塔里木河流域水资源系统脆弱性定量评价研究

宁理科，刘海隆，包安明

（1.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子832003；2.中国科学院 新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐830011）

水资源系统脆弱性研究是开展流域水资源规划和管理的基础，已成为应对气候变化、保障水资源安全重点关注的问题［1］。从国内外对水资源系统脆弱性的研究内容来看，大多数研究集中在气候变化对水资源脆弱性的影响上，如王国庆等［2］研究了我国淡水资源在气候变化情景下的脆弱性；唐国平等［3］提出了构建了全球变化下水资源脆弱性的评估方法；Döll［4］从人为和自然两个系统入手研究了气候变化下地下水资源的脆弱性；Farley等［5］考虑政策影响研究了气候变化下供水系统脆弱性的影响。另外，Hamouda等［6］将脆弱性作为系统属性分别从社会经济、基础设施、生态等角度研究了水资源系统脆弱性。但是这些研究很少考虑水资源供给、需求和管理等诸多因素，因此，对水系统脆弱性的形成过程与机理研究不够，尤其是对于内陆河流域这样缺水严重的地区，难以解释水资源系统脆弱性的本质，无法满足水资源优化配置和高效利用的需要。

在由来水—供水—用水—耗水—排水形成的内陆河流域水系统中，来水和耗水发生大幅变化时，平衡的供水—用水系统很容易被彻底倾覆，造成重大损失。研究表明，我国西北干旱区多个省区的水资源脆弱性将进一步加剧［2］，而减小水资源系统脆弱性是应对未来变化的第一步［7］。因此，研究干旱区内陆河流域水资源系统脆弱性是十分必要的。

此外，水资源系统脆弱性的定义尚不统一［8］，如秦大河等［9］从气候变化和人类活动影响的角度出发，认为水资源系统脆弱性是气候变化对水资源可能造成损害的程度；Liu［10］则认为水资源系统脆弱性应该由水资源对气候变化的敏感性来反映；刘绿柳［11］从地下水脆弱性引申，认为水资源系统脆弱性是水资源系统易遭受人类活动、自然灾害威胁和损失的性质和状态，受损后难于恢复到原来状态和功能的性质。

Luers［12］认为脆弱性评估之前需要明确脆弱性的概念。陈亚宁等［13］指出干旱区内陆河流域水问题研究的重点是山区来水与流域内生活、生产与生态需水的内在联系以及流域水系统中供需水依赖关系。因此，笔者认为干旱区内陆河流域水资源系统脆弱性是指以供需水为核心的水资源系统在发展过程中，受到不同的自然、社会系统的内在特征、资源条件和法规体系影响，维持自身稳定性的能力。干旱区内陆河流域水资源系统脆弱性以供需水为核心进行定义，当供需水的各个方面在系统内在特征变化和法规体系的影响下，系统不能维持正常的供需水关系时，脆弱性就会以农业灾害、土壤退化、生态恶化等不良后果的形式表现出来。其次，脆弱性是干旱区内陆河流域水资源系统的固有属性，随系统的变化而变化，是动态的，具有时间尺度，并且脆弱性在干旱区内陆河流域随区域位置发生变化，具有空间尺度。最后，干旱区内陆河流域水资源系统脆弱性存在一个阈值，当超过该阈值时，系统遭到破坏，可能转化为另外一种系统，并且该转化在短时间内具有不可逆性。

本文拟选择典型的干旱区内陆河流域塔里木河流域为研究对象，结合干旱区内陆河流域水资源系统的特点，提出定量表达干旱区水资源系统脆弱性的方法，并构建合理的指标体系，展开流域水资源系统脆弱性定量评估。

1 研究区概况及数据来源

塔里木河流域是一个封闭的内陆水循环和水均衡的水文区域，自西向东绕塔克拉玛干大沙漠，贯穿地处天山山脉南侧和昆仑山北麓的塔里木盆地。流域内分布有五地州42个县市，包括新疆生产建设兵团4个师的55个团场，流域面积1.02×106km2（包括沙漠面积）。流域多年平均地表水天然径流量3.98×108m3，其中冰川融水量占出山口径流量的40%左右［14］，绿洲耗水量约为2.21×108m3［15］。径流年内分配不均，6—9月来水量在全年径流量中的比重超过70%。并且干流来水量约以8×108～1.0×109m3／年 减少，源流区耗水量约以 5.5×107m3／年增加［16］。同时，研究区内各县市水资源分布不均，人口密度空间分布差异较大，经济发展不平衡，水资源开发利用率已突破西北干旱区70%的合理开发利用率，高达79%［17］。

本文以塔里木河流域县域为基本研究单元，开展干旱区内陆河流域水资源系统脆弱性的定量评价研究。数据来源于2011年巴音郭楞蒙古自治州统计年鉴、和田地区统计年鉴、阿克苏地区统计年鉴和喀什地区统计年鉴，考虑到数据的的一致性，本文选择塔里木河流域30个县市作为研究对象，

2 研究方法

2.1 水资源脆弱性指数

本文针对干旱区内陆河流域水循环过程的特点，根据干旱区内陆河流域水资源系统脆弱性的概念和内涵，提出一个表示区域水资源系统脆弱性的综合指标——水资源脆弱性指数。该指标由供水脆弱性和需水脆弱性组成，即反映水资源系统本身脆弱性和用水者附加脆弱性。依据多准则分析方法，水资源系统脆弱性指数（WSVI）由供水脆弱性（SDWV）和需水脆弱性（DDWV）综合而成：

式（1）中供水脆弱性和需水脆弱性指数采用综合指数加权求和模型求得：

式中：C——选择的计算指标；r——相应指标的权重。计算过程中可能采用的指标主要从流域供需水角度考虑，供水主要包括正常水资源、极端事件供水以及水存储，需水脆弱性主要包括生活用水、工业、农业和生态蓄水等，最终根据研究区的情况及专家意见和数据的可用性对指标进行选取、确定。本文中α，β均取为0.5。

2.2 指标选择及权重确定

根据数据可用性和专家意见，最终确定9个指标进行2010年研究区水资源系统脆弱性的计算。为消除国土面积大小和人口多少的差别，本文部分指标采用人均量以便比较（表1）。其中灌溉面积百分比表示有效灌溉面积与国土面积的比值；森林覆盖率表示森林面积与国土面积的比值，森林覆盖率越大，表示生态需水量越多。人均农业生产总值和人均工业成产总值作为经济指标，反映经济发展水平，经济发展水平越高，水资源的消耗越大。本文中由于缺少详细的地下水数据，因此假设各县的地下水开采均在可开采范围之内，并采用机电井装机容量代表地下水开采量。

表1 最终确定水资源系统脆弱性指标及数据来源

指标权重反映各指标对水资源系统脆弱性的影响程度。本文中各指标权重采用层次分析法（AHP）确定，该方法已被广泛用于脆弱性以及区域水资源系统评价理论中权重确定［18－20］。具体计算方法见文献［21］。经计算得到各指标的权重（见表2），且均通过一致性检验。

由于各个指标量级和量纲不一致，因此本文引入模糊数学的中的隶属函数概念进行无量纲化：

式中：F——无量纲编码；xi——指标取值（i＝1，2，…，n）；（x1：xn）——指标的平均值。

表2 各水资源系统脆弱性指标权重

3 结果与分析

3.1 供需水脆弱性分析

根据多准则分析方法，按照式（2）分别计算研究区各县域供水脆弱性指数和需水脆弱性指数（如图1所示）。图1中供、需水脆弱性均随脆弱性指数增大而加剧。

相关分析表明，供、需水脆弱性指数的相关系数为0.20，显著性水平为0.281，说明二者之间并不存在明显的相关关系。

图1 2010年研究区供需水源脆弱性指数

就供水脆弱性而言，研究区内30个县域差异较为明显，存在4个较大值，分别为若羌县（0.74）、且末县（0.79）、柯坪县（0.71）和民丰县（0.79），比研究区供水脆弱性指数均值高出51%以上，说明这4个县域水资源系统本身比较脆弱。另外，库尔勒市、阿克苏市、莎车县和和田县供水脆弱性指数较小，分别为0.27，0.32，0.32和0.27，约为研究区供水脆弱性指数均值的41%～49%，说明这4个县域供水脆弱性较为稳定。这一方面由县域的地理位置和气候条件决定，如若羌县、且末县和民丰县均有区域位于塔克拉玛干大沙漠，气候干燥，降水稀少。另一方面是由于这4个县域缺乏相应的蓄水工程，仅民丰县有小一型水库1座，无法对河道来水进行合理的调节。

相对于供水脆弱性，研究区内大部分县域的需水脆弱性指数高于供水脆弱性指数，这说明研究区内需水导致的脆弱性普遍较高，同时也说明研究区内用水者附加的脆弱性大于水资源系统本身的脆弱性。与供水脆弱性相同的是，若羌县、且末县、柯坪县和民丰县4个县域的需水脆弱性也较大，分别为0.72，0.73，0.78和0.82；此外，和田县、墨玉县、皮山县、策勒县和于田县5个县域的需水脆弱性指数分别为0.81，0.80，0.83，0.82和0.81，比研究区需水脆弱性指数均值高出10%～27%。

综上所述，研究区30个县域供、需水脆弱性差异较为明显，有9个县域供水脆弱性指数较大，其中若羌县、且末县、柯坪县和民丰县4个县域需水脆弱性指数也较大，说明这4个县域水资源形势相对其他县域较为严峻；并且有大部分县域需水脆弱性指数大于供水脆弱性指数，说明用水者附加的脆弱性大于水资源系统本身的脆弱性。

3.2 水资源脆弱性组成及其分析

水资源系统脆弱性指数由供水脆弱性指数和需水脆弱性指数两部分构成，按照式（1）可求得研究区各县域水资源系统脆弱性指数。研究区各县域的水资源系统脆弱性指数构成如图2所示。

由图2可知，研究区各县水资源系统脆弱性指数变幅较大，脆弱性指数最大值（民丰县，0.81）约是最小值（库尔勒市，0.27）的3倍；并且供需水矛盾较为突出，有27个县域需、供水脆弱性比大于1，约占研究区的90%。

图2 研究区水资源脆弱性指数及其构成

同时，鉴于“自然间断点分类法”可使各类之间差异最大化，对相似值进行最恰当的分组，故本文采用该方法将水资源脆弱性指数计算结果分为5类，并将各类分别定义为不脆弱（0.48以下），微脆弱（0.48～0.55），中脆弱（0.55～0.60），强脆弱（0.60～0.68）和极脆弱（0.68～0.81）。其中，库尔勒市、阿克苏市、疏勒县、莎车县、伽师县和和田市分别为0.36，0.48，0.48，0.47，0.48和0.48，为不脆弱区，但这5个县域除疏勒县外供、需水脆弱性相差较大，需水脆弱性指数与供水脆弱性指数之比分别为1.67，1.44，1.96，1.56和1.81，说明不脆弱区除疏勒县外的其他县域存在较为明显的供需水矛盾。另外，中脆弱区和强脆弱区的若干县域，如叶城县、墨玉县、皮山县、策勒县和于田县，供需水矛盾同样尖锐，需、供水脆弱性比分别为1.52，2.05，2.17，2.28和1.76。如果不采取恰当的措施减缓供需矛盾，随着区域的发展和需水量的增加，以上县域水资源供需矛盾将进一步加剧，水资源系统脆弱性可能会逐渐升级，逐步演变为强脆弱区甚至极脆弱区。

若羌、且末、柯坪和民丰4县水资源脆弱性指数分别为0.68，0.76，0.75和0.81，属于极脆弱区域，尽管供需较为均衡，需、供水脆弱性比分别为0.96，0.93，1.10，1.04，同时由前分析可知，这4个县域供水脆弱性指数和需水脆弱性指数均较大，说明水资源问题比较严重，需要通过修建水利工程措施、调整用水结构等措施降低水资源系统的脆弱性，以防止水资源系统脆弱性进一步加剧。

综上所述，研究区30个县域水资源系统脆弱性差异较为明显，构成各不相同，但基本上都是有高的需水脆弱性指数和较低的供水脆弱性指数组成，都存在供需不和谐的现象，供需水矛盾可能是造成研究区水资源系统脆弱性的重要原因。

3.3 水资源系统脆弱性评价

为分析研究区水资源系统脆弱性的空间分布，通过ArcGIS软件对研究区30个县域的水资源系统脆弱性进行空间分析，以更加清晰地比较研究区不同县域水资源系统脆弱性之间的差异（如附图13所示）。

附图13表明，2010年研究区内只有6个县市表现为不脆弱，占研究区的20%，有4个县市为极脆弱，大约为13%，其他3类县市有20个，占研究区的67%，呈现“两头小，中间大”的特征，即不脆弱和极脆弱两个极端类别所占比例较小，中间3类所占比例较大，说明研究区水资源脆弱性表现较为明显。

从水资源系统脆弱性指数的空间分布来看，研究区东北部、阿尔金山北部4个县水资源脆弱性较大，研究区北部、天山南坡各县水资源脆弱性较小，研究区西南部、昆仑山北侧水资源脆弱性变化较大，但总体脆弱性较小。即研究区“NE—WS”对角线大部分县域上水资源脆弱性较小，“NW—ES”对角线上柯坪县、阿瓦提县、民丰县、且末县和若羌县水资源较为脆弱。从流域尺度来说，塔里木河中下游区域，水资源脆弱性较大，源流区水资源脆弱性较小，与实际情况较为吻合，说明本研究提出的方法和选择的指标体系具有较高的可信度。究其原因，一方面是由于“NE—WS”对角线分别汇集了天山水系和昆仑山水系的水，分布着塔里木河的4个源头，即和田河、叶尔羌河、阿克苏河以及开孔河水系，水资源条件较好。另一方面“NE—WS”对角线是塔里木河流域人口和经济重心［22］，社会经济结构较为完善，工业化水平较高，水资源利用率高。

4 结论

（1）干旱区内陆河流域水资源系统脆弱性是指以供需水为核心的水资源系统在发展过程中，受到不同的自然、社会系统的内在特征、资源条件和法规体系影响，维持自身稳定性的能力，并且脆弱性是干旱区内陆河流域水资源系统的固有属性，具有动态性、尺度性特点，而且具有阈值。

（2）对研究区各县域供、需水脆弱性指数和水资源系统脆弱性的分析结果表明，研究区内约有90%的县域需水脆弱性高于供水脆弱性，即需、供水脆弱性指数比大于1，并且有30%的县域需水脆弱性较为明显，同时，研究区内30个县市水资源系统脆弱性差异较大，80%的县市水资源系统较为脆弱，说明研究区内水资源脆弱性较大，并且水资源系统供需矛盾较为突出，这可能是造成研究区水资源系统脆弱的主要原因。

（3）结合ArcGIS软件平台对研究区内30个县市的水资源系统脆弱性进行空间分析，结果表明，研究区内水资源系统脆弱性分布呈现“两头小，中间大”的特征，即不脆弱区域和极脆弱区域所占比例较小，弱脆弱、中等脆弱和强脆弱区域所占比例较大，说明研究区内水资源系统脆弱性表现较为明显；研究区内脆弱性县域主要分布在“NW—ES”对角线上，整体的空间分布与实际情况较为吻合，说明结果较为合理。

本文结合干旱区水资源特点，提出干旱区水资源系统脆弱性的概念，并提出相应的计算方法以塔里木河流域为例进行定量评估，对干旱区内陆河流域水资源评价和水资源管理具有一定的应用价值和指导意义。

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