第三章 黄河三角洲水资源脆弱性评价与承载力分析

第一节 水资源脆弱性评价

一、影响因子分析

水资源脆弱性的研究始于地下水资源脆弱性概念的提出（Albinet＆Marget，1968）。对于水资源的脆弱性定量研究工作尚显不足，Surendra N.Kulshreshtha（1998）从人口增长、粮食自给程度、工业增长及气候变化四个方面对全球现状水平（1990年）及未来水平（2025年）的水资源脆弱性进行对比评价。国内水资源脆弱性研究起步于20世纪90年代中期，研究内容多为地下水脆弱性，近年来部分学者在水资源脆弱性的概念、内涵、定量评估方法等方面做了有益的探索。刘绿柳较早提出了水资源脆弱性的概念，并且在分析其脆弱性内涵的基础上选择17个指标建立了评价水资源脆弱性指标体系；邹君等以南方地表水资源系统为研究对象，选择19个评价指标构建了地表水资源脆弱性的评价指标体系。李剑颖以官厅水库为研究对象，在深入分析探讨水资源脆弱性理论的基础上，构建了包含21个指标的水资源脆弱性评价体系；吕彩霞等以海河流域为研究对象，构建了13个指标的评价体系对研究区进行了海河流域水资源脆弱性评价。

在以上的研究中，多年平均降水量、过境水量、水利工程调节能力、万元GDP用水量、人均水资源量、水质污染综合指数、地下水更新能力、地下水超采等指标选取的最多，本次研究在考虑前人选取指标的基础上，针对黄河三角洲的特殊性而提出一些特许性的指标。下面对黄河三角洲水资源脆弱性的主要影响因素进行分析。

（一）降水量

降水是地表水、地下水的补给来源，降水量的大小及其时空变化特征，对区域水资源的大小及其时空变化特征有着极大的影响，其变化特征在一定程度上反映地表水和地下水的数量和特征。东营市在山东省属少雨地区，受地理纬度、地形地貌、天气形势等因素的影响，在时空分布上极不均匀。因此选择多年平均降水量作为水资源脆弱性的影响因子之一，单位为mm。

（二）水资源量

1.当地水资源量

东营市多年平均地表水资源量为42736万m³，在山东省属于水资源较贫乏的地区。由于大面积盐碱地的分布，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，地下水资源也比较匮乏。因此，东营市成为山东省水资源最匮乏的地区之一，多年平均当地水资源总量仅为61596万m³，人均水资源量为333m³/人，约为全国平均水平的1/7。本次选取多年平均径流深、含水层富水性、含水层补给模数和人均水资源量作为水资源脆弱性的影响因子之一。

多年平均径流深是区域地表水资源丰富程度的重要指标，它包含了区域气温、下垫面、地形等多方面的影响水资源脆弱性的自然地理信息，单位为mm。

含水层富水性反应含水层中地下水量的丰富程度，它取决于含水层的分布范围、厚度、透水性和补给条件，一般是根据开采时井、泉的最大涌水量来衡量，单位分别为m³/d。

含水层补给模数是指一年内施加在地表单位面积上并且入渗到含水层的总水量，反映了地下水的更新能力，单位为万m³/（a·km²）。

人均水资源量反映人口对当地水资源的压力，单位为m³/人。

2.客水资源量

东营市受到自然条件限制，地表水、地下水资源非常匮乏，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。东营市通过提水、引水、蓄水等水利工程设施的建设来改变地表水资源在空间上的分布不均匀问题。因此，本次研究选择工程调蓄能力和外调水占供水量的比例作为水资源脆弱性的影响因子之一。

工程调蓄能力是人类克服区域地表水资源系统空间分布不均匀的响应行为的衡量指标。采用区域单位面积水库、山塘等水利设施的容积来表征。

外调水占供水量的比例体现了区域对外调水依赖性情况，反映当地水源供水量的丰富程度。

3.水资源利用效率

尽管东营市水资源总量不足，大部分用水需要由黄河来供给，但水资源综合利用率仍不是很高，甚至存在浪费现象。因此，本次研究选择万元GDP取水量作为水资源脆弱性的影响因子之一。万元GDP取水量是从提高水资源利用效率，减少需水量的角度来表达水资源脆弱性，反映地区的用水效率，单位为m³/万元。

（三）地下水开采

地下水的适度开采（开采量小于补给量）可增加表层带的调蓄能力，但是地下水的过量开采会造成区域地下水位大幅度下降，特别在滨海地区，淡水区的地下水漏斗变大，将造成海水入侵的加剧。因此我们在黄河三角洲进行研究时可以把地下水位等值线作为边界线，把地下水负值区水位、地下水开采模数、地下水埋深作为评价水资源脆弱性的因子之一。

1.地下水开采模数

地下水开采仅仅反映的是量上的大小，而没有考虑区域面积与开采量的关系，因此我们选用地下水开采模数来作为评价地下水脆弱性的指标。地下水开采模数是单位面积上的地下水开采量，单位为万m³/km²。

2.地下水负值区

地下水出现负值区是地下水超采的标志。在本次研究中，由于黄河三角洲地处渤海西岸、渤海湾和莱州湾湾口，海平面以下的地下水位都将存在遭受古代或者现代海水入侵的威胁。因此，把地下水负值区水位作为水资源脆弱性的评价因子之一。

3.地下水埋深

地下水埋深因子与负值区因子存在着一定的相关性，地下水埋深越大，相应的地下水漏斗越大，负值区也越大，但是地下水埋深越大，地表污染物进入地下水的时间越长，脆弱性越弱。因此，为了更真实地反映地下水埋深对黄河三角洲水资源脆弱性的影响，本次研究认为：在划定的负值区范围内，地下水埋深越大，脆弱性越强；在负值区以外的情况，地下水埋深越大，脆弱性越弱。

（四）下垫面

改变流域下垫面的地形、地貌、土壤、植被等条件，水文过程的各环节也相应发生变化，如蒸发、入渗、产流的量会加大或减小，水循环的路径和速率也会发生变化，也就是说，利用原来的降水—径流关系不能反映下垫面变化后的流域降水径流形成规律和水文循环过程。人类活动对水资源的影响集中表现在对下垫面的改变上，即土地利用情况的改变。因此选择土地利用情况作为水资源脆弱性的影响因子之一。

（五）水质

东营市地表水资源目前均受到不同程度的污染，污染源重点是城镇生活和工矿企业污废水排放、油区落地原油等。水资源污染给水环境带来较严重的影响，根据环保部门对河道水质监测分析结果，市境内的重要河流及过境河流均属污染河流，其中小清河、支脉河、广利河、太平河、挑河等均属严重污染河流。因此，本次选取地表水综合污染指数作为水资源脆弱性的影响因子之一。地表水综合污染指数选取pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、挥发酚、汞、铅、石油类共计9项。综合污染指数用式P=计算。其中：P为综合污染指数；P_i为i污染物的污染指数；n为污染物的种类；C_i为i污染物的实测浓度平均值 （mg/L或个/L）；S_i为i污染物评价标准值 （mg/L或个/L）。

东营市地下水包括浅层和深层地下水，浅层地下水主要靠大气降水补给，主要分布在小清河以南广饶县境内；小清河以北以及小清河以南广饶县大码头、大营、西流桥三个乡镇均属于咸水区，浅层地下水矿化度5～20g/L，由南向北，由西向东递减，该区地下水含有毒物质，不适宜开采。地下水水质以氯化物超标最严重，为不适于饮用、高矿化度、高硬度的苦咸水。因此，本次选取地下水矿化度作为水资源脆弱性的影响因子之一，单位为g/L。矿化度越大，水质越差，地下水脆弱性就越弱。

东营市现状总灌溉面积为283.11万亩，农田用水量为52877万m³，占总取水量的62.26%。农业灌溉在消耗大量水资源的同时，给当地的水环境也带来了污染。2010年东营市农药施用量为6226t，农用化肥施用量达114415t。由于农业污染属于大面积的面状污染，反映农业活动对水质的污染潜力，本次选择农田单位面积化肥施用量作为水资源脆弱性影响因子之一，单位为kg/hm²。

二、评价模型构建

本次采用可变模糊集理论 （陈守煜，2009），在建立评价指标体系基础上，构建可变模糊识别模型，并采用改进熵权法计算指标权重，进而对黄河三角洲水资源脆弱性进行评价。

（一）可变模糊集理论简介

1.相对差异度、相对差异函数与模糊可变集合的概念与定义

设论域U上的一个模糊概念 （事物、现象），对U中的任意元素u或u∈U，在相对隶属度函数的连续统数轴任一点上，u对表示吸引性质的相对隶属度为（u），对表示排斥性质的相对隶属度为（u）∈[0，1]。设

式中：（u）为u对的相对差异度。

映射：

称为u对的相对差异函数，如图3-1所示。

图3-1 相对差异函数示意图

再令

式中：为模糊可变集合；A₊、A_-、A₀ 分别为模糊可变集合的吸引 （为主）域、排斥和渐变式变界。

2.相对差异函数模型

设X₀=[a，b]为实轴上模糊可变集合的吸引域，即（u）＜1区间，X=[c，d]为包含X₀（X₀⊂X）的某一上、下界范围域区间。根据模糊可变集合的定义可知[c，a]与[b，d]均为的排斥域，即（u）＜0区间，设M为吸引 （为主）域区间[a，b]中（u）=1的点值，按物理分析确定，如图3-2所示。

图3-2 点x、M与区间X₀、X的位置关系图

当x为X区间内的任意点的量值，则x落入M点左侧时，其相对差异函数为

式中：β为非负指数，通常可取β=1，即相对差异函数模型为线性函数。

当x落入M点右侧时，其相对差异函数模型为

当x落到范围域［c，d］之外时

式 （3-8）与式 （3-9）满足：①当x=a、x=b时，（u）=0；②当x=M时，（u）=1；③当x=c、x=d时，（u）=-1。符合相对差异函数定义。

（二）基于GIS的可变模糊评价模型构建

1.指标体系构建

针对目前水资源脆弱性研究成果少的现状，立足于对水资源脆弱性内涵的理解，考虑到黄河三角洲水资源系统的特点，遵循主导因素原则、客观性原则、可操作性和可比性原则。在水资源脆弱性影响因子分析的基础上，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3-3所示。

图3-3 水资源脆弱性指标体系

2.评价指标的参数分区

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。依据研究区《山东省环境地质图集》《研究区水资源公报（2010年）》等相关数据资料，获得15个评价指标属性值的空间分布图，分别是：研究区多年平均降雨量分区图、多年平均径流深分区图、含水层富水性分区图、含水层补给模数分区图、人均水资源量分区图、工程调蓄能力分区图、外调水占供水量比例分区图、万元GDP取水量分区图、地下水开采模数分区图、负值区地下水位分区图、地下水埋深分区图、土地利用分区图、地表水污染指数评价结果分区图、地下水矿化度分区图、单位农田面积化肥施用量分区图。

3.指标体系评价标准

为尽可能避免指标评价标准制定时存在的主观性，本次基于最大方差法对各个指标进行聚类分析，并在此基础上构建指标三级评估标准，为更好地描述区域空间变化特征提供了依据。其中对于定性指标土地利用的空间值，根据对水资源的影响程度设定。研究区指标评价标准，见表3-1。

（三）可变模糊识别模型构建

n个样本（评价分区）的集合，X=（x₁，x₂，…，x_n），其中第i个评价分区的m个指标特征值表示：x_i=（x_i1，x_i2，…，x_im），则样本集可用n×m的指标特征矩阵表示：X=（x_ij），其中，i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

依据样本中m个指标按c级别的标准特征值进行识别，则有m×c阶指标标准区间矩阵：

式中：y_jh为指标i级别h的标准区间矩阵；a_jh、b_jh为指标j级别h的标准区间的上、下限值。

参照指标标准区间矩阵和待评价区域的实际情况确定各指标的吸引域矩阵和范围域矩阵：

式（3-11）和式（3-12）对越大越优和越小越优型指标均适合。

根据模糊可变集合定义和相对差异度的概念，确定在已知级别h指标j的特征值的相对差异度=1的点值矩阵为

式中

根据式 （3-13）或者式 （3-14）确定（u），进而可求解相对隶属度

将指标相对隶属度（u）及指标权重ω_i代入可变模糊模型，如式 （3-15）所示，指标权重采用式 （3-16）计算，然后，即可对每个GIS叠加分区进行水资源脆弱性评价。

式中：α为优化准则参数，取1或2。

根据模糊概念在分级条件下最大隶属度原则的不适用性，应用陈守煜提出的相对级别（状态）特征值对样本进行评价。已知u对模糊概念的级别变量相对隶属度分布列h～（u） （h=1，2，…，c），级别变量h以其相对隶属度（u）为权重，则应用级别特征值公式评价每个样本的等级

为了更细致地应用级别（或类别）特征值进行判断或评定，给出判断准则公式：

对于中间级别，利用上述准则可以更加精确的描述出其向相邻级别的偏向。

（四）改进熵权法

熵权法的核心思想是评价指标之间的差异程度越大越重要，则相应权重也越大。许多研究结果表明：熵权法的确能够减弱指标权重的人为干扰，使评价结果更符合实际，但当不同指标的熵值差异不大时，则相应指标权重区分不开。为此，本次采用改进的熵权法来计算评价指标的权重W，计算方法为

且满足（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n），为保证lnf_ij有意义，对其进行修正，计算公式为f_ij=。

三、评价结果分析

（一）指标权重计算

利用MapGIS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310个分区，如图3-4所示。

根据上述构建的水资源脆弱性评价模型，按照式（3-19）及式（3-20）计算出各指标的权重，见表3-2。

图3-4 空间分析分区图

参照指标标准区间矩阵和待评价区域的实际情况，采用前述计算公式确定黄河三角洲各评价指标的吸引域矩阵I_ab、范围域矩阵I_cd、点值矩阵M，即可求解相对差异度值和相对隶属度。将计算出各指标的权重及相对隶属度矩阵代入可变模糊识别模型，采用优化准则参数α=2，p=1，判断各分区的脆弱性评价级别（表3-3），其空间分布如图3-5所示。

图3-5 研究区水资源各分区的水资源脆弱性评价结果图

（二）评价结果分析

通过研究区水资源脆弱性评价结果，可以看出：

（1）研究区整体水资源脆弱性程度处于中高度脆弱以上，水资源脆弱性很低的区域没有。研究区水资源高度脆弱地区占研究区总面积的80.35%，中等偏高脆弱地区占研究区总面积的4.31%，中等偏低脆弱地区占研究区总面积的15.34%。

（2）水资源脆弱性空间变化相对较大，沿海、小清河、支脉河区域水资源脆弱性较高，沿黄河区域及广饶部分地区脆弱性相对较低。分析原因是东营市大部分区域地下水矿化度较高，尤其沿海地区受到海水入侵，矿化度更高，对跨流域外调水依赖性较大，导致该区域水资源脆弱性较高；小清河、支脉河地区受到地下水过度开采、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，尤其支脉河下游，处于东营市工业园区水体污染较高；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，处于中等偏低脆弱。