脆弱性的人口壓力和社會經(jīng)濟壓力。自然因素分為氣候狀況、水資源狀況、地質(zhì)地貌、生態(tài)環(huán)境四部分，分別占全部因子權(quán)重的8.8%，21.7%，18%，22.3%。

2.1.2 綜合評價結(jié)果

區(qū)域水資源脆弱性指數(shù)用來表述評價對象現(xiàn)狀與目標符合程度和向目標接近的速度，指數(shù)越接近1，就越脆弱，越接近0，就越穩(wěn)定。但采用此量化指標直觀上較難判斷脆弱性程度，需對該結(jié)果進行分級處理。由于目前還沒有這種分級的統(tǒng)一標準可以采用，筆者結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況并參照相關文獻，將陽曲縣水資源系統(tǒng)脆弱性程度（即脆弱度）劃分為5個等級：基本穩(wěn)定（I級），輕微脆弱（II級），一般脆弱（III級），脆弱（IV級），嚴重脆弱（V級）。如表1所示。

表1 區(qū)域水資源脆弱性評價等級分類表

本文采用綜合評分法對研究區(qū)的水資源脆弱性狀況進行評價。根據(jù)AHP法確定的水資源脆弱性評價指標的權(quán)重，逐層逐項對各指標進行加權(quán)評分，即得到研究區(qū)域水資源脆弱性狀況的綜合值。其計算公式如下：

式中：P為鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源脆弱性綜合指數(shù)；Ui為指標i的標準化值；Ei為指標i的權(quán)重值；n為指標個數(shù)。顯然P的最高值為1，表示水資源脆弱性最大，水資源狀況達到了最差狀態(tài)；當P＝0時，說明水資源脆弱性為0，水資源狀況處于最佳狀態(tài)。P越大，表示該區(qū)域的水資源脆弱性越大。

依據(jù)公式（1）、（2），我們可以得到陽曲縣各個指標的單因子脆弱性指數(shù)Pi，最終得到的陽曲縣水資源脆弱性綜合指數(shù)用P來表示。經(jīng)計算，陽曲縣水資源脆弱性值P＝0.553，屬于水資源脆弱性綜合評價中的中等脆弱狀態(tài)，水資源脆弱性情況屬于一般，代表該地區(qū)水資源系統(tǒng)呈現(xiàn)脆弱性警告，水循環(huán)功能己有退化。水環(huán)境受到一定破壞，水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有變化，但尚可維持基本功能，受干擾后易惡化，水資源供需矛盾時常顯現(xiàn)。

2.2 陽曲縣水資源脆弱性分區(qū)評價

為了深入了解陽曲縣的水資源脆弱性狀態(tài)的空間分布，我們對陽曲縣10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的27個指標做了橫向分析對比。運用本文前述的模型及指標體系對陽曲縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水資源脆弱性指數(shù)水平進行計算分析。具體而言，即是利用遙感GIS技術(shù)將上述27項指標數(shù)字化成圖，再與陽曲縣行政圖匹配，根據(jù)公式（3）得到表征各指標在陽曲縣10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布狀況表（如表2所示）。之后利用主成分分析法［14］和分層聚類法，得到陽曲縣水資源脆弱性評價因子分區(qū)圖（圖1所示）。

水資源脆弱性評價指標計算公式如下：

圖1 陽曲縣水資源脆弱性評價結(jié)果分區(qū)示意圖

式中：K為鄉(xiāng)鎮(zhèn)的指標值；Si為色塊i所占該鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積的比重；Vi為色塊i所代表的屬性值；n為該鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域中包含的總色塊數(shù)。

由圖1可以看出，高村、侯村水資源脆弱性狀況比較接近，形成一小類，水資源脆弱性最弱，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；北小店、黃寨的水資源脆弱性為輕微狀態(tài)，屬于一類；大盂、泥屯鎮(zhèn)成為一類，水資源脆弱性一般；東黃水、西凌井成一類，水資源比較脆弱；凌井店、楊興成為一類，水資源脆弱性最嚴重。

表2 評價分區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的K指標值

3 結(jié)論和建議

根據(jù)以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基礎進行的區(qū)域水資源脆弱性分析結(jié)果，可以看出，陽曲縣大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源脆弱值都偏高，迫切需要采取措施來保護該縣的水資源。但不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的脆弱值還存在著較大差別。從研究區(qū)的整個分布而言，脆弱性呈現(xiàn)的是東高西低、中間高南北低的特征，且從東西分別向中間呈逐漸降低趨勢。其中，凌井店和楊興鄉(xiāng)，地下水極度貧乏，再加上其降水量的分布很少，導致該地區(qū)水資源脆弱度很大；而對西凌井鄉(xiāng)和東黃水鎮(zhèn)而言，水土流失狀況嚴重，屬于黃土丘陵臺地中度流失區(qū)，并且年干燥度和年氣溫均較高，導致蒸發(fā)量很大。除此之外，西凌井鄉(xiāng)屬于極貧水區(qū)；而東黃水鎮(zhèn)有45%屬于極貧水區(qū)，55%屬于貧水區(qū)。綜上所述，這4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水資源脆弱性較大且有一定的相似性。分析其原因，水資源的資源性匱乏是最主要的因素，再加上經(jīng)濟發(fā)展水平較低而導致水資源監(jiān)管治理力度不足，是造成陽曲縣東南部三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和西部最大面積的西凌井鄉(xiāng)水資源脆弱性嚴重的主要原因。

高村、侯村緊鄰黃寨鎮(zhèn)，其人口聚集度和經(jīng)濟發(fā)展水平僅次于黃寨，生態(tài)環(huán)境和土壤狀況等發(fā)展較好，水資源脆弱性最低，水資源狀況在全縣屬于最好的。根據(jù)陽曲縣生態(tài)功能及社會經(jīng)濟綜合評價圖（如圖2所示），高村和侯村這兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)屬于生態(tài)經(jīng)濟最協(xié)調(diào)的地區(qū)，也是該地區(qū)水資源系統(tǒng)穩(wěn)定，水環(huán)境功能正常發(fā)揮的重要表現(xiàn)之一。此外，該地區(qū)屬于太原盆地北部生態(tài)農(nóng)業(yè)與水土保持重點開發(fā)區(qū)，對降低水資源脆弱性有一定的作用。

陽曲縣縣政府所在地黃寨鎮(zhèn)，位于陽曲縣地理位置中心，同時也是陽曲縣的政治經(jīng)濟中心，資源豐富，經(jīng)濟發(fā)達，人口密度遠遠大于其他9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。黃寨鎮(zhèn)脆弱度值減少的關鍵原因在于，該地區(qū)地處積水的盆地區(qū)，且沒有用水量很大的企業(yè)和廠礦，地下水涵養(yǎng)度也比較高。另一方面，黃寨鎮(zhèn)是陽曲縣社會經(jīng)濟較發(fā)達、人口素質(zhì)較高的鎮(zhèn)，對于水資源保護和治理的投入較大，各項水資源保護的政策和法規(guī)等的實施和監(jiān)管也比較到位，水資源總體開發(fā)利用的效率較其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)高。

圖2 陽曲縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源脆弱性評價結(jié)果分析柱狀圖

通過本次對陽曲縣水資源脆弱性的系統(tǒng)研究，我們認為，只有通過合理開發(fā)利用水資源，才能促使陽曲縣水資源的開發(fā)利用步入良性循環(huán)。今后可以從以下幾方面考慮：

1）積極防治農(nóng)業(yè)非點源污染［15］。陽曲縣的水污染很大一部分是由于化肥和農(nóng)藥的不合理使用，應根據(jù)陽曲縣農(nóng)田的土壤狀況，制定一個切合實際的化肥和農(nóng)藥施用技術(shù)的暫行管理辦法，降低農(nóng)業(yè)非點源污染形成的危險性。

2）解決鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的水環(huán)境問題。嚴格執(zhí)行國家有關環(huán)境保護法律和法規(guī)，促使這些企業(yè)轉(zhuǎn)變產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，根據(jù)地區(qū)發(fā)展選擇污染小的產(chǎn)業(yè)。此外，還應重視引進高新技術(shù)，提高水資源的利用效率、降低能源消耗；提高資源利用水平，降低污染物排放總量，減輕生產(chǎn)過程對環(huán)境造成的不利影響，降低人類對水資源脆弱性的影響。

3）加大國家退耕還林、還草政策的實施力度。通過退耕還林、還草，減少水土流失對水資源脆弱性帶來的影響。對已經(jīng)被污染和破壞的水環(huán)境實施恢復治理，增強水資源系統(tǒng)的自我恢復能力，從而提高水環(huán)境的生態(tài)承載力。

4）加強生態(tài)環(huán)境建設和監(jiān)管力度。對禁止開發(fā)區(qū)和限制開發(fā)區(qū)要加強監(jiān)管力度，保持區(qū)內(nèi)濕地生態(tài)系統(tǒng)的良好發(fā)展。對于工礦企業(yè)，要對其整個生產(chǎn)過程進行監(jiān)控，實施環(huán)境影響評價、污染物排放總量控制和排污收費等制度，實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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