基于PESBR模型的岩溶地区城市水资源安全评价——以贵阳市为例

杨振华,苏维词,李 威

(1.贵州师范大学 喀斯特研究院，贵州 贵阳 550001；2.贵州科学院 山地资源研究所，贵州 贵阳 550001；3.重庆师范大学 地理与旅游学院，重庆 400047)



基于PESBR模型的岩溶地区城市水资源安全评价
——以贵阳市为例

杨振华1,苏维词2，3*,李 威2

(1.贵州师范大学 喀斯特研究院，贵州 贵阳 550001；2.贵州科学院 山地资源研究所，贵州 贵阳 550001；3.重庆师范大学 地理与旅游学院，重庆 400047)

岩溶地区水资源短缺主要是由岩溶地貌发育，水资源可获取性差，利用难度大造成的。为合理评价喀斯特地区城市水资源安全水平，结合岩溶地区城市水资源利用特点，构建基于需水压力-工程性缺水-承载状态-生态基础-人为响应(PESBR)概念模型的岩溶地区城市水资源安全评价指标体系，采用模糊SPA模型对贵阳市2002～2014年水资源安全状况进行评价。研究表明：2002～2014年贵阳市水资源安全等级基本为临界安全(2008、2012、2014年除外)，等级关联度(H2)波动式上升明显，整体趋于较安全等级。城市生活用水比重、降水季节性差异、水库蓄水率是影响贵阳市水资源安全的重要驱动因子。因此，加强水利设施建设，优化用水结构，提高产业用水效率，降低人均生活用水量，缩小城市供需水缺口是保障贵阳市水资源安全的重要举措。SPA评价模型和PESBR指标体系适用性较强，评价结果客观，有助于丰富岩溶地区水资源安全评价模型。

PESBR；岩溶；城市；水资源安全

0 引言

岩溶地区是一个由双重含水介质组成的“二元三维”空间结构系统，具有特殊的地貌-水系结构和水文动态过程，使地表储水能力差，可利用、便于利用的水资源非常有限[1，2]。同时，由于城市人口不断增长，工农业发展迅速，大量生活、生产污水的排放，严重破坏水环境质量，加剧了区域性用水困难。水资源已成为许多地区社会、经济发展的重要制约因素，水资源安全问题也逐渐成为水资源研究领域的热点[3，4]。因此，运用合适的岩溶地区水资源安全评价模型，进行合理的水资源安全评价就显得尤为重要。

目前，针对水资源安全评价模型已有较多研究成果，如DPSIR和DPSIRM概念模型[5，6]、WEAP模型[7]、CN-AM模型[8]、投影寻踪模型[9]、系统动力学[10]、支持向量机[11]、聚类分析法[12]等众多评价模型、方法都被应用于水资源安全评价，而这些模型在岩溶地区水资源安全评价中的运用也取得了一定的进展，如张凤太等在分析了喀斯特地区表层岩溶带“二元”水资源特点基础上，构建熵权集对耦合模型评价贵州省水资源安全水平[13]；邹胜章等提出了西南岩溶区水资源安全评价应涵盖水量、水质、水资源利用以及水灾害防治等评价内容[14]；段琪彩等结合云南省喀斯特地形地貌，水循环时空分布差异性和人口经济分布等，分析出水资源安全的影响因素[15]；不难看出已有的岩溶地区水资源安全评价，多是直接借鉴了通用水资源安全评价的模型和方法，仍存在以下不足：1)所选取的指标体系并不能体现岩溶地区水文地质特征，水资源供给系统的特殊性，更突出不了工程性缺水状况，其评价结果的真实性也有待商榷。2)评价过程注重历年水资源安全状态而忽略其动态变化过程，对水资源安全水平的预测研究基本空缺。

集对分析(SPA)的核心是将水资源安全利用系统内的确定性与不确定性予以辨证地分析和数学处理，认为水资源安全系统因素的不确定性是事物的本质属性，并将不确定性和确定性作为一个系统进行综合考察[16]。鉴于此，研究根据岩溶地区“三水”资源转化迅速，“工程性”缺水显著、工农业用水效率低下等水资源利用特征，依照PSR模型原理，构建出基于PESBR概念模型的指标体系，采用模糊SPA分析模型评价2002～2014年贵阳市水资源安全状况，以期为岩溶地区水资源可持续利用和区域经济发展提供决策参考。

1 水资源安全评价模型

岩溶地貌发育强烈，生态环境脆弱，地表径流系数低、地表储水能力弱；岩溶工程地质状况复杂，水利设施建设难度大，工程性缺水严重；人类活动密集度高，水资源供求缺口大，地表与地下水环境联动污染严重；体制性和机制性障碍突出，水利与环保建设投资力度小，城乡水资源分配和管理效率低下，导致岩溶地区城市水资源安全问题比较严峻[17，18]。岩溶地区城市水资源安全判定关键是工程性供水资源能否保障该地区社会经济当前需求，能否满足水循环系统可持续发展的要求，其包含两方面：一是在不同降雨径流和工程性供水条件下，可利用水资源量(含自然赋存与人工调蓄)能否满足区域社会经济科学发展的需要；二是社会经济活动对水资源量、水环境的人为性干预是否在水生态环境承载力范围内。依据水资源安全的内涵，结合岩溶地区城市水资源供需利用特征，构建基于PESBR概念模型的水资源安全框架(图1)。

图1 水资源安全PESBR概念模型框架图Fig.1 Model framework of water resources security based on the concept of PESBR

1.1 指标体系构建

遵循全面、客观、科学的原则，根据PESBR概念模型内涵，建立涵盖需水压力(P)、工程性缺水(E)、承载状态(S)、生态基础(B)、人为响应(R)等5个评价准则，27个评价指标的岩溶地区城市水资源安全评价指标体系，根据指标对岩溶地区城市水资源安全系统的作用分成正向型与负向型指标(表1)，对不同属性指标分别进行后续赋权评价。

表1 岩溶地区城市水资源安全评价指标体系及释义Tab.1 Evaluation index system of water resources security in Karst cities

注：Xi+/-(i=1,2,…,27)中的“+/-”代表该项指标属性为正向性/负向性。

1.2 指标赋权

在构建评价指标体系的基础上，融合AHP法与变异系数法[19]对各指标进行组合赋权，实现主观偏好与客观相关的结合。

1.3 指标分级

水资源安全评价指标的等级标准具有地区差异性，考虑到岩溶地区城市水生态环境系统脆弱性和“三水”转化规律性，参照已有水资源安全标准的相关文献[7-10,20]，结合有关水环境安全指标临界值以及国内外政府颁布的标准和规划目标，并根据专家意见将安全标准做出适当调整(部分标准降低10%～50%)，把水资源安全评价安全等级划分为非常安全、安全、临界安全、不安全、极不安全5个等级，具体的指标分级标准见表2。

表2 水资源安全评价指标等级划分标准Tab.2 Classification criteria of water resources safety evaluation index

注：Xi+/-(i=1,2,…,27)中的“+/-”代表该项指标属性为正向性/负向性。

1.4 评价模型

SPA理论将评价指标体系与安全等级当作一个集对，根据指标体系和评价等级构造集对H(Xi,Bk)(k=1,2,3,4,5;i=1,2,…n)。得到k元联系度[20,21]，本研究k取值为5，即：

(1)

则公式(1)变为：

η(X,B)=f1+f2I1+f3I2+f4I3+f5J

(2)

式(1)、(2)中，I1、I2、I3和J的值在运算过程中仅起到标记的作用(I1、I2、I3和J值均为1)。f1、f2+f3+f4、f5分别代表集对的同一度、对立度和差异度，wl(l=1,2,…,m)为指标l的权重，bl(l=1,2,…,m)为指标l的单一等级联系度。同时，根据正向指标(越大越优型)和负向指标(越小越优型)分别按照如下公式(3)和(4)计算：

对于负向性指标，指标值xi与该指标k级评价等级的联系度η(xi,Bk)如下：

(3)

对于正向性指标，指标值xi与该指标k级评价标准的联系度η(xi,Bk)如下：

(4)

根据参考文献[22]，研究采用置信度准则来确定样本的等级。即：

hk=(f1+f2+…+fk)>λ,k=1,2,3,4,5

(5)

(5)式中，λ为置信度，其值一般建议在[0.5,0.7]范围内取值。

2 实例分析

2.1 研究区概况

贵阳市位于106°27′～107°03′ E， 26°11′～26°55′ N之间，地处云贵高原东部斜坡上，属我国东部丘陵向西部高原过渡地带。地形以山地高原为主，地势西高东低，地表起伏度大。岩溶地貌广泛发育，既有高原山地和丘陵，又有盆地和河谷、台地，海拔介于872～1 659m之间。贵阳市常年受西风带控制，属于亚热带湿润温和型气候，并有明显的高原季风气候特征，极端最高温和最低温分别为32.5℃ 和-4.1℃，年平均气温15.3℃，年平均相对湿度78%，年平均降水量1 129.5mm，年径流量45.2×108m3，径流密度达12.4km/km2，地表水资源总量相对缺乏。贵阳市辖6区1市3县，辖区总面积8 034km2，市区面积2 403km2。全市常住人口中，城镇人口294万人，占68.13%。

2.2 数据来源

研究数据主要来源于贵州省水利厅公布的《贵阳市水资源公报》(2002～2014)，贵州省环境保护局公布的《贵阳市环境状况公报》(2002～2014)以及贵州省统计局公布的《贵阳市统计年鉴》、《贵阳年鉴》、《国民经济和社会发展统计公报》(2002～2014)等资料整理。部分指标涉及其他数据来源简述如下：降水季节变异性采用贵阳市国家气象站点逐日数据中计算得到；地表径流密度(X13)来源于贵阳市水系图(1∶5万)提取；岩溶石漠化率(X20)一律采用国土部门提供的数据，缺值年份通过该年度石漠化治理面积得到；另外，工业废水达标率(X24)和生活污水处理率(X26)2013与2014年数据，根据以往年份的平均增长率插值得到。

2.3 评价结果与分析

2.3.1 水资源安全评价

根据公式(3)和公式(4)构建水资源安全评价因子与评价等级集对分析集合，并作同一性、差异性、对立性等联系度分析，得到贵阳市2002～2014年水资源安全评价指标的联系度，鉴于篇幅有限，此处以2002年为例(表3)。然后，将各指标的联系度与权重相结合，得到贵阳市2002～2014年历年水资源安全水平与评价等级的联系度，取为界。由置信度准则[36]，可以判断2002年贵阳市水资源安全为第3等级，即临界安全。同理，可以计算出2002～2014年贵阳市水资源安全等级(表4)。

表3 贵阳市2002年水资源安全评价指标的联系度Tab.3 Relationship of water resources safety evaluation index in Guiyang in 2002

表4 2002～2014年贵阳市水资源安全等级联系度Tab.4 Relationship of water resources safety grade in Guiyang from 2002 to 2014

由表4可知，2002～2014年，贵阳市水资源安全等级除了2005、2012、2014年为较安全外，其余年份均为临界安全水平，历年水资源安全水平变化较小，且呈现出波动式上升的趋势，累计联系度H2和H3与置信度的距离也有逐渐变小的趋势(图2)。这表明贵阳市在供水能力和用水效率上有较大的提升，其也是贵阳市生态文明城市建设进程中，水利设施不断完善，产业结构不断优化，生态环境趋于良性循环的结果。结合图2所示，2002～2008年、2008～2012年和2012～2014期间，分别以2004年、2010年和2013年为分界点，H2皆呈现出现出先上升后下降的过程，且H2的等级联系度越来越靠近0.5，H3的等级联系度越来越远离0.5，表明2002～2014年贵阳市水资源安全等级逐渐由临界安全转变成较安全水平。

图2 2002～2014年贵阳市累计联系度变化趋势Fig.2 Change trend of the cumulative link degree in Guiyang from 2002 to 2014

2.3.2 贵阳市水资源安全驱动因子分析

结合2002～2014年贵阳市水资源资源安全评价指标体系中各个指标变化特征，及其对水资源安全的贡献率，对主要水资源安全驱动因子分析如下：

1)需水压力(P)

随着贵阳市社会经济的发展，城市化进程的加快，城市人口密度(X1-)、城市化水平(X2-)不断提高，直接导致城市居民生活用水比重(X3-)增加，且其比重年均增长1.60%，生活用水需求的增加和人口向城区聚集，将会对城市供水产生较大负担。同时，产业结构的优化也降低了万元GDP的耗水量(X6-)，其值从2002年的1 075.99m3/万元下降至2014年的176.99m3/万元(图3)，特别是工业用水比重的降低，第三产业用水效率也较高，而耕地面积的减少，节水灌溉面积的增加，也促进了农业用水量的下降，从而降低产业对水资源的需求压力，从整体来说，贵阳市面临的需水压力将会不断加大，特别是居民生活用水增加。

图3 贵阳市需水压力(P)的历年变化特征Fig.3 Change characteristics of water demand pressure (P) in Guiyang

2)工程性缺水(E)

由于岩溶地貌工程性缺水影响显著，地表水资源调节能力弱，水利设施修建难度大，效益低下等原因，导致贵阳市供水缺口现象未得到实质性改善。如2002年下半年2005年期间城市日供水缺口达10～15万t，根据预测，贵阳市城区2010年将缺水18万t/d， 2020年需水量缺口将达20万t/d，表明贵阳是以资源性缺水和工程性缺水为主的城市。但是“十二五”黔中水利中骨干水源工程、引提灌溉工程和地下水开发利用工程建设以来，城市供水缺口得到有控制，2013年城市供需水缺口仅为9～10万t/d，这也使贵阳市大中型水库蓄水率(X8+)和农田水利实施满足率(X9+)分别从2002年的39.62%、45.99%提升至2014年的80.90%、75.48%，年均提升率达到3.44%和2.45%(图4)。

图4 贵阳市工程性缺水(E)指标的历年变化特征Fig.4 Change characteristics of engineering water shortage index(E) in Guiyang

3)承载转态(S)

贵阳市地处亚热带季风气候区，降水季节变异性和年际差异明显，其降水空间异质性(X10-)和产水模数(X12-)的变异系数分别达到0.36和0.24，直接导致城市季节性干旱频发。再加上岩溶地貌的渗漏作用，地表产流系数(X14-)平均值仅为0.52，且呈波动性剧烈变化。另外，其与出入境水量差(X15+)、产水模数(X16+)保持明显的相关性(图5)，表明在产流率和渗透率稳定的岩溶条件下，降水的年际变化直接决定产流系数和出入境水量差，降水量越大，渗透能力固定，地表产汇流系数就越高，径流量和出入境水量差也越大。因此，降水的年际变化和季节性变化，直接决定贵阳市地表潜在可利用水资源量，对实际供水量的影响也较大。

图5 承载状态(S)中主要指标的年际变化特征Fig.5 Annual variation characteristics of main indexes in carrying capacity (S)

4)生态基础(B)

贵阳市近10年以来，持续推进石漠化治理工程和封山育林的相关工作，不断提升石漠化治理率，使全市石漠化率(X20-)持续降低，由2002年的29.87%降至2014年的16.55%(图6)，城市森林覆盖率(X19+)基本呈平稳上升的趋势，除2004年的呈现大幅回落外，其余年份值皆比较平稳。而对于输沙模数(X21-)来说，其变化幅度较大，主要是以禾丰代表站为例，降水的年际变化也比较明显，共同促使其值波动明显。生态基础中地表覆被状况主要通过对地表径流调节，间接影响地表水环境和产汇流过程，对全市生态安全影响显著。

图6 生态基础(B)指标的年际变化特征Fig.6 Characteristics of annual variation ofecological basis (B) indices

5)人为响应(R)

贵阳市工程性缺水难题一直是困扰全市水资源安全水平提升的关键问题，因此，通过人为响应加强水利工程建设，提升水资源利用效率，合理开发与保护水源成为保障贵阳市供水的重要途径。贵阳市先后启动实施了水利建设“三大会战”、黔中水利枢纽工程、“小康水”行动计划、水利建设“三年行动计划”、水利八大改革、山区现代水利建设示范等一系列水利战略行动，使得病险水库治理率(X22+)接近100%,水资源开发利用率(X27+)也降低至18.21%。在生态文明战略的驱动下，全市在节能减排方面集中于万元GDP污染物减排率(X23+)和生活污水处理率(X27+)等方面，其中，GDP污染物减排率平均值达15.68%，减排成效显著。生活污水处理率以年均提升1.63%，降低水体污染物对有限水源的威胁(图7)。由此可知，人为响应对水资源安全具有重要的意义，对于水资源开发利用、水环境保护都具有促进作用。

图7 人为响应(R)主要指标的年际变化特征Fig.7 Annual variation characteristics of main indicators of human response (R)

3 结论

根据PESBR概念模型构建岩溶地区城市水资源安全评价指标体系，采用模糊集对分析方法对贵阳市2002～2014年水资源安全进行评价，得出以下结论：

1)贵阳市水资源安全整体上呈波动式上升趋势，处于临界安全状态。2010年、2004年受干旱影响，水利设施和地表径流供水量有限，导致水资源安全水平偏低。但一方面贵阳市持续推进水利工程建设，增加城市供水能力，合理调配“两湖一库”的水源；另一方面调整产业结构，以观山湖区、贵安新区等国家经济技术开发区为契机，引进高新技术产业，优化全市产业结构，加快产业节能减排，有效缓解城市供水压力和抗旱能力，有效促使2008年、2012年和2014年水资源安全提升至较安全等级。

2)基于PESBR概念模型是对PSR概念模型的改进结果，突出岩溶山区工程性缺水状况和脆弱生态基础，一定程度上丰富了水资源安全评价指标体系的内涵。采用模糊SPA模型量化2002～2014年贵阳市水资源安全等级与评级指标的不确定性，明确了岩溶地区城市地区水资源安全的主要驱动因子，为城市水资源安全保障措施的实施提供参考。

3)水资源安全的核心是人类活动、生态环境与水资源系统的协调性可持续发展，研究构建水资源安全指标体系虽涵盖上述3方面，但各个指标是否合适，能否体现出水资源安全的核心要义有待于进一步改进。另外，由于获取数据有限，未能对贵阳市辖区县的水资源安全状况进行评价，各个区县的水资源安全影响因素要作进一步的研究，以上不足也是今后本研究的努力方向。

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Safety assessment of urban water resources in Karst area based on PESBR model——a case study of Guiyang city

YANG Zhenhua1,SU Weici2,3*,LI Wei2

(1.Institute of Karst,Guizhou Normal University, Guiyang, Guizhou 550001, China;2.Research Institute of Mountain Resources and Environment in Guizhou, Guiyang, Guizhou 550001,China; 3.College of Geography and Tourism, Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China)

The shortage of water resources in Karst area is mainly caused by the development of karst landform, poor availability of water resources and utilization of water resources.For reasonable evaluation of urban water resources security in Karst area, this paper combined with the characteristics of urban water resources utilization in Karst area, and constructed the water security evaluation index system based on the water demand pressure-engineering water shortage-water bearing state-ecological basis-anthropogenic response(PESBR), then the fuzzy SPA model was used to evaluate the safety of water resources in Guiyang city from 2002 to 2014.The study showed that: From 2002 to 2014, the water resources security level was the critical safety in Guiyang city (except 2008/2012/2014), and the level of correlation degree (H2) increased significantly, the whole trend was to be more secure. The seasonal difference of water consumption and precipitation in urban life and reservoir water storage rate are the important driving factors to affect the water resources safety in Guiyang city. Therefore, to strengthen the construction of water conservancy facilities, optimize the structure of water industry, improve water efficiency, reduce the per capita living water consumption, reduce the city water supply and demand gap are important measures to protect the security of water resources in Guiyang city. The SPA evaluation model and PESBR index system is applicable, the evaluation results are objective.So, it can enrich the evaluation model of water resources security in Karst area.

PESBR;Karst; city; water resources security

1004—5570(2016)05-0001-09

2016-06-02

国家科技支撑计划课题：喀斯特山区水资源演变规律及监测技术研究(编号2014BAB03B001)

杨振华(1991-)，男，硕士研究生，研究方向：水资源开发与评价研究，E-mail：yangzh750@sina.com.

*通讯作者：苏维词(1966-)，男，研究员，研究方向：喀斯特地区资源、生态环境与可持续发展，E-mail：suweici@sina.com.

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