基于GIS的廣西西江流域脆弱性評價及綜合整治研究

，

(廣西師范學院 a.北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室;b.廣西地表過程與智能模擬重點實驗室; c.地理科學與規(guī)劃學院, 南寧 530001)

1 研究背景

流域作為一個資源、人口和資本相對集中的水文單元，在生態(tài)系統(tǒng)的演變及人類頻繁活動的雙重作用下，流域生態(tài)系統(tǒng)承受的脅迫不斷增加，脆弱性增強[1]。脆弱性評價是對某一研究對象自身結(jié)構(gòu)和功能進行評估，評價其在外部的擾動下受到的影響，系統(tǒng)對擾動的抵抗能力及從不利影響中的恢復響應能力，其研究目的是探索研究對象的脆弱性現(xiàn)狀，為研究區(qū)的綜合治理及可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)[2]。隨著流域脆弱性研究的不斷深入，以流域為研究對象的生態(tài)脆弱性、災害脆弱性、水資源脆弱性、社會生態(tài)系統(tǒng)脆弱性等方面的研究成果不斷涌現(xiàn)。脆弱性評價方法也在不斷深化，目前已形成層次分析法[3]、空間主成分分析法[3-4]、熵權(quán)法[5]、TOPSIS法[6]等多種評價方法。通過查閱文獻可知，各學者運用不同的方法對各區(qū)域的脆弱性進行了分析與評價，但多是基于單因子的脆弱性評價，缺乏對流域生態(tài)環(huán)境、水資源、災害等多方面的綜合考量。

西江是連接沿海發(fā)達地區(qū)和大西南的黃金水道，而廣西西江流域作為珠三角都市圈上游的水源涵養(yǎng)區(qū)，生態(tài)地位重要[7]。在自然與人類活動的共同影響下，土壤污染、水土流失加重，生物多樣性減少，水源污染，災害頻發(fā)，生態(tài)系統(tǒng)脆弱易損。本研究以脆弱性的理論體系為指導，以3S技術(shù)為支撐，以廣西西江流域為研究區(qū)域，以1 km×1 km柵格為評價單元，從生態(tài)、水資源、災害3方面進行分析，構(gòu)建廣西西江流域脆弱性評價指標體系?？臻g主成分分析法和層次分析法相結(jié)合，對流域脆弱性進行綜合評價，旨在科學地討論流域脆弱性的空間分異及特征，并針對性地提出流域脆弱性管理對策。本研究對廣西西江流域的綜合治理和可持續(xù)發(fā)展具有一定的現(xiàn)實意義，為加強流域生態(tài)系統(tǒng)的科學管理提供數(shù)量化決策依據(jù)和理論支持。

2 數(shù)據(jù)與方法

流域脆弱性評價是對生態(tài)環(huán)境及人類活動復合巨系統(tǒng)脆弱性現(xiàn)狀的綜合性評價，本研究從生態(tài)、資源、災害3部分構(gòu)建多要素與多層次的評估指標體系，結(jié)合數(shù)學模型及GIS空間分析方法評價廣西西江流域的脆弱性現(xiàn)狀及空間分布規(guī)律[8]。

2.1 數(shù)據(jù)及處理

本研究所用的遙感數(shù)據(jù)主要來源于美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey，簡稱USGS)(http:∥glovis.usgs.gov/)；汛期降雨量數(shù)據(jù)主要來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務平臺(http:∥cdc.cma.gov.cn/)；行政區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要來源于廣西統(tǒng)計年鑒(2014)；環(huán)境及水資源數(shù)據(jù)主要來源于廣西水利統(tǒng)計年鑒(2014)。

將所有點源數(shù)據(jù)采用反比距離權(quán)重插值法進行空間插值[4]，并將空間分辨率不一致的空間數(shù)據(jù)重采樣為1 km分辨率的柵格圖。為消除量綱的差異，采用極差標準化方法進行標準化處理，解決由于量綱及物理意義不同而指標之間無法比較的問題。

2.2 指標體系構(gòu)建

廣西西江流域地勢自西北向東南傾斜，資源空間分布不均，降雨季節(jié)分布不均，汛期(5—8月份)洪澇災害頻發(fā)，人口眾多，城鄉(xiāng)二元化結(jié)構(gòu)明顯，生產(chǎn)生活污水排放污染水源，生態(tài)系統(tǒng)負荷不斷加大，危及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。流域在生境脆弱、資源不斷減少、災害頻發(fā)的現(xiàn)狀下，脆弱性不斷增強。依據(jù)評價指標選取的科學性、系統(tǒng)性、可行性等原則，結(jié)合廣西西江流域的實際情況及前人的研究成果，本研究將廣西西江流域脆弱性作為一級指標；以生態(tài)脆弱性、資源脆弱性、災害脆弱性3個子系統(tǒng)為二級指標；再細分為若干三級指標[9]，并將指標劃分為正指標和負指標。指標值越大，脆弱性程度越高的作為正指標；指標值越小，脆弱性程度越高的作為負指標，構(gòu)建完成廣西西江流域脆弱性評價指標體系，見表1。

表1 廣西西江流域脆弱性評價指標體系Table 1 Index system of vulnerability evaluation for Xijiang River drainage basin in Guangxi

2.3 主要評價模型

2.3.1 無量綱化模型

由于各個指標的性質(zhì)不同，單位和量綱也不一致，無法直接使用。為解決原始指標不可對比的問題，本研究采用極差標準化方法分別對正、負向指標進行標準化處理[10]，指標極差標準化公式如下：

正向指標處理方法為

Xi=(xi-xmin)/(xmax-xmin) ；

(1)

負向指標處理方法為

Xi=(xmax-xi)/(xmax-xmin) 。

(2)

式中：Xi為指標i的標準化值；xi為指標i的初始值；xmin為指標i的最小值；xmax為指標i的最大值。

2.3.2 空間主成分分析法(Spatial Principal Component Analysis，SPCA)

當指標數(shù)量較多時，各指標的信息量有不同程度的重疊，因此，本研究采用較為客觀的空間主成分分析法對指標進行主成分提取，在最大程度保留信息的同時減少數(shù)據(jù)量。本研究統(tǒng)一選取累計貢獻率超過85%的主成分進行分析，依據(jù)空間主成分分析結(jié)果，計算脆弱性指數(shù)V，其計算公式為

V=r1PC1+r2PC2+r3PC3+…+rnPCn。(3)

式中：ri為第i個主成分對應的貢獻率；PC1,PC2,PC3,…, PCn為累計貢獻率超過85%的特征值所對應的第1，第2，第3，…,第n個主成分。其中貢獻率的計算公式為

(4)

式中λi為第i個主成分的特征值。

2.3.3 層次分析法(Analytic Hierarchy Process ，AHP)

通過建立層次結(jié)構(gòu)，根據(jù)專家意見，判斷因子之間的重要性，構(gòu)造判斷矩陣，然后計算層次單排序及層次總排序，當矩陣通過一致性檢驗，即CR<0.10時，可得到因子權(quán)重[11]。層次分析法帶有一定的主觀性，可依據(jù)研究區(qū)的情況及研究者對其的認識對因子進行權(quán)重賦值，可使研究結(jié)果更加貼合實際。依據(jù)專家意見，對相關因子進行賦值，計算脆弱性綜合指數(shù)VI，其計算公式為

(5)

式中：fi為第i個因子的量化值；wi為第i個因子的權(quán)重；n為因子個數(shù)。

3 研究區(qū)域

西江作為華南地區(qū)最長的河流，位于我國西南部，從烏蒙山區(qū)起，流經(jīng)云南、貴州、廣西、廣東等地[12]。廣西西江流域位于104°E—113°E，21°N—27°N之間。西江流域廣西段主要支流有南盤江、紅水河、郁江、柳江、賀江、桂江等，水資源總量約占廣西水資源總量的85.5%。流域內(nèi)總體為山地丘陵性盆地地貌[13],巖溶地貌發(fā)育，年均氣溫在16.5～23.1 ℃之間，年均降水量為1 080～2 760 mm。土壤類型主要以紅壤、赤紅壤、水稻土為主。植被類型主要有針葉林、灌叢，及水稻、大豆、甘蔗、油茶等栽培植物。

4 結(jié)果與分析

4.1 脆弱性綜合指數(shù)的計算

本研究采用ArcGIS 10.1的Principal Components 函數(shù)，分別對生態(tài)脆弱性因子、資源脆弱性因子及災害脆弱性因子的多個指標進行空間主成分分析，得到各主成分的特征值、貢獻率及累計貢獻率，如表2所示。本研究一致選取累計貢獻率85%以上的主成分替代原始指標，并依據(jù)式(3)進一步計算各脆弱性因子的脆弱性指數(shù)。

表2 各主成分的特征值、貢獻率及累計貢獻率Table 2 Eigenvalues, contribution rates and accumulated contribution rates of principal components

通過專家打分法，對3個脆弱性因子賦予權(quán)重，采用yaahp軟件計算得到生態(tài)脆弱性因子、資源脆弱性因子和災害脆弱性因子的權(quán)重分別為0.614 4，0.117 2，0.268 4，其層次總排序的隨機一致性檢驗結(jié)果為CR=0.070 7<0.10，認為層次總排序一致性結(jié)果較好。將權(quán)重代入式(5)，計算得到廣西西江流域脆弱性綜合指數(shù)。

根據(jù)廣西西江流域脆弱性評價結(jié)果，脆弱性綜合指數(shù)越高，說明該地區(qū)脆弱程度越高，按照自然斷裂法對廣西西江流域脆弱性進行分級，將廣西西江流域脆弱性綜合指數(shù)(VI)從低到高分為5級。廣西西江流域脆弱性分級標準如表3所示。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 脆弱性空間分布特征

廣西西江流域脆弱性空間分布如圖1所示。

表3 廣西西江流域脆弱性分級標準Table 3 Classification criterion of vulnerability of Xijiang River drainage basin

圖1 廣西西江流域脆弱性空間分布Fig.1 Spatial distribution of vulnerability of Xijiang River drainage basin

根據(jù)圖1可知：廣西西江流域的脆弱性總體分布趨勢為從西南向東部和北部遞增；在生態(tài)、資源和災害的共同影響下，流域西南部及部分市轄區(qū)如崇左市中部、南寧市轄區(qū)、柳州市轄區(qū)等脆弱性較低，為潛在脆弱區(qū)；流域中部地區(qū)為微度脆弱區(qū)。脆弱性相對較低的地區(qū)由于地形起伏度和坡度較小，水資源豐富，降雨量適中，并且社會經(jīng)濟條件較好，對生態(tài)環(huán)境及災害的響應能力較強，因此脆弱性相對較低。輕度脆弱區(qū)主要分布于微度脆弱區(qū)和中度脆弱區(qū)的過渡地帶，如桂平市、河池市等地;中度脆弱區(qū)主要分布于流域的東部,該地區(qū)資源分布有差異，降雨較多，易發(fā)生洪澇災害;重度脆弱區(qū)主要分布于地形起伏較大的流域北部及東部的部分地區(qū)，盡管這些地區(qū)的植被覆蓋度較好，但受地形條件的限制，經(jīng)濟發(fā)展受限，洪澇災害頻發(fā)，水資源可獲取性較低，抵抗脆弱的能力不強。

表5 廣西西江流域不同高程分帶的脆弱性等級分布Table 5 Vulnerability levels corresponding to different elevation ranges in Xijiang River drainage basin

表6 廣西西江流域巖溶區(qū)與非巖溶區(qū)的脆弱性等級分布Table 6 Vulnerability levels in karst and non-karst regions of Xijiang River drainage basin

表4為廣西西江流域脆弱性面積統(tǒng)計結(jié)果。表4表明，流域整體脆弱性等級在Ⅱ—Ⅳ級之間，占流域總面積的75.46%，其中中度脆弱區(qū)面積占比最大，為29.11%。另外，潛在脆弱區(qū)面積占比為11.48%，多分布于廣西西江流域的西南地區(qū)。重度脆弱區(qū)占總面積的13.06%，多分布于地形起伏度較大的地區(qū)。

表4 廣西西江流域脆弱性等級面積統(tǒng)計Table 4 Statistics of area of different vulnerability levels

4.2.2 脆弱性隨海拔高程的分布

根據(jù)廣西西江流域DEM數(shù)據(jù)，廣西西江流域地形總體西北部較高，中部和南部地區(qū)較低。參考西江經(jīng)濟帶(廣西段)可持續(xù)發(fā)展研究的高程分級標準，將廣西西江流域地形高程分為5級，分別是<100,[100,200),[200,400),[400,800],>800 m[14]。將廣西西江脆弱性分級圖和DEM分級圖疊加，統(tǒng)計各高程分帶下不同脆弱性等級的面積和占比，統(tǒng)計結(jié)果見表5。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，地形高程<100 m的地區(qū)微度脆弱區(qū)面積最大，占高程100 m以內(nèi)總面積的36.42%；其次潛在脆弱區(qū)和中度脆弱區(qū)也有一定量的分布，重度脆弱區(qū)占比最少，僅為0.08%。地形高程在100～200 m的地區(qū)脆弱性分布狀況與地形高程在100 m以內(nèi)的地區(qū)相似。地形高程在200～400 m的地區(qū)多為微度脆弱及輕度脆弱區(qū)，占高程200～400 m以內(nèi)總面積的67.22%，另外，中度脆弱區(qū)面積占比為20.50%，潛在脆弱區(qū)及重度脆弱區(qū)面積占比較少。地形高程400～800 m的地區(qū)輕度脆弱區(qū)及中度脆弱區(qū)面積占比較大，其他脆弱性級別面積占比較少。地形高程>800 m的地區(qū)中度脆弱區(qū)及重度脆弱區(qū)占有相當大的比例。從整體結(jié)果看，地形高程越大，脆弱性越強，地形高程與脆弱性關系較為密切。

4.2.3 脆弱性在巖溶區(qū)與非巖溶區(qū)的分布

廣西西江流域內(nèi)喀斯特地貌廣泛分布，部分地區(qū)巖溶發(fā)育強烈，在一定程度上會導致流域生態(tài)環(huán)境較為脆弱[15]。根據(jù)統(tǒng)計，流域內(nèi)巖溶區(qū)面積約為91 038 km2，占流域總面積的45%左右；非巖溶區(qū)面積約為110 851 km2，約占流域總面積的55%。將流域地質(zhì)類型圖與流域脆弱性分級結(jié)果疊加，分析流域內(nèi)巖溶區(qū)與非巖溶區(qū)的脆弱性狀況。

根據(jù)表6分析結(jié)果可知，巖溶區(qū)主要為微度脆弱和輕度脆弱，而中度脆弱和重度脆弱的面積占比較少；相反，中度脆弱和重度脆弱在非巖溶區(qū)中的面積要比巖溶區(qū)的面積大。整體來看，巖溶區(qū)的脆弱程度并不大于非巖溶區(qū)。究其原因，筆者認為是因為石漠化治理工程成效逐漸凸顯，生態(tài)環(huán)境狀況轉(zhuǎn)好，并且在巖溶區(qū)洪澇災害相對非巖溶區(qū)少，災害脆弱性較低，因此巖溶區(qū)整體脆弱性程度并不高于非巖溶區(qū)。

5 流域綜合整治建議

西江流域作為我國珠江水系的干流之一的兩大流域之一，資源豐富，承載能力強。在未來，廣西西江流域的經(jīng)濟發(fā)展速度將會加快，工業(yè)化建設強度也會加大，資源需求增加，人類活動頻繁，流域自然環(huán)境面臨的壓力也會越來越大?；趶V西西江流域的脆弱性現(xiàn)狀及流域發(fā)展趨勢，本研究提出的綜合整治建議如下：

(1)生態(tài)優(yōu)先，構(gòu)建生態(tài)安全格局。始終堅持生態(tài)環(huán)境保護優(yōu)先的原則，不以破壞生態(tài)環(huán)境為代價換取眼前利益，保持水土，保護生態(tài)環(huán)境，加強石漠化治理，構(gòu)建生態(tài)安全格局。

(2)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，合理利用資源。在各級規(guī)劃的指導下，以因地制宜和可持續(xù)發(fā)展為原則，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。合理利用資源，禁止過度開發(fā)。

(3)嚴格控制排污。有關部門應加大監(jiān)管力度，控制排污總量，確保排污質(zhì)量達標，嚴格防范污染風險，保護水環(huán)境和大氣環(huán)境安全。

(4)完善法律法規(guī)，健全監(jiān)測治理體系。在現(xiàn)有法律法規(guī)如《環(huán)境保護法》 、《水土保持法》 、《水污染防治法》等的基礎上，依據(jù)廣西西江流域的現(xiàn)狀，有關部門還應健全流域監(jiān)測體系，掌握流域的動態(tài)變化，早發(fā)現(xiàn)早治理，確保流域環(huán)境安全穩(wěn)定。

6 結(jié) 論

(1)本研究在分析廣西西江流域地理特征及現(xiàn)狀特點的前提下，多角度、多指標要素地構(gòu)建流域脆弱性指標體系，采用空間主成分分析法和層次分析法主客觀相結(jié)合的評價方法，對廣西西江流域脆弱性進行定量化評估。

(2)研究結(jié)果表明，流域脆弱性總體呈現(xiàn)從西南部向東部與北部遞增趨勢，整體脆弱性在微度脆弱—中度脆弱之間，面積占比為75.46%，面積占比最小的為潛在脆弱區(qū)，為11.48%。流域脆弱性空間分布與高程呈正相關關系，脆弱性隨著海拔的增高而增大。巖溶地貌并未對脆弱性有明顯影響。

(3)為緩解人地矛盾，減緩廣西西江流域的脆弱性發(fā)展速度，提出流域綜合整治的措施與建議，對脆弱流域進行綜合治理，維護廣西西江流域的可持續(xù)性發(fā)展。