(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽 550001)

1 研究背景

水資源是國家基礎(chǔ)性的自然資源，也是戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源，同時又是一個國家綜合國力的有機(jī)組成部分。然而，隨著環(huán)境變化和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對水資源的需求日益增加[1]，造成水資源脆弱性增強(qiáng)，而水資源脆弱性是阻礙區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。

水資源脆弱性研究起源于20世紀(jì)60年代法國Albinet和Margat[2]所做的地下水資源脆弱性研究，隨后，地下水資源脆弱性研究成果逐漸豐富[3-4]。 20世紀(jì)90年代逐漸出現(xiàn)了對地表水資源脆弱性的研究：一方面以流域水資源系統(tǒng)為研究對象[5-6]；另一方面以地域水資源系統(tǒng)為研究對象，評價了不同區(qū)域水資源脆弱性[7-8]。21世紀(jì)初，隨著全球氣候變化的加劇，水資源脆弱性的研究轉(zhuǎn)向了全球氣候變化下的水資源脆弱性的影響評價[9-11]?？v觀各項研究可知國內(nèi)外對水資源系統(tǒng)脆弱性的研究多側(cè)重于對地下水資源的研究，且研究成果也較為豐富。對于地表水資源脆弱性的研究相對較少，并且較少考慮到區(qū)域?qū)嶋H情況和區(qū)域相關(guān)利益機(jī)構(gòu)參與程度，同時水資源脆弱性研究大部分都集中在時間尺度上的定量評價，而忽略了空間上的脆弱性變化狀況。

貴陽市屬于典型的喀斯特地區(qū)，峰叢與碟狀洼地、漏斗、伏流、溶洞發(fā)育完整，其西北面臨青藏高原、西南面臨印度洋、東南面臨太平洋，是西南季風(fēng)和東南季風(fēng)的交匯地，氣候帶上又位于信風(fēng)帶與西風(fēng)帶之間的過渡地帶，特殊的地理位置決定了該區(qū)域氣候變化規(guī)律的復(fù)雜性。同時，貴陽市也是貴州最大城市兼經(jīng)濟(jì)、金融、文化、教育、交通和集散等的中心，也是國務(wù)院確定的“黔中經(jīng)濟(jì)區(qū)”和“泛珠三角經(jīng)濟(jì)區(qū)”內(nèi)重要的中心城市之一。2015年，貴陽市國內(nèi)生產(chǎn)總值達(dá)2 287.1 52億元，年末總?cè)丝谶_(dá)462.18萬人，總用水量達(dá)到10.51億m3，隨著用水需求量的增長，水資源將成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。通過對貴陽市水資源脆弱性進(jìn)行評價，有利于了解研究區(qū)水資源脆弱性時空分布特征，對促進(jìn)該區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展以及水資源合理利用具有一定的現(xiàn)實意義。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

文中的數(shù)據(jù)來源有：貴陽統(tǒng)計年鑒、貴陽市各區(qū)縣氣象觀測站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)、貴陽市土地利用圖、TM影像、貴陽市自來水公司數(shù)據(jù)、《貴陽市水資源公報》、《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展公報》等。其中，人口密度、國內(nèi)生產(chǎn)總值、普通中小學(xué)在校人口比例來源于《2001年貴陽統(tǒng)計年鑒》、《2006年貴陽統(tǒng)計年鑒》、《2011年貴陽統(tǒng)計年鑒》和《2016年貴陽統(tǒng)計年鑒》，國內(nèi)生產(chǎn)總值按2000年可比價進(jìn)行了換算；降水、氣溫和干旱指數(shù)數(shù)據(jù)來源于貴陽市各區(qū)縣氣象觀測站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)；人均水資源占有量、可利用降水資源、萬元GDP耗水量、人均GDP和有效灌溉率通過計算獲得；土地利用類型來源于“十年生態(tài)”數(shù)據(jù)，即2000年、2005年、2010年貴陽市土地利用圖和2015年TM影像；水質(zhì)等級、城鎮(zhèn)污水處理率和有效灌溉率來源于貴陽市自來水公司數(shù)據(jù)、《貴陽市水資源公報》和《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展公報》，對于部分缺失值采用相鄰年份替代。

2.2 研究方法

2.2.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

在總結(jié)現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮氣候因素和人為因素對水資源系統(tǒng)造成的影響，基于IPCC SREX報告和政府間氣候變化專門委員會對暴露度、敏感性和適應(yīng)能力的定義(表1)，從暴露性、敏感性、適應(yīng)能力3個方面綜合歸納已有研究指標(biāo)，并走訪該研究區(qū)域的不同單位，結(jié)合貴陽市區(qū)域特點(diǎn)，以及調(diào)查、專家咨詢得到的信息，并向25位來自政府機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位和高校等不同部門的專家咨詢(其中3位來自貴陽市發(fā)展和改革委員會、8位來自貴陽市水資源局、4位來自貴陽市自來水公司、5位來自高?？蒲袉挝缓?位水資源專業(yè)碩士畢業(yè)生)，在3個維度上優(yōu)化選取了15個評價指標(biāo)。其中暴露性方面包括人口密度、國內(nèi)生產(chǎn)總值和土地利用類型3個指標(biāo)；敏感性方面包括年平均降水量、年平均氣溫、干旱指數(shù)、人均水資源占有量、可利用降水資源和水質(zhì)等級6個指標(biāo)；適應(yīng)能力方面包括萬元GDP耗水量、人均GDP、普通中小學(xué)在校人口比例、供水綜合管理能力、城鎮(zhèn)污水處理率和有效灌溉率6個指標(biāo)。

表1 脆弱性關(guān)鍵參數(shù)及其定義Table 1 Definitions of key parameters of vulnerability

2.2.2 水資源脆弱性等級的劃分

水資源脆弱性評價標(biāo)準(zhǔn)要能夠反映水資源脆弱性程度、反映水資源脆弱性特點(diǎn)、明確水資源脆弱性等級[12]。由于脆弱性指標(biāo)之間的差異比較大，評價指標(biāo)無法直接進(jìn)行比較，必須按一定標(biāo)準(zhǔn)劃分為幾個等級以消除量綱不同的影響。根據(jù)評價指標(biāo)特征，采用3種方法分級：①聚類分析方法分級[13-14]，采用最短距離法對指標(biāo)進(jìn)行分類，使用歐氏距離公式計算各指標(biāo)間的距離，將距離較短的數(shù)值歸為一類；②參照國家或國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級；③參照有關(guān)參考文獻(xiàn)分級或?qū)＜以u估分級。

根據(jù)各指標(biāo)情況，結(jié)合3種方法對指標(biāo)進(jìn)行量化分級。將水資源脆弱性分為5個等級，即微度脆弱(Ⅰ)、輕度脆弱(Ⅱ)、中度脆弱(Ⅲ)、重度脆弱(Ⅳ)、極度脆弱(Ⅴ)，見表2，在ArcGIS 10.2軟件中進(jìn)行脆弱性指數(shù)的計算得到空間分布圖，通過自然斷點(diǎn)法把水資源脆弱性分成5個等級。

表2 變化環(huán)境下水資源系統(tǒng)脆弱性評價標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Criteria of vulnerability assessment for water resource system in changing circumstances

2.2.3 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

指標(biāo)權(quán)重Wi通過運(yùn)用層次分析法確定。層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是美國運(yùn)籌學(xué)家薩蒂(Saaty T L)在20世紀(jì)70年代提出來的一種定性與定量方法相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法，其指標(biāo)權(quán)重的分配見表3。

表3 優(yōu)化后指標(biāo)權(quán)重分配結(jié)果Table 3 Weight distribution results after optimization

注：作用“+”表示指標(biāo)層對準(zhǔn)則層起正向驅(qū)動，如人口密度越大，則暴露性越顯著；作用“-”則起負(fù)向作用，如年平均降水量越大，則敏感性越弱。

2.2.4 GIS空間可視化

2.2.4.1 數(shù)據(jù)空間化處理

對各評價指標(biāo)進(jìn)行數(shù)字化和圖層編輯處理，生成15個主題數(shù)據(jù)層，將各個數(shù)據(jù)層轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，同時位于統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中，以便具有相同地理位置的網(wǎng)格單元可以實現(xiàn)多重性的空間表達(dá)。采用統(tǒng)一的坐標(biāo)系Xian_1980_3_Degree_GK_CM_105E進(jìn)行投影，從而使各數(shù)據(jù)覆蓋相同的空間區(qū)域。每個水資源脆弱性評價指標(biāo)均為Grid柵格數(shù)據(jù)格式，柵格大小統(tǒng)一為30 m×30 m。

2.2.4.2 水資源脆弱度計算

在ArcGIS 10.2中，以30 m×30 m為單元，通過柵格計算器并結(jié)合水資源脆弱性指數(shù)WVI計算公式，得到WVI值[15]，即

(1)

式中：Wi為第i個評價指標(biāo)的權(quán)重；fi為第i個評價指標(biāo)的等級；n為指標(biāo)個數(shù)。WVI是各指標(biāo)綜合作用于水資源的結(jié)果，它使水資源脆弱性以數(shù)值形式表示出來，WVI值越大，說明水資源越脆弱，反之則脆弱性越輕微。

采用自然斷點(diǎn)法把水資源脆弱性分為微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱5個等級，然后生成WVI的空間分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 貴陽市市域尺度水資源脆弱性

對貴陽市2000年、2005年、2010年和2015年水資源脆弱性進(jìn)行評價，輸出相應(yīng)年份的水資源脆弱性分布圖(圖1)，并提取各脆弱度面積(表4)。

圖1 貴陽市2000—2015年水資源脆弱性分布Fig.1 Vulnerability levels of water resource in Guiyang city from 2000 to 2015

從圖1和表4可以看出不同年份各脆弱性分布狀況，水資源脆弱性空間差異比較顯著。從整體來看，水資源脆弱性增強(qiáng)和變?nèi)醪⒋妫嗳跣钥臻g分布格局表現(xiàn)出由“中南部高且周邊低”到“北弱南強(qiáng)”之態(tài)勢，具體體現(xiàn)為：

(1)2000—2015年，貴陽市水資源微度脆弱面積增加2 531 km2，除了南部出現(xiàn)減少以外，微度脆弱面積分布由東北部向北部和西部地區(qū)擴(kuò)展，微度脆弱的比例增加了31.92%；輕度脆弱面積減少2 798 km2，主要表現(xiàn)在北部、西部、中部和東部都有明顯減小狀況，降低比例達(dá)到了34.60%；中度脆弱面積減少522 km2，除了南部和中東部有所增加以外，其余區(qū)域都出現(xiàn)面積減少情況，減小比例達(dá)到了6.28%；重度脆弱面積增加507 km2，主要表現(xiàn)在中、南部出現(xiàn)零星增加，增加比例達(dá)到6.29%；極度脆弱面積增加205 km2，表現(xiàn)在東南部部分由原來的輕度和中度脆弱轉(zhuǎn)變?yōu)闃O度脆弱，增長到極度脆弱的面積達(dá)到2.67%。

(2)2000—2005年，貴陽市水資源微度脆弱面積減少630 km2，其中南部區(qū)域表現(xiàn)最為明顯，減少面積占7.82%；輕度脆弱減少260 km2，其中除了南部區(qū)域部分由微度脆弱轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度脆弱以外，其余區(qū)域都出現(xiàn)一定程度的減少，減少比例達(dá)到3.22%，表現(xiàn)最為明顯的是北部區(qū)域；中度脆弱面積增加437 km2，各區(qū)域都有零星分布的增加，增加比例達(dá)到5.42%，其中表現(xiàn)最突出的是北部區(qū)域；重度脆弱面積增加349 km2，增加比例達(dá)到4.33%，其中表現(xiàn)最明顯是出現(xiàn)在北部區(qū)域；極度脆弱面積增加104 km2，增加面積占1.38%，表現(xiàn)在中南部部分重度脆弱轉(zhuǎn)變?yōu)闃O度脆弱。

(3)2005—2010年，貴陽市水資源微度脆弱面積增加285 km2，增加比例達(dá)到3.54%，其中主要表現(xiàn)在東北部以及西南部有零星分布；輕度脆弱面積增加599 km2，增加面積達(dá)到7.44%，其中各區(qū)域都有所變化，表現(xiàn)最突出的是北部部分由中度和重度脆弱轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度脆弱；中度脆弱面積減少535 km2，減少比例達(dá)到6.64%，其中表現(xiàn)最為突出的是北部區(qū)域部分由中度脆弱轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度脆弱；重度脆弱面積減少320 km2，除了中南部有零星增加外，北部區(qū)域有明顯減少，減少比例達(dá)到3.97%；極度脆弱面積減少30 km2，占總面積比例為0.37%，主要表現(xiàn)在中南部的極度脆弱有部分零星轉(zhuǎn)變?yōu)榱酥囟却嗳酢?/p>

(4)2010—2015年，貴陽市水資源微度脆弱度面積增加2 875 km2，增加比例達(dá)到36.20%，主要表現(xiàn)在由東北部向北部和西部區(qū)域擴(kuò)展，其中東北部分布面積最大；輕度脆弱面積減少3 138 km2，減少面積達(dá)到38.82%，各區(qū)域都有明顯變化；中度脆弱面積減少423 km2，其中除了中東部有明顯增加以外，北部和西部都表現(xiàn)出明顯減少的狀況，減少比例占總面積的5.06%；重度脆弱面積增加478 km2，主要表現(xiàn)在中南部有零星的增加狀況，增加比例超過了6.00%；極度脆弱面積增加131 km2，增加比例達(dá)到了1.66%，主要表現(xiàn)在中部有少量輕度和中度脆弱轉(zhuǎn)變?yōu)闃O度脆弱。

表5 貴陽市各區(qū)縣(市)水資源脆弱性面積及比例Table 5 Area and proportion of each vulnerability level of water resources in districts and counties of Guiyang city

3.2 貴陽市縣域尺度水資源脆弱性

從3.1節(jié)中的圖1，也可以分析貴陽市各區(qū)縣(市)水資源脆弱性變化狀況，并提取相應(yīng)年份各區(qū)縣(市)脆弱性面積及比例，如表5所示。

從圖1和表5可以看出：

(1)2000—2015年變化情況。清鎮(zhèn)市、修文縣、息烽縣和開陽縣由大面積的輕度和中度脆弱向微度脆弱轉(zhuǎn)變，2015年微度脆弱比例分別達(dá)到了62.98%,71.36%,71.26%,99.37%，這是由于當(dāng)?shù)睾恿骱摧^多，且人均水資源占有量比較豐富，同時政府加強(qiáng)了對水資源的重視與保護(hù)。白云區(qū)和烏當(dāng)區(qū)由大面積的輕度脆弱轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸却嗳酰?015年中度脆弱面積比例分別增加到76.37%和96.24%，由于白云區(qū)和烏當(dāng)區(qū)是貴陽市開發(fā)相對比較早的區(qū)域，該變化由建設(shè)面積增大造成。觀山湖區(qū)和花溪區(qū)也向脆弱性惡化方向發(fā)展，其中大面積轉(zhuǎn)化為中度和重度脆弱，兩區(qū)中度脆弱和重度脆弱轉(zhuǎn)變面積比例合計各自增加了69.10%和61.79%，這主要源于當(dāng)?shù)卣鼇碚竺娣e在該區(qū)域增加建設(shè)用地，其中花溪區(qū)興建了大學(xué)城，隨之帶動了大量人口向該區(qū)域集中，同時帶動了該區(qū)域經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。云巖區(qū)、南明區(qū)大面積轉(zhuǎn)化為極度脆弱，2015年面積比例達(dá)到了99.82%和99.90%。因為這兩區(qū)是貴陽市的老城區(qū)，是貴陽市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心區(qū)域，面積相對較小且聚集了大量的人口，所以兩區(qū)建設(shè)面積不斷增大。隨著兩區(qū)經(jīng)濟(jì)和人口的劇增，需水量不斷增加，從而導(dǎo)致該區(qū)域成為貴陽市水資源最為脆弱的區(qū)域。

(2)2000—2005年變化情況。清鎮(zhèn)市、修文縣、觀山湖區(qū)、白云區(qū)和烏當(dāng)區(qū)部分輕度脆弱轉(zhuǎn)化為中度脆弱，導(dǎo)致中度脆弱面積比例分別增加到了44.70%,43.13%,34.85%,37.29%,28.43%，這主要是因為隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，當(dāng)?shù)卣哟罅藢υ搮^(qū)域的開發(fā)，建設(shè)用地逐漸增大所產(chǎn)生的影響。花溪區(qū)由微度脆弱轉(zhuǎn)化為輕度脆弱，導(dǎo)致輕度脆弱面積比例達(dá)到了60.35%，這源于花溪區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；開陽縣變化狀況比較小，以微度脆弱為主，當(dāng)?shù)卣恢敝匾晫υ搮^(qū)域水資源的保護(hù)；息烽縣大部分輕度脆弱區(qū)轉(zhuǎn)化成了重度脆弱區(qū)，重度脆弱面積比例達(dá)到了30.40%，這是因為息烽縣礦產(chǎn)資源比較豐富，帶動了相關(guān)工業(yè)在該地的興建，當(dāng)時息烽縣追求工業(yè)的發(fā)展，忽略了對水資源的重視；老城區(qū)云巖區(qū)與南明區(qū)一直是貴陽市發(fā)展的中心，其極度脆弱面積不斷增大，比例分別達(dá)到了61.38%和42.05%。

(3)2005—2010年變化情況。清鎮(zhèn)市、修文縣、烏當(dāng)區(qū)、觀山湖區(qū)、花溪區(qū)和開陽縣變化比較小，主要由于當(dāng)?shù)卣谧ソ?jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，也注重對水資源的保護(hù)。息烽縣由中度脆弱和重度脆弱向輕度脆弱轉(zhuǎn)變，輕度脆弱比例達(dá)到了59.64%，這源于當(dāng)?shù)卣谧非蟆肮I(yè)強(qiáng)縣”的同時，意識到了水資源的重要性，加大了對水資源的保護(hù)與整治；白云區(qū)變化比較大，大部分輕度脆弱區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榱酥卸群椭囟却嗳鯀^(qū)，導(dǎo)致中度和重度面積比例合計達(dá)到了93.03%，這主要是因為白云區(qū)鋁及鋁加工工業(yè)園區(qū)的發(fā)展帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，從而對水資源產(chǎn)生影響；老城區(qū)云巖區(qū)與南明區(qū)依然是貴陽市水資源脆弱性最高的區(qū)域，雖然當(dāng)?shù)卣哺叨戎匾曀Y源狀況，但是變化環(huán)境對水資源的影響依然很大，尤其是經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口增長對水資源造成了較大的壓力。

(4)2010—2015年變化情況。清鎮(zhèn)市、修文縣、息烽縣和開陽縣水資源脆弱狀況得到較大的緩解，其中微度和輕度脆弱面積比例合計分別達(dá)到了96.85%,99.99%,98.98%,99.99%，這主要源自該區(qū)域水資源相對比較豐富，人均水資源占有量比較大，同時當(dāng)?shù)卣渤薪恿斯?yīng)貴陽市中心城區(qū)水資源利用的重任，因此貴陽市加強(qiáng)了對這幾個區(qū)域水資源的開發(fā)與利用，并在利用過程中堅持開發(fā)與保護(hù)并重的原則。云巖區(qū)、南明區(qū)、白云區(qū)、烏當(dāng)區(qū)、觀山湖區(qū)和花溪區(qū)水資源脆弱性惡化較嚴(yán)重，其中重度和極度脆弱面積比例合計分別達(dá)到了99.90%,99.94%,23.25%,3.70%,43.91%,45.86%。雖然當(dāng)?shù)卣布訌?qiáng)了對水資源的保護(hù)與管理，但是由于這幾個區(qū)域近來建設(shè)用地的大量劇增，改變了局地小氣候，從而影響了當(dāng)?shù)亟邓约皻鉁貭顩r，其中最主要的原因是經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口的劇增對水資源需求量的增加，從而導(dǎo)致該區(qū)域水資源脆弱性惡化加劇。

4 結(jié) 論

(1)在市域尺度上，貴陽市水資源脆弱性空間差異比較顯著，2005—2015年間的4個統(tǒng)計年份都有不同程度的表現(xiàn)，但總體而言，水資源脆弱性增強(qiáng)和變?nèi)醪⒋?，脆弱性空間分布格局表現(xiàn)出由“中南部高且周邊低”到“北弱南強(qiáng)”之態(tài)勢。

(2)在縣域尺度上，總趨勢表現(xiàn)出云巖區(qū)、南明區(qū)、白云區(qū)、烏當(dāng)區(qū)、觀山湖區(qū)和花溪區(qū)6個區(qū)水資源脆弱性增強(qiáng)明顯，其中增強(qiáng)最為顯著的是觀山湖區(qū)、花溪區(qū)和烏當(dāng)區(qū)，而清鎮(zhèn)市、修文縣、息烽縣和開陽縣4個縣(市)則以脆弱性減弱為主。