基于GIS的贵阳市水资源脆弱性动态演变研究

穆 瑾

(遵义市第十九中学，贵州 遵义 563000)

1 研究背景

水资源是国家基础性的自然资源，也是战略性经济资源，同时又是一个国家综合国力的有机组成部分，然而，随着环境变化和社会经济的发展，许多国家和地区面临严重水资源短缺问题[1]，水资源脆弱性已成为国内外水资源领域研究的热点问题[2]。水资源脆弱性研究起源于20世纪60年代法国Albineth和Marget所做的地下水脆弱性研究[3]，随后，地下水资源脆弱性研究成果逐渐丰富[4-7]。20世纪90年代逐渐出现了对地表水水资源脆弱性的研究，一方面以流域水资源系统为研究对象[8-10]；另一方面以区域水资源系统为研究对象，评价了不同区域水资源脆弱性[11-15]。21世纪末，随着全球气候变化研究的逐渐深入，水资源脆弱性的研究转向了全球气候变化下的水资源脆弱性的影响评价[16-18]。纵观各项研究可知国内外对水资源系统脆弱性的研究多侧重于对地下水资源的研究，其研究较多并且研究成果也较为丰富。对于地表水资源脆弱性的研究相对较少，其评价存在3个问题：①水资源是一个系统，其应该考虑到自然和人文两方面的影响；②现有水资源脆弱性研究较少考虑到区域实际情况，区域相关利益机构参与程度较低；③目前水资源脆弱性大部分都集中在时间尺度上的定量评价，而忽略了空间上的脆弱性动态演变状况。文章基于前期现状研究的基础上，对贵阳市水资源脆弱性的动态演变特征进行研究，以便更好地了解水资源脆弱性的空间演变规律，为研究区的水资源管理和调控提供参考和依据。

贵阳市是贵州省省会，现辖六区三县一市，属于典型的喀斯特地区，峰丛与碟状洼地、漏斗、溶洞发育完整，其西北面临青藏高原，西南面临印度洋，东南面临太平洋，是西南季风和东南季风的交汇地，气候带上又位于信风带与西风带之间的过度地带，其特殊的地理位置决定了该区域气候变化规律的复杂性。同时，贵阳是贵州最大城市兼经济、金融、文化、教育交通和集散等中心，2015年，其国内生产总值达2287亿元，年末总人口达462.18万人，总用水量达到10.51亿立方米，其中生活用水量达1.93亿立方米。随着用水需求量的增长，水资源将成为制约当地经济可持续发展的主要因素。

2 数据来源与研究思路

2.1 数据来源

人口密度、国内生产总值、普通中小学在校人口比例来源于《2001年贵阳统计年鉴》《2006年贵阳统计年鉴》《2011年贵阳统计年鉴》和《2016年贵阳统计年鉴》，其中国内生产总值按2000年可比价进行了换算；降水、气温和干旱指数数据来源于贵阳市各区县气象观测站点观测数据；人均水资源占有量、可利用降水资源、万元GDP耗水量、人均GDP和有效灌溉率是通过计算所得；土地利用类型来源于“十年生态”，即2000年、2005年、2010年贵阳市土地利用图和2015年TM影像；水质等级、城镇污水处理率和有效灌溉率来源于自来水公司、《贵阳市水资源公报》和《国民经济和社会发展公报》，对于部分缺失值采用相临年份替代。

2.2 研究思路

文章基于前期研究[19]，采用GIS空间分析方法对贵阳市水资源脆弱性进行动态演变分析，其研究思路是：

首先，文章综合考虑气候因素和人为因素对水资源系统造成的影响，基于IPCC SREX报告和政府间气候变化专门委员会对暴露度、敏感性和适应能力的定义，从暴露性-敏感性-适应能力3个方面综合归纳已有研究指标，并走访该研究区域的不同单位，结合贵阳市区域特点，以及调查、专家咨询得到的信息，并向25位来自政府机关、企事业单位和高校等不同部门的专家咨询，在3个维度上优化选取了共15个评价指标，其各指标权重的确定是根据专家学者的建议并结合层次分析法确定[19](见前期研究[19]表3)。

然后，对各个指标进行无量纲化处理，为此，文章结合聚类分析、国家和国际标准以及文献参考3种方法对各个指标进行量化分级，将其分为5个等级，即微度脆弱(Ⅰ)、轻度脆弱(Ⅱ)、中度脆弱(Ⅲ)、重度脆弱(Ⅳ)和极度脆弱(Ⅴ)(见前期研究[19]表2)。利用ArcGIS10.2软件功能，把已经分好等级的15个评价指标数据空间化，并使用ArcGIS软件中的Resample方法对数据进行重采样，将空间分辨率统一插值成30 m×30 m，之后，在ArcGIS10.2中，通过栅格计算器并结合水资源脆弱性指数(WVI)公式[20]，得到WVI值，采用自然断点法把水资源脆弱性分为微度脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和极度脆弱5个等级，然后生成水资源脆弱性分布图[19](见前期研究[19]图1)。

最后，水资源脆弱性时空演变分析在ArcGIS10.2空间分析模块完成，根据表1把2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年、2000—2015年水资源脆弱度分布图进行两两减法的叠置分析，生成水资源脆弱性动态演变分类分布图。

表1 脆弱度动态演变分类依据

3 结果与分析

3.1 贵阳市市域尺度水资源脆弱性动态演变

贵阳市水资源脆弱性动态演变空间分异比较明显，从2000—2015年的脆弱性动态演变图(图1d)和表2可得，贵阳市水资源脆弱性增强和变弱并存，脆弱性增强区主要分布在南部和中东部，而脆弱性变弱区则主要集中在北部和西部，但是整体变弱。在2000—2015期间，脆弱性减弱区域所占比例超过增强区域20%以上，另有27%左右的水资源脆弱性保持相对稳定。水资源脆弱性变化存在明显的时段性差异。从各个时段的变化来看(图1a-c，表2)，贵阳市水资源脆弱性增强状况大致呈现“首尾增长，中间下降”的状态。2000—2005年、2010—2015年两时段脆弱性增长面积超过20%，特别是2000—2005年，脆弱性增长面积超过27%。水资源脆弱性变弱方面，在2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年3个时段，脆弱性降低比例不断增长，尤其在2010—2015年时段，其脆弱性降低区域面积比例超过40%，水资源脆弱性变化以脆弱性变弱为主基调。

图1 贵阳市不同时段水资源脆弱性动态演变分布图Fig.1 Dynamic evolution distribution of water resource vulnerability in different periods in Guiyang

表2 贵阳市不同时段水资源脆弱性动态演变面积与比例

3.2 贵阳市县域尺度水资源脆弱性动态演变

为进一步分析不同时段水资源脆弱性动态变化的空间分异特征，按照云岩区、南明区、花溪区、乌当区、白云区、观山湖区、清镇市、修文县、息烽县和开阳县10个区县(市)分别裁剪脆弱性变化分类分布(见图1)，统计各区县(市)属性数据(见表3)。

表3 贵阳市各区县(市)不同时段水资源脆弱性动态演变面积及比例

续表3

区域变化类型2000—2005年面积(km2)比例(%)2005—2010年面积(km2)比例(%)2010—2015年面积(km2)比例(%)2005—2015年面积(km2)比例(%)修文县显著增长00.00%——————————————————缓慢增长341.0421.59%3.140.29%160.19.79%200.6511.25%未变化1200.7176.00%873.8280.21%551.5833.71%418.1823.45%缓慢降低38.062.41%212.4919.50%924.1956.49%1164.4165.30%显著降低——————00.00%0.150.01%——————息烽县显著增长0.010.00%——————————————————缓慢增长914.6670.98%0.060.01%0.570.04%0.710.06%未变化371.3628.82%114.1911.67%491.1733.74%389.8933.35%缓慢降低2.60.20%864.3288.33%964.1566.22%778.5466.59%显著降低————————————————————————开阳县显著增长————————————————————————缓慢增长95.98.08%3.990.19%130.5912.56%156.512.20%未变化1057.0289.11%1811.2586.20%470.7345.26%419.732.73%缓慢降低33.322.81%285.9513.61%438.7842.19%706.2355.07%显著降低——————00.00%————————————

从图1(d)和表3可得，在2000—2015年时段，云岩区、南明区、白云区、乌当区、观山湖区和花溪区6个区水资源脆弱性增强明显，其脆弱性增强面积占全区45%以上，其中，南明区最为严重，脆弱性增强面积高达82%，说明这几个区县近15年来变化环境对水资源的扰动比较剧烈，尤其是人类活动的干扰，应该引起当地政府以及水资源管理部门的高度重视；清镇市、修文县、息烽县和开阳县4个县(市)则以脆弱性减弱为主调，水资源脆弱性降低面积比例高达55%以上，其中，清镇市接近80%的面积脆弱性指数降低，说明这几个县(市)近15年来水生态环境好转，人类活动对水资源的扰动减弱，水资源管理取得了较大成效。

从贵阳市不同时段水资源脆弱性演变来看，各区县(市)差异性也较为明显：

(1)云岩、花溪：先强势减弱，后强势增强。云岩区、花溪区2个区水资源脆弱性均表现出先强势减弱，后强势增强的态势，第2时段(2005—2010年)相对于第1时段(2000—2005年)脆弱度指数基本呈现相同程度的下降，但是第3时段(2010—2015年)相对于第2时段(2005—2010年)呈现不同程度的增长，其中，花溪区增长趋势更为明显，指数比例由第2时段(2005—2010年)的1%增长至第3时段(2010—2015年)的69%。这说明研究时段的前10年，其人水和谐发展程度较好，而随着后来社会经济的发展，这些地区水资源脆弱性以持续增长为特征，水资源在变化环境下受到较大程度的扰动，应该引起政府以及水资源管理部门的高度重视。

(2)南明、观山湖区：先减弱，后强势增强。南明区、观山湖区2个区水资源脆弱性均呈现先减弱、后强势增强的趋势，第2时段(2005—2010年)相对于第1时段(2000—2005年)脆弱度指数呈现不同程度的下降趋势，其中，南明区下降趋势更为明显，指数增长比例由第1时段(2000—2005年)的30%下降至第2时段(2005—2010年)的不足1%。第3时段(2010—2015)相对于第2时段(2005—2010年)呈强势增长。这说明这些水资源脆弱性状况受进来经济社会发展状况影响比较大，水资源受到较大影响，以持续增长为特征，应引起相关部门的重视。

(3)乌当、清镇市、修文县、开阳县：先减弱，后增强。乌当区、清镇市、修文县、开阳县4个区县(市)都呈现出先减弱后增强的发展趋势，第2时段(2005—2010年)相对于第1时段(2000—2005年)脆弱度指数呈不同程度的下降，其中，修文县脆弱度增长趋势下降最为明显，指数增长比例由第1时段(2000—2005年)的22%下降到第2时段(2005—2010年)的不足1%；第3时段(2010—2015年)相对于第2时段(2005—2010年)也表现出不同程度的增强，其中以乌当区脆弱度增长指数增强最为明显，由1%左右增长至56%左右，说明这些区域在最近5年脆弱度指数以持续增长为特征，各部门还需要加大对该区域水资源状况的关注度。

(4)白云区：先强势增强，后强势减弱。白云区在2000—2005年水资源脆弱性增强不明显，第2时段(2005—2010年)脆弱性显著增强，第3时段(2010—2015年)脆弱度增长指数下降，水资源系统开始呈良性循环态势发展。

(5)息烽县：显著减弱。息烽县水资源脆弱性整体呈减弱的变化趋势，水资源脆弱度指数增长面积比例由第1时段(2000—2005年)的70%显著减少到第2时段(2005—2010年)的0.0057%，而第3时段(2010—2015年)相对于第2时段变化很小。这说明息烽县水资源脆弱性不断下降，水资源系统呈良性发展趋势，较好地实现了该地人水和谐发展。

4 结论

(1)贵阳市水资源脆弱性增强和变弱并存，脆弱性增强区主要分布在南部和中东部，而脆弱性变弱区则主要集中在北部和西部，但是整体变弱。

(2)云岩区、南明区、白云区、乌当区、观山湖区和花溪区6个区水资源脆弱性增强明显，清镇市、修文县、息烽县和开阳县4个县(市)则以脆弱性减弱为主调。在区县尺度水资源脆弱性动态变化方面，各区县(市)差异性也较为明显，其表现为：云岩区、花溪区2个区水资源脆弱性均表现出先强势减弱，后强势增强的态势；南明区、观山湖区2个区水资源脆弱性均呈现先减弱、后强势增强的趋势；乌当区、清镇市、修文县、开阳县4个区县(市)都呈现出先减弱后增强的发展趋势；白云区呈现先强势增强，后强势减弱；息烽县呈现显著减弱的趋势。