CN118114876A - 一种基于喀斯特地貌的水安全评价方法 - Google Patents
一种基于喀斯特地貌的水安全评价方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于喀斯特地貌的水安全评价方法，属于水资源评价技术领域。本发明方法的具体步骤包括：设置最小评价单元Ai，收集各项指标统计数据，得到指标值Sijk并分类；对指标值Sijk进行评价，得到最小评价单元Ai的评价结果Zijk；将评价结果Zijk赋予权重并加权平均，得到最小评价单元同一层次的评价结果Zij；对评价结果Zij进行均一化，得到整体评价结果Zi；将整体评价结果Zi赋予权重并加权平均，得到水安全评价结果Z。本发明通过供水安全D1、防洪安全D2、水生态环境安全D3三个维度和本底L1、状态L2和能力L3三个层次构建评价方法，能够反映出不同地区的水资源属性和生态环境属性紧密链接的特征。
Description
技术领域
本发明属于水资源评价技术领域，具体涉及一种基于喀斯特地貌的水安全评价方法。
背景技术
受岩溶裂隙影响，喀斯特地区流域水文过程具有补给排泄迅速、水位流量季节变化剧烈等基本特点，由于喀斯特地区地土层浅薄且持水能力弱、地下裂隙多而渗透速率快，导致地表水分亏缺频繁、生态脆弱、污染物扩散快速等一系列的生态环境问题频发。随着经济社会的发展、居民生活水平的提高、喀斯特地区人口增长与集聚，导致城市生活、工业用水量加大，农业产业结构的调整也使得农业用水量在部分区域增加；与此同时，气候变化带来的季节性旱涝灾害的加剧，使得区域用水矛盾更为突出。另一方面，用水量的增加伴随着污水排放量的增加，进而对水质产生连通污染，尤其是降水充沛，地表水渗漏严重的流域，为地下水水质安全埋下隐患，水安全受到威胁。喀斯特地区生态环境较为脆弱，水土流失和石漠化问题严重，水的生态环境功能易于受到干扰。
国外对水安全问题的研究起步于70年代，到目前为止，关于水安全没有一个明确、被广泛认可的定义。国内对水安全的研究起步略晚于国际同类研究，但发展迅速。20世纪80年代主要围绕水资源短缺开展相关研究；90年代后，随着黄河断流、淮河水污染事件、98年大洪水等水安全事件的发生，特别是在新时期我国水资源短缺、水生态损害、水环境污染等水安全新老问题交织的严峻形势下，研究人员开始围绕水安全系统，从整体的角度进行分析和研究，但目前对水资源评估的方法单一，缺乏准确性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于喀斯特地貌的水安全评价方法，可以通过多维度耦合、多层次嵌套、多空间聚合对水安全状态进行评价，以解决对水安全状态的评价不够准确和全面的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种基于喀斯特地貌的水安全评价方法，包括以下步骤：
S1、设置最小评价单元Ai，收集最小评价单元的各项指标统计数据，得到指标值Sijk，并将指标值Sijk按维度Dj和层次Lk进行分类；其中，i为最小评价单元的编号，j为维度编号，k为层次编号；
S2、对所述指标值Sijk按照最小评价单元Ai进行评价，得到最小评价单元的评价结果Zijk；
S3、将所述最小评价单元的评价结果Zijk根据其所在层次Lk在最小评价单元同一维度的不同层次的占比情况赋予权重，并对评价结果Zijk进行加权平均，得到最小评价单元同一层次的评价结果Zij；
S4、对所述最小评价单元同一层次的评价结果Zij进行均一化，得到最小评价单元的整体评价结果Zi；
S5、将所述整体评价结果Zi根据最小评价单元Ai与第二小评价单元所占国土面积的比例赋予权重，并对整体评价结果Zi进行加权平均，得到水安全评价结果Z。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，维度Dj包括供水安全D1、防洪安全D2和水生态环境安全D3；层次Lk包括本底L1、状态L2和能力L3。
进一步，步骤S2具体为：
S201、若指标值Sijk为越大越安全，则：
当Sijk＞a1时，此时为安全状态，则Zijk＝100；
当a2＜Sijk≤a1，此时为较安全状态，则
当a3＜Sijk≤a2时，此时为基本安全状态，则
当a4≤Sijk≤a3时，此时为不安全状态，则
当Sijk＜a4时，此时为极不安全状态，则
其中，a1为指标值Sijk越大越安全时安全状态的阈值，a2为指标值Sijk越大越安全时较安全状态的阈值，a3为指标值Sijk越大越安全时基本安全状态的阈值，a4为指标值Sijk越大越安全时不安全状态的阈值；
S202、若指标值Sijk为越小越安全，则：
当Sijk＜b1时，此时为安全状态，则Zijk＝100；
当b1≤Sijk＜b2，此时为较安全状态，则
当b2≤Sijk＜b3时，此时为基本安全状态，则
当b3≤Sijk≤b4时，此时为不安全状态，则
当Sijk＞b4时，此时为极不安全状态，则
其中，b1为指标值Sijk越小越安全时安全状态的阈值，b2为指标值Sijk越小越安全时较安全状态的阈值，b3为指标值Sijk越小越安全时基本安全状态的阈值，b4为指标值Sijk越小越安全时不安全状态的阈值。
进一步，步骤S4具体为：
S401、若最小评价单元Ai为行政区的评价指标，则整体评价结果Zi采用分数聚合的方法进行均一化：
S402、若最小评价单元Ai为河流的评价指标，则Zi＝Zij。
进一步，水安全评价结果Z的计算公式为：
其中，Ci为第i个最小评价单元的面积，km2。
本发明的有益效果为：
(1)本发明从水安全各维度功能协同的目标出发，通过供水安全D1、防洪安全D2、水生态环境安全D3三个维度和本底L1、状态L2和能力L3三个层次构建评价方法，能够较为全面的反映出不同地区的水资源属性和生态环境属性紧密链接的特征。
(2)水安全保障涉及到水循环系统各主要环节，不仅包括社会经济不同主体的生活、经济、社会和城市等的安全需求，还包括生态系统、环境系统和河流水系本身的维系和发展需要，水循环过程的某一环节的改变，都将影响水安全状态，本发明方法不以单一的某区域、某一方面作为评价尺度，排除单一性，多角度多方面的综合评估水资源安全状态，更具代表性。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为水安全评价体系示意图；
图3为单一指标水安全状态赋分流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例
以贵州省为例，采用本发明提供的基于喀斯特地貌的水安全评价方法对贵州省水安全情况进行评价，如图1所示，具体包括以下步骤：
S1、设置最小评价单元Ai，收集最小评价单元的各项指标统计数据，得到指标值Sijk，并将指标值Sijk按维度Dj和层次Lk进行分类；其中，i为第i个最小评价单元的编号，j为第j个维度编号，k为第k个层次编号；
如图2所示，在评价贵州省水安全时，从三个层次进行评价。第一层为本底L1，主要反映贵州省水资源和水生态环境的天然禀赋条件；第二次为状态L2，主要反映在人类活动对自然环境改造后，贵州省水安全呈现的现状，反映水资源和水生态环境承载情况，以及和经济社会发展的匹配情况；第三层为能力L3，主要反映人类通过水利基础设施建设和调度管理，实现对水安全保障的能力。
评价指标体系如表1所示：
表1贵州省水安全评价指标体系表
如表1所示，通过在不同维度选取特征指标进行评价；
1、供水安全D1
在贵州地区，山区地貌导致地表水具有支流少、切割深、坡降大等典型特征，呈现水低人高田高的状况，虽然贵州省水资源总量较为丰沛、人口较少，但是开发利用难度大，仍存在由于水利工程建设不足而导致的缺水情况，如果仅根据水资源量或人均水资源量等指标进行评价，无法全面反应贵州供水方面的水安全的情况，因此供水安全维度的指标分为5个层次：
(1)水资源禀赋条件：水资源禀赋是一个地区供水安全的前提，除了总量是否丰沛外，还需要分析在天然状况下，当地经济社会发展规模与水资源禀赋的适应情况。
(2)水资源承载情况：水资源开发利用程度会对河流造成一定的影响，严重时，可能造成河流断流、地下水位下降等自然环境的破坏，因此水资源开发利用必须控制在合理的范围内，
(3)水资源配置情况：水资源在开发利用时，通过人工干预，利用水利工程蓄水、调水等对水流跨区域跨时间的调节分配能力，使其与国土资源开发的格局相匹配，也是反映供水安全保障能力的重要因素之一。
(4)供水保障能力：包括供水能力对用水量的满足程度、供水水源结构，以及不同供水工程的结构，能显示出一个区域水利基础设施建设对保障经济社会可持续发展的能力。
(5)用水效率：用水效率从一个侧面反映出一个区域的水利基础设施建设的现代化水平，现代化水平越高，其用水效率就越高，从而使的水资源开发利用的效益就越好。从另一方面来说，用水效率越高，节约水平就越高，反映出区域在水资源开发过程中，对水资源的保护程度。
2、防洪安全D2
虽然贵州位于长江、珠江上游地区，地势较高，集水面积少且水低人高，在汛期相对安全，但贵州省中小河流由于坡陡流急，且许多流域多裸露岩石植被较少，故洪水汇流快，每遇大暴雨即产生暴涨暴落的陡峻洪峰，洪峰流量大、持续时间短，极易引发山洪灾害，造成经济社会损失，在洪涝灾害方面的安全程度主要依靠人为措施来保障，因此在防洪安全方面，选取能反映人为行为对安全保障能力方面的指标进行评价，具体来说分为5个层次：
(1)堤防建设能力：洪水防治的重要措施之一是拦洪，因此通过选取堤防建设相应的指标反映贵州省的拦洪能力。
(2)河道治理能力：洪水防治的重要措施之一是河道行洪，通过畅通和河道将洪水演进至下游，就可以减轻当地的拦洪压力，贵州省的河流均属于流域面积为200～3000km2的中小河流，因此通过中小河流治理情况，反映贵州省的行洪能力。
(3)城镇防洪能力：城镇是洪水防御的主要保障目标，贵州省城镇多减灾沿河阶地、坡地或山丘坪地上，面临江河、后靠山丘，洪水陡涨陡落，除了依靠堤防、河道治理外，还需要修建撇洪渠等措施，，因此城镇的防洪标准以及其达标情况，能反映出
(4)山洪沟防治能力：贵州属于长江、珠江上游，且山地地貌和喀斯特地貌特点突出，最为常见的洪涝灾害即为山洪，对防洪安全影响很大，因此选取山洪沟治理方面的指标，反映贵州省山洪防治的能力。
(5)洪涝灾害损失控制能力：因为洪水的发生具有很强的随机性，人员与财产无法彻底脱离洪水风险，因此通过经济和管理策略增加对洪水灾害的可承受能力。也是防洪安全的重要因素之一，而且贵州经济发展较为落后，其洪涝灾害对经济社会发展的影响较大，因此选取相关指标反映贵州省在洪水风险管理方面对防洪安全的贡献。
3、水生态环境安全D3
喀斯特地区生态环境较为脆弱，水土流失和石漠化问题严重，水的生态环境功能易于受到干扰，因此在评价水生态环境安全时，从以下4个层次分析：
(1)水土流失与石漠化防治：贵州省水土流失以水力侵蚀为主，局部区域存在重力侵蚀，其石漠化程度较高，对全省水资源产汇流、地表水地下水转换情况都有所影响，也是生态环境脆弱的表现之一。
(2)河湖生态流量保障情况：贵州省位于长江、珠江上游地区，属于峡谷地区，水电开发条件较好，小水电开发等会影响河流的纵向连通，水库蓄水会影响下游径流量，因此河湖生态流量保障情况也是反映该区域在水生态按照保障的能力。
(3)水污染防治情况：贵州省江河水环境主要污染因子为总磷，主要为磷矿开采导致，因此需要通过选取水污染防治相关指标，反映贵州省对磷矿污染防治的能力。
(4)饮用水水源地保护状况：饮用水水质安全是水生态环境安全里重要的指标，反映贵州省对饮用水水源的保护情况，以及饮水安全。
S2、对指标值Sijk按照最小评价单元Ai进行评价，得到最小评价单元的评价结果Zijk；
若按全省口径统计各项数据，会因为数据的整体性而掩盖某个具体区域水安全状态存在的薄弱环节，因此选取我国统计口径中最小的行政单元进行指标计算和统计，再根据面积占比进行加权，从而在贵州省水安全评价中，能较为全面的反映出贵州省不同区域水安全状态；如图3所示，具体评价步骤为：
S201、若指标值Sijk为越大越安全，则：
当Sijk＞a1时，此时为安全状态，则Zijk＝100；
当a2＜Sijk≤a1，此时为较安全状态，则
当a3＜Sijk≤a2时，此时为基本安全状态，则
当a4≤Sijk≤a3时，此时为不安全状态，则
当Sijk＜a4时，此时为极不安全状态，则
其中，a1为指标值Sijk越大越安全时安全状态的阈值，a2为指标值Sijk越大越安全时较安全状态的阈值，a3为指标值Sijk越大越安全时基本安全状态的阈值，a4为指标值Sijk越大越安全时不安全状态的阈值；
S202、若指标值Sijk为越小越安全，则：
当Sijk＜b1时，此时为安全状态，则Zijk＝100；
当b1≤Sijk＜b2，此时为较安全状态，则
当b2≤Sijk＜b3时，此时为基本安全状态，则
当b3≤Sijk≤b4时，此时为不安全状态，则
当Sijk＞b4时，此时为极不安全状态，则
其中，b1为指标值Sijk越小越安全时安全状态的阈值，b2为指标值Sijk越小越安全时较安全状态的阈值，b3为指标值Sijk越小越安全时基本安全状态的阈值，b4为指标值Sijk越小越安全时不安全状态的阈值；
各评价指标对应的安全情况如表2所示：
表2贵州省水安全情况表
计算公式如下：
(1)人均水资源量＝区域多年平均水资源量/区域总人口，最小评价单元为县级行政区；
(2)供水安全系数＝有效供水能力/用水量，最小评价单元为县级行政区；
(3)骨干水源供水能力比例＝骨干水源工程供水能力/总供水能力，最小评价单元为县级行政区；
(4)农村自来水普及率＝农村自来水供水人口/农村人口，最小评价单元为县级行政区；
(5)农田有效灌溉率＝农田有效灌溉面积/耕地面积，最小评价单元为县级行政区；
(6)耕地有效灌溉率＝耕地有效灌溉面积/耕地面积，最小评价单元为县级行政区；
(7)多水源城市比例＝具备多水源城市数量/城市总数量，最小评价单元为市级行政区；
(8)水压力指数＝供水量/多年平均水资源量，最小评价单元为县级行政区；
(9)城市供水公共管网漏损率＝城市管网漏水量/城市管网供水总量，最小评价单元为市级行政区；
(10)江河堤防达标率＝5级及以上达标堤防长度/5级及以上堤防总长度，最小评价单元为县级行政区；
(11)中小河流治理率＝有防洪任务河流治理达标长度/有防洪任务河流河长的总长度，最小评价单元为县级行政区；
(12)城镇防洪标准达标率＝达到防洪标准的城镇数量/有防洪任务的城市总数，最小评价单元为市级行政区；
(13)山洪沟治理率＝已治理达标的山洪沟条数/有防洪任务的山洪沟总条数，最小评价单元为市级行政区；
(14)洪涝灾害损失率＝洪涝灾害和干旱灾害直接经济损失/同期GDP，最小评价单元为省级行政区；
(15)重点河湖生态流量保障目标满足率＝实现河湖生态流量保障目标的河湖断面个数/确定河湖生态流量保障目标的所有河湖断面个数，最小评价单元为流域面积200km2及以上河流；
(16)主要江河湖泊水功能区水质达标率＝水质达标的主要江河湖泊水功能区个数/参评的主要江河湖泊水功能区总数，最小评价单元为县级行政区；
(17)城镇污水处理率＝废污水处理量/废污水排放量，最小评价单元为省级行政区；
(18)城镇集中式饮用水水源水质达标率＝规模以上水质达标的城镇集中式饮用水水源地个数/集中式饮用水水源地总个数，最小评价单元为县级行政区；
(19)水质达到或优于Ⅲ类河长比例＝水质达到或优于Ⅲ类水河长/评价总河长，最小评价单元为县级行政区内流域面积50km2及以上河流；
(20)水质劣于Ⅴ类河长比例＝水质达到或优于Ⅴ类水河长/评价总河长，最小评价单元为县级行政区内流域面积50km2及以上河流和城镇段河流；
(21)石漠化率＝石漠化面积/国土面积，最小评价单元为市级行政区；
(22)河湖纵向连通性＝河段内拦河建设物或设施数量/总河长，最小评价单元为流域面积200km2及以上河流。
S3、将最小评价单元的评价结果Zijk根据其所在层次Lk在最小评价单元同一维度的不同层次占比情况赋予权重，并对评价结果Zijk进行加权平均，得到最小评价单元同一层次的评价结果Zij；
S4、对最小评价单元同一层次的Zij进行均一化，得到最小评价单元的整体评价结果Zi；具体步骤为：
S401、若最小评价单元Ai为行政区的评价指标，则整体评价结果Zi采用分数聚合的方法进行均一化：
S402、若最小评价单元Ai为河流的评价指标，则Zi＝Zij；
S5、将整体评价结果Zi根据最小评价单元Ai与第二小评价单元所占国土面积的比例赋予权重，并对整体评价结果Zi进行加权平均，得到水安全评价结果Z：
其中，Ci为第i个最小评价单元的面积，km2。
评价结果：贵州省水安全状态评分为70分，评价结果为基本安全。从市州分布上看，以毕节、六盘水、铜仁、遵义等市州水安全保障能力较低；从维度上看，供水安全保障水平较低，水灾害防御仍是主要短板，生态环境整体较好，局部问题突出。贵州省水安全保障水平较低，水利仍不平衡不充分的发展，制约了经济社会的发展，与人民日益增长的美好生活需要的矛盾更加突出，水资源区域性缺水和工程性缺水问题未得到有效解决，水资源配置格局有待优化，防洪减灾体系需进一步完善。总体上，贵州省水利基础设施瓶颈明显、普惠性较弱，筑牢长江和珠江上游生态屏障任务艰巨，人口和经济承载能力、空间治理和保护能力有待增强。
Claims (5)
1.一种基于喀斯特地貌的水安全评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设置最小评价单元Ai，收集最小评价单元的各项指标统计数据，得到指标值Sijk，并将指标值Sijk按维度Dj和层次Lk进行分类；其中，i为最小评价单元的编号，j为维度编号，k为层次编号；
S2、对所述指标值Sijk按照最小评价单元Ai进行评价，得到最小评价单元的评价结果Zijk；
S3、将所述最小评价单元的评价结果Zijk根据其所在层次Lk在最小评价单元同一维度的不同层次的占比情况赋予权重，并对评价结果Zijk进行加权平均，得到最小评价单元同一层次的评价结果Zij；
S4、对所述最小评价单元同一层次的评价结果Zij进行均一化，得到最小评价单元的整体评价结果Zi；
S5、将所述整体评价结果Zi根据最小评价单元Ai与第二小评价单元所占国土面积的比例赋予权重，并对整体评价结果Zi进行加权平均，得到水安全评价结果Z。
2.根据权利要求1所述的基于喀斯特地貌的水安全评价方法，其特征在于，所述维度Dj包括供水安全D1、防洪安全D2和水生态环境安全D3；所述层次Lk包括本底L1、状态L2和能力L3。
3.根据权利要求1所述的基于喀斯特地貌的水安全评价方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
S201、若指标值Sijk为越大越安全，则：
当Sijk＞a1时，此时为安全状态，则Zijk＝100；
当a2＜Sijk≤a1，此时为较安全状态，则
当a3＜Sijk≤a2时，此时为基本安全状态，则
当a4≤Sijk≤a3时，此时为不安全状态，则
当Sijk＜a4时，此时为极不安全状态，则
其中，a1为指标值Sijk越大越安全时安全状态的阈值，a2为指标值Sijk越大越安全时较安全状态的阈值，a3为指标值Sijk越大越安全时基本安全状态的阈值，a4为指标值Sijk越大越安全时不安全状态的阈值；
S202、若指标值Sijk为越小越安全，则：
当Sijk＜b1时，此时为安全状态，则Zijk＝100；
当b1≤Sijk＜b2，此时为较安全状态，则
当b2≤Sijk＜b3时，此时为基本安全状态，则
当b3≤Sijk≤b4时，此时为不安全状态，则
当Sijk＞b4时，此时为极不安全状态，则
其中，b1为指标值Sijk越小越安全时安全状态的阈值，b2为指标值Sijk越小越安全时较安全状态的阈值，b3为指标值Sijk越小越安全时基本安全状态的阈值，b4为指标值Sijk越小越安全时不安全状态的阈值。
4.根据权利要求1所述的基于喀斯特地貌的水安全评价方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
S401、若最小评价单元Ai为行政区的评价指标，则整体评价结果Zi采用分数聚合的方法进行均一化：
S402、若最小评价单元Ai为河流的评价指标，则Zi＝Zij。
5.根据权利要求1所述的基于喀斯特地貌的水安全评价方法，其特征在于，所述水安全评价结果Z的计算公式为：
其中，Ci为第i个最小评价单元的面积，km2。
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| CN108197836A (zh) * | 2018-02-07 | 2018-06-22 | 中水珠江规划勘测设计有限公司 | 一种南方湿润地区城市水生态文明建设的评价方法 |
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