基于ArcGIS的下遼河平原地下水脆弱性評(píng)價(jià)及空間結(jié)構(gòu)分析

孫才志, 奚 旭, 董 璐

1 遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院, 大連 116029 2 遼寧師范大學(xué)海洋經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展研究中心, 大連 116029

基于ArcGIS的下遼河平原地下水脆弱性評(píng)價(jià)及空間結(jié)構(gòu)分析

孫才志1,2,*, 奚 旭1, 董 璐2

1 遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院, 大連 116029 2 遼寧師范大學(xué)海洋經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展研究中心, 大連 116029

以下遼河平原為研究區(qū)，通過(guò)選取1991、2000和2010年3個(gè)代表年的相關(guān)參數(shù)，在DRASTIC模型基礎(chǔ)上構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行地下水脆弱性評(píng)價(jià)，并以地下水中氮元素濃度為響應(yīng)指標(biāo)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上借助GS+、ArcGIS和Geoda095i等軟件的制圖功能和空間統(tǒng)計(jì)分析功能，對(duì)下遼河平原地下水脆弱性的空間分布特征、變異規(guī)律以及空間關(guān)聯(lián)格局進(jìn)行研究分析，結(jié)果表明：①1991—2010年下遼河平原地下水脆弱性總體上呈先增后減趨勢(shì)，空間分布上以沈陽(yáng)市為中心的地下水高脆弱區(qū)向南部沿海方向擴(kuò)散；②1991—2010年研究區(qū)地下水脆弱性Moran′sI表現(xiàn)為較強(qiáng)正相關(guān)現(xiàn)象，且關(guān)聯(lián)程度呈略微下降趨勢(shì)；③1991—2010年研究區(qū)地下水脆弱性局部空間自相關(guān)和顯著性水平均發(fā)生了明顯的變化；④研究區(qū)內(nèi)地下水脆弱性受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同作用，且隨機(jī)性因素在3個(gè)時(shí)期內(nèi)有逐步上升趨勢(shì)。研究成果反映了研究區(qū)地下水脆弱性空間結(jié)構(gòu)的變異規(guī)律及驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為決策者在未來(lái)地下水污染防治方面提供相關(guān)參考依據(jù)。

下遼河平原; 地下水脆弱性; 地統(tǒng)計(jì)學(xué); 空間自相關(guān)分析; 空間關(guān)聯(lián)格局

自20世紀(jì)以來(lái)，隨著人口的不斷增加與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類對(duì)水資源的需求量越來(lái)越大，導(dǎo)致供需矛盾日益突出，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展因此受到制約。地下水以其儲(chǔ)量豐富、水質(zhì)良好、易于開采等優(yōu)點(diǎn)被大量開發(fā)利用，然而人類活動(dòng)的過(guò)度影響致使世界各國(guó)各地區(qū)面臨不同程度的地下水環(huán)境污染與破壞問(wèn)題，因此重視地下水污染防治和保護(hù)已經(jīng)成為世界各國(guó)提高社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略任務(wù)[1]。

地下水脆弱性評(píng)價(jià)作為地下水合理開發(fā)利用與保護(hù)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，已經(jīng)成為國(guó)際水文地質(zhì)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問(wèn)題。自1968年Margat[2]提出“地下水脆弱性”這一術(shù)語(yǔ)以來(lái)，其概念和研究方法不斷得到豐富和發(fā)展。在國(guó)外，DRASTIC模型與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合評(píng)價(jià)區(qū)域地下水脆弱性是目前研究熱點(diǎn)[3-7]，該方法可以直觀明了地反映研究區(qū)地下水脆弱性具體分布狀況，但需要大量數(shù)據(jù)支撐，對(duì)人力物力需求比較大；此外，Rupert等許多學(xué)者[8-12]利用地下水脆弱性與氮元素成線性關(guān)系，通過(guò)分析研究區(qū)硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的實(shí)測(cè)資料，對(duì)DRASTIC方法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了校正，該方法適用于農(nóng)業(yè)活動(dòng)區(qū)，評(píng)價(jià)結(jié)果比較精確。我國(guó)學(xué)者分析了DRASTIC方法的不足之處[13-16]，并為其科學(xué)理論性的提升做出了較大貢獻(xiàn)，如陳守煜等[17]提出脆弱性十級(jí)語(yǔ)氣算子，孟憲萌、束龍倉(cāng)等[18]引入模糊集與信息熵理論，都豐富了DRASTIC指標(biāo)權(quán)重確定的理論依據(jù)不足；張小凌等[19]、孫才志等[20]、趙春紅等[21]運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法，契合地下水脆弱性的模糊性特征，使評(píng)價(jià)結(jié)果更為細(xì)致合理；在實(shí)際應(yīng)用中，許多學(xué)者在DRASTIC模型的理解基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)具體水文地質(zhì)條件和數(shù)據(jù)的可得性做出改變，如范琦等[22]提出的DRUA 模型，黃冠星等[23]提出了DRTALGC模型，孫愛(ài)榮等[24]根據(jù)實(shí)際情況用降雨入滲補(bǔ)給量替代DRASTIC模型中地下水凈補(bǔ)給量，均取得了科學(xué)合理的評(píng)價(jià)結(jié)果。

多元化的研究方法使評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理，但地下水是個(gè)開放的系統(tǒng)，地下水環(huán)境具有地域性、時(shí)效性和可變性特點(diǎn)[25]，且受土地利用、污染物排放、人口變化等人為因素的長(zhǎng)期影響，地下水脆弱性在時(shí)空分布上具有不確定性、復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)變化性，決策者如果單憑現(xiàn)狀年的評(píng)價(jià)結(jié)果提出保護(hù)方案是不具有針對(duì)性的。下遼河平原是遼寧省最重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心，也是東北最缺水的地區(qū)[26]，長(zhǎng)期的不合理開發(fā)利用地下水導(dǎo)致了一系列的水文地質(zhì)問(wèn)題，如地下水位下降、地下水漏斗、海水入侵等，目前關(guān)于下遼河平原地下水方面的研究有地下水脆弱性評(píng)價(jià)[20]、地下水硝酸鹽氮的特殊脆弱性評(píng)價(jià)[27]以及地下水生態(tài)系統(tǒng)的敏感性[28]和恢復(fù)力[26]評(píng)價(jià)等，這些研究對(duì)于下遼河平原地下水的管理與保護(hù)具有一定意義，但其研究都側(cè)重于地下水某方面的評(píng)價(jià)，而對(duì)相關(guān)現(xiàn)象的時(shí)空演變及空間結(jié)構(gòu)分析的成果比較少。

鑒于此，本次研究在參考前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合DRASTIC模型和人為影響因子構(gòu)建地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)選取下遼河平原1991年、2000年和2010年的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行多階段地下水脆弱性評(píng)價(jià)，并以地下水中氮元素濃度為響應(yīng)指標(biāo)對(duì)地下水評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行合理性分析。在此基礎(chǔ)上利用GS+、ArcGIS、Geoda095i等軟件對(duì)下遼河平原地下水脆弱性進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和空間自相關(guān)分析，通過(guò)反映研究區(qū)整體和局部地下水脆弱性的空間分異規(guī)律及關(guān)聯(lián)格局演變情況，揭示其內(nèi)在變化規(guī)律及驅(qū)動(dòng)機(jī)制，研究結(jié)果可以為決策者提出地下水環(huán)境污染防治方案提供參考和決策依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法——DRASTIC模型

DRASTIC模型是1985年由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(USEPA)提出的[29]，該模型由7項(xiàng)對(duì)地下水脆弱性影響比較大的水文地質(zhì)參數(shù)組成：地下水位埋深D(Depth to Water)、凈補(bǔ)給量R(Net Recharge)、含水層介質(zhì)類型A(Aquifer Media)、土壤介質(zhì)類型S(Soil Media)、地形坡度T(Topography)、滲流區(qū)介質(zhì)類型I(Impact of the Vadose Zone Media)以及含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)C(Hydraulic conductivity of the Aquifer)。7項(xiàng)參數(shù)按其對(duì)地下水脆弱性的影響程度不同，分別被賦予固定權(quán)重值：5、4、3、2、1、5、3，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：0.217、0.174、0.131、0.087、0.043、0.217、0.131。本次研究在DRASTIC模型基礎(chǔ)上，根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)的可獲得性與代表性[20，30]，選取P(人均水資源量)、X(耕地比)、F(施肥強(qiáng)度)、G(單位面積工業(yè)廢水排放量)4項(xiàng)對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤嗳跣杂绊懞艽蟮娜藶橛绊懸蜃幼鳛樘厥獯嗳跣灾笜?biāo)，并參考DRASTIC權(quán)重，根據(jù)對(duì)地下水脆弱性影響程度不同賦予相對(duì)權(quán)重值：6、7、6、7，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：0.231、0.269、0.231、0.269。DRASTIC模型中每個(gè)指標(biāo)根據(jù)其變化范圍和內(nèi)在屬性進(jìn)行等級(jí)劃分，并給出相應(yīng)脆弱性評(píng)分值，評(píng)分值越大則脆弱性等級(jí)越高(表1—表3)。根據(jù)文獻(xiàn)[20]，考慮到地下水受人類活動(dòng)影響比較大， 將本質(zhì)脆弱性與特殊脆弱性分別賦予0.4和0.6的權(quán)重，各項(xiàng)指標(biāo)脆弱性評(píng)分值加權(quán)疊加得到地下水脆弱性綜合指數(shù)VI(Vulnerability Index)：

VI=0.4(DwDr+RwRr+AwAr+SwSr+TwTr+IwIr+CwCr)+0.6(PwPr+XwXr+FwFr+GwGr)

(1)

式中,下標(biāo)w表示權(quán)重,r表示評(píng)分。由公式1可得，計(jì)算得到的地下水脆弱性綜合指數(shù)介于1—10之間，與脆弱性分級(jí)評(píng)分意義相一致。

表1 含水層埋深、含水層凈補(bǔ)給量、地形坡度、含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)分級(jí)與評(píng)分

表2 含水層介質(zhì)類型、土壤介質(zhì)類型、滲流區(qū)介質(zhì)類型的分級(jí)與評(píng)分

表3 特殊脆弱性指標(biāo)的分級(jí)與評(píng)分

1.2 空間統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

1.2.1 地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是空間統(tǒng)計(jì)學(xué)的一門重要分支，它是以區(qū)域化變量為基礎(chǔ)，借助變異函數(shù)，研究既具有隨機(jī)性又具有結(jié)構(gòu)性，或空間相關(guān)性和依賴性的自然現(xiàn)象的一門科學(xué)。半方差分析是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中一個(gè)重要組成部分，它包括3個(gè)重要參數(shù)：塊金值(Nugget)、基臺(tái)值(Sill)、變程(Range)，詳細(xì)的參數(shù)意義與函數(shù)公式見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[31]，本文不再贅述。本次研究利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的半方差函數(shù)理論模型解釋地下水脆弱性的的空間變異結(jié)構(gòu)，變異函數(shù)理論模型最優(yōu)選擇用決定系數(shù)R2來(lái)決定，并綜合考慮RSS、塊金值和有效距離[32]。

1.2.2 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析是一系列空間數(shù)據(jù)分析方法和技術(shù)的集合[33]，用于定量分析事物在空間上的依賴關(guān)系，應(yīng)用到地下水脆弱性評(píng)價(jià)中，可通過(guò)可視化分布圖揭示地下水脆弱性的空間集聚特征，揭示其內(nèi)在變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制?？臻g自相關(guān)性指標(biāo)包括全局指標(biāo)和局部指標(biāo)兩種：全局Moran′sI指數(shù)用于驗(yàn)證整個(gè)研究區(qū)域某一要素的空間模式，而局部Moran′sI指數(shù)則表示整個(gè)區(qū)域中一個(gè)單元區(qū)域上的某一屬性與鄰近單元區(qū)域同一屬性值的相關(guān)程度。全局空間自相關(guān)指數(shù)的計(jì)算公式如下[34]：

(2)

局部空間自相關(guān)是將Moran′sI分解到各個(gè)空間單元，其公式為[34]：

(3)

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文以下遼河平原為研究區(qū)，選取1991年、2000年和2010年下遼河平原所跨市、縣(區(qū))的相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。水文地質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)自《遼寧省水資源公報(bào)》、《遼寧省國(guó)土資源地圖集》、《遼寧國(guó)土資源》、《遼寧省水資源》、DEM提取數(shù)據(jù)以及多年多測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)資料。人為因素的參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)自《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《遼寧統(tǒng)計(jì)調(diào)查年鑒》、《遼寧省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《遼寧水資源公報(bào)》等資料。

應(yīng)用ArcGIS軟件，將各年指標(biāo)數(shù)據(jù)按其查找精度導(dǎo)入各縣、市、調(diào)查樣區(qū)、水文地質(zhì)研究區(qū)等形成各指標(biāo)圖層，并將所有圖層按同一單元格大小進(jìn)行柵格化，然后進(jìn)行加權(quán)疊加計(jì)算，得到脆弱性分布網(wǎng)格圖，每個(gè)網(wǎng)格中心屬性值即該單元區(qū)的脆弱性評(píng)分值，最后將網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析。

2 研究區(qū)概況與網(wǎng)格劃分

2.1 研究區(qū)概況

圖1 下遼河平原地理位置圖 Fig.1 The geographic location map of the lower reaches of Liaohe River Plain

下遼河平原呈北東—南西方向斜臥在遼寧省的中南部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)120°42′至 124°45′，北緯40°43′至 43°27′之間，南北長(zhǎng)約240 km，東西寬120—140 km，面積約2.65萬(wàn) km2，是遼寧省最大的平原。平原地勢(shì)東西兩側(cè)向中部地區(qū)傾斜，北南方向上逐漸低平，平均海拔低于50 m，是區(qū)域地表水和地下水的匯集中心。地下水的總徑流方向與地勢(shì)趨同，由東西兩側(cè)山前到中部平原呈放射狀，至中部平原后，總的徑流方向是從東北到西南，最后進(jìn)入遼東灣。該區(qū)是遼寧省地理和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心，也是最重要的商品糧基地，人類活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤嗳跣杂绊懕容^大。行政區(qū)劃隸屬于遼寧省鐵嶺市、阜新市、沈陽(yáng)市、撫順市、遼陽(yáng)市、鞍山市、營(yíng)口市、盤錦市、錦州市，總跨9市22縣(圖1)。

2.2 單元網(wǎng)格的劃分

為了盡量精確地表達(dá)研究區(qū)內(nèi)地下水脆弱性的空間關(guān)聯(lián)特征，需要對(duì)研究區(qū)進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。在保證每個(gè)尺度內(nèi)信息的完整性及定量評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性基礎(chǔ)上，綜合研究區(qū)面積大小與采樣工作量，本次研究將研究區(qū)劃分成6028個(gè)2 km×2 km的正方形網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格即地下水脆弱性單元區(qū)，采樣方式為等間距，計(jì)算每一個(gè)樣區(qū)的地下水脆弱性指數(shù)，并把這個(gè)值作為樣區(qū)中心點(diǎn)的屬性值進(jìn)行分析。

3 地下水脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

3.1 地下水脆弱性時(shí)空演變分析

通過(guò)公式1以及ArcGIS技術(shù)，得到研究區(qū)1991年、2000年和2010年在2 km×2 km格網(wǎng)下的地下水脆弱性分布圖(圖2)，對(duì)研究區(qū)內(nèi)脆弱性評(píng)分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可得地下水脆弱性的時(shí)空演變狀況(表4)。

圖2 下遼河平原2 km×2 km格網(wǎng)上的地下水脆弱性分布圖Fig.2 Groundwater vulnerability distribution of lower reach of Liaohe River Plain under 2 km×2 km grid

表4 地下水脆弱性評(píng)分分區(qū)各年比例及變化

地下水脆弱性指數(shù)越高，地下水環(huán)境形勢(shì)越嚴(yán)峻，由圖2和表4可得，1991至2010年期間，地下水脆弱性整體水平上呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，高脆弱區(qū)的面積比例明顯減少，低脆弱區(qū)的面積比例明顯增大。在空間格局上變化較為顯著，高脆弱性集中區(qū)從以沈陽(yáng)市為中心的周邊城市向沿海城市方向擴(kuò)散，而沈陽(yáng)市等地區(qū)的地下水脆弱性明顯得到改善。

1991年脆弱性指數(shù)主要集中在6—7范圍內(nèi)，占研究區(qū)總面積的53.26%，屬于較高范圍，主要分布在錦州市、鞍山市和盤錦市，這些區(qū)域是整個(gè)研究區(qū)中工農(nóng)業(yè)發(fā)展最早的地區(qū)，在早期開發(fā)過(guò)程中人們地下水環(huán)境的污染防范意識(shí)薄弱，致使整體地下水脆弱性較高。以沈陽(yáng)為中心向四周擴(kuò)散的地區(qū)地下水脆弱性最高，其中最高級(jí)別脆弱區(qū)(脆弱性評(píng)分值大于8)占22.14%，主要分布在新民市和遼中縣，這些地區(qū)均屬于沈陽(yáng)市，早期以農(nóng)業(yè)為主，耕地面積比達(dá)到0.46，單位面積施肥量更是達(dá)到41.24 t/km2,為研究區(qū)最高。高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)種植與化肥施用致使當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境污染非常嚴(yán)重。

到2000年地下水脆弱性評(píng)分主要集中在7—8范圍，面積占54.78%，主要分布在盤錦市、鞍山市和沈陽(yáng)市等地。1991年到2000年期間，沈陽(yáng)市的耕地面積進(jìn)一步擴(kuò)大，耕地比達(dá)到0.52，但工業(yè)廢水排放從原先的11422.78 t/km2降到了6403.69 t/km2，整體上取得了改善效果；鞍山市作為工業(yè)城市，2000年的單位面積工業(yè)廢水排放量達(dá)到12207.09 t/km2，領(lǐng)先于其他城市，以工業(yè)發(fā)展為主的人類活動(dòng)影響當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境惡化；盤錦市工農(nóng)業(yè)均十分發(fā)達(dá)，而近海地帶地質(zhì)條件非常薄弱，資源開發(fā)與沿海養(yǎng)殖業(yè)興起致使當(dāng)?shù)氐叵滤嗳跣缘燃?jí)升高。錦州市的地下水脆弱性得到明顯改善，可見(jiàn)當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)風(fēng)景旅游城市與港口城市，實(shí)施優(yōu)先開發(fā)與優(yōu)先保護(hù)政策得到顯著效果。

圖3 下遼河平原多年平均地下水脆弱性分布及氮元素濃度水平對(duì)應(yīng)圖Fig.3 The corresponding map of many years average groundwater vulnerability distribution and nitrogen concentration in lower reach of Liaohe River Plain

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)氮元素濃度對(duì)應(yīng)脆弱性評(píng)分值散點(diǎn)圖 Fig.4 The scatterplot of nitrogen concertration from monitoring points and the corresponding vulnerability rating

2010年的主要脆弱區(qū)仍然集中在7—8范圍內(nèi)，但比例明顯下降，主要集中在沈陽(yáng)市和盤錦市等地，其中沈陽(yáng)市高脆弱性區(qū)比例進(jìn)一步改善，人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)與管理工作取得了有效成果；盤錦市位于出?？冢叵滤牡刭|(zhì)條件薄弱，伴隨東北老工業(yè)基地的振興、能源開采以及沿海養(yǎng)殖業(yè)等活動(dòng)的加強(qiáng)，該地區(qū)人均GDP連續(xù)多年排在遼寧省第一，但同時(shí)地下水環(huán)境面臨巨大挑戰(zhàn)，需加強(qiáng)地下水管理與保護(hù)工作，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。其他低脆弱區(qū)比例均得到提升，最高級(jí)別脆弱區(qū)進(jìn)一步得到改善，僅為0.25%。

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果合理性分析

利用地下水脆弱性等級(jí)與地下水中氮元素濃度成正比關(guān)系這一原理，對(duì)本次地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法得到的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)分析。將多年平均水文地質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)與人為因子數(shù)據(jù)代入公式1，結(jié)合ArcGIS制圖功能得出多年平均地下水脆弱性分布圖，并以此為底圖，標(biāo)出研究區(qū)中31個(gè)監(jiān)測(cè)井的地理位置以及研究期內(nèi)多年平均實(shí)測(cè)氮元素(氨氮、硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮濃度之和)濃度資料(圖3)，并對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氮元素濃度與對(duì)應(yīng)的地下水脆弱性評(píng)分進(jìn)行線性分析(圖4)。

氮元素濃度較高的監(jiān)測(cè)井一般分布在地下水脆弱性評(píng)分較高地區(qū)，濃度較低的監(jiān)測(cè)井一般分布在地下水脆弱性評(píng)分較低地區(qū)(圖3)，可見(jiàn)本次地下水脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果與監(jiān)測(cè)井的實(shí)測(cè)氮元素濃度數(shù)據(jù)存在一定正比關(guān)系。將各監(jiān)測(cè)井的地下水脆弱性評(píng)分與氮元素濃度置于XY坐標(biāo)系(圖4)，擬合直線方程為y=0.028x+5.3864，并將兩組數(shù)據(jù)通過(guò)SPSS進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得到在0.01水平上顯著性相關(guān)，表明兩者之間具有較強(qiáng)線性關(guān)系。綜上可以得出，本次研究方法計(jì)算出的地下水脆弱性指數(shù)具有良好的科學(xué)應(yīng)用性。

4 地下水脆弱性空間結(jié)構(gòu)分析4.1 空間結(jié)構(gòu)變異性分析

根據(jù)已經(jīng)計(jì)算出的采樣區(qū)地下水脆弱性數(shù)值，用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+完成樣本變異函數(shù)理論模型的擬合，結(jié)果見(jiàn)表5。由表可知，1991年和2000年的地下水脆弱性指數(shù)模型擬合效果最佳，2010年以球形擬合效果最好。

地下水脆弱性的空間異質(zhì)性受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素影響，結(jié)構(gòu)性因素主要包括DRASTIC 7個(gè)參數(shù)在內(nèi)的水文地質(zhì)條件，而隨機(jī)性因素主要包括特殊脆弱性指標(biāo)在內(nèi)的人類活動(dòng)因子。塊金值C0的大小表明地下水脆弱性變化受隨機(jī)性因素影響的程度，本次研究中，C0/(C0+C)在1991、2000和2010年分別為4%、5.9%和12.1%，呈不斷上升趨勢(shì)，說(shuō)明在2 km的采樣間距內(nèi)，人類活動(dòng)對(duì)地下水環(huán)境的影響程度越來(lái)越深。從表5中可得，1991年、2000年和2010年的地下水脆弱性空間分異變程分別為5.32 km、1.77 km和5.40 km，所以在2 km的采樣間距內(nèi)地下水脆弱性具有高度的空間相關(guān)性。

表5 下遼河平原地下水脆弱性理論變異函數(shù)

4.2 空間結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性分析

4.2.1 全局自相關(guān)分析

根據(jù)1991年、2000年和2010年地下水脆弱性的空間分布數(shù)據(jù)，利用Geoda095i軟件統(tǒng)計(jì)分析得出Moran′sI散點(diǎn)圖(圖5)。如圖5所示，全局Moran′sI值在1991年、2000年和2010年時(shí)分別為0.9171、0.9009和0.8869，表明研究區(qū)地下水脆弱性存在較強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，即地下水脆弱性在空間分布上存在集群現(xiàn)象，即高脆弱區(qū)與高脆弱區(qū)相鄰，低脆弱區(qū)與低脆弱區(qū)相鄰，而隨著時(shí)間推移，總體呈現(xiàn)出略微下降趨勢(shì)。

圖5 地下水脆弱性Moran散點(diǎn)圖Fig.5 The Moran scatter of the groundwater vulnerability degree

4.2.2 局部自相關(guān)分析

全局Moran′sI指數(shù)可檢驗(yàn)研究區(qū)內(nèi)地下水脆弱性的整體空間分布模式，卻不能反映相鄰區(qū)域間的空間關(guān)聯(lián)模式以及局域顯著性水平，因此需要進(jìn)一步研究局部小區(qū)的地下水脆弱性與相鄰局部小區(qū)上的地下水脆弱性的相關(guān)程度。通過(guò)對(duì)研究單元的地下水脆弱性進(jìn)行局域空間關(guān)聯(lián)格局分析，得到LISA集聚圖(圖6)與LISA顯著性檢驗(yàn)圖(圖7)。

圖6 下遼河平原3個(gè)時(shí)期地下水脆弱性局部空間自相關(guān)LISA集群圖Fig.6 The LISA cluster graph of local spatial autocorrelation in the lower reaches of Liaohe River Plain in 1991, 2000 and 2010

從圖6中可以看出，1991年“高—高”值分布集中，主要分布在沈陽(yáng)市區(qū)、新民市和遼中縣等地，這部分地區(qū)為高脆弱性地下水集中區(qū)，行政隸屬于沈陽(yáng)市。沈陽(yáng)位于遼寧省中部，被鋼鐵基地鞍山，煤炭基地?fù)犴?，化纖基地遼陽(yáng)，煤鐵基地本溪，石油基地盤錦，煤糧基地鐵嶺，電力基地阜新等7座大型工商業(yè)城市所包圍，構(gòu)成了經(jīng)濟(jì)聯(lián)系特別緊密，結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)的工農(nóng)業(yè)城市群，沈陽(yáng)市作為中心地區(qū)，對(duì)周邊城市工農(nóng)業(yè)具有較強(qiáng)吸收力與輻射力，該地區(qū)地下水環(huán)境受人類活動(dòng)影響很大，地下水脆弱性呈不斷增強(qiáng)的趨勢(shì)?！暗汀汀敝祬^(qū)分布零散，主要分布在大洼縣、海城市和鐵嶺縣等地，這與同一時(shí)期的地下水脆弱性分布圖基本一致。

2000年研究區(qū)地下水脆弱性的 “高—高”值地區(qū)基本沒(méi)有發(fā)生變化，但是區(qū)域范圍變小，沈陽(yáng)市區(qū)已經(jīng)不在范圍以內(nèi)，作為遼寧省省會(huì)城市，地理與經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心，沈陽(yáng)市的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義，應(yīng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先保護(hù)與重點(diǎn)保護(hù)本區(qū)地下水環(huán)境，收到了顯著成效。而“低—低”值區(qū)大部分面積從隨機(jī)分布轉(zhuǎn)變?yōu)榧悍植几窬?，主要分布在下遼河平原西部地區(qū)。

2000年至2010年研究區(qū)地下水脆弱性的集群結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，位于沈陽(yáng)各縣市的“高—高”值區(qū)進(jìn)一步變小，位于濱海三角洲的盤錦市、大洼縣等地出現(xiàn)“高—高”集群，這與當(dāng)?shù)馗咚侔l(fā)展的經(jīng)濟(jì)發(fā)展活動(dòng)是緊密聯(lián)系的。“低—低”值區(qū)則主要分布在下遼河平原的東南部，這部分地區(qū)地下水水資源豐富，有較強(qiáng)調(diào)節(jié)功能。

從圖7中局部自相關(guān)顯著性水平看，1991年地下水脆弱性的“高—高”值區(qū)大部分為0.01的顯著性水平，部分地區(qū)達(dá)到了0.05，而“低—低”值區(qū)域大部分達(dá)到了0.05，東南角地區(qū)的“低—低”值以0.01為主。而到了2000年，“高—高”值地區(qū)和“低—低”值地區(qū)的顯著性水平都有下降趨勢(shì)，均以0.01的顯著性水平為主。2010年顯著性水平明顯增強(qiáng)，濱海三角洲地區(qū)的“高—高”值分布區(qū)與位于臺(tái)安縣以及周邊的“低—低”值地區(qū)以0.05的顯著性水平為主，而位于研究區(qū)西北部和中部的“高—高”區(qū)與東南部的“低—低”區(qū)大部分都能達(dá)到0.01。

圖7 下遼河平原3個(gè)時(shí)期地下水脆弱性局部空間自相關(guān)LISA顯著性水平圖Fig.7 The LISA significance level graph of local spatial autocorrelation in the lower reaches of Liaohe River Plain in 1991,2000 and 2010

5 結(jié)論

本次研究以下遼河平原為研究區(qū)，綜合DRASTIC模型與人為影響因子構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系計(jì)算地下水脆弱性指數(shù)，通過(guò)空間自相關(guān)分析的Morans′I指數(shù)和空間變差函數(shù)為刻度指標(biāo)，以3個(gè)時(shí)間斷面為基礎(chǔ)，分析自1991年到2010年下遼河平原地下水脆弱性及其空間結(jié)構(gòu)的演變狀況。研究結(jié)果表明：

(1)綜合DRASTIC模型中水文地質(zhì)參數(shù)與人為影響因子，以指數(shù)加權(quán)疊加法得到地下水脆弱性指數(shù)，通過(guò)地下水脆弱性與地下水水質(zhì)中氮元素成線性關(guān)系這一原理對(duì)地下水脆弱性的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行合理性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示出較好的線性擬合性，表明評(píng)價(jià)方法與評(píng)價(jià)結(jié)果結(jié)果具有一定說(shuō)服力。

(2)通過(guò)ArcGIS的加權(quán)疊加功能得到下遼河平原地下水脆弱性的分布圖，可直觀清晰地看出3個(gè)時(shí)間段地下水脆弱性具體分布情況以及空間演變狀況。在3個(gè)時(shí)間段內(nèi)，地下水脆弱性整體呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，高脆弱區(qū)的面積比例明顯減少，低脆弱區(qū)的面積比例明顯增大。在空間分布上變化明顯，由沈陽(yáng)市為中心的高脆弱性區(qū)域向南方沿海城市方向擴(kuò)散，而沈陽(yáng)市等地的地下水脆弱性情況得到控制與改善。

(3)利用GS+軟件進(jìn)行模型擬合分析得出1991年和2000年的地下水脆弱性指數(shù)模型擬合效果最佳，2010年以球形擬合效果最佳。C0值比例在3個(gè)時(shí)期比例不斷上升，人類活動(dòng)對(duì)地下水脆弱性的影響程度不斷加大。變程的變化趨勢(shì)表明，本文采取的2 km采樣區(qū)間具有較強(qiáng)空間自相關(guān)性。

(4)全局Moran′sI值在1991年、2000年和2010年分別為0.9171、0.9009和0.8869，表明研究區(qū)地下水脆弱性存在較強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，即地下水脆弱性在空間分布上存在集群現(xiàn)象，是存在一定內(nèi)在聯(lián)系的，非隨機(jī)的。局部空間自相關(guān)分析表明，從1991—2010年間地下水脆弱性的空間集群結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化?！案摺摺敝档貐^(qū)從下遼河平原北部逐步向南部濱海三角洲地區(qū)集聚，而原先的“高—高”值地區(qū)范圍逐步變小。“低—低”值地區(qū)由零散變集聚，由西部向東南部方向集聚。而地下水脆弱性的集群分布的顯著性水平均發(fā)生明顯變化。

在利用DRASTIC指數(shù)疊加法綜合計(jì)算本質(zhì)脆弱性和特殊脆弱性時(shí)，部分指標(biāo)的脆弱性等級(jí)范圍劃分并無(wú)嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，本次研究結(jié)合研究區(qū)實(shí)情與前人研究基礎(chǔ)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性劃定，權(quán)重確定為DRASTIC自帶固定權(quán)重，均受主觀因素影響較大，因此，采用更加科學(xué)合理的計(jì)算方法地下水脆弱性是有待進(jìn)一步完善的。

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An ArcGIS-based analysis of groundwater spatial structure and groundwater vulnerability in the lower reaches of the Liaohe River Plain

SUN Caizhi1,2,*, XI Xu1, DONG Lu2

1CollegeofUrbanandEnvironment,LiaoningNormalUniversity，Dalian116029，China2KRI-CenterforStudiesofMarineEconomyandSustainableDevelopmentofLiaoningNormalUniversity,Dalian116029,China

High-quality groundwater bodies with relatively stable water volumes, good water quality, and a high resistance to pollution are widely distributed throughout the world. They play an important role in, among other things, the domestic water supply, economic development, and maintaining the integrity of the geological environment and ecological balance. However, with rapid socio-economic development, increasing human demand for water has resulted in increasing pressure on, and unreasonable use of, groundwater bodies. Consequently, groundwater systems throughout the world are subject to varying degrees of pollution and destruction, one result of which is an increasing disequilibrium between the supply of and demand for water resources.The field of international hydrogeology is concerned with evaluation of groundwater vulnerability, which is considered a basic task in the development and protection of groundwater resources. Currently, groundwater vulnerability is thought to result from characteristics of the groundwater system itself and anthropogenic factors; research into groundwater vulnerability can support groundwater protection. GIS, together with the contraposed index method, is the most popular tool for calculating groundwater vulnerability indices. Because the hydrogeological environment is not under the complete control of human activities, a thorough understanding of groundwater vulnerability and the causes of its variation is necessary for environmental managers to enact preventive and pollution control measures.This study was based on the DRASTIC model. Groundwater parameters for 3 years (1991, 2000, and 2010) were used to calculate the distribution of groundwater vulnerability in the lower reaches of the plain of the Liaohe River, using ArcGIS. Groundwater nitrogen concentration was used as a response index to test the reliability of results. Using the mapping and spatial statistical analysis functions in GS+, ArcGIS, and Geoda095i, we evaluated and analyzed the spatial distribution, variation, and spatial correlation patterns of groundwater vulnerability in the tested area. Results showed that:1) Overall groundwater vulnerability initially decreased but then showed a trend of increase from 1991 to 2010, and high-vulnerability areas were distributed from the regions around Shenyang to the south coast. 2) From 1991 to 2010, groundwater vulnerability showed a strong positive autocorrelation (Moran′sI), the degree of which showed a slight downward trend. 3) Over the study period, marked changes have occurred in local spatial autocorrelation of groundwater vulnerability and its significance levels. 4) Groundwater vulnerability in the study area was influenced by a combination of structural and random factors. While the random factors have gradually increased over time, structural factors remain important. This study highlights the causes of variation in groundwater vulnerability and the mechanisms that drive its spatial structure in the study area and can provide a reference for policy makers to support development of groundwater pollution control and protection plans.

lower Liaohe River Plain; groundwater vulnerability; geo-statistics; spatial autocorrelation; spatial correlation patterns

教育部高等學(xué)校博士點(diǎn)基金(2012123611000); 國(guó)家自然科學(xué)基金(40501013)

2014-03-28; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2014-12-18

10.5846/stxb201403280580

*通訊作者Corresponding author.E-mail: suncaizhi@lnnu.edu.cn

孫才志, 奚旭, 董璐.基于ArcGIS的下遼河平原地下水脆弱性評(píng)價(jià)及空間結(jié)構(gòu)分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(20):6635-6646.

Sun C Z, Xi X, Dong L.An ArcGIS-based analysis of groundwater spatial structure and groundwater vulnerability in the lower reaches of the Liaohe River Plain .Acta Ecologica Sinica,2015,35(20):6635-6646.