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

黃河三角洲是中國暖溫帶最年輕、經濟增長最快、景觀變化最劇烈的地區，也是東北亞內陸和西太平洋鳥類遷徙重要的中轉站、越冬棲息地和繁殖地。該區域是國家、“十一五”“十二五”重點建設區域，同時也是山東省區域經濟發展“一體兩翼”中北翼主體，戰略地位十分重要。當地經濟社會的快速發展給生態環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利用使得水資源脆弱性發生改變。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水資源短缺和環境脆弱性等問題提供參考，對實現黃河三角洲水資源的可持續利用具有重要意義。

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]，國外水文地質學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]。

當前，水資源脆弱性評價不僅僅局限于點域評價，更多關注于某一區域空間水資源脆弱性分布格局，為進一步實現水資源空間優化配置和合理開發利用奠定基礎。本文基于GIS空間分析技術初步實現評價區域劃分，并建立黃河三角洲評價指標體系，采用模糊評價方法識別黃河三角洲空間水資源脆弱性。

1 研究區概況

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

研究區多年平均降雨量537.7mm，時空分布不均勻，年內分配亦不均勻，汛期降水占全年的75.2%，冬、春季節降水較少。黃河是該地區最主要的可開發利用的客水資源，全區90%以上的用水需要由黃河來供給。研究區鹽堿地分布面積大，大部分地區地下水為咸水，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，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體系構建

2.1 評價指標體系

水資源脆弱性評價指標體系涉及范圍和內容比較多。為便于評價分析，筆者根據指標體系構建的科學性、完備性、主導性、相互獨立性和區域性等原則，在實地調查研究區水文地質、地形、氣候等自然條件及社會經濟狀況，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體系構建。研究區域水資源脆弱性評價指標體系如圖1所示。

圖1 研究區水資源脆弱性指標體系

2.2 GIS評價分區

為實現水資源脆弱性空間評價，需進行評價區域的空間劃分。依據《山東省環境地質圖集》[8]、《東營市水資源公報(2008)》等相關數據資料，獲得評價指標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分布(圖2)。然后利用Map GIS軟件將各指標參數圖層文件進行疊加處理，實現評價區域空間劃分，研究區域疊加得到180個分區，如圖3所示。

圖2 地下水礦化度空間分布(單位：g/L)

圖3 GIS評價分區圖

3 水資源脆弱性評價模型構建

設由n個(n=180)待優選的樣本(GIS疊加分區)，m個(m=15)樣本脆弱性指標，構成樣本的指標矩陣

(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)

(1)

式中：xij為方案i中第j個目標的特征值。

表2 評價分區脆弱性評價結果

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

越大越優型：

(2)

越小越優型：

(3)

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

R為n個樣本m項指標的相對隸屬度矩陣，如公式(4)所示。

(4)

采用熵權法[9]計算評價指標的權重W

W=(wi)1×m

(5)

(6)

將指標相對隸屬度rij及指標權重wi代入模糊優選模型[10]，如式(7)所示，即可對180個疊加分區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

根據上述構建的水資源脆弱性評價模型，按照式(5)計算出各指標權重，如表1所示。

表1 評價指標的權重

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

計算出各指標的權重及相對隸屬度矩陣后，根據式(7)計算出各分區的脆弱性隸屬度，計算結果如表2所示。

根據最大隸屬度原則及研究區實際概況，將各分區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果如圖4所示。

圖4 研究區水資源脆弱性評價結果

評價結果顯示，研究區整體水資源脆弱性程度較高，其中中度脆弱以上地區占研究區總面積的93.7%，沒有弱度脆弱的區域。水資源脆弱性空間變化較大，沿海及小清河區域水資源脆弱性較高，沿黃河區域脆弱性相對較低。分析原因是沿海地區受到海水入侵，礦化度較高，對跨流域外調水依賴性較大；小清河地區受到地下水過度開采及地表水污染嚴重及農業面源污染等影響，水資源脆弱性較高；而地處沿黃河區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域空間水資源受到人類活動干擾后恢復原來狀態的能力，為進一步實現水資源空間優化配置和合理開發利用奠定基礎。研究表明，黃河三角洲脆弱性較高，空間區域變化較大，水資源脆弱性影響因素較多且不同。因此需要在現有黃河三角洲水系基礎上，規劃建設濱海骨干生態河道，綜合整治區域排水河道，完善灌區灌排干支渠，增設必要蓄水設施，把黃河、區域河道和平原水庫等水源工程串聯起來，構成一個集輸水、蓄水、灌溉、供水、排水、改堿、咸水微咸水利用及自然保護區濕地補水于一體的工程水網和生態水系，做到多水聯供和循環利用，切實轉變水資源利用方式，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利用模式。

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