云南高原城市水源地水资源脆弱性评价研究——以清水海水源地为例

王 静，段顺琼，张连根，石平平，欧福超

(1.云南农业大学水利学院，昆明 650201；2.昆明市松华坝水库管理处，昆明 650201；3.云南农业大学农学与生物技术学院，昆明 650201)

0 引 言

云南高原属山地高原地形，山地面积33.11 万km2，占全省国土总面积的84%。云南高原年降水量1 000～1 200 mm，5-10月为湿季，降水量占全年的80%～90%，空气湿度大，日照少；11月-翌年4月为干季，降水量占全年的10%～20%，空气干燥。由于云南高原的城市大多位于地形相对封闭的断陷盆地中，较少有大江大河经过，盆地上游水库成为城市最主要、甚至是唯一的水源[1]。因此，水库成为高原盆地城市供水安全，乃至经济社会发展的命脉。近年来，伴随着云南社会经济的快速发展，人类活动对水库水源集水区的影响不断增强，致使区域植被、土壤和蒸发等水文要素发生改变，造成入库径流特征、水质等发生了较大变化，导致水库有效供水量减少，城市缺水问题越来越突出，已成为制约城市经济社会发展的主要瓶颈之一，保障云南高原盆地城市供水安全显得尤为迫切。

随着社会经济的发展和人类活动的加剧，人们开发利用城市水源地水资源的程度越来越高，城市水源地正面临着水资源日益短缺和水环境恶化的严重局面。本文以清水海水库水源地(寻甸片区)2015-2017年水资源为案例，利用集对评价法对清水海水源地(寻甸片区)水资源脆弱性进行评价，探讨水资源脆弱性成因，为高原盆地城市水源地水资源的开发利用和保护提供科学依据。

1 研究区概况

清水海坐落在昆明市寻甸回族彝族自治县仁德镇西14 km甸沙乡海头村和海尾村之间，清水海水源区总面积314.81 km2，在寻甸境内总面积291.39 km2。水源区涉及寻甸县金所乡、甸沙乡、六哨乡、先锋镇，以及嵩明县滇源镇共2县5个乡镇，总人口2.01万人，耕地面积0.249 万hm2。

清水海水库是一高原天然断陷湖泊，为多年调节水库，属长江流域、金沙江支流的小江水系，正常蓄水位2 175 m，库容1.17 亿m3。2007年9月清水海引水工程对水库进行改扩建，在海尾村建设挡水坝，使清水海水库的正常蓄水位达到2 180 m，总库容达1.541 7 亿m3，成为调水工程中的主要调节性水库，供昆明主城、东城及空港经济区工业及城市生活用水。

2 水源地水资源脆弱性评价

2.1 评价指标体系的构建

2.1.1 评价指标体系模型的确定

按照系统论分析角度，自然、人为等因素的干扰和破坏下的水资源生态系统的动态符合“压力—状态—响应”模式(PRS模式)：即外在因素对系统产生压力，构成刺激输入，水资源系统发生状态变化(正面或负面影响)，变化结果通过某种形式响应，具体表现为区域水资源系统的脆弱性或不适应性[2]。

2.1.2 评价指标体系框架

为便于指标间的相互关系更加明确，评价指标体系框架采用分层次构建，下一级指标组合反映上一级指标的状况，结构设计包括“目标-阶段-因素-指标”等在内的4个层次。

2.1.3 评价指标体系

根据“压力-状态-响应”模式(PRS模式)，结合云南高原城市水源地脆弱性特点，选取了代表性好、针对性强、易于获得、量化的19个指标，构建了云南高原城市水源地脆弱性评价指标体系，见图1。

图1 云南高原城市水源地水资源脆弱性评价指标体系Fig.1 Index system for water resources vulnerability assessment in urban drinking water source of Yunnan plateau city

2.2 评价方法

目前脆弱性评价方法主要有模糊分析法、定量分析法、EFI胁迫度指数法、AHP法、集合论法及信息度量法等，本文采用集对分析法对水资源脆弱性进行评价[3-5]。

利用集对分析法对水资源脆弱性进行评价的步骤：

(1)单指标评价。将水源地脆弱性各评价指标的实际值与各级评价标准进行对比，按照单指标法确定其脆弱性等级，作为综合评价的基础。

(2)构造联系度表达式。将待评价的水源地脆弱性状态与水源地脆弱性评价标准的各级指标组成不同的集对，构造水源地脆弱性状态与水源地脆弱性评价标准各等级间的联系度表达式[6-8]。具体评价过程为，对于某等级V(1级、2级、3级、4级、5级)的水源地脆弱性评价标准来说，若某单指标的评价结果落入该等级区间范围内视为同一，落入相邻等级区间范围内视为差异，落入相隔等级区间范围内视为对立[9]。对各指标依次评价，并由联系度的定义式和单指标评价结果，计算同一度、差异度和对立度，得到待评价的高原盆地城市水源地脆弱性状态与高原盆地城市水源地标准等级间的联系度表达式[10]。

(1)

Uμ=a+bi+cj

(2)

式中：U为脆弱性状态与第μ(μ=1，2，…V)等级标准之间的联系度；V为脆弱性的等级个数；N为脆弱性评价指标个数；Sμ为单指标评价结果是第μ等级的个数(同一)；Fμ为单指标评价结果是相邻等级的个数(既不同一也不对立)；Pμ为单指标评价结果是相隔等级的个数(对立)；i为差异度系数；j为对立度系数。

建立脆弱性评价等级与指标特性关系，对照表1可确定联系度表达式。

表1 评价等级与指标特性关系表Tab.1 Assessment grade and index properties of relationship

(3)确定差异度系数i的取值。对于差异度系数i，可通过采用分析取值法确定，即分别取i=0.5，i=0，i=-0.5。

(4)计算联系数。将同一度系数、差异度系数、对立度系数分别带入联系度表达式计算联系数，得到待评价脆弱性状态与脆弱性评价标准各等级间的联系值。

(5)计算联系度表达式的集对势。在U=a+bi+cj中，若c不为0，将同一度a与对立度c的比值a/c称为某问题背景下的集对势[11]，用(shi)表示，shi(H)=a/c。如果shi(A)>1，称为集对同势，记为shi(A)s，反映该脆弱性状态在同、异、反联系中存在同一趋势。如果shi(A)<1，称为集对反势，记为shi(A)p。如果shi(A)=1，称为集对均势，记为shi(A)f。集对势之间按a/c值大小关系而成的次序称为集对势序。

(6)综合评价。由各等级联系数的数值大小，依据联系数取大原则并结合集对势序进行脆弱性状态的等级评判。

3 清水海水资源脆弱性评价结果及分析

3.1 清水海水资源脆弱性评价结果

关于高原城市水源地脆弱性评价标准的参照系，国内仍无统一标准可循，在参考《云南省水资源规划》、《云南省统计年鉴》、《昆明市饮用水水源地保护规划》、《地表水环境质量标准》、相似水源地脆弱性评价标准、地方政府颁布的标准，将云南高原城市水源地脆弱性确定为不脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、高度脆弱、极度脆弱5级，云南高原城市水源地水资源脆弱性评价权重及分级标准见表2[11-13]。

表2 云南高原城市水源地水资源脆弱性评价权重及分级标准Tab.2 Weight and classification criteria of water resources vulnerability assessment in urban drinking water source of Yunnan plateau city

注：表中以清水海水源地为评价样本，评价指标值来源于水环境公报、水资源公报、国民经济社会发展统计公报和《云南省昆明市清水海饮用水源地(寻甸区域)生态恢复建设工程可行性研究报告》。

(1)按照评价步骤由式(3)、(4)和表1得到单指标评价结果和各评价等级的联系度表达式，见表3。

表3 清水海水源地脆弱性评价指标结果与评价等级联系数Tab.3 Results of vulnerability assessment index of Qing Shui-hai water source and connection number of assessment grade

(2)将差异度系数i=0.5，i=0，i=-0.5分别代入联系度表达式，得到联系数，见表4。

表4 清水海水源地脆弱性状态与标准等级的联系数Tab.4 Connection number of vulnerability state and standard grade in Qing Shui-hai water source

(3)将3个差异度系数i、对立度系数j分别代入联系数表达式，依据联系数最大原则，得到清水海水源地2015年脆弱性评价等级均为3级，2016年、2017年脆弱性评价结果和2015年一样，即清水海水源地2015-2017年脆弱性评价等级均为3级。

2015-2017年每年的集对势序都是shi(3)>shi(4)>shi(2)>shi(5)>shi(1)可知第三等级集对势最大。

综合集对理论和集对势评价结果可得清水海水源地综合脆弱性评价等级为3级，即中度脆弱。

3.2 清水海水资源脆弱性影响因子分析

根据表4，2015年单指标的极度脆弱性主要表现在总氮、总磷超标；2016年和2017年单指标的极度脆弱性主要表现在人均生活污水排放量超标、总氮、总磷超标3个方面。清水海水资源脆弱性影响因子：人均生活污水排放量(X4)、总氮(X10)、总磷(X11)。

从水资源脆弱性评价结果看，影响清水海水源地水资源脆弱性的制约因素主要是自然因素和人为因素，人类活动驱动力则对区域的生态脆弱性起催化和加剧的作用。清水海水源地水体水质恶化影响因素一是生活污水，二是农业径流。经专项调查及相关调研，初步查明清水海水源地水体水质超标的原因，是集水区生活污水为主要污染源。影响水资源脆弱性的因素主要包括以下几方面。

(1)特殊的地质环境和脆弱的生态环境。水源区自身处于岩溶环境中，地表崎岖破碎、土层浅薄、植被生长条件差造成水源涵养差、生态系统抗干扰能力低。因此，清水海水源地较平原地区的水源地水资源呈现出显著的脆弱生态特点。

(2)经济发展与人口数量的增加。由于经济发展与人口的增加，对生产资料和消费资料的需求就会增多，就要求开发更多的资源，就会对自然环境造成更大的压力，使生态环境面临更大的威胁。人类活动的加剧造成了清水海水源地水质恶化。

(3)人均生活污水排放量偏高。随着水源地农村城镇化进程加快，村民生活水平不断提高，人均需水量和总需水量不断增加，人均生活污水总排放量也随之相应增加。

(4)污水处理率偏低。根据清水海面源污染调查，清水海库区内及水源保护区内周边乡镇还没有完善的城乡污水管网收集处理系统及农村连片环境综合整治项目的实施，清水海库区及水源保护区流域内的乡镇、农村的生产生活废弃物大部分未经处理直接排入库区水体，是导致清水海水源地水体总氮、总磷超标的主要原因。

4 结论与建议

研究结果表明，清水海水源地2015-2017年水资源均为中度脆弱且脆弱度呈现加重趋势，与目前清水海水源地加快经济建设发展现状相吻合，也表明清水海城市水源地的水资源开发利用方面表现更加突出的脆弱性，水资源承载力与区域经济社会发展与区域不协调，针对清水海水源地水资源脆弱性的现状及发展趋势，提出如下建议。

(1)深化“库长制”确保持续改善水源地水质。一是深度落实“库长制”全面落实执行；二是截污治污是治理水源地的重中之重，通过新建污水管网收集处理系统，提高污水处理率。

(2)全面开展水源区内的河道、沟道进行生态修复及综合整治。加强对水源区内沿线河道、沟道生态修复及综合整治，提升区域生态修复能力。

(3)全面实施水源地生活污水与垃圾的集中处理。在水源区各在居民点建分散式生活污水处理站，集中将生活污水处理后排达标放，在各村庄设置垃圾箱，将生活垃圾进行集中处理。

(4)提升水源区农业面源污染的综合治理。一是实施化肥减施行动。坚持推进化肥减量提效，大力推广测土配方施肥技术，在水源地建设一批规模化、集约化、精准化、定需定时定量施肥的高产高效示范区。二是实施农药减施行动。加强农药风险监测能力建设，开展专业化统防统治与绿色防控融合示范。

(5)开展水源区清洁流域生态修复及综合治理。开展水源区入库口、库周及库区生态专项修复，进一步完善构造水源入库口、生态型堤岸和库周湿地保护带专项治理；综合应用水源区清洁流域生态修复、生态治理、生态保护的多重生态保持防线的思路开展综合治理。

(6)增强水源区村民水源保护意识。通过大力开展水源保护知识宣传，宣传和普及农村水源保护意识，提高广大村民的环境意识和监督意识，使水源地水污染问题得到有效控制。

(7)健全饮用水源保护公众参与机制。进一步健全信息发布机制，定期发布饮用水源水质状况及保护信息，维护公众知情权；通过多种形式，引导公众参与饮用水源地保护活动。