岩溶山区城市饮用水源地生态环境脆弱性评价——以凯里市水源地为例

尚海龙，蒋焕洲，徐 宏，史正涛

(1.凯里学院旅游学院, 贵州 凯里 556011; 2.云南师范大学旅游与地理科学学院，昆明 650500)

“脆弱性”概念最早源于灾害学[1]，现今其基本理论与定量方法已受到广泛关注，并被引用到生态学[2]、气象学[3]、农学[4]和水文学[5]等学科领域。其中，在水环境领域，将脆弱性的性质概括为：①水环境脆弱性是与生俱来的一种属性；②当水环境受到扰动时这种属性才表现出来[6]。由于气候变化与城市化水平的快速提升，城市饮用水资源日益匮乏，水资源与水源地生态环境的双重脆弱性[7, 8]严重胁迫城市饮用水永续利用与水生态安全。因此，进行城市饮用水源地生态环境脆弱性研究已成为环境科学与水科学重点关注的科学问题，且对于保护城市供水安全及水生态健康具有重要意义。

贵州山区城市多位于岩溶区，喀斯特作用强烈，较非岩溶区地质环境问题突出[9]，岩溶生境容量低、敏感度高、脆弱性强[10]，水土水文结构复杂，城市水库成为最主要的供水源地[11]。城市饮用水源地生态环境发展水平关系到岩溶山区城市供水安全及地表涵养水源的能力。近年来，随着城市饮用水源地生态保护工程的实施，水质健康状况与水源涵养功能大有改善。但是，受脆弱的岩溶生境与不合理的耕作活动的影响，水质污染、水源退化、水土流失的等突出问题致使饮用水源地生态安全依然面临严峻挑战。目前，城市饮用水源地脆弱性研究成果[12-14]较少，主要针对其生态环境脆弱性内涵与定量评价指标体系进行了初步探讨，并提出了水源地生态环境保护及修复对策，此对于后续研究具有一定的借鉴价值。但是，关于岩溶山区城市饮用水源地生态环境脆弱性评价成果尚属鲜见，亟待系统诊断与分析。因此，以贵州典型岩溶山区凯里市普舍寨与金泉湖集中式饮用水源地为例，在实地调研的基础上，构建饮用水源地生态环境脆弱性评价指标体系，运用模糊综合评判模型对饮用水源地生态环境脆弱性进行诊断、分析与评价，旨在为岩溶山区城市集中式饮用水源地供水安全与民族区域城市生态健康提供有益参考。

1 研究区概况

凯里市是贵州省黔东南苗族侗族自治州首府，全域面积1 569.72 km2，属中亚热带温和湿润气候。全市年均气温14.10～16.50 ℃，平均日照时数1 288 h，年均降水量1 240 mm[15]。境内以岩溶地貌为主，地层岩性及地质构造复杂，河谷深切，地势起伏较大。现有城市集中式河流型水库饮用水源地与湖库型水库饮用水源地各1个，即普舍寨与金泉湖，取水点坐标分别为E 107°54′46″、N 108°12′09″，E 125°58′35″、N 26°34′10″。它们承担着凯里市区、经济开发区城市供水与重要的灌溉、防洪、养殖等生活、生态及生产功能，在黔东岩溶山区城市经济社会发展与生态功能区保护中发挥着重要作用。2017-2018年，两大水源地保护区面积分别为1 560与3 842 hm2，断面水质均达到国家Ⅰ类标准，水体营养状态为中营养，取水量达到了2.14×107t，占城市供水总量的70.45%[16]。但是，受岩溶山区地貌和地形制约及区域气候变化的影响，水源地面源污染与人类扰动严重影响着生态环境系统的功能与效应，为水资源供需平衡及开发利用带来了新挑战。

2 研究方法与数据来源

岩溶山区城市饮用水源地生态环境脆弱性定义可表述为：常态自然条件下，表征水源地生态环境系统抗干扰的性质与状态，包括原生脆弱性和胁迫脆弱性两个维度。原生脆弱性指水源地当前所处的相对稳定状态，为脆弱性产生的内部因素，主要包括气候因素和土壤地质因素；胁迫脆弱性指人类活动对水源地的直接影响，是脆弱性产生的外部因素，主要包括环境污染和地表扰动[14]。

2.1 研究方法

2.1.1 指标体系构建与指标权重测算

岩溶山区城市饮用水源地是一个特殊地貌单元的人与环境交互作耦合系统及动态系统。评价其生态环境脆弱性，指标体系构建是进行诊断与定量分析的关键。因此，本文从饮用水源地生态环境脆弱性内涵出发，以人地关系理论为指导，参考已有研究成果[12-14,17]，并咨询同行专家，构建了能够客观反映研究区集中式饮用水源地人类活动与自然环境相互作用及自然状态的评价指标体系(表1)。其中，水质类别与土壤类型2项具体指标为定性指标，多年平均降水量、降水年际变差系数、降水年内分配均匀度等13项具体指标为定量指标。

表1 城市饮用水源地生态环境脆弱性评价指标体系Tab.1 Assessment indicator system of the eco-environment vulnerability of urban drinking water source

改进的熵值法是一种客观赋值法。它克服了多指标变量间信息重叠和人为确定权重的主观性，保证数据标准化后的非零与完整性，能够深刻地反映指标信息熵的效用价值，给出的权重比其他权重确定方法更具可信度，尤其适合多指标系统的综合评价[18]。所以，本文运用该客观赋值法确定功能团与具体指标权重(表1)。

2.1.2 模糊综合评判模型

城市饮用水源地生态环境脆弱性评价是将多源生态环境信息整合为整体的相对脆弱性等级，并以此评价生态环境的相对优劣程度。目前，评价方法有综合评估法、景观评估法、主成分分析法、神经网络法、模糊层次分析法和模糊综合评价法等[19-23]。其中，模糊综合评价法在高原盆地水源地脆弱性评价中已有应用[6]，该方法可将一些边界不清，不易定量的评价指标定量化(即确定隶属度)，它将一个低层次、小系统过渡到高层次、大系统，并综合得到最终评价结果[14]。其核心是在对影响生态环境脆弱性单因素分析的基础上，用综合评判矩阵评价区域生态环境脆弱性程度等级。

(1)评价指标分级识别标准。本文在对典型岩溶山区凯里市饮用水源地生态环境脆弱性评价指标进行标准差标准化的基础上，借鉴已有研究成果[17, 23]，将水源地生态环境脆弱性划分为潜在脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、严重脆弱和极端脆弱5个等级区间，分别用j1、j2、j3、j4与j5表示，并确定各具体指标评价标准(表2)。

表2 城市饮用水源地生态环境脆弱性具体评价指标分级标准Tab.2 Grading standards of the vulnerability assessment eco-environment of urban drinking water source

(2)模糊隶属度函数。隶属度函数是用来表征模糊信息集合的，是模糊控制与综合评判方法的应用基础。它能够确保定量评价指标的隶属度函数在各级平滑过渡，并消除个别评价指标值差值不大，而评价等级相差一级的模糊现象[23]。所以，本文通过模糊隶属度函数确定各具体指标对饮用水源地每个等级生态环境脆弱性贡献的高低。其中，正向具体指标，根据式(1)～式(5)测算；负向指标测算方法可类比构建；非数值型的指标，如i5和i6，在自然语言描述基础上，根据表2直接在相应等级赋值为1。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：U1、U2、U3、U4与U5分别表示i指标在第j1、j2、j3、j4与j5等级区间的隶属度；P1、P3、P5与P7分别表示5个等级区间的4个临界值，P2、P4与P6分别表示临界值的中点值。

(3)模糊综合评判模型。测算指标权重(λi)与隶属度矩阵的张量积(R)，得到凯里市饮用水源地生态环境脆弱性在第j等级区间的隶属度(U)[式(6)]，式中b1、b2、b3、b4与b5为综合评判向量。根据最大隶属度，应用ArcGIS10.2软件对凯里市饮用水源地生态环境脆弱性进行等级综合评判，并通过空间分析功能，获取各水源地脆弱度等级分区面积。

U=λi⊗R=[b1,b2,b3,b4,b5]

(6)

2.2 数据来源

定量指标数据：在调查走访、查阅文献、遥感解译、采样分析与数字化处理的基础上，通过测算或直接获取方式得到2017-2018年凯里市饮用水源地生态环境脆弱性评价指标体系各功能团具体定量指标数据。定性指标数据：水质类别与土壤类型分别采用黔东南州生态环境局水质检测与贵州省土壤肥料研究所土壤检测结果。矢量数据：根据贵州省测绘地理信息局提供的1:400万本底矢量数据，提取凯里市水源地边界矢量信息。将以上数据经过处理，在ArcGIS10.2软件中构建为图层，并置于阿尔伯投影坐标体系，其中地理坐标是Gcs_Wgs_1984、投影坐标为Wgs_1984_Utm zone_49N。依据500 m×500 m栅格精度，对栅格数据进行重采样，将已有矢量数据转换为栅格数据，运用ENVI4.8软件解译。

3 结果与分析

首先，将凯里市饮用水源地脆弱性评价指标数值代入式(1)～式(5)，得到隶属度判断矩阵R(表3)；其次，根据权重(表1)向量λi以及隶属度判断矩阵R，运用式(6)测算水源地生态环境脆弱性评判向量，根据最大隶属度原则，得出综合评判结果(表4)；最后，通过ArcGIS10.2软件空间分析功能与ENVI4.8软件解译功能获得各水源地不同等级脆弱度分区面积(表5)。

3.1 凯里市饮用水源地生态环境脆弱性总体特征

根据凯里市饮用水源地脆弱性指标隶属度矩阵(表3)与综合评判向量(表4)判断，普舍寨饮用水源地与金泉湖饮用水源地生态环境均对应j3级，属于中度脆弱状态。其中，普舍寨饮用水源地水文气象功能团处于轻度脆弱状态，土壤地质功能团处于中度脆弱状态，水源污染功能团处于高度脆弱状态，地表扰动功能团处于潜在脆弱状态；金泉湖饮用水源地水文气象功能团、土壤地质功能团表现为中度脆弱状态，水源污染功能团表现为极度脆弱状态，地表扰动功能团表现为潜在脆弱状态。普舍寨饮用水源地生态环境轻度脆弱区、中度脆弱区、极度脆弱区与高度脆弱区面积占保护区总面积的比例分别是4.02%、55.51%、2.78%与2.23%(表5)；金泉湖饮用水源地生态环境轻度脆弱区、中度脆弱区、极度脆弱区与高度脆弱区面积占保护区总面积的比例分别是9.13%、46.31%、2.34%与3.91%。分析表5可知，饮用水源地中度脆弱区分布面积广且较集中，而极度脆弱区与高度脆弱区分布面积小且分散，潜在脆弱区所占面积比例较高，占比为37.49%，说明水源地保护区生态健康存在较大潜在威胁。

究其原因，凯里市饮用水源地居民以农业经济为主，人口增速较快，不合理的经济社会活动仍较为频繁；饮用水源地处于黔东岩溶地区，地表崎岖、土壤贫瘠、涵养水源功能差，生态经济系统较为脆弱；随着郊区城市化的快速发展，人地作用对水源地生态环境胁迫效应日益增强。主要表现：其一，污水处理设施中人工湿地植物已枯萎，严重影响污水处理效果；其二，水源染物超标，有效治理与监管效率欠高，导致水质出现弱矿化度、低硬度与中度营养化等特征；其三，饮用水源地准保护区的商业与旅游节事活动对于水质净化产生了较大影响。

表3 城市饮用水源地生态环境脆弱性评价指标隶属度矩阵Tab.3 Membership matrix of the vulnerability assessment eco-environment of urban drinking water source

表4 城市饮用水源地生态环境脆弱性综合评判结果Tab.4 Comprehensive assessment of the vulnerability assessment eco-environment of urban drinking water source

表5 城市饮用水源地生态环境各级脆弱性分区Tab.5 Vulnerability zoning of the eco-environment of urban drinking water source

3.2 凯里市饮用水源地生态环境脆弱性影响因素分析

根据表1数据分析，凯里市饮用水源地生态环境脆弱性指标层权重值较大的是I1与I3，分别为0.316 5与0.268 6。说明影响水源地生态脆弱性的功能团主要为水文气象与水源污染。其中废污水排放量、固体污染物排放量权重贡献率分别是0.091 9与0.100 6，成为胁迫水源地生态健康发展的主要人为因素。将功能团I1与I2权重贡献率比较，发现水文气象诸自然因素对水源地生态环境脆弱性发挥主导作用，其中多年降水量与水文地质因子对水源地生态环境脆弱性影响较大，说明凯里市中亚热带湿润气候对水源区生态环境保育是有利的，但受岩溶地貌典型发育的影响，水土流失、土壤贫瘠、石漠化严重等突出问题对水源地土壤地质环境极为不利。其实，土壤地质是水源地生态环境脆弱的基础，而环境污染与地表扰动则加剧了水源地生态环境脆弱程度。因此，水源地生态环境脆弱状态变化是人类活动与自然环境基础交互作用的结果。通过实地调研，发现普舍寨饮用水源地保护区取水点上游1 000 m至下游100 m的水域和两岸纵深100 m的地域中度脆弱性与高度脆弱性分区面积集中分布；金泉湖饮用水源地保护区周边约1 km2的区域，中度脆弱区、高度脆弱区与极度脆弱区面积较大且集中分布。反映出一级保护区内的违章建筑、人畜活动、污水垃圾处理等问题亟待全面整治。

饮用水源地生态环境脆弱性问题较为突出，中度脆弱分区面积、高度脆弱分区面积与极度脆弱面积所占比例分别为48.97%、2.47%、3.43%(表5)，主要分布于居民经济社会活动较为强烈的二级保护区域与准保护区域。该区域地形地貌以中、低山为主，土壤为石灰岩土，富吕化作用极弱，森林覆盖率不高。目前，准保护区乡村人口密度较高，日常生活、农业产业经营与商业活动产生的环境污染的潜在隐患短时期难以通过控制郊区居民生产方式的策略实现。据调查，凯里经济开发区的中坝村5组普舍寨、鸭塘村7～12组青虎寨、清新村4组新寨、万潮镇清江组村寨、清新村1～3组廉刀湾寨、三江村寨位于水源地准保护区及二级保护区，生活污水直排污染较为严重，成为保护区内重要的污染源，村寨生活垃圾收集设施与清运制度还不够完善与健全。因此，加强凯里市饮用水源地生态环境保育与修复刻不容缓，应从技术、补偿、教育及管理诸方面科学统筹决策，逐步降低饮用水源地保护区生态健康面临的风险与压力。

3.3 凯里市饮用水源地生态环境脆弱性排序

对凯里市普舍寨与金泉湖饮用水源地生态环境脆弱性进行诊断，为精确比较两大饮用水源地脆弱性发展状态奠定了基础。针对处于中度脆弱性状态的两大饮用水源地无法直接比较其生态环境优劣的状况，特将欧式贴近度与模糊物元理论[24]相融合，通过对饮用水源地生态环境进行脆弱性进行排序，能够实现用数值直观、精确的表征饮用水源地生态环境发展状态目标。首先，通过对具体指标进行从优隶属度[25]测算，得到凯里市饮用水源地生态环境脆弱性的目标优属度模糊物元矩阵与复合模糊物元矩阵；其次，根据综合权重法[26]测算饮用水源地生态环境脆弱性具体指标变异系数权重；最后，运用模糊物元矩阵和综合权重法，测算两大饮用水源地生态环境脆弱性欧式贴近度。排序结果如(7)式所示。

(7)

式中：PH表示饮用水源地生态环境欧式贴近度。PH值越大，说明水源地态环境发展状态与最优值区域越接近，质量越优；反之相反。

根据上述测算的欧式贴近度对凯里市两大饮用水源地生态环境脆弱性进行优差排序：普舍寨饮用水源地较优，金泉湖饮用水源地次之。但饮用水源地生态健康与环境保护仍存在重要问题，进行脆弱性调控与生态环境保育刻不容缓。

4 结 语

本文在构建岩溶山区城市饮用水源地生态环境脆弱性评价指标体系的基础上，运用模糊综合评判模型与ENVI4.8和ArcGIS10.2软件，对贵州省凯里市普舍寨与金泉湖饮用水源地生态环境脆弱性进行了诊断、分析与评价，得出以下结论。

(1)饮用水源地生态环境均处于中度脆弱状态。其中，中度脆弱区面积最大，占总面积的48.97%；轻度脆弱区面积次之，占比为37.49%；高度脆弱区与极端脆弱区面积较小，分别为2.47%与3.43%，生态环境问题较为严重。

(2)饮用水源地准保护区植被覆盖率较低，不合理的农业与服务业生产活动较为集中，水源污染功能团是影响生态环境脆弱性的重要因素，地表扰动功能团次之。

(3)饮用水源地生态环境欧式贴近度分别为0.330 7、0.121 8，普舍寨饮用水源地生态环境发展状态略优于金泉湖饮用水源地。

针对研究结论，特提出岩溶山区城市饮用水源地保育对策。饮用水源地生态环境保护与修复，应坚持统筹规划原则与依法治理原则，将土地利用优化、生态补偿、教育补偿及科学管理相结合，构建岩溶山区农林生态复合系统；开发岩溶山区水源地涵养功能恢复的生态技术与工程技术；建立大学生志愿者服务制度，加强水源地公众环境教育工作。

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