大河三角洲环境脆弱性评价方法与应用

岳增友,李连伟,2, 徐洋峰,崔建勇,2,薛存金

(1.中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院,山东 青岛 266580；2.青岛海洋科学与技术国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东 青岛 266071；3.中国科学院空天信息研究院数字地球重点实验室，北京 100094)

人类的一切生产与生活既依赖于周边环境，又影响着环境的发展。世界上25%以上的人口居住在三角洲地区，导致世界上各大河三角洲成为环境脆弱的区域，承受着自然灾害与人类活动的双重压力。三角洲即河口冲积平原，是河流流入海洋、湖泊时因流速降低，所携带的泥沙大量沉积，逐渐发展成的冲积平原。三角洲的环境脆弱性(Environmental Vulnerability)是指其响应海陆自然环境变化、人类活动及两者相互作用过程中表现出的一种易于受到损害的性质，这种损害因三角洲系统的适应而具有一定的可恢复性[1]。随着人口不断地向三角洲区域集聚，越来越强烈地影响着三角洲区域的环境，环境问题越来越突出。自20世纪70年代斯德哥尔摩联合国人类环境会议以来，人类始终在关注着环境问题，国内外相关领域的专家学者们在环境脆弱性评价的理论方法、数据获取等方面取得了大量的成果，推动了环境脆弱性评价工作的开展[2]。

从20世纪90年代开始，国内逐渐有学者就未来海平面上升对长江三角洲、苏北滨海平原、珠江三角洲和黄河三角洲造成的环境和社会经济影响进行定性评估，探讨了人类活动对三角洲的可能影响，但未开展我国大河三角洲环境脆弱性系统性的调查研究[1]，未对大河三角洲环境脆弱性进行对比分析。因此，本文首先从人类活动和自然因素出发，通过选择相应的评价指标，构建了适合我国大河三角洲环境脆弱性评价的指标体系[1，3]；然后通过对比分析模式识别方法与层次分析法在黄河三角洲环境脆弱性评价中的应用效果，选择层次分析法作为大河三角洲环境脆弱性评价模型；最后，基于RS技术和GIS软件平台实现了评价指标数据处理、大河三角洲环境脆弱性评价与空间分布格局分析。

1 研究区域概况

我国大河三角洲均位于东部沿海一带，三角洲区域经济发达、人口众多、城市化水平高、环境压力大，但不同三角洲地理位置分布不同，地形地貌差异很大，人口密度与经济发展水平、植被覆盖、水环境存在差异。

现代黄河三角洲是在1855年之后发育形成的[1，3]，位于山东省东北部[4]，属于黄河冲积形成的华北平原的一部分，地势低平坦荡、南高北低，主要地貌类型包括海积平原、冲积平原、河漫滩等[5]。该区域蕴藏着极其丰富的油气、土地、水沙、地下盐卤、盐矿、海洋渔业以及旅游资源[1-2]。但近年来在全球气候变化的背景下，随着工业化和城市化进程的加速，该区域出现了一系列的环境问题，如海平面上升、入海水沙锐减、环境污染、地下水水位大幅度下降、水土流失、海岸侵蚀和海底侵蚀等[6-8]，其环境表现出一定的脆弱性。现代黄河三角洲天然不稳定性和人类活动等因素共同作用，直接导致了现代黄河三角洲海岸不断蚀退、大部分湿地退化、环境污染和三角洲沉积体不稳定性加剧[1-2,9]。本次研究黄河三角洲区域的范围是37.0°～38.2°N、118.0°～119.5°E。

长江三角洲是长江入海之前的冲积平原，区域内河湖众多、水网密布，以平原和丘陵为主[10]。长江三角洲是全球重要的先进制造业基地，是我国第一大经济区，地方生产总值占全国GDP保持在20%以上，也是我国城市最集中、人口最稠密的地区之一[11-12]。然而，该区域经济发展带来的生态环境安全问题日益突出，如“三废”排放增量与经济增速趋于正相关[13]、环境污染逐年加剧，已引起社会高度关注[14]，引发了人们对经济发展和环境保护的深度思索。本次研究长江三角洲区域的范围是30°～33°N、119°～123°E。

珠江三角洲位于广东省中南部、珠江下游，气候温和，雨量充沛，四季分布较均匀，区域内有1/5的面积为丘陵、台地、残丘，岛屿众多，珠江分八大口出海，形成“三江汇合，八口分流”的独特地貌特征[15-16]。该区域城市化率高、人口密集、经济快速发展，耕地、能源、矿产资源短缺，环境污染严重，生态环境安全问题突出，已制约了区域的可持续发展[16]。本次研究珠江三角洲区域的范围是21.8°～23.2°N、113.0°～114.3°E。

2 评价方法

2.1 评价指标体系的构建

基于国内外环境脆弱性评价的研究成果，结合我国大河三角洲地区独特的因素，分析人类活动和自然因素对大河三角洲环境脆弱性的影响，构建了包含人类活动和自然因素的大河三角洲环境脆弱性评价指标体系[1,3,17]。该评价指标体系包含人类活动、地形与地貌、生态系统生产力和水环境4个指标层指标、15个子指标层指标，详见表1。

表1 大河三角洲环境脆弱性评价指标体系Tabel 1 Environmental vulnerability assessment index system for great river deltas

2.2 评价指标的量化

不同的评价指标具有不同的量纲，在进行环境脆弱性评价指标量化前需将评价指标统一转换为无量纲的纯量。本次研究将评价指标量化为5个等级：微度脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和极度脆弱，每个等级具有不同的量化值[1,3]。

在具体量化过程中通常采用3种方法实现，即依据国家标准或已有参考文献资料评定、专家意见评定和实测数据评定。有国家标准的严格按照已有国家标准实现评价指标的等级量化，无国家标准但有可参考文献的则采用已有参考文献实现评价指标的等级量化；专家意见评定是对没有具体等级量化指标数据的按照专家意见进行评价指标具体等级量化；实测数据评定是根据实际观测采集的数据或遥感解译的数据结合专家建议实现评价指标的等级量化[1,3,17]。本次研究所采用的评价指标等级量化方法与标准，见表2。

分析：这则寓言讲述的是有个人丢了一把斧头，刚开始怀疑是邻居家的儿子作为，认为其一言一行都像偷斧头的贼。后来恰好自己找到了，却又开始觉得邻居家的儿子一点都不像是偷斧头的。可以看出故事的引线是完全怀疑到毫无怀疑，“怀疑”贯穿始终故事的中心线索。

2.3 评价指标数据的处理

评价指标数据来源于4个方面：实测数据来源于2012年实际监测到的数据；地图数据来源于收集整理的2018年资料，DEM数据来源于地理空间数据云网站；统计数据来源于2018年统计年鉴；遥感数据来源于2018年夏季TM影像[1]。评价指标数据经空间数据矢量化、属性数据录入、图层裁剪与联合处理、栅格数据集提取4个步骤进行处理[3,12,19]，具体步骤如下：

(1) 空间数据矢量化。针对不同来源的数据采用不同的方法实现空间数据的矢量化:①地图数据，通过地图配准，基于ArcGIS软件平台实现空间数据矢量化；②遥感影像数据，通过遥感解译实现空间数据矢量化；③实测数据，基于ArcGIS软件平台实现实测点的空间数据矢量化；④统计数据，该类数据缺失坐标，无法直接实现矢量化，实际操作过程中将其与研究区域的行政区划相对应以实现空间数据矢量化。

(2) 属性数据录入。针对矢量化后的地图数据、实测数据和统计数据，录入对应评价指标的量化等级数值(见表2)。在实际录入过程中，人口密度、人均GDP、耗水量、养殖面积等评价指标因数据获取精度低，统一到市级范围；地下水pH值、矿化度、地面沉降等评价指标录入采样点属性，其他区域通过内插完成；植被NPP和植被覆盖度基于遥感解译获取；其他指标以已有数据录入。

(3) 图形裁剪与联合处理。为实现环境脆弱性评价分析，不同评价指标空间范围需保持一致，需将矢量化后的数据与研究区域范围边界矢量数据进行联合处理[1,17]。本次研究区域为我国大河三角洲，其研究区域范围分别为黄河三角洲(37.0°～38.2°N，118.0°～119.5°E)、长江三角洲(30°～33°N,119°～123°E)、珠江三角洲(21.8°～23.2°N,113.0°～114.3°E)。

表2 大河三角洲环境脆弱性评价指标的量化与分级Tabel 2 Quantification and classification of environmental vulnerability assessment indicators of great river deltas

(4) 栅格数据集提取。将联合处理后的空间矢量数据[1]，按量化等级字段基于ArcGIS软件平台实现矢量数据结构向栅格数据结构的转化，最终生成栅格单元大小为0.05°×0.05° 、坐标系统为WGS84坐标系的栅格数据集。

2.4 评价模型的选取

环境脆弱性评价模型主要包括层次分析法[20]、模糊评价法[21]、主成分分析法[22]、环境脆弱性指数法[23]和综合评价法[24]等。本次研究以黄河三角洲研究区域为例，通过对比模式识别方法与层次分析法的评价结果，选取合适的环境脆弱性评价模型。

基于层次分析法进行环境脆弱性评价时，主要是基于层次分析法确定评价指标的权重，该方法将定量分析与定性分析相融合[25-26]，基于ArcGIS软件平台的代数计算器，并结合表1各评价指标的权重，即可实现环境脆弱性的评价。而模式识别(Pattern Recognition，PR)方法通过计算机的辅助能够自动模拟和识别客观世界中的事物、事件、过程或现象[27]，其具体步骤见图1。

图1 模式识别方法流程图Fig.1 Flow chart of pattern recognition method

由图2可见，模式识别方法自动化程度较高，但是相邻栅格单元的关联度高，在一定程度上会影响环境脆弱性评价精度，使其评价结果与实际情况有很大的出入。故本次研究确定采用层次分析法对我国大河三角洲环境脆弱性进行评价。

图2 基于模式识别方法和层次分析法的黄河三角洲环境脆弱性分布图Fig.2 Distribution of environmental vulnerability in the Yellow River Delta based on pattern recognition method and AHP

3 评价结果分析与讨论

3.1 评价结果分析

本文采用层次分析法并基于ArcGIS软件平台，针对不同的研究区域根据分位数法实现了环境脆弱性评价，可得到黄河三角洲、长江三角洲和珠江三角洲的环境脆弱性分布图，见图2(b)和图3。

由于研究区域不同，环境脆弱性等级分类的脆弱性指数不同，因此本文根据不同研究区域环境脆弱性评价结果，并应用ArcGIS软件对各三角洲环境脆弱性评价结果进行了重分类，其结果见表3。

图3 基于层次分析法的长江三角洲和珠江三角洲环境脆弱性分布图Fig.3 Distribution of environmental vulnerability in the Yangtze Delta and Pearl River Delta based on AHP

由图2、图3和表3可以看出：

表3 大河三角洲环境脆弱性等级指数与面积比Table 3 Environmental vulnerability level index and area ratio of great river deltas

(1) 黄河三角洲环境脆弱性各等级类型的分布面积相差不大，环境脆弱性等级空间分布呈现自东北沿海向西南陆地环境逐渐减弱的趋势。其中，东营区、垦利县、河口区、沾化县和无棣县的沿海一带环境脆弱性呈现极度脆弱，占研究区域总面积的18.36%，该五个区域靠近沿海一带的区域呈现重度脆弱，占研究区域总面积的21.11%；广饶县和利津县部分区域环境脆弱性呈现微度脆弱，占研究区域总面积的16.89%；博兴县、高青县和滨城区环境脆弱性呈现轻度脆弱，占研究区域总面积的23.26%；寿光市和昌邑市环境脆弱性主要呈现中度脆弱，占研究区域总面积的20.38%。黄河三角洲东北沿海一带高程低、地面沉降严重、植被稀疏，且是洼地和滩涂分布区，地貌类型表现为河口沙坝、分流河道和决口扇，有大面积的养殖区域，故该区域的环境脆弱性呈现重度脆弱；利津县有两块区域被高脆弱区域包围，但是其环境脆弱性表现为微度脆弱，主要是因为该区域存在大量的植被。可见，黄河三角洲环境脆弱性主要受地形与地貌、水环境和生态系统生产力的影响与制约，不同类型环境脆弱性等级与行政区划边界无法匹配。

(2) 长江三角洲环境脆弱性各等级类型的分布面积差别很大，主要表现为轻度脆弱和极度脆弱，微度脆弱和重度脆弱不明显。其中，江苏南通市、苏州市和无锡市环境脆弱性呈现为极度脆弱，占研究区域总面积的26.46%；上海市、嘉兴市、湖州市、宁波市、杭州市和泰州市环境脆弱性呈现轻度脆弱，占研究区域总面积的39.46%；常州市环境脆弱性呈现为重度脆弱，占研究区域总面积的6.02%；舟山市、绍兴市和宣城市环境脆弱性呈现微度脆弱，占研究区域总面积的8.63%；盐城市、扬州市和镇江市环境脆弱性呈现为中度脆弱，占研究区域总面积的19.43%。长江三角洲环境极度脆弱区域主要是因为人口密度大、经济发展水平高、地下水超采严重、地面沉降严重和植被稀疏等原因导致；而环境微度脆弱区域主要是因为人口密度小、经济发展水平相对不高、植被丰富。可见，长江三角洲环境脆弱性主要受人类活动和生态系统生产力的影响与制约，不同类型环境脆弱性等级与行政区划边界严密匹配。

(3) 珠江三角洲环境脆弱性主要表现为重度脆弱和极度脆弱。其中，广州市和佛山市环境脆弱性呈现极度脆弱，占研究区域总面积的30.89%；东莞市、中山市和珠海市环境脆弱性呈现重度脆弱，占研究区域总面积的38.98%；江门市和香港特别行政区环境脆弱性呈现微度脆弱，占研究区域总面积的13.94%。珠江三角洲环境极度脆弱和重度脆弱区域主要是因为人口密度高、地下水超采严重、耗水量严重、植被稀疏等原因导致；而环境微度脆弱区域主要是因为人口密度小和植被丰富，其中香港特别行政区虽然人口密度高，但其植被丰富。可见，珠江三角洲环境脆弱性主要受人类活动和生态系统生产力的影响与制约，不同类型环境脆弱性等级与行政区划边界严密匹配。

为了对不同研究区域进行统一对比与分析，采用相同的环境脆弱性指数对长江三角洲、黄河三角洲和珠江三角洲的环境脆弱性进行分级，其环境脆弱性分布图见图3(a)和图4。

由图3(a)和图4可见，长江三角洲环境脆弱性主要表现为轻度脆弱和极度脆弱，黄河三角洲环境脆弱性表现为微度脆弱和轻度脆弱，珠江三角洲环境脆弱性主要表现为微度脆弱、轻度脆弱和中度脆弱，后两个三角洲均没有出现重度脆弱和极度脆弱。由此可知，长江三角洲环境脆弱性最严重，黄河三角洲环境脆弱性最低，主要是因为长江三角洲是我国经济最发达区域，故大河三角洲环境脆弱性主要受人类活动的影响与制约。

图4 统一分级标准的黄河三角洲和珠江三角洲环境脆弱性分布图Fig.4 Distribution map of environmental vulnerability in the Yellow River Delta and Pearl River Delta with uniform grading standards

3.2 讨论

已有相关研究人员针对我国的黄河三角洲、长江三角洲和珠江三角洲的环境脆弱性进行了评价,如李连伟等[1,19]构建了黄河三角洲环境脆弱性评价指标体系，建立了指标量化方法，并基于层次分析法确定评价指标权重，基于GIS平台对该区域进行了环境脆弱性评价与空间分布格局分析；徐庆勇等[11,25]基于主成分分析法构建了长江三角洲和珠江三角洲环境脆弱性评价指标体系，并基于层次分析法确定评价指标权重，实现了长江三角洲和珠江三角洲环境脆弱性评价。上述研究在对我国三角洲区域环境脆弱性进行评价时，都是针对某个特定研究区域确定了适合于本区域环境脆弱性评价的指标体系，且没有进行评价模型的对比分析，而是直接采用层次分析法确定评价指标的权重。

本文基于已有研究成果，分析了我国三个大河三角洲的自然与人文特征，构建了适合三个大河三角洲环境脆弱性评价的指标体系，并以黄河三角洲区域为例，对比分析了模式识别模型方法与层次分析法的环境脆弱性评价结果，确定了本次研究采用层次分析法确定评价指标的权重，最后基于GIS软件平台实现了我国大河三角洲环境脆弱性评价。因构建的评价指标体系适合于我国三个大河三角洲区域，故与已有研究成果相比，其创新之处在于进行了统一尺度的环境脆弱性评价，实现了三个大河三角洲环境脆弱性在统一尺度下的对比分析。但是需要指出，大河三角洲环境脆弱性涉及到的影响因素众多，且影响机制复杂、评价方法多样，本文所构建的评价指标体系和所选的评价方法仍具有一定的局限性和不确定性，主要表现为以下方面：①评价指标的选取具有一定的片面性，影响了环境脆弱性评价结果的准确性；②层次分析法具有定性与定量相结合的特点，导致环境脆弱性评价指标权重的确定仍具有一定的主观性，影响了环境脆弱性评价结果的精度；③部分评价指标统一到大河三角洲各区县范围内，影响了环境脆弱性评价结果的准确性。

4 结 论

本文构建了我国大河三角洲环境脆弱性评价指标体系，确定了评价指标量化方法，完成了评价指标数据的处理，并通过对比分析模式识别方法和层次分析法在黄河三角洲环境脆弱性评价中的应用效果，确定了以层次分析法作为本次研究所采用的评价模型，最终实现了我国大河三角洲环境脆弱性评价与分析。

分区域研究结果表明：黄河三角洲环境脆弱性各等级类型的分布面积相差不大，由于受地形地貌、水环境和生态系统生产力的影响与制约，环境脆弱性等级空间分布呈现自东北沿海向西南陆地逐渐减弱；由于受人类活动和生态系统生产力的影响与制约，长江三角洲环境脆弱性主要表现为轻度脆弱(39.46%)和极度脆弱(26.46%)，珠江三角洲环境脆弱性主要表现为重度脆弱(38.98%)和极度脆弱(30.89%)。综合研究结果表明：长江三角洲环境脆弱性最严重，黄河三角洲环境脆弱性最低。