丹江口水源区水资源脆弱性评价

丹江口水源区水资源脆弱性评价
唐剑锋;周正;胡圣
【摘要】针对水资源供需矛盾问题，采用相关评价指标与函数评价方法，对丹江
口水源区水资源的脆弱性进行了评价。

结果表明，目前该区域水资源脆弱性整体上程度低、抗压性强，南水北调中线工程前期调水会在不同程度上增加各区域的水资源脆弱性，但并不改变整个水源区的脆弱性等级；水资源脆弱性大体自西向东升高，经济发达地区高于欠发达地区。

根据评价结果，从实施用水总量控制、提高水资源利用效率、开发新水源和治理水污染等方面提出了相应的适应性对策。

%In view
of the contradiction of water supply and demand, Danjiangkou water source area is taken as the research re-gion, the water resources vulnerability of the region is evaluated by related indexes and function evaluation method. The analysis results show that the water vulnerability is at a low degree and has high integrated resistance at present. The pre-stage water di-version of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion will increase the strength of vulnerability, but does not change the vulnerability level of the whole water source area. The water vulnerability increases from west to east, and the vulnera-bility in developed areas is higher than that in less developed areas. According to the results, some adaptive countermeasures are recommended, including applying the gross water utilization control, improving the water use efficiency, developing new water sources and controlling water pollution and so on.
【期刊名称】《人民长江》
【年(卷),期】2014(000)018
【总页数】6页(P5-9,59)
【关键词】函数法;脆弱性评价;水资源;丹江口水源区
【作者】唐剑锋;周正;胡圣
【作者单位】长江流域水资源保护局长江流域水环境监测中心，湖北武汉430010;长江流域水资源保护局长江流域水环境监测中心，湖北武汉430010;长江流域水资源保护局长江流域水环境监测中心，湖北武汉430010
【正文语种】中文
【中图分类】X52
水资源脆弱性源于Albinet和Margat在1968年提出的地下水脆弱性这一概念，20世纪90年代，Kenneth Hewitt将脆弱性研究的思路扩展到自然、技术、人为灾害的各个领域和减轻灾害的各个环节［1］。

我国对水资源脆弱性评价研究起步较晚，大约始于20世纪90年代中期，一开始主要集中于地下水脆弱性研究，如1996年刘淑芳等对河北平原地下水防污性能进行了研究，主要涉及地下水本质脆弱性评价［2］;1997年郑西来等研究了西安市地下潜水的脆弱性，研究过程中考虑了污染源特征，涉及地下水特殊脆弱性评价［3］。

水资源脆弱性不仅关系到地下水的水资源供需关系与矛盾，也涉及地表水的供需问题。

因此，近些年来逐渐出现了一系列地表水资源及区域水资源系统脆弱性方面的研究，例如，吴青等人于2002年分析了黄河源区的水资源脆弱性［4］;邹君等自2006年起对地表水资源
的脆弱性进行了研究，给出了其概念、内涵及评价方法，并在多个地区进行了具体的评价工作［5-7］;2007年刘金芳探讨了沈阳市发展与区域水资源脆弱性的关系，认为可以将其用来预测水资源问题对未来城市发展的不利影响［8］;2008年陈康
宁等以河北省水资源系统为研究对象，构建了区域水资源系统脆弱性评价体系，运用分形理论找出了反映系统整体演化趋势的序参量，据此进行了脆弱性评价［9］;2012年匡洋等以海河流域为研究区域，构建了水资源脆弱性评价指标体系，对海河流域1998～2008年8个省(市)及全国的水资源脆弱性进行了综合评价和比较，为海河流域水资源的合理规划和利用提供了一定的科学依据［10］。

水资源脆弱性的评价大致可分为定性评价和定量评价两种。

定性评价是对与水资源变化有密切关系的诸多因素进行系统分析，找出其中的主要影响因素，从而提出降低水资源脆弱性的措施;定量评价常引入脆弱度的概念，其数值越大，脆弱度越大，抵抗干扰的能力越差，一旦受到破坏，恢复能力也越差。

在水资源脆弱性评价中，使用最多的就是定量评价［11-12］。

从已有的研究来看，水资源脆弱性的定量评价方法大致可分为指标法和函数法。

指标法具有体系清晰、构建灵活、考虑全面、易于操作等优点，但同时也有缺乏系统性、指标间作用机制不明、区域性明显、结果难以比较、不易与气候变化相联系等缺点。

与指标法相比，函数法系统性强，物理机制明晰，适用范围广，易于在地区间比较，受尺度转换影响较小，能与气候变化相联系，同时易于操作［12］。

近年来，国内外多结合GIS等技术进行脆弱性
评价及脆弱性制图。

如2010年杨国民等利用DRASTIC方法并结合GIS技术对阜新盆地进行了地下水脆弱性评价［13］;2012年夏军等以陕西、山西为研究区，
针对水资源供需矛盾问题，运用GIS技术开展了多尺度下水资源脆弱性评价研究［14］。

本文采用夏军等提出的函数法［14］进行水资源脆弱性评价。

该方法从水资源脆
弱性概念出发，认为水资源脆弱性是水资源系统受气候变化、人类活动等因子影响
的敏感性和抗压性的函数，以此来开展水资源供需背景下流域或区域水资源脆弱性评价。

本文以丹江口水源区(丹江口库区及上游地区)为研究对象，对调水后的水资源脆弱性进行了初步评估，以期为即将投入运行的南水北调中线一期工程提供科学参考。

1 区域概况与评价方法
1．1 区域概况
丹江口水源区(31°25'～34°14'N，105°36'～111°41'E)作为南水北调中线工程的调水来源区域，涵盖了河南、湖北和陕西3省8地(市)43个县(市、区)，其水资源量和可调水量历来受到众多专家学者的关注(见图1)。

该区域属于典型的季风型大陆性半湿润气候区，四季分明，雨量比较充沛，年平均气温约为15．7℃。

该流域水系发达，河流众多，均由北向南流向丹江口水库，流域面积在1 000 km2以上的河流21条，100 km2以上的河流约220条。

水源区年均降水量为923．1 mm，水资源总量为388亿m3，占全流域的66．7%，丹江口水库入库径流即代表汉江上游水资源量。

全区人均水资源总量为3 741 m3/人，高于全国人均水平(2 200 m3/人)近70%，是南水北调中线水源地水量补给的强大后盾［15-16］。

1．2 数据准备
根据《丹江口库区及上游水污染防治和水土保持“十二五”规划》内容，将丹江口水源区规划为三大区(水源涵养生态建设区、水质影响控制区、水源地安全保障区)与17个控制单元(见图2)，并以此为基础对2012年各分区的水资源现状进行脆弱性评价，同时也对丹江口水库调水运行后对该区域水资源脆弱性的影响进行预测评价。

评价所用数据来自《陕西统计年鉴2013》、《河南统计年鉴2013》、《湖北统计年鉴2013》、《陕西水资源公报2012》、《河南水资源公报2012》、《湖北水资源公报2012》以及部分市区的2012年水资源公报。

每个分区所使用的数据
均可通过求取该分区所包含行政区域的相关数据的均值获得。

图1 丹江口水源区分布范围
1．3 评价方法
夏军等提出的函数法可以写成如下形式:
式中，V为水资源脆弱性;α为尺度因子;S(t)为水资源系统对影响因子的敏感性;C(t)为水资源系统对影响因子的抗压性。

对于基于水资源供需的水资源脆弱性而言，
S(t)为水资源系统对气候变化的敏感性，C(t)为水资源系统对社会经济的抗压性。

由于气候变化对水资源量、用水量的影响存在诸多不确定性，因此本次研究暂不考虑水资源系统对气候变化的敏感性，仅考虑抗压性，令S(t)=1，同时取α =1，可得
C(t)可由地表水资源开发利用率、人均用水量、百万方水承载人口数构造函数得到，一般表示如下
式中，r为本地地表水资源开发利用率，由本地地表水供水量与本地地表水资源量之比得到;FI为Falkenmark指数，在这里为百万方水承载人口数，由人口数P和
可利用水量Q之比得到，可利用水量Q不仅包括地表水、地下水这样的常规水资源，还包括雨水、再生水等非常规水资源;WU为人均用水量，由用水量W和人口数P之比得到;k为尺度因子，根据Perveen和James的研究成果，k 取值为
2．3［17］。

在公式(3)中，当区域内没有人类活动时，水资源开发利用程度为零，此时C(t)取
值为1;区域内人类活动的强度与水资源开发利用程度逐渐增强时，C(t)也随之降低，当区域内水资源开发利用程度达到最高，即地表水资源开发利用率为100%、用水
量等于可利用水量时，C(t)的值降到最低点，为0．037，因此C(t)值的变化范围
为［0．037，1］。

将C(t)值代入公式(2)中得出V值的变化范围为［1，27．1］，再用极大值标准化法，即可将V的取值区间转换为［0，1］。

根据Perveen和James的研究成果，将水资源脆弱性V分为5个等级(见表1)，同时我们又在每个等级上按照一定的刻度将其均分为5个次等级以便于制图。

例如，0≤ V≤0．01
为不脆弱 1级，0．01﹤V≤0．02为不脆弱2级，以此类推一直到0．04﹤
V≤0．05为不脆弱5级。

图2 丹江口水源区3个规划分区与17个控制单元分布
表1 水资源脆弱性分级images/BZ_383_192_2022_1183_2072.png0≤V≤0．05 不脆弱 0．20﹤V≤0．40 强脆弱0．05﹤V≤0．10 弱脆弱 0．40﹤V≤1 极脆弱0．10 ﹤V ≤0．20 中脆弱
2 结果与讨论
丹江口水源区调水前水资源脆弱性评价结果如图3所示，从图中可以看出，除了
Ⅰ-2库区十堰控制单元为弱脆弱程度，脆弱性值为0．098外，其余16个控制单元均为不脆弱，脆弱性值在0．005～0．043之间;从三大规划分区的角度来评价，三大区的值也均在不脆弱程度范围内，其中水质影响控制区脆弱性值最低，为0．009，其次分别是水源涵养生态建设区(0．011)和水源地安全保障区(0．031)。

截至2012年，丹江口水源区人口约1 475．6万，城镇化率约44．7%。

国内生
产总值(GDP)总量约3 558．5亿元，人均GDP为2．24万元，城镇化率及人均GDP均低于全国平均水平。

水源区以农业生产为主，工业和第三产业发展相对滞后，财政困难，43个县(市、区)中，国家扶贫工作重点县26个，省级扶贫工作重点县8个，是贫困县和革命老区相对集中的地区［16，18］。

由于丹江口水源区
整体经济社会发展水平较低，使得该区域对水资源的需求也处于一个较低的水平，因此，该区域水资源脆弱性整体处于不脆弱程度。

图3 丹江口水源区调水前水资源脆弱性分布
水资源脆弱性评价结果是区域水资源问题的综合表现，包括区域资源容量、人口、社会经济发展水平等一系列问题。

图4给出了各评价指标与水资源脆弱性变化趋势的相关关系。

从图中可以看出:地表水资源开发利用率与水资源脆弱性有很好的相关性，随着地表水资源开发利用率的上升，水资源脆弱性也逐渐增加，相关系数r=0．985;人均用水量的变化趋势也与水资源脆弱性基本保持一致，但增加幅度较少，变化较平稳;百万方水承载人口数的总体变化趋势也与水资源脆弱性的变化趋势基本一致，变幅少而平稳。

上述结果也与前人的研究结果一致［14］。

图4 水资源脆弱性与评价指标关系
根据评价结果可知，Ⅰ-2库区十堰控制单元的脆弱性值最高，水资源供需问题最严重。

十堰控制单元是整个水源区经济发展水平最高的地区，2012年的GDP产值与城镇化率分别达到了955．68亿元和49．32%。

由于发展和人口需求的双重压力，其地表水资源开发率达到了36．50%，是最低值(Ⅱ-3控制单元，4．00%)的9倍多，人均用水量与百万方水承载人口数也分别达到了381 m3/人和1 136人，水资源供给压力大［19］。

水质影响控制区与水源涵养生态建设区主要分布在陕西南部区域(汉中、安康、商洛)，这里贮存着陕西约77%的水资源，却仅承载着11．9%的GDP和22．4%的人口［18］，百万方水承载人口数也仅为127～552人，虽然地表水供水量占总供水量比例高达70%～90%，但地表水资源开发利用率仅为4% ～10%。

同时，这里的水资源利用效率也是整个水源区最低的，平均人均用水量为274 m3/人，因此该区域的水资源脆弱性值低，均在不脆弱级别上。

按照南水北调中线工程第一阶段年均调用95亿m3水量的规划，根据现有各区域水资源量占总水量的比例进行分摊(不考虑气候因素的影响)，得出调水后各控制单元的水资源脆弱性(见图5)。

从图中可看出，调水后Ⅰ-2库区十堰控制单元的脆弱
度变为中脆弱，脆弱性值为0．126，Ⅰ-1丹江口水库北支控制单元变为弱脆弱，脆弱性值为0．056，其余15个控制单元仍为不脆弱，但每个控制单元的脆弱度均有所上升，其值在0．007～0．032之间;从三大规划分区的角度来评价，调水后三大区的脆弱性仍停留在不脆弱程度上，其值在0．013～0．043之间，与调水前相比均有所升高。

这也说明大区域尺度的评价结果比较概化，只能表达整体上的水资源脆弱性，而小区域尺度的评价结果具有较好的空间分异特征，在脆弱性评价、水资源问题分析、适应性对策制定方面有更好的指导意义［14］。

虽然前期调水规划对水源区的水资源脆弱性影响不大，但随着经济、社会和人口的发展，水资源开发力度慢慢加大，水资源的供需矛盾也会逐渐凸显出来，再加上未来气候变化对该区域降水量和径流量的影响、库区上游水利工程建设以及南水北调工程远期规划调水量的增加(130亿m3)，势必会大大增加水资源脆弱性，影响区域的可持续发展。

图5 前期调水后水资源脆弱性分布
上述结果也在一定程度上验证了本次研究所用的函数法具有适用范围广、易于在地区间比较、受尺度转换影响较小和易于操作等优势［14］，这些也与其他学者的研究结果相一致［3，14，20］。

通过该方法所得结果可对水资源管理与规划进行进一步地调整并提出建议，例如降低流域过高的水资源开发利用率，通过调整产业结构、节水防污以及一些工程措施和非工程措施等，提高流域水资源的承载能力，降低水资源脆弱性值［20］。

总之，每一个与适应性相关联的对策，都将产生与之对应的脆弱性变化，在最后的决策中，需要选用有利于可持续发展并能维系生态系统健康的措施，这也涉及到经济社会发展、体制建设以及法规建设等综合的水资源管理理念，还需进一步深入研究［14，20］。

3 结论与建议
本文在总结前人有关水资源脆弱性评价研究的基础上，使用人均用水量、地表水资
源开发利用率、百万方水承载人口数这3个变量构造针对水资源供需矛盾的水资源脆弱性评价函数，以丹江口水源区为研究对象，对水源区三大规划分区与17个控制子单元的水资源脆弱性现状进行了评价，也就工程前期调水对水源区水资源脆弱性的进一步影响进行了初步评估，得出以下结论。

(1)从整体上说，目前丹江口水源区水资源脆弱性程度低、抗压性强。

初步评估的结果也表明，虽然南水北调中线工程前期调水会在不同程度上增加各区域的水资源脆弱性强度，但并未改变整个水源区的脆弱性等级，这也在某种程度上说明工程前期规划调水量是合理的。

(2)按规划分区的评价结果较模糊，空间分异较差，有可能受部分控制单元评价结果的影响，得到有偏差的结果，但也具有从整体上把握丹江口水源区总体水资源脆弱性特征的优势;按控制单元的评价结果空间分异性较好，可以更明显地展示出各控制单元的水资源脆弱性，可以在此基础上深入了解水源区水资源特征和区域间水资源问题差异，以此来提出有针对性的适应性对策。

(3)水资源脆弱性评价指标的变化趋势与水资源脆弱性的变化趋势基本一致，其中地表水资源开发利用率的变化趋势与水资源脆弱性的变化趋势最为接近。

(4)水资源脆弱性大致呈自西向东逐渐升高的趋势，经济发达地区的水资源脆弱性高于欠发达地区。

根据评价结果，相应提出了以下适应性对策:对水资源开发利用实施总量控制，严格控制区域用水总量，实行水资源有偿利用和取水许可，强化区域内水资源统一配置和调度;提高水资源利用效率，开发利用再生水资源，在增加城市供水的同时减少排污，建设节水型社会并治理水污染;积极开发新水源，建设小水库、塘坝等雨水利用工程，提高农业用水保证率。

参考文献:
［1］ Kenneth Hewitt．Regions of risk［M］．Singapore City：
LongmanSingapore Publisher(Pte)Ltd．，1997．
［2］刘淑芳，郭永海．区域地下水防污性能评价方法及其在河北平原的应用［J］．河北地质学院学报，1996，(1)：41-45．
［3］郑西来，吴新利，荆静．西安市潜水污染的潜在性分析与评价［J］．工程勘察，1997，(4)：22-24．
［4］吴青，周艳丽．黄河河源区生态环境变化及水资源脆弱性分析［J］．水资源保护，2002，(4)：21-24．
［5］邹君，傅双同，毛德华．中国南方湿润区水资源脆弱度评价及其管理：以
湖南省衡阳市为例［J］．水土保持通报，2008，28(2)：76-80．
［6］邹君，杨玉蓉，田亚平，等．南方丘陵区农业水资源脆弱性概念与评价［J］．自然资源学报，2007，22(2)：302-310．
［7］邹君，杨玉蓉，谢小立．地表水资源脆弱性：概念、内涵及定量评价［J］．水土保持通报，2007，27(2)：132-135．
［8］刘金芳．沈阳市水资源可持续开发利用影响因素分析［J］．现代农业科技，2007，(15)：192-195．
［9］陈康宁，董增川，崔志清．基于分形理论的区域水资源系统脆弱性评价［J］．水资源保护，2008，24(3)：24-26．
［10］匡洋，夏军，张利平，等．海河流域水资源脆弱性理论及评价［J］．水
资源研究，2012，(1)：320-325．
［11］刘绿柳．水资源脆弱性及其定量评价［J］．水土保持通报，2002，22，(2)：41-44．
［12］翁建武，夏军，陈俊旭．气候变化背景下水资源脆弱性评价方法及其应用分析［J］．水资源研究，2012，(1)：195-203．
［13］杨国民，祁福利．DRASTIC地下水脆弱性评价方法及其应用：以阜新盆
地为例［J］．黑龙江水专学报，2010，37(2)：45-47．
［14］夏军，翁建武，陈俊旭，等．多尺度水资源脆弱性评价研究［J］．应用基础与工程科学学报，2012，(20)：1-14．
［15］陈燕，郭志勇，单伟．丹江口库区气候变化及对生态环境的影响［J］．河南气象，2006，(4)：42-44．
［16］丹江口库区及上游水污染防治和水土保持规划编制组．丹江口库区及上游水污染防治和水土保持规划［Z］．北京：水利部，2005．
［17］ Perveen S，James L A．Scale invariance of water stress and scarcity indicators Facilitating cross-scale comparisons of water resources vulnerability［J］．Applied Geography，2011，31(1)：321-328．
［18］陕西省统计局，国家统计局陕西调查总队．陕西统计年鉴［M］．北京：中国统计出版社，2013．
［19］湖北省统计局，国家统计局湖北调查总队．湖北统计年鉴［M］．北京：中国统计出版社，2013．
［20］夏军，邱冰，潘兴瑶，等．气候变化影响下水资源脆弱性评估方法及其应用［J］．地球科学进展，2012，27(4)：443-451．。