河西走廊水資源開發利用誘發土壤鹽漬化的風險評價

袁廣祥，陳德文，朱井生，張路青，曾慶利，王小東

（1.華北水利水電大學地球科學與工程學院，鄭州450046；2.中國科學院地質與地球物理研究所，中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室，北京100029；3.中國科學院大學地球與行星科學學院，北京100049）

0 引 言

土壤鹽漬化是一種土地退化現象，制約著農業的可持續發展［1］。風險評價是預測鹽漬化發展演化，遏制或治理鹽漬化的必要措施。因此，國內外眾多學者開展了相關研究2。如Trian?tafilis et.al 針對灌溉水質引起的鹽漬化風險，建立鹽分平衡模型，進行土壤鹽漬化風險評價研究［3］；Lambel et.al 利用Landsat影像，基于GIS 模型，預測由地下水上升引起土壤鹽漬化的風險［4］；李冬順等引入災害風險理論，建立土壤鹽漬化風險評價模型，并對蘇北灘涂土壤鹽漬化風險進行評價［5］；黨玉構建了伊犁河南岸土壤鹽漬化風險評價指標體系，并根據評價結果提出了適宜的水資源開發利用措施［6］；Angela Libutti et.al 建立了水鹽平衡模型，對番茄種植誘發的土壤鹽漬化風險進行評價［7］；Sameh et.al 采用地質統計學的概率克里格法，借助3S 技術對土壤鹽漬化風險進行評價［8］。

河西走廊位于甘肅省西北部，南部與祁連山接壤，四周被沙漠包圍，氣候干旱，降水稀少，蒸發強烈。在此生態環境脆弱的背景下，人類活動尤其是水資源不合理開發利用導致該地區土地鹽漬化災害日趨嚴重。土壤鹽漬化已成為限制該地區社會經濟可持續發展的主要因素之一。因此，自20 世紀50年代，就開始了對該地區鹽漬化的研究［9］，如陳麗娟等用數值方法對疏勒河灌區垂直洗鹽制度進行了研究［10］，對民勤綠洲土壤水鹽空間分布特征及鹽漬化成因進行了分析［11］；孟雪等研究了黑河中游水循環過程對土壤鹽分特征的影響［12］；李會亞等研究了民勤綠洲灌區土壤全鹽及鹽基離子的空間變異特征和分布規律［13］；劉金榮等對河西走廊土壤鹽漬化的成因和修復措施進行了研究［14，15］；楊自輝等對河西走廊鹽漬化成因進行了分析，提出了一套鹽堿地治理模式［16］。目前的研究主要集中在鹽漬化的成因、土壤改良等方面，對河西走廊土壤鹽漬化災害風險評價的研究很少。因此，本文擬對河西走廊土壤鹽漬化災害進行風險區劃和評價，以期為該地區鹽漬化災害治理和水資源合理開發利用提供理論依據。

1 水資源開發利用在河西走廊土壤鹽漬化的作用

河西走廊土壤鹽漬化的形成因素主要有氣候、地形地貌、巖土體性質、生物積鹽、水資源的開發利用等［11，12］。從20 世紀50年代起，人們通過修渠、打井等一系列手段，加大了水資源的開采。而20 世紀60年代以來河西走廊鹽漬化速度明顯加快。21 世紀以來，河西走廊地區開始修復和改進輸水管道，推廣節水技術，加強水資源利用調控，土壤鹽漬化速率明顯降低。由此可知，水資源的開發利用在河西走廊土壤鹽漬化的過程中起著重要作用，主要體現在以下幾個方面（圖1）。

圖1 水資源開發利用誘發土壤鹽漬化示意圖Fig.1 Soil salinization induced by water resources development and utilization in Hexi Corridor

（1）不合理的灌溉。農田引水灌溉采用串灌、漫灌等傳統的灌溉方式，使得灌溉水量過多進而大量滲入地下，地下水位逐漸升高。在強烈的蒸發作用下，鹽分向土壤表層聚集，導致土壤次生鹽漬化的發生。

（2）渠道滲漏。早期水渠多為土渠或漿砌石襯砌，滲漏嚴重，使渠道沿線地下水位上升，在當地強蒸發作用下，鹽分大量向上聚集，導致渠道沿線發生土壤次生鹽漬化。

（3）上游來水量減少。河流上游修建大量水庫蓄水，導致上游來水量大幅減少，下游土壤和地下水失去河水的補給，引起區域地下水位下降，使部分沼澤退化，在強烈的蒸發濃縮作用下，致使地表聚集大量鹽分，形成鹽堿地。

2 數據來源及處理方法

2.1 遙感數據

選取STRM 系統的DEM 數字高程（90 m 分辨率）模型數據，在ENVI 平臺下，經過輻射校正和幾何校正的Landsat-8 光學遙感數據，初步獲取水利工程、地質環境、土地利用類型、鹽漬化分布等方面的數據。

2.2 現場調查數據

根據遙感解譯結果，開展現場調查，對現有文獻資料及遙感影像解譯結果進行驗證、補充，如圖2為高臺縣某地土壤鹽漬化現狀。在一些關鍵位置，采取水樣、巖樣、土樣等進行分析，獲取準確的與土壤鹽漬化有關的數據。

圖2 高臺縣某地土壤鹽漬化Fig.2 Soil salinization in Gaotai

2.3 統計數據

土壤鹽漬化風險評價需要利用已有的統計數據，主要包括：

（1）甘肅省水利廳《2018 甘肅省水資源公報》，主要提供水資源開發利用數據。

（2）中國科學院資源環境科學與數據中心、氣象數據、1∶100 萬土壤類型圖等數據，其中社會經濟數據包括經濟密度和人口密度。

2.4 數據處理方法

傳統的風險評價一般以行政區為基本單元，行政尺度的統計數據并不能精確代表區域特征。為了提高研究結果的精度和可信度，本文采用GIS 網格方法，使用ArcGIS 軟件創建5 km×5 km精度的矢量網格，利用空間疊加、掩膜提取等GIS矢量數據和柵格數據的特有處理技術，將所有指標進行了網格化處理，使每個網格矢量文件中都包含所需要的指標信息，使風險評價結果更為精確。

3 水資源開發利用誘發鹽漬化災害風險評價方法

3.1 研究方法

災害風險指未來若干年內可能達到的災害程度及其發生的可能性，是危險性、暴露性和脆弱性相互綜合作用的結果，可表示為：自然災害風險=危險性×暴露性×脆弱性［17］。

為準確評價災害風險，反映指標間相對競爭激烈程度和指標實際重要程度，確定各評價因子的權重是關鍵。使用層次分析法計算出主觀權重W1j，熵權法計算出客觀權重W2j，最后運用最小相對信息熵原理［公式（1）］計算二者權重的綜合值，作為最終的權重值Wj，可以有效減少主客觀帶來的誤差［18］。

式中：Wj為j指標的綜合權重；W1j為指標j的主觀權重；W2j為指標j的客觀權重。

3.2 評價因子與評價指標選取

根據評價因子選取的適用性、可操作性、科學性、主導性等原則［19，20］，從危險性、脆弱性、暴露性三個層面選取評價因子，確定每個因子的評價指標。

（1）危險性。危險性可以采用誘發因子和環境因子兩個方面的指標表征。誘發因子主要包括地表引水和地下水開采兩個方面；環境因子主要包括氣候、地質、地形等。

①地表引水。地表水主要用于農田灌溉。用于灌溉的水越多，地下水位上升越高，鹽分向土壤表層聚集越嚴重，發生鹽漬化災害的風險越大。

②地下水開采：開采的地下水也是主要用于農田灌溉，地下水超采越嚴重，地下水位下降越明顯，周圍高礦化度地下水向機井部位匯集，提灌的水礦化度增高，在蒸發作用下，鹽分向土壤表層聚集，土壤鹽漬化加重。

③氣候：氣候要素主要包括氣溫、降水、蒸發量和濕度等。河西走廊氣候干燥，降水量小，蒸發量大，溶解在水中的鹽分容易在土壤表層積聚。

④地形：河西走廊地形可分為三大類：山地、山前洪積扇區和平原區。河西走廊平原區鹽漬土分布面積占全省鹽漬土的97%，土壤鹽漬化危害較為嚴重［21］。

⑤地質：土壤母質的含鹽量表征地質條件，土壤母質的含鹽量越多，鹽漬化災害風險越大。

（2）暴露性指標。河西走廊土壤鹽漬化暴露性的因子主要包括人口因子、經濟因子和土地因子，分別選取人口密度、經濟密度和可利用土地面積表征。

①人口密度：人口密度越大，遭受鹽漬化災害可能性的人群越多。

②經濟密度：經濟密度越大，因鹽漬化災害引起經濟損失的可能性越大。

③可利用土地面積：可利用土地面積越大，鹽漬化災害風險越大。

（3）脆弱性指標。表征土壤鹽漬化脆弱性的因子主要包括人口因子、經濟因子和土地因子，分別選取農業人口占比/農業產值占GDP比值和農業用地面積表征。

①農業人口占比：農業人口比重越大，造成的鹽漬化災害風險越大。

②農業產值占GDP比：農業產值占GDP比越高鹽漬化風險越大。

③農業用地面積：農業用地面積越高，鹽漬化災害風險越高。

3.3 評價指標體系的構建

根據上述11 個指標構建河西走廊鹽漬化化災害風險評價指標體系，利用熵組合權重法分別計算各指標的綜合權重（表1），用于評價鹽漬化災害風險的大小程度。

表1 土壤鹽漬化風險評價指標 %Tab.1 Risk assessment index of soil salinization

利用自然間斷點分級法［22］，結合研究區自然地理、社會經濟特點及其對鹽漬化災害影響的實際情況，確定各項評價指標的分級標準，得到河西走廊鹽漬化災害風險評價的分級標準（表2）。1級表示風險性最低，5級表示風險性最高。

表2 土壤鹽漬化風險評估指標分級標準Tab.2 Classification standard for risk assessment index of soil salinization

3.4 鹽漬化災害風險評價模型的建立

參考其他災害風險評價模型［23-27］，并根據加權綜合評價法的原理建立河西走廊鹽漬化災害風險評價模型，以權重來反映各評價因子在風險評價的不同地位。具體模型如下：

式中：RS是鹽漬化風險指數，表示鹽漬化風險程度，RS值越大，風險程度越大；H、E、V表示相應的危險性、暴露性和脆弱性指數；W為指標權重值，表示各指標對于形成災害風險的因子的相對重要性；X為各評價指標標準值。

根據式（2）～（5），對河西走廊鹽漬化災害的危險性、暴露性和脆弱性進行評價，并計算出河西走廊鹽漬化風險指數。利用自然間斷點分級法，將風險指數劃分為極高、高、中等、低和極低5 個等級，最后得到河西走廊鹽漬化災害風險評價與區劃結果。

4 鹽漬化災害風險評價結果分析

根據上述鹽漬化災害風險評價體系，分別對河西走廊鹽漬化的危險性、暴露性和脆弱性進行評價（圖3～圖5）。在此基礎上，對河西走廊鹽漬化災害風險進行評價，評價結果如圖6和表3所示。

圖3 河西走廊鹽漬化災害危險性評價結果Fig.3 Danger assessment results of salinization disaster in Hexi Corridor

圖4 河西走廊鹽漬化災害暴露性評價結果Fig.4 Exposure assessment results of salinization disaster in Hexi Corridor

圖5 河西走廊鹽漬化災害脆弱性評價結果Fig.5 Vulnerability assessment results of salinization disaster in Hexi Corridor

圖6 河西走廊鹽漬化災害風險評價結果Fig.6 Risk assessment results of salinization disaster in Hexi Corridor

從圖3～圖7和表3可以看出，河西走廊鹽漬化風險呈現出2個明顯的特點：

表3 河西走廊鹽漬化災害風險評價結果Tab.3 Risk assessment results of salinization disaster in Hexi Corridor

（1）高和極高風險區域呈帶狀集中分布在流域中下游平原區。土壤鹽漬化的形成條件包括孕災環境和致災因子兩個方面。孕災環境主要有氣候、地形地貌、巖土體性質等因素。這些因素是相對穩定的，但具有明顯的分帶性。氣候可分為山區和平原區兩種氣候；地形地貌和巖土體性質可分為山區、山前洪積扇區和河流下游平原區三個帶（圖7）。山前洪積扇地下水埋藏較深，鹽漬化相對較輕；扇緣及下游平原區地下水埋藏較淺，蒸發作用強烈，鹽漬化嚴重。致災因子主要是水資源的開發利用，山前洪積扇扇緣及其下游平原區是人口聚集區，武威、張掖、酒泉、嘉峪關等城市均分布在這一地區，也是農田分布區，水資源開發利用程度很高（圖8），鹽漬化風險嚴重。

圖7 土壤鹽漬化孕災環境分帶Fig.7 Environmental zoning of soil salinization

圖8 水資源開發利用程度分區Fig.8 Division of water resources development and utilization

（2）東部比西部嚴重。石羊河流域和黑河流域的鹽漬化風險比疏勒河流域嚴重。從圖7 可以看出，河西走廊從東向西孕災環境相似，之所以東部嚴重，主要是由于東部地區人口相對密集，水資源開發利用程度高。尤其是在石羊河下游，自蔡旗斷面以下，石羊河干流注入紅崖山水庫，經輸水渠進入紅崖山灌區農田，加之灌區內開挖機井7 600 多眼［28］，水資源開發利用程度高，因此土壤鹽漬化災害風險極高。黑河流域水庫、水渠、機井等水利工程集中分布區，同樣為災害風險極高區。

5 討論與結論

根據調查數據（圖3 和圖9）可知，高臺縣和民勤縣的土壤鹽漬化較為嚴重，鹽漬化災害風險較高（圖6），說明評價結果與實際調查情況基本吻合。根據遙感數據（圖7 和圖10）可知河西走廊土地情況，鹽漬化災害高風險區分布在平原區和人口相對密集地帶，說明評價結果與實際土地利用情況基本一致。研究區鹽漬化土地主要分布在河西走廊各河流的下游平原區［29，30］。如：石羊河流域：民勤縣的湖區、泉山一帶；黑河流域：酒泉的東部和北部、金塔；疏勒河流域：敦煌的北部和西部。河西走廊鹽漬化災害風險評價結果（圖6）與之基本吻合。

圖9 民勤縣某地土壤鹽漬化Fig.9 Soil salinization in Minqin

圖10 河西走廊土地利用類型Fig.10 Land use types in Hexi Corridor

河西走廊地處西北內陸，氣候干旱，降水稀少，蒸發強烈，在特殊的地質和地形地貌條件下，形成了土壤鹽漬化的孕育環境。人類活動，尤其是水資源不合理開發利用成為土壤鹽漬化的誘發因素。

以5 km×5 km尺度標準網格為河西走廊鹽漬化災害評價基本單元，在危險性、脆弱性和暴露性評價的基礎上，得到了河西走廊土壤鹽漬化風險分區，其中，極高風險區占7.72%，高風險區占7.75%，中風險區占47.59%，低風險區占13.60%，極低風險區占23.33%。 □