变化环境下珠三角城市群水资源脆弱性评价*

林钟华，刘丙军,2，伍颖婷，彭思涵

(1. 中山大学地理科学与规划学院，广东 广州 510275；2. 华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室∥广东省华南地区水安全调控工程技术研究中心，广东 广州 510275；3. 广州市发展和改革委员会，广东 广州 510030)

在全球气候变化背景下，伴随着高速度、大规模的开发利用，区域资源与环境的负荷与日俱增，人类对水资源耦合系统的干扰和调控逐渐变强，导致水资源耦合系统脆弱性呈现多维性、复杂性和不确定性，自然和人为因素相互作用下的水资源耦合系统脆弱性研究逐渐受到重视[1]。

变化环境下水资源系统脆弱性评价的理论体系不断完善。在概念上，从最初只关注扰动影响系统的程度或概率延伸到包括系统对扰动的暴露、敏感度、恢复力、适应力等众多构成要素。IPCC-AR4[2]在2007年提出水资源脆弱性是系统对所受到的气候变化的特征、幅度和速率及其敏感性、适应能力的函数；夏军等[3]在2015年提出水资源脆弱性是受到气候变化和人类活动等的扰动胁迫而易于受损的一种性质。在指标体系上，从只考虑自然因素向同时考虑自然和人文影响因素转变。陈俊旭等[4]基于RESC框架构建海河流域水资源脆弱性评价指标体系；李国琴等[5]基于VSD框架构建了湖北省人水耦合系统脆弱性评价的指标体系。在评价方法上，从单一方法走向耦合方法。邹君等[6]基于GIS与RS的新方法和新技术，以更为精细的评价单元对衡阳盆地农村水资源系统的脆弱性进行定量评价；Goharian等[7]基于水资源综合管理模型，模拟与评价自然和人为因素共同作用下的美国盐湖城市群水资源耦合系统脆弱性。当前，变化环境下水资源系统脆弱性研究更注重多要素、多风险扰动下的脆弱性分析和适应性管理。

珠三角城市群作为中国社会、经济总量和发展速度最快的地区之一，近30年完成发达国家近百年的发展历程。全球气候变化和社会经济高速发展下，珠三角城市群水量水质性缺水、城市内涝、咸潮上溯等水资源系统问题越来越严峻，其复杂的水资源系统受到大量的关注：李响等[8]综合自然环境和社会经济评价海平面上升下沿海地区脆弱性，结果表明珠三角城市群是典型脆弱区之一，其中东莞、中山和深圳市属于高脆弱区；谭圣林等[9]综合水文地理、生态环境、需水、用水和经济社会发展评价珠三角城市群水资源可再生性，结果表明2012年各城市水资源可再生性均属中等可再生性，其中东莞、佛山市最弱；贺瑞敏等[10]综合水资源子系统、社会经济子系统和生态环境子系统评价珠三角城市群广义水环境承载能力，提出工业节水等改善区域水环境承载能力的建议。而多干扰、多风险下珠三角城市群水资源系统脆弱性的研究工作尚不充分。因此本文基于暴露度-敏感性-适应能力三维维度，构建了珠三角城市群水资源系统脆弱性评价指标体系，研究改革开放以来各城市水资源系统脆弱性演变趋势及驱动因子，为该地区水资源可持续利用与适应性管理提供科学依据。

1 研究区域概况和数据来源

珠三角城市群位于广东省东部沿海，总土地面积约为5.6万km2，包括广州市、深圳市、佛山市、珠海市、肇庆市、江门市、惠州市、东莞市和中山市。该地区属亚热带季风气候，常年气候温和，年均气温介于21～23 ℃；日照时间长，年平均日照时数为1 900 h；降水丰富且集中在夏季，多年平均降水量为1 808 mm；年平均蒸发量介于1 300～1 400 mm。珠三角城市群内河道纵横交错，包含西北江思贤滘以下、东江石龙以下的网河水系和注入三角洲的潭江、流溪河等，多年平均径流深为1 045 mm，汛期径流量占全年70%～80%。改革开放以来，珠三角城市群工业化和城镇化进程快速推进，工业产值以年均27%的速度高速增长；20世纪90年代大量人口迁入导致人口急剧增加94%[11]，2000年以后以年均1.5%的速度稳定增长，2015年珠三角城市群人均生产总值约为全国平均水平的2倍，常住人口数达5 874万，占全国总人口的4%，城镇化率达85%。

本文的基础数据主要来自1985-2015年《广东省水资源公报》[12]，《广东省统计年鉴》[13]，《中国统计年鉴》[14]以及国家气象局等公布的调查与统计数据。

2 研究方法

2.1 变化环境下水资源脆弱性特征及其指标体系

VSD概念框架(Vulnerability scoping diagram)由Polsky[15]于2007年首次提出，目前该概念框架已较为成熟，伴有规范化评价的8个步骤[16]，广泛应用于生态环境等耦合系统的脆弱性分析中[16-18]。

VSD概念框架认为变化环境下系统脆弱性是在暴露度、敏感性和适应能力相互作用下形成的，环境和社会驱动力相互作用决定了暴露度和敏感性，不同社会、文化、政治和经济条件改变着适应能力[1]。对于变化环境下的水资源系统，其暴露度表现为水资源系统经历自然环境及人类活动冲击的程度，敏感性则是指水资源系统在水量、水质、供水纳污等结构与功能上受到环境变化影响的程度，适应能力是指水资源系统通过工程、非工程措施能够处理、适应环境变化以及从环境变化造成的后果中恢复的能力。基于此，本文基于VSD概念框架，从暴露度、敏感性和适应能力3个维度，采用“准则层-因素层-指标层”逐级递进、依次细化的方式构建多要素、多风险扰动下珠三角城市群水资源系统脆弱性评价的指标体系。

1)暴露度指标。珠三角城市群国土面积仅占全国1%，但2015年年末常住人口占全国4%，GDP占全国10%，考虑到高密度人类活动对水资源的干扰，选用人口密度和经济密度、用水模数和单位面积废污水排放量、房屋建筑施工面积占比和建成区绿化覆盖率分别表征经济及人口、用水及排污、土地利用变化对水资源的胁迫。考虑到珠三角城市群水资源空间分布不均，选用本地水资源模数表征区域性缺水对水资源的胁迫。考虑到珠三角城市群极端气候表现为极端高温和极端降水事件增加[19]，选用年高温天数和年特大暴雨天数表征全球变暖对水资源的胁迫。

2)敏感性指标。1985-2015年珠三角城市群工业化和城镇化进程快速推进，其生产总值以年均20%的速度增长达69 362亿元，2015年年末常住人口总数以年均26%的速度增长达5 874万人；快速发展过程中伴随着低用水效率和高排污水平，1985-2015年万元GDP用水量以年均52%的速度下降达36 m3，为全国平均水平的40%，但仍高达日本2009年水平的1.5倍，居民人均生活用水量(含公共用水)达317 L/d，为全国平均水平的2倍；2015年珠三角城市群Ⅳ类以下水质全年期河流比例仍高达39%，全国平均水平为26%，珠三角城市群水质污染情况不容乐观。因此本文选用GDP增长率等社会经济增长指标、万元GDP用水量等用水效率指标、人均生活废污水排放量等排污指标、产业供水基尼系数等公平性指标共同表征水资源系统供水纳污功能受变化环境影响的程度。

表1 珠三角城市群水资源脆弱性评价指标体系1)Table 1 A index of water resource vulnerability evaluation of Pearl River Delta metropolitan

1) (+)表示正向指标，(-)表示负向指标。

3)适应能力指标。政府间气候变化专门委员会第四次报告指出，水资源系统适应能力受社会生产基础的影响，包括自然资本、社会与人口、管理能力、国民收入、基础设施等，因此本文参考城市现代化评价[20-21]选用失业率、人均GDP、职工平均工资、千人中在校生数、千人中卫生机构床位数等指标，来反映社会生产基础水平，表征人类能否调动充分的社会经济资源应对珠三角城市群台风洪涝灾害、水质型缺水、水资源浪费等水资源问题。同时选用环境治理投资指数等指标表征环保系统适应能力，选用水利人员占从业人员比重等指标表征水利系统适应能力。

2.2 模糊物元评价法

水资源脆弱性评价方法采用模糊物元法。模糊物元法采用促进事物转化的思路来解决不相容问题，适用于多因子评价问题，可以无丢失地综合各种因素的全部信息，并以定量的数值表示评价结果，从而较客观地反映事物质量的综合水平，目前已被广泛应用于生态环境、水资源承载力、生态系统健康等综合评价研究中[21-24]。考虑到水资源脆弱性概念的模糊性，单项指标评价结果的不相容性和指标数量多，本文选用模糊物元法评价水资源脆弱性。评价过程如下：

1) 构造复合模糊物元。假定有m个水资源脆弱性评价对象Mi(i=1,2…m)，评价对象Mi的n项评价指标称为特征Cij(j=1,2…n)，特征C的大小用量度值xij表示，对象Mi、特征Cij和量度值xij共同构成复合模糊物元Rmn。

(1)

3)建立标准模糊物元和差平方模糊物元。复合模糊物元Rmn中每个评价指标量值的最大值或最小值组成的模糊物元R0n称之为Rmn的标准模糊物元。标准模糊物元R0n中各元素与从优隶属度复合模糊物元Rmn中各项差的平方，即Δij=(x0j-uij)2,组成差平方复合模糊物元RΔ，记作：

(2)

4)确定指标权重。指标权重用于衡量各指标对评价整体的影响程度大小，指标权重的合理性直接影响评价结果的可靠性。采用主客观组合赋权的方法确定指标权重：指标层的指标数目多，不便于主观比较各指标的相对重要性，其权重计算采用能够客观反映各指标携带信息的熵权法；而准则层的数目少，并且各准则层重要性排序清晰，其权重计算采用层次分析法，各准则层相对重要性由文献调查和专家意见决定。

5) 计算欧式贴近度复合模糊物元。贴近度是被评价对象与标准对象之间相互贴近的程度，根据贴近度的大小可对评价对象进行优劣排序和分类。对于多指标、多对象的模糊物元综合评价，常采用基于模糊算子M(o,+)欧式贴近度ρHi:

(3)

式中，ρHi为第i个评价方案与标准方案之间相互接近的程度，其值越大，表示两者越接近；Wj为指标层第j个指标的权重值。然后，以此构造欧式贴近度复合模糊物元：

(4)

2.3 多元逐步回归分析

考虑到本研究中自变量个数较多且存在相关性，水资源系统脆弱性驱动因子分析采用多元线性逐步回归分析。多元逐步线性回归分析通过建立多个自变量的逐步回归方程，基于自变量贡献由大到小，将自变量逐个引入回归方程，并剔除因引入新变量而失去重要性的旧变量，直到回归方程中的变量都不能剔除而又无新变量引入时为止，并形成多元线性回归方程。通过多元线性回归方程可直接比较各驱动因子的驱动力大小，标准化数据的回归系数的绝对值越大，说明该因子的驱动力越大。目前该方法已被广泛应用于环境预测、环境监测、环境评价等多个领域[25]。本文逐步回归分析的诊断依据[26]：方程方差分析的F值和各回归系数的偏相关系数的显著水平小于0.01；共线性诊断值Durbin-Watson统计量d接近于2。

3 结果与分析

利用1985-2015年珠三角城市群资源环境和社会经济数据，运用模糊物元法评价了各城市水资源系统脆弱度，发现珠三角城市群内部各城市的水资源系统脆弱度数值介于0.18～0.54，表现为不脆弱、轻度脆弱和中度脆弱。根据水资源系统脆弱度的时间演变趋势，可将珠三角城市群内部各城市水资源系统脆弱性分为上升型、稳定型和下降型。

1) 水资源脆弱性上升型城市

水资源脆弱性上升型城市包含深圳、东莞和中山3个城市，其水资源脆弱性演变的特点，大体可分为2个阶段：第一个阶段为1985-2000年，水资源脆弱度呈持续下降趋势，年均下降幅度分别为5.4%，4.9%和7.8%。其水资源脆弱度下降的主控因子是适应能力脆弱度显著下降，分别从0.49，0.52和0.59以年均6.5%，6.0%和8.8%速度下降达0.31，0.37和0.36。其主要驱动因子是工业废水达标排放率，蓄水工程保证率和千人中专任教师数(表2)。第二个阶段为2000-2015年，水资源脆弱度呈持续上升趋势，年均上升幅度分别为1.8%，4.2%和0.8%。其水资源脆弱度上升的主因是暴露度脆弱度显著上升，分别从0.42，0.32和0.26以年均1.7%，3.4%和8.3%的速度增长分达0.46，0.41和0.48。其主要驱动因子是房屋建筑施工面积所占比值和人口密度(表2)。

上述计算结果整体上符合珠三角城市群水资源脆弱性上升型城市1985-2015年水资源-社会经济-生态环境演变的实际情况：深圳市作为水资源脆弱性上升型城市的代表，1985-2000年，深圳市刚改革开放，社会经济规模虽小但快速发展，导致社会生产基础和科学技术水平显著提高，同时水利投入和环保投入显著增多，水库、污水处理厂等水资源工程逐渐增多，2000年深圳市总供水量达12.3亿m3，工业废水排放达标率为97.8%，城镇污水处理率为54%，人类社会除水害和兴水利的能力显著增强，此阶段水资源系统适应能力显著增强；2000-2015年，经过前15年的发展，该阶段社会经济发展速度较慢但规模较大，2000年深圳市人口密度高达5 679人/km2，带来高用水、高排污和高住房需求，对水资源系统的干扰较强，特别是高用水需求深化区域水资源供需矛盾，2015年人均本地水资源锐减为163 m3，按照国际公认的水资源安全标准，属于极度缺水，此阶段水资源系统暴露度显著增加。

表2 水资源系统各准则层脆弱度多元逐步回归分析结果
Table 2 Stepwise multiple regression between each dimensional vulnerability and indicators

水资源类型项目R2标准化回归方程上升型暴露度0.95y=0.73x1+0.34x2,x1为房屋建筑施工面积;x2为人口密度敏感性0.48y=0.71x,x为产业供水基尼系数适应能力0.94y=-1.11x1-0.33x2-0.18x3,x1为工业废水排放达标率;x2为蓄水工程保证率;x3为千人中专任教师数稳定型暴露度0.90y=0.45x1+0.63x2+0.39x3,x1为用水模数;x2为房屋建筑施工面积;x3为单位面积废污水排放量敏感性0.84y=0.97x1+0.20x2,x1为万元GDP废水排放量;x2为水资源开发利用率适应能力0.95y=-0.69x1-0.32x2-0.21x3,x1为工业废水排放达标率;x2为千人中卫生机构人员数;x3为环境治理投资指数下降型暴露度0.56y=0.86x1-0.49x2,x1为人口密度;x2为经济密度敏感性0.96y=0.81x1+0.24x2+0.14x3,x1为万元GDP用水量;x2为万元工业增加值用水量;x3为水资源开发利用率适应能力0.96y=-90x1-0.25x2-0.20x3,x1为工业废水达标排放率;x2为千人中专任教师数;x3为蓄水工程保证率

图1 珠三角上升型城市水资源脆弱度和各准则层脆弱度Fig.1 The integrated and each dimensional vulnerability of water resources for rising type cities

2) 水资源脆弱性稳定型城市

水资源系统脆弱性稳定型城市包含佛山、广州和珠海3个城市，其水资源脆弱性演变的特点，大体分为2个阶段：第一个阶段为1985-2000年，水资源脆弱度呈持续下降趋势，年均下降幅度分别为5.4%，5.9%和9.9%。其水资源脆弱度下降的主因是适应能力脆弱度下降，分别从0.55，0.43和0.58以年均6.8%，5.6%和8.4%的速度下降达0.36，0.29和0.34。其主要驱动因子是工业废水达标排放率、千人中卫生机构人员数和环境治理投资指数(表2)。第二个阶段为2000-2015年，水资源脆弱度呈稳定状态，波动范围分别为0.27～0.34,0.28～0.32和0.20～0.22。水资源脆弱度稳定的主因是暴露度脆弱度和适应能力脆弱度稳定，各城市暴露度脆弱度分别在0.30～0.36，0.37～0.39和0.24～0.31内波动，适应能力脆弱度分别在0.30～0.36，0.25～0.29和0.27～0.34内波动。暴露度主要驱动因子是用水模数、房屋建筑施工面积所占比值、单位面积废污水排放量(表2)；适应能力脆弱度主要驱动因子是工业废水达标排放率、千人中卫生机构人员数和环境治理投资指数(表2，图2)。

上述计算结果整体上符合珠三角城市群水资源脆弱性稳定型城市1985-2015年水资源-社会经济-生态环境演变的实际情况：佛山市作为水资源脆弱性稳定型城市的代表，1985-2015年该市水资源脆弱性的演变主要由产业格局和治污力度演变所驱动。其水资源暴露度先增加后稳定：1985-2005年，佛山市以印染、陶瓷业等重污染制造业为主，其单位面积工业废污水排放量不断增加，平均高达53 t/km2，水环境负荷较大；2005-2015年，佛山市实施“三个一批”战略，传统产业走向绿色生产，其单位面积工业废污水排放量稳定于11 t/km2，水环境负荷较小。其水资源适应能力先增强后稳定：随着社会经济平稳增长，佛山市治污力度先增加后稳定在较高水平，1985-2015年其工业废水达标排放率由54%增长到95%并趋于稳定，环境治理投资由4 495万元增长到629 440万元并趋于稳定。

3)水资源脆弱性下降型城市

水资源脆弱性下降型城市包含肇庆、惠州和江门三个城市。1985-2015年，其水资源系统脆弱度分别以年均5.7%，1.0%和3.0%的速度下降达0.18，0.34和0.25。水资源脆弱性下降的主因是适应能力脆弱度，各城市适应能力脆弱度分别从0.71，0.67和0.48以年均6.4%，5.8%和3.1%速度下降达0.29,0.27和0.36。适应能力的主要驱动因子是工业废水达标排放率，千人中专任教师数和蓄水工程保证率(表2，图3)。

上述计算结果整体上符合珠三角城市群水资源脆弱性下降型城市1985-2015年水资源-社会经济-生态环境演变的实际情况：肇庆市作为水资源脆弱性下降型城市的代表，1985-2015年水资源适应能力显著提高，一方面水利工程体系逐步完善，其水库总库容约增长10%，蓄水工程保证率由38%上涨到60%，工业废水达标排放率由50%增长到95%；另一方面社会生产基础显著改善，千人中专任教师数上涨22倍，人口素质显著提高，人类社会调动充分的社会资源应对水资源浪费、台风洪涝灾害等水资源危机的能力显著提高。

4)水资源脆弱性上升、稳定、下降型城市对比分析

对比珠三角城市群各城市水资源脆弱性的演变过程，发现水资源脆弱性上升、稳定和下降型城市1985-2015年敏感性和适应能力演变过程相似，暴露度演变过程差异较大。1985-2015年水资源脆弱性上升、稳定和下降型城市的适应能力脆弱度分别以4.4%，5.1%和5.1%的速度下降，敏感性脆弱度分别1.1%，2.7%和3.0%的速度下降，而上升、稳定型城市水资源系统暴露度脆弱度分别以3.1%，0.9%速度上升，下降型城市水资源系统暴露度脆弱度稳定。

根据本文所构建的珠三角城市群水资源脆弱性评价模型计算结果，水资源脆弱性上升型城市整个阶段水资源系统暴露度呈增加趋势、稳定型城市水资源系统暴露度前半阶段呈增加趋势后半阶段呈稳定状态，而水资源脆弱性下降型城市整个阶段水资源系统暴露度呈稳定状态。1985-2015年，深圳、东莞和中山市水资源暴露度分别以5.3%，2.8%和1.1%快速上升至0.42，0.32和0.26；1985-2015年，广州、佛山和珠海市水资源暴露度分别以1.0%，1.0%和0.7%的速度缓慢上升至0.39，0.35和0.25；而1985-2015年肇庆、惠州和江门

图2 珠三角稳定型城市水资源系统脆弱度和各准则层脆弱度Fig.2 The integrated and each dimensional vulnerability of water resources for steady type cities

图3 珠三角下降型城市水资源系统脆弱度和各准则层脆弱度Fig.3 The integrated and each dimensional vulnerability of water resource for declining type cities

水资源暴露度分别稳定在0.16，0.19和0.24。珠三角城市群水资源系统暴露度主要表现为水资源禀赋受社会经济发展冲击的程度。水资源脆弱性上升型城市由于人口集聚性增长，人均本地水资源数量由轻度缺水转变成极度缺水(等级划分参照国际公认的水资源安全标准)，2015年人均本地水资源数量仅为317 m3。水资源脆弱性稳定型城市由于人口稳定性增长，人均本地水资源数量由轻度缺水转变成重度缺水(等级划分同上)，2015年人均本地水资源数量仅722 m3。而下降型城市人口密度相对稳定，始终处于相对丰水状态(等级划分同上)，2015年人均本地水资源数量达3 105 m3。由此可见，上升型、稳定型城市水资源禀赋受社会经济发展冲击的程度远大于下降型城市，目前水资源脆弱性上升型、稳定型城市水资源禀赋较差，水资源脆弱性下降型城市水资源禀赋较好。

4 结 论

在全球气候变暖和高强度人类活动共同作用下，变化环境下珠三角城市群水资源系统面临着社会经济发展、剧烈人类活动、区域性缺水、咸潮上溯、城市内涝等多重干扰，水资源系统暴露度、敏感性和适应能力内涵呈现高度多维性。因此本文基于VSD概念框架构建包含13个要素和39个指标的变化环境下珠三角城市群水资源脆弱性评价指标体系，并采用模糊物元法评价了1985-2015年珠三角城市群各城市水资源脆弱性演变过程，得出如下结论：

1)珠三角城市群9个城市水资源脆弱性演变可分为3种类型：深圳、东莞和中山市水资源脆弱性逐渐增加；广州、佛山和珠海市水资源脆弱性趋于稳定；肇庆、惠州和江门市水资源脆弱性下降。

2)各城市水资源敏感性和适应能力演变相似，水资源暴露度演变差异较大：水资源脆弱性逐渐上升的城市受社会经济发展胁迫程度最大，其人均本地水资源数为317 m3，仅为国际水紧张警戒线的19%；水资源脆弱性趋于稳定的城市受社会经济发展胁迫程度中等，其人均本地水资源数量为722 m3，为国际水紧张警戒线的42%；水资源脆弱性下降的城市受社会经济发展胁迫程度最小，其人均本地水资源数量达3 105 m3，达国际水紧张警戒线的1.8倍。