海河流域水资源脆弱性及其评价理学论文
摘要:水资源脆弱性是评价水资源系统对自然条件变动或人类开发利用影响承载能力的重要指标,其评价对于水资源保护工作非常重要。从自然因素、人为因素、综合因素三方面给出13个指标,利用层次分析法确定各指标的权重,综合相关研究及经验确定各指标的标准值,综合进行区域水资源脆弱性评价。以海河流域为例开展了实例研究,海河流域现状的水资源脆弱度为59.7,属于中度脆弱区;在未来气候变化条件下,经过人工水资源调控措施,海河流域2020年、2030年水资源脆弱度分别为58.64、58.63,证明水资源调控措施将会改善海河流域水资源条件。
该方法对流域级水资源系统的脆弱性评价有重要意义。
关键词:水资源;脆弱性评价;指标体系;层次分析法;海河流域;情景预测
1国内外水资源脆弱性评价进展
随着人口的急剧膨胀和经济社会的快速发展,人类活动对流域水资源系统的影响不断增强,出现了诸如河道断流、洪涝、干旱和地面沉降等等一系列的脆弱性事件。水资源脆弱性研究逐渐受到学者的关注。
国外水资源脆弱性的研究始于地下水资源脆弱性概念的提出(Albinet&M arget,1968)。20世纪80年代以后,对地下水脆弱性的研究关注于含水层本身属性的同时开始考虑人类活动对地下水脆弱性的影响[1]。对于水资源的脆弱性定量研究工作尚显不足, Surendra N.Kulshreshtha(1998)从人口增长、粮食自给程度、工业增长及气候变化四个方面对全球现状水平(1990年)及未来水平(2025年)的水资源脆弱性进行对比评价,认为未来人口增长是对水资源脆弱性贡献最大的因素[2]。Thian Yew Gan(2000)提议通过增加小型水资源工程、增加雪水的储存、增加现有水资源系统间的集成、在农业范围内在水价、计水方式等方面推行节水措施,以此来降低北美大草原应对未来气候变暖及干旱时的水资源脆弱度[3]。
国内水资源脆弱性研究起步于20世纪90年代中期,研究内容多为地下水脆弱性,近年来部分学者在水资源脆弱性的概念、内涵、定量评估方法等方面做了有益的探索。刘绿柳[4]较早提出了水资源脆弱性的概念,并且在分析其脆弱性内涵的基础上给出了水资源脆弱性定量评价的指标体系和评价方法;邹君[5]等以南方地表水资源系统为研究对象,提出了地表水资源脆弱性的概念,分析了地表水资源脆弱性的内涵和影响因素。由于水资源系统本身的复杂性,国内外水资源脆弱性研究尚处在起步阶段,存在比较突出的问题是水资源脆弱性的概念尚没有形成共识,还没有形成完备的流域尺度的水资源脆弱性评价理论和方法体系。
2水资源脆弱性的概念
水资源系统是在一定区域内由各种形态的水所构成的统一体。统一体中的各类水具有相互联系并依一定规律相互转化,体现出明显的整体功能、层次结构和特定行为[6]。
综合相关研究,作者认为,对于水资源系统而言,脆弱性有3层含义:1脆弱性是水资源系统自然属性的一种外在表现;
脆弱性容易受气候变化、水资源开发利用等外在因素的影响,并通过一定的方式表现出来;?水资源系统具有一定的自我恢复能力。
3评价方法
目前水资源脆弱性的定量评价方法有模糊分析法、层次分析法、神经网络法、EFI胁迫度指数法和综合分析等方法。
模糊分析方法可以定量的描述单因素的模糊属性和不确定性;层次分析法根据定量与定性相结合,定量描述评价指标的重要性是解决决策问题的简便方法;神经网络法具有自学习功能,并能够快速寻优,是模拟、预测中应用较多的工具;
EF I胁迫度指数法是从生物承载能力来描述区域可持续发展的状态;综合分析法则根据实际情况选取不同的方法综合进行水资源脆弱度评价。结合本文研究情况,本文采用综合分析法进行水资源脆弱性评价。
3.1指标体系建立
水资源脆弱性评价指标体系的构建从我国水资源的实际情况出发,将影响水资源脆弱性的主要影响因素分为三类,即自然因素、人为因素、综合因素,并根据科学性、合理性、可操作性和可比性建立指标评价体系。
自然因素指标包括降水量、干旱指数、年降水极值比、调出入境水量等;人为因素指标包括经济增长速度、万元产值CO D排放量、人均生活COD排放量、城市污水处理率、调入调出水量;人均水资源量、水资源开发利用程度、地下水开采比例和用水定额受自然因素和人类因素同时制约,作为综合因素指标进行评价。
为了便于比较,实际计算中对指标的处理如下:1流域调入水量按照流域面积折算为调入水深,与降水深统一作为流域年总入水量进行考虑;o年降水极值比采用多年降水中年最大降水深的最大值与最小值的比值;?地下水开采比例采用在同一范围内某时间段的地下水开采量与地下水可开采量的比值;?出境水量包括两部分:一是调出水量、二是河流自然流动流出的水量,目前对河道内的出入境水量和入海水量还没有一个较为公认的值,仅是由上下游用水户协议解决,因此不考虑这部分水量,只考虑跨流域调出水量;干旱指数采用年蒸发能力与年降水量的比值,表征气候干湿程度?降水集中程度采用多年平均连续最大4个月降水量占全年降水量的比值;?采用人均GDP作为衡量人类活动对水资源系统影响的重要指标;à采用区域人均水资源量和水资源开发利用程度来宏观衡量水资源压力,其中水资源开发利用程度定义为年取用的'淡水资源量占可获得的(可更新)淡水资源总量的百分率;á采用万元GDP用水量来反映流域/区域的用水水平。
3.2指标权重的确定
本文结合专家打分法与层次分析法进行指标权重值的确定。
层次分析法是确定指标权重较为成熟的方法,该方法是一种多准则思维的方法,它将定性分析和定量分析相结合,把人们的思维过程层次化和数量化,在目标结构复杂且缺乏必要的数据情况下尤为实用。
根据层次分析法,按照因素之间有无相互影响可以将因素分为不同层,保持同一层内的因素之间相互独立,通过构造判断矩阵及专家打分可以定量的计算出某层各因素对于上层的因素影响的贡献度。以此类推,可以计算出划分的所有因素对其上层因素的影响程度。具体各指标的权重见表1。
3.3评分标准及指标临界值的确定
评价指标采用5等级100分制[7]划分,根据各区域的现状值进行确定。各指标采用等间距级差划分等级,即先确定指标的极大值和极小值,然后进行5等分确定各等级区间。
极值的确定则根据全国水资源一级区水资源状况与相应指标对应的情况进行,由此确定以下结果。
1年总入水量在200 mm以下为强脆弱区,800 mm以上为不脆弱区;
o年降水极值比在1.5(含)以下时,区域水资源趋于不脆弱;但是年降水极值比在3(含)以上时表明地区发生暴雨,区域水资源趋于强脆弱[829];
地下水开采比例在0.3以下时水资源趋于不脆弱,但是该比例在1以上时区域水资源趋于强脆弱[10];
调出水量占当地水资源总量的20%的地区水资源的脆弱程度最强,调出水量占当地水资源总量的5%的地区水资源的脆弱程度最低[11];
认为十分湿润区(干旱指数小于0.5)的地区水资源的脆弱程度最低,干旱区(干旱指数大于7)的地区水资源的?确定降水集中程度在50%以下的地区水资源趋向于不脆弱,而降水集中度在90%以上的地区的水资源趋向于强脆弱性;
人均GDP在2万元/人以下时经济社会活动对水资源的扰动比较小,水资源系统趋向于不脆弱;人均GDP在3万元/人以上时,经济社会活动对水资源的扰动比较大,水资源系统趋向于强脆弱;
将人均水资源量小于500 m3/年定为水资源强脆弱区,大于3 000 m3/年时地区水资源趋于不脆弱;
水资源开发利用程度在40%以下的地区,水资源系统趋于不脆弱,水资源开发利用率在70%以上的地区,水资源系统趋于强脆弱[12];
地区万元GDP用水量在150 m3以下时,造成水资源系统趋向于不脆弱;万元GDP用水量在400 m3以上时,造成水资源系统趋于强脆弱;
101万元产值COD排放量、人均生活 COD排放量和城市污水集中处理率则根据现状条件将大于9 kg/万元、大于15kg/人a、小于20%定义为强脆弱,而小于2 kg/万元、小于5kg/人a、大于60%定义为不脆弱。
综上,可以构造水资源脆弱性评价指标的分级与标准见表1。
3.4水资源脆弱性评价
水资源脆弱度(VOW)采用通用的综合指数加权求和模型计算,其中Fi表示各评价因子经过分级打分所得的数值,Xi为各因子相对水资源脆弱性的权重系数。计算结果越大,脆弱度就越高,反之脆弱度就越低,数值大小保持在0~100之间。
结论
本文根据水资源系统的特点,提出了水资源脆弱性的概念,以及水资源脆弱性的定量评价方法:从自然因素、人为因素、综合因素三个方面构建了区域水资源脆弱性评价的指标体系,并开展海河流域现状情景及未来情景预测的水资源脆弱性评价。结果表面海河流域现状条件(1956年-2005年平均状况)下的水资源处于中度脆弱,未来在人工开源措施的情境下流域水资源脆弱程度略微下降。但是未来条件下海河流域水资源脆弱程度仍然需要关注,加大力度的开源节流是必要措施。
实际研究中缺乏相关指标对应水资源脆弱程度的标准值划定,因此本文中的计算依旧根据现有的研究经验确定,需要更多对各指标标准值的精细研究。同时水资源系统与人类社会之间联系的复杂性导致了描述的困难性,难以穷举各个要素进行描述,流域(区域)之间条件存在差异,因此制定统一的指标体系及确定合理的指标标准值依旧是水资源脆弱性研究的难点,需要更多研究的关注。
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