摘要
邯郸市水资源总量约16.7亿m3，人均水资源191m3，仅占全国人均水资源量的9%。近年来，邯郸市水资源实际利用已达19~20亿m3，其中地表水为5亿m3，仅占总用水量的1/4。由于地表水量不足，当地地下水长期过度开采，地下水位不断下降。这导致了地下水动力条件的变化、含水层的环境破坏、地下水水质的污染，形成了恶性循环。随着经济的快速发展和人口数量的持续增长，生产和生活用水量增多，废污水的排放量也逐年增加，水资源短缺问题愈加严重，已经成为影响邯郸市社会经济健康、可持续发展的关键因素。邯郸市水资源系统逐渐遭到破坏，其脆弱性逐渐凸显，如何确定水资源的脆弱性，分析其对邯郸市社会、经济、生态环境的制约，已成为水资源可持续利用亟需解决的问题。但是到目前为止，仅有一些人对邯郸市水资源系统进行脆弱性评价。
为了合理评价邯郸市水资源系统脆的弱性，本文在基于拓展的加权平均算子（Extended Ordered Weighted Averaging，简称EOWA）和主成分分析（PrincipalComponent Analysis，简称PCA）的基础上，提出了Modified Ordered WeightedAveraging (MOWA)模型。该算子优点如下：（1）基于EOWA算子对评价系统中存在的多种不确定性实现了量化表征；（2）基于PCA采用累计贡献率作为不同指标的权重既避免了指标间的重叠交叉，保留了原有指标的真实性，并且避免了权重确定的主观随意性；（3）利用有序权重对不同决策层的重要性实现排序，有效反映了其在评价体系中的重要程度，并避免了极端误差。本文利用MOWA模型对邯郸市2005-2015年的水资源系统脆弱性进行了客观的评价。研究内容包括：（1）邯郸市近十年来水资源系统脆弱性的年际变化趋势；（2）连续年变化趋势和空间变化趋势；（3）每个地区水资源系统脆弱性的主要影响因子。
结果表明，本文提出的MOWA可以对邯郸市水资源系统的脆弱性进行合理的评价。邯郸市水资源系统脆弱性具有明显的空间分布规律，脆弱性呈现由南向北，由西向东逐渐加重的趋势。这与邯郸市年降雨量由南向北，由西向东递减的变化趋势基本一致。其中，地下水开采率、人口密度和水资源利用率是脆弱性评价指标中最重要的因素。所取得的成果可以为领导者、水管理人员和研究人员管理水资源系统提供科学的意义和良好的指导。
关键词： 邯郸市；水资源系统；脆弱性评价；EOWA；PCA；MOWA。
Abstract
The total amount of water resources in Handan is about 1.67×109m3, and the per capita water resource is 191m3, accounting for only 9% of the country's total per capita water resources. In recent years, the actual utilization of water resources in Handan has reached 1.90×109m3, of which surface water is 0.50×109m3, accounting for only 1/4 of the total water consumption. Due to the shortage of surface water, the local groundwater is overexploited for a long time, and the groundwater level is falling. This leads to the change of dynamic conditions, the environmental damage of aquifer and the pollution of groundwater quality, forming a vicious circle. With the rapid development of economy and the continuous growth of population, the water consumption of production and life increases, and the discharge of waste water increases year by year. Finally, the shortage of water resources becomes more and more serious. All of these have become the key factors affecting the social and economic health and sustainable development of Handan.The water resources system in Handan has been gradually destroyed, and its fragility also has been gradually highlighted. Therefore, how to determine the vulnerability of water resources, in order to analyze its restriction to the social, economic and ecological environment of this city, has become an urgent problem to be solved for the sustainable utilization of water resources. But up to now, few studies focused on the asseement of water resources system vulnerabilityin Handan.
In order to reasonably evaluate the vulnerability of water resources system in Handan, this paper presents a Modified Ordered Weighted Averaging (MOWA) model based on Extended Ordered Weighted Averaging (EOWA) and Principal Component Analysis (PCA). The advantages of this model are as follows: (1) Several uncertaintiesin the evaluation system are quantificationally represented based on EOWA operator; (2) Because the using of cumulative contribution rate, it can not only avoids overlapping and crossing of indexes, but also retains the authenticity of the original index, thus avoiding the subjective randomness.(3) It can effectively reflect the importance of different decision-making levels in the evaluation system through using order weight and reduce the extreme error. In this paper, MOWA model is used to objectively evaluate the vulnerability of water resources system in Handan from 2005 to 2015. The research contents include: (1) the interannual trend of vulnerability of water resources system in Handan in recent ten years; (2) continuous annual and spatial change trend; (3) the main influence factors of water resources system vulnerability in each area.
The results show that the proposed MOWA in this paper can be used to evaluate water resources system vulnerability in Handan. The vulnerability of water resources system in Handan has obvious spatial distribution law, and the vulnerability is increasing gradually from south to north and from west to east. This is the same as the decreasing trend of the annual rainfall from south to north and from west to east.Among them, groundwater exploitation rate, population density and water resource utilization rate are the most important factors in vulnerability assessment. Therefore, the obtained results can provide scientific significance and good guidance for mentors, water managers and researchers in the management of water resources systems.
Keywords: Handan; water resources system; vulnerability assessment; EOWA; PCA; MOWA 。
第1章 绪论
1.1、研究背景及意义。
随着人类的发展，全球将面临着人口快速增长、资源极度短缺和环境日益恶化三大问题的严峻挑战，这三大问题均与水资源有着密不可分的关系。我国是一个干旱缺水严重的国家，淡水资源总量为28000亿m3，占全球水资源的6%，名列世界第四位，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大。但是，我国的人均水资源量只有2300m3，仅为世界平均水平的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。我国水资源南北分布不均，北方河道干涸，地下水严重超采，南方水质污染严重，旱涝灾害频发。然而，中国又是世界上用水量最多的国家。仅2002年，全国淡水取用量达到5497亿m3，大约占世界年取用量的13%，是美国1995年淡水供应量4700亿m3的约1.2倍[1]。
根据政府间气候变化专业委员会（IPCC）2007年发表的第四次评估报告，20世纪中期以来的全球平均气温上升了0.6℃[2]。全球气候变暖将通过影响降雨、蒸发、径流、土壤湿度等改变全球水文循环的现状，从而引起水资源在时间和空间上的重新分配，加剧某些地区的洪涝和干旱灾害，引起可利用水资源量的改变，进一步影响地球的生态环境和人类社会的经济发展[3]。IPCC技术报告《气候变化与水》指出“淡水资源是脆弱的并可能受到气候变化的强烈影响，同时给人类社会和生态系统带来一系列范围更广的后果[4]。”气候变化已成不可否认的事实[5]，并且有加剧的现象[6]。未来气候变化极有可能对我国水资源格局产生显着影响，导致旱涝灾害频率逐渐增加、水资源供需矛盾日益突出，对国家经济社会发展构成严重威胁。在变化环境下，人类社会正面临着一系列水资源方面问题，如水资源短缺、水环境恶化、旱涝灾害频繁、水土流失、荒漠化等，这些问题均加重了水资源系统的脆弱性[7]。因而，研究变化环境下水资源脆弱性问题成为水文学家和灾害学者非常迫切的事情。
1.2、选题目的及意义。
邯郸市地处华北东南部，属于资源型缺水区域，由于地表水量少、水质差，只能依赖地下水。局部地下水的长期超采和地下水位的持续下降，引起动力条件变化并导致含水层的环境破坏、地下水水质污染，并逐渐形成恶性循环。邯郸市水资源系统逐渐遭到破坏，其脆弱性逐渐凸显，如何降低水资源的脆弱性，缓解水资源短缺对邯郸市社会、经济、生态环境的制约，已成为邯郸市水资源可持续利用亟需解决的问题。
但是到目前为止，极少有人对邯郸市水资源系统进行脆弱性评价。本文通过对邯郸市水资源系统进行脆弱性评价，分析邯郸市2005-2015年的水资源脆弱性变化规律，为政府、水利部门对邯郸市水资源进行科学管理提供理论和数据支撑。
1.3、国内外研究进展。
1.3.1、国外研究进展。
国外研究者对水资源脆弱性研究起源于20世纪60年代，不过当时评价的仅是地下水脆弱性。1968年，Albinet和Margat第一次阐述了“地下水脆弱性”概念[9]，被定义为在自然条件下，污染源从地表扩散、渗透到地下水的可能性[10]，其目的是唤醒人类社会对地下水污染危险性的认识。随后，众多学者、研究机构深入研究了地下水资源脆弱性，并提出不同的见解，丰富和完善地下水脆弱性的概念。但是目前得到广泛认可的概念，是由美国国家环境保护局和国际水文地质学家协会提出的，即：地下水资源系统对人类和（或）自然的敏感性，并且将其分为固有（天然）脆弱性和特殊（综合）脆弱性[11]。
在评价地下水脆弱性的过程中，运用最为广泛的方法有数学模拟法、系统参数法以及统计方法[12]。系统参数法中最具代表性的几种评价模型（DRASTIC、GOD、SEEPAGE和EPIK等）中，美国环境保护署开发提出的DRASTIC模型[13]当属运用最多并且最成熟的。该方法被应用在美国[14]、加拿大[16]、南非[17]、欧盟[18]等许多地区，并均取得良好的效果。然而在实际操作过程中，学者根据研究区域的实际情况，不断对DRASTIC法进行修改和完善。Abdullah等以硝酸盐的平均浓度为准则，对地下水脆弱性评价模型进行了修正[19]。Todd等采用改进的DRASTIC模型评价美国某地区的含水层脆弱性[20]。针对农业生产造成的农药化肥污染，之后又有学者提出了农药DRASTIC标准。Saha等分别运用农药DRASTIC模型和标准DRASTIC模型对农业地区地下水脆弱性进行评估[21]。
近年来，随着计算机和地理信息技术的不断发展与成熟，越来越多的学者开始基于GIS以及脆弱性制图等技术对水资源脆弱性进行研究，如Lamelas等利用GIS技术，编制了地下水污染的脆弱性分布图，为防控地下水污染提供了参考依据[22]；Rahman利用DRASTIC法并结合GIS技术分析评价了印度某地区含水层的脆弱性[23]。
随着理论知识的不断丰富，学者不再局限于地下水资源方面的研究，不仅对地表水资源和水资源系统的脆弱性的研究逐渐成为研究的焦点[24]，而且国外学者也开始探讨在气候变化背景下水资源的脆弱性。在2011年IPCC特别报告中，专家指出脆弱性受暴露程度的影响，即脆弱性是事物受到不利影响的可能性和趋势[27]。Delpla等认为选择不同的气候变化政策会对水质造成影响，水质下降势必造成潜在健康风险增大[28]。2012年IPCC特别报告指出气候变化事件、脆弱性、风险与暴露存在内在关系[29]。2013年IPCC第5次评估报告中，强调了气候变化导致灾害、社会经济发展联系的暴露度的综合风险与脆弱性和适应性的联系[30]。
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1.3.2 国内研究进展
1.4 研究内容
1.5 研究技术路线
第2章 邯郸市区 域概况
2.1 地理 位置及行政区划
2.2 自然状况
2.2.1 地形地貌.
2.2.2 气 候条件
2.2.3 水文地质条件
2.2.4 河 流水系
2.3 社会经济状况
2.3.1 人口状况
2.3.2 经 济状况
2.4 水资源状况
2.4.1 水 量现状
2.4.2 水 质现状.
2.4.3 水资源开发现状
2.4.4 水资源利用现状
第3章 变化环境下水资源脆弱性的评价
3.1 水 资源脆弱性的概念及内涵
3.2 水 资源脆弱性的影响因素
3.2.1 系 统本身因素.
3.2.2 外界因素
3.3 水资源脆弱性指标评价体系
3.3.1 指标体系建立的原则
3.3.2 指 标体系的建立
3.4 本课题指标的选取与指标体系的建立
第4章 气候变化 下水资源系统脆弱性的评估方法-MOWA
4.1 EOWA算子.
4.2 MOWA 算子.
4.2.1 PCA 计算步骤原理
4.2.2 评 价指标P;的计算
第5章 MOWA算子在邯郸市水资源脆弱性评价中的应用
5.1 邯郸市水资源脆弱性计算
5.2 邯郸市水资源脆弱性分析...
5.2.1 水资源脆弱性年际变化趋势分析
5.2.2 水资源脆弱性连续年变化趋势分析.
5.2.3 水资源脆弱性空间变化趋势分析
5.3 EOWA 与MOWA的计算结果分析.
5.4 水资源系统脆弱性预测
5.5 本章小结
第6章 结论
邯郸市属于资源型缺水地区，随着其经济的快速发展和人口数量的持续增长，生产和生活用水量增多，废污水的排放量也逐年增加，导致其水资源系统逐渐遭到破坏、水资源脆弱性逐渐凸显。
本文主要基于EOWA算子和PCA方法建立了MOWA模型来处理多准则决策问题。在该方法中，通过累积贡献率的准则对有序权进行排序，有效地减小了极端误差。此外，指标权重基于PCA的累积贡献计算。因此，提出的MOWA不仅可以避免指标的重叠和交叉，而且可以保持原有指标的真实性，从而避免了主观的随机性。此外，它还可以确定影响脆弱性的主要因素，便于决策者进行决策。通过运用MOWA模型对邯郸市水资源脆弱性进行计算分析，得出以下结论：
（1）变化环境下邯郸市水资源系统脆弱性普遍属于中度脆弱，大部分地区逐年变化趋势不大。
（2）邯郸市水资源系统脆弱性具有明显的空间分布规律，脆弱性呈现由南向北，由西向东逐渐加重的趋势。这不仅与邯郸市年降雨量由南向北，由西向东递减的变化趋势基本一致，而且也与地表水、地下水的开采有很密切的联系，《河北省人民政府关于公布地下水超采区、禁止开采区和限制开采区范围的通知》给与了很好的验证。
（3）地下水开采率、人口密度和水资源利用率是脆弱性评价指标中最重要的因素。从总体上看，本文提出的MOWA可以对邯郸市水资源系统的脆弱性进行合理的评价，这与实际情况是一致的。
（4）根据年际脆弱性变化趋势分析邯郸市各个地区的水资源脆弱性，所取得的成果可以为指导者、水管理人员和研究人员管理水资源系统提供科学的意义和良好的指导。
参考文献
