基于GIS的黄河三角洲水资源脆弱性评价

刘海娇，仕玉治，范明元，张 欣

(1.山东省水利科学研究院，山东 济南 250013； 2.山东省水资源与水环境重点实验室，山东 济南 250013)

黄河三角洲是中国暖温带最年轻、经济增长最快、景观变化最剧烈的地区，也是东北亚内陆和西太平洋鸟类迁徙重要的中转站、越冬栖息地和繁殖地。该区域是国家、“十一五”“十二五”重点建设区域，同时也是山东省区域经济发展“一体两翼”中北翼主体，战略地位十分重要。当地经济社会的快速发展给生态环境及水资源造成了很大影响，尤其是水资源短缺和不合理地开发利用使得水资源脆弱性发生改变。因此，进行黄河三角洲水资源脆弱性评价，为解决黄河三角洲地区水资源短缺和环境脆弱性等问题提供参考，对实现黄河三角洲水资源的可持续利用具有重要意义。

水资源脆弱性源于Margat在1968年提出的地下水脆弱性这一概念[1]，国外水文地质学家开始对地下水脆弱性进行研究，并逐步明晰地下水脆弱性概念内涵及评价方法[2-3]，水资源脆弱性评价逐渐拓展为地下水和地表水综合评价。我国对水资源脆弱性评价研究起步较晚，大约始于20世纪90年代中期，在水资源脆弱性定义上多是引用外文资料。而对于水资源脆弱性(vulnerability of water resources) 的研究则主要探讨的是气候变化下对水资源系统的影响，考虑的影响因素包括气候变化和人类活动的影响[4]。

当前，水资源脆弱性评价不仅仅局限于点域评价，更多关注于某一区域空间水资源脆弱性分布格局，为进一步实现水资源空间优化配置和合理开发利用奠定基础。本文基于GIS空间分析技术初步实现评价区域划分，并建立黄河三角洲评价指标体系，采用模糊评价方法识别黄河三角洲空间水资源脆弱性。

1 研究区概况

黄河三角洲总面积13230.8km2，行政区划上包括山东省东营市全部5个县区(占93%)、滨州市的沾化县、无棣县和寿光北部地区(占7%)。因受基础资料限制，笔者选择占黄河三角洲面积93%的东营市作为研究区域，对区域水资源脆弱性进行评价。

研究区多年平均降雨量537.7mm，时空分布不均匀，年内分配亦不均匀，汛期降水占全年的75.2%，冬、春季节降水较少。黄河是该地区最主要的可开发利用的客水资源，全区90%以上的用水需要由黄河来供给。研究区盐碱地分布面积大，大部分地区地下水为咸水，仅在小清河以南的广饶县、黄河滩地及黄河故道的部分地段有地下淡水分布。在过去的一段时间内，为了增加供水量，地下水遭受了高强度的开采甚至超采。

2 水资源脆弱性评价指标体系构建

2.1 评价指标体系

水资源脆弱性评价指标体系涉及范围和内容比较多。为便于评价分析，笔者根据指标体系构建的科学性、完备性、主导性、相互独立性和区域性等原则，在实地调查研究区水文地质、地形、气候等自然条件及社会经济状况，并参考文献[5-7]，从自然脆弱性和人为脆弱性方面进行评价指标体系构建。研究区域水资源脆弱性评价指标体系如图1所示。

图1 研究区水资源脆弱性指标体系

2.2 GIS评价分区

为实现水资源脆弱性空间评价，需进行评价区域的空间划分。依据《山东省环境地质图集》[8]、《东营市水资源公报(2008)》等相关数据资料，获得评价指标属性值的空间分布图，限于本文篇幅仅给出地下水矿化度的指标分布(图2)。然后利用Map GIS软件将各指标参数图层文件进行叠加处理，实现评价区域空间划分，研究区域叠加得到180个分区，如图3所示。

图2 地下水矿化度空间分布(单位：g/L)

图3 GIS评价分区图

3 水资源脆弱性评价模型构建

设由n个(n=180)待优选的样本(GIS叠加分区)，m个(m=15)样本脆弱性指标，构成样本的指标矩阵

(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)

(1)

式中：xij为方案i中第j个目标的特征值。

表2 评价分区脆弱性评价结果

水资源脆弱性评价指标相对隶属度计算主要有两类，一类是目标特征值越大方案越优(C1、C2、C3、C4、C5、C7、C15)，采用公式(2)计算；另一类是目标特征值越小方案越优(C6、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14)，采用公式(3)计算。

越大越优型：

(2)

越小越优型：

(3)

式中：rij为第i个样本的第j项指标对脆弱性的相对隶属度；ximax、ximin分别为方案i对目标j的特征值的最大、最小值。

R为n个样本m项指标的相对隶属度矩阵，如公式(4)所示。

(4)

采用熵权法[9]计算评价指标的权重W

W=(wi)1×m

(5)

(6)

将指标相对隶属度rij及指标权重wi代入模糊优选模型[10]，如式(7)所示，即可对180个叠加分区进行水资源脆弱性评价。

(7)

4 黄河三角洲水资源脆弱性评价

根据上述构建的水资源脆弱性评价模型，按照式(5)计算出各指标权重，如表1所示。

表1 评价指标的权重

由表1中可知，指标分类中人为脆弱性指标权重比自然脆弱性指标权重大。其中，地表水污染指数C13、单位面积平均用水量C15、地下水开采模数C9、外调水占供水量比例C14、含水层补给模数C4、工程调蓄能力C7、万元GDP用水量C12、矿化度C6占权重的前八位。

计算出各指标的权重及相对隶属度矩阵后，根据式(7)计算出各分区的脆弱性隶属度，计算结果如表2所示。

根据最大隶属度原则及研究区实际概况，将各分区水资源脆弱性评价隶属度级别分为5个等级：①强脆弱性：相对隶属度0.1～0.3；②较强脆弱性：相对隶属度0.3～0.4；③中度脆弱性：相对隶属度0.4～0.6；④低脆弱性：相对隶属度0.6～0.7；⑤弱脆弱性：相对隶属度0.7～1.0。黄河三角洲水资源脆弱性评价结果如图4所示。

图4 研究区水资源脆弱性评价结果

评价结果显示，研究区整体水资源脆弱性程度较高，其中中度脆弱以上地区占研究区总面积的93.7%，没有弱度脆弱的区域。水资源脆弱性空间变化较大，沿海及小清河区域水资源脆弱性较高，沿黄河区域脆弱性相对较低。分析原因是沿海地区受到海水入侵，矿化度较高，对跨流域外调水依赖性较大；小清河地区受到地下水过度开采及地表水污染严重及农业面源污染等影响，水资源脆弱性较高；而地处沿黄河区域水资源相对较为丰富，引、输水干渠配套工程较为完善，其水资源脆弱性相对较低，处于中等水平。

5 建 议

水资源脆弱性评价是识别区域空间水资源受到人类活动干扰后恢复原来状态的能力，为进一步实现水资源空间优化配置和合理开发利用奠定基础。研究表明，黄河三角洲脆弱性较高，空间区域变化较大，水资源脆弱性影响因素较多且不同。因此需要在现有黄河三角洲水系基础上，规划建设滨海骨干生态河道，综合整治区域排水河道，完善灌区灌排干支渠，增设必要蓄水设施，把黄河、区域河道和平原水库等水源工程串联起来，构成一个集输水、蓄水、灌溉、供水、排水、改碱、咸水微咸水利用及自然保护区湿地补水于一体的工程水网和生态水系，做到多水联供和循环利用，切实转变水资源利用方式，减弱黄河三角洲水资源脆弱性，建立黄河三角洲水资源高效生态利用模式。

[1] DOERFLIGER N，JEANNIN P Y，ZWAHLEN F.Water vulnerability assessment in karst environments a new method of defining protection areas using a multi-attribute approach and GIS tools[J].Environmental Geology，1999，39(2)：165-176.

[2] 李剑颖.官厅水库流域水资源脆弱性评价研究[D].北京：北京师范大学，2007.

[3] 张保祥.黄水河流域地下水脆弱性评价与水源保护区划分研究[D].北京：中国地质大学，2006.

[4] 沈珍瑶，杨志峰，曹瑜.环境脆弱性研究评述[J].地质科技情报，2003，22(3)：91-94.

[5] 刘绿柳.水资源脆弱性及其定量评价[J].水土保持通报，2002，22(2)：41-44.

[6] 邹君，刘兰芳，田亚平,等.地表水资源的脆弱性及其评价初探[J].资源科学，2007，29(1)：92-98.

[7] 冯少辉，李靖，朱振峰，等.云南省滇中地区水资源脆弱性评价[J].水资源保护，2010，26(1)：13-16.

[8] 山东省地质矿产局.山东省环境地质图集[M].济南：山东省地图出版社，1996：66.

[9] 张先起，梁川.基于熵权的模糊物元模型在水质综合评价中的应用[J].水利学报，2005，36(9)：1057-1061.

[10] 陈守煜.复杂水资源系统优化模糊识别理论与应用[M].长春：吉林大学出版社，2002：10-13.