變化環境下流域水資源系統適應性機理及定量分析

潘爭偉,金菊良,王 晶,吳成國

(1.蚌埠學院 土木與水利水電工程學院,安徽 蚌埠 233030;2.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009;3.合肥工業大學 水資源與環境系統工程研究所,安徽 合肥 230009)

1 研究背景

聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)從不同視角識別全球氣候變化的關鍵要素，并強調人類發展與氣候變化適應的重要性[1]，對氣候變化的影響和適應評估進行了大量研究。IPCC特別報告《全球升溫1.5℃》[2]中的適應概念更強調人類系統的作用。在人類系統中，調整實際或預期氣候及其影響的過程，以減輕損害或利用有益機會；在自然系統中，調整實際氣候及其影響的過程。適應逐漸被認為是減緩氣候變化脆弱性的有效途徑[3]。Seif-Ennasr等[4]綜合考慮到效益、實施時間、成本和可行性等因素，提出一種新的適應性評估方法，并對水管理措施對氣候變化的適應性進行評估；Yatesa等[5]在未來氣候和非氣候壓力因素的不確定性條件下，論證了以決策為中心的適應性評估過程，并應用于科羅拉多河流域上游區域；Goosen等[6]提出氣候變化適應分析的基本內容主要包括氣候變化影響或脆弱性評估、適應方案的設計與選擇，以及適應方案的評估等；左其亭[7]對水資源適應性利用模式、理論體系框架、關鍵內容等進行了研究；姜海波等[8]分析了塔里木河流域水量和水質兩方面的水資源脆弱性成因，并提出了適應性對策。

淮河流域位于中國東中部，處于中國南北氣候過渡帶，人均水資源量不足500 m3，屬嚴重缺水地區。流域多年平均降水量約920 mm，其分布狀況大致是由南向北遞減，年內年際變化較大，特殊的地理位置和氣候條件，導致淮河流域洪澇災害頻發，氣候變化對淮河流域水資源的影響和適應性等問題值得關注[9]。本文以安徽省淮河流域為研究區，通過水資源系統的自然系統和社會(人工)系統對變化環境的適應過程分析，探討變化環境下水資源系統適應性機理，并提出基于聯系數-模糊風險矩陣的系統分析方法，對變化環境下水資源系統適應性進行定量分析。

2 水資源系統適應性機理與驅動因子識別

2.1 變化環境下水資源系統適應性機理分析

水資源系統因氣候條件、自然特征和社會特征、經濟水平等變化環境的影響，其穩定性和協調性遭到破壞，致使系統處于一種脆弱性狀態。水資源系統包括自然系統和社會(人工)系統，水資源自然系統自身具有應對氣候變化的自我調節和修復反應，而水資源社會(人工)系統具有通過主動調整應對變化環境的能力，并由適應主體通過適應因素的反饋作用實現減弱變化環境的不利影響[10]，水資源系統歷經自我反應、與之適應、主動調整以應對系統脆弱性，變化環境下水資源系統適應性機理過程如圖1所示。

圖1中，水資源自然系統對系統脆弱性的自我應對，使系統恢復初始狀態的能力稱之為水資源系統應對變化環境的自然適應性或自然恢復性(natural resilience，NR)；水資源社會(人工)系統對系統脆弱性的主動調整應對是由適應主體通過適應因素的反饋作用實現的，稱之為水資源系統的人為適應性(artificial adaptation，AA)；自然恢復性和人為適應性的雙重作用使系統脆弱性減弱。因此，水資源系統適應性是指系統對變化環境的干擾和破壞的應對和響應能力，包括自然系統應對變化環境的自然恢復能力，以及社會(人工)系統由適應主體通過適應因素主動應對變化環境的人為適應能力，是自然恢復性(NR)和人為適應性(AA)的函數，可表示為：

圖1 變化環境下水資源系統適應性機理過程

A=f(NR,AA)

(1)

2.2 水資源系統適應性驅動因子識別分析

水資源系統是由水資源、生態、環境、人口、社會、經濟等子系統和要素構成，由自然系統和社會(人工)系統相結合的開放的復合系統。通過水資源系統適應性機理分析，結果顯示，變化環境下水資源系統適應性是由水資源自然系統的自然恢復性和社會(人工)系統的人為適應性構成。

(1) 自然恢復性因子。自然恢復性(NR)是水資源自然系統對變化環境的應對，通過水資源稟賦，生態環境等因素自我調節應對自然系統的變化，目的是調整或修復受損的水資源系統。從功能的角度來看，水具有資源、環境和生態的功能，表現為水量、水質和水生態。因此，自然恢復性因子應包括水量、水質和水生態指標。采用頻度分析、統計分析、專家咨詢、系統分析等方法，篩選出的自然恢復性因子為：“水量”，主要包括降水量、降水變率、干旱指數、水資源量、產水模數；“水質”，主要包括地表水環境質量、水污染事件；“水生態”，主要包括水域面積比、濕地面積比、水土流失面積比。

(2) 人為適應性因子。人為適應性(AA)是社會(人工)系統與變化環境相協調的主動調整，通過主動調整人類行為來減輕氣候變化對自然生態系統和人類社會系統的不利影響，人為適應性與自然系統和社會系統密切相關。對自然生態系統而言，是通過人為干預對預期變化環境及其影響做出應對；對人類社會系統而言，是通過改變人類生產生活行為方式，主動探求如何降低變化環境的損害。人為適應性是由適應主體通過適應因素的反饋作用實現的，適應因素主要指自然生態系統的資源因素和生態環境因素，以及人類社會系統的社會經濟因素和技術因素。采用頻度分析、統計分析、專家咨詢、系統分析等方法，篩選出的人為適應性因子為：“資源”，主要包括用水量、水資源利用率、用水模數；“生態環境”，主要包括植被指數、污水排放量、污水處理率、水土流失治理面積比、水功能區水質達標率、生態環境用水比例；“社會經濟”，主要包括區域開發程度、人均GDP、固定資產投資完成額；“技術”，主要包括用水效率指標(農田灌溉畝均用水量、萬元工業增加值用水量、人均生活日用水量)、R&D(research and development)經費支出占GDP比例。

采用模糊層次分析法分別對自然恢復性因子和人為適應性因子進行識別分析，獲得水資源系統適應性驅動因子。水資源系統適應性因子關系見圖2。

圖2 水資源系統適應性因子關系圖

3 數據來源與研究方法

3.1 研究區概況

安徽省淮河流域處于淮河中游，包括六安、淮南、蚌埠等10個市，涉及30個縣(市)，流域面積為6.7×104km2，約占淮河流域總面積的四分之一；截至2015年底，安徽省淮河流域內總人口為4 229.90×104人，占淮河流域總人口的22.84 %。2015年淮河片水資源公報[11]顯示，安徽省淮河流域平均降水量為999.30 mm，較常年偏多5.9 %，水資源總量為260.14×108m3，總用水量為117.81×108m3，水資源利用率為45.29 %，農田灌溉畝均用水量為228.20 m3，萬元工業增加值用水量為72.50 m3。

3.2 數據來源

按行政區劃分，收集2015年安徽省淮河流域各市水資源系統適應性指標樣本數據，數據主要來源于治淮匯刊(年鑒)[12]和淮河片水資源公報[11]，安徽統計年鑒[13]和安徽省水資源公報[14]，以及安徽省淮河流域各市統計年鑒和水資源公報。

3.3 研究方法

3.3.1 集對分析(set pair analysis) 集對分析是中國學者趙克勤[15]1989年提出的一種新的系統分析方法，該方法將確定性與不確定性作為一個整體，對研究問題進行同-異-反分析，并采用聯系數結構式進行定量化，聯系數的基本表達式為:

u=a+bI+cJ

(2)

式中：a為集對的同一度;b為集對的差異度;c為集對的對立度;a、b、c∈[0,1]，且a+b+c=1；I為差異度系數，I∈[-1,1]，有時僅起差異標記作用；J為對立度系數，一般取值為J=-1，有時僅起對立標記作用。

根據聯系數的層次性和擴展性，基于聯系數的層次結構，構造同異反層次法聯系數為[10]:

u=a1+a2+b1I1+b2I2+b3I3+c1J1+c2J2

(3)

式中:a1和a2分別為同一度和偏異同一度，其系數可看作為1；b1、b2和b3分別為偏同差異度、中差異度和偏反差異度;I1、I2和I3分別為其相應的系數，且I1、I2、I3∈[-1，1]；c1和c2分別為對立度和偏異對立度;J1和J2分別為其相應的系數，規定均取值為-1。

水資源研究中指標水平一般可分為5個層次，設xij(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)為指標樣本值，skj(k=0,1,2,…,5)為指標標準閾值，則同異反層次法聯系數的計算式為[16]：

式中：xij(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)為第j個指標的第i個樣本值；skj(k=0,1,2,…,5)為第j個指標的第k個標準閾值；I1、I2、I3分別為其相應的系數,且I1、I2、I3∈[-1，1];J1、J2分別為其相應的系數，規定均取值為-1。

3.3.2 模糊風險矩陣(fuzzy risk matrix) 風險矩陣是通過二維平面刻畫相關聯事件的概率(P)和損失程度(S)，并根據危險事件的重要程度識別風險的一致定量結構方法，其經典邏輯判斷過程為事件概率P條件下損失程度為S，則風險為R[17]。風險矩陣的輸入變量一般可劃分為5個等級：事件概率P分別為非常小概率(Ⅰ)，小概率(Ⅱ)，中概率(Ⅲ)，大概率(Ⅳ)和非常大概率(Ⅴ)；損失程度S分別為可忽略不計(Ⅰ)，損失(Ⅱ)，嚴重損失(Ⅲ)，重大損失(Ⅳ)和災難性損失(Ⅴ)，圖3給出了傳統5×5風險矩陣風險指數的判別方法[18]。傳統風險矩陣風險指數是一個離散值，對相同的事件概率P，當不同的損失程度值接近兩相鄰損失程度的臨界值時，傳統風險矩陣可能產生兩個不同的風險指數值[19]。需要尋求更好的邏輯運算來定義風險矩陣的判斷過程，以獲得更準確的風險指數值[20]，Markowski等[17]構造了風險矩陣變量的模糊集和模糊推理系統，提出模糊風險矩陣。在邏輯運算中，很自然地選擇乘法公式作為風險指數的判斷過程[20]，Ni等[19]描述了乘、除、加、減4種經典邏輯運算，圖4給出了乘法公式的判別方法。

圖3 傳統5×5風險矩陣風險指數判別方法 圖4 乘法公式風險指數判別方法

3.3.3 基于聯系數-模糊風險矩陣的水資源系統適應性分析方法

步驟1：水資源系統適應性因子聯系數。根據水資源系統適應性因子樣本數據和指標標準閾值，由公式(4)計算水資源系統自然恢復性和人為適應性因子聯系數，分別為uij(NR)和uij(AA)。

步驟2：自然恢復性和人為適應性因子權重。采用模糊層次分析法確定自然恢復性和人為適應性因子權重，分別為wj(NR)和wj(AA)。

步驟3：水資源系統自然恢復性和人為適應性聯系數。采用加法加權綜合法[16]，通過水資源系統自然恢復性因子聯系數uij(NR)計算自然恢復性聯系數ui(NR)：

(5)

同樣，由水資源系統人為適應性因子聯系數uij(AA)計算人為適應性聯系數ui(AA)：

(6)

步驟4：水資源系統適應性評判準則。公式(4)中的差異度系數可以采用均值法取值：I1=0.5，I2=0，I3=-0.5。此外，對立度系數J1和J2取值均為-1。則由公式(5)和(6)分別計算自然恢復性和人為適應性聯系數值。以自然恢復性和人為適應性聯系數作為模糊風險矩陣的兩要素，構建基于聯系數的模糊風險矩陣如圖5所示。

圖5 基于聯系數的模糊風險矩陣

圖5(a)為相對嚴格的評判準則，即以自然恢復性和人為適應性二者同時滿足的距離作為評判標準，稱為悲觀評判準則；圖5(b)為相對寬松的評判準則，即以自然恢復性和人為適應性只要有一方滿足的距離作為評判標準，稱為樂觀評判準則。由此，給出基于聯系數-模糊風險矩陣的水資源系統適應性評判區間[Apess，Aopt]。

根據基于聯系數-模糊風險矩陣的評判準則，給出水資源系統適應性量化公式如下：

(7)

(8)

(9)

式中：Apess,i為水資源系統適應性等級悲觀值；Aopt,i為水資源系統適應性等級樂觀值；di為模糊風險矩陣的距離。

4 結果與分析

4.1 適應性因子參考標準

通過對變化環境下水資源系統適應性過程機理分析，參考現有水資源系統適應性的研究成果[16,21]，確定水資源系統自然恢復性因子和人為適應性因子的參考評價標準均劃分為5級標準，各級標準的數值區間見表1。

表1 水資源系統適應性因子參考評價標準

4.2 安徽省淮河流域水資源系統適應性分析

步驟1：適應性因子聯系數。根據安徽省淮河流域2015年各行政區樣本數據，利用公式(4)計算水資源系統適應性因子聯系數，以蚌埠市樣本數據為例，見表2。

步驟2：適應性因子權重。根據模糊層次分析法對水資源系統適應性因子篩選結果，確定自然恢復性因子權重和人為適應性因子權重，見表2。

表2 2015年蚌埠市水資源系統適應性因子聯系數

步驟3：自然恢復性和人為適應性聯系數。由式(5)和(6)計算自然恢復性和人為適應性聯系數，見表3。

表3 2015年安徽省淮河流域各行政區水資源系統自然恢復性和人為適應性聯系數

步驟4：水資源系統適應性等級評判。采用均值法[15]，差異度系數取值I1=0.5，I2=0，I3=-0.5；對立度系數J1和J2取值為-1，獲得自然恢復性和人為適應性聯系數值，見表4。根據水資源系統適應性等級評判準則，由公式(7)～(9)確定水資源系統適應性等級，見表4。圖6給出了2015年安徽省淮河流域水資源系統適應性狀況分布圖。

表4 2015年安徽省淮河流域各行政區水資源系統適應性等級評判

圖6 2015年安徽省淮河流域水資源系統適應性狀況分布圖

4.3 討 論

表4結果顯示，安徽省淮河流域水資源系統適應性等級為[2.711,3.833]，悲觀評判準則下為弱適應，樂觀評判準則下為中度適應。各行政分區水資源系統適應性由高到低依次為：合肥(淮河流域)([3.093,4.374])、六安(淮河流域)([3.089,4.369])、淮南([3.039,4.297])、蚌埠([2.762,3.906])、亳州([2.707,3.828])、阜陽([2.594 ,3.669])、淮北([2.565,3.627])、滁州(淮河流域)([2.557,3.616])、宿州([2.557,3.616])。圖6表明，安徽省淮河流域水資源系統適應性空間分布呈現兩個特點：上游區域適應性狀況優于下游區域，江淮地區適應性狀況優于淮北地區。進一步對安徽省淮河流域水資源系統適應性狀況分析如下。

(1) 六安與宿州對比分析。六安(淮河流域)與宿州水資源系統適應性等級分別為[3.089,4.369]和[2.557,3.616]，二者差異較大，六安與宿州水資源系統適應性各指標適應等級如圖7所示。

圖7 六安與宿州水資源系統適應性各指標適應等級對比

由圖7可看出，由于地理位置的差異，六安與宿州的大部分指標適應性存在較大差異。①六安地處安徽省淮河流域上游，區域范圍內水資源豐沛，地表水水質良好，而宿州地處淮北平原，水資源狀況和地表水水質均不及六安，反映在指標上，六安水資源模數(x1)、地表水環境質量(x2)和水功能區水質達標率(x5)等指標適應性明顯比宿州高；②六安西南部屬大別山脈及其支脈，山地和丘陵水土流失較為嚴重，六安水土流失面積比(x3)指標適應性遠比宿州低；六安社會經濟欠發達，工農業用水指標比宿州稍大，反映在指標上，六安人均GDP(x7)、農田灌溉畝均用水量(x8)和萬元工業增加值用水量(x9)等指標適應性比宿州稍低。

(2) 合肥(淮河流域)與滁州(淮河流域)對比分析。合肥(淮河流域)與滁州(淮河流域)水資源系統適應性等級分別為[3.093,4.374]和[2.557,3.616]，二者差異較大，合肥(淮河流域)與滁州(淮河流域)水資源系統適應性各指標適應等級如圖8所示。

圖8 合肥(淮河流域)與滁州(淮河流域)適應性各指標適應等級對比

圖8顯示，因為地理位置相鄰，合肥(淮河流域)與滁州(淮河流域)各指標適應性的差異不太大，但均存在差異。近年來，合肥工業用水效率有較大提高，水資源利用率不斷降低；而滁州(淮河流域)屬江淮丘陵地區，淮河沿岸又多圩區，水土流失嚴重，反映在指標上，合肥(淮河流域)地表水環境質量(x2)、水土流失面積比(x3)、人均GDP(x7)和萬元工業增加值用水量(x9)等指標適應性比滁州(淮河流域)高；而滁州(淮河流域)水資源利用率(x4)和農田灌溉畝均用水量(x8)等指標適應性比合肥(淮河流域)高。

(3) 適應性指標對比分析。安徽省淮河流域水資源系統適應性各指標適應等級如圖9所示。

圖9 安徽省淮河流域水資源系統適應性各指標適應等級分析

圖9顯示，安徽省淮河流域水資源系統大部分指標適應性在評判區間內；農田灌溉畝均用水量(x8)指標適應性明顯優于樂觀評判準則結果；地表水環境質量(x2)和水功能區水質達標率(x5)指標適應性略低于悲觀評判準則結果，而生態環境用水比例(x6)指標適應性明顯小于悲觀評判準則結果。

5 結論與建議

(1) 通過對水資源系統應對變化環境的過程分析，探討變化環境下水資源系統適應性機理，從水量、水質、水生態等方面識別分析自然恢復性因子，從資源、生態環境、社會經濟、技術等方面識別分析人為適應性因子，構建符合過程機理的水資源系統適應性因子指標體系。利用風險矩陣的思想，考慮二維因素同時達到標準的嚴格準則和只要一方達到標準的寬松準則的兩種情況，建立模糊風險矩陣的悲觀評判準則和樂觀評判準則，得出基于聯系數-模糊風險矩陣的水資源系統適應性評判區間[Apess，Aopt]，提出基于聯系數-模糊風險矩陣的系統分析方法。

(2) 安徽省淮河流域水資源系統適應性分析結果表明，安徽省淮河流域水資源系統適應性等級為[2.711,3.833]，悲觀評判準則下為弱適應，樂觀評判準則下為中度適應。安徽省淮河流域水資源系統適應性空間分布呈現兩個特點：上游區域適應性狀況優于下游區域，江淮地區適應性狀況優于淮北地區。

(3) 通過安徽省淮河流域水資源系統適應性指標對比分析，建議著重從水質和生態環境方面改善安徽省淮河流域水資源系統適應性。一方面，繼續保持安徽省淮河流域上游六安(淮河流域)、合肥(淮河流域)的水質和生態環境質量；另一方面，通過加強水資源管理，大力實施節水，提高用水效率，強化水污染治理和生態修復，嚴格納污總量控制，保障水質達標率等措施，提高其他區域的水質和生態環境質量，不斷改善安徽省淮河流域水資源系統適應性狀況。