基于AHP-EWM的萊州市海岸帶海水入侵災(zāi)害風(fēng)險評價與區(qū)劃

束龍倉,黃 蕾,陳華偉,魯程鵬,劉 波

1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,南京 210098

2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,南京 210098

3.山東省水利科學(xué)研究院, 濟南 250000

0 引言

海水入侵是指在自然或人為因素影響下,濱海地帶含水層的水動力條件發(fā)生改變,破壞了淡水與海水之間的平衡狀態(tài),導(dǎo)致海水或高礦化度的咸水沿含水層向內(nèi)陸方向侵入的過程與現(xiàn)象[1]。海水入侵污染地下淡水資源,造成生態(tài)環(huán)境惡化,人畜飲用劣質(zhì)水導(dǎo)致疾病增加,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用被污染的地下水加速工業(yè)管道、設(shè)備的腐蝕和老化,農(nóng)業(yè)因地下水變咸導(dǎo)致土壤鹽漬化而大量減產(chǎn),給海岸帶區(qū)域的生產(chǎn)生活造成了嚴重影響。因此,開展海水入侵災(zāi)害的研究,對提高海岸帶地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)能力和經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

海水入侵作為全球沿海地區(qū)普遍存在的環(huán)境災(zāi)害問題,國內(nèi)外研究主要集中于氣候變化[2-5]和人類活動影響,其主要特征均為受人類地下水超量開采影響較大,研究手段多為構(gòu)建評價指標體系,利用層次分析法或模糊綜合評價法等方式確定權(quán)重,并通過GIS等軟件進行結(jié)果分布呈現(xiàn)[1, 6-7]。2001年,J. P. L. Ferreira和A. G. Chachadi提出的GALDIT(groundwater occurrence, aquifer hydraulic conductivity, depth of groundwater level, distance form the shore, impact of existence status of seawater intrusion, aquifer thickness)方法成為刻畫區(qū)域海水入侵脆弱性評價指標體系的典型代表[8-11],后續(xù)有大量研究以該方法為基礎(chǔ),或是對指標作出相應(yīng)的置換或補充[12-16],或是提出權(quán)重確定方法的改進[17],對不同研究區(qū)域進行海水入侵脆弱性的評價,并在評價基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的海岸管理措施。目前針對海水入侵風(fēng)險評價的研究主要圍繞區(qū)域脆弱性,即更多對現(xiàn)狀的評價,而缺乏對災(zāi)害發(fā)展可能性和對應(yīng)后果的綜合風(fēng)險評估[18-20]。本文在前人研究基礎(chǔ)上,完善海水入侵風(fēng)險評價體系,改進評價方法,對萊州市海岸帶進行基于鎮(zhèn)街行政邊界較為全面的海水入侵災(zāi)害風(fēng)險評價與風(fēng)險區(qū)劃,以期為當?shù)睾Ｋ肭址乐喂ぷ魈峁﹨⒖肌?/p>

1 研究區(qū)概況

萊州市位于山東省煙臺市的西北部,西臨渤海萊州灣,介于119°33′E—120°18′E,36°59′ N—37°28′ N之間。陸域面積1 928 km2,海岸線長108 km,是我國早期發(fā)現(xiàn)海水入侵的地區(qū)之一。研究區(qū)位于萊州市西部臨海地區(qū)(圖1)。20世紀70年代中期,為提高農(nóng)作物產(chǎn)量,萊州灣沿岸農(nóng)民興起了打井灌溉高潮,地下水開采量大幅增加;同時,隨著經(jīng)濟社會發(fā)展,工礦企業(yè)迅速增加,用水量急劇增大,地下水過量超采,加之長期降水較少,地下水水位明顯下降,造成海水入侵。至20世紀80年代中期,當?shù)厝罕妼Φ叵滤臒o序開發(fā)以及海水入侵的被動防治,加快了海水入侵的速度,入侵范圍繼續(xù)擴大。到1997年海水入侵面積發(fā)展到最大,達276.99 km2,占全市總面積的14.75%[21]。1997年以后,由于萊州市采取了一系列措施,海水入侵呈逐年減少趨勢。2010年,萊州市地下水Cl-質(zhì)量濃度大于250 mg/L的海水入侵區(qū)面積為228.50 km2,占全市面積約12.17%。2013年,海水入侵面積為210.65 km2,與高峰相比減少了23.95%,但由于地下水仍是當?shù)刂饕盟畞碓?地下水開采伴隨的海水入侵問題仍然嚴峻。

圖1 研究區(qū)示意圖

截至2022年,萊州市下轄6個街道(文昌路街道、永安路街道、三山島街道、城港路街道、文峰路街道、金倉街道)和11個鎮(zhèn)(沙河鎮(zhèn)、朱橋鎮(zhèn)、郭家店鎮(zhèn)、金城鎮(zhèn)、平里店鎮(zhèn)、驛道鎮(zhèn)、程郭鎮(zhèn)、虎頭崖鎮(zhèn)、柞村鎮(zhèn)、夏邱鎮(zhèn)、土山鎮(zhèn))。資料(1)山東省人民政府關(guān)于山東省地下水限采區(qū)和禁采區(qū)劃定方案的批復(fù)(魯政字〔2015〕30號). 濟南:山東水利科學(xué)研究院,2015.顯示,萊州市海岸帶地區(qū),即永安路街道、三山島街道、城港路街道、金倉街道、沙河鎮(zhèn)、金城鎮(zhèn)、虎頭崖鎮(zhèn)及土山鎮(zhèn)為萊州市主要地下水超采區(qū)和海水入侵風(fēng)險區(qū),故本研究聚焦海岸帶地區(qū)8個鎮(zhèn)街(圖1),以2020年為評價基礎(chǔ)年,基于各鎮(zhèn)街的行政邊界進行對應(yīng)區(qū)域的海水入侵指標分析及評價,得到綜合評價及對應(yīng)風(fēng)險總值,并進行風(fēng)險區(qū)劃。

2 分析方法與數(shù)據(jù)

2.1 海水入侵災(zāi)害風(fēng)險評價指標體系

在災(zāi)害問題的研究中,將風(fēng)險定義為在一定的人員損傷或財產(chǎn)損失水平條件下,某一災(zāi)害發(fā)生的概率值,風(fēng)險評價是對特定期間內(nèi),特定區(qū)域安全、健康、生態(tài)、經(jīng)濟等受到損害的可能性及可能的程度作出評估的系統(tǒng)工程[22-26]。結(jié)合海水入侵的特點,海水入侵風(fēng)險評價是對研究區(qū)進行的已發(fā)生海水入侵區(qū)域入侵程度加劇和未發(fā)生海水入侵區(qū)域發(fā)生海水入侵的可能性,以及海水入侵造成損失大小的評價。本文基于多種災(zāi)害風(fēng)險理論[27-32],結(jié)合海水入侵災(zāi)害特點,厘清災(zāi)害發(fā)生過程的各環(huán)節(jié)要素,包括致災(zāi)因子危險性、承災(zāi)體易損性、災(zāi)害損失及防災(zāi)減災(zāi)能力,構(gòu)建災(zāi)害鏈式傳遞結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 災(zāi)害鏈式傳遞結(jié)構(gòu)圖

本文在明晰災(zāi)害發(fā)生機制的基礎(chǔ)上,將萊州市海水入侵風(fēng)險評價劃分為4個一級指標,即致災(zāi)因子危險性、承災(zāi)體易損性、災(zāi)害損失、防災(zāi)減災(zāi)能力,各個一級指標下包含的對應(yīng)二級指標如下所述。

1)致災(zāi)因子危險性,描述海水入侵災(zāi)害觸發(fā)的客觀條件,即造成海水入侵的外部原因。萊州市海水入侵客觀原因主要包括區(qū)域降水較少以及地下水的大量開采。故,將年平均降水量和地下水開采強度作為二級指標,用于刻畫研究區(qū)海水入侵致災(zāi)因子的危險性。

2)承災(zāi)體易損性,描述海水入侵災(zāi)害觸發(fā)的主觀條件,即區(qū)域海水入侵的內(nèi)在原因。海水入侵承災(zāi)體易損性分別表現(xiàn)在:區(qū)域與海洋直接接觸,為海水入侵創(chuàng)造接觸條件,刻畫指標為海岸線長度;地下水水位低于海平面存在的水頭差為海水入侵創(chuàng)造水動力條件,刻畫指標為地下水水位負值區(qū)面積占比;地下水Cl-質(zhì)量濃度與海水質(zhì)量存在質(zhì)量濃度差,為海水入侵創(chuàng)造溶質(zhì)運移條件,刻畫指標為地下水Cl-質(zhì)量濃度值低于250 mg/L的淡水區(qū)面積占比[33-34],此處選取淡水區(qū)而非咸水區(qū)的原因在于本文著重風(fēng)險的研究,意在描繪海水入侵發(fā)展的可能性,淡水區(qū)作為海水未入侵區(qū)域所承受的遭受海水入侵的可能性較已被入侵的咸水區(qū)高,故淡水區(qū)面積占比作為刻畫承災(zāi)體易損性的指標之一;區(qū)域含水層介質(zhì)條件為海水入侵提供入侵通道,刻畫指標即為含水層介質(zhì)條件。

3)災(zāi)害損失,描述海水入侵帶來的損失影響大小及量化值。災(zāi)害損失主要表現(xiàn)在:人類作為地下水資源功能的主要服務(wù)對象,水質(zhì)惡化直接影響人民群眾的生命健康安全,刻畫指標為區(qū)域人口密度;地下水咸化對區(qū)域地下水利用的影響,刻畫指標為地下水生活用水量與生產(chǎn)用水量和當?shù)叵趟畢^(qū)面積占比的乘積,即地下水生活用水風(fēng)險量和地下水生產(chǎn)用水風(fēng)險量。

4)防災(zāi)減災(zāi)能力,描述針對海水入侵災(zāi)害防治的工程和非工程措施,以及從災(zāi)害中長期和短期內(nèi)恢復(fù)的程度。防災(zāi)減災(zāi)能力主要通過評價鎮(zhèn)街的城市發(fā)展水平,以及區(qū)域內(nèi)是否有用于防控海水入侵的地下水工程,刻畫指標分別為能夠反映區(qū)域城市化發(fā)展水平的鎮(zhèn)街GDP總值及對應(yīng)配套防災(zāi)工程。

綜上,研究區(qū)海水入侵風(fēng)險評價指標體系建立如圖3所示。

圖3 風(fēng)險評價指標體系

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究區(qū)含水層介質(zhì)條件、地下水水位及水質(zhì)觀測數(shù)據(jù)由煙臺市水文中心和山東省水利科學(xué)研究院提供;人口密度及地下水開采量相關(guān)數(shù)據(jù)從《萊州統(tǒng)計年鑒2021》(2)山東省萊州市統(tǒng)計局.萊州統(tǒng)計年鑒2021.煙臺:山東省萊州市統(tǒng)計局,2021.獲得;防災(zāi)減災(zāi)工程從政府發(fā)布相關(guān)工程信息(http://www.laizhou.gov.cn)獲得;GDP數(shù)據(jù)基于1 km×1 km DMSP-OLS(defense meteorological satelite program-operational linescan system)的NLTS(nighttime lights time series)圖像產(chǎn)品夜間燈光圖像,結(jié)合網(wǎng)格化的Landscan人口數(shù)據(jù)集,分解省級GDP獲得[35];年平均降水數(shù)據(jù)獲取自中國氣象中心(https://data.cma.cn/)。

2.3 風(fēng)險評價方法

風(fēng)險評價先對各指標進行風(fēng)險區(qū)間劃分并對每個區(qū)間賦風(fēng)險值,風(fēng)險值根據(jù)研究區(qū)鎮(zhèn)街數(shù)目劃分為風(fēng)險由高到低的8→1,風(fēng)險區(qū)間根據(jù)鎮(zhèn)街對應(yīng)指標數(shù)據(jù)劃分(表1),鎮(zhèn)街指標在對應(yīng)風(fēng)險區(qū)間即賦該指標的對應(yīng)風(fēng)險值,風(fēng)險值越大,海水入侵災(zāi)害風(fēng)險越高;接著運用基于最小互信息熵理論的層次分析法(AHP)與熵權(quán)法(EWM)結(jié)合對各指標進行權(quán)重劃分;進而通過加權(quán)綜合評價法進行指標綜合得到風(fēng)險總值,形成研究區(qū)各鎮(zhèn)街海水入侵風(fēng)險排名及風(fēng)險區(qū)劃。

表1 風(fēng)險區(qū)間劃分及對應(yīng)風(fēng)險賦值

運用層次分析法(AHP)確定評價指標體系內(nèi)各指標權(quán)重,是指將同一層次的指標進行兩兩間的相互比較,構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣,并進行一致性檢驗,確定指標權(quán)重[36-37]。本文基于災(zāi)害發(fā)生的鏈式傳遞結(jié)構(gòu),認為一級指標間存在重要的傳遞關(guān)系,即后一級指標的影響產(chǎn)生需基于前一級指標的實現(xiàn),故一級指標的重要性由致災(zāi)因子危險性—承災(zāi)體易損性—災(zāi)害損失—防災(zāi)減災(zāi)能力依次減弱?；诖藰?gòu)建4個一級指標重要性判斷矩陣,確定一級指標權(quán)重,各一級指標下的二級指標通過專家打分構(gòu)建重要性判斷矩陣,經(jīng)計算通過一致性檢驗后確定各指標權(quán)重如表2所示。

表2 指標權(quán)重值

根據(jù)層次分析法權(quán)重確定過程可知,兩兩比較判斷矩陣的構(gòu)建由主觀賦值,客觀性較差,因此引進熵權(quán)法(EWM),以提高指標對應(yīng)權(quán)重的客觀科學(xué)性[38]。熵權(quán)法的基本思路是根據(jù)指標數(shù)據(jù)變異性的大小來確定客觀權(quán)重,一般來說,指標值的變異程度越大,則該指標的信息熵越小,所提供的信息量越多,在綜合評價中所能起到的作用也越大,故權(quán)重越大。熵權(quán)法將評價指標劃分為正向指標和負向指標,本研究中正向指標意指指標值越大,海水入侵風(fēng)險越高,負向指標意指指標值越大,對應(yīng)風(fēng)險越低。計算時,首先根據(jù)指標正向或負向?qū)Ω髦笜诉M行數(shù)據(jù)標準化處理(式(1));然后計算各指標的變異大小(式(2));接著根據(jù)信息論中信息熵的定義,計算得各指標的信息熵(式(3)),其中El>0,若Pi,j=0,定義El=0;最終計算得到各指標權(quán)重(式(4))。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中k=1,2,…,8;l=1,2,…,11。

式中:Xk,l為k鎮(zhèn)街的l指標;Yk,l為經(jīng)標準化轉(zhuǎn)化后的各指標;max(Xk,l)為各鎮(zhèn)街各項指標最大值;min(Xk,l)為各鎮(zhèn)街各項指標最小值;Pk,l為l指標在k鎮(zhèn)街的值與該指標在所有鎮(zhèn)街的值和的占比;El為l指標的信息熵;n為鎮(zhèn)街數(shù)目,n=8;wl為層次分析法計算得到的指標l權(quán)重值。

使用最小相對信息熵法將主觀權(quán)重和客觀權(quán)重進行組合[39],可得到目標函數(shù)F及限定條件

(5)

式中:wi,j′為通過層次法獲得的主觀權(quán)重;wi,j″為通過熵權(quán)法獲得的客觀指標權(quán)重;wi,j為二者結(jié)合所得的綜合權(quán)重。

根據(jù)線性規(guī)劃解法,將上述問題優(yōu)化為式(6),得到綜合指標結(jié)合權(quán)重如表2所示。

(6)

3 結(jié)果與討論

3.1 致災(zāi)因子危險性評價

研究區(qū)致災(zāi)因子危險性風(fēng)險值及構(gòu)成指標空間分區(qū)見圖4。

a. 年平均降水量;b. 地下水開采強度;c. 風(fēng)險值。

研究區(qū)屬東亞暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,雨熱同期,整體降水偏少,且全年降水量的70%以上集中在夏季的6—9月。研究區(qū)各類型地下水的補給來源都以大氣降水入滲為主,年平均降水量越大,認為其地下水補給越充分,越能夠有效抬高地下水水位阻擋海水入侵;同時也能起到稀釋咸水的作用,故海水入侵風(fēng)險與年平均降水量成反比關(guān)系。通過獲取萊州市年平均降水量空間分布(圖4a),可知研究區(qū)年平均降水量總體呈現(xiàn)自北部金城鎮(zhèn)至南部土山鎮(zhèn)逐漸減小,相鄰鎮(zhèn)街間年平均降水量差值在幾毫米至十幾毫米。

人工開采作為研究區(qū)地下水主要排泄方式,是破壞地下水水位自然平衡的主要因素,過度開采形成的內(nèi)陸地下水水位降落漏斗是觸發(fā)海水入侵的主要原因,地下水開采強度為海水入侵災(zāi)害風(fēng)險評價的重要致災(zāi)因子。根據(jù)2020年萊州市鎮(zhèn)街供水數(shù)據(jù),取得研究區(qū)對應(yīng)當年地下水開采量,據(jù)此計算其單位面積開采量即地下水開采強度(圖4b)。由圖4b可知,研究區(qū)鎮(zhèn)街地下水開采強度在8 782～30 446 m3/(km2·a)之間,其中虎頭崖鎮(zhèn)開采強度最高,土山鎮(zhèn)和金倉街道開采強度最低。

根據(jù)各鎮(zhèn)街致災(zāi)因子危險性風(fēng)險值(圖4c)可見,危險性較高的有虎頭崖鎮(zhèn)、永安路街道、沙河鎮(zhèn)及城港路街道。致災(zāi)因子危險性風(fēng)險值高,說明應(yīng)警惕氣候干旱和地下水開采疊加的致災(zāi)可能性;從人類能夠干預(yù)的角度出發(fā),著重考慮降低地下水開采強度,阻斷災(zāi)害發(fā)生鏈式傳遞的第一環(huán)。

3.2 承災(zāi)體易損性評價

承災(zāi)體易損性風(fēng)險值及構(gòu)成指標空間分布見圖5。

a. 海岸線長度;b. 地下水水位;c. Cl-質(zhì)量濃度;d. 含水層介質(zhì)類型;e. 風(fēng)險值。

研究區(qū)鎮(zhèn)街對應(yīng)的海岸線長度決定了其區(qū)域與海水的接觸帶長度,海岸線越長,區(qū)域劃分的易發(fā)生海水入侵范圍越大,風(fēng)險度越高。研究區(qū)金倉街道海岸線曲折,長度最長,達23.08 km,沙河鎮(zhèn)海岸線最短,僅3.72 km(圖5a)。

地下水水位與海平面的水頭差決定二者之間的補排關(guān)系,將地下水水位低于標準海平面的區(qū)域定義為地下水水位負值區(qū),負值區(qū)面積占比越大,海水入侵風(fēng)險越高。根據(jù)研究區(qū)2020年多口地下水埋深觀測井數(shù)據(jù),采用反距離權(quán)重法對埋深數(shù)據(jù)進行空間上的插值處理,再通過DEM數(shù)據(jù)與埋深結(jié)果的差值處理得到研究區(qū)地下水水位等值線圖(圖5b)。結(jié)果顯示,研究區(qū)存在廣泛的地下水水位負值區(qū),土山鎮(zhèn)、金倉街道、金城鎮(zhèn)及沙河鎮(zhèn)的負值區(qū)面積已達90%以上,三山島街道、城港路街道和虎頭崖鎮(zhèn),水位負值區(qū)面積占比分別為75%、54%、29%,永安路街道內(nèi)不存在負值區(qū)。

海水入侵聚焦地下水的溶質(zhì)問題,研究將Cl-質(zhì)量濃度250 mg/L作為標準分界線,以劃分區(qū)域地下水是否遭到海水入侵[28]。承災(zāi)體易損性表現(xiàn)在,研究區(qū)內(nèi)地下水淡水區(qū)域面積占比越大,其與海水存在較大質(zhì)量濃度差的區(qū)域范圍越大,質(zhì)量濃度差下驅(qū)使的溶質(zhì)運移越活躍,海水入侵風(fēng)險越高。研究根據(jù)多口地下水水質(zhì)觀測井中的2020年Cl-質(zhì)量濃度數(shù)據(jù),同上述水位插值方法獲得Cl-質(zhì)量濃度等值線圖(圖5c)。結(jié)果顯示:研究區(qū)存在大范圍地下水咸水區(qū),在三山島街道與金倉街道的交界處已形成質(zhì)量濃度大于750 mg/L的高質(zhì)量濃度咸水區(qū);淡水區(qū)面積占比最高的為永安路街道,為96.87%,其后依次是虎頭崖鎮(zhèn)、金倉街道、沙河鎮(zhèn)、城港路街道、土山鎮(zhèn)、三山島街道,占比最小的為金城鎮(zhèn),僅為13.85%。

按含水層介質(zhì)條件,研究區(qū)地下水可分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。綜合來說,松散巖類孔隙介質(zhì)含水砂層較穩(wěn)定,地下水徑流暢通,海水容易向內(nèi)陸推移,而基巖裂隙介質(zhì)雖然可能存在連通的裂隙,能夠更直接地引入海水,但是該介質(zhì)咸水影響范圍較為局限;故松散巖類孔隙介質(zhì)更容易受到海水入侵全面整體的影響,并且對陸面生態(tài)影響更大。從地下水開采角度來說,開采井一般布設(shè)于松散巖類孔隙介質(zhì)中,該介質(zhì)中的地下水受到海水入侵對地下水利用的各產(chǎn)業(yè)損失較大;故認定松散巖類孔隙介質(zhì)的風(fēng)險度較基巖裂隙介質(zhì)高。研究區(qū)廣泛分布松散巖類孔隙介質(zhì),而基巖裂隙介質(zhì)主要分布于沙河鎮(zhèn)、虎頭崖鎮(zhèn)及永安路街道的部分內(nèi)陸區(qū)域(圖5d)。

根據(jù)各鎮(zhèn)街承災(zāi)體易損性風(fēng)險值(圖5e)可知,易損性較高的區(qū)域有金倉街道、三山島街道,其次依次為金城鎮(zhèn)、土山鎮(zhèn)及城港路街道。承災(zāi)體易損性風(fēng)險值高,說明在現(xiàn)有條件下,相應(yīng)鎮(zhèn)街自身區(qū)域容易遭受海水入侵;故應(yīng)加強區(qū)域地下水監(jiān)測,提升海水入侵關(guān)注意識,在自身維穩(wěn)的同時,強化災(zāi)害鏈式傳遞結(jié)構(gòu)的其他環(huán)節(jié),或考慮采取地下水人工回灌,抬高地下水水位,削弱區(qū)域受災(zāi)易損性。

3.3 災(zāi)害損失評價

災(zāi)害損失風(fēng)險值及構(gòu)成指標空間分布見圖6。

a. 人口密度;b. 地下水生活用水風(fēng)險量;c. 地下水生產(chǎn)用水風(fēng)險量;d. 風(fēng)險值。

海水入侵的災(zāi)害損失評價,主要體現(xiàn)在地下水咸化在地下水利用的各用途中產(chǎn)生的負面影響。地下水服務(wù)方面,人口密度體現(xiàn)地下水服務(wù)對象的密度,人口密度越高,咸化影響受眾越密,海水入侵災(zāi)害損失越大。由研究區(qū)人口密度分布(圖6a)可知,作為人口密度第一階梯的永安路街道陸域面積最小,承擔著極高的人口密度,達1 634人/ km2,其次是沙河鎮(zhèn)與城港路街道。地下水直接用途方面,當?shù)氐叵滤_采量主要作為生活用水和生產(chǎn)用水,作為生活用水,海水入侵影響人民群眾的生命健康,作為生產(chǎn)用水,其影響對應(yīng)農(nóng)業(yè)和工業(yè)經(jīng)濟產(chǎn)值。本文提出地下水風(fēng)險量的概念,計算當?shù)氐叵滤钣盟炕蛏a(chǎn)用水量與對應(yīng)鎮(zhèn)街咸水區(qū)面積占比的乘積,認為該量為地下水應(yīng)用的可能咸化水量,定義為地下水生活用水風(fēng)險量或地下水生產(chǎn)用水風(fēng)險量。風(fēng)險量值越大,表明對應(yīng)鎮(zhèn)街咸水應(yīng)用的可能性越高,咸水利用量越大,損失越大。地下水生活用水風(fēng)險量(圖6b)結(jié)果表明,永安路街道、金倉街道地下水生活用水風(fēng)險較小,其次為虎頭崖鎮(zhèn),其余鎮(zhèn)街均有較高的地下水生活用水風(fēng)險量,用于民眾生活取用的地下水為咸化水的風(fēng)險較高;地下水生產(chǎn)用水風(fēng)險量(圖6c)結(jié)果表明,由于生產(chǎn)用水本身量較大,用水風(fēng)險也隨之增長,金城鎮(zhèn)、沙河鎮(zhèn)、三山島街道及城港路街道風(fēng)險量值達百萬級別,有大量咸水可能用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

根據(jù)各鎮(zhèn)街災(zāi)害損失風(fēng)險值(圖6d)可知,總體災(zāi)害損失較大的區(qū)域主要為沙河鎮(zhèn)和城港路街道。災(zāi)害損失風(fēng)險值高,說明受災(zāi)成本高,損失大,需著重對投入使用的地下水進行水質(zhì)檢驗,確保水質(zhì)符合用水標準,降低人民生命健康及工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失。

3.4 防災(zāi)減災(zāi)能力評價

研究區(qū)防災(zāi)減災(zāi)能力風(fēng)險值及構(gòu)成指標空間分布見圖7。

a. 防災(zāi)減災(zāi)工程;b. GDP;c. 風(fēng)險值。

防災(zāi)減災(zāi)能力評價主要聚焦在區(qū)域應(yīng)對海水入侵的抵御能力,能力評價包括工程措施和非工程措施。工程措施主要指修建水利工程設(shè)施,包括防潮大堤、地下水庫等(圖7a)。研究區(qū)最大的防潮堤位于虎頭崖鎮(zhèn)、土山鎮(zhèn)、沙河鎮(zhèn)三處沿海鎮(zhèn)街,總長40.3 km,防潮堤能夠有效控制海水入侵、海水倒灌及土壤鹽堿化;研究區(qū)王河地下水庫位于金倉街道和三山島街道,該水庫的建成帶來了明顯的地下水水位抬升,海水入侵面積減少,是有力的防災(zāi)減災(zāi)工程措施[40]。非工程措施采用2020年GDP值(圖7b),反映評價研究區(qū)各鎮(zhèn)街城市化水平,進而反映區(qū)域?qū)λY源的合理規(guī)劃和管理能力,以及對海水入侵災(zāi)害的研究程度和應(yīng)對水平。鎮(zhèn)街GDP總值越高,城市化水平越高,防災(zāi)減災(zāi)能力越強,風(fēng)險指數(shù)越小。

根據(jù)各鎮(zhèn)街防災(zāi)減災(zāi)能力風(fēng)險值(圖7c),綜合海水入侵防治的工程與非工程措施可知:三山島街道雖GDP值較小,但王河地下水庫極大緩和了當?shù)睾Ｋ肭诛L(fēng)險,防災(zāi)減災(zāi)能力風(fēng)險值(3.44)最低;而金城鎮(zhèn)雖GDP反映的城市化水平處于中游,但未建設(shè)任何海水入侵相關(guān)防治工程,表現(xiàn)為該項風(fēng)險值(6.56)最高。研究區(qū)防災(zāi)減災(zāi)能力評價肯定了各類海水入侵防治工程在災(zāi)害規(guī)避中發(fā)揮的重要作用,特別強調(diào)了王河地下水庫作為針對性建設(shè)工程在抵御海水入侵中的積極影響。針對該項一級指標的風(fēng)險值結(jié)果,相應(yīng)鎮(zhèn)街應(yīng)結(jié)合災(zāi)害鏈式傳遞結(jié)構(gòu)的前三環(huán),根據(jù)自身情況考慮提升城市化水平或興修相關(guān)防災(zāi)工程,加強災(zāi)害應(yīng)對和災(zāi)后恢復(fù)能力。

3.5 綜合評價

基于上述研究區(qū)鎮(zhèn)街各指標,通過式(7)的加權(quán)綜合評價法得到最終研究區(qū)各鎮(zhèn)街的風(fēng)險總值,依據(jù)此值大小進行風(fēng)險排名,并進行風(fēng)險分級。整理結(jié)果見表3,最終風(fēng)險分區(qū)結(jié)果見圖8。

(7)

表3 研究區(qū)指標風(fēng)險總值及綜合評價結(jié)果

圖8 萊州市海岸帶海水入侵風(fēng)險分區(qū)

式中:I為各鎮(zhèn)街風(fēng)險總值;Ii,j為第i項一級指標下的第j項二級指標的指標風(fēng)險值。

結(jié)果(表3、圖8)表明,研究區(qū)海水入侵風(fēng)險由大到小依次為城港路街道、永安路街道、金城鎮(zhèn)、沙河鎮(zhèn)、三山島鎮(zhèn)、虎頭崖鎮(zhèn)、土山鎮(zhèn)、金倉街道;根據(jù)風(fēng)險總值,劃分城港路街道、永安路街道及金城鎮(zhèn)為海水入侵災(zāi)害高風(fēng)險區(qū),沙河鎮(zhèn)、三山島街道及虎頭崖鎮(zhèn)為較高風(fēng)險區(qū),土山鎮(zhèn)和金倉街道為較低風(fēng)險區(qū)。

通過皮爾遜相關(guān)檢驗得到各評價指標與鎮(zhèn)街風(fēng)險總值的相關(guān)關(guān)系如表4所示。結(jié)果表明,風(fēng)險總值與地下水開采強度之間的相關(guān)系數(shù)值為0.917,顯著性水平0.001,說明風(fēng)險總值和地下水開采強度之間有著顯著的正相關(guān)關(guān)系;而與其他指標相關(guān)關(guān)系未通過顯著性檢驗,無顯著相關(guān)性。

表4 各評價指標與風(fēng)險總值皮爾遜相關(guān)系數(shù)

為對比各評價指標的風(fēng)險貢獻率,即指標重要程度,作指標風(fēng)險柱狀圖及風(fēng)險總值折線圖(圖9)。圖9結(jié)果顯示,各鎮(zhèn)街指標風(fēng)險值大小各有差異,其中:地下水開采強度指標作為研究區(qū)典型性人類活動,在所有鎮(zhèn)街的風(fēng)險評估中數(shù)據(jù)值突出,反映出絕對顯著的影響;其次為含水層介質(zhì)條件,分別反映人工干預(yù)和自然條件對災(zāi)害風(fēng)險的主導(dǎo)作用。

圖9 研究區(qū)評價指標風(fēng)險柱狀圖及風(fēng)險總值折線圖

根據(jù)評價風(fēng)險指標分析及風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果可知,城港路街道、永安路街道及金城鎮(zhèn)作為高風(fēng)險地區(qū),應(yīng)注意全方位把控,加強地下水開采限制,適當降低地下水開采強度,同時注意警惕地下水生活用水及生產(chǎn)用水污染風(fēng)險,強化對供給生活用水的地下水的水質(zhì)監(jiān)測,確保民眾用水安全,主動把控生產(chǎn)用水質(zhì)量,避免附加經(jīng)濟產(chǎn)值損失。其中:城港路街道應(yīng)積極進行人工干預(yù),可考慮投入建設(shè)相關(guān)海水入侵防治工程,穩(wěn)固鏈式結(jié)構(gòu)四要素,確保海水入侵風(fēng)險的降低,保障受災(zāi)可能性及受災(zāi)損失量值的最小化;永安路街道更應(yīng)基于自身行政區(qū)面積小的特點合理安排地下水開發(fā),并著手把控當?shù)厝丝诿芏?合理規(guī)劃人口,更加嚴格把握地下水用水水質(zhì),確保其符合用水標準;金城鎮(zhèn)的咸水區(qū)面積及地下水水位負值區(qū)面積占比皆為研究區(qū)8個鎮(zhèn)街之最,體現(xiàn)其嚴峻的海水入侵現(xiàn)狀,該鎮(zhèn)應(yīng)盡快著力現(xiàn)狀的治理,采取措施提高地下水水位及縮小咸水區(qū),可考慮在咸水區(qū)進行咸水抽取或淡水回灌,以阻止咸水的進一步發(fā)展和擴散,降低損失。

沙河鎮(zhèn)、三山島街道及虎頭崖鎮(zhèn)為較高風(fēng)險地區(qū),其中:沙河鎮(zhèn)工農(nóng)業(yè)發(fā)達,有著巨大的工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)灌溉地下水需求量,該鎮(zhèn)地下水水位負值區(qū)占比已超90%,處于嚴重超采的高度緊張狀態(tài),對此相關(guān)部門應(yīng)加強對地下水開采的控制和監(jiān)督,合理配置工農(nóng)業(yè)用水來源,規(guī)劃地表水和地下水的最優(yōu)分配[41],同時對供給生活用水的地下水進行嚴格的監(jiān)測,保證人民生命健康安全,并考慮針對地下水水位負值區(qū)進行人工回灌提高地下水水位;三山島街道存在地下水開采強度較高、地下水水位負值區(qū)面積占比高及用水風(fēng)險量較高的情況,應(yīng)對舉措可相應(yīng)參考上述高風(fēng)險對應(yīng)舉措,把控地下水開采強度,推進地下水水位抬升,同時淡化水質(zhì),降低用水風(fēng)險量;虎頭崖鎮(zhèn)地下水開采強度為研究區(qū)之最,應(yīng)降低地下水開采強度,下調(diào)風(fēng)險值。同時,相關(guān)政府應(yīng)努力推進城市發(fā)展,提高科技教育水平,加強海水入侵防護意識的提升和普及。

對于劃定為低風(fēng)險區(qū)的土山鎮(zhèn)和金倉街道,綜合評定的海水入侵緊迫程度較輕,存在問題是地下水水位負值區(qū)面積占比較高,但由于其自身地下水開采量不大,用水風(fēng)險量較小,且配備有部分防治工程,無需投入人力物力建設(shè)相關(guān)工程設(shè)施;可考慮采取措施抬高地下水水位,在可容忍的地下水開采情況下,加強監(jiān)督,拉緊地下水超采紅線,并且關(guān)注相鄰鎮(zhèn)街地下水動態(tài),預(yù)防含水層系統(tǒng)間的相互影響。

4 結(jié)論

1)本研究基于海水入侵災(zāi)害發(fā)生的鏈式傳遞過程,從致災(zāi)因子危險性、承災(zāi)體易損性、災(zāi)害損失及防災(zāi)減災(zāi)能力4個方面展開,構(gòu)建了包含11個指標要素的萊州市海岸帶8個鎮(zhèn)街海水入侵災(zāi)害風(fēng)險評價體系,并通過基于最小信息熵將熵權(quán)法和層次分析法結(jié)合的方法確定各指標權(quán)重。

2)研究區(qū)海水入侵風(fēng)險由大到小依次為城港路街道、永安路街道、金城鎮(zhèn)、沙河鎮(zhèn)、三山島鎮(zhèn)、虎頭崖鎮(zhèn)、土山鎮(zhèn)、金倉街道。根據(jù)各鎮(zhèn)街最終風(fēng)險總值,劃分城港路街道、永安路街道及金城鎮(zhèn)為海水入侵災(zāi)害高風(fēng)險區(qū),沙河鎮(zhèn)、三山島街道及虎頭崖鎮(zhèn)為較高風(fēng)險區(qū),土山鎮(zhèn)及金倉街道為較低風(fēng)險區(qū)。根據(jù)行政邊界進行風(fēng)險評價及風(fēng)險區(qū)劃,有利于地區(qū)海水入侵災(zāi)害的統(tǒng)一響應(yīng)和應(yīng)對管理。

3)皮爾遜相關(guān)性檢驗及指標風(fēng)險值對比表明,地下水開采強度是區(qū)域海水入侵風(fēng)險評定的控制指標,是防治海水入侵災(zāi)害的關(guān)鍵要素。