大河三角洲環境脆弱性評價方法與應用

岳增友,李連偉,2, 徐洋峰,崔建勇,2,薛存金

(1.中國石油大學(華東)海洋與空間信息學院,山東 青島 266580；2.青島海洋科學與技術國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室,山東 青島 266071；3.中國科學院空天信息研究院數字地球重點實驗室，北京 100094)

人類的一切生產與生活既依賴于周邊環境，又影響著環境的發展。世界上25%以上的人口居住在三角洲地區，導致世界上各大河三角洲成為環境脆弱的區域，承受著自然災害與人類活動的雙重壓力。三角洲即河口沖積平原，是河流流入海洋、湖泊時因流速降低，所攜帶的泥沙大量沉積，逐漸發展成的沖積平原。三角洲的環境脆弱性(Environmental Vulnerability)是指其響應海陸自然環境變化、人類活動及兩者相互作用過程中表現出的一種易于受到損害的性質，這種損害因三角洲系統的適應而具有一定的可恢復性[1]。隨著人口不斷地向三角洲區域集聚，越來越強烈地影響著三角洲區域的環境，環境問題越來越突出。自20世紀70年代斯德哥爾摩聯合國人類環境會議以來，人類始終在關注著環境問題，國內外相關領域的專家學者們在環境脆弱性評價的理論方法、數據獲取等方面取得了大量的成果，推動了環境脆弱性評價工作的開展[2]。

從20世紀90年代開始，國內逐漸有學者就未來海平面上升對長江三角洲、蘇北濱海平原、珠江三角洲和黃河三角洲造成的環境和社會經濟影響進行定性評估，探討了人類活動對三角洲的可能影響，但未開展我國大河三角洲環境脆弱性系統性的調查研究[1]，未對大河三角洲環境脆弱性進行對比分析。因此，本文首先從人類活動和自然因素出發，通過選擇相應的評價指標，構建了適合我國大河三角洲環境脆弱性評價的指標體系[1，3]；然后通過對比分析模式識別方法與層次分析法在黃河三角洲環境脆弱性評價中的應用效果，選擇層次分析法作為大河三角洲環境脆弱性評價模型；最后，基于RS技術和GIS軟件平臺實現了評價指標數據處理、大河三角洲環境脆弱性評價與空間分布格局分析。

1 研究區域概況

我國大河三角洲均位于東部沿海一帶，三角洲區域經濟發達、人口眾多、城市化水平高、環境壓力大，但不同三角洲地理位置分布不同，地形地貌差異很大，人口密度與經濟發展水平、植被覆蓋、水環境存在差異。

現代黃河三角洲是在1855年之后發育形成的[1，3]，位于山東省東北部[4]，屬于黃河沖積形成的華北平原的一部分，地勢低平坦蕩、南高北低，主要地貌類型包括海積平原、沖積平原、河漫灘等[5]。該區域蘊藏著極其豐富的油氣、土地、水沙、地下鹽鹵、鹽礦、海洋漁業以及旅游資源[1-2]。但近年來在全球氣候變化的背景下，隨著工業化和城市化進程的加速，該區域出現了一系列的環境問題，如海平面上升、入海水沙銳減、環境污染、地下水水位大幅度下降、水土流失、海岸侵蝕和海底侵蝕等[6-8]，其環境表現出一定的脆弱性。現代黃河三角洲天然不穩定性和人類活動等因素共同作用，直接導致了現代黃河三角洲海岸不斷蝕退、大部分濕地退化、環境污染和三角洲沉積體不穩定性加劇[1-2,9]。本次研究黃河三角洲區域的范圍是37.0°～38.2°N、118.0°～119.5°E。

長江三角洲是長江入海之前的沖積平原，區域內河湖眾多、水網密布，以平原和丘陵為主[10]。長江三角洲是全球重要的先進制造業基地，是我國第一大經濟區，地方生產總值占全國GDP保持在20%以上，也是我國城市最集中、人口最稠密的地區之一[11-12]。然而，該區域經濟發展帶來的生態環境安全問題日益突出，如“三廢”排放增量與經濟增速趨于正相關[13]、環境污染逐年加劇，已引起社會高度關注[14]，引發了人們對經濟發展和環境保護的深度思索。本次研究長江三角洲區域的范圍是30°～33°N、119°～123°E。

珠江三角洲位于廣東省中南部、珠江下游，氣候溫和，雨量充沛，四季分布較均勻，區域內有1/5的面積為丘陵、臺地、殘丘，島嶼眾多，珠江分八大口出海，形成“三江匯合，八口分流”的獨特地貌特征[15-16]。該區域城市化率高、人口密集、經濟快速發展，耕地、能源、礦產資源短缺，環境污染嚴重，生態環境安全問題突出，已制約了區域的可持續發展[16]。本次研究珠江三角洲區域的范圍是21.8°～23.2°N、113.0°～114.3°E。

2 評價方法

2.1 評價指標體系的構建

基于國內外環境脆弱性評價的研究成果，結合我國大河三角洲地區獨特的因素，分析人類活動和自然因素對大河三角洲環境脆弱性的影響，構建了包含人類活動和自然因素的大河三角洲環境脆弱性評價指標體系[1,3,17]。該評價指標體系包含人類活動、地形與地貌、生態系統生產力和水環境4個指標層指標、15個子指標層指標，詳見表1。

表1 大河三角洲環境脆弱性評價指標體系Tabel 1 Environmental vulnerability assessment index system for great river deltas

2.2 評價指標的量化

不同的評價指標具有不同的量綱，在進行環境脆弱性評價指標量化前需將評價指標統一轉換為無量綱的純量。本次研究將評價指標量化為5個等級：微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱，每個等級具有不同的量化值[1,3]。

在具體量化過程中通常采用3種方法實現，即依據國家標準或已有參考文獻資料評定、專家意見評定和實測數據評定。有國家標準的嚴格按照已有國家標準實現評價指標的等級量化，無國家標準但有可參考文獻的則采用已有參考文獻實現評價指標的等級量化；專家意見評定是對沒有具體等級量化指標數據的按照專家意見進行評價指標具體等級量化；實測數據評定是根據實際觀測采集的數據或遙感解譯的數據結合專家建議實現評價指標的等級量化[1,3,17]。本次研究所采用的評價指標等級量化方法與標準，見表2。

分析：這則寓言講述的是有個人丟了一把斧頭，剛開始懷疑是鄰居家的兒子作為，認為其一言一行都像偷斧頭的賊。后來恰好自己找到了，卻又開始覺得鄰居家的兒子一點都不像是偷斧頭的。可以看出故事的引線是完全懷疑到毫無懷疑，“懷疑”貫穿始終故事的中心線索。

2.3 評價指標數據的處理

評價指標數據來源于4個方面：實測數據來源于2012年實際監測到的數據；地圖數據來源于收集整理的2018年資料，DEM數據來源于地理空間數據云網站；統計數據來源于2018年統計年鑒；遙感數據來源于2018年夏季TM影像[1]。評價指標數據經空間數據矢量化、屬性數據錄入、圖層裁剪與聯合處理、柵格數據集提取4個步驟進行處理[3,12,19]，具體步驟如下：

(1) 空間數據矢量化。針對不同來源的數據采用不同的方法實現空間數據的矢量化:①地圖數據，通過地圖配準，基于ArcGIS軟件平臺實現空間數據矢量化；②遙感影像數據，通過遙感解譯實現空間數據矢量化；③實測數據，基于ArcGIS軟件平臺實現實測點的空間數據矢量化；④統計數據，該類數據缺失坐標，無法直接實現矢量化，實際操作過程中將其與研究區域的行政區劃相對應以實現空間數據矢量化。

(2) 屬性數據錄入。針對矢量化后的地圖數據、實測數據和統計數據，錄入對應評價指標的量化等級數值(見表2)。在實際錄入過程中，人口密度、人均GDP、耗水量、養殖面積等評價指標因數據獲取精度低，統一到市級范圍；地下水pH值、礦化度、地面沉降等評價指標錄入采樣點屬性，其他區域通過內插完成；植被NPP和植被覆蓋度基于遙感解譯獲取；其他指標以已有數據錄入。

(3) 圖形裁剪與聯合處理。為實現環境脆弱性評價分析，不同評價指標空間范圍需保持一致，需將矢量化后的數據與研究區域范圍邊界矢量數據進行聯合處理[1,17]。本次研究區域為我國大河三角洲，其研究區域范圍分別為黃河三角洲(37.0°～38.2°N，118.0°～119.5°E)、長江三角洲(30°～33°N,119°～123°E)、珠江三角洲(21.8°～23.2°N,113.0°～114.3°E)。

表2 大河三角洲環境脆弱性評價指標的量化與分級Tabel 2 Quantification and classification of environmental vulnerability assessment indicators of great river deltas

(4) 柵格數據集提取。將聯合處理后的空間矢量數據[1]，按量化等級字段基于ArcGIS軟件平臺實現矢量數據結構向柵格數據結構的轉化，最終生成柵格單元大小為0.05°×0.05° 、坐標系統為WGS84坐標系的柵格數據集。

2.4 評價模型的選取

環境脆弱性評價模型主要包括層次分析法[20]、模糊評價法[21]、主成分分析法[22]、環境脆弱性指數法[23]和綜合評價法[24]等。本次研究以黃河三角洲研究區域為例，通過對比模式識別方法與層次分析法的評價結果，選取合適的環境脆弱性評價模型。

基于層次分析法進行環境脆弱性評價時，主要是基于層次分析法確定評價指標的權重，該方法將定量分析與定性分析相融合[25-26]，基于ArcGIS軟件平臺的代數計算器，并結合表1各評價指標的權重，即可實現環境脆弱性的評價。而模式識別(Pattern Recognition，PR)方法通過計算機的輔助能夠自動模擬和識別客觀世界中的事物、事件、過程或現象[27]，其具體步驟見圖1。

圖1 模式識別方法流程圖Fig.1 Flow chart of pattern recognition method

由圖2可見，模式識別方法自動化程度較高，但是相鄰柵格單元的關聯度高，在一定程度上會影響環境脆弱性評價精度，使其評價結果與實際情況有很大的出入。故本次研究確定采用層次分析法對我國大河三角洲環境脆弱性進行評價。

圖2 基于模式識別方法和層次分析法的黃河三角洲環境脆弱性分布圖Fig.2 Distribution of environmental vulnerability in the Yellow River Delta based on pattern recognition method and AHP

3 評價結果分析與討論

3.1 評價結果分析

本文采用層次分析法并基于ArcGIS軟件平臺，針對不同的研究區域根據分位數法實現了環境脆弱性評價，可得到黃河三角洲、長江三角洲和珠江三角洲的環境脆弱性分布圖，見圖2(b)和圖3。

由于研究區域不同，環境脆弱性等級分類的脆弱性指數不同，因此本文根據不同研究區域環境脆弱性評價結果，并應用ArcGIS軟件對各三角洲環境脆弱性評價結果進行了重分類，其結果見表3。

圖3 基于層次分析法的長江三角洲和珠江三角洲環境脆弱性分布圖Fig.3 Distribution of environmental vulnerability in the Yangtze Delta and Pearl River Delta based on AHP

由圖2、圖3和表3可以看出：

表3 大河三角洲環境脆弱性等級指數與面積比Table 3 Environmental vulnerability level index and area ratio of great river deltas

(1) 黃河三角洲環境脆弱性各等級類型的分布面積相差不大，環境脆弱性等級空間分布呈現自東北沿海向西南陸地環境逐漸減弱的趨勢。其中，東營區、墾利縣、河口區、沾化縣和無棣縣的沿海一帶環境脆弱性呈現極度脆弱，占研究區域總面積的18.36%，該五個區域靠近沿海一帶的區域呈現重度脆弱，占研究區域總面積的21.11%；廣饒縣和利津縣部分區域環境脆弱性呈現微度脆弱，占研究區域總面積的16.89%；博興縣、高青縣和濱城區環境脆弱性呈現輕度脆弱，占研究區域總面積的23.26%；壽光市和昌邑市環境脆弱性主要呈現中度脆弱，占研究區域總面積的20.38%。黃河三角洲東北沿海一帶高程低、地面沉降嚴重、植被稀疏，且是洼地和灘涂分布區，地貌類型表現為河口沙壩、分流河道和決口扇，有大面積的養殖區域，故該區域的環境脆弱性呈現重度脆弱；利津縣有兩塊區域被高脆弱區域包圍，但是其環境脆弱性表現為微度脆弱，主要是因為該區域存在大量的植被。可見，黃河三角洲環境脆弱性主要受地形與地貌、水環境和生態系統生產力的影響與制約，不同類型環境脆弱性等級與行政區劃邊界無法匹配。

(2) 長江三角洲環境脆弱性各等級類型的分布面積差別很大，主要表現為輕度脆弱和極度脆弱，微度脆弱和重度脆弱不明顯。其中，江蘇南通市、蘇州市和無錫市環境脆弱性呈現為極度脆弱，占研究區域總面積的26.46%；上海市、嘉興市、湖州市、寧波市、杭州市和泰州市環境脆弱性呈現輕度脆弱，占研究區域總面積的39.46%；常州市環境脆弱性呈現為重度脆弱，占研究區域總面積的6.02%；舟山市、紹興市和宣城市環境脆弱性呈現微度脆弱，占研究區域總面積的8.63%；鹽城市、揚州市和鎮江市環境脆弱性呈現為中度脆弱，占研究區域總面積的19.43%。長江三角洲環境極度脆弱區域主要是因為人口密度大、經濟發展水平高、地下水超采嚴重、地面沉降嚴重和植被稀疏等原因導致；而環境微度脆弱區域主要是因為人口密度小、經濟發展水平相對不高、植被豐富。可見，長江三角洲環境脆弱性主要受人類活動和生態系統生產力的影響與制約，不同類型環境脆弱性等級與行政區劃邊界嚴密匹配。

(3) 珠江三角洲環境脆弱性主要表現為重度脆弱和極度脆弱。其中，廣州市和佛山市環境脆弱性呈現極度脆弱，占研究區域總面積的30.89%；東莞市、中山市和珠海市環境脆弱性呈現重度脆弱，占研究區域總面積的38.98%；江門市和香港特別行政區環境脆弱性呈現微度脆弱，占研究區域總面積的13.94%。珠江三角洲環境極度脆弱和重度脆弱區域主要是因為人口密度高、地下水超采嚴重、耗水量嚴重、植被稀疏等原因導致；而環境微度脆弱區域主要是因為人口密度小和植被豐富，其中香港特別行政區雖然人口密度高，但其植被豐富。可見，珠江三角洲環境脆弱性主要受人類活動和生態系統生產力的影響與制約，不同類型環境脆弱性等級與行政區劃邊界嚴密匹配。

為了對不同研究區域進行統一對比與分析，采用相同的環境脆弱性指數對長江三角洲、黃河三角洲和珠江三角洲的環境脆弱性進行分級，其環境脆弱性分布圖見圖3(a)和圖4。

由圖3(a)和圖4可見，長江三角洲環境脆弱性主要表現為輕度脆弱和極度脆弱，黃河三角洲環境脆弱性表現為微度脆弱和輕度脆弱，珠江三角洲環境脆弱性主要表現為微度脆弱、輕度脆弱和中度脆弱，后兩個三角洲均沒有出現重度脆弱和極度脆弱。由此可知，長江三角洲環境脆弱性最嚴重，黃河三角洲環境脆弱性最低，主要是因為長江三角洲是我國經濟最發達區域，故大河三角洲環境脆弱性主要受人類活動的影響與制約。

圖4 統一分級標準的黃河三角洲和珠江三角洲環境脆弱性分布圖Fig.4 Distribution map of environmental vulnerability in the Yellow River Delta and Pearl River Delta with uniform grading standards

3.2 討論

已有相關研究人員針對我國的黃河三角洲、長江三角洲和珠江三角洲的環境脆弱性進行了評價,如李連偉等[1,19]構建了黃河三角洲環境脆弱性評價指標體系，建立了指標量化方法，并基于層次分析法確定評價指標權重，基于GIS平臺對該區域進行了環境脆弱性評價與空間分布格局分析；徐慶勇等[11,25]基于主成分分析法構建了長江三角洲和珠江三角洲環境脆弱性評價指標體系，并基于層次分析法確定評價指標權重，實現了長江三角洲和珠江三角洲環境脆弱性評價。上述研究在對我國三角洲區域環境脆弱性進行評價時，都是針對某個特定研究區域確定了適合于本區域環境脆弱性評價的指標體系，且沒有進行評價模型的對比分析，而是直接采用層次分析法確定評價指標的權重。

本文基于已有研究成果，分析了我國三個大河三角洲的自然與人文特征，構建了適合三個大河三角洲環境脆弱性評價的指標體系，并以黃河三角洲區域為例，對比分析了模式識別模型方法與層次分析法的環境脆弱性評價結果，確定了本次研究采用層次分析法確定評價指標的權重，最后基于GIS軟件平臺實現了我國大河三角洲環境脆弱性評價。因構建的評價指標體系適合于我國三個大河三角洲區域，故與已有研究成果相比，其創新之處在于進行了統一尺度的環境脆弱性評價，實現了三個大河三角洲環境脆弱性在統一尺度下的對比分析。但是需要指出，大河三角洲環境脆弱性涉及到的影響因素眾多，且影響機制復雜、評價方法多樣，本文所構建的評價指標體系和所選的評價方法仍具有一定的局限性和不確定性，主要表現為以下方面：①評價指標的選取具有一定的片面性，影響了環境脆弱性評價結果的準確性；②層次分析法具有定性與定量相結合的特點，導致環境脆弱性評價指標權重的確定仍具有一定的主觀性，影響了環境脆弱性評價結果的精度；③部分評價指標統一到大河三角洲各區縣范圍內，影響了環境脆弱性評價結果的準確性。

4 結 論

本文構建了我國大河三角洲環境脆弱性評價指標體系，確定了評價指標量化方法，完成了評價指標數據的處理，并通過對比分析模式識別方法和層次分析法在黃河三角洲環境脆弱性評價中的應用效果，確定了以層次分析法作為本次研究所采用的評價模型，最終實現了我國大河三角洲環境脆弱性評價與分析。

分區域研究結果表明：黃河三角洲環境脆弱性各等級類型的分布面積相差不大，由于受地形地貌、水環境和生態系統生產力的影響與制約，環境脆弱性等級空間分布呈現自東北沿海向西南陸地逐漸減弱；由于受人類活動和生態系統生產力的影響與制約，長江三角洲環境脆弱性主要表現為輕度脆弱(39.46%)和極度脆弱(26.46%)，珠江三角洲環境脆弱性主要表現為重度脆弱(38.98%)和極度脆弱(30.89%)。綜合研究結果表明：長江三角洲環境脆弱性最嚴重，黃河三角洲環境脆弱性最低。