基于GIS的大凌河流域水资源脆弱性评价

张 颖

(葫芦岛市水利事务服务中心，辽宁葫芦岛 125001)

水资源脆弱性是指在生态系统环境、农业社会、工业经济发展过程中，水资源受到人类活动、自然灾害以及气候环境变化等影响作用，所体现出来的容易受到破坏与改变的特征［1］。水资源系统中的某一个子系统，在受到外界干扰和系统内部作用时遭到的破坏，由于各子系统之间的不确定、模糊性关系，可对其他部分产生直接或间接的影响作用，从而产生连锁反应并对整体系统带来较为显著的不利影响，甚至对生态环境、社会经济、人类生活等造成严重的破坏。因此，根据水资源系统特征将其脆弱性概括为以下方面：水资源脆弱性在系统内可表现为水环境在面对外来作用力时所产生的影响程度，它是具有时间与空间尺度的一种状态；外来驱动因素中的人类生产活动决定了其外部环境的脆弱性承载力，而其自身内在脆弱性则直接与生态环境的影响相关；在外力作用下水资源系统具有尽力维持它原有现状的性能，即具有一定的时间延迟性；系统脆弱性还未显现时，并不代表其没有脆弱性，即系统具有隐性特征，在足够大的外力作用下水资源脆弱性才能显现。

对水资源脆弱性在某一空间区域分布格局的研究已成为目前研究的热点与主要方向，而不再局限于点域的评价分析。大凌河流域经济增长速度较快，不仅是辽宁省经济发展的核心区域，而且在促进人水和谐发展和保护生态环境等方面发挥着重大作用。该流域的水资源与生态环境受经济发展影响较为显著，尤其是水资源的不合理开发以及供需矛盾持续紧张，进一步加剧了流域水资源脆弱程度。因此，通过科学的方法评价该流域水资源状况，对于促进区域水资源可持续利用和解决水生态环境问题具有重要作用。

1 大凌河流域概况

大凌河流域总面积2.35万km2，全长为398km，流域内各支流纵横交错，主要有牤牛河、老虎山河、凉水河等，在保证城镇居民生活用水以及工农业发展等方面发挥着不可替代的作用；大凌河属于温带季风气候，四季分明，冬冷夏热，日照充足，年均气温为8.0～12.6℃，年降水量在450～1000mm，其中62.7%以上降水发生在7—8月，主要以强降雨和暴雨形式出现。近年来，为满足区域经济发展的需要而忽视了对水资源的保护，使生态环境与社会经济需水量严重失调，水资源过度的开发与利用造成生态系统的退化，水土流失、水资源紧缺以及水体污染等矛盾日趋突出［2］。水资源脆弱性随水资源的日益短缺而逐渐凸显，因此，利用科学、合理的方法开展该流域水资源承载力的评价分析，对于指导该区域水资源管理并提升其承载力水平具有重要意义。

2 水资源脆弱性评价体系

2.1 建立评价体系

水资源承载力的脆弱性评价［3］涉及的范围比较广，影响因素较多，并且各影响因素之间关系较为复杂，为更科学、全面地反映流域范围内各分区的脆弱性状态，本文在遵循区域性、独立性、完备性、代表性、可操作性等原则基础上，充分考虑当地社会经济发展与水文地质、气候地形等自然条件，分别从人为因素与自然环境两方面建立评价体系，见表1。

表1 大凌河流域水资源脆弱性评价体系

2.2 GIS评价分区

通过对评价区域的空间划分实现大凌河流域水资源脆弱性各分区的评价，结合辽宁省水资源公报、环境地质图集等相关资料对各指标空间分布属性值进行提取，将各参数指标的图层文件利用Map GIS软件进行叠加运算，从而完成流域空间区域的划分，由此可得到大凌河流域160个分区，分区点位见图1。

图1 大凌河流域GIS评价分区图

3 大凌河流域水资源脆弱性评价

3.1 构建模糊综合评价模型

模糊综合评价是对具体的待评价事物运用模糊系统理论构建评语集、因素权重集以及评价因素集，利用合成算子作出综合的评价与分析，主要步骤如下。

a.建立因素集与评语集。根据评价目标的各影响因素可组成指标因素集C，对于因素集合中代表性的单因素可用 ci(i=1，2，…，n) 表示［4-5］，因此可建立因素集C={c1，c2，…，cn}，各指标因素见表1。依据评价等级所建立的评语集用V表示，即V={v1，v2，…，vm}，集合中各指标因子为 vj(j=1，2，…，m)，评价等级分别与评语一一对应。

确定评价指标体系后需要进行科学、合理的脆弱性标准的划分，如果标准等级划分过于粗略，则不利于评价结果的准确性和精度的控制；如果划分的等级过于详细和繁多，则不利于评价结果的计算并造成评价结果误差的增大［6］。本文结合大凌河水资源开发利用与环境保护实际状况，将其脆弱性隶属度划分为0.1～0.3、0.3～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0五个区间，所对应的评价等级分别为脆弱性强、较强、中等、低、弱。

b.各样本初始值的归一化处理。假定待评价样本为m个，参与评价的指标数为n，本文中待评价样本m为160，脆弱性指标n为15。由于各指标单位和量纲的不同无法直接用于评价，所以应进行归一化处理。对于目标特征值越大则脆弱性程度越低型指标，其归一化处理方法为

对于目标特征值越小则脆弱性程度越高型指标，其归一化处理方法为

式中：x(i，j)、x*(i，j)分别为第 j个指标在第 i个样本中归一化处理后及其初始值；xmax(j)、xmin(j)分别为第j个指标的最大与最小值。

c.建立单因素评价模糊矩阵R。假定ui为水资源脆弱性评价影响因素，并以rij代表元素vj的隶属度。因此根据每个因素所对应的单因素评价等级可构建评价集R：

d.以熵权法确定指标权重。根据评价指标熵值的具体含义，脆弱性评价指标的熵值可按下式计算［7］：

式中：Hi为待评价样本中第i项评价指标的熵值；fij为第j个评价对象的第i项指标权重占评价的权重。

e.运用下式对各指标的熵权wi进行计算：

式中：wi为各指标的权重，取值区间为0～1，并满足所有指标的熵权求和为1的要求。

将各指标权重wi及其相对隶属度rij代入下式即可得到大凌河流域160个分区的水资源脆弱性水平：

3.2 结果分析

根据文中所述权重计算方法确定脆弱性评价各指标权重，结果见表1，对大凌河流域水资源脆弱性影响较大的为人为因素指标，权重最大的指标为地表水污染指数(0.112)，其次为单位面积用水量(0.102)，另外外调水所占比重、地下水开采模数、工程调蓄能力、含水层补给模数以及万元GDP用水量等指标也可对水资源脆弱性产生较大的影响。

通过对各指标的相对隶属度与权重的计算，可分别对大凌河流域各分区水资源脆弱性进行确定，结果见表2。

表2 大凌河流域各分区水资源脆弱性评价

根据表2计算结果以及脆弱性评价划分等级可知，大凌河流域基本上不存在弱脆弱区域，即综合评价值没有处于0.8～1.0范围的分区，其中整个流域91.5%的区域处于中等及以上脆弱程度。在不同空间区域，水资源脆弱性程度存在较大差异，清河以及小沙河等支流的脆弱性较高，而在降雨量较为充沛的东南区域脆弱性相对较低。进一步分析其原因为：大凌河流域东南部降雨较为充足，可为地下水源提供补给，另外该区域水利工程配套措施相对比较完善，因此脆弱性相对较低；而在中西部区域的小沙河区域地表水污染较为严重，加之对地下水的过度开采、水环境保护措施的相对滞后等，从而使该区域水资源脆弱性较高。

通过上述评价分析，该评价结果与流域水资源实际状况基本相符，本文所建立的评价模型可对某一事物的等级状况进行全面、客观的反映，在水资源系统脆弱性评价分析方面具有较好的适用性与可行性［6］。

3.3 脆弱性提升措施

为进一步提高大凌河流域水资源承载能力，并促进区域水资源协调发展，本文结合各分区评价结果以及大凌河近年来的水资源实际状况，有针对性地提出了如下建议：加强水资源的管理与调控并完善相应的监控体系；依法淘汰高能耗、高污染的陈旧设备并提高水资源利用效率；加快引进并推广优化配置和水资源开发利用技术，加强水资源的开采和保护体系机制建设；大力宣传提高公民保护用水、节约用水意识；加快污水处理再回收利用建设，提高循环用水制度建设；加快发展水资源科技利用与研发，实现低成本海水转化等非传统水资源的利用。

4 结语

水资源脆弱性评价不仅可为水资源合理开发利用以及空间优化配置提供一定参考，而且可为水生态环境的修复治理提供指导依据。本文以大凌河流域为例，基于GIS技术和模糊综合法客观评价了各分区水资源状况，得出了对大凌河流域水资源脆弱性影响较大的为人为因素指标、大凌河流域基本上不存在弱脆弱区域等结论。为进一步提高大凌河流域水资源承载能力，并促进区域水资源协调发展，结合各分区评价结果及大凌河近年来的水资源实际状况，从多个角度提出了针对性的改进措施。