武漢城市圈水資源脆弱性評價

朱怡娟, 黃建武, 揭 毅

(華中師范大學城市與環境科學學院,湖北 武漢 430079)

武漢城市圈水資源脆弱性評價

朱怡娟, 黃建武, 揭 毅

(華中師范大學城市與環境科學學院,湖北 武漢 430079)

在分析武漢城市圈水資源脆弱性成因的基礎上,基于DPSIR模型建立了評價水資源脆弱性的指標體系,利用熵值法確定各指標的權重,進一步運用模糊綜合評價法對武漢城市圈水資源脆弱性進行了評價,同時將其與湖北省水資源脆弱性進行了比較。結果表明,武漢城市圈水資源脆弱性高于湖北省水資源的脆弱性,存在著較多不安全因素。在空間分布上, 武漢城市圈水資源脆弱性差異較大,表現出從東南向西北逐漸增大的趨勢。提出了防治水污染、維護和完善水利工程設施、節約用水提高用水效率、加強水資源的統一規劃和管理的建議。

水資源脆弱性;DPSIR模型;熵值法;定量評價；武漢城市圈

水資源作為人類生存和發展必不可少的基礎性自然資源,在社會經濟發展中發揮著不可替代的重要作用。近年來,隨著經濟社會的發展進步,人口的迅速增長以及城市化、工業化的加快推進,人類對水資源的需求越來越大,加上目前全球氣候變化的大背景,水資源系統出現了水資源短缺、水環境污染、水旱災害頻發等諸多問題,水資源系統的脆弱性日益顯著,水資源系統的脆弱性已經成為影響人類社會實現可持續發展的重要因素。

水資源脆弱性研究源于20世紀60年代法國學者Albinet和Marget對地下水資源脆弱性的研究[1],之后隨著研究的深入,水資源脆弱性研究的范圍從地下水資源逐步延伸到地表水資源和整個水資源系統[2-3],并且還開展了全球氣候變化背景下的水資源脆弱性研究[4]。我國水資源脆弱性研究開始于20世紀90年代,雖起步較晚,但已取得了有關水資源脆弱性的概念、內涵和定量評價等方面的研究成果[5-7],水資源脆弱性研究獲得了較大發展。劉綠柳[5]提出水資源脆弱性的概念為水資源系統易于遭受人類活動、自然災害威脅和損失的性質和狀態,受損后難于恢復到原來狀態和功能的性質。并且,在分析其脆弱性內涵的基礎上給出了水資源脆弱性定量評價的指標體系和評價方法。

武漢城市圈地處長江中游地區。目前,有不少關于武漢城市圈水資源方面的研究。如王鑫等[8]運用水資源生態足跡的理論,定量研究了武漢城市圈2003—2008年水資源的生態狀況。李長健等[9]從可持續發展角度出發,分析武漢城市圈水生態環境的現狀及其原因,提出了保護武漢城市圈水生態環境的途徑。黃彧[10]以2010年的數據定量評價了武漢城市圈的水資源承載力。目前,關于武漢城市圈的水資源脆弱性的研究未見報道。本文擬在全面分析武漢城市圈水資源脆弱性的原因的基礎上,以DPSIR模型框架為基礎,建立水資源脆弱性評價指標體系,運用熵值法和模糊綜合評價法對武漢城市圈水資源系統的脆弱性進行評價,并且與湖北省的水資源脆弱性進行比較,最后根據評價結果,就降低武漢城市圈水資源脆弱性方面提出了建議,以期為武漢城市圈水資源的保護和合理開發利用提供一定參考。

1 研究區概況

武漢城市圈地處湖北省的東部地區,是以武漢為中心,包括其周邊的黃石、鄂州、孝感、黃岡、咸寧、仙桃、潛江和天門在內的9個城市組成的區域,總面積為58 052 km2。地質構造以新華夏構造為主,地勢起伏不大,東北部和南部高,中西部低,東北部和南部為低山丘陵,中部和西部為面積廣闊的江漢平原,平原面積約占區域總面積的50 %。城市圈地處亞熱帶,為亞熱帶季風性濕潤氣候,四季分明,日照充足,雨量豐沛,雨熱同季。區域水系發達,河湖眾多,境內河流主要為長江水系及其18條支流[10],現有大小湖泊170個,武漢更是素有“百湖之市”的美譽[9]。因降水豐富,河流湖泊眾多,武漢城市圈水資源十分豐富,2012年,水資源總量為330.06億m3,占湖北省水量的40.6 %,其中地表水資源量313.53億m3,地下水資源量為84.44億m3。

截至2012年年底,武漢城市圈常住人口達3 062.85萬人,占全省常住人口的53%,當年完成地區生產總值13 883.58億元,占全省的62.4%,人均地區生產總值達到45 329元,是湖北省經濟發展的核心區域。

2 水資源脆弱性評價

2.1 成因分析

水資源脆弱性是指水資源系統易于遭受人類活動、自然災害威脅和損失的性質和狀態,受損后難于恢復到原來狀態和功能的性質[5]。武漢城市圈地處亞熱帶地區,雖然水熱條件充足,但水資源的時空分配不均勻。從時間上來看,年內降水較為集中,主要在每年的4—9月,同時還存在著降水量的年際變化。從空間上來看,降水量從東南向西北逐漸減少。區域內平原面積廣大,地勢低平,易發生洪澇災害,是歷史上著名的“水袋子”。而西北部崗地相對坡度較大,降水量少,易發生旱災。武漢城市圈是湖北省人口最密集、產業最發達的地區,雖然水資源總量豐富,但因人口較多,人均擁有水資源量的優勢并不明顯。隨著工業化、城市化的發展,工農業生產和居民生活用水量加大,但節水意識淡薄,工農業耗水量大,使得用水效率不高,出現了水資源短缺的現象。同時廢污水排放量大,河流湖泊水資源污染嚴重。由于城鎮建設用地的需要等人為原因導致了湖泊減少和面積萎縮,使其對水資源的調蓄能力降低。周邊水利工程設施雖較完善,但因多數設施年份久遠,無法滿足需要。

武漢城市圈水資源脆弱性成因由內部因素和外部因素構成。降水狀況、地貌特征等因素是引起水資源系統脆弱的內部因素,也是水資源脆弱性的自然成因;生產生活用水、廢污水的排放等人類活動是外部因素,是水資源脆弱性的主要誘因。人類活動與水資源系統協調發展,則水資源系統處于良好狀態,反之,則導致水資源系統的脆弱性。

2.2 評價指標體系的建立

水資源系統是一個復雜開放的大系統,因此本文采用DPSIR(driving forces-pressures-states-impacts-responses)概念模型來評價水資源系統的脆弱性。1993年,DPSIR模型由聯合國首次提出[11],目前多用于環境、資源等可持續發展評價[12]。

以DPSIR模型為基礎,依據系統性、科學性、可操作性的原則,結合實際情況和數據的可獲取性,從驅動力、壓力、狀態、影響和響應5個子模型選取了17項指標,建立了如圖1所示的水資源系統脆弱性評價指標體系。驅動力子模型表征的是推動水資源發展變化的因素,主要采用的是社會經濟發展、水資源的自然豐枯變化等方面的指標。壓力子模型描述社會經濟發展的各個部門對水資源的需求以及相應對水資源系統產生的副作用,主要是廢污水的排放。狀態子模型描述了系統滿足人類生產生活用水需求的能力和目前水資源的開發利用狀況。影響子模型表征了在人為、自然因素等脅迫下系統遭受到的影響,以及受到影響的系統對國民經濟和生態系統產生的影響。響應子模型描述了針對水資源系統的脆弱性所采取的工程措施和管理措施,如節水、水污染防治、水利工程建設等。

圖1 水資源系統脆弱性評價指標體系

2.3 指標權重的確定

確定權重系數的方法有很多,概括起來有兩種:主觀賦權法和客觀賦權法[13]。主觀賦權法存在主觀因素,可能會造成評價結果因人的主觀價值判斷標準的差異而形成偏差。因此,本文采用客觀賦權法——熵值法[14]來確定各個指標的權重值。用熵值法確定指標權重的步驟如下:

第1步:設Xij(i=1,2,…,n,j=1,2,…,m)為第i個被評價對象的第j項指標的觀測數據,計算第j項指標下第i個被評價對象的特征比重Pij。

(1)

第2步:計算第j項指標的熵值ej。

(2)

第3步:計算第j項指標的差異性系數gj。

gj=1-ej

(3)

第4步:計算第j項指標的權重wj。

(4)

2.4 水資源脆弱性模糊綜合評價

a. 建立因素集U={u1,u2,…,um},即U是m項評價指標組成的集合。

b. 建立評價集V={v1,v2,…,vn},即V是n個被評價對象組成的集合。

c. 在因素集U與評價集V之間進行單因素評判,建立模糊關系矩陣R,即

式中:rij表示因素集U中第i個因素ui對應于評價集V中第j個等級vj的隸屬度;0≤rij≤1,i=1,2,…,m,j=1,2,…,n。

脆弱性評價指標分為正向指標和逆向指標兩種。正向指標表示指標的數據值越大,系統的脆弱性越大。逆向指標表示指標的數據值越大,系統的脆弱性越小,因此,隸屬度rij的計算公式為

(5)

(6)

式中:ximin、ximax分別表示第i項指標的最小值和最大值。

d. 建立評價因素的權重矩陣W。上文中通過熵值法可求得各項指標的權重wi,那么可得模糊權重矩陣W,即

(7)

e. 模糊綜合評價。將模糊權重矩陣W與模糊關系矩陣R合成運算[15]即可得到模糊綜合評價結果,即

B=W·R

(8)

2.5 數據來源

本文以2010年為評價年份,人均地區生產總值(C2)、人口密度(C3)的數據來源于《湖北統計年鑒2011》,有效灌溉面積比(C12)、單位面積蓄水工程興利庫容(C14)、節水灌溉率(C15)的數據來源于《湖北農村統計年鑒2011》,植被覆蓋指數(C13)的數據來源于《2010年湖北省環境質量狀況公報》,城市污水處理率(C16)的數據來源于《湖北建設年鑒2011》,年降水量相對變率(C1)、廢污水排放強度(C4)、萬元工業生產總值用水量(C5)、農業灌溉單位面積平均用水量(C6)、人均日生活用水量(C7)、人均水資源量(C8)、單位面積平均水資源量(C9)、水資源開發利用率(C10)、飲用水水源地水質合格率(C11)、生態環境用水比例(C17)的數據來源于《2010年湖北省水資源公報》。

3 結果與分析

3.1 結果計算

運用熵值賦權法,求得各個指標的權重值如表1所示。生態環境用水比例 (C17)、單位面積蓄水工程興利庫容(C14)、節水灌溉率(C15)的權重值最高,分別為0.2677、0.2039、0.1341。它們均是響應子模型下的指標,這表明,針對水資源系統的脆弱性,是否采取積極有效的措施是影響水資源系統脆弱性大小的最重要因素。同時,人均水資源量(C8)、單位面積平均水資源量(C9)、廢污水排放強度(C4)的權重值也較高,分別為0.056 7、0.057 6、0.046 8。人均水資源量和單位面積平均水資源量表征了水資源系統滿足人類用水需求的能力,它們也是加劇水資源脆弱性的重要因素;廢污水排放強度的權重值較高,說明因人類排放廢污水對水資源系統產生的壓力也是導致水資源系統脆弱性變大的重要因素。

表1 水資源脆弱性評價指標權重計算

依據公式(5)、(6),相應地將各項指標進行處理,繼而得到模糊關系矩陣R:

根據模糊綜合評價計算公式(8),可知水資源脆弱性模糊綜合評價結果為

[0.516 60.456 30.825 50.686 10.589 90.459 80.677 60.712 50.818 90.493 5]

為了使評價結果更為直觀,按照水資源脆弱性計算結果從高到低進行分級。目前,對水資源脆弱程度沒有統一的評價標準,本文在參考相關文獻[6-7,12]的基礎上,根據上述模糊計算結果提出水資源脆弱性評價標準,把脆弱性程度分為4級,分別為不脆弱、輕度脆弱、中度脆弱和重度脆弱(表2)。將上述計算求得的10個被評價對象的水資源脆弱性計算結果,依據表2的水資源脆弱性評價標準進行分級。

表2 水資源脆弱性評價標準

湖北省的水資源脆弱性評價分值為0.493 5,脆弱性等級為2級,屬于水資源輕度脆弱區,武漢城市圈的武漢、黃石、鄂州、孝感、黃岡、咸寧、仙桃、潛江和天門的水資源脆弱性評價分值分別為0.516 6、0.456 3、0.825 5、0.686 1、0.589 9、0.459 8、0.677 6、0.712 5、0.818 9,武漢、黃石、黃岡、咸寧的脆弱性等級為2級,屬于水資源輕度脆弱區,孝感、仙桃、潛江的脆弱性等級為3級,屬于中度脆弱區,鄂州和天門的脆弱性等級為4級,屬于重度脆弱區(表3)。

表3 水資源脆弱性評價分值

圖2 水資源脆弱性模糊綜合評價結果

3.2 結果分析

湖北省水資源脆弱性模糊綜合評價分值為0.493 5,屬于輕度脆弱地區,武漢城市圈九個城市的水資源脆弱性評價分值分布集中在0.456 3～0.825 5之間(圖2),平均值為0.623 7;武漢、黃石、黃岡、咸寧為輕度脆弱區,孝感、仙桃、潛江為中度脆弱區,鄂州和天門為重度脆弱區。可以看出,湖北省和武漢城市圈的水資源均存在著脆弱性。這是因為盡管湖北省和武漢城市圈均位于亞熱帶濕潤季風氣候區,降水豐沛,但是因自然、人為等因素的影響導致水資源系統存在較多的不安全因素,水資源系統呈現出較為突出的脆弱性。

武漢城市圈水資源脆弱性評價結果的平均值為0.623 7,高于湖北省的結果0.493 5。這說明與湖北省相比較,武漢城市圈整體的水資源脆弱性更大。武漢城市圈是湖北省人口最密集、經濟最發達的區域,對水資源的需求量大,廢污水的排放總量大,它雖然是“兩型”社會建設綜合配套改革試驗區,在水資源的開發利用和保護方面采取了很多措施和政策,但還有著諸多不夠完善和不成熟的地方,因此,武漢城市圈的水資源脆弱性大于湖北省的水資源脆弱性。

就武漢城市圈的9個城市來說,水資源的脆弱性也存在著較大差異(圖3)。

圖3 武漢城市圈水資源脆弱性分級圖

武漢城市圈水資源脆弱性有從東南向西北逐漸增大的趨勢。中部、東部和南部的絕大部分地區(除鄂州之外)屬于輕度脆弱性地區,脆弱性相對較小,西北部為中度和重度脆弱區,脆弱性相對較大。因為武漢城市圈為亞熱帶季風氣候,來自于東南部的太平洋暖濕氣流帶來的降水是水資源的最主要來源,水資源從東南向西北遞減,東南部的水資源多,西北部的水資源少。另一方面,中部、東部和南部地區經濟相對發達,人口素質較高,對水資源保護的投入較大,對水資源的監督和管理到位,而西北部地區是武漢城市圈中經濟相對不發達的地區,工農業生產粗放,水資源的利用率不高,廢污水的處理率低,加上各項水資源保護的政策和法規等的實施和監管不夠到位,這又加劇了西部地區水資源的脆弱性,就導致了西北部地區的水資源脆弱性大于東南部地區。鄂州為重度脆弱性地區是因為鄂州經濟較發達,廢污水排放量大,但土地面積小,單位土地面積上排放的廢污水多,即廢污水的排放強度大,導致水資源極易被污染,另外人口密度大,對水資源的需求量大,使得水資源的開發程度大,但節水意識不夠,出現了水資源短缺的現象。

4 結論與建議

研究結果表明,武漢城市圈水資源系統存在較為突出的脆弱性,與湖北省相比較,武漢城市圈的脆弱性程度較大,這與武漢城市圈人口密集,產業發達,追求經濟社會的快速發展密切相關,這從一定程度上表明了武漢城市圈經濟社會發展與區域水資源系統不協調,水資源開發利用和保護方面呈現出脆弱性,水資源系統存在著較多的不安全因素。另外,武漢城市圈水資源脆弱性從東南向西北逐漸增大,這與水資源本身的自然稟賦有關,也與在水資源開發利用和保護等方面是否合理以及是否做到有效的管理和監督有關。

針對武漢城市圈水資源脆弱性的現狀,提出如下建議以降低武漢城市圈水資源系統的脆弱性。

a. 防治水污染,維護和改善生態環境。武漢城市圈經濟發達,廢污水的排放量總大,極易造成水資源的污染,引起生態環境的惡化。因此,必須從源頭上減少廢污水的排放、提高廢污水的處理率并且對已經污染的水資源進行治理,另外還要增加生態環境用水量,使生態環境得以維護和改善。

b. 維護和完善水利工程設施。水利工程設施能實現水資源時空分布與需水時空分布相協調,是降低水資源系統的脆弱性的重要途徑。武漢城市圈雖然建立了較為完整的水利工程體系,但因泥沙淤積和老化嚴重等諸多因素的影響,造成水利工程設施在關鍵的時刻不能發揮作用。因此,需對水利工程設施進行維護和完善,修繕現已廢棄的原有設施,疏通河道整治現有設施并盡可能地挖掘現有設施的潛力,對不配套的水利設施進行完善,修建新的水利設施,建立起完善而有效的水利工程設施體系。

c. 節約用水,提高用水效率。武漢城市圈水資源豐富,但是存在著嚴重的浪費水資源的現象,用水效率不高。因此,必須節約用水,提高用水效率。應大力發展節水農業,推廣節水型農業灌溉技術,優化農作物種植品種結構;在工業生產方面,可實行用水標準定額,適當提高水價,鼓勵清潔生產和節約用水,以提高水資源的重復利用率和降低單位工業產品的耗水量;加強宣傳和教育,提高生活用水的重復使用率,樹立節約用水的觀念,樹立正確的水資源意識,建立起全民節水的大環境。

d. 加強水資源的統一規劃和管理,實現水資源的優化配置。在分析武漢城市圈水資源面臨的形勢的基礎上,立足現狀,針對未來國民經濟與社會發展對水資源的需求狀況,對武漢城市圈水資源編制統一的開發利用規劃,提高水資源綜合利用效益,實現水資源的高效配置。水資源管理涉及的機構眾多,因此還需明確各個水資源管理機構的職責,做到各個部門各盡所能各司其職。同時,在水資源管理中應充分利用法律和經濟手段,發揮它們各自的優勢。加強水資源立法,健全和完善水資源保護法律體系,做到依法治水,充分發揮市場在資源配置中的作用,建立完善而高效的水資源管理運行體制機制,實現水資源的綜合效益最大化。

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Evaluation on water resources vulnerability of Wuhan City Circle

ZHU Yijuan, HUANG Jianwu, JIE Yi

(CollegeofUrban&.EnvironmentSciences,CentralChinaNormalUniversity,Wuhan430079,China)

After analyzing the cause of water resources vulnerability of Wuhan City Circle, we developed a water resources vulnerability evaluation index system based on the DPSIR model. We obtained weights of factors using entropy value method, and made an evaluation of water resource vulnerability of Wuhan City Circle with the fuzzy comprehensive evaluation method. We also compared the water resources vulnerability of Wuhan City Circle with that of Hubei province. The result indicates that water resources of Wuhan City Circle are more vulnerable and there are more insecurity factors. The spatial distribution of water resources vulnerability of Wuhan City Circle is different with the trend of increasing from southeast to northwest. We suggest that we should prevent and control water pollution, maintain and improve water conservancy facilities, save water and improve water use efficiency, and strengthen water resources planning and management.

water resources vulnerability; DPSIR model; entropy value method; quantifying assessment; Wuhan City Circle

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.02.012

國家自然科學基金 (31270378)

朱怡娟(1990—),女,碩士研究生,研究方向為自然資源開發與利用。E-mail:zyj900708@163.com

黃建武,教授。E-mail:wgjzhjw@163.com

TV213.4

A

1004-6933(2015)02-0059-06

2014-04-10 編輯：高渭文)