河南省水资源系统脆弱性时空分异特征研究

王利平， 张建云， 舒章康， 刘翠善， 周雄， 王国庆

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350; 2.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029； 3.水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029；4.长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210098； 5.北京师范大学 中加能源环境与生态研究中心，北京 100875)

伴随着气候变化、人口增长及社会经济发展模式的转变，人类社会对水资源的需求逐步增加，带给水资源的压力越来越大。目前，水资源是中国可持续发展的主要限制性因素之一，水资源安全问题已上升到了经济安全、生态安全和国家安全的高度[1]。水资源脆弱性是水安全的重要组成部分及研究方式，自21世纪以来，水资源脆弱性研究已成为保障水资源安全的重要需求和热点研究问题。开展区域水资源脆弱性研究，可以评估区域水资源系统脆弱性时空分布特征，准确而全面地认识区域水资源状况，统筹管理水资源，进而提高水资源安全保障的适应能力[2]。

脆弱性的概念最早始于灾害学，MARGAT J学者提出了地下水脆弱性的概念，标志着脆弱性概念在水资源领域的兴起[3]。由于研究视角不同，学术界对于脆弱性概念没有统一的定义。2001年，政府间气候变化专门委员会[4]指出，脆弱性是系统气候变异特征、变化幅度和速率以及系统敏感性和适应能力的函数；刘绿柳[5]将水资源脆弱性扩展为水资源系统易于遭受人类活动、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，并给出了相对应的指标体系及评价方法；基于水资源脆弱性概念，邹君等[6]从水资源系统的自然、人为和承载脆弱性3个方面建立了指标体系，对衡阳盆地水资源脆弱度进行了评价；张建云、王国庆[7]从供需水角度分析了未来情境下中国各省水资源脆弱性；夏军等[8]则是构建了结合敏感性、适应性的脆弱性函数，评估了海河流域现状及未来水资源脆弱性；部分学者依据SD(System Dynamics)[9]、PSR(Pressure-State-Response)[10]、DPSIR(Driving force-Pressure-State-Impact-Response)[11]、DPSIRM(Driving force-Pressure-State-Impact-Response-Management)[12]等模型构建指标体系进行水资源脆弱性评价；也有学者结合GIS/RS[13]进行水资源脆弱性研究。以上指标体系的建立方法存在指标构建形式不一、评价结果不具有可比性的问题，为解决上述问题，POLSKY C等[14]提出了可比较的全球变化脆弱性评估框架——VSD(Vulnerability Scoping Diagram)概念模型，VSD框架模型是暴露度、敏感性和适应能力3个维度的函数，该模型针对每一维度有明确清晰的解读，操作简单，目前已得到广泛应用[15-17]。目前，对于水资源脆弱性评价的求解方法主要有层次分析法[5]、熵权法[16-17]、模糊综合评价法[6]、集对分析[7，18]、联系数[19]、云模型[12]、神经网络BP[20]等。针对VSD框架模型的应用，FRAZIER T G等[21]提出了显式空间脆弱性模型(Spatially Explicit Resilience-Vulnerability model,SERV)来求解脆弱性评价结果，目前该方法在脆弱性[15]、环境承载力[22]方面都有应用。

河南省作为人口大省、农业大省，水资源禀赋不强，人类活动强度大，用水需求大，水资源安全问题突出。据此，本文选取2011—2019年的重要时间节点，以河南省辖市为典型案例，基于VSD框架建立水资源系统脆弱性评价指标体系，采用SERV评价模型定量测度其水资源系统脆弱性并探究其时空分异特征，为该地区水资源的可持续利用和水资源高效管理提供科学依据和有效支撑。

1 研究区域

河南省位于中国中东部，地跨长江、黄河、淮河、海河四大流域，介于北纬31°23′～36°22′、东经110°21′～116°39′，共设郑州(省会)、开封、安阳等17个地级市，1个省直辖县级行政单位济源市(统称为省辖市)，全省总面积为16.7×104km2，如图1所示。河南省是人口大省、经济大省、农业大省，截止2019年底，河南省全省常住人口达到9 639.75万人，占全国总人口的6.9%；GDP达54 259.20亿元，占全国的5.5%；全省耕地面积8.15×106hm2，夏粮产量占全国1/4，全年粮食总产量占全国1/10，河南省在国家粮食安全方面有着举足轻重的地位。河南省多年平均水资源总量403.5亿m3，为全国第10位，人均水资源量约为440 m3，不足全国平均水平的1/5，远低于国际人均水资源量1 000 m3的基本需求线，属于严重缺水省份。

图1 研究区范围及区划

2 研究思路与方法

本文选取2011年(中央一号文件关于加快水利改革发展的决定)、2015年(南水北调通水(2014.12.12)后第一年)、2019年(获取资料最新时间)作为重要时间节点，依据VSD概念模型建立水资源脆弱性评价指标体系，应用熵权法求权重，采用SERV模型静态脆弱性方程求解水资源系统脆弱性。

2.1 水资源脆弱性评价框架

基于VSD模型，从暴露度、敏感性、适应能力3个维度来建立水资源脆弱性评价模型。水资源系统脆弱性的研究主体是水资源-社会经济耦合系统，气候变化、人类活动是其主要干扰项。基于以上3个维度、研究主体及干扰项构建水资源系统脆弱性评价框架，如图2所示。其中：暴露度是研究主体受到气候变化、人类活动干扰和胁迫的程度，可以通过气候变化强度、人类活动对水资源的压力及暴露主体的暴露状态来衡量；敏感性是暴露主体的不同单元或方面容易受到扰动的影响程度，可以从暴露系统的社会经济用水等用水结构来进行评估；适应能力是水资源系统能够应对和处理气候变化、人类活动所带来的冲击的能力，主要包括社会投资、水资源承载能力、农业、工业、城市等方面的应对措施等。暴露度、敏感性越大，脆弱性得分越高，脆弱性越大；适应能力越强，脆弱性得分越低，脆弱性越小。

图2 水资源脆弱性评价框架

2.2 水资源脆弱性模型

2.2.1 水资源脆弱性评价指标体系

根据水资源脆弱性概念、评价框架，从暴露度、敏感性、适应能力3个维度构建水资源脆弱性评价指标体系，基于指标选取的科学性、公平性原则，考虑数据的可获得性，共选取21个指标(见表1)，3个维度的指标构成、含义及主要计算方式如下：

表1 河南省水资源脆弱性评价指标体系

1)暴露度。受水资源禀赋、城市发展程度、人类活动强度的影响，不同研究区域受到的干扰强度不同，为表征不同研究区域的暴露度特征，从水资源系统的自然属性和社会属性两方面来选取干扰程度、暴露状态指标。其中：年降水量变差系数绝对值、产水系数、产水模数是从水资源自然属性方面选取的干扰强度指标，分别表示年降水量与多年平均降水量之间的关系、区域干湿程度和区域水资源数量；城镇率、供需比、亩均农用化肥折纯量是水资源社会属性方面人类活动对水资源系统的干扰强度和压力，分别表示城市化水平、社会经济用水、农业面源污染度对水资源系统的压力；人口密度、GDP密度既能表示对水资源系统的压力，也可以表示其暴露状态。

2)敏感性。由于不同研究区域的三产结构、经济、人口组成等差异，对气候变化、人类活动干扰的响应、反映程度不同。一般认为，单位需水量越小，其对于干扰的敏感性就越低。选取人均水资源量、人均综合用水量、万元GDP用水量、亩均灌溉用水量、城市人均日生活用水量、供水模数，从水资源、社会、经济、农业、生活、供水方面选取其单位用水量来表征研究区的敏感性。

3)适应能力。共选取7个指标，其中：法尔肯马可指数(Falkenmark Index)是从整体上评估地区水资源禀赋的承载能力；人均GDP代表社会经济发展对水资源压力的适应能力，耗水率代表区域科技水平，人均城市年供水综合生产能力、城市污水处理率和建成区绿化覆盖度表征区域在城市化供水、污水处理和城市涵养水土方面的适应能力，百亩农用排灌机械(千瓦/(百亩))表示农田水利设施用水水平。

水资源数据来自于2011年、2015年、2019年的《河南省水资源公报》，社会经济数据来自于2012年、2016年、2020年的《河南省统计年鉴》，不能直接获得的数据通过对应计算公式求得。选取时间单位为1年。

2.2.2 指标赋权

熵权法能够充分利用指标数据信息来对指标进行赋权，其原理为指标数据范围越大，携带信息量越多，权重越大。本文将指标定义为正、负两类指标：正向指标表示指标值越大，对应维度层分值越大，指标方向记为“+”；负向指标表示指标值越大，对应维度层分值越小，指标方向记为“-”。采用极差进行标准化处理，具体计算公式如下：

正向指标

(1)

负向指标

(2)

式中：xi,j、max{xi,j}、min{xi,j}、ri,j分别为第i个评价对象第j个指标的原始数据、原始数据最大值、原始数据最小值、标准化值。

基于ri,j求解fi,j:

(3)

求第j项指标熵值:

(4)

求第j项指标权重Wj:

(5)

式中：k=1/lnm;m为评价对象的数量；n为评价指标的个数；fi,j为基于标准化值ri,j得到的第i个评价对象第j个指标的比重；Hj为第j个指标的熵值，是对数据无序度的度量；Wj为第j个指标的权重。

按照以上步骤分别求得2011年、2015年、2019年3年中指标j的权重，最后以3年权重平均值作为指标j的最终权重。即：

(6)

2.2.3 水资源系统脆弱性评价模型

FRAZIER T G等学者指出，POLSKY等人开发的VSD框架旨在从暴露度、敏感性和适应能力的角度对脆弱性进行全面建模，然而这些研究更多地是作为系统评估的指南，而没有提供衡量脆弱性的具体方法[21]，进而提出了SERV模型，该模型以VSD模型的3个维度得分为基础，根据其静态脆弱性方程求解脆弱性得分。静态脆弱性方程如下：

WVIi=(EIi+SIi)-AIi。

(7)

式中：WVIi、EIi、SIi、AIi分别是第i个评价对象的水资源脆弱性指数、暴露度指数、敏感性指数和适应能力指数。其中EIi、SIi、AIi可由指标标准化后的数值乘以相对应的指标权重求得，具体公式如下：

(8)

3 河南省水资源系统脆弱性时空变化

由以上建立的河南省水资源脆弱性评价模型求解出2011年、2015年、2019年河南省18个省辖市水资源系统的暴露度、脆弱性和适应能力得分，再根据SERV模型公式求解得到对应地区的脆弱性，把计算结果和研究单元链接，绘制2011年、2015年、2019年河南省18个省辖市的水资源系统3个维度及脆弱性空间分布图。

3.1 暴露度

2011年、2015年、2019年河南省水资源系统暴露度空间分布如图3所示，分析图3得到以下结论。

图3 河南省水资源系统暴露度空间分布图

从空间上看，河南省水资源系统暴露度总体上以省会郑州市为中心向四周逐渐减弱，且郑州以北地区的暴露度整体上略高于郑州以南地区的，郑州以东地区的暴露度整体上略高于以西地区的，呈现“东北高、西南低”的空间格局特征。究其原因，郑州市作为河南省省会，其城市化进程、社会经济发展程度较高，即其城镇率和人口经济密度数据较其他地区的都大；其次，郑州市本地水资源禀赋条件不高，产水系数、产水模数均低于河南省全省均值，且人口、经济发展对水资源需求量大，供需比大，致使郑州市水资源暴露度最大。郑州以北的省辖市城市化发展进程略高于郑州以南省辖市，其城镇率、GDP密度均高于郑州以南省辖市的。同时，郑州北部地区在河南省属于降水量偏少的地区，且大都处于平原地区，耕地面积比例高于全省水平，为提高作物产量，亩均化肥施用量高于郑州南部地区，对于水资源量的需求大，造成供需比大于其他地区，致使豫北地区水资源系统暴露度高于豫南地区。郑州以西地区主要为山地和丘陵，人口、经济密度小，耕地面积比例低，化肥施用量全省最低，本地水资源基本满足水需求量，因此郑州以西省辖市水资源脆弱性的暴露度较小。信阳地区位于河南省最南部，年降水量为省内最大，本地水资源禀赋条件最好，人口、经济密度省内较小，因此其暴露度为省内最小。

从时间上看，2011—2019年河南省水资源系统暴露度整体呈上升趋势，说明系统遭受干扰的程度或暴露主体的暴露程度在增大。在研究期间，气候变化和人类活动对水资源系统的压力逐渐变大，其中2011年、2015年、2019年3年分别为平水年、平水年偏枯年、枯水年，年降水量变差系数绝对值在变动中增大，产水系数、产水模数均值都在减小，其中全省产水模数由19.8降为10.2，加之社会经济快速发展，城镇率、供需比、亩均化肥折纯量均呈变大趋势，暴露主体人口、经济均大幅增加，其中城镇率由40.6%增长为53.2%，供需比由0.7增加到1.4，增长率为100%，GDP密度从15.8元/m2增加到32.5元/m2，增长率高达105%。

3.2 敏感性

2011年、2015年、2019年河南省水资源系统敏感性空间分布如图4所示，分析图4得到以下结论。

图4 河南省水资源系统敏感性空间分布图

从空间上看，河南省水资源系统敏感性整体上以许昌市为中心向四周逐渐增强，呈“北高南低”的空间格局特征。究其原因，位于许昌市以北的濮阳市、安阳市、鹤壁市、新乡市、焦作市、郑州市、开封市大都处于平原区，属于省内年降水量偏少地区，人口密度较省内均值偏大，耕地面积比例高，需水量大，豫北地区人均水资源量小于豫南地区的，而人均用水量、亩均灌溉用水量和供水模数均大于豫南地区的，致使水资源系统敏感性较高，其中濮阳市的水资源系统敏感性一直处于省内最高水平。而位于许昌市以南的驻马店市、漯河市、平顶山市、信阳市本地水资源量基本能够满足需求，人均综合用水量及万元GDP用水量低于省内平均水平，亩均灌溉用水量为省内较小值，综上可知，其水资源系统敏感性较小。三门峡市本地水资源充沛，人均水资源量在省内排名靠前，人均综合用水量、万元GDP用水量和城市人均日生活用水量均低于全省平均水平，供水模数为省内最小值，达4.0 m3/km2，因此三门峡市水资源系统敏感性为省内最小。

从时间上看，2011—2019年河南省水资源系统敏感性无明显的变化趋势，其中：最西面的4个城市三门峡、济源、洛阳、南阳以及许昌、周口这2个城市，保持其水资源系统敏感性等级不变；郑州、开封以北的城市，其水资源系统敏感性呈现波动略微上升状态，其他地区水资源系统敏感性呈略微下降趋势。2011年、2015年、2019年这3年，河南省年降水总量呈逐渐减少的趋势，因此省内所有地区的人均水资源量整体均呈现减少趋势；同时，随着经济发展、科技发展及节约型社会建设的推进，万元GDP用水量呈下降趋势，而其他指标变化规律各个地区不一致，整体波动性不大，因此全省水资源系统敏感性随时间变化不明显。

3.3 适应能力

2011年、2015年、2019年河南省水资源系统适应能力空间分布如图5所示，分析图5得到以下结论。

图5 河南省水资源系统适应能力空间分布图

从空间上看，河南省水资源系统适应能力分界明显，豫南(南阳、驻马店、信阳)、豫东(开封、周口、商丘)地区适应能力整体偏小，全省水资源系统适应能力呈现“东南低、西北中高”的空间格局特征。豫南、豫东地区人均生产总值属于省内最小地区，建成区绿化覆盖度和百亩农用排灌机械整体低于省内其他地区，而Falkenmark指数、耗水率均高于省内平均水平，致使水资源系统适应能力较低，其中，周口市和驻马店市适应能力等级3年保持不变。

从时间上看，河南省水资源系统适应能力整体上呈上升趋势，水资源系统应对气候、人类活动干扰并从受损中恢复的能力增强。期间，河南省经济快速发展，人均GDP由28 009元/人上升到56 388元/人，上升率为101.3%；各市实行最严格水资源管理制度，城市污水处理率从90.0%上升到98.0%；城市绿化覆盖率由36.6%提高到41.0%；城市供水能力和百亩农用排灌机械变化不大，分别保持在0.5 m3/(人·d)、10 kW/(百亩)。

3.4 脆弱性

2011年、2015年、2019年河南省水资源系统脆弱性空间分布如图6所示，分析图6得到以下结论。

图6 河南省水资源系统脆弱性空间分布图

从空间上看，河南省水资源系统脆弱性以豫西两市(三门峡、洛阳)、豫中三市(平顶山，许昌、漯河)为分界，形成“东北高、西南低、分界最低”的空间格局特征，且豫北地区高于豫东地区。究其原因，位于河南省东北片区的新乡市、濮阳市等省辖市本地水资源匮乏，2019年水资源系统暴露度较高、区域均值为0.546(河南省均值0.488)，敏感性较高、区域均值为0.497(河南省均值0.395)，适应能力与河南省均值基本持平、区域值为0.513(河南省均值0.494)，导致水资源系统脆弱性较高；而处于分界区及以南的省辖市水资源条件较好，2019年水资源系统暴露度较低、区域均值为0.416(河南省均值0.488)，敏感性较高、区域均值为0.266(河南省均值0.395)，适应能力与河南省均值基本持平、区域值为0.470(河南省均值0.494)，致使水资源系统脆弱性较低。

从时间上看，河南省水资源系统脆弱性总体呈上升趋势，水资源系统受到各种干扰的易损性增加，是暴露度、敏感性和适应能力综合作用的结果，主要是受到暴露度上升的影响，虽然适应能力也呈现上升趋势，但适应能力的上升幅度没有暴露度上升幅度大，不能够主导水资源系统脆弱性的整体走向。其中，2011—2015年，安阳市、鹤壁市、洛阳市、平顶山市、许昌市、南阳市6个省辖市水资源系统脆弱性呈增长趋势，共占研究单元(研究单元指河南省18个省辖市，下同)的33.3%，郑州市、周口市、漯河市、信阳市、驻马店市水资源系统脆弱性呈减小趋势，占研究单元的33.3%，剩余省辖市水资源系统脆弱性等级保持不变；2015—2019年，新乡市、郑州市、开封市、周口市、驻马店市、信阳市、漯河市7个省辖市水资源脆弱性等级呈增长趋势，占研究单元的38.9%，其他省辖市水资源系统脆弱性保持2015年等级不变。

4 结论

水资源系统脆弱性是暴露度、敏感性和适应能力3个维度相互影响、相互作用下的结果。河南省水资源系统暴露度在时序上呈上升趋势，在空间上以郑州市为核心向四周逐渐减弱，呈现“东北高、西南低”的空间格局特征；敏感性在时序上无明显变化，在空间上以许昌市为中心向四周逐渐增强，呈“北高南低”的空间格局特征；适应能力在时序上呈上升趋势，在空间上呈现“东南低、西北中高”的空间格局特征。河南省水资源系统脆弱性时空差异显著，在时序上呈上升趋势，空间上呈现“东北高、西南低、分界最低”的空间格局特征，且豫北地区高于豫东地区。

本文从上述3个维度评估了河南省水资源系统在3个典型年份的脆弱性。在全球变暖背景下，河南省水资源脆弱性如何发生变化以及如何通过提升适应能力降低水资源的脆弱性，不同尺度上水资源系统脆弱性的尺度差异以及尺度关联如何，均是亟待研究的重要科学问题。