气候变化条件下水资源脆弱性评价研究概述

黄舒婷

（黑龙江省农垦哈尔滨管理局水利工程管理分站，黑龙江 哈尔滨150090）

水资源是基础性自然资源，也是一个国家的战略性经济资源，水资源问题对区域、国家乃至全球的经济和社会发展都具有重要意义。然而地球上的淡水资源是非常有限的，随着社会人口增长和经济发展，人类对水资源的需求越来越大，全世界许多国家都处于水资源短缺的现状。中国是水资源短缺和水资源污染问题最为严重的国家之一，虽然水资源总量较大，但人均水资源量却只有世界平均水平的1／4，且南北时空分布不均，北方地表水匮乏，地下水超采严重，南方水资源丰富，但水资源系统脆弱；这些水资源短缺矛盾的日益突出，加剧了水资源的脆弱性。地球水圈和生物圈、大气圈是耦合的，人类活动影响到的植被、气候的变化，如二氧化碳排放的增加会影响到大气中温室气体的增加，而气温的升高将会通过影响降雨、蒸发、径流、土壤湿度等因素来改变全球水文循环的现状，从而影响水资源格局的变化。

根据 IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）近几年研究结果表明，全球平均气温在20世纪约升高了0．6℃，预计到21世纪末气温将进一步升高1．4～5．8℃［1］。全球气温升高引起的极端天气和强降水事件发生频率增加，严重影响到全球水资源短缺形势和水资源供需平衡问题。未来，中国的气候变化将加大水资源的年内与年际变化，增大洪涝和干旱等极端灾害发生的概率，北方地区干旱化趋势更为明显，水资源短缺和供需矛盾更为突出。

中国农业科学院等多部门发起的“气候变化与贫困——中国案例研究”项目表明，气候变化已成为我国贫困地区致贫甚至返贫的重要原因。因此，气候变化条件下的水资源脆弱性评估问题成为近年来水资源研究的热点［2］。气候变化下的水资源脆弱性评估不仅是国际社会普遍关心的全球性问题，也是中国可持续发展道路中将要面临的一项重大挑战。有关探讨气候变化条件下水资源脆弱性的评估方法，可以分析区域内自然环境、社会经济、人类活动对气候变化的影响，及水资源系统在气候变化、人为活动等作用因素下，系统结构、供需变化的响应［2］；以此，为整治脆弱生态环境和水资源规划管理等缓解气候变化不利因素的适应性对策的制定提供重要的科学依据。

1 水资源脆弱性定义

IPCC在1995年的第二次评估报告中，将水资源脆弱性表示为气候变化可能对水资源系统造成损害或不利影响程度［3］；2011年IPCC又在特别报告中指出，应将脆弱性与暴露度结合起来，认为脆弱性是使人员、生计、环境服务和各种资源、基础设施，及社会、经济、文化资产受到不利影响的可能性或趋势［4］。夏军等人［4］参考了IPCC对生态系统脆弱性的分析方法，认为水资源脆弱性也是气候变化条件下（包括气候变率和极端气候事件）水资源系统对所处气候变化特征、幅度、速率，及敏感性、适应能力的函数。唐国平［15］按表现方式将水资源脆弱性分为了水文系统的脆弱性、水利系统及其设计的脆弱性、自然地理环境和社会的脆弱性三类。而陈攀［2］认为水资源系统脆弱性内涵包括水资源系统自身内部的脆弱性、对外部驱动因素的敏感性与适应性、水质脆弱性和水量脆弱性、以及不同区域特征下的脆弱性，修正了仅靠相关指标叠加而成的评价方法。

随着研究的开展，对水资源脆弱性的概念认识也将进一步深化，这有助于我们科学改进水资源脆弱性评价体系。

气候变化下的水资源脆弱性是指在气象及气候变化的条件下，水资源系统及其涉及的脆弱度，主要反映于年际径流量变化、水资源供需平衡、水利管理法规建设等方面。水资源脆弱性指水资源系统在气候变化、人类活动等外部因素的干扰作用下，水资源系统结构在数量、质量上减少或降低，导致水资源系统对环境变化特征、幅度、速率的敏感度和适应能力函数发生变化，从而引发水资源供需不平衡、旱涝灾害和极端自然情况的发生，这种结构和功能性的破坏很难自行恢复。

对水资源系统脆弱性评估的主要内容涉及水资源自身的稳态程度、水资源供需的脆弱性和自身脆弱性所引起的社会经济、生态系统的脆弱性方面，并对不同时间、空间的水资源进行损害程度、损害预估和适应能力的评价。

2 国内外研究成果

2．1 国外研究状况

从20世纪60年代起，国际上有了对水资源脆弱性研究的开端。最早代表是法国Albinet、Marget等人提出的地下水资源脆弱性概念，认为它是影响污染物质进入含水层的复杂性因素［5］。20世纪80年代，水资源脆弱性评估领域形成了一种以缺水程度等为评判标准的水资源脆弱性评估方法，如Brouwer等人利用人类对水资源的依赖性和区域水资源的供需平衡性来确定影响因子，根据各因 子 的 阈 值 分 析 水 资 源 的 脆 弱 程 度［3，6］；Hashimoto于1982年提出的用描述水资源供给不足对系统造成损失的方法来评价地下水资源的脆弱性；美国环保局（USEPA）在1985年提出DRASTIC方法评价因子体系等［7］。

研究至今，已有各式计算脆弱性指数模型30多 种，如 Vierhuff，DRASTIC，SIGA，GOD，Legrand，SEPPAGE，SINTACS，EPIK 模 型等［2］。随着研究的开展与深入，越来越多学者尝试将GIS等高新技术引入到水资源脆弱性评价中，例如Doerfliger在1999年提出的利用EPIK法和GIS技术在岩溶地区进行水资源脆弱性的评价法［8］。2000年Charles等人在预测1985－2025年间气候变化对水资源脆弱性影响时，选取了水资源开发利用率作为评价因子，并将GCMs的气候情景与水量平衡模型WBM相结合对全球水资源脆弱性状况进行评价［9］。2008年Rahman采用了基于GIS的DRASTIC模型，对印度阿里格里地区潜水含水层脆弱性进行了评价［2，10］；2009年Pathak等人也用此方法对加德满都地区水资源脆弱性进行了评价，并提出脆弱性图的建立，即一种能够对地下水资源进行有效管理的工具［2，11］。2009年，Hanouda等人根据IPCC的定义构建了缺水量、灌溉效率和水质标准等共31个指标的脆弱性评价体系，选取与水资源系统相关的众多因子，经过人为赋值后以雷达图的形式评估了尼罗河流域东部的水资源脆弱性［3，12］。2010年，Sullivan又提出了水资源贫困指数，并将其细分为资源、能力、途径、利用、环境5个分指数，从水资源的供需入手，将社会、环境、经济等因子经过权重相加后得到水资源脆弱性指标［4］。气候变化对水资源的影响关系到农业、水利、环境等多个部门所开展的管理及规划工作，而以往的国际研究更多关注于地下水资源的脆弱性评价以及水质的评价，对区域水量的评价不够。GIS技术与脆弱性图的绘制法建立，为区域水资源可持续利用和风险管理提供了较好的参照作用。21世纪水资源在全球战略地位的提升，使水资源脆弱性评价成为水资源研究的热点之一。

2．2 国内研究状况

国内水资源脆弱性研究兴起于20世纪90年代，最早主要集中在对地下水，特别是北方地区的水资源脆弱性评估，如1996年刘淑芳等人［13］对河北平原地下水防污性能的研究，1997年郑西来等人［14］对西安市潜水脆弱性评价。21世纪后，研究从地下水扩展到了地表水。2000年唐国平等人［15］在《全球气候变化下水资源脆弱性及其评估方法》一文中，对水资源脆弱性进行了分类，并根据水资源供需关系从宏观上对水资源脆弱性予以定义。2002年刘绿柳等人在《水资源脆弱性及其定量评价》中认为，水资源脆弱性是水资源系统易遭受人类活动、自然灾害威胁和损失的性质和状态，受损后难以恢复到原来状态和功能的性质［16］，并在此基础上提出了水资源脆弱性的定量评价法。王国庆、张建云等人［17］于2005年发表了《全球气候变化对中国淡水资源及脆弱性影响研究综述》，通过在近几十年来我国淡水资源变化特点及气候条件波动或变化对径流现实影响的基础上分析水资源在气候变化情境下的脆弱性，真正意义上开启了国内对气候变化下全球水资源脆弱性评价的研究。2010年董四方等人［18］从水资源复杂系统角度并结合了DPSIR概念模型，从而构建出水资源系统脆弱性评价指标体系。2012年夏军等人［3］针对与气候变化影响的水资源系统的敏感性和抗压性相联系的脆弱性与适应性问题，提出气候变化环境下水资源脆弱性评估理论体系和一般性公式，并以水资源供需安全为出发点，采用温度、降雨双参数弹性系数和直观简单的水资源关键性指标体系方法，提出气候变化和人类活动背景下水资源脆弱性评估模型。

从总体上而言，国内关于气候变化下水资源脆弱性的研究仍处在基础阶段，且基本都遵从“未来气候情景设计——水文模拟——影响研究”的一个模式，评价方法以概念性框架为主，还未能创造出物理概念与系统机制相结合的综合性评价模型［3］。在评价当中，指标的选取、赋值、权重也不够全面，人为性和任意性较大，从而影响到评价的合理性与科学性。

3 评价方法

通过梳理20世纪60年代以来国内外对水资源脆弱性评价的研究，特别是气候变化条件下全球水资源的变化与脆弱性评估研究，阐述气候变化背景下水资源脆弱性的概念、内涵及其分类，概述、分析各种对水资源脆弱性定量评估的方法，从中提炼各类方法的优缺点，提出在未来气候变化背景下我国水资源脆弱性评估研究的重点与应对水资源脆弱性的适应性对策，探索一种更科学合理的基于气候变化条件下对水资源脆弱性评价的理论和方法。这部分内容属于软课题研究，研究方法就是在总结前人经验的基础上，应用各种手段、工具、方法对相关学科的研究及资料进行分析，必要时建立数学模型进行模拟、调查等，最终建立一种评价方法；在探索过程中选择一些有代表性的区域作为试验区域进行长期监测，用实践完善评价理论和方法。

从前人研究成果来看，目前对水资源脆弱性的评价主要分为定性评价和定量评价两大类，此外还有诸如迭置指数法一类的半定性半定量的评价法。定性评价是对与水资源变化有密切关系的诸多因素进行系统分析，找出影响水资源脆弱性的主要因素，如气候与气候变化导致的降水时空分布不均、人口数量增加、土地荒漠化面积扩大等等，并结合区域地理特征和气候、生态特征提出保护水资源及生态环境的相应措施。而定量评价主要是从水资源脆弱性的影响因素出发，在评价过程中引入一个能定量衡量水资源脆弱程度的量，来计算水资源系统对抗干扰能力的强弱，方法主要包括函数法、综合指标法和指标权重法。

指标权重法是水资源脆弱性评价研究的基本方法，它可以较为全面地反应水资源脆弱性的特点和属性，且易于GIS叠置配合进行作图，评价结果能较客观地反映水资源脆弱性实质，因而在国内外得到广泛应用。指标权重法运用过程中，确定一系列有代表性且容易获得的参数来构建水资源脆弱性评价指标体系是基础，研究者对水资源脆弱性概念和内涵的理解不同、研究区域不同、选取资料不同，评价时所选择的指标性质和数量也大不相同。

综合指标法及函数法是评价水资源脆弱性另一重要方法。如夏军等人［4］发展了耦合气候变化对水资源影响的敏感性、抗压性及适应性对策与调控水资源脆弱性的理论。根据IPCC 1995年的报告，水资源脆弱性是水资源相对气候变化等影响因子的敏感性与抗压力性（适应性）的函数，可用综合公式表示为：

式中：V为水资源脆弱性，α为经验系数，S（t）为敏感性函数，C（t）为抗压力性函数，这个公式涵盖了水资源系统受水资源分布、水资源供需安全、水资源系统适应性等多个因子影响下的函数关系。

在抗压力性方面，在针对水资源供需安全、水资源时空变异、可利用量变化、用水变化、承载能力问题、开发利用程度与生态需水保障等问题上，国际水资源协会（IWRA）的水资源供需安全抗压力性综合评价函数［3，19］可通过水资源抗压能力的非线性变化关系反应水资源脆弱性的等级程度。因此，通过不同的气候变化情景和社会经济发展情景的组合，分析和调整基于不同指标间的关键性控制变量，就可以找出将水资源脆弱性的高值风险降低的对应性策略。

4 评价水资源脆弱性的困难点和可能创新之处

水资源脆弱性评价研究的困难点，首先是关于水资源脆弱性的内涵与外延鉴定问题，由于这是一个多学科交叉的综合性领域，与社会经济系统、自然生态系统、大气科学、植物学、土壤学等基础学科研究相耦合和制约，受到这些相关学科研究进展的制约，要发展一个尽可能科学的理论和使用方法、技术是非常困难的。其次，影响水资源脆弱性的因子有很多，对于如何量化表征，科学建立评价指标体系有一定难度。过去的水资源脆弱性评价指标中，总以单一的指标和指标体系为主，只关注脆弱性的一个方面，不能充分反映水资源系统的脆弱状况。然而从多因素、多角度考虑水资源脆弱性评价指标的涉及面又太广，资料难以收集，而且各个区域受到区域特征的影响程度很大，很难建立起一套成熟的、具有清晰水资源管理和调控概念的指标体系。

所以，建立一个物理概念与水资源系统机制相结合的变量控制体系成为未来研究的热门方向，未来气候情景设计也是研究气候变化对水资源脆弱性评价的一项重要内容。

进行水资源脆弱性评价研究，可能的创新之处就是通过梳理国内外对水资源脆弱性评价的研究方法和研究成果，提炼有利的评价方法，总结已有研究成果的不足之处；设想未来气候变化下水资源脆弱性评价体系的发展趋势；尽可能地寻找到可以精确定量水资源脆弱性、具有物理基础的方法，利用函数设置不同尺度的参数来调控评价体系，以适应不同尺度区域上的水资源脆弱性评价。

［1］James J McCar thy，Osv aldo F Canziani，Neil A Leary，et al．Impacts，adaptation，and vulnerability［R］．IPCC Climate Change 2001，Cambridge University Press，2001．

［2］陈攀，李兰，周文财．水资源脆弱性及评价方法国内外研究进展［J］．水资源保护，2011，27（5）：32－38．

［3］夏军，邱冰，潘兴瑶，等．气候变化影响下水资源脆弱性评估方法及应用［J］．地球科学进展，2012，27（4）：443－451．

［4］夏军，陈俊旭，翁建武，等．气候变化背景下水资源脆弱性研究与展望［J］．气候变化研究进展，2012（6）：391－396．

［5］Doerfliger N，Jeannin P Y，Zwahlen F．Water vulnerability assessment in karst environments a new method of defining protection areas using a multi－attribute approach and GIS tools［J］．Environmental Geology，1999，39（2）：165－176．

［6］Brouwer F，Falkenmark M．Climate－induced water availabili－ty changes in Europe［J］．Environmental Monitoring and Assessment，1989，13（1）：75－98．

［7］张昕，蒋晓东，张龙．地下水脆弱性评价方法与研究进展［J］．地质与资源，2010，19（3）：253－257．

［8］Doerfliger N J，Eannn P Y，Zwahlen F．Water vulnerability assessment in karts environments：a new method of defining protection areas using a multi attribute approach and GIS tools［J］．Environmental Geology，1999，39（2）：165－176．

［9］Charles J V，Pamela Green，Joseph Salisbury，etal．Global water resources：Vulnerability from climate change and population growth［J］．Science，2000，289（5477）：284－288．

［10］Rahman A．A GIS based DRASTIC model for assessing groundwater vulnerability in shallow aquifer in Aligarh，India［J］．Applied Geography，2008，28（1）：32－53．

［11］Pathak D R，Hiratauk A A，Awata I，et al．Groundwater vulnerability assessment in shallow aquifer Kathmandu Valley using GIS－based DRASTIC model［J］．Environmental Geology，2009，57（7）：1569－1578．

［12］Hamouda M A，Nour El－Din M M，Moursy F I．Vulnerabili－ty assessment of water resources systems in the Eastern Nile Basin［J］．Water Resources Management，2009，23 （13）：2697－2725．

［13］刘淑芳，郭永海．区域地下水防污性能评价方法及其在河北平原的应用［J］．河北地质学院学报，1996（1）：41－45．

［14］郑西来，吴新利，荆静．西安市潜水污染的潜在性分析与评价［J］．工程勘察，1997（4）：22－24．

［15］唐国平，李秀彬，刘燕华．全球气候变化下水资源脆弱性及其评估方法［J］．地球科学进展，2000，15（3）：313－317．

［16］刘绿柳．水资源脆弱性及其定量评价［J］．水土保持通报，2002，22（2）：41－44．

［17］王国庆，张建云，章四龙．全球气候变化对中国淡水资源及脆弱性影响研究综述［J］．水资源与水工程学报，2005，16（2）：7－15．

［18］董四方，董增川，陈康宁．基于DPSIR概念模型的水资源系统脆弱性分析［J］．水资源保护，2010，26（4）：1－25．

［19］Malin Falkenmark，David Molden．Wake up to realities of river basin closure［J］．Water Resources Development，2008，24（2）：201－216．