张凤太，苏维词(1.贵州师范学院资源环境与灾害研究所，贵阳 550018；2.南京大学地理与海洋学院，南京 21009； . 贵州省山地资源研究所，贵阳 550001)

0 引 言

水资源是人类及一切生物赖以生存的不可替代的物质，随着近年来人口的急剧增加和经济社会的发展，出现水资源短缺和水质污染等水资源安全问题。近年来学术界对地表水资源安全的研究较多，取得了丰富的研究成果，地下水资源由于其获取资料的难度和本身地质赋存结构的复杂，对地下水资源生态安全的研究相对较少。如皮建高等通过水质分析样品资料的深入分析与计算，系统地评价了洞庭湖区浅层地下水质量，指出了浅层地下水安全供水方向，并提出了安全供水措施及建议[1]。刘禧超等从地下水的安全内涵出发,构建了包括水质安全、水量安全、含水层安全和生态环境安全的4个一级评价指标, 对天津市宁河县地下水安全进行评价浅析[2]。谢振华等从应急水源地论证、勘探、建设过程，分析了地下水位动态变化情况及供水保证程度，提出华北平原典型城市地下水供水安全保障措施[3]。韩丽伟等构建了基于熵权的模糊物元综合评价模型，对三江平原地下水资源承载力进行综合评价[4]。上述的研究大多停留在地下水资源生态承载力(地下水资源安全的度量方式)、地下水水质安全、地下水资源开采安全、地下水资源污染与饮用水安全等方面，对地下水资源的生态安全涉及较少，尤其是在西南岩溶地区关于地下水资源生态安全的研究尚无相关文献。

贵州地处我国西南岩溶的腹心地带,碳酸盐岩出露面积达13 km2,占全省土地总面积的73%,是我国岩溶地貌最发育的省份[5]。岩溶地区土层浅薄且不连续,土壤的贮水保水能力差,加上岩体裂隙、漏斗、落水洞发育, 地表降水很容易迅速转入地下形成岩溶水，岩溶水(地下水)是水资源的主要赋存形式, 同时也是人民生活和生产用水的主要来源。岩溶水所赋存的碳酸盐岩含水层系统属于高度开放的脆弱天然水文系统。西南岩溶山区由于表层储水介质的孔隙率、裂隙率高、降水入渗透率比北方地区高0.3～0.5[6]，加之地表土壤层较薄，甚至缺乏土壤等过滤层，工农业生产产生的废水和生活污水，极易下渗进入地下水环境，造成地下水环境污染，加上地下水开发利率的增加，岩溶地区地下水资源生态安全面临巨大威胁。基于此，本文研究借助DPSIR概念框架，构建岩溶地区地下水资源生态安全评价指标，采用组合赋权法赋权，对贵州岩溶地区地下水资源生态安全进行动态分析，以期为岩溶地区水资源可持续利用提供科学依据。

1 研究方法

1.1 数据标准化

为消除由评价指标物理量量纲不同带来的影响,在评价之前需将样本中各指标无纲量化处理。本文采用线性插值法的标准化方法对原始数据进行无量纲处理。评价某地区m年的包括n个评价指标的地下水资源安全状况,则其原始指标数据矩阵为[7]:

(1)

(1)首先将数据进行标准化，标准化方法本研究采用min-max标准化方法，此方法是对原始数据进行线性变换。设minA和maxA分别为属性A的最小值和最大值，将A的一个原始值x通过min-max标准化映射成在区间[0,1]中的值，正向指标(效益型指标)是指数值越大越好的指标, 负向指标(成本型指标)是指数值越小越好的指标,其标准化方法分别为[7,8]:

(3)

式中：xmax为该项指标最大值；xmin为该项指标的最小值。

1.2 确定权重

指标权重的确定对评价结果的影响较大。目前常采用的灰色关联方法是灰色系统理论中新的分析方法,它根据因素间的相似或相异程度来衡量因素之间的关联度[9，10],克服了传统主观赋权法，权重确定更趋合理，但该方法没有考虑单纯指标数据之间影响，因此本文引入均方差法赋权法，参考李柏洲等的关于组合赋权的研究[9]，引入拉格朗日函数构建组合权重系数，将灰色关联和均方差法组合赋权，以期更加合理。

1.2.1灰色关联法

(1)确定数列的最优向量,由于对原始数据进行了标准化处理且都转化为正向指标,所以最优向量为[7,8]:

G=(g1,g2,…,gn)=

(y11vy12…vy1m,y21vy22…vy2m,y11vy12…vynm)

(4)

式中：v为取最大运算符。

(2)利用灰色关联系数公式计算j个评价指标yj与最优向量G的关联系数δ(yj,G):

(5)

式中：miniminj|yij-gi|和maximaxj|yij-gi|分别为两级极小差和两级极大差；ρ为分辨系数,0<ρ<1,一般取ρ=0.5[7,8]。

(3)计算第j个评价指标yj的权重wj[7,8]:

(6)

1.2.2均方差法

(9)

式中：wk为第k个指标的均方差权重；sk为指标的标准差；yki为第k个指标第i个对象的标准化数据；m为评价指标的个数；n为评价对象的个数。

1.2.3组合权重

利用拉格朗日函数构建组合权重系数,公式如下[9]：

(10)

式中：参数θ为两个目标之间的平衡系数，0≤θ≤1，一般取θ=0.5。

则权重计算公式如下：

(11)

1.3 地下水资源生态安全综合指数及安全等级

参考马子惠等关于综合指数的研究[10]，构建地下水资源生态安全综合指数(WS)，其计算公式如下：

(12)

式中：WS为地下水资源生态安全综合指数；w为权重；y为指标标准化后的数值。

表1 地下水资源生态安全等级[10,11]Tab.1 Ecological security level of groundwater resources

2 岩溶地区地下水资源生态安全评价

2.1 研究区概况

贵州省地处西南腹地，与重庆、四川、云南、广西相接壤，全省总面积17.61 万km2，截至2014年末，贵州省常住人口为3 508.04 万人，农业人口占到60%以上，贵州地貌属于中国西南部高原山地，岩溶地貌发育非常典型，岩溶面积达13 万km2，占土地总面积的73.8%以上[12]，岩溶县占85.36%，岩溶比例大于70%的县数有57个县市。人均耕地面积不到0.05 hm2，远低于全中国平均水平。处在长江和珠江两大水系上游交错地带，是长江、珠江上游地区的重要生态屏障。

2.2 基于DPSIR概念框架的地下水资源生态安全评价指标体系构建

欧洲环境署采用系统论方法，基于表述引发生态环境问题的起源与结果关系因果链的角度，提出“驱动力一压力一状态一影响一响应”模型(DPSIR模型)[13]，DPSIR模型能表达影响生态安全各因素之间的信息耦合关系,体现了生态安全的演进变化具有动力学特点[14]。该模型从系统分析的角度看待人和环境系统的相互作用，是一种在环境系统中广泛使用的评价指标体系概念模型，是组织环境状态信息的通用框架[15]。DPSIR概念模型在区域生态安全评价、地表水资源安全评价、生态系统健康评价中应用较广，但是在地下水资源生态安全评价中尚无应用，因此，将DPSIR概念框架引入到岩溶区地下水资源生态安全评价当中， DPSIR 概念模型涵盖社会经济发展、资源利用和环境保护等自然、人文的多个领域，将岩溶区地下水资源系统看成生态系统的一部分，为岩溶区地下水资源生态安全评价提供了新的研究思路[16]。岩溶区地下水资源生态安全评价DPSIR概念模型由驱动力子模型，压力子模型，状态子模型，影响子模型，响应子模型5部分构成。如图1。

图1 岩溶区地下水资源生态安全评价DPSIR模型框架Fig.1 DPSIR model framework of ecological security evaluation of groundwater resources in Karst area

基于图1确定的岩溶地区地下水资源生态安全评价DPSIR概念框架，结合岩溶地区地下水资源系统特征，参考已有的土地生态安全、地下水资源以及水资源安全的相关研究[13,15，17]，并根据数据的可得性、独立性和显著性原则，选取具有代表性的岩溶区地下水资源生态安全评价指标构建基于DPSIR概念框架的岩溶区地下水资源生态安全评价指标体系。如表2。

2.3 数据来源与数据处理

研究数据主要来源于《贵州省统计年鉴》(2005-2012)，《贵州省水土保持公报》，《贵州省水资源公报》，部分数据通过年鉴数据换算得出，部分数据采用趋势预测获取。

2.4 结果分析

依据公式(1)～(9)将评价指标的原始数据进行标准化处理，进而换算每个指标的灰色关联权重和均方差法，见表2。将单一方法获得权重(表2)，代入公式(10)，得到权重组合系数为αc=(0.547，0.453)，将权重系数代入公式(11)获得组合权重，如表2。借助公式(12)计算贵州省2005-2012年的地下水资源生态安全的综合安全指数和驱动安全指数、压力安全指数、状态安全指数、影响安全指数以及响应安全指数，如表3，依据计算获得安全指数，对照表1的生态安全等级，确定生态安全等级，如表4。

2.4.1驱动力生态安全

从表3、4以及图2来看，单纯从驱动力安全指数来看，贵州省地下水资源生态安全呈现出波动下降趋势，从安全等级来看，2005-2007年为敏感等级，2008年为不安全，2009和2010年为较安全，2011为敏感，2012年为不安全。2005-2012年GDP平均增长率达到12.125%，远远超出了全国平均水平，表明随着近年来贵州省经济社会的发展，对地下水资源生态安全的驱动影响已超出了地下水资源生态系统本身的承受力。

2.4.2压力生态安全

从表3、4以及图3来看，趋势拟合R2=0.663 7，贵州省地下水资源压力生态安全指数呈现缓慢增长趋势。表明贵州省地下水资源压力生态安全呈现转好的趋势。2005年为不安全、2006年为敏感、2008为安全、2007、2009、2010、2011、2012分别为较安全，压力安全在波动调整中逐渐转好。2004年7月,贵州省委九届五次会议提出“生态立省”的贵州省社会经济发展的重大战略[18]。经过几年的实施，其作用开始显现，地下水资源面临的压力相对在减少，总体呈好转趋势。目前在贵州省经济发展十分落后的情况下，地下水资源的压力受到自然环境的压力相对较大(干旱灾害)， 2008年底开始贵州省乃至整个西南地区连续出现特大旱灾，导致地下水资源急剧减少，自然环境的变化对贵州省地下水资源产生巨大压力，这可能是压力安全指数2008年后下降的主要原因。

表2 地下水资源生态安全评价指标体系Tab.2 Ecological security evaluation index system and weight of groundwater resource

表3 地下水资源生态安全综合指数及分项指数(WS)(2005-2012)Tab.3 The composite index of ecological security of groundwater resources and the sub-index (WS) (2005-2012)

表4 地下水资源生态安全等级(2005-2012)Tab.4 Ecological security level of groundwater resources (2005-2012)

图2 驱动力生态安全指数Fig.2 Ecological security index of drivers

图3 压力生态安全指数Fig. 3 Ecological security index of pressure

图4 状态生态安全指数Fig.4 Ecological security index of state

图5 影响生态安全指数Fig.5 Ecological security index of influence

图6 响应生态安全指数Fig.6 Ecological security index of response

图7 地下水资源生态安全综合指数Fig.7 Composite index of ecological security

2.4.3状态生态安全

从表3、4以及图4来看，贵州省地下水资源状态安全指数呈现明显的波动增长趋势，由2005、2006年的不安全，2007-2011年的敏感和较安全交替过渡到2012年的安全状态。除了2012年状态安全指数增加到93.8外，其他年份状态安全指数增长缓慢，均值仅为47.75。

2.4.4影响生态安全

从表3、4以及图5看出，影响安全指数呈现波动变化状态，2008年之前呈现波动下降，2008年急剧下降，安全指数仅为10.9，2009年后波动增长。2008年之前缓慢下降可能的原因是生态立省战略的滞后效应所致，即政策制定之前影响的延续，2008年出现极端异常值，其原因是2008年旱涝灾害损失占GDP比重达到了13.68 %，2008年底发生了极端干旱，地下水资源急剧减少，严重影响了地下水资源的生态安全。2008年后交替缓慢的增长是贵州省生态立省、生态文明建设、退耕还林等政策的实施，减少了对地下水资源的影响，地下水资源影响安全状态缓慢恢复。

2.4.5响应生态安全

从表3、4以及图6来看，趋势拟合R2=0.882 8，趋势拟合显著，贵州省地下水资源响应安全指数呈现明显的增长趋势，由2005年的13，增长到2012年的77.2，年增长8.025。安全状态由2005-2008年的不安全，过渡到2009年的敏感和2011年的安全以及2010与2012年的较安全状态。表明在经济社会急剧发展和自然环境异常变化的情况下，贵州省政府和相关水资源和环境部门迅速做出反映，通过产业结构的调整、环境保护力度的加大以及技术的提高，农业生产技术改进、水资源基础设施的建设等措施，尽量减少对地下水资源的安全威胁。

2.4.6地下水资源综合生态安全

对贵州省2005-2012年的地下水资源生态安全指数进行趋势拟合，公式为：y=0.057 9x+0.287 3趋势拟合R2=0.899 6。从拟合方程走势可以看出，贵州省地下水资源整体安全指数与前面的分项如驱动力、压力、状态、影响的安全指数波动变化明显，趋势拟合不理想不同，与响应生态安全指数拟合类似，整体安全指数拟合显著。安全状态由2005年的不安全，过渡到2006-2009年的敏感，进而到了2010-2012年呈现较安全状态，整体安全状态逐渐转好。表明贵州省在实施了生态立省战略、生态文明建设、退耕还林等政策后，地下水资源的驱动力、压力、状态、影响的安全在受到经济社会发展影响下，自然环境的影响起到主要的作用，但是在自然环境的影响下，贵州省政府和相关水资源和环境部门迅速做出响应，通过产业结构的调整、环境保护力度的加大以及技术的提高，农业生产技术改进、水资源基础设施的建设等措施，对贵州省地下水资源的整体生态安全的调整起到关键的作用，使得整体地下水资源安全向着好的方向发展。

3 结 语

(1)本研究基于DPSIR概念框架，应用灰色关联方法和均方差法进行组合赋权，构建岩溶区地下水资源生态安全指数模型，对贵州省2005-2012年地下水资源生态安全进行动态研究，研究表明：贵州省2005-2012年的地下水资源生态安全指数呈现直线增长趋势，安全状态由2005年的不安全，过渡到2006-2009年的敏感，进而到了2010-2012年呈现较安全状态，整体安全状态逐渐转好。驱动力、压力、状态、影响的安全指数波动变化明显，趋势拟合不理想，响应安全指数趋势拟合显著，贵州省地下水资源响应安全指数呈现明显的增长趋势。自然环境的变化(干旱灾害)以及政府和相关水资源和环境部门的响应，通过产业结构的调整、环境保护力度的加大以及技术的提高，农业生产技术改进、水资源基础设施的建设等措施，对贵州省地下水资源的整体生态安全的调整起到关键的作用。

(2)尝试应用灰色关联方法和均方差法进行组合赋权，构建岩溶地区的地下水资源整体生态安全DPSIR评价指标体系，对岩溶地区地下水资源生态安全进行评价，计算得出的结果与岩溶区地下水资源生态安全客观情况相吻合，反映了其动态变化特征，证明了该评价方法具有一定的应用价值，为岩溶区地下水资源生态安全评价提供了有益的方法参考。岩溶地区作为特殊的地貌单元，地下水资源生态安全演化特征与非岩溶地区差别巨大，本文限于数据采集的困难，时间选择相对较短(8年)，虽然反映了一定的动态变化特征，但是不能反映变化环境下地下水资源大时间尺度的演化规律，下一步应该进一步完善。

□

[1] 皮建高、陈新国，刘长明，等. 洞庭湖区浅层地下水质量现状与安全供水研究[J].中国地质，2002,21(1)：536-542.

[2] 刘禧超，李立伟，石文学. 天津市宁河县地下水安全AHP模糊评价浅析[J]. 地下水，2010,32(4)：13-19.

[3] 谢振华，张兆吉，邢国章，等. 华北平原典型城市地下水供水安全保障分析[J]. 资源科学，2009,31(3)：400-406.

[4] 韩丽伟，付 强，刘 东，等. 三江平原地下水承载力综合评价模型的构建及其应用[J]. 水土保持研究，2010,17(2)：182-186.

[5] 苏维词，朱文孝. 贵州喀斯特山区生态环境脆弱性分析[J].山地学报, 2000,18(5),429-434.

[6] 张军以，王腊春，马小雪,等. 西南岩溶地区地下水污染及防治途径[J].水土保持通报, 2014, (2),121-129.

[7] 张凤太，苏维词，周继霞.基熵权灰色关联分析的城市生态安全评价[J].生态学杂志，2008,27(7):1 249-1 254.

[8] 张凤太，土腊春，苏维词. 基于DPSIRM概念框架模型的岩溶区水资源安全评价[J].中国环境科学，2015,35(11):3 511-3 520.

[9] 李柏洲，徐广玉，苏 屹.基于组合赋权模型的区域知识获取能力测度研究[J]. 中国软科学，2013,(12): 68-82.

[10] 马子惠,梁成华,二孟庆欢,等.基于PSR模型的大港油田土地生态安全评价研究[J].环境污染与防治, 2015,37(1):41-47.

[11] 张军以,苏维词,张凤太.基于PSR模型的三峡库区生态经济区土地生态安全评价[J]. 中国环境科学,2011,31(6):1 039-1 044.

[12] 李明琴，王智勇，钱 嵘,等. 新构造运动对贵州西部岩溶石漠化演化的影响[J]. 贵州大学学报(自然科学版)，2007,24(3):322-328.

[13] 卢 涛，王占岐，魏 超,等. 基于DPSIR模型的合肥市土地生态安全物元分析评价[J].水土保持研究，2015,22(4):221-229.

[14] 张继权，伊坤朋，H iroshi Tarsi,等.基于DPSIR的吉林省自山市生态安全评价[J].应用生态学报,2011,22(1):189-195.

[15] 曹 琦，陈兴鹏，师满江.基于 DPSIR概念的城市水资源安全评价及调控[J].资源科学，2012,34(8):1 591-1 600.

[16] 于伯华，吕昌河. 基于 DPSIR 模型的农业土地资源持续利用评价[J].农业工程学报，2008,24(9):53-59.

[17] 肖新成，何丙辉，倪九派,等. 农业面源污染视角下的三峡库区重庆段水资源的安全性评价[J]. 环境科学学报，2013，33(8):2 324-2 335.

[18] 喻理飞，胡 勇. 对“生态立省”战略的认识[J]. 贵州林业科技，2006，34(1):24-27.