干旱區(qū)人工綠洲水土環(huán)境脆弱性評價

徐存東，劉子金，朱興林，谷豐佑，趙志宏，王 鑫

（1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.浙江省農(nóng)村水利水電資源配置與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)實驗室，浙江 杭州 310018；3.河南省水工結(jié)構(gòu)安全工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450046）

水土環(huán)境脆弱性是指在特定區(qū)域，水土環(huán)境受外力干擾所表現(xiàn)出來的敏感反應(yīng)和自我恢復(fù)能力，是環(huán)境系統(tǒng)的固有屬性，具有客觀性和區(qū)域性，是自然因素、人類活動和環(huán)境系統(tǒng)自身演變?nèi)唏詈献饔玫慕Y(jié)果。20世紀(jì)末以來，全球氣候變化以及局部高強(qiáng)度人類生產(chǎn)活動，在很短時期內(nèi)打破了自然界水土環(huán)境原有的生態(tài)平衡，致使部分區(qū)域水土環(huán)境脆弱性逐漸提升［1-3］。地處騰格里沙漠邊緣的甘肅省景泰川電力提灌灌區(qū)（簡稱景電灌區(qū)），受當(dāng)?shù)馗哒舭l(fā)低降雨的特殊氣候條件、低洼封閉的地質(zhì)特征以及高強(qiáng)度人類生產(chǎn)活動影響，出現(xiàn)一系列水土環(huán)境退化問題，給該綠洲水土環(huán)境可持續(xù)發(fā)展帶來了極大挑戰(zhàn)［4］。

水土環(huán)境脆弱性作為衡量水土環(huán)境退化問題與生態(tài)修復(fù)技術(shù)水平的重要指標(biāo)［5-6］，近年來學(xué)者們對其進(jìn)行了廣泛而深入的研究。Rosa等［7］基于Impelero模型對西歐土壤侵蝕脆弱性及其對作物生產(chǎn)力的潛在影響進(jìn)行了分析；Gu等［8］以千島湖地區(qū)為研究區(qū)，通過整合模糊層次分析法和地理信息系統(tǒng)，分析了1991—2010年千島湖地區(qū)的環(huán)境變化；Stampoulis等［9］為探明水文循環(huán)變化對缺水地區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響，基于WindSat微波輻射測量技術(shù)，分析了東非不同水文地質(zhì)單元在極端水文條件下的水生態(tài)脆弱性；徐慶勇等［10］采用層次分析法對珠江三角洲地區(qū)環(huán)境脆弱性進(jìn)行了系統(tǒng)評價；汪磊等［11］基于主成分分析法和層次分析法的博弈論組合賦權(quán)模型，建立了西部地區(qū)環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)體系。水土環(huán)境脆弱性評價的主要問題是其演變過程的模糊性、驅(qū)動的多層次性、要素影響的不確定性等。云理論是李德毅院士于20世紀(jì)90年代提出的專門用于處理模糊性及不確定性問題的基本理論，該理論在刻畫模糊評價系統(tǒng)的隨機(jī)性以及不確定性問題上具有優(yōu)勢，且能規(guī)避評價過程中主觀性對評價結(jié)果的影響［12-15］。鑒于此，筆者以景電灌區(qū)人工綠洲為例，將云理論與傳統(tǒng)層次分析法相結(jié)合，構(gòu)建基于云理論改進(jìn)層次分析法的水土環(huán)境脆弱性評價模型，并運(yùn)用地理信息系統(tǒng)和研究區(qū)水土環(huán)境監(jiān)測資料，通過柵格數(shù)據(jù)單元信息疊加，將2018年灌區(qū)水土環(huán)境脆弱性進(jìn)行可視化表達(dá)，揭示灌區(qū)水土環(huán)境脆弱性空間態(tài)勢及驅(qū)動機(jī)理，以期為干旱區(qū)人工綠洲可持續(xù)發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 評價指標(biāo)選取及數(shù)據(jù)處理

受地質(zhì)構(gòu)造及地形等影響，景電灌區(qū)自東向西形成了封閉型水文地質(zhì)單元草窩灘、蘆陽鎮(zhèn)盆地，開敞型水文地質(zhì)單元羊胡子灘、大墩灘盆地。灌區(qū)總灌溉面積約6.13萬hm2，北倚騰格里沙漠，南靠昌嶺山，東臨黃河，屬典型的溫帶大陸性氣候區(qū)。該地區(qū)干旱少雨、年際及晝夜溫差大，年均日照時數(shù)長達(dá)2 714 h，年均氣溫約8.77℃，多年平均降水量185.6 mm。根據(jù)長序列監(jiān)測資料，自1994年灌區(qū)運(yùn)行以來，受不合理灌溉模式、高強(qiáng)度人類生產(chǎn)活動等影響，灌區(qū)內(nèi)水土環(huán)境問題逐漸顯現(xiàn)，嚴(yán)重制約了區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及生態(tài)文明建設(shè)。

1.1 評價指標(biāo)選取

基于云理論改進(jìn)層次分析法定量評價灌區(qū)水土環(huán)境脆弱性。結(jié)合研究區(qū)實際情況，同時參照數(shù)據(jù)的科學(xué)性、完備性、可獲得性等原則構(gòu)建研究區(qū)水土環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)體系。層次分析法評價目標(biāo)層為灌區(qū)水土環(huán)境脆弱性，準(zhǔn)則層包括顯著影響水土環(huán)境脆弱性的土壤植被因素、水因素、地形因素和水文氣候因素。土壤植被因素包括反映區(qū)域水鹽狀態(tài)、水土流失程度、土地資源利用演變過程及土壤理化性質(zhì)的土壤鹽分、植被覆蓋度、土地利用類型及土壤電導(dǎo)率4個指標(biāo)；水因素包括反映區(qū)域地表及地下水分運(yùn)動的地表灌水量、地下水埋深及地下水礦化度3個指標(biāo)；地形因素包括海拔、坡度2個直接參與水土環(huán)境體系地質(zhì)構(gòu)造的指標(biāo)；水文氣候因素包括年均降水量、年均蒸發(fā)量、年均氣溫3個反映區(qū)域水文氣象條件的指標(biāo)，見表1。

表1 研究區(qū)水土環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)及其數(shù)據(jù)來源

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

首先由地理空間數(shù)據(jù)云下載能夠反映景電灌區(qū)2018年水土環(huán)境本底狀況及其空間信息的Landsat 8遙感底圖，然后進(jìn)行坐標(biāo)定義、圖像配準(zhǔn)及鑲嵌與剪裁等預(yù)處理。通過土鉆提取44個鹽分采樣點(diǎn)0～100 cm的土壤樣本，帶回實驗室分析土壤鹽分及土壤電導(dǎo)率，鹽分采樣點(diǎn)分布見圖1（a）。地表灌水量及年均降水量由區(qū)域內(nèi)布設(shè)的29個水量監(jiān)測設(shè)備、自動雨量氣象站，結(jié)合《甘肅省景泰縣荒地資源及其開發(fā)利用報告》（1971—2018年）、景電灌區(qū)1972—2018年調(diào)水用水量統(tǒng)計表獲取，監(jiān)測點(diǎn)分布見圖1（b）。年均氣溫及年均蒸發(fā)量分別由21個微型蒸發(fā)測量計及數(shù)字溫度測量儀來獲取，測點(diǎn)分布見圖1（c）。通過在ArcGIS Spatial Analyst模塊中采取ISO聚類分析、影像識別，以相同像元為同類劃分條件，結(jié)合實際土地利用情況通過最大似然分類將研究區(qū)土地利用類型劃分為6類，分別為耕地、鹽堿地、草地、沙地、旱地及戈壁。地下水礦化度及埋深由研究區(qū)內(nèi)布設(shè)的32個監(jiān)測井獲取，監(jiān)測井分布見圖1（d）。數(shù)據(jù)來源及相應(yīng)處理方式見表1。

圖1 采樣點(diǎn)分布

2 研究方法

2.1 空間插值方法優(yōu)選

空間插值是指借助ArcGIS軟件將研究范圍內(nèi)有限的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的面集數(shù)據(jù)，以此反映某變量在研究區(qū)的變化特征，這一技術(shù)為區(qū)域尺度環(huán)境響應(yīng)空間分析提供了新方法。但從多種插值方法中進(jìn)行優(yōu)選，是空間插值的重要前提。交叉驗證法將n個監(jiān)測點(diǎn)實測數(shù)據(jù)劃分為已知值與驗證值，首先設(shè)定某一采樣點(diǎn)實測數(shù)據(jù)為未知值，使用其余n-1個點(diǎn)位實測數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值；其次讀取預(yù)定未知點(diǎn)的插值結(jié)果，并計算預(yù)定點(diǎn)實測值與插值結(jié)果之間的差，該差越小插值精度越高；將其余各點(diǎn)位重復(fù)上述操作，依次獲取所有點(diǎn)位的絕對誤差。采用平均絕對誤差MAE、平均相對誤差MRE及均方根誤差RMSE來驗證各點(diǎn)位的插值精度。

為進(jìn)一步驗證空間插值精度，在進(jìn)行交叉驗證的基礎(chǔ)上引入誤差矩陣驗證空間插值精度，以此作為最優(yōu)空間插值方法的判定依據(jù)［16-17］。誤差矩陣是空間插值中精度評價的典型方法，其通過計算實測像元與參考像元之間的比較序列來進(jìn)行精度評價，主要包括總體精度、生產(chǎn)者精度、使用者精度及Kappa系數(shù)。本文僅考慮總體正確分類面積并驗證分類精度，故只引入總體精度及Kappa系數(shù)。當(dāng)Kappa系數(shù)大于0.75時，通常認(rèn)為模擬結(jié)果與實測結(jié)果之間具有較高的一致性；當(dāng)Kappa系數(shù)小于0.40時，一致性相對較弱。計算過程為

式中：OA為總體精度；N為總像元數(shù)；np為正確分類像元數(shù)；r為分類數(shù)；P0為總體分類精度，即正確分類樣本數(shù)與總樣本數(shù)之比；Pc為隨機(jī)情況下正確分類結(jié)果的期望值。

在ArcGIS Spatial Analyst插值分析模塊中對各評價指標(biāo)依次采用克里金法、反距離權(quán)重法、樣條函數(shù)法、自然鄰域法以及趨勢面法進(jìn)行空間插值，經(jīng)過各種方法的精度比對及優(yōu)選，最終確定各指標(biāo)插值方法見表2（表中評價指標(biāo)的MAE、RMSE單位與表1中對應(yīng)指標(biāo)的單位相同）。

表2 各評價指標(biāo)插值方法及插值精度

通過插值方法優(yōu)選可得，各指標(biāo)所選插值方法的MAE、MRE、RMSE均較低，插值總精度與Kappa系數(shù)較高。植被覆蓋度通過ENVI5.3軟件的反演獲取，海拔、坡度采用DEM數(shù)據(jù)通過ArcGIS Spatial Analyst表面分析獲取，土地利用類型通過ISO聚類-最大似然分類獲取，均具有較高吻合性。

2.2 權(quán)重云模型

傳統(tǒng)層次分析法在分析過程中往往依據(jù)專家打分法評判各指標(biāo)層評價因子重要性，并分析求出各評價指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重，但是其在分析過程中離散性和主觀性過強(qiáng)，往往不能客觀刻畫多指標(biāo)耦合系統(tǒng)的模糊性及波動性。云理論通過定性概念與定量數(shù)值之間的轉(zhuǎn)換，以不確定性語言將模糊系統(tǒng)中的隨機(jī)性及模糊性有機(jī)結(jié)合，克服了傳統(tǒng)層次分析法存在的缺陷。因此，引進(jìn)正態(tài)云理論，基于傳統(tǒng)層次分析法中的Satty標(biāo)度對其進(jìn)行改進(jìn)［18］，構(gòu)建基于云模型的水土環(huán)境脆弱性評價標(biāo)度準(zhǔn)則。具體過程：假設(shè)有兩個云模型CR1（Ex1，En1，He1）和C R2（Ex2，En2，He2），令C R=CR1／CR2，則CR（Ex，En，He）計算公式為

其中期望（Ex）反映云滴分布的中心值，熵（En）描述云滴模糊性和離散程度，超熵（He）用于描述云滴凝聚度。同時基于Satty標(biāo)度中兩指標(biāo)的重要性程度，可得到9個云模型，見表3。

表3 云標(biāo)度準(zhǔn)則

對灌區(qū)水土環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)進(jìn)行兩兩重要性比較，構(gòu)建判斷矩陣（Rij）n×n，通過層次分析法求解水土環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)的權(quán)重，云模型合成權(quán)重Wi（Exi，Eni，Hei）計算公式為

式中：Exi為評價結(jié)果的中心值；Eni用以描述評價結(jié)果的不確定度；Hei用以反映云滴的離散程度。

2.3 水土環(huán)境脆弱性等級劃分

結(jié)合相關(guān)研究結(jié)果和本研究區(qū)實際情況［6，19］，以水土環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)E VI來描述景電灌區(qū)水土環(huán)境脆弱性。

式中：EVI為水土環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)；yi為指標(biāo)因子值；ωi為指標(biāo)因子相應(yīng)的權(quán)重值；n為指標(biāo)數(shù)量。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)研究區(qū)水土環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)的可對比性，對水土環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)EVI進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

式中：S為水土環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化值，變化范圍為0～10；EVI為水土環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)的原始值；EVImax、E VImin分別為水土環(huán)境脆弱性綜合指數(shù)的最大值、最小值。

在將EVI標(biāo)準(zhǔn)化處理的基礎(chǔ)上，參照已有研究中關(guān)于環(huán)境脆弱性評價的標(biāo)準(zhǔn)［20］，結(jié)合灌區(qū)實際，將景電灌區(qū)水土環(huán)境脆弱性劃分為5級，見表4。

表4 景電灌區(qū)水土環(huán)境脆弱性劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 單個指標(biāo)空間分異信息分析

根據(jù)優(yōu)選插值方法對各評價指標(biāo)進(jìn)行空間插值，結(jié)果見圖2。從各評價指標(biāo)空間分異信息來看：研究區(qū)土壤鹽分為0.05%～3.22%，高含鹽量區(qū)域集中在東部封閉型水文地質(zhì)單元及西部局部區(qū)域，總體鹽分分布格局以弧形由中部、北部向研究區(qū)東部與西部遞增；植被覆蓋度較高區(qū)域集中分布在耕地及其周邊地區(qū)，結(jié)合土地利用類型來看，研究區(qū)北部、南部邊緣地帶以戈壁、沙地及旱地為主，植被稀疏；土壤電導(dǎo)率分布與土壤鹽分分布在空間上表現(xiàn)出較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，空間分布基本一致；地表灌水量空間分布不均，東部灌水少，西部灌水多，主要原因是東部土壤鹽漬化較為嚴(yán)重，僅部分區(qū)域種植耐鹽作物，需水量少，而西部為典型的開敞型水文地質(zhì)單元，水層通透，大量地表灌溉水入滲，加之生態(tài)防護(hù)需水要求，需水量較大；地下水埋深為8.81～80.63 m，僅在東部封閉型水文地質(zhì)單元存在地下水溢出地表情況；受地質(zhì)構(gòu)造及人類生產(chǎn)活動影響，東部區(qū)域地下水礦化度相對較高，且表現(xiàn)出由東部封閉型區(qū)域向四周遞減的趨勢；研究區(qū)坡度變化不大，地形較緩，適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動；研究區(qū)年均降水量為162～191 mm，空間分布相對均勻，為典型的干旱氣候區(qū)；年均水面蒸發(fā)量為2 274～2 358 mm，東部區(qū)域蒸發(fā)能力相對較強(qiáng)，這與該區(qū)域土壤含鹽量正相關(guān)，即在高蒸發(fā)作用下，土壤鹽分以蒸發(fā)作用為動力通過毛細(xì)管向地表運(yùn)移，加劇了土壤鹽漬化；年均氣溫為7.90～9.59℃，溫度較高區(qū)域集中分布在研究區(qū)北部，氣溫以弧形向兩端降低，全年氣溫相對較低。

圖2 各指標(biāo)空間插值結(jié)果

3.2 各指標(biāo)因子權(quán)重

運(yùn)用基于云理論改進(jìn)的層次分析法計算各指標(biāo)對水土環(huán)境脆弱性影響的權(quán)重Wi（Exi，Eni，Hei），同時將各評價指標(biāo)以期望Ex為第一排序要素、熵En為第二排序要素、超熵He為第三排序要素［18］進(jìn)行層次總排序，進(jìn)而得到12個評價指標(biāo)對目標(biāo)層的層次總排序，計算結(jié)果見表5。

表5 各評價指標(biāo)權(quán)重

由表5可知：研究區(qū)區(qū)域尺度下水土環(huán)境脆弱性影響因素重要性排序為土壤鹽分＞植被覆蓋度＞土地利用類型＞地表灌水量＞地下水埋深＞地下水礦化度＞土壤電導(dǎo)率＞年均蒸發(fā)量＞年均降水量＞年均氣溫＞海拔＞坡度。其原因主要是：在綠洲生態(tài)系統(tǒng)中，土壤狀態(tài)、植被覆蓋狀態(tài)以及土地利用方式是控制水土環(huán)境演變態(tài)勢發(fā)展的關(guān)鍵性因素，對區(qū)域尺度水土環(huán)境時空分異進(jìn)程的影響較大；水因素作為地表及地下溶質(zhì)運(yùn)移的載體，對區(qū)域水土環(huán)境影響較大；水文氣候因素通過參與區(qū)域內(nèi)水循環(huán)及為水熱傳輸提供動力對區(qū)域內(nèi)水土環(huán)境時空分異進(jìn)程有微觀驅(qū)動作用；地形因素作為水土環(huán)境的客觀載體，在微觀尺度影響著水土環(huán)境的時空演繹態(tài)勢，對區(qū)域尺度水土環(huán)境脆弱性的影響較小。

3.3 綜合指標(biāo)評價結(jié)果與分析

根據(jù)表5中評價指標(biāo)權(quán)重以及景電灌區(qū)水土環(huán)境脆弱性分級標(biāo)準(zhǔn)，利用ArcGIS軟件的柵格計算模塊將各驅(qū)動要素的空間狀態(tài)進(jìn)行加權(quán)疊加，得到灌區(qū)2018年的水土環(huán)境脆弱性空間分布，見圖3。通過ArcGIS分析統(tǒng)計功能得到各風(fēng)險等級面積及占比，見表6。

圖3 景電灌區(qū)水土環(huán)境脆弱性空間分布

表6 研究區(qū)不同等級水土環(huán)境脆弱性面積統(tǒng)計

由圖3及表6可知：研究區(qū)水土環(huán)境脆弱性基本保持在Ⅰ～Ⅲ級，各脆弱性等級空間分布存在明顯的地區(qū)差異。Ⅰ級脆弱性主要分布在直灘鄉(xiāng)、紅水鎮(zhèn)北部局部地區(qū)以及景泰縣西南部，總面積82 594.73 hm2，面積占研究區(qū)總面積的27.4%；Ⅱ級脆弱性分布在海子灘鄉(xiāng)與大墩灘鄉(xiāng)的西北側(cè)以及四灘鄉(xiāng)向喜泉鎮(zhèn)延伸的條帶區(qū)域，總面積74 154.39 hm2，面積占比24.6%；Ⅰ、Ⅱ級脆弱性區(qū)域多為人類聚居地，隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)及生態(tài)文明建設(shè)的不斷發(fā)展，植被覆蓋度及生態(tài)治理投資占比提高，土地資源抗干擾能力、自我恢復(fù)能力較強(qiáng)。Ⅲ級脆弱性區(qū)域主要分布在研究區(qū)西部及北部等，總面積71 742.87 hm2，面積占比23.8%。該區(qū)域受長期不合理灌溉模式影響，區(qū)域水鹽分布不平衡，同時北部存在較大面積的戈壁灘，生態(tài)環(huán)境相對脆弱。重度、極度脆弱（Ⅳ級、Ⅴ級）區(qū)域主要集中在蘆陽鎮(zhèn)和草窩灘鎮(zhèn)封閉型水文地質(zhì)單元，總面積72 948.63 hm2，面積占比24.2%。從各指標(biāo)對水土環(huán)境的影響來看，隨著灌溉過程的不斷推進(jìn)，該區(qū)域受水文特征及地質(zhì)構(gòu)造影響，地下水排泄不暢，導(dǎo)致地下水水位逐漸升高。地下水礦化度升高，在強(qiáng)蒸發(fā)作用下，基于水熱傳輸引發(fā)的水鹽運(yùn)移過程不斷發(fā)展，土壤鹽分驅(qū)動次生鹽漬化不斷加劇，水土環(huán)境系統(tǒng)功能嚴(yán)重退化。

4 結(jié) 論

針對以往水土環(huán)境脆弱性評價方法存在的不足，從土壤植被因素、水因素、地形因素以及水文氣候因素4個方面建立了干旱區(qū)人工綠洲水土環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)體系?；谠评碚摳倪M(jìn)了傳統(tǒng)層次分析法，既摒棄了傳統(tǒng)層次分析法的主觀性，又很好地刻畫了各指標(biāo)之間的模糊性，使得評價結(jié)果更準(zhǔn)確。

由各指標(biāo)權(quán)重排序可知，土壤鹽分、植被覆蓋度、土地利用類型及地表灌水量是區(qū)域尺度水土環(huán)境脆弱性演化的主要驅(qū)動因素。研究區(qū)水土環(huán)境脆弱性基本保持在Ⅰ～Ⅲ級，水土環(huán)境脆弱性空間分布整體表現(xiàn)出西低東高的空間格局。Ⅰ級脆弱性區(qū)域主要分布在直灘鄉(xiāng)、紅水鎮(zhèn)北部局部地區(qū)以及景泰縣西南部，面積占總面積的27.4%；Ⅱ級脆弱性區(qū)域集中分布在海子灘鄉(xiāng)與大墩灘鄉(xiāng)西北側(cè)以及四灘鄉(xiāng)向喜泉鎮(zhèn)延伸的條帶區(qū)域，面積占比24.6%；Ⅲ級脆弱性區(qū)域主要分布在研究區(qū)西部及北部等，面積占比23.8%；重度、極度脆弱性區(qū)域（Ⅳ級及Ⅴ級）集中分布在區(qū)域東部蘆陽鎮(zhèn)和草窩灘鎮(zhèn)的封閉型水文地質(zhì)單元，面積占比24.2%。