基于GIS的黃河三角洲水資源脆弱性評價

劉海嬌，仕玉治，范明元，張 欣

(1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟南 250013； 2.山東省水資源與水環(huán)境重點實驗室，山東 濟南 250013)

黃河三角洲是中國暖溫帶最年輕、經(jīng)濟增長最快、景觀變化最劇烈的地區(qū)，也是東北亞內(nèi)陸和西太平洋鳥類遷徙重要的中轉(zhuǎn)站、越冬棲息地和繁殖地。該區(qū)域是國家、“十一五”“十二五”重點建設(shè)區(qū)域，同時也是山東省區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展“一體兩翼”中北翼主體，戰(zhàn)略地位十分重要。當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會的快速發(fā)展給生態(tài)環(huán)境及水資源造成了很大影響，尤其是水資源短缺和不合理地開發(fā)利用使得水資源脆弱性發(fā)生改變。因此，進行黃河三角洲水資源脆弱性評價，為解決黃河三角洲地區(qū)水資源短缺和環(huán)境脆弱性等問題提供參考，對實現(xiàn)黃河三角洲水資源的可持續(xù)利用具有重要意義。

水資源脆弱性源于Margat在1968年提出的地下水脆弱性這一概念[1]，國外水文地質(zhì)學(xué)家開始對地下水脆弱性進行研究，并逐步明晰地下水脆弱性概念內(nèi)涵及評價方法[2-3]，水資源脆弱性評價逐漸拓展為地下水和地表水綜合評價。我國對水資源脆弱性評價研究起步較晚，大約始于20世紀(jì)90年代中期，在水資源脆弱性定義上多是引用外文資料。而對于水資源脆弱性(vulnerability of water resources) 的研究則主要探討的是氣候變化下對水資源系統(tǒng)的影響，考慮的影響因素包括氣候變化和人類活動的影響[4]。

當(dāng)前，水資源脆弱性評價不僅僅局限于點域評價，更多關(guān)注于某一區(qū)域空間水資源脆弱性分布格局，為進一步實現(xiàn)水資源空間優(yōu)化配置和合理開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。本文基于GIS空間分析技術(shù)初步實現(xiàn)評價區(qū)域劃分，并建立黃河三角洲評價指標(biāo)體系，采用模糊評價方法識別黃河三角洲空間水資源脆弱性。

1 研究區(qū)概況

黃河三角洲總面積13230.8km2，行政區(qū)劃上包括山東省東營市全部5個縣區(qū)(占93%)、濱州市的沾化縣、無棣縣和壽光北部地區(qū)(占7%)。因受基礎(chǔ)資料限制，筆者選擇占黃河三角洲面積93%的東營市作為研究區(qū)域，對區(qū)域水資源脆弱性進行評價。

研究區(qū)多年平均降雨量537.7mm，時空分布不均勻，年內(nèi)分配亦不均勻，汛期降水占全年的75.2%，冬、春季節(jié)降水較少。黃河是該地區(qū)最主要的可開發(fā)利用的客水資源，全區(qū)90%以上的用水需要由黃河來供給。研究區(qū)鹽堿地分布面積大，大部分地區(qū)地下水為咸水，僅在小清河以南的廣饒縣、黃河灘地及黃河故道的部分地段有地下淡水分布。在過去的一段時間內(nèi)，為了增加供水量，地下水遭受了高強度的開采甚至超采。

2 水資源脆弱性評價指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 評價指標(biāo)體系

水資源脆弱性評價指標(biāo)體系涉及范圍和內(nèi)容比較多。為便于評價分析，筆者根據(jù)指標(biāo)體系構(gòu)建的科學(xué)性、完備性、主導(dǎo)性、相互獨立性和區(qū)域性等原則，在實地調(diào)查研究區(qū)水文地質(zhì)、地形、氣候等自然條件及社會經(jīng)濟狀況，并參考文獻[5-7]，從自然脆弱性和人為脆弱性方面進行評價指標(biāo)體系構(gòu)建。研究區(qū)域水資源脆弱性評價指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 研究區(qū)水資源脆弱性指標(biāo)體系

2.2 GIS評價分區(qū)

為實現(xiàn)水資源脆弱性空間評價，需進行評價區(qū)域的空間劃分。依據(jù)《山東省環(huán)境地質(zhì)圖集》[8]、《東營市水資源公報(2008)》等相關(guān)數(shù)據(jù)資料，獲得評價指標(biāo)屬性值的空間分布圖，限于本文篇幅僅給出地下水礦化度的指標(biāo)分布(圖2)。然后利用Map GIS軟件將各指標(biāo)參數(shù)圖層文件進行疊加處理，實現(xiàn)評價區(qū)域空間劃分，研究區(qū)域疊加得到180個分區(qū)，如圖3所示。

圖2 地下水礦化度空間分布(單位：g/L)

圖3 GIS評價分區(qū)圖

3 水資源脆弱性評價模型構(gòu)建

設(shè)由n個(n=180)待優(yōu)選的樣本(GIS疊加分區(qū))，m個(m=15)樣本脆弱性指標(biāo)，構(gòu)成樣本的指標(biāo)矩陣

(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)

(1)

式中：xij為方案i中第j個目標(biāo)的特征值。

表2 評價分區(qū)脆弱性評價結(jié)果

水資源脆弱性評價指標(biāo)相對隸屬度計算主要有兩類，一類是目標(biāo)特征值越大方案越優(yōu)(C1、C2、C3、C4、C5、C7、C15)，采用公式(2)計算；另一類是目標(biāo)特征值越小方案越優(yōu)(C6、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14)，采用公式(3)計算。

越大越優(yōu)型：

(2)

越小越優(yōu)型：

(3)

式中：rij為第i個樣本的第j項指標(biāo)對脆弱性的相對隸屬度；ximax、ximin分別為方案i對目標(biāo)j的特征值的最大、最小值。

R為n個樣本m項指標(biāo)的相對隸屬度矩陣，如公式(4)所示。

(4)

采用熵權(quán)法[9]計算評價指標(biāo)的權(quán)重W

W=(wi)1×m

(5)

(6)

將指標(biāo)相對隸屬度rij及指標(biāo)權(quán)重wi代入模糊優(yōu)選模型[10]，如式(7)所示，即可對180個疊加分區(qū)進行水資源脆弱性評價。

(7)

4 黃河三角洲水資源脆弱性評價

根據(jù)上述構(gòu)建的水資源脆弱性評價模型，按照式(5)計算出各指標(biāo)權(quán)重，如表1所示。

表1 評價指標(biāo)的權(quán)重

由表1中可知，指標(biāo)分類中人為脆弱性指標(biāo)權(quán)重比自然脆弱性指標(biāo)權(quán)重大。其中，地表水污染指數(shù)C13、單位面積平均用水量C15、地下水開采模數(shù)C9、外調(diào)水占供水量比例C14、含水層補給模數(shù)C4、工程調(diào)蓄能力C7、萬元GDP用水量C12、礦化度C6占權(quán)重的前八位。

計算出各指標(biāo)的權(quán)重及相對隸屬度矩陣后，根據(jù)式(7)計算出各分區(qū)的脆弱性隸屬度，計算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)最大隸屬度原則及研究區(qū)實際概況，將各分區(qū)水資源脆弱性評價隸屬度級別分為5個等級：①強脆弱性：相對隸屬度0.1～0.3；②較強脆弱性：相對隸屬度0.3～0.4；③中度脆弱性：相對隸屬度0.4～0.6；④低脆弱性：相對隸屬度0.6～0.7；⑤弱脆弱性：相對隸屬度0.7～1.0。黃河三角洲水資源脆弱性評價結(jié)果如圖4所示。

圖4 研究區(qū)水資源脆弱性評價結(jié)果

評價結(jié)果顯示，研究區(qū)整體水資源脆弱性程度較高，其中中度脆弱以上地區(qū)占研究區(qū)總面積的93.7%，沒有弱度脆弱的區(qū)域。水資源脆弱性空間變化較大，沿海及小清河區(qū)域水資源脆弱性較高，沿黃河區(qū)域脆弱性相對較低。分析原因是沿海地區(qū)受到海水入侵，礦化度較高，對跨流域外調(diào)水依賴性較大；小清河地區(qū)受到地下水過度開采及地表水污染嚴(yán)重及農(nóng)業(yè)面源污染等影響，水資源脆弱性較高；而地處沿黃河區(qū)域水資源相對較為豐富，引、輸水干渠配套工程較為完善，其水資源脆弱性相對較低，處于中等水平。

5 建 議

水資源脆弱性評價是識別區(qū)域空間水資源受到人類活動干擾后恢復(fù)原來狀態(tài)的能力，為進一步實現(xiàn)水資源空間優(yōu)化配置和合理開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。研究表明，黃河三角洲脆弱性較高，空間區(qū)域變化較大，水資源脆弱性影響因素較多且不同。因此需要在現(xiàn)有黃河三角洲水系基礎(chǔ)上，規(guī)劃建設(shè)濱海骨干生態(tài)河道，綜合整治區(qū)域排水河道，完善灌區(qū)灌排干支渠，增設(shè)必要蓄水設(shè)施，把黃河、區(qū)域河道和平原水庫等水源工程串聯(lián)起來，構(gòu)成一個集輸水、蓄水、灌溉、供水、排水、改堿、咸水微咸水利用及自然保護區(qū)濕地補水于一體的工程水網(wǎng)和生態(tài)水系，做到多水聯(lián)供和循環(huán)利用，切實轉(zhuǎn)變水資源利用方式，減弱黃河三角洲水資源脆弱性，建立黃河三角洲水資源高效生態(tài)利用模式。

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