气候变化下重庆市水资源脆弱性评价及适应性调控研究

，，，

(1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉430010；2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100000)

人类活动和全球气候变化共同作用，对全球水文循环产生较大影响，水资源脆弱性遭严重破坏[1]。在当今倡导水资源可持续发展的大环境下，对水资源脆弱性开展研究可以定量分析气候变化和人类活动对水资源系统变化的影响，并提出适应性调控对策。20世纪60年代以来，法国学者Albinet[2]首次在地下水领域提出脆弱性概念；20世纪80年代，Hashimoto[3]提出利用脆弱性对水资源供水能力的风险进行评估；1996年IPCC[4]认为水资源脆弱性与气候变化密不可分；2000年加拿大学者Can TY[5]提出草原地区水资源脆弱性主要受气候变化和农业灌溉等因素影响，并提出相应解决策略，有效缓解了水资源脆弱性；2010年Nunes JP等[6]发现在降水、气温、CO2排放等变化下，适用性调控人类活动的指标对于缓解地中海地区水资源脆弱性很有必要；2012年夏军等[7]认为脆弱性是指在气候变化及人类活动干扰下导致自身水资源系统供需关系发生改变后，水资源系统难以发挥正常水平的可能性；2018年PatrónER等[8]研究墨西哥水资源在气候变化和人类活动干扰下，脆弱性承受的风险，并建立一套评价体系及适用性调控手段。综合现有的研究成果，水资源脆弱性是指气候变化及人类活动的干扰下，对水资源系统造成不利的影响的可能性，这也将是适应性调控研究的基础。

1 水资源脆弱性评价

1.1 研究区概况

重庆市地处长江上游，全市总面积82 403 km2，属于典型的亚热带季风湿润气候，降水量主要集中在山地地区，丘陵地区相对较少，多年平均降水量为1 177.92 mm，6—9月份降水量占全年60%以上；气候温度的空间分布呈中西部地区高，东南和东北部地区低的特征，多年平均气温为17.52℃；多年平均实际蒸散发量为904.82 mm，7—9月实际蒸散发量占全年43%。

过去30 a来重庆市的气候发生了显著变化，平均气温升高0.3℃/10a，平均降水量减小7.4 mm/10 a，同时8—10月份径流量减少10%～25%，预计未来重庆市极端水文事件将更加频繁[9]；同时，随着人口密度的快速增长、经济型社会的高速发展和生产、生活、生态等各类用水需求大幅上涨，重庆市水资源短缺的问题愈发突出，将进一步加剧重庆市水资源的脆弱性。

1.2 水资源脆弱性评价方法

水资源脆弱性评价方法主要分为定性、定量评价。定性评价法确定主要影响因素；定量评价分为指标法和数学函数法，其中指标法分为层次分析法[10]、模糊综合评价法[11]、DPSIR[12]等方法，主要用于建立评价指标体系，而函数法主要是利用数学逻辑构建函数[13]。

指标法构建评价模型具有体系清晰、考虑全面等优点，函数法难以考虑全面，结果不易解释。本文综合考虑系统性、科学性等原则，基于DPSIR模型将评价指标体系分为驱动力、压力、状态、影响和响应5部分。其中，压力指标是指用水需求以及对水资源造成破坏；状态指标是指满足自身用水需求的能力；影响指标是指人和自然因素导致的水资源系统破坏；响应指标是指针对水资源系统被破坏所采取的措施。

1.3 评价指标的选取和评价标准确定

结合重庆市气候变化的情况和数据的易获性，将要素指标进行分类并列入表1中，这些指标共同构成重庆市水资源脆弱性评价指标体系，2006、2014年各评价指标的具体数值见表1。为明确单个评价指标因子对水资源脆弱性评价中的影响以及未来气候变化下能够采取直接有效的调控措施，需要对每个评价指标进行脆弱性等级划分。由于目前水科学界对于水资源系统指标分级没有统一标准，本文利用中国和重庆市已制定的相关标准(重庆市水文局提供)，建立起一套适用于评价重庆市水资源脆弱性状况的指标分级标准，见表1。

1.4 水资源脆弱性评价模型

由于评价对象是由多个评价指标相互作用的结果，因此可以认为水资源脆弱性评价模型是一个模糊集，故本文采用模糊综合评价法来建立评价模型。基于熵权的重庆市水资源脆弱性模糊综合评价的步骤主要通过以下4步。

a) 建立模糊集设定：设定评价对象集O{2001,2002，…,2014}，指标集U{DPSIR指标体系}与评语集V={不脆弱I，轻度脆弱II，中度脆弱III，重度脆弱IV}。

表1 重庆市水资源脆弱性指标分级标准及评价等级

b) 建立模糊关系矩阵R：

矩阵中第k列(k=1,2,…,n)为第k个被评价对象对各等级模糊指标集的隶属度。将指标数值进行处理，得出水资源脆弱性模糊综合评价中隶属度rjk，即:

正向指标：越大越优型:rjk=(Xjk-Xj·min)/(Xj·max-Xj· min)

(1)

反向指标：越小越优型:rjk=(Xj·max-Xjk) /(Xj·max-Xj·min)

(2)

式中Xj·max——第j项指标的最大值；Xj·min——第j项指标的最小值。

c) 利用熵权建立模糊权向量A：由于每个子模型中的指标对于评语来说，有不同的作用程度，故需要先确定评价因素的模糊权向量中的每个指标的权重。本文采用客观赋权法-熵权法[14]确定，对于某项指标来说，熵值越小，表明该项指标在评价对象中的占有比重越大，即权重越大，反之熵值越大，表示该项指标权重越小。

d) 模糊综合评价结果：利用模糊关系矩阵R和模糊权向量A，建立M(·,⊕)合成算子模型，得出水资源脆弱性模糊综合评价得分。

1.5 未来气候变化下的情景和调控方案选择

基于第五次IPCC评估报告(AR5)和中国自主研发的全球气候评估模型，在未来气候变化中设置了RCP2.6、RCP4.5和RCP8.53种受人为因素和气候变化影响下的典型温室气体排放情景，以2017年为现状基准年在气候变化环境下，将未来研究时段划分为3个时期：近期(2019—2030年)、中期(2030—2060年)、远期(2060—2100年)，分别将2100年的辐射强迫水平稳定在2.6、4.5、8.5 W/m2[15]。本文是采用未来最接近国家排放气体路径的RCP4.5的气候变化情景下，采取有针对性的适应性调控措施，降低水资源脆弱性，即：基于适应性水资源管理中的单项调控敏感性分析法，采取了13种应对未来气候变化情境下水资源适应性调控方案，见表2。

表2 未来气候变化情景下水资源适应性调控方案

2 结果分析

2.1 2001—2014年重庆市水资源脆弱性评价

结合重庆市水资源基本情况和脆弱性综合得分，确定重庆市水资源脆弱性评分标准，从而得出2001—2014年重庆市水资源脆弱性评价结果，见图1。从图1可以看出，2001—2014年这14 a间重庆市水资源脆弱性综合得分是动态变化的，大体处于轻度脆弱区。其中2001—2006年，虽然有效灌溉面积比先减小后增大，但是水资源开发利用率先增大后减少，人口密度逐渐增大，同时在2006年重庆市突发大旱，导致水资源脆弱性不断逼近中度脆弱区，最终在2006年脆弱性达到最脆弱期～中度脆弱区；之后在2007—2009年重庆市水资源脆弱性综合得分不断降低，主要是气候变化下产水系数减小，废污水的排放强度得到控制，水资源脆弱性降低。在2009—2014年由于人口密度的持续增长，人均年用水量的不断降低，废污水的排放强度再次居高不下，农田有效灌溉面积比持续降低，最终导致重庆市水资源脆弱性综合得分持续增加，水资源脆弱性再次不断逼近中度脆弱区，且没有任何预防措施条件下，水资源脆弱性在未来有加重的趋势。因此，从动态变化来看，这14 a来重庆市水资源脆弱性大体处于轻度脆弱区，但水资源脆弱性在总体上是有逐渐加重的趋势。

2.2 气候变化下重庆市水资源脆弱性调控结果分析

在未来气候变化环境下，只有恪守国家最严格的水资源管理制度才能推动水资源的生态文明建设，保障水资源系统的正常运行。本文在此基础上，来确定水资源管理和调控方案，预计在2100年各项措施都达到不脆弱等级I(调控指标参考表1)，分别对近期、中期、远期的各项调控措施进行预测，得到相应时期的预测数据，利用基于熵权的模糊综合评价法进行水资源脆弱性评价，最终得出其相对于基准年的水资源脆弱性评分变化，见表3。

适应性单项调控结果分析表明：在未来RCP4.5排放路径情景下，采用调控方案来应对气候变化造成的水资源脆弱性是十分有效的，从减少重庆市水资源脆弱性的目标来看，近期单项调控最为灵敏的是控制人均年用水量，其次是有效灌溉面积比；在远期，最为灵敏的单项调控是生态环境用水比例、人均年用水量。

3 结论

本文将水资源脆弱性与气候变化结合一起，基于DPSIR模型构建重庆市水资源脆弱性评价指标体系，将多指标的评价转化为单目标定量分析，评价2001—2014年气候变化环境，并将RCP4.5气候模型与适应性调控模型相耦合，研究未来水资源脆弱性适应性调控措施。本文研究成果将为该市水资源调控提供一套切实可行的方案，现得到结论如下。

表3 未来气候变化下指标调控的数值及脆弱性评分相对基准年变化

a) 2001—2014年间重庆市水资源脆弱性大体处于轻度脆弱区，且有逐渐加重的趋势。由于2001—2006年水资源开发利用率先增大后减少，人口密度逐渐增大，气候变化下产水系数降低，故水资源脆弱逐渐升高，最终在2006年脆弱性达到中度脆弱；2007—2009年气候变化下产水系数增大，废污水的排放强度得到控制，水资源脆弱性逐渐降低；2009—2014年由于人口密度的持续增长，人均年用水量的降低，废污水的排放强度再次居高不下，农田有效灌溉面积比持续降低，最终导致重庆市水资源脆弱性不断逼近中度脆弱区。

b) 在未来RCP4.5排放路径情景下，采用调控方案来应对气候变化造成的水资源脆弱性是十分有效的，其中近期单项调控最为灵敏的是控制人均年用水量，其次是有效灌溉面积比；在远期，最为灵敏的单项调控是生态环境用水比例、人均年用水量。

4 讨论

针对重庆市水资源脆弱性的现状和单项调控分析结果，提出如下建议来降低水资源脆弱性。

a) 增强节约用水意识，提高用水效率，降低人均年用水量。降低人均用水量是近期及远期降低水资源脆弱性的重要举措。故在工业上可以适当抬高水价，提高工业用水的重复利用率；居民生活中加大节约用水的宣传教育，全面营造节约用水的好氛围。同时加大智慧水务投资，降低管网水漏损。

b) 维护和完善水利工程建设。水利工程设施的完善在提高有效灌溉面积比、增强水利工程的调蓄能力中发挥巨大的作用，是短期降低水资源脆弱性的有效措施。建议完善抗旱水利工程的基础设施建设，引进先进的灌溉技术，建立起一套严格的水利建设管理机制。

c) 建立水资源的优化配置方案。立足于重庆市水资源现状，针对未来气候变化以及社会发展对水资源的影响，提高生态环境用水比例，对重庆市水资源系统利用进行高效配置，实现重庆市水资源综合效益的最佳化。