基于静态程度的荆南三口地区水资源短缺变化分析

代 稳，吕殿青，王金凤，王胜文

(1.六盘水师范学院旅游与历史文化学院，贵州六盘水553004；2.湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南长沙410081)

0 引 言

水资源是支持人类社会经济持续健康发展的必要条件[1]。近年来，受气候变化(极端天气等)和人类活动(水库建设及运行、土地利用变化等)的双重影响，陆地水文循环状况发生不同程度的改变，水质恶化、水土流失和水资源短缺等水资源安全问题日益突出，对经济社会可持续发展提出了严峻挑战。

荆南三口既是连接长江的纽带，又是沟通洞庭湖的水流通道；其分流的多寡对该地区水资源的丰歉起着决定性的作用。近几十年来受环境变化和人类活动的综合影响，荆江三口分流量呈现出逐期减少的趋势[2]。通过对1951年～1966年、1967年～1972年、1973年～1980年、1981年～1998年、1999年～2002年和2003年～2015年6个时段多年平均分流量比较可知，三口多年平均分流量依次减少了310.2亿、187.1亿、135.7亿、73.3亿m3和106.3亿m3，分流比(同期三口多年平均分流量与枝城站多年平均径流量之比)依次减少了5.80%、4.90%、3.10%、1.70%、1.30%。三峡水库蓄水运用后与下荆江系统裁弯前比较，三口分流量共减少了812.6 m3，减幅达到61%；同期，三口四站(沙道观、弥陀寺、管家铺、康家岗)出现了连续断流现象且年断流天数呈逐步增加的趋势，尤其是特枯年份断流时间更长[3]。受分流量逐期减少和断流天数增加的影响，该地区季节性缺水和工程性缺水问题日益突出。其水资源短缺为何种程度，是加重还是减缓及快慢程度，是荆南地区、乃至长江中下游水资源配置和管理的重要问题。为此，本文采用突变级数法对三峡水库运行后2003年～2015年荆南三口地区水资源短缺程度进行静态评价，然后根据其评价结果，运用变化速度状态测度和趋势测度数理模型，从时空尺度上对该地区水资源短缺程度进行动态综合评价，揭示其水资源短缺程度变化状态，以期为进一步优化三峡水库调度方案和制定地区经济社会发展规划，以及产业结构优化与调整提供理论依据。

1 研究区域概况

荆江是指长江干流枝城站至城陵矶河段的总称，其南岸的松滋、虎渡和藕池三口(调弦口于1958年堵口)，习惯上称为荆南三口水系，主要分泄长江来水进入洞庭湖。据统计，荆南三口地区的岳阳市华容县、常德市安乡县及益阳市南县80%以上的三生(生产、生活、生态)用水均来源于荆南三口河系；因此，选取2003年～2015年该3县作为评价样区。水资源短缺程度评价指标体系中所涉及的基础数据均来源于岳阳市、常德市、益阳市统计年鉴(2003年～2015年)，华容县、安乡县、安县国民经济与社会发展公报(2003年～2015年)，以及岳阳市、常德市、益阳市水资源公报和洞庭湖生态经济区水资源配置与对策研究、洞庭湖湖区综合规划等。

2 研究方法及指标体系

2.1 突变级数法

突变级数法是运用突变数学模型对评价目标进行排序分析的一种综合评价方法[4]。该方法对评价目标进行多层次分解；然后利用突变理论与模糊数学相结合产生突变模糊隶属函数；再由归一公式进行综合量化运算， 最后归一为一个参数。即，求出总的隶属函数[5]，具体是以势函数为研究对象，系统动态变化过程通过状态变量(行为状态)X={x1，x2，…xn}和外部控制参量(影响突变的决定因素)V=f(A，X)来反映，其具体构造见文献[4- 6]。突变级数法在进行计算时，要求将评价目标进行多层次分组，使得各层指标在层次结构中不多于4个，即某一系统其状态变量的控制参数变量个数一般不超过4个[7]，不同的控制变量与不同的突变模型及势函数、分歧集和归一公式相对应。具体计算如下[7- 10]

式中，当各控制变量之间“非互补”，按公式(1)计算；若“互补”，按公式(2)计算。

2.2 速度特征的动态综合评价法[10- 13]

首先，假设有m个被评价对象S1，S2，…，Sm，在连续n个时期t1，t2，…，tn，根据突变级数法可计算得到Si在tj时期内的静态评价结果为rij=ri(tj)，(i=1，2，…m;j=1，2，…n)，由此评价结果形成了时序信息矩阵

即，被评价对象Si在[tj，tj+1]时段内的变化速度为vij，则可以形成变化速度时序信息矩阵

(5)

为了体现被评价对象的变化速度趋势对动态综合评价的激励作用，需要不断修正变化速度状态：当aij=0时，λ(aij)=1，被评价对象变化速度状态呈平稳趋势，不需要做修正处理；当aij>0时，λ(aij)>1，被评价对象变化速度状态呈上升趋势，变化速度需要做出奖励修正处理；当aij<0时，λ(aij)<1，被评价对象变化速度状态呈下降趋势，变化速度需要做出惩罚修正处理。

最后，求出被评价对象Si在[tj，tj+1]的时间跨度内的动态综合评价公式

式中，kj为系数，一般设定kj=1。式(7)主要用于计算被评价对象Si在[tj，tj+1]的时段内的动态综合评价值，若要求出被评价对象Si在[tj，tn]的时段内的动态综合评价值，则

(8)

表1 水资源短缺程度评价指标体系

2.3 指标体系确定

针对长江荆南三口地区水资源集中体现在时间分布不均、气候变化的随机性和“三生”需水量逐期增加的状况，选取表征该地区水资源短缺程度评价指标遵循以下原则：①能够充分反映出水资源供需状况；②能够集中体现“三生”用水程度；③能够反映社会经济发展水平；④能够反映出变化环境下水资源的供给能力。依据上述原则，选取了支持力、压力和协调力三类指标组成准则层的评价指标体系(见表1)。

2.4 指标权重及标准化处理

在对各项指标数值进行标准化处理(无量纲)的基础上，按照层次分析法的思路，结合专家的赋权意见，可以得到以下14个指标的主观优先排序与重要程度的合理赋值；再根据熵值法[14]的计算步骤，计算求得14个指标的客观权重，最后采取折中的办法，确定各指标的权重值(见表2)。

表2 评价指标权重及标准化处理后的数据

2.5 评价等级标准

水资源短缺程度静态评价值的大小反映了水资源短缺程度，其数值越大(接近1)，表明水资源短缺程度越不缺水；反之，数值越小(接近0)，意味着水资源短缺程度越严重。为了定量判断水资源短缺程度，根据静态评价值划分出5个等级。即，0.9≤x≤1，不缺水；0.7≤x<0.9，基本不缺水；0.5≤x<0.7，轻度缺水；0.3≤x<0.5，中度缺水；0≤x<0.3，重度缺水。

3 结果与分析

3.1 时空变化规律

根据评价指标体系及各指标权重值的大小顺序，结合归一公式(折叠突变、尖点突变、燕尾突变、蝴蝶突变4个控制变量)和水资源短缺程度评价指标体系各层各级指标数以及各级控制变量之间是否存在指标“互补”来确定系统状态变量值的计算方法。通过归一公式及式(1)、式(2)获得长江荆南三口地区华容县、安乡县和南县三县水资源短缺程度静态评价结果(见表3)。

表3 荆南三口地区水资源短缺静态评价结果

荆南三口地区水资源短缺程度在时间尺度上：2003年为0.590 5，属于轻度缺水类型；2005年增至0.933 9，连续跨过临界值0.7、0.9变为不缺水类型；随后2006年降至0.606 8，返回之前的轻度缺水类型，之后一直保持在0.8以上，呈上下波动趋势，属于基本不缺水类型或不缺水类型。说明该地区水资源短缺程度不严重，甚至很多年份未出现水资源短缺现象，如2005年、2008年、2009年、2010年和2012年等年份。值得指出的是：2003年和2006年该地区水资源短缺程度为轻度缺水类型，主要是2003年三峡工程开始蓄水运行及用水压力指标偏高所致。其中，农业灌溉用水定额B11达8 000 m3/hm2，万元工业产值用水量B13约为420 m3/万元，单位GDP水耗C21为600 m3/万元，而2006年三县水资源短缺程度严重的原因主要是2006年为特枯年，三口分流量仅为184.6亿m3[15]，三口平均断流天数达到198 d。从表3可知，除2006年特枯年外，2003年～2015年水资源短缺程度大致呈缓慢上升的趋势，与该地区同步平均断流天数变化趋势产生较好的对应关系(见图1)；从而说明气候变化与人类活动造成相对丰水地区出现了水资源短缺问题。从水资源短缺类型上讲，不同的区域或地理位置有不同的缺水类型，我国西北干旱区、北方地区属于资源性缺水类型，西南地区属于工程性缺水类型[16]，而典型丰水区(长江荆南三口)既是季节性缺水类型，又是工程性缺水类型[3]。从气候变化与人类活动对水资源变化影响的贡献率上讲，年径流量趋势性改变是由于上游径流量的不断减少及诸多人为工程共同作用的结果，其中裁弯和三峡工程的影响最为明显[17- 18]，人类活动对三口地区径流量减少的贡献率占80%左右，降水仅占20%[19]。由此表明，由于人口的快速增长、经济社会的迅猛发展、大型水利工程的建设等人类活动，使得水资源短缺变化迅速，仅依靠短缺程度评价值来分析水资源利用状况不能有效、灵敏地反映出该地区水资源供需发展变化过程。因此，系统研究长江荆南三口地区水资源短缺程度的变化趋势，有必要从短缺程度变化速度快慢反映水资源短缺的变化趋势，以期为荆南三口地区应对气候变化及人类活动对水资源影响的措施。

图1 三县历年水资源短缺程度平均值与三口平均断流天数对应关系

从空间分布上来看，该地区三县水资源短缺程度多年平均值(2003年～2015年)均在0.8以上，均属于基本不缺水类型。但三县也存在一定的差异，其中东部华容县最不缺水，多年平均值为0.847 7；南部南县其次，多年平均值为0.840 3；西部安乡县排序第三，多年平均值为0.817 2。近十年来，华容县水资源短缺程度整体上比南县和安乡县的水资源短缺程度低(见表3)，具体表现在：①华容县受断流影响的程度低于南县和安乡县，荆南三口水系断流天数统计表明，华容县境内的藕池河东支多年平均断流天数为186 d，而南县境内的藕池河西支为259 d，安乡县境内的松滋河、虎渡河分别为199 d、152 d；②华容县用水指标无论是效益型还是成本型均优于南县和安乡县，如2003年单位GDP水耗，华容县、南县、安乡县分别为558、637、603 m3/万元。由此表明，径流量的多少或断流的天数、用水效率制约着长江荆南三口地区水资源短缺程度，径流量越丰富，用水效率越高，水资源短缺程度越低。显然，要保证该地区水资源安全，使水资源与经济社会发展相协调，就必须通过提高用水效率、双向优化产业结构与用水结构等途径来实现。

表4 荆南三口地区水资源短缺程度变化速度状态测度值及激励修正值

3.2速度动态变化特点

水资源量具有明显的不确定性和随机性。前述的水资源短缺程度静态评价结果只能反映现状年水资源的短缺程度，对于短缺程度的整体变化发展趋势，尤其是速度变化快慢程度，还需借助于水资源短缺程度变化速度状态测度、短缺程度变化速度趋势测度及短缺程度变化速度动态综合评价。为揭示该地区三县水资源短缺程度变化速度，将前述的突变级数法计算得出的静态评价值作为初始值构建时序信息矩阵；然后，根据式(4)、(5)和(6)，应用MATLAB软件计算得出各县的水资源短缺程度变化速度状态测度值(见表4、图2)、趋势测度值(见表5)及由趋势测度值经激励处理后变化速度状态测度修正值(见表4)；最后，由公式(7)和(8)计算得到长江荆南三口地区三县的水资源短缺程度变化速度动态综合评价值。从缺水程度变化速度状态测度结果来分析，该地区水资源短缺程度变化速度状态测度呈先下降后上升再下降趋势，随后在0值附近起伏波动，如图2a所示。其值有正有负，“+”变化速度轨迹位于横轴上方(呈上升趋势)，“-”变化速度轨迹位于横轴下方(呈下降趋势)，测度值是被评价对象变化速度轨迹与横抽所组成的面积，面积大小反映被评价对象变化速度状态的总体状况[10]。可见，该地区水资源短缺程度变化速度状态测度总体呈减缓趋势，多时段平均减少0.065 1；在表3中个别时段存在加重状态，但加重程度不激烈(除2006年～2007年外)，多年平均增加值仅为0.071 2。这说明荆南三口地区水资源短缺变化速度状态以减缓为主，虽存在加重状态， 但加重程度不激烈，随着时间变化此变化速度状态又恢复到减缓状态，这可以解释该地区水资源短缺静态程度不严重缺水及变化起伏不大的原因。通过分析三县水资源短缺程度变化速度状态测度，不难发现，华容县、安乡县和南县减缓的年数分别为5、5a和4a，依次约占评价年数的45.5%、45.5%和36.4%，其余年份加重，除2006年外，其余年份水资源短缺程度加重或减缓的程度不明显。2006年水资源短缺程度严重，这与静态评价的结果是一致的。

图2 口地区水资源短缺程度变化测度

短缺程度变化速度趋势测度值表征单位时间内水资源短缺变化速度的改变程度，其值越大，说明水资源较容易出现短缺程度，趋势测度为加重趋势，反之，其值越小，说明水资源不易出现短缺程度，趋势测度为减缓趋势。从其计算结果来分析，该地区水资源短缺程度变化速度趋势测度整体上呈先减缓后加重再减缓趋势，随之在1值上下波动，如图2b所示。除2006年～2007年时段外，各时段之间的差异变化不大，最高时段为2012年～2013年，三县均值达1.085 2，最低时段2005年～2006年为0.803 0，该区水资源短缺程度变化速度趋势测度加重激烈程度不明显。变化速度趋势测度反映被评价对象变化速度变化趋势，相当于加速度(速度变化快慢)，该地区总体减缓趋势明显，个别时段个别县域偶有缓和加重趋势(见表5)，这意味着气候变化与人类活动对该地区水资源短缺造成一定影响后，但在一般情况下(除特枯年)造成水资源短缺程度严重的概率不大。2006年特枯年造成三口地区水资源短缺程度为轻度缺水类型，2007年～2008年激烈减缓趋势使得该区2007年水资源短缺程度上升1个类型，变为基本不缺水类型。

表5 荆南三口地区水资源短缺程度变化速度趋势测度值

3.3 综合变化特点

水资源短缺程度静态评价更多地用于水资源短缺程度的现状水平，了解被评价对象的等级排序情况；动态评价则是反映水资源短缺程度随时间变化不断发生改变的状况，体现被评价对象的变化速度情况。通过对长江荆南三口地区水资源短缺程度静态评价平均值与变化速度动态综合评价值的比较发现，华容县、安乡县和南县静态评价的平均值差不多，说明近十多年三县水资源短缺程度基本不缺水，且水平程度相差不大；然而，华容县、安乡县和南县水资源短缺程度变化速度动态综合评价值均在y=0轴之下为负值，三县水资源短缺程度在2003年～2015年内均呈现减缓的变化趋势，减缓的快慢程度(速度)为：华容县>安乡县>南县(见图2)，说明华容县水资源供需保障水平高于安乡县，安乡县高于南县，而出现水资源短缺风险概率南县最大，安乡县其次，华容县最小。该地区变化速度动态综合评价模型是由变化速度状态测度与变化速度趋势测度的耦合而成，其动态评价值的大小可以由两者的数值来分析。2006年，三县水资源短缺静态程度均为轻度缺水，正是由水资源短缺变化速度趋势测度呈较激烈加重趋势所致(见表5)，体现在具体供需水指标上是2006特枯年供水严重不足；2014年，华容县为不缺水类型，南县为基本不缺水类型，主要也以两县水资源短缺变化速度趋势测度呈激烈减缓和缓和加重相关。三县动态评价值均为负值，是由于变化速度状态和趋势测度呈减缓趋势的缘故。由此表明，长江荆南三口地区水资源短缺程度静态评价可以初步实现该地区水资源短缺程度的等级大小排序，为动态评价提供时段信息集；其动态评价值大小不仅可以反映出该地区水资源短缺程度的总体呈减缓趋势，而且可以透过变化速度状态测度值和变化速度趋势测定值来说明减缓速度越快，水资源出现短缺风险的概率越小。

4 结 论

(1)荆南三口地区2003年～2015年水资源短缺静态程度不严重，甚至很多年份未曾出现水资源短缺现象，如2005、2008、2009、2010、2012等年份。该地区水资源短缺程度均属于基本不缺水类型，但在区域内存在一定的差异。各县径流量的多少或断流的天数、用水效率影响各地区水资源短缺程度。

(2)耦合水资源短缺程度变化速度状态测度与变化速度趋势测度的动态综合评价模型能够表征区域出现水资源短缺风险的概率及揭示短缺程度变化速度的原因。荆南三口地区水资源短缺变化速度状态以减缓为主，虽存在加重状态，但加重程度不激烈，变化速度趋势测度整体上呈先减缓后加重再减缓趋势，随之在1值上下波动，两者耦合能有效地解释该地区水资源短缺静态程度不严重缺水及变化起伏不大的原因。

(3)荆南三口地区水资源短缺程度综合变化特点方面，三县水资源短缺程度在2003年～2015年内均呈现减缓的变化趋势。

本文从变化速度状态测度和变化速度趋势测度的角度对水资源短缺程度进行了初探，简单介绍了其内涵，但理论基础及影响机制还有待进一步的研究。本文对变化速度进行激励时，对于变化速度给予奖励的，对水资源短缺程度变化速度状态乘以1.5的系数，而对于变化速度给予惩罚的，对水资源短缺程度变化速度状态乘以0.5的系数，选取的系数值是否最合理还需进一步的研究、改进和验证。本文从水资源短缺程度变化速度趋势测度的持续性及总变化趋势和速度来反映气候变化与人类活动可能对相对丰水区造成水资源短缺的影响，但具体持续时间多长，来水低至什么程度及加重速度或减轻速度达到多少会造成水资源短缺发生质的改变，仍需进一步深入完善。