基于GIS技术分析水资源脆弱性

刘 硕，冯美丽

（1.太原理工大学 矿业工程学院，太原030024；2.北京师范大学 环境学院，北京100875）

水资源问题日益引起国际社会的广泛关注。20世纪80年代以来，相关领域对水资源的研究成为水文地质工作者研究的热点问题。其中，法国Albinet和Marget于1999年提出了地下水资源脆弱性概念［1］：在自然条件下污染源从地表渗透与扩散到地下水面的可能性。20世纪80年代后期，欧美国家又陆续展开了地下水脆弱性评价与编图工作。美国环境保护署（USEAP）于1987年提出的DRASTIC评价方法［2］，为宏观尺度大范围区域地下水脆弱性的定量评价模型的应用提供了合理有效的措施，得到了该领域研究者的认同和广泛使用。

我国水资源脆弱性研究起步于20世纪90年代，虽起步较晚，但近年来发展速度较快，其水资源研究主要集中在水资源承载力、水资源管理、水资源安全，以及水资源开发利用与保护［3］等方面；而在水资源脆弱性方面的研究，主要集中在北方地下水资源脆弱性的评价和编图工作方面［4］。研究工作者提出了多种水资源脆弱性的概念、研究方法、评价体系和计算模型。从国内应用情况来看，根据各地水文地质具体情况，各种评价模型都有自己的指标体系，地区不同、评价模型不同，所选用的参数也不同。但总体来看，目前主要以应用美国DRASTIC方法或其改进模型为主。在研究方向上，国内现有的水资源脆弱性研究集中于对水资源脆弱性总体情况的掌握，而往往忽视水资源脆弱性空间分布状况的研究。

1 水资源脆弱性评价内涵与研究手段

1.1 水资源脆弱性的内涵

水资源脆弱性的概念是在水资源危机日益突出的背景下应运而生的。在上世纪90年代，国外学者就提出了水资源脆弱性这个词［5］，并且对气候变化对水资源系统的影响进行了探索性的研究。但是迄今为止，水资源脆弱性概念、理论及计算方法都还处于拓展阶段，还不是很成熟，尚未形成公认的定义和系统的理论体系；对于水资源脆弱性的评价大都局限于进行地表水和地下水脆弱性的界定和研究［6－10］。

综合以往，可以看出，脆弱性主要强调外界环境对于水资源系统功能的影响，侧重人为作用的因素。可以概括为以下几种：

1）水资源自身特性所表现的脆弱性方面；

2）水资源在受到污染破坏时所表现的脆弱性方面；

3）水资源脆弱性应该指在一定社会政治、经济、文化背景下，水资源系统对外界环境的不利影响所表现出的自身功能下降的性质，这种性质是气候变化与各种人类活动互相作用的综合产物。

1.2 GIS技术在水资源脆弱性评价中的应用

水资源脆弱性评价因素主要包括水资源的数量、质量，涉及社会因素和自然因素两个方面［11］，因此需要建立一个全面的且针对性强的指标体系与之相配套。目前，用于水资源脆弱性评价的模型及方法有很多，如综合指数法、模糊分析法、定量分析法、集合论法、信息度量法等［12］。然而无论采用哪种模型，都会面对大量的自然与社会经济的数据处理和问题分析。而作为一种能采集、存储、检索、变换、处理和显示输出从自然界和人类社会获取的各种各样数据、信息的强有力工具地理信息系统（GIS），对于水资源脆弱性评价研究能起到相当大的推动作用。

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题［13］。基于以上特点，地理信息系统（GIS）可以用于水资源脆弱性评价的各项研究。

首先，在脆弱度评定方面，地理信息系统的数据库管理有利于将涉及自然、经济与人文领域的多个变量和大量数据归并到统一系统中，在此基础上建立起水资源脆弱性的评价模型。而相关的模型计算也是以地理信息系统的多种信息的叠加处理和一系列分析软件（回归分析、模糊加权评价、聚类分析、系统动力学模型等）加以保证的。

其次，为了研究区域水资源脆弱性的空间分布，还可以将遥感技术与GIS相结合，引入到水资源脆弱性评价模型中，具体而言有两种方法：一是利用遥感GIS手段将水资源脆弱性评价因子数字化成图，逐因子逐像元进行脆弱性评价，再将单因子评价结果复合，得到区域水资源脆弱性的综合评价结果；二是先将各评价因子数字化图像复合，再对所得图像进行分类，并分区赋值得到最终评价结果。

2 阳曲县水资源脆弱性评价

阳曲县位于山西省中部，太原市区北部，总面积2 027.67km2。2005年末，全县总人口为141 970人。全县4镇6乡，即黄寨镇、大盂镇、东黄水镇、泥屯镇、侯村乡、高村乡、凌井店乡、杨兴乡、西凌井、北小店乡。作为太原市的市辖县，阳曲县经济近年来发展比较迅速。伴随着经济的发展，和水资源的过度开发，同时还受来水量减少和水质恶化等方面的影响，供水难度逐渐增大，严重影响着阳曲县生活和生产用水。日益严重的“水危机”，一直困扰着本区的社会经济的进一步发展和人民生活水平的提高。

本次评价以阳曲县管辖范围内4镇6乡的水资源脆弱性为评价对象，分区评价以2004年至2010年为评价期间，采用基于GIS的聚类分析模型，通过野外调查试验取得的数据，以及收集到的以往相关研究成果，根据其具体地形、水文地质、气候条件、土地利用、污染负荷等数据资料，结合上述建立的水资源脆弱性评价模型，运用前述的研究方法，对阳曲县的水资源脆弱性进行综合评价和分区评价。

2.1 阳曲县水资源脆弱性综合评价

2.1.1 评价指标因子的选取

对于阳曲县来说，既要作为城市的一部分来考虑，同时也要根据其区域自身的特点来构建水资源脆弱性评价指标。根据上述的指标选取原则和阳曲县的地形地貌、水资源状况等实际情况，考虑实验区域的数据和技术条件的有限性，分别选择了具有代表性的一些指标来进行考察。此次研究，我们从自然因素和人为因素两个方面选取了降雨量、蒸发量、草地类型、地貌类型、地下水含量、生态敏感性、地面高程、水文地质、工程地质、河流五项、河流有机污染、年干燥度、年气温、生态恢复能力、水蚀模数、水土流失、水系流域、土壤类型、相对湿度、植被区划、自然净化、综合自然区划、环境容量超载度、交通优势度、经济发展水平、可利用水资源、人口集聚度等27个关键参评因子，构成阳曲县水资源脆弱性评价指标体系。根据各项指标的关联度可判断其对水资源脆弱性的影响，关联度越大对水资源脆弱性的影响越不利。在实践中，应尽可能降低关联度大的指标因子，使其朝有利于改善水资源脆弱性的方向变化。

相关评价因子权重的确定，通常有模糊综合评判法、灰色关联法、AHP法等方法，本文选择适宜于评价范围小、计算方法简便易行的特尔菲法来确定上述27项指标的权重。结果表明，27项评价因子中，仅4项人为因素所占权重就有29.2%，接近30%。人口集聚度和经济发展水平尤为重要，体现了水资源脆弱性的人口压力和社会经济压力。自然因素分为气候状况、水资源状况、地质地貌、生态环境四部分，分别占全部因子权重的8.8%，21.7%，18%，22.3%。

2.1.2 综合评价结果

区域水资源脆弱性指数用来表述评价对象现状与目标符合程度和向目标接近的速度，指数越接近1，就越脆弱，越接近0，就越稳定。但采用此量化指标直观上较难判断脆弱性程度，需对该结果进行分级处理。由于目前还没有这种分级的统一标准可以采用，笔者结合区域实际情况并参照相关文献，将阳曲县水资源系统脆弱性程度（即脆弱度）划分为5个等级：基本稳定（I级），轻微脆弱（II级），一般脆弱（III级），脆弱（IV级），严重脆弱（V级）。如表1所示。

表1 区域水资源脆弱性评价等级分类表

本文采用综合评分法对研究区的水资源脆弱性状况进行评价。根据AHP法确定的水资源脆弱性评价指标的权重，逐层逐项对各指标进行加权评分，即得到研究区域水资源脆弱性状况的综合值。其计算公式如下：

式中：P为乡镇水资源脆弱性综合指数；Ui为指标i的标准化值；Ei为指标i的权重值；n为指标个数。显然P的最高值为1，表示水资源脆弱性最大，水资源状况达到了最差状态；当P＝0时，说明水资源脆弱性为0，水资源状况处于最佳状态。P越大，表示该区域的水资源脆弱性越大。

依据公式（1）、（2），我们可以得到阳曲县各个指标的单因子脆弱性指数Pi，最终得到的阳曲县水资源脆弱性综合指数用P来表示。经计算，阳曲县水资源脆弱性值P＝0.553，属于水资源脆弱性综合评价中的中等脆弱状态，水资源脆弱性情况属于一般，代表该地区水资源系统呈现脆弱性警告，水循环功能己有退化。水环境受到一定破坏，水资源系统结构有变化，但尚可维持基本功能，受干扰后易恶化，水资源供需矛盾时常显现。

2.2 阳曲县水资源脆弱性分区评价

为了深入了解阳曲县的水资源脆弱性状态的空间分布，我们对阳曲县10个乡镇的27个指标做了横向分析对比。运用本文前述的模型及指标体系对阳曲县各乡镇的水资源脆弱性指数水平进行计算分析。具体而言，即是利用遥感GIS技术将上述27项指标数字化成图，再与阳曲县行政图匹配，根据公式（3）得到表征各指标在阳曲县10个乡镇分布状况表（如表2所示）。之后利用主成分分析法［14］和分层聚类法，得到阳曲县水资源脆弱性评价因子分区图（图1所示）。

水资源脆弱性评价指标计算公式如下：

图1 阳曲县水资源脆弱性评价结果分区示意图

式中：K为乡镇的指标值；Si为色块i所占该乡镇面积的比重；Vi为色块i所代表的属性值；n为该乡镇区域中包含的总色块数。

由图1可以看出，高村、侯村水资源脆弱性状况比较接近，形成一小类，水资源脆弱性最弱，处于基本稳定状态；北小店、黄寨的水资源脆弱性为轻微状态，属于一类；大盂、泥屯镇成为一类，水资源脆弱性一般；东黄水、西凌井成一类，水资源比较脆弱；凌井店、杨兴成为一类，水资源脆弱性最严重。

表2 评价分区各乡镇的K指标值

3 结论和建议

根据以乡镇为基础进行的区域水资源脆弱性分析结果，可以看出，阳曲县大部分乡镇水资源脆弱值都偏高，迫切需要采取措施来保护该县的水资源。但不同乡镇的脆弱值还存在着较大差别。从研究区的整个分布而言，脆弱性呈现的是东高西低、中间高南北低的特征，且从东西分别向中间呈逐渐降低趋势。其中，凌井店和杨兴乡，地下水极度贫乏，再加上其降水量的分布很少，导致该地区水资源脆弱度很大；而对西凌井乡和东黄水镇而言，水土流失状况严重，属于黄土丘陵台地中度流失区，并且年干燥度和年气温均较高，导致蒸发量很大。除此之外，西凌井乡属于极贫水区；而东黄水镇有45%属于极贫水区，55%属于贫水区。综上所述，这4个乡镇的水资源脆弱性较大且有一定的相似性。分析其原因，水资源的资源性匮乏是最主要的因素，再加上经济发展水平较低而导致水资源监管治理力度不足，是造成阳曲县东南部三个乡镇和西部最大面积的西凌井乡水资源脆弱性严重的主要原因。

高村、侯村紧邻黄寨镇，其人口聚集度和经济发展水平仅次于黄寨，生态环境和土壤状况等发展较好，水资源脆弱性最低，水资源状况在全县属于最好的。根据阳曲县生态功能及社会经济综合评价图（如图2所示），高村和侯村这两个乡镇属于生态经济最协调的地区，也是该地区水资源系统稳定，水环境功能正常发挥的重要表现之一。此外，该地区属于太原盆地北部生态农业与水土保持重点开发区，对降低水资源脆弱性有一定的作用。

阳曲县县政府所在地黄寨镇，位于阳曲县地理位置中心，同时也是阳曲县的政治经济中心，资源丰富，经济发达，人口密度远远大于其他9个乡镇。黄寨镇脆弱度值减少的关键原因在于，该地区地处积水的盆地区，且没有用水量很大的企业和厂矿，地下水涵养度也比较高。另一方面，黄寨镇是阳曲县社会经济较发达、人口素质较高的镇，对于水资源保护和治理的投入较大，各项水资源保护的政策和法规等的实施和监管也比较到位，水资源总体开发利用的效率较其他乡镇高。

图2 阳曲县各乡镇水资源脆弱性评价结果分析柱状图

通过本次对阳曲县水资源脆弱性的系统研究，我们认为，只有通过合理开发利用水资源，才能促使阳曲县水资源的开发利用步入良性循环。今后可以从以下几方面考虑：

1）积极防治农业非点源污染［15］。阳曲县的水污染很大一部分是由于化肥和农药的不合理使用，应根据阳曲县农田的土壤状况，制定一个切合实际的化肥和农药施用技术的暂行管理办法，降低农业非点源污染形成的危险性。

2）解决乡镇企业的水环境问题。严格执行国家有关环境保护法律和法规，促使这些企业转变产业结构，根据地区发展选择污染小的产业。此外，还应重视引进高新技术，提高水资源的利用效率、降低能源消耗；提高资源利用水平，降低污染物排放总量，减轻生产过程对环境造成的不利影响，降低人类对水资源脆弱性的影响。

3）加大国家退耕还林、还草政策的实施力度。通过退耕还林、还草，减少水土流失对水资源脆弱性带来的影响。对已经被污染和破坏的水环境实施恢复治理，增强水资源系统的自我恢复能力，从而提高水环境的生态承载力。

4）加强生态环境建设和监管力度。对禁止开发区和限制开发区要加强监管力度，保持区内湿地生态系统的良好发展。对于工矿企业，要对其整个生产过程进行监控，实施环境影响评价、污染物排放总量控制和排污收费等制度，实现经济发展和生态环境的协调发展。

［1］ DOERFLIGER N，JEANNIN PY，ZWAHLEN F.Water vulnerability assessment in karsts environments a new method of defining protection areas using a multi－attribute approach and GIS tools［J］.Environmental Geology，1999，39（2）：165-176.

［2］ Aller L，Bennett T，Lehr H，et al.DRASTIC：A Standardized System for Evaluating Groundwater Pollution Potential Using Hydrgeological Settings［J］.Oklahoma：U S Environmental Protection Agency，1987：38-57.

［3］ 秦大庸，罗翔宇，陈晓军，等.西北干旱区水资源开发利用潜力分析［J］.自然资源报，2004，19（2）：143-150.

［4］ 任步钧.北方城市园林绿化［M］.哈尔滨：东北林业大学出版社，2000.

［5］ Surendra N K.A global outlook for water resources to the year 2025［J］.Water Resources Management，1998，12：167-184.

［6］ TAIKAN OKI.Global water resources assessment under climatic change in 2050using TRIP［C］∥Franks S，Bloschl G，Kumagai M，et al.Water Resources Systems-Water availability and global change.Wallingford：TAHS Press，2003.

［7］ Gogu R C，Desargues A.Current trends and future challenges in ground water vulnerability assessment using overlay and index methods.Environment Geology，2000，39（6）：549-559.

［8］ 邹君，杨玉蓉，谢小立.地表水资源脆弱性：概念、内涵及定量评价［J］.水土保持通报，2007，27（2）：132-145.

［9］ 刘绿柳.水资源脆弱性及其定量评价［J］.水土保持通报，2002，22（2）：41-44.

［10］ 唐国平，李秀彬，刘燕华.全球气候变化下水资源脆弱性及其评估方法［J］.地球科学进展，2000，15（3）：313-317.

［11］ 刘金芳.沈阳市水资源可持续开发利用影响因素分析［J］.现代农业科技，2007，15：192-195.

［12］ 蔡海生，刘木生，李凤英，等.生态环境脆弱性静态评价与动态评价［J］.江西农业大学学报，2009，31（1）：149-165.

［13］ 汤国安.地理信息技术［M］.北京：科学出版社，2000.

［14］ 何晓群.现代统计分析方法与应用［M］.北京：中国人民大学出版社，1998.

［15］ 王贵玲，刘志明，王骥，等.西北地区地下水资源开发利用与环境保护研究［M］.北京：地质出版社，2002.