杨振华， 苏维词， 周秋文

(1.贵州师范大学 岩溶研究院，贵州 贵阳 550001；2.贵州科学院 山地资源研究所，贵州 贵阳 550001；3.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550001)



基于模糊集理论的岩溶地区水资源安全评价

杨振华1， 苏维词2， 周秋文3

(1.贵州师范大学 岩溶研究院，贵州 贵阳 550001；2.贵州科学院 山地资源研究所，贵州 贵阳 550001；3.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550001)

指出了岩溶地区水资源短缺主要是由于岩溶地貌发育，水资源可获取性差，利用难度大造成的。为合理评价岩溶地区水资源安全，在模糊集理论基本原理的基础上，结合西南岩溶地区水资源的特点，选取了体现岩溶地区水资源特性的评价指标，构建了水资源安全评价模型，并对2004～2013年贵州省水资源安全状况进行了评价。结果表明：贵州省水资源安全整体水平达到临界安全，历年评价平均值为0.606，但区域差异性明显，呈东南向西北递减趋势；其中，黔南、遵义水资源安全水平较高，评价均值分别为0.919(Ⅰ级)、0.839(Ⅱ级)。六盘水和毕节水资源安全水平较低，分别为0.1(Ⅴ级)和0.4(Ⅴ级)，其余地区介于两者之间；各地州水资源安全水平年际变异性大，平均变异系数为0.477。分析认为，加大水利设施建设投资力度，保护现有水资源，提高水资源开发利用率才是解决贵州岩溶地区水资源安全问题的关键。

岩溶；水资源安全；模糊理论；评价

1　引言

随着人口的增长对水资源的需求越来越大，水资源的时空分配不均匀以及水质污染等问题已经对人类社会的可持续发展造成严重的威胁，水资源安全问题逐渐成为水资源研究领域的热点[1-3]。岩溶流域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[4]，使地表储水能力差，可利用、便于利用的水资源非常有限。同时，由于岩溶地区人口不断增长，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，加剧了区域性用水困难。水资源安全问题已成为许多地区社会、经济发展的重要制约因素[5]。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，已有较多的研究成果。如DPSIR模型、WEAP模型、GIS技术等众多模型、方法都被应用于区域水资源安全评价[6～8]。而对于岩溶地区水资源安全评价，不少学者也进行了相关研究。如段琪彩等结合云南省岩溶地形地貌，水循环时空分布差异性和人口经济分布等，分析水资源安全的主要影响因素[9]。张凤太等在分析了岩溶地区表层岩溶带“二元”水资源特点基础上，构建熵权集对耦合评价模型[10]。邹波等发现贵州岩溶地区强烈岩溶发育，生态脆弱；水利设施建设难度大，体制性和机制性障碍突出，水资源分配和管理效率低下，水资源安全问题严峻[11]。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, 并阐述了西南岩溶区水资源安全的主要保障措施[12]。不难看出，已有的岩溶水资源安全评价研究中，多是直接借鉴了通用水资源安全评价的模型和方法，所选取的指标体系并不能体现出岩溶水资源的特点，其评价结果的合理性也相应受到影响。因此，迫切需要根据岩溶地区水资源“二元三维”的特点，构建适用于岩溶地区的水资源安全评价指标体系与模型。

鉴于此，依据典型岩溶地区充沛的降水快速渗漏至地下，导致地表水缺乏，地下水富集的水文特性，采用反映岩溶水资源特征的指标体系和模糊集综合评价法，构建岩溶地区水资源安全评价模型，并采用该模型评价贵州省各地州水资源安全状况。该研究既可为岩溶地区水资源安全评价提供模型参考，也可为岩溶地区水资源可持续利用和区域经济发展提供数据支撑和决策依据。

2　水资源安全评价模型构建

笔者在总结国内外水资源安全研究的基础上，以岩溶水文地质特性为参考，根据水资源安全评价的传统指标和新型岩溶指标构建指标体系，并确定5个评价角度，分别为水资源自身条件(水资源供给)、水资源社会安全( 社会发展用水) 、水资源经济安全(产业发展用水) 及水资源生态安全( 生态环境用水)、水资源可获取性(利用难度)。在水资源安全评价方法中，模糊集是一种结合专家评分经验的定量分析方法[13，14]，而采用组合AHP法和熵权法的权重确定方式 ，计算过程中融合主观因素和客观因素，使评价结果符合客观实际，可信度较高。

2.1水资源安全评价指标体系建立

水资源安全内涵包括两方面：一方面是水资源的自然属性，如降水特征、水资源赋存特征等；另一方面是水资源的社会经济属性，如水源开发状况、水源利用设施、利用效率、水质污染、水环境破坏、水生态系统功能减退等。

2.1.1指标选取依据

(1)岩溶地区水资源特性分析：①降水季节性变异显著。岩溶高原地区在特殊的气候和地貌条件影响下，降水分布的季节性差异较大，季风气候影响下，年降雨量60%～80%集中在5～9月份，呈现出夏秋季节洪涝灾害严重，冬春季节水资源缺乏，季节性旱涝灾害频发的特点[12]。受降水季节性变异的影响，水资源也呈现出明显的季节性变异特征，地表水利设施是缓和岩溶地区水资源季节性变异的重要手段。②水资源空间分布不均。年降水总量上并不缺乏，但地表可利用水资源量缺乏，这是岩溶地区水资源的重要特征。究其原因，是岩溶地区典型的地貌、水文条件导致的。岩溶地区山高土薄、地形崎岖，表层裂隙、管道、落水洞、地下暗河发育，地表水和地下水的频繁交替的水文特征，形成特殊的“二元三维”水结构系统，使雨水在产汇流过程中迅速流入深邃的暗河系统[15]，难以得到利用。

(2)喀斯特地区指标选取依据：由于岩溶地貌发育区的“二元三维”空间结构，地表水与地下河网紧密联系，地表水与地下水转换较快，溶蚀性漏水现象严重，再加上降水的时空差异性，使易获取地表水资源量相当有限。因此，利用水库等储水设施集留地表水资源显得相当重要，其中，大型水库数量少却影响范围广，供水能力一般都能达到一个地级市以上，所以其单位采用“个/万km2”。而小型水库虽数量多但影响能力小，其供水范围集中在水库周围的乡镇，供水能力一般只能满足临近地区人们生产、生活需要，所以其单位采用“个/万人”。另外，山高谷深的高原岩溶地貌区土高水低、房高水矮，使河湖等地表水资源利用难度较大。而地下河网发育程度又与地表岩溶地貌发育成正比，地下河网发育密度越大，地表水漏失的可能性就越大。 因此，只有完整地分析岩溶高原山区水资源特性，充分考虑地表起伏特征和水利设施的完善程度对水资源利用的影响，才能得到岩溶地区合理的水资源安全评价。

2.1.2构建指标体系

针对岩溶地区水资源的特性，在引用传统水资源安全评价指标的基础上，根据岩溶地区水资源特性，增加了反映岩溶地区水资源安全的重要指标，构建出体现岩溶水资源安全特点的指标体系(表1)。指标体系包含四个层次：1个评价目标，2个评价内容(A1-A2)，5个评价准则(B1-B5)，14个评价指标(C1-C14)，如表1所示。

表1　岩溶地区水资源安全评价的指标体系

2.2指标组合赋权

采用综合权重可利用两种权重的优点，避开两种权重的不足，即反映客观信息又体现主观信息[18]。

设ωsj,ωoj分别表示AHP法权重和熵值法对应的第j个权重，则称：

(1)

是具有同时体现两种赋权法信息组合特征的权重值。按式(1)得到的组合权重ωj(表2)。

2.3模糊集评价方法

采用模糊集理论中多目标决策的方法，对水资源影响因子的隶属度分解成正反两个方面来研究，设水资源安全评价矩阵，确定每个方案的评价值。定义函数score(x)=t(x)-f(x)，其中t(x)，f(x)，score(x)∈[-1，1] 。用来度量方案对于决策者需求的适合程度。评分函数score(x) 的值越大，方案对于决策者需求的满足程度就越大。因此，可以根据这个评分函数来对方案进行排序，进而选出最优方案x*，满足：

score(x*)=max(score(x*))，其中(x*∈X)

(2)，

(2)式中，t(x)，f(x)分别代表各个方案的真隶属度和假隶属度，计算公式如下：

t(x)=∑i∈tθi;t={i│fi≥αi,i=1,2,3…n}

(3)，

f(x)=∑i∈fθi;f={i│fi≤β_i,i=1,2,3…n}

(4)，

表2　水资源安全评价指标权重

注：表中评价指标Ci+代表第i个指标效益型(越大越优型)，Ci-代表第i个指标为成本型(越小越优型)

(3)式中，fi为每个方案对应的第i个指标标准化后的属性值，αi为第i个指标满意度下限，βi为第i个指标的不满意度上限。其中αi和βi的确定方法如下： 由于指标体系中每个指标的特性不同，每个指标可以接受的满意度的下限和不满意度的上限也是不同的。在笔者研究中，邀请了50位专家学者打分，发放打分表50份，收回打分表43份，回复率86%，分别对经标准化处理后的14个指标的满意度的下限和不满意度的上限打分，综合43位专家学者的意见，得到各指标的满意度的下限和不满意度的上限(表3)。

2.4水资源安全评价水平划分

水资源安全水平划分是基于水资源安全现状的分类，是水资源安全评级的重要一环，为区域水资源安全问题的发现，水资源安全工作的重点寻求有力的依据。根据国内外专家的研究现状以及许多国家的水资源安全标准，结合西南岩溶山区缺水的特点，制定评价水平的阈值[19](表3)。根据阈值设定水资源安全5个水平，分别是：非常安全、较安全、临界安全、较不安全、不安全。对模糊集函数的评价值归一化，再将评价结果与评价水平阈值比较，得出水资源安全水平的历年变化情况。

表3　评价水平与阈值

3　研究区概况与数据来源

3.1研究区概况

贵州省地处我国西部高原山地向东部丘陵平原的过渡地带，地势西高东低，地表起伏大，是一个以高原、山地为主的省份，高原、山原、山地约占贵州省总面积的 87%，丘陵占 10%，平地仅占3%，即所谓“八山一水一分田”。也是岩溶分布最广的省份，碳酸盐岩出露面积占贵州省总面积的 73.8%。其次，岩溶地貌广泛发育，也导致地表峰林、峰丛、洼地、漏斗及落水洞等岩溶形态非常典型，地下溶洞、伏流、暗河也十分发育，使水文系统的发育和展布呈双层分异结构，即地表、地下水系同时发育，水文特征区别明显但水文联系又非常密切。贵州虽属亚热带季风气候区，雨水充沛，多年平均降水量为 1100～1300mm，但降水地域性和季节性差异显著；水旱灾害频繁。贵州的河流多是山区雨源型河流，由降水补给河川径流，大致以苗岭为分水岭，以北属长江流域，以南属珠江流域，地表水系相对不发达[20]。

3.2数据来源与处理

笔者选取贵州省9个地级市2004～2013年水资源利用状况指标，其数据来源见表1，组成以2004年为基准年的原始数据集，利用模糊集方法，评价各地级市水资源安全程度。为了消除各评价指标的量纲影响，对各评价指标的原始数据集进行标准化处理。根据不同评价指标的属性，将评价指标划分为3种类型：效益型(越大越优型)、成本型(越小越优型)和均衡型(适中型)，根据不同的指标类型选择不同的标准化公式进行处理。

(5)；

(6)；

均衡型：y(i，j)=

(7)；

其中，Xmax(j)、Xmin(j)、Xmid(j)分别为第j个指标的最小值、最大值和中间平衡值；y(i，j)为标准归一化后的评价指标值；k，q为校正系数，经过以上的标准化处理后的值在[k，k+q]之间。按照上述算法，标准化处理后得到各年的指标值。

4　贵州省水资源安全评价

4.1水资源安全评价结果

对于任意一个方案xj∈X，根据各指标的权重向量θ=(θ1，θ2，…，θn)，及标准化属性值与各指标满意度的下限和不满意度的上限比较，利用(2)式和(3)式，得到 2014年贵州省 9 个地市的真隶属度t_A(x_j)和假隶属度f_A(x_j)值，并计算出2014年贵州省9个地市历年水资源安全评价Vague值(图1)。

根据上述贵州省水资源安全评价结果，结合表2中的评价水平阈值，得出贵州省各个地州2004～2013年水资源安全评价等级(表5)。

图1　2004～2013年贵州省水资源安全状况及变化趋势

4.2水资源安全特征分析

4.2.1水资源安全状况区域特征

贵州省水资源安全水平整体水平较差，且区域差异明显。该省水资源安全Vague集评价多年平均值为0.599，仅达到临界安全等级。从区域上看，水资源安全状况良好的区域集中在贵州省东部和东南部，而西部和西南部地区水资源状况较差(图2)。其主要原因在于贵州省降水呈现由东南向西北减少的趋势，且西部和南部区域为珠江流域与长江流域的分水岭，地表起伏大，岩溶地貌发育，导致集水面积狭小，可利用水资源少。从历年评价结果的平均值来看，黔南水平最高，为该省水资源安全等级最高的地区，达到0.912。其次是遵义和铜仁地区，再次是安顺、黔东南、贵阳、六盘水和黔西南，毕节地区最低，仅为0.06。遵义历年平均值为0.839，达到比较安全级；遵义、铜仁和黔南历年水资源安全状况良好，分别只有两年、三年和两年的水资源安全水平低于较不安全级。毕节、六盘水、黔西南绝大多数的年份水资源安全水平为不安全级，其中，毕节有一半以上的年份属于不安全级，仅有2004、2005、2013年为较不安全级。六盘水和黔西南则80%年份为较不安全或不安全级，区域水资源差异将使贵州水资源可持续开发利用面临较大的压力。

图2贵州省各地州水资源安全评价结果

4.2.2水资源安全状况年际特征

贵州省水资源安全平均水平呈波动变化趋势，且各地、州年际变化大。从2004～2013年水资源安全评价结果来看，该省水资源安全水平呈波动变化趋势，评价结果的波动幅度达到0.329，且多为临界安全水平。2004～2005年水资源安全水平下降幅度最大，2006～2011年水资源安全水平相对比较稳定，但评价结果在2012年出现明显降幅后2013年又有所回升。从各地州2004～2013年来看，水资源安全评价Vague值波动类型可分成3类： 第一类，2005年水资源安全水平呈现明显下降后，2006年又回升到之前的水平，2007～2013年除2012年下降外，其余年份则变化不大，符合此类型的地州有安顺、黔南和铜仁。 第二类，2004～2010年水资源安全水平呈稳定趋势， 2011～2012年却波动下降比较明显，但2013年又回升到2010年以前的水平，符合此类型的地州有遵义和黔东南。 第三类，2004～2006年水资源安全水平出现明显下降趋势，2007～2010年呈稳定水平，2011～2013年却呈明显波动的“ W”型 变化态势，符合此类型的地州有六盘水、毕节、贵阳和黔西南。

4.3水资源安全现状成因

从2004～2013年贵州水资源安全评价结果可以发现， 贵州省水资源安全特征集中体现在区域差异和时间差异上，水资源安全问题因地因时不同，对该省水资源安全构成极大压力，也威胁着各地州水资源安全。

4.3.1水资源安全的区域性差异成因

贵州省降水的区域差异，特殊地质地貌结构和石漠化程度，导致各地州多年降水变化量、地表径流量和地下河网发育程度各不相同。且各地州水利设施完善程度，水资源利用量及其结构的不同，加剧了水资源安全水平的区域差异，形成“东多西少”的可利用水资源量及“东密西疏”的地表河网密度[26]。其中，各地州多年降水量和平均径流量变幅都超过290 mm以上，如多年平均径流量较大地州是黔东南和铜仁，分别为570.7 mm和519.4 mm。较小地州是安顺和六盘水，分别仅有271.4 mm和290.5 mm，直接影响地表可利用水资源的补给量。在石漠化地区，由于碳酸盐岩的可溶性大、透水性强、地下溶蚀空间发育，形成地表地下双层结构，使大气降水通过竖井、落水洞、漏斗等快速汇入地下，导致地表径流锐减，地表河网分布相对非碳酸盐岩地区稀疏，地下河网发育却相对非碳酸盐岩地区密集，虽地下水资源丰富，但却是水资源获取难度加大，限制水资源的有效利用，因而，西南石漠化严重地区也往往是干旱缺水地区。在贵州省水库分布上，全部大型水库都分布在乌江水系，而洞庭湖和南北盘江水系水库少而小，且山高谷深，人高水低，流域分水岭等原因，促使黔西南、六盘水、毕节等地区水资源安全状况较差。

4.3.2水资源安全的时间差异成因

从2004～2013年，各地州水资源安全状况年际变异性较大，经历了两个时期的明显波动下降时期，分别是2004～2006年和2010～2012年。从2004～2006年，除贵阳和黔东南外，其他地州水资源安全水平出现明显下滑，主要原因是2005～2006年降水量减少，地表水资源减少，可利用水资源减少，而水资源利用量增加。2010～2012年地州的水资源安全状况变差是因为西南大旱，降水量骤降，各地州降水补给显著减少。其中，2009年7月～2010年5月，贵州省遭受了百年不遇的特大旱灾，该省共有1869万人、受灾农作物84.8万hm2，695万人、504万头大牲畜因旱出现饮水困难，因灾直接经济损失达132亿元。同时贵州工业强省的战略，使工业用水量急速增加，加剧水资源安全的压力。“十一五”期间，贵州省规模以上工业增加值从2005年的585.85亿元增长到2010年的1227.17亿元，年均增长14.1%，快速的工业发展一定程度上会加剧水资源的消耗。

5　结论

从水资源的供给、利用及可获取性因素3个角度，选取了体现岩溶地区水资源特性的指标，包括地下河网发育程度、水库设施和地下水的比重等。结合模糊集评价法，构建岩溶地区水资源安全评价模型。运用AHP法和熵权法确定权重，通过模糊集评价法确定水资源安全评分值，然后借鉴相关研究最新成果，确定水资源安全水平阈值，得出了贵州省水资源安全的历年现状。

(1)评价指标是基于岩溶岩溶地质、地貌、水资源特性和水利建设等角度构建的评价指标体系，揭示出岩溶地区水资源安全问题的主要原因,即地表石漠化严重、地下溶蚀地貌发育，导致地表天然集水量(含植被、土壤和各种水体的集水量)不足，而水利设施不完善，人工集水量低，使区域防治季节性缺水问题的能力降低，导致季节性干旱时有发生。

(2)评价方法中对指标权重的确定和数据处理依据模糊评价法原理，对贵州省各地州历年水资源安全进行评价，得出贵州省水资源安全水平的区域差异和年际变化特征，评价结果合理、可信，对区域抗旱救灾，提高水资源安全水平具有重要指导意义。

(3)通过对水资源安全保障措施分析认为，加大水利设施建设的投资力度、保护现有水资源、提高水资源开发利用率是解决贵州水资源安全问题的关键。

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Evaluation System of Water Resource Security in Karst Region Based on Fuzzy Set Theory

Yang Zhenhua1, Su Weici2, Zhou Qiuwen3

(1.InstituteofKarst,GuizhouNormalUniversity,Guiyang,Guizhou550001,China;2.ResearchInstituteofMountainResourcesandEnvironment,GuizhouAcademyofSciences,Guiyang,Guizhou550001,China;3.CollegeofGeographyandEnvironment,GuizhouNormalUniversity,Guiyang,Guizhou550001,China)

This paper pointed out that the water shortage in karst region was mainly caused by the development of karst landform, the low availability and difficult utilization of water resources. To reasonably evaluate the water resource security of karst region, based on the basic principle of fuzzy set theory and combined with the characteristics of water resources in karst areas of Southwest China, we selected the evaluation index which reflected the characteristics of water resources in karst areas, constructed the evaluation model of water resources security, and evaluated the water resources security in Guizhou Province in 2004-2013. Results showed that water resources safety in Guizhou only achieved the overall level of criticality safety and the evaluation of the calendar year average value was 0.606.However, the regional difference was obvious, which showed a decreasing trend from the southeast to the northwest; among them, water resources security in Guizhou and Zunyi were in high levels, and the values were the 0.919 (grade I), 0.839 (grade II), respectively. The water resource security levels in Liupanshui and Bijie were low, and evaluation values were 0.1 (grade V) and 0.4 (grade V),and the values of the rest areas lied in between. Around the states, the interannual variation of water resource security levels were large and the average value of variation was 0.477. According to the analysis, it was believed that the investment intensity of water conservancy facilities construction, the protection of the existing water resources, and the utilization rate of water resource development were the key to solve the problem of water resource security in karst areas of Guizhou.

karst; water resource safety; fuzzy set theory; evaluation

2016-06-23

国家科技支撑计划课题(编号2014BAB03B001)

杨振华，男，贵州师范大学岩溶研究院硕士研究生。

苏维词，男，研究员，主要从事岩溶地区资源、生态环境与可持续发展研究工作。

TV211.1

A

1674-9944(2016)16-0001-06