岩溶区水资源利用综合评价——以贵州省为例

王亚维,曾晓林

(1.遵义市国土空间生态修复工程技术中心,贵州 遵义 563000;2.贵州省地质矿产勘查开发局 114地质大队,贵州 遵义 563000;3.贵州省地矿局 第二工程勘察院有限公司,贵州 遵义 563000)

0 引 言

随着人口、经济的飞速增长以及气候的变化,越来越多的地方出现了水资源匮乏、水环境恶化等一系列水资源问题,对国家和部分地区的水资源安全构成严重的威胁[1-5]。为实现水资源的可持续利用,保持社会经济的可持续发展,对水资源问题的研究具有重大的现实意义。

目前,在水资源开发利用风险方面的研究主要集中在水量、水质以及水生态系统等方面。如吴泽宇[6]基于人工神经网络模型,对某地区生态经济区域的水量水质进行了综合风险评价。王丽萍等[7]应用模糊-随机模型,对水资源污染进行综合风险评价,以此量化出富营养化水体的污染风险水平。秦宁等[8]探讨了多环芳烃在水生态系统中存在的生态风险。事实上,水资源利用风险评价处在一个极其复杂的系统当中,影响因素众多,仅用简单的几个指标难以反映出水资源利用风险的真实状态。

因此,本文综合考虑供水、社会、经济、生态环境4个方面的水资源问题,对主要控制因素进行层次划分,确立研究区地下水开发风险综合评价指标体系,并基于突变理论,对所选取的指标数据进行归一转化处理,最后对贵州省水资源利用风险状态进行评估。

1 水资源利用综合风险评价指标体系

水资源利用风险状态受多种因素的影响,针对研究区的用水特点,选择合理的评价指标,是保证评价体系准确性最为重要的环节。本文综合考虑国家标准、行业规范,结合相关领域研究成果,最后确定从研究区供水、社会、经济和生态环境4个方面来评价水资源风险状况,选取13项代表性影响因素作为指标层,构建水资源利用综合风险评价指标体系,见图1。

图1 水资源利用综合风险评价体系

2 评价方法

1969年,勒内·托姆率先提出了突变理论的概念。突变理论是研究事物突变现象的一种数学表达,是对不连续变化的突变现象进行表示,从而更好地控制事物发生突变,使事态向更好的方向发展[9-10]。其详细评价步骤如下[11]。

2.1 突变模型

突变理论主要针对势函数进行研究,根据势函数对临界点进行分类,由此得出各类临界点附近非连续变化状态的特征分布。势函数中,表示系统行为状态的称为状态变量;影响行为状态的一个或多个因素称控制变量。本研究主要运用4种突变模型,具体表达式见表1。

表1 突变模型类型及其表达式

表1中,f(x)表示状态变量的势函数;x为状态变量;a、b、c、d为控制变量,表示影响行为状态的一个或多个因素。

2.2 突变模型归一化处理

归一化是一种简化计算的方法。可求出突变模糊隶属度函数值,其变量的取值范围在0～1之间。需要注意的是,隶属度函数中变量均有主次之分,一般情况下将主控变量标定在前。一般通过归一法简化所得绝对值小于1,其归一公式如下:

折叠突变型归一方程:

尖点突变型归一方程:

燕尾突变型归一方程:

蝴蝶突变型归一方程:

2.3 评价原则

根据问题的具体特征性质,评价过程可采用3种不同计算准则,见表2。

表2 突变模型评价原则

3 实例分析

3.1 研究区概况

贵州省地处我国西南部,为西南地区重要交通枢纽。其位于云贵高原,平均海拔1 100m左右,整体地势西北高、东南低,地形起伏大。区内属亚热带季风气候,年平均温度约16.2℃,年平均降水量约1 200mm。区域内碳酸盐岩分布范围广,占国土面积的60%以上,岩溶发育特征明显,岩溶发育类型复杂多样。虽然区内降水丰富,但地表水与地下水相互补给、转化、循环交替较为频繁,强烈的岩溶作用使地表水漏失严重,区域水资源供需矛盾仍然突出。

3.2 数据来源

本文基础数据主要来源于2008-2015年公开数据《贵州省水资源公报》[12]和《贵州省统计年鉴》[13],部分数据需要进行相应转换得出。见表3。

表3 2008-2015年贵州省水资源利用风险评价影响指标数据

3.3 基于突变模型的水资源利用综合风险评价

3.3.1 评价指标体系的建立

综合考虑研究区水资源量变化、地下水开采状况、生产生活用水状况、水质的变化情况、生态用水、植被覆盖状况以及人口密度、人均用水量等因素,得到地下水资源开发利用风险评价指标体系表。见表4。

表4 贵州省水资源利用综合风险评价指标体系

3.3.2 指标的转换

水资源利用风险评价中选取的指标有正负向之分,即积极影响和消极影响之分。鉴于此,需要考虑各指标的含义及其对整个指标体系的贡献,在突变模型求解综合评价结果前,必须进行数据转换处理,将所得指标通过归一化转化为0～1的统一隶属度函数。指标转换公式如下:

对越大越优的指标:

对越小越优的指标:

对适中指标:

式中:a1、a2为函数的上、下界,可由实际情况估算而来。当实际情况不明确时,函数的上、下界可通过各指标最大、最小值10%的增减值计算[14]。

据此得出研究区2008-2015年水资源利用风险评价指标数值转换结果,见表5。

表5 贵州省2008-2015年水资源利用风险评价指标转换值

3.3.3 突变级数的计算

利用各突变级数转化公式,且根据风险评价指标体系,通过逐级计算评价,得到各指标突变级数大小,见表6。

表6 贵州省2008-2015年水资源利用风险评价指标突变级数及综合评价结果

本文借鉴青春炳、潘华盛等[15-16]学者的风险等级划分标准,对贵州省水资源利用风险状态等级进行划分,划分标准见表7。

表7 水资源安全风险状态等级划分标准

结合风险评价指标突变级数计算结果,可以得到贵州省2008-2015年水资源利用风险状态值及变化趋势,见图2、图3。

图2 水资源利用准则层年际风险值

图3 贵州省2008-2015年水资源利用风险值变化趋势

分析表明,贵州省2008-2015年水资源利用状态综合风险值在0.777 8～0.950 8之间。根据风险状态等级划分标准,研究区内水资源利用综合风险等级属于中险～特险,且年份风险值由高到低排序为2009>2010>2008>2011>2013>2012>2015>2014。具体分析如下:

2008-2010年,水资源利用状态综合风险值均大于0.9,总体处于较高水平,其中供水安全和经济安全风险值明显高于其它年份。通过查阅水资源公报等相关资料可知,这几年间降雨量大幅减少,区域内多地发生洪涝、干旱灾害,水资源量蒸发严重。特别是2010年,区内遭遇百年一遇的干旱,致使多地无水可饮,严重影响了人们的生产、生活。

2011-2015年间,水资源利用状态风险等级出现了明显的下降,其中变化较为明显的是经济安全准则下的“万元GDP用水量”指标,与2010年相比,至2015年下降51.14%。此外,2010-2015年间生态环境安全准则下的“水功能区水质达标率”提升近5倍之多,这主要归功于近年来贵州在发展思路上的转变。需要引起重视的是,水资源社会安全风险等级一直处于较高水平,其原因主要是人均用水量居高不下所致。

4 结 论

1)本文从水资源的供水、社会、经济和生态环境4个方面考虑,分析选取了影响水资源利用风险评价的13项特征评价指标,构建了水资源利用综合风险评价指标体系;并基于突变理论,建立了能够客观反映多因素决策特征的水资源利用综合风险评价模型。

2)结果表明,贵州省2008-2015年水资源利用综合风险值在0.777 8～0.950 8之间,水资源利用风险状态属于中险～特险,风险值由高到低排序为2009>2010>2008>2011>2013>2012>2015>2014。由综合风险值趋势线可知,风险值总体呈逐年下降的趋势,表明贵州省近几年水资源利用状态正朝着好的方向发展。该评价结果与实际情况相符,表明采用突变评价法对水资源安全综合评价是合理、有效的。