黃舒婷

（黑龍江省農(nóng)墾哈爾濱管理局水利工程管理分站，黑龍江 哈爾濱150090）

水資源是基礎(chǔ)性自然資源，也是一個(gè)國家的戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源，水資源問題對區(qū)域、國家乃至全球的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展都具有重要意義。然而地球上的淡水資源是非常有限的，隨著社會(huì)人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類對水資源的需求越來越大，全世界許多國家都處于水資源短缺的現(xiàn)狀。中國是水資源短缺和水資源污染問題最為嚴(yán)重的國家之一，雖然水資源總量較大，但人均水資源量卻只有世界平均水平的1／4，且南北時(shí)空分布不均，北方地表水匱乏，地下水超采嚴(yán)重，南方水資源豐富，但水資源系統(tǒng)脆弱；這些水資源短缺矛盾的日益突出，加劇了水資源的脆弱性。地球水圈和生物圈、大氣圈是耦合的，人類活動(dòng)影響到的植被、氣候的變化，如二氧化碳排放的增加會(huì)影響到大氣中溫室氣體的增加，而氣溫的升高將會(huì)通過影響降雨、蒸發(fā)、徑流、土壤濕度等因素來改變?nèi)蛩难h(huán)的現(xiàn)狀，從而影響水資源格局的變化。

根據(jù) IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）近幾年研究結(jié)果表明，全球平均氣溫在20世紀(jì)約升高了0．6℃，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末氣溫將進(jìn)一步升高1．4～5．8℃［1］。全球氣溫升高引起的極端天氣和強(qiáng)降水事件發(fā)生頻率增加，嚴(yán)重影響到全球水資源短缺形勢和水資源供需平衡問題。未來，中國的氣候變化將加大水資源的年內(nèi)與年際變化，增大洪澇和干旱等極端災(zāi)害發(fā)生的概率，北方地區(qū)干旱化趨勢更為明顯，水資源短缺和供需矛盾更為突出。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院等多部門發(fā)起的“氣候變化與貧困——中國案例研究”項(xiàng)目表明，氣候變化已成為我國貧困地區(qū)致貧甚至返貧的重要原因。因此，氣候變化條件下的水資源脆弱性評估問題成為近年來水資源研究的熱點(diǎn)［2］。氣候變化下的水資源脆弱性評估不僅是國際社會(huì)普遍關(guān)心的全球性問題，也是中國可持續(xù)發(fā)展道路中將要面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。有關(guān)探討氣候變化條件下水資源脆弱性的評估方法，可以分析區(qū)域內(nèi)自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人類活動(dòng)對氣候變化的影響，及水資源系統(tǒng)在氣候變化、人為活動(dòng)等作用因素下，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、供需變化的響應(yīng)［2］；以此，為整治脆弱生態(tài)環(huán)境和水資源規(guī)劃管理等緩解氣候變化不利因素的適應(yīng)性對策的制定提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 水資源脆弱性定義

IPCC在1995年的第二次評估報(bào)告中，將水資源脆弱性表示為氣候變化可能對水資源系統(tǒng)造成損害或不利影響程度［3］；2011年IPCC又在特別報(bào)告中指出，應(yīng)將脆弱性與暴露度結(jié)合起來，認(rèn)為脆弱性是使人員、生計(jì)、環(huán)境服務(wù)和各種資源、基礎(chǔ)設(shè)施，及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化資產(chǎn)受到不利影響的可能性或趨勢［4］。夏軍等人［4］參考了IPCC對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的分析方法，認(rèn)為水資源脆弱性也是氣候變化條件下（包括氣候變率和極端氣候事件）水資源系統(tǒng)對所處氣候變化特征、幅度、速率，及敏感性、適應(yīng)能力的函數(shù)。唐國平［15］按表現(xiàn)方式將水資源脆弱性分為了水文系統(tǒng)的脆弱性、水利系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)的脆弱性、自然地理環(huán)境和社會(huì)的脆弱性三類。而陳攀［2］認(rèn)為水資源系統(tǒng)脆弱性內(nèi)涵包括水資源系統(tǒng)自身內(nèi)部的脆弱性、對外部驅(qū)動(dòng)因素的敏感性與適應(yīng)性、水質(zhì)脆弱性和水量脆弱性、以及不同區(qū)域特征下的脆弱性，修正了僅靠相關(guān)指標(biāo)疊加而成的評價(jià)方法。

隨著研究的開展，對水資源脆弱性的概念認(rèn)識也將進(jìn)一步深化，這有助于我們科學(xué)改進(jìn)水資源脆弱性評價(jià)體系。

氣候變化下的水資源脆弱性是指在氣象及氣候變化的條件下，水資源系統(tǒng)及其涉及的脆弱度，主要反映于年際徑流量變化、水資源供需平衡、水利管理法規(guī)建設(shè)等方面。水資源脆弱性指水資源系統(tǒng)在氣候變化、人類活動(dòng)等外部因素的干擾作用下，水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在數(shù)量、質(zhì)量上減少或降低，導(dǎo)致水資源系統(tǒng)對環(huán)境變化特征、幅度、速率的敏感度和適應(yīng)能力函數(shù)發(fā)生變化，從而引發(fā)水資源供需不平衡、旱澇災(zāi)害和極端自然情況的發(fā)生，這種結(jié)構(gòu)和功能性的破壞很難自行恢復(fù)。

對水資源系統(tǒng)脆弱性評估的主要內(nèi)容涉及水資源自身的穩(wěn)態(tài)程度、水資源供需的脆弱性和自身脆弱性所引起的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性方面，并對不同時(shí)間、空間的水資源進(jìn)行損害程度、損害預(yù)估和適應(yīng)能力的評價(jià)。

2 國內(nèi)外研究成果

2．1 國外研究狀況

從20世紀(jì)60年代起，國際上有了對水資源脆弱性研究的開端。最早代表是法國Albinet、Marget等人提出的地下水資源脆弱性概念，認(rèn)為它是影響污染物質(zhì)進(jìn)入含水層的復(fù)雜性因素［5］。20世紀(jì)80年代，水資源脆弱性評估領(lǐng)域形成了一種以缺水程度等為評判標(biāo)準(zhǔn)的水資源脆弱性評估方法，如Brouwer等人利用人類對水資源的依賴性和區(qū)域水資源的供需平衡性來確定影響因子，根據(jù)各因 子 的 閾 值 分 析 水 資 源 的 脆 弱 程 度［3，6］；Hashimoto于1982年提出的用描述水資源供給不足對系統(tǒng)造成損失的方法來評價(jià)地下水資源的脆弱性；美國環(huán)保局（USEPA）在1985年提出DRASTIC方法評價(jià)因子體系等［7］。

研究至今，已有各式計(jì)算脆弱性指數(shù)模型30多 種，如 Vierhuff，DRASTIC，SIGA，GOD，Legrand，SEPPAGE，SINTACS，EPIK 模 型等［2］。隨著研究的開展與深入，越來越多學(xué)者嘗試將GIS等高新技術(shù)引入到水資源脆弱性評價(jià)中，例如Doerfliger在1999年提出的利用EPIK法和GIS技術(shù)在巖溶地區(qū)進(jìn)行水資源脆弱性的評價(jià)法［8］。2000年Charles等人在預(yù)測1985－2025年間氣候變化對水資源脆弱性影響時(shí)，選取了水資源開發(fā)利用率作為評價(jià)因子，并將GCMs的氣候情景與水量平衡模型WBM相結(jié)合對全球水資源脆弱性狀況進(jìn)行評價(jià)［9］。2008年Rahman采用了基于GIS的DRASTIC模型，對印度阿里格里地區(qū)潛水含水層脆弱性進(jìn)行了評價(jià)［2，10］；2009年P(guān)athak等人也用此方法對加德滿都地區(qū)水資源脆弱性進(jìn)行了評價(jià)，并提出脆弱性圖的建立，即一種能夠?qū)Φ叵滤Y源進(jìn)行有效管理的工具［2，11］。2009年，Hanouda等人根據(jù)IPCC的定義構(gòu)建了缺水量、灌溉效率和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等共31個(gè)指標(biāo)的脆弱性評價(jià)體系，選取與水資源系統(tǒng)相關(guān)的眾多因子，經(jīng)過人為賦值后以雷達(dá)圖的形式評估了尼羅河流域東部的水資源脆弱性［3，12］。2010年，Sullivan又提出了水資源貧困指數(shù)，并將其細(xì)分為資源、能力、途徑、利用、環(huán)境5個(gè)分指數(shù)，從水資源的供需入手，將社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等因子經(jīng)過權(quán)重相加后得到水資源脆弱性指標(biāo)［4］。氣候變化對水資源的影響關(guān)系到農(nóng)業(yè)、水利、環(huán)境等多個(gè)部門所開展的管理及規(guī)劃工作，而以往的國際研究更多關(guān)注于地下水資源的脆弱性評價(jià)以及水質(zhì)的評價(jià)，對區(qū)域水量的評價(jià)不夠。GIS技術(shù)與脆弱性圖的繪制法建立，為區(qū)域水資源可持續(xù)利用和風(fēng)險(xiǎn)管理提供了較好的參照作用。21世紀(jì)水資源在全球戰(zhàn)略地位的提升，使水資源脆弱性評價(jià)成為水資源研究的熱點(diǎn)之一。

2．2 國內(nèi)研究狀況

國內(nèi)水資源脆弱性研究興起于20世紀(jì)90年代，最早主要集中在對地下水，特別是北方地區(qū)的水資源脆弱性評估，如1996年劉淑芳等人［13］對河北平原地下水防污性能的研究，1997年鄭西來等人［14］對西安市潛水脆弱性評價(jià)。21世紀(jì)后，研究從地下水?dāng)U展到了地表水。2000年唐國平等人［15］在《全球氣候變化下水資源脆弱性及其評估方法》一文中，對水資源脆弱性進(jìn)行了分類，并根據(jù)水資源供需關(guān)系從宏觀上對水資源脆弱性予以定義。2002年劉綠柳等人在《水資源脆弱性及其定量評價(jià)》中認(rèn)為，水資源脆弱性是水資源系統(tǒng)易遭受人類活動(dòng)、自然災(zāi)害威脅和損失的性質(zhì)和狀態(tài)，受損后難以恢復(fù)到原來狀態(tài)和功能的性質(zhì)［16］，并在此基礎(chǔ)上提出了水資源脆弱性的定量評價(jià)法。王國慶、張建云等人［17］于2005年發(fā)表了《全球氣候變化對中國淡水資源及脆弱性影響研究綜述》，通過在近幾十年來我國淡水資源變化特點(diǎn)及氣候條件波動(dòng)或變化對徑流現(xiàn)實(shí)影響的基礎(chǔ)上分析水資源在氣候變化情境下的脆弱性，真正意義上開啟了國內(nèi)對氣候變化下全球水資源脆弱性評價(jià)的研究。2010年董四方等人［18］從水資源復(fù)雜系統(tǒng)角度并結(jié)合了DPSIR概念模型，從而構(gòu)建出水資源系統(tǒng)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系。2012年夏軍等人［3］針對與氣候變化影響的水資源系統(tǒng)的敏感性和抗壓性相聯(lián)系的脆弱性與適應(yīng)性問題，提出氣候變化環(huán)境下水資源脆弱性評估理論體系和一般性公式，并以水資源供需安全為出發(fā)點(diǎn)，采用溫度、降雨雙參數(shù)彈性系數(shù)和直觀簡單的水資源關(guān)鍵性指標(biāo)體系方法，提出氣候變化和人類活動(dòng)背景下水資源脆弱性評估模型。

從總體上而言，國內(nèi)關(guān)于氣候變化下水資源脆弱性的研究仍處在基礎(chǔ)階段，且基本都遵從“未來氣候情景設(shè)計(jì)——水文模擬——影響研究”的一個(gè)模式，評價(jià)方法以概念性框架為主，還未能創(chuàng)造出物理概念與系統(tǒng)機(jī)制相結(jié)合的綜合性評價(jià)模型［3］。在評價(jià)當(dāng)中，指標(biāo)的選取、賦值、權(quán)重也不夠全面，人為性和任意性較大，從而影響到評價(jià)的合理性與科學(xué)性。

3 評價(jià)方法

通過梳理20世紀(jì)60年代以來國內(nèi)外對水資源脆弱性評價(jià)的研究，特別是氣候變化條件下全球水資源的變化與脆弱性評估研究，闡述氣候變化背景下水資源脆弱性的概念、內(nèi)涵及其分類，概述、分析各種對水資源脆弱性定量評估的方法，從中提煉各類方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出在未來氣候變化背景下我國水資源脆弱性評估研究的重點(diǎn)與應(yīng)對水資源脆弱性的適應(yīng)性對策，探索一種更科學(xué)合理的基于氣候變化條件下對水資源脆弱性評價(jià)的理論和方法。這部分內(nèi)容屬于軟課題研究，研究方法就是在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用各種手段、工具、方法對相關(guān)學(xué)科的研究及資料進(jìn)行分析，必要時(shí)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬、調(diào)查等，最終建立一種評價(jià)方法；在探索過程中選擇一些有代表性的區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行長期監(jiān)測，用實(shí)踐完善評價(jià)理論和方法。

從前人研究成果來看，目前對水資源脆弱性的評價(jià)主要分為定性評價(jià)和定量評價(jià)兩大類，此外還有諸如迭置指數(shù)法一類的半定性半定量的評價(jià)法。定性評價(jià)是對與水資源變化有密切關(guān)系的諸多因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，找出影響水資源脆弱性的主要因素，如氣候與氣候變化導(dǎo)致的降水時(shí)空分布不均、人口數(shù)量增加、土地荒漠化面積擴(kuò)大等等，并結(jié)合區(qū)域地理特征和氣候、生態(tài)特征提出保護(hù)水資源及生態(tài)環(huán)境的相應(yīng)措施。而定量評價(jià)主要是從水資源脆弱性的影響因素出發(fā)，在評價(jià)過程中引入一個(gè)能定量衡量水資源脆弱程度的量，來計(jì)算水資源系統(tǒng)對抗干擾能力的強(qiáng)弱，方法主要包括函數(shù)法、綜合指標(biāo)法和指標(biāo)權(quán)重法。

指標(biāo)權(quán)重法是水資源脆弱性評價(jià)研究的基本方法，它可以較為全面地反應(yīng)水資源脆弱性的特點(diǎn)和屬性，且易于GIS疊置配合進(jìn)行作圖，評價(jià)結(jié)果能較客觀地反映水資源脆弱性實(shí)質(zhì)，因而在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。指標(biāo)權(quán)重法運(yùn)用過程中，確定一系列有代表性且容易獲得的參數(shù)來構(gòu)建水資源脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系是基礎(chǔ)，研究者對水資源脆弱性概念和內(nèi)涵的理解不同、研究區(qū)域不同、選取資料不同，評價(jià)時(shí)所選擇的指標(biāo)性質(zhì)和數(shù)量也大不相同。

綜合指標(biāo)法及函數(shù)法是評價(jià)水資源脆弱性另一重要方法。如夏軍等人［4］發(fā)展了耦合氣候變化對水資源影響的敏感性、抗壓性及適應(yīng)性對策與調(diào)控水資源脆弱性的理論。根據(jù)IPCC 1995年的報(bào)告，水資源脆弱性是水資源相對氣候變化等影響因子的敏感性與抗壓力性（適應(yīng)性）的函數(shù)，可用綜合公式表示為：

式中：V為水資源脆弱性，α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，S（t）為敏感性函數(shù)，C（t）為抗壓力性函數(shù)，這個(gè)公式涵蓋了水資源系統(tǒng)受水資源分布、水資源供需安全、水資源系統(tǒng)適應(yīng)性等多個(gè)因子影響下的函數(shù)關(guān)系。

在抗壓力性方面，在針對水資源供需安全、水資源時(shí)空變異、可利用量變化、用水變化、承載能力問題、開發(fā)利用程度與生態(tài)需水保障等問題上，國際水資源協(xié)會(huì)（IWRA）的水資源供需安全抗壓力性綜合評價(jià)函數(shù)［3，19］可通過水資源抗壓能力的非線性變化關(guān)系反應(yīng)水資源脆弱性的等級程度。因此，通過不同的氣候變化情景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景的組合，分析和調(diào)整基于不同指標(biāo)間的關(guān)鍵性控制變量，就可以找出將水資源脆弱性的高值風(fēng)險(xiǎn)降低的對應(yīng)性策略。

4 評價(jià)水資源脆弱性的困難點(diǎn)和可能創(chuàng)新之處

水資源脆弱性評價(jià)研究的困難點(diǎn)，首先是關(guān)于水資源脆弱性的內(nèi)涵與外延鑒定問題，由于這是一個(gè)多學(xué)科交叉的綜合性領(lǐng)域，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、自然生態(tài)系統(tǒng)、大氣科學(xué)、植物學(xué)、土壤學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科研究相耦合和制約，受到這些相關(guān)學(xué)科研究進(jìn)展的制約，要發(fā)展一個(gè)盡可能科學(xué)的理論和使用方法、技術(shù)是非常困難的。其次，影響水資源脆弱性的因子有很多，對于如何量化表征，科學(xué)建立評價(jià)指標(biāo)體系有一定難度。過去的水資源脆弱性評價(jià)指標(biāo)中，總以單一的指標(biāo)和指標(biāo)體系為主，只關(guān)注脆弱性的一個(gè)方面，不能充分反映水資源系統(tǒng)的脆弱狀況。然而從多因素、多角度考慮水資源脆弱性評價(jià)指標(biāo)的涉及面又太廣，資料難以收集，而且各個(gè)區(qū)域受到區(qū)域特征的影響程度很大，很難建立起一套成熟的、具有清晰水資源管理和調(diào)控概念的指標(biāo)體系。

所以，建立一個(gè)物理概念與水資源系統(tǒng)機(jī)制相結(jié)合的變量控制體系成為未來研究的熱門方向，未來氣候情景設(shè)計(jì)也是研究氣候變化對水資源脆弱性評價(jià)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

進(jìn)行水資源脆弱性評價(jià)研究，可能的創(chuàng)新之處就是通過梳理國內(nèi)外對水資源脆弱性評價(jià)的研究方法和研究成果，提煉有利的評價(jià)方法，總結(jié)已有研究成果的不足之處；設(shè)想未來氣候變化下水資源脆弱性評價(jià)體系的發(fā)展趨勢；盡可能地尋找到可以精確定量水資源脆弱性、具有物理基礎(chǔ)的方法，利用函數(shù)設(shè)置不同尺度的參數(shù)來調(diào)控評價(jià)體系，以適應(yīng)不同尺度區(qū)域上的水資源脆弱性評價(jià)。

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