海河流域水資源脆弱性及其評價理學(xué)論文
摘要:水資源脆弱性是評價水資源系統(tǒng)對自然條件變動或人類開發(fā)利用影響承載能力的重要指標(biāo),其評價對于水資源保護工作非常重要。從自然因素、人為因素、綜合因素三方面給出13個指標(biāo),利用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重,綜合相關(guān)研究及經(jīng)驗確定各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值,綜合進行區(qū)域水資源脆弱性評價。以海河流域為例開展了實例研究,海河流域現(xiàn)狀的水資源脆弱度為59.7,屬于中度脆弱區(qū);在未來氣候變化條件下,經(jīng)過人工水資源調(diào)控措施,海河流域2020年、2030年水資源脆弱度分別為58.64、58.63,證明水資源調(diào)控措施將會改善海河流域水資源條件。
該方法對流域級水資源系統(tǒng)的脆弱性評價有重要意義。
關(guān)鍵詞:水資源;脆弱性評價;指標(biāo)體系;層次分析法;海河流域;情景預(yù)測
1國內(nèi)外水資源脆弱性評價進展
隨著人口的急劇膨脹和經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,人類活動對流域水資源系統(tǒng)的影響不斷增強,出現(xiàn)了諸如河道斷流、洪澇、干旱和地面沉降等等一系列的脆弱性事件。水資源脆弱性研究逐漸受到學(xué)者的關(guān)注。
國外水資源脆弱性的研究始于地下水資源脆弱性概念的提出(Albinet&M arget,1968)。20世紀(jì)80年代以后,對地下水脆弱性的研究關(guān)注于含水層本身屬性的同時開始考慮人類活動對地下水脆弱性的影響[1]。對于水資源的脆弱性定量研究工作尚顯不足, Surendra N.Kulshreshtha(1998)從人口增長、糧食自給程度、工業(yè)增長及氣候變化四個方面對全球現(xiàn)狀水平(1990年)及未來水平(2025年)的水資源脆弱性進行對比評價,認(rèn)為未來人口增長是對水資源脆弱性貢獻最大的因素[2]。Thian Yew Gan(2000)提議通過增加小型水資源工程、增加雪水的儲存、增加現(xiàn)有水資源系統(tǒng)間的集成、在農(nóng)業(yè)范圍內(nèi)在水價、計水方式等方面推行節(jié)水措施,以此來降低北美大草原應(yīng)對未來氣候變暖及干旱時的水資源脆弱度[3]。
國內(nèi)水資源脆弱性研究起步于20世紀(jì)90年代中期,研究內(nèi)容多為地下水脆弱性,近年來部分學(xué)者在水資源脆弱性的概念、內(nèi)涵、定量評估方法等方面做了有益的探索。劉綠柳[4]較早提出了水資源脆弱性的概念,并且在分析其脆弱性內(nèi)涵的基礎(chǔ)上給出了水資源脆弱性定量評價的指標(biāo)體系和評價方法;鄒君[5]等以南方地表水資源系統(tǒng)為研究對象,提出了地表水資源脆弱性的概念,分析了地表水資源脆弱性的內(nèi)涵和影響因素。由于水資源系統(tǒng)本身的復(fù)雜性,國內(nèi)外水資源脆弱性研究尚處在起步階段,存在比較突出的問題是水資源脆弱性的概念尚沒有形成共識,還沒有形成完備的流域尺度的水資源脆弱性評價理論和方法體系。
2水資源脆弱性的概念
水資源系統(tǒng)是在一定區(qū)域內(nèi)由各種形態(tài)的水所構(gòu)成的統(tǒng)一體。統(tǒng)一體中的各類水具有相互聯(lián)系并依一定規(guī)律相互轉(zhuǎn)化,體現(xiàn)出明顯的整體功能、層次結(jié)構(gòu)和特定行為[6]。
綜合相關(guān)研究,作者認(rèn)為,對于水資源系統(tǒng)而言,脆弱性有3層含義:1脆弱性是水資源系統(tǒng)自然屬性的一種外在表現(xiàn);
脆弱性容易受氣候變化、水資源開發(fā)利用等外在因素的影響,并通過一定的方式表現(xiàn)出來;?水資源系統(tǒng)具有一定的自我恢復(fù)能力。
3評價方法
目前水資源脆弱性的定量評價方法有模糊分析法、層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、EFI脅迫度指數(shù)法和綜合分析等方法。
模糊分析方法可以定量的描述單因素的模糊屬性和不確定性;層次分析法根據(jù)定量與定性相結(jié)合,定量描述評價指標(biāo)的重要性是解決決策問題的簡便方法;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有自學(xué)習(xí)功能,并能夠快速尋優(yōu),是模擬、預(yù)測中應(yīng)用較多的工具;
EF I脅迫度指數(shù)法是從生物承載能力來描述區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài);綜合分析法則根據(jù)實際情況選取不同的方法綜合進行水資源脆弱度評價。結(jié)合本文研究情況,本文采用綜合分析法進行水資源脆弱性評價。
3.1指標(biāo)體系建立
水資源脆弱性評價指標(biāo)體系的構(gòu)建從我國水資源的實際情況出發(fā),將影響水資源脆弱性的主要影響因素分為三類,即自然因素、人為因素、綜合因素,并根據(jù)科學(xué)性、合理性、可操作性和可比性建立指標(biāo)評價體系。
自然因素指標(biāo)包括降水量、干旱指數(shù)、年降水極值比、調(diào)出入境水量等;人為因素指標(biāo)包括經(jīng)濟增長速度、萬元產(chǎn)值CO D排放量、人均生活COD排放量、城市污水處理率、調(diào)入調(diào)出水量;人均水資源量、水資源開發(fā)利用程度、地下水開采比例和用水定額受自然因素和人類因素同時制約,作為綜合因素指標(biāo)進行評價。
為了便于比較,實際計算中對指標(biāo)的處理如下:1流域調(diào)入水量按照流域面積折算為調(diào)入水深,與降水深統(tǒng)一作為流域年總?cè)胨窟M行考慮;o年降水極值比采用多年降水中年最大降水深的最大值與最小值的比值;?地下水開采比例采用在同一范圍內(nèi)某時間段的地下水開采量與地下水可開采量的比值;?出境水量包括兩部分:一是調(diào)出水量、二是河流自然流動流出的水量,目前對河道內(nèi)的出入境水量和入海水量還沒有一個較為公認(rèn)的值,僅是由上下游用水戶協(xié)議解決,因此不考慮這部分水量,只考慮跨流域調(diào)出水量;干旱指數(shù)采用年蒸發(fā)能力與年降水量的比值,表征氣候干濕程度?降水集中程度采用多年平均連續(xù)最大4個月降水量占全年降水量的比值;?采用人均GDP作為衡量人類活動對水資源系統(tǒng)影響的重要指標(biāo);à采用區(qū)域人均水資源量和水資源開發(fā)利用程度來宏觀衡量水資源壓力,其中水資源開發(fā)利用程度定義為年取用的'淡水資源量占可獲得的(可更新)淡水資源總量的百分率;á采用萬元GDP用水量來反映流域/區(qū)域的用水水平。
3.2指標(biāo)權(quán)重的確定
本文結(jié)合專家打分法與層次分析法進行指標(biāo)權(quán)重值的確定。
層次分析法是確定指標(biāo)權(quán)重較為成熟的方法,該方法是一種多準(zhǔn)則思維的方法,它將定性分析和定量分析相結(jié)合,把人們的思維過程層次化和數(shù)量化,在目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要的數(shù)據(jù)情況下尤為實用。
根據(jù)層次分析法,按照因素之間有無相互影響可以將因素分為不同層,保持同一層內(nèi)的因素之間相互獨立,通過構(gòu)造判斷矩陣及專家打分可以定量的計算出某層各因素對于上層的因素影響的貢獻度。以此類推,可以計算出劃分的所有因素對其上層因素的影響程度。具體各指標(biāo)的權(quán)重見表1。
3.3評分標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)臨界值的確定
評價指標(biāo)采用5等級100分制[7]劃分,根據(jù)各區(qū)域的現(xiàn)狀值進行確定。各指標(biāo)采用等間距級差劃分等級,即先確定指標(biāo)的極大值和極小值,然后進行5等分確定各等級區(qū)間。
極值的確定則根據(jù)全國水資源一級區(qū)水資源狀況與相應(yīng)指標(biāo)對應(yīng)的情況進行,由此確定以下結(jié)果。
1年總?cè)胨吭?00 mm以下為強脆弱區(qū),800 mm以上為不脆弱區(qū);
o年降水極值比在1.5(含)以下時,區(qū)域水資源趨于不脆弱;但是年降水極值比在3(含)以上時表明地區(qū)發(fā)生暴雨,區(qū)域水資源趨于強脆弱[829];
地下水開采比例在0.3以下時水資源趨于不脆弱,但是該比例在1以上時區(qū)域水資源趨于強脆弱[10];
調(diào)出水量占當(dāng)?shù)厮Y源總量的20%的地區(qū)水資源的脆弱程度最強,調(diào)出水量占當(dāng)?shù)厮Y源總量的5%的地區(qū)水資源的脆弱程度最低[11];
認(rèn)為十分濕潤區(qū)(干旱指數(shù)小于0.5)的地區(qū)水資源的脆弱程度最低,干旱區(qū)(干旱指數(shù)大于7)的地區(qū)水資源的?確定降水集中程度在50%以下的地區(qū)水資源趨向于不脆弱,而降水集中度在90%以上的地區(qū)的水資源趨向于強脆弱性;
人均GDP在2萬元/人以下時經(jīng)濟社會活動對水資源的擾動比較小,水資源系統(tǒng)趨向于不脆弱;人均GDP在3萬元/人以上時,經(jīng)濟社會活動對水資源的擾動比較大,水資源系統(tǒng)趨向于強脆弱;
將人均水資源量小于500 m3/年定為水資源強脆弱區(qū),大于3 000 m3/年時地區(qū)水資源趨于不脆弱;
水資源開發(fā)利用程度在40%以下的地區(qū),水資源系統(tǒng)趨于不脆弱,水資源開發(fā)利用率在70%以上的地區(qū),水資源系統(tǒng)趨于強脆弱[12];
地區(qū)萬元GDP用水量在150 m3以下時,造成水資源系統(tǒng)趨向于不脆弱;萬元GDP用水量在400 m3以上時,造成水資源系統(tǒng)趨于強脆弱;
101萬元產(chǎn)值COD排放量、人均生活 COD排放量和城市污水集中處理率則根據(jù)現(xiàn)狀條件將大于9 kg/萬元、大于15kg/人a、小于20%定義為強脆弱,而小于2 kg/萬元、小于5kg/人a、大于60%定義為不脆弱。
綜上,可以構(gòu)造水資源脆弱性評價指標(biāo)的分級與標(biāo)準(zhǔn)見表1。
3.4水資源脆弱性評價
水資源脆弱度(VOW)采用通用的綜合指數(shù)加權(quán)求和模型計算,其中Fi表示各評價因子經(jīng)過分級打分所得的數(shù)值,Xi為各因子相對水資源脆弱性的權(quán)重系數(shù)。計算結(jié)果越大,脆弱度就越高,反之脆弱度就越低,數(shù)值大小保持在0~100之間。
結(jié)論
本文根據(jù)水資源系統(tǒng)的特點,提出了水資源脆弱性的概念,以及水資源脆弱性的定量評價方法:從自然因素、人為因素、綜合因素三個方面構(gòu)建了區(qū)域水資源脆弱性評價的指標(biāo)體系,并開展海河流域現(xiàn)狀情景及未來情景預(yù)測的水資源脆弱性評價。結(jié)果表面海河流域現(xiàn)狀條件(1956年-2005年平均狀況)下的水資源處于中度脆弱,未來在人工開源措施的情境下流域水資源脆弱程度略微下降。但是未來條件下海河流域水資源脆弱程度仍然需要關(guān)注,加大力度的開源節(jié)流是必要措施。
實際研究中缺乏相關(guān)指標(biāo)對應(yīng)水資源脆弱程度的標(biāo)準(zhǔn)值劃定,因此本文中的計算依舊根據(jù)現(xiàn)有的研究經(jīng)驗確定,需要更多對各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的精細(xì)研究。同時水資源系統(tǒng)與人類社會之間聯(lián)系的復(fù)雜性導(dǎo)致了描述的困難性,難以窮舉各個要素進行描述,流域(區(qū)域)之間條件存在差異,因此制定統(tǒng)一的指標(biāo)體系及確定合理的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值依舊是水資源脆弱性研究的難點,需要更多研究的關(guān)注。
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