奚　旭，孫才志，吳　彤，鄭德鳳

遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，大連　116029

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下遼河平原地下水脆弱性的時(shí)空演變

奚旭，孫才志*，吳彤，鄭德鳳

遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，大連116029

摘要:地下水脆弱性受相關(guān)因子變化的影響，在時(shí)空分布上具有動(dòng)態(tài)變化性，因此分析地下水脆弱性的時(shí)空演變及結(jié)構(gòu)變化規(guī)律對(duì)于地下水有針對(duì)性地污染防治具有重要意義。以下遼河平原為研究區(qū)，選取1991、2000和2010年的相關(guān)人為因子參數(shù)，結(jié)合DRASTIC模型計(jì)算這3個(gè)年份的地下水脆弱性綜合指數(shù)，利用ArcGIS的地理統(tǒng)計(jì)工具分析地下水脆弱性的演變狀況。在此基礎(chǔ)上計(jì)算G指數(shù)得到地下水脆弱性的空間熱冷點(diǎn)分布，結(jié)合重心和標(biāo)準(zhǔn)差橢圓對(duì)熱點(diǎn)的變動(dòng)情況進(jìn)行定量分析。研究結(jié)果表明：(1)1991年地下水脆弱性以較低脆弱性和高脆弱性區(qū)為主，分別占研究區(qū)面積的36.5%和31.3%，到2000年以一般脆弱性和較高脆弱性區(qū)為主，面積比例分別達(dá)到31.6%和25.9%，發(fā)展到2010年主要以較高脆弱性為主，面積比例占41.71%；(2)1991—2010年下遼河平原地下水脆弱性總體上呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，沈陽市及周邊長(zhǎng)期處于高值狀況，南部沿海地區(qū)逐步演化為高值脆弱性區(qū)；(3)1991和2000年的熱點(diǎn)集中區(qū)主要分布在新民市和遼中縣的西部地帶，期間變化較小，2010年的濱海地區(qū)也發(fā)展成熱點(diǎn)集中區(qū)，各時(shí)期內(nèi)冷點(diǎn)分布面積比較少，且零散；(4)1991年至2000年，熱點(diǎn)重心向西南方向位移了2.264 km,熱點(diǎn)分布格局進(jìn)一步趨于東—西方向；2000年到2010年，熱點(diǎn)重心向西南方向位移了30.787km，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)角逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)了32.44°，整體熱點(diǎn)分布格局為東北—西南方向。

關(guān)鍵詞：下遼河平原；地下水脆弱性；時(shí)空演變；熱點(diǎn)；重心

地下水是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人畜生活的重要水源，在干旱、半干旱地區(qū)具有戰(zhàn)略安全保障作用，且是維持水土質(zhì)量、河流湖泊、地質(zhì)環(huán)境、植被以及濕地生態(tài)系統(tǒng)安全的關(guān)鍵因素[1]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展與人們生活水平的提高，水資源供需矛盾日益突出。地下水作為豐富的自然資源被大量開發(fā)利用，從而導(dǎo)致地下水環(huán)境污染與破壞問題日益嚴(yán)重。地下水脆弱性作為地下水污染防治的基礎(chǔ)性工作由此展開，成為近年來水文地質(zhì)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向。

自Margat于1968年最先提出地下水脆弱性概念以來，經(jīng)過各國(guó)學(xué)者多年研究發(fā)展，其概念和研究方法不斷得到豐富與發(fā)展[2-3]，目前大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，地下水脆弱性是指污染物從主要含水層頂部以上某位置進(jìn)入后，到達(dá)地下水系統(tǒng)的某個(gè)特定位置的傾向或可能性。近年來，伴隨GIS等輔助工具的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外在地下水脆弱性研究方向都取得了豐富的研究成果，國(guó)外開展研究較早，目前研究?jī)?nèi)容非常多元化，如Li和Merchant[4]用DRASTIC模型和硝酸鹽濃度資料研究了氣候變化和土地利用對(duì)地下水脆弱性的影響；Ducci和Sellerino[5]根據(jù)指標(biāo)所在地層中的深度不同，采用多種評(píng)價(jià)方法建立了地下水脆弱性的三維分布圖；Güler等[6]同時(shí)采用通用DRASTIC模型和農(nóng)藥DRASTIC模型對(duì)土耳其的地中海沿海岸地帶由土地利用與海水入侵引起的地下水脆弱性進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)；此外，模糊評(píng)價(jià)[7]、敏感性分析[8]、邏輯回歸模型[9]等多種數(shù)學(xué)方法被應(yīng)用到地下水脆弱性評(píng)價(jià)過程中。我國(guó)學(xué)者目前主要致力于區(qū)域地下水脆弱性評(píng)價(jià)，并在評(píng)價(jià)過程中注重科學(xué)理論性的提升，如李定龍等[10]根據(jù)敏感性分析方法遴選了研究區(qū)主要影響因子；孟憲萌、束龍倉(cāng)等[11]將熵值法引入DRASTIC模型使權(quán)重確定更合理；陳守煜等[12]、孫才志等[13]、張小凌等[14]等用模糊綜合評(píng)價(jià)法使評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀合理。

多元化的評(píng)價(jià)方法使評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理，但地下水系統(tǒng)是個(gè)開放的系統(tǒng)，受土地利用、人口變化、污染物排放等人為因素的長(zhǎng)期影響，致使影響地下水脆弱性的相關(guān)因子的狀況發(fā)生變化，因此地下水脆弱性在時(shí)空分布上具有復(fù)雜性、隨機(jī)不確定性和動(dòng)態(tài)變化性等特點(diǎn)，決策者如果僅從現(xiàn)狀年或多年平均地下水脆弱性分布狀況提出地下水保護(hù)方案是片面的，且地下水脆弱性在空間分布上具有連續(xù)性，受人類活動(dòng)、自然變化等因素的影響，地下水脆弱性在不同時(shí)期具有不同規(guī)模和不同程度的空間集聚性。鑒于此，對(duì)地下水脆弱性評(píng)價(jià)時(shí)考慮時(shí)間效應(yīng)，分析其時(shí)空演變狀況以及熱點(diǎn)分布格局的動(dòng)態(tài)變化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

下遼河平原是遼寧省老工業(yè)基地的核心地區(qū)，地下水資源較為豐富，但長(zhǎng)期不合理的開發(fā)利用，已導(dǎo)致地下水水質(zhì)下降，并產(chǎn)生了一系列地質(zhì)環(huán)境問題，如地下水位下降、濕地萎縮、地下水漏斗和海水入侵等[15]，地下水環(huán)境治理與保護(hù)迫在眉睫。孫才志等[13,16]在水文地質(zhì)分區(qū)的基礎(chǔ)上多角度對(duì)下遼河平原進(jìn)行了地下水脆弱性評(píng)價(jià)，曾慶雨等[17]在考慮水量因素的基礎(chǔ)上建模對(duì)下遼河平原進(jìn)行了地下水脆弱性評(píng)價(jià)，這些研究對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤芾砼c保護(hù)具有一定意義，但沒有考慮時(shí)間因素的影響，研究成果比較片面。

鑒于此，本研究在DRASTIC模型基礎(chǔ)上結(jié)合人為影響因子構(gòu)建地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，選取研究區(qū)內(nèi)1991、2000和2010這3a的相關(guān)參數(shù)計(jì)算出地下水脆弱性指數(shù)。利用ArcGIS的空間分析與制圖功能得出下遼河平原在不同年份的地下水脆弱性空間分布狀況，在此基礎(chǔ)上通過計(jì)算G指數(shù)得到地下水脆弱性的冷熱點(diǎn)分布圖，結(jié)合重心與標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方法定量分析熱點(diǎn)格局的變動(dòng)。研究成果對(duì)研究區(qū)地下水有針對(duì)性地開發(fā)利用和保護(hù)以及地下水環(huán)境污染治理具有實(shí)際意義。

1研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法——DRASTIC模型

DRASTIC模型[18]是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法，該模型由7項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)組成：地下水位埋深(D)、凈補(bǔ)給量(R)、含水層介質(zhì)類型(A) 、土壤介質(zhì)類型(S)、地形坡度(T) 、滲流區(qū)介質(zhì)類型(I)以及含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)，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。參考文獻(xiàn)[13、19]，本次研究在DRASTIC模型基礎(chǔ)上，根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)的可得性與代表性，選取人均水資源量(P)、耕地比(X)、施肥強(qiáng)度(F)和單位面積工業(yè)廢水排放量(G)作為特殊脆弱性指標(biāo)，并賦予相對(duì)權(quán)重值：6、7、6、7。每個(gè)指標(biāo)根據(jù)其變化范圍和內(nèi)在屬性進(jìn)行脆弱性等級(jí)劃分(表1、表2和表3)。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[13](考慮地下水受人類活動(dòng)影響比較大)，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為權(quán)重,r為評(píng)分。

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(1—10)

耕地比是指行政區(qū)內(nèi)耕地面積比當(dāng)?shù)乜偯娣e；施肥強(qiáng)度為研究區(qū)內(nèi)單位面積上的施肥量。

1.2空間冷熱點(diǎn)及變動(dòng)分析方法

1.2.1G指數(shù)

空間冷熱點(diǎn)檢測(cè)是通過檢測(cè)空間數(shù)據(jù)的總體模式和趨勢(shì)來進(jìn)行熱點(diǎn)評(píng)估[20]，通過對(duì)數(shù)據(jù)集中的每一個(gè)要素計(jì)算Getis′G統(tǒng)計(jì)，得到z得分和p值，可知高值或者低值要素在空間發(fā)生聚類的位置。本次研究為了檢查研究分區(qū)內(nèi)不同時(shí)期的地下水脆弱性集聚程度，比較研究區(qū)內(nèi)地下水脆弱性的演變狀況和密集程度，計(jì)算地下水脆弱性的Getis′G指數(shù)，其計(jì)算公式為：

　　(3)

表3　特殊脆弱性指標(biāo)的分級(jí)與評(píng)分(1—10)

對(duì)Gi(d)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，可得式3的標(biāo)準(zhǔn)形式：

(4)

式中,n為空間單元的數(shù)量；xj為空間單元j的屬性值；E[Gi(d)]和VAR[Gi(d)]分別為數(shù)學(xué)期望和方差；Wij(d)為空間權(quán)重矩陣。如果Z[Gi(d)]為正值，且顯著，表明位置i周圍的值都相對(duì)比較高，為高值空間集聚區(qū)，即熱點(diǎn)區(qū)；反之，如果Z[Gi(d)]為負(fù)，且顯著，表明位置i周圍的值相對(duì)較低，為低值空間集聚區(qū)，即冷點(diǎn)區(qū)。

1.2.2熱點(diǎn)重心

重心是指物體內(nèi)各個(gè)點(diǎn)所受重力產(chǎn)生合力的作用點(diǎn)，可視為空間分布的平均中心，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、旅游資源、土地利用等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[21]。本次研究運(yùn)用重心原理分析地下水脆弱性空間熱點(diǎn)的變動(dòng)特征，重心計(jì)算公式為：

(5)

式中,n表示下遼河平原熱點(diǎn)空間單元數(shù)量，mi(xi,yi)為第i個(gè)熱點(diǎn)小區(qū)域的中心坐標(biāo),其熱點(diǎn)屬性值為ui,M(xj,yj)則表示整個(gè)下遼河平原第j年的熱點(diǎn)重心坐標(biāo)。

1.3數(shù)據(jù)來源與處理

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))以及水文地質(zhì)單元區(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)主要來自《遼寧省水資源》、《遼寧省國(guó)土資源地圖集》、《遼寧國(guó)土資源》、《遼寧省水資源公報(bào)》、DEM數(shù)據(jù)以及測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)資料。人文因素的參數(shù)數(shù)據(jù)來自《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《遼寧水資源公報(bào)》、《遼寧統(tǒng)計(jì)調(diào)查年鑒》、《遼寧省統(tǒng)計(jì)年鑒》等資料。

利用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、監(jiān)測(cè)區(qū)以及水文地質(zhì)研究區(qū)形成指標(biāo)圖層，在綜合考慮研究區(qū)范圍以及數(shù)據(jù)的疏密程度、工作效率等基礎(chǔ)上，將網(wǎng)格大小定為1km×1km進(jìn)行統(tǒng)一柵格化，采樣方式為等間距，共劃分為24110個(gè)單元網(wǎng)格，通過對(duì)指標(biāo)圖層的加權(quán)總和，每個(gè)網(wǎng)格可得到一個(gè)地下水脆弱性指數(shù)，并把這個(gè)值作為單元格中心值進(jìn)行計(jì)算分析。

2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

下遼河平原位于遼寧省的中南部，遼河的中下游地帶，其地理坐標(biāo)跨度為東經(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，總面積約2.65萬km2。下遼河平原東部為長(zhǎng)期緩慢上升的遼東低山丘陵區(qū)，西臨間隙性掀斜上升隆起區(qū)——遼西低山丘陵區(qū)，北接康法低山丘區(qū)，南瀕渤海灣,總平原地勢(shì)由東西兩側(cè)向中間傾斜，從北至南逐漸低平，平均海拔低于50 m，是區(qū)域地表水和地下水的匯集中心。平原內(nèi)行政區(qū)包括阜新市、鐵嶺市、沈陽市、撫順市、遼陽市、鞍山市、錦州市、盤錦市、營(yíng)口市，共9市22縣(圖1)，是東北老工業(yè)基地城市的集中區(qū)，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)烈。

3地下水脆弱性時(shí)空演變分析

3.1各時(shí)期地下水脆弱性分布

在公式(1)基礎(chǔ)上，運(yùn)用ArcGIS的空間分析與制圖功能，得出下遼河平原1991、2000和2010年在1km×1km 格網(wǎng)下的地下水脆弱性分布圖(圖2)。圖中取5個(gè)時(shí)期自然斷點(diǎn)法的斷點(diǎn)數(shù)值的折中數(shù)劃分脆弱性等級(jí)，根據(jù)脆弱性指數(shù)由低到高分為5個(gè)級(jí)別，分別為低脆弱性、較低脆弱性、一般脆弱性、較高脆弱性、高脆弱性,統(tǒng)計(jì)出各時(shí)期各個(gè)級(jí)別脆弱性區(qū)所占下遼河平原總面積的比例進(jìn)行空間分布與演變分析(表4)。

圖2　下遼河平原1991年、2000年與2010年地下水脆弱性分布Fig.2　The distribution of groundwater vulnerability in the lower River Plain in 1991, 2000 and 2010

由圖2可以看出，在整體分布上，下遼河平原地下水脆弱性具有明顯的空間集聚性，脆弱性比較高的地區(qū)從下遼河平原以沈陽市為中心的北部地區(qū)單獨(dú)集聚逐漸向南部濱海地區(qū)擴(kuò)散，而原先的高脆弱性集中區(qū)不斷得到改善，變成較高脆弱性集聚，最終演變成南北兩端較高脆弱性各自集中；而脆弱性較低的地區(qū)從廣泛分布在下遼河平原南部演變?yōu)橹饕墼谙逻|河平原東南部地區(qū)。

表4 　下遼河平原各等級(jí)地下水脆弱性區(qū)面積比例/%

1991年下遼河平原的脆弱性級(jí)別主要為較低脆弱性，占研究區(qū)總面積的36.5%，這些地區(qū)主要分布在錦州市、盤錦市和鞍山市，在振興東北老工業(yè)基地之前，這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較慢，資源環(huán)境開發(fā)強(qiáng)度較低，當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境受污染與破壞程度較低，相應(yīng)的脆弱性級(jí)別也較低；其次是高脆弱性地區(qū)，面積比例達(dá)到31.3%，主要集中分布在以沈陽市為中心的下遼河平原北部，早期經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，人們對(duì)資源的大量開發(fā)利用以及污染物的大量排放，致使當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境污染嚴(yán)重，地下水脆弱性級(jí)別也最高。

到2000年，地下水脆弱性級(jí)別中一般脆弱性占比例最高，達(dá)到31.6%，主要分布在下遼河平原濱海地帶的盤錦市和中部地區(qū)的臺(tái)安縣，可見1991年到2000年期間，這些地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)污染物的排放量增加致使當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境開始惡化；其次是較高脆弱性區(qū)，占25.9%，主要分布在遼中縣和沈陽市區(qū)等地，這些地區(qū)在當(dāng)?shù)卣c民眾的保護(hù)下，相較1991年地下水環(huán)境得到明顯改善，但是結(jié)合圖2可以看出，當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境仍然很嚴(yán)峻。

2010年的主要地下水脆弱性級(jí)別為較高脆弱性，達(dá)到41.7%，主要集中在沈陽市和盤錦市，其中沈陽市是由高脆弱性區(qū)進(jìn)一步改善致使較高脆弱性區(qū)面積持續(xù)增加；而盤錦市從2000年的以一般脆弱性為主進(jìn)一步惡化為以較高脆弱性為主，可見伴隨東北老工業(yè)基地的振興，該地區(qū)的地下水環(huán)境面臨巨大壓力，從而使當(dāng)?shù)氐叵滤嗳跣约?jí)別不斷升高。改善最明顯的下遼河平原的東南部地區(qū)，包括臺(tái)安縣和海城市等地，這些地區(qū)水資源豐富，人均水資源量高于下遼河平原其他地區(qū)，起到良好的自我調(diào)節(jié)作用，配合有效的治理與保護(hù)措施，地下水環(huán)境得到顯著改善。

3.2評(píng)價(jià)結(jié)果合理性分析

地下水脆弱性大小與地下水中氮元素濃度呈正比關(guān)系[22- 24]，利用這一特性可以用監(jiān)測(cè)井實(shí)測(cè)資料檢驗(yàn)本次地下水脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性。取各個(gè)指標(biāo)的多年平均數(shù)值得到下遼河平原多年平均地下水脆弱性分布圖，以此為底圖標(biāo)出31個(gè)監(jiān)測(cè)井的地理位置(圖3)，取各監(jiān)測(cè)井的多年平均實(shí)測(cè)氮元素(氨氮、硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮濃度之和)的濃度資料與其所在位置的地下水脆弱性評(píng)分值進(jìn)行線性分析(圖4)。

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

從圖3中可以看出，氮元素濃度較高的點(diǎn)一般分布在地下水脆弱性評(píng)分值較高的地區(qū)，濃度較低的點(diǎn)一般分布在地下水脆弱性評(píng)分值較低的地區(qū)，可見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)存在線性關(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)，并將兩組數(shù)據(jù)通過SPSS線性相關(guān)性與顯著性檢驗(yàn)，圖中擬合趨勢(shì)線的R2為0.715，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，本次研究提出的計(jì)算方法得到的結(jié)果具有一定科學(xué)應(yīng)用性。

4熱冷點(diǎn)空間分布及熱點(diǎn)變動(dòng)分析

4.1下遼河平原地下水脆弱性熱冷點(diǎn)空間分布

運(yùn)用ArcGIS的空間統(tǒng)計(jì)模塊得到下遼河平原3個(gè)時(shí)期地下水脆弱性的G指數(shù)分布情況，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以便進(jìn)一步可視化，用自然斷點(diǎn)法將數(shù)值由低到高劃分為5類，同類數(shù)值的集中區(qū)分別為：冷點(diǎn)區(qū)、次冷區(qū)、溫點(diǎn)區(qū)、次熱區(qū)和熱點(diǎn)區(qū)(圖5)。

圖5　下遼河平原1991年、2000年與2010年地下水脆弱性熱冷點(diǎn)分布圖Fig.5　Distribution of groundwater vulnerability hot and cold spots in the lower River Plain in 1991, 2000 and 2010

從圖5中可以看出，3個(gè)時(shí)期的地下水脆弱性熱點(diǎn)分布比較集中,1991年和2000年主要分布在沈陽市的新民地區(qū)和遼中縣的西部地區(qū)，1991年的熱點(diǎn)區(qū)面積稍大于2000年，減少的部分基本都演變成次熱區(qū)，這與沈陽市與遼中縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式具有緊密關(guān)系。沈陽市作為遼寧省省會(huì)城市是當(dāng)時(shí)開發(fā)最早的城市，也是下遼河平原早期經(jīng)濟(jì)水平最發(fā)達(dá)的地區(qū)，在沈陽市的早期發(fā)展中，主要以工農(nóng)業(yè)為主，1991年的耕地面積比為0.46，是研究區(qū)所有城市中最高的，而施肥強(qiáng)度更是達(dá)到41.24 t/km2。而沈陽市從建國(guó)初期起，就成為全國(guó)重工業(yè)基地之一，工業(yè)建設(shè)發(fā)達(dá)，與之伴隨的工業(yè)污染也較其他城市大，高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)種植與化肥使用以及工業(yè)污染致使當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境污染非常嚴(yán)重。遼中縣除了農(nóng)業(yè)發(fā)展較快，也是全省礦產(chǎn)資源最豐富的地區(qū)，早期對(duì)煤、鐵、石灰石等資源的高強(qiáng)度開采活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤牡刭|(zhì)造成嚴(yán)重破壞。且早期開發(fā)過程中人們對(duì)地下水環(huán)境保護(hù)意識(shí)薄弱，從1991至2000年期間，當(dāng)?shù)卣c民眾的地下水環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)，在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)進(jìn)一步展開的基礎(chǔ)上，做好了相應(yīng)保護(hù)措施，防止地下水環(huán)境進(jìn)一步惡化，但是該地區(qū)地下水脆弱性形勢(shì)依然很嚴(yán)峻。

發(fā)展到2010年，南部濱海的盤山縣附近成為熱點(diǎn)區(qū)，加上原先存在的熱點(diǎn)區(qū)形成兩塊大的熱點(diǎn)集中區(qū)。從圖中可以看出，原先的熱點(diǎn)集中區(qū)分布變動(dòng)不大，而南部濱海地帶由原先的以次冷區(qū)為主發(fā)展成溫點(diǎn)區(qū)，最后演變?yōu)橐源螣釁^(qū)和熱點(diǎn)區(qū)為主。結(jié)合圖2可以看出，雖然下遼河平原北部地區(qū)地下水脆弱性形勢(shì)有所改善，但依舊處于較高狀態(tài)，持續(xù)穩(wěn)定的高強(qiáng)度人類活動(dòng)與緩慢的自然調(diào)節(jié)能力致使這些地區(qū)恢復(fù)起來很慢，人為保護(hù)措施仍需加強(qiáng)。南部濱海地區(qū)以盤錦市為代表，盤錦市人均GDP多年排遼寧省第一，從1991年到2010年，是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)飛快發(fā)展的階段。作為我國(guó)商品糧基地、新興石油化工城市，耕地比從1991年的0.23發(fā)展到2010年的0.36，施肥強(qiáng)度從24.98 t/km2增長(zhǎng)到34.52 t/km2，同時(shí)盤錦擁有中國(guó)最大的稠油、超稠油、高凝油生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展與資源開發(fā)致使當(dāng)?shù)氐叵滤嗳跣栽絹碓礁?，而濱海地區(qū)脆弱的地質(zhì)結(jié)構(gòu)不能提供良好的自我調(diào)節(jié)作用，以致下遼河平原濱海地帶形成地下水脆弱性熱點(diǎn)集中區(qū)。而相較熱點(diǎn)，冷點(diǎn)區(qū)分布比較離散，所占面積比例很小，且伴隨時(shí)間的推移，范圍呈不斷減小趨勢(shì)，說明地下水脆弱性低的地區(qū)分布比較離散，在人為保護(hù)與治理措施下，改善后的低脆弱性分布比較隨機(jī)。

4.2熱點(diǎn)重心與標(biāo)準(zhǔn)差橢圓

圖6　熱點(diǎn)重心與標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分布　Fig.6　Distribution of hot spots gravity and standard diviation ellipse

以各時(shí)期地下水脆弱性空間熱點(diǎn)分布以研究對(duì)象，運(yùn)用ArcGIS中的度量地理分布功能，得到下遼河平原1991、2000和2010年地下水脆弱性熱點(diǎn)區(qū)的重心與標(biāo)準(zhǔn)差橢圓(圖6)。各時(shí)期的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓以重心為中心，表現(xiàn)出不同的空間分布態(tài)勢(shì)，通過重心變動(dòng)距離可以得到地下水脆弱性整體空間熱點(diǎn)的變化大小，而標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的長(zhǎng)軸與豎直方向形成的夾角稱為旋轉(zhuǎn)角度，旋轉(zhuǎn)角度的變動(dòng)能夠定量分析熱點(diǎn)變化的方向大小。

從圖6和表5可得，1991年和2000年的熱點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓重疊率很高，分布在下遼河平原北部，熱點(diǎn)重心都在新民市內(nèi)，相距很近，直線距離約為2.264 km，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)角度從74.56°變?yōu)?7.95°，即整體熱點(diǎn)向順時(shí)針方向傾斜了3.39°，更進(jìn)一步向東—西方向分布。可見1991至2000年期間，熱點(diǎn)重心的位置變化不大，在此時(shí)期內(nèi)，地下水高脆弱性地區(qū)主要集聚在下遼河平原北部，且橫向發(fā)展，但變動(dòng)很小。因此，在此時(shí)段之后應(yīng)對(duì)下遼河平原北部地區(qū)的地下水環(huán)境優(yōu)先治理，其他地區(qū)相對(duì)較好，應(yīng)較強(qiáng)防范。

2010的熱點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓幾乎縱觀整個(gè)研究區(qū)，地下水高脆弱性集聚區(qū)演變趨勢(shì)由北部單一集聚向整體發(fā)展。熱點(diǎn)重心在遼中縣內(nèi)，位于下遼河平原的中間地帶，相距2000年的熱點(diǎn)重心距離為30.787 km，變化幅度較大。變動(dòng)方向由平原北部向西南方向移動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)角度由2000年的77.95°變?yōu)?5.51°，即空間熱點(diǎn)的整體分布趨勢(shì)逆時(shí)針變動(dòng)了32.44°，地下水脆弱性的熱點(diǎn)分布格局呈現(xiàn)為東北—西南方向。這與南部濱海地區(qū)逐漸成為熱點(diǎn)區(qū)有關(guān)，北部地區(qū)依然是地下水脆弱性的高值聚集區(qū)，但北部熱點(diǎn)分布較2000年進(jìn)一步改善。在2010年之后，下遼河平原應(yīng)整體提升地下水防治保護(hù)措施，在此基礎(chǔ)上，北部與南部濱海地區(qū)的地下水環(huán)境應(yīng)重點(diǎn)治理，控制熱點(diǎn)地區(qū)的進(jìn)一步蔓延。

表5　各年份熱點(diǎn)重心及標(biāo)準(zhǔn)差橢圓變化

5結(jié)論

本文在DRASTIC模型基礎(chǔ)上綜合人為因子建立地下水脆弱性綜合指數(shù)，利用ArcGIS的空間分析與統(tǒng)計(jì)功能，得出下遼河平原1991、2000和2010年的地下水脆弱性分布狀況，通過氮元素濃度資料檢驗(yàn)出本次評(píng)價(jià)結(jié)果較為科學(xué)合理，并借助ArcGIS的空間分析功能分析了地下水脆弱性分布的時(shí)間演變狀況。在此基礎(chǔ)上，通過G指數(shù)分析各區(qū)內(nèi)冷點(diǎn)和熱點(diǎn)分布格局，用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓和重心等方法，分析地下水脆弱性空間熱點(diǎn)的變動(dòng)情況，結(jié)果表明：

(1)由圖表統(tǒng)計(jì)可得，1991年以較低脆弱性和高脆弱性為主，兩者分別在南、北地區(qū)集中，呈區(qū)域?qū)α⒎植迹?000年以一般脆弱性和較高脆弱性為主，分別在南部和東北部地區(qū)集中分布；2010年以較高脆弱性為主，集中分布在沈陽市和盤錦市兩塊北南部地區(qū)。其中沈陽市的地下水環(huán)境長(zhǎng)期處于高脆弱性或較高脆弱性狀態(tài)。

(2) 1991、2000和2010年內(nèi)熱點(diǎn)分布較為集中，其中1991年和2000年的熱點(diǎn)主要集中分布在新民市和遼中縣的西部地區(qū)等地，期間變動(dòng)不大，而到2010年，濱海地區(qū)也發(fā)展成熱點(diǎn)集中區(qū)，呈南北兩大塊各自聚集。相較熱點(diǎn)，各時(shí)期的冷點(diǎn)分布面積較小，且分布零散。

(3)1991年至2000年，熱點(diǎn)重心僅向西南方向位移了2.264km,標(biāo)準(zhǔn)差長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)角順時(shí)針變動(dòng)了3.39度，熱點(diǎn)分布格局呈東—西方向分布；2000年到2010年，熱點(diǎn)重心向西南方向位移了30.787km，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)角逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)了32.44度，整體熱點(diǎn)分布格局為東北—西南方向。

DRASTIC模型中的自帶固定權(quán)重和人為影響因子等級(jí)范圍的自行劃定等均具有主觀性，本文所計(jì)算出的地下水脆弱性結(jié)果具有相對(duì)比值效果，但并沒有全面反映研究區(qū)的地下水脆弱性狀況，實(shí)際中的地下水脆弱性十分復(fù)雜，影響因素眾多，因此地下水脆弱性綜合指數(shù)的計(jì)算仍需完善。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]張光輝. 區(qū)域地下水功能可持續(xù)性評(píng)價(jià)理論與方法研究. 北京: 地質(zhì)出版社, 2009: 1- 5.

[2]孫才志, 潘俊. 地下水脆弱性的概念、評(píng)價(jià)方法與研究前景. 水科學(xué)進(jìn)展, 1999, 10(4): 444- 449.

[3]Vrba J, Zaporo?ec A. Guidebook on mapping groundwater vulnerability // Castany G, Groba E, Romijn E, eds. International Contributions to Hydrogeology Founded. Vol. 16.Hannover: Verlag Heinz Heise, 1987.

[4]Li R P, Merchant J W. Modeling vulnerability of groundwater to pollution under future scenarios of climate change and biofuels-related land use change: A case study in North Dakota, USA. Science of the Total Environment, 2013, 447: 32- 45.

[5]Ducci D, Sellerino M. Vulnerability mapping of groundwater contamination based on 3D lithostratigraphical models of porous aquifers. Science of the Total Environment, 2013, 447: 315- 322.

[6]Güler C, Kurt M A, Korkut R N. Assessment of groundwater vulnerability to nonpoint source pollution in a Mediterranean coastal zone (Mersin, Turkey) under conflicting land use practices. Ocean & Coastal Management, 2013, 71: 141- 152.

[7]Rezaei F, Safavi H R, Ahmadi A. Groundwater vulnerability assessment using fuzzy logic: a case study in the Zayandehrood Aquifers, Iran. Environmental Management, 2013, 51(1): 267- 277.

[8]Pavlis M, Cummins E. Assessing the vulnerability of groundwater to pollution in Ireland based on the COST- 620 Pan-European approach. Journal of Environmental Management, 2014, 133: 162- 173.

[9]Mair A, El-Kadi A I. Logistic regression modeling to assess groundwater vulnerability to contamination in Hawaii, USA. Journal of Contaminant Hydrology, 2013, 153: 1- 23.

[10]李定龍, 王宗慶, 楊彥. 基于綜合方法的區(qū)域淺層地下水脆弱性評(píng)價(jià)——以常州市為例. 環(huán)境化學(xué), 2013, 32(11): 2099- 2108.

[11]孟憲萌, 束龍倉(cāng), 盧耀如. 基于熵權(quán)的改進(jìn)DRASTIC模型在地下水脆弱性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用. 水利學(xué)報(bào), 2007, 38(1): 94- 99.

[12]陳守煜, 伏廣濤, 周惠成, 王國(guó)利. 含水層脆弱性模糊分析評(píng)價(jià)模型與方法. 水利學(xué)報(bào), 2002, 33(7): 23- 30.

[13]孫才志, 左海軍, 欒天新. 下遼河平原地下水脆弱性研究. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào): 地球科學(xué)版, 2007, 37(5): 943- 949.

[14]張小凌, 李峰, 劉紅戰(zhàn). 云南曲靖盆地地下水脆弱性模糊評(píng)價(jià). 水資源與水工程學(xué)報(bào), 2013, 24(2): 57- 61.

[15]孫才志, 楊磊, 胡冬玲. 基于GIS的下遼河平原地下水生態(tài)敏感性評(píng)價(jià). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(24): 7428- 7440.

[16]孫才志, 奚旭. 不確定條件下的下遼河平原地下水本質(zhì)脆弱性評(píng)價(jià). 水利水電科技進(jìn)展, 2014, 34(5): 1- 7.

[17]曾慶雨, 田文英, 王言鑫. 基于復(fù)合權(quán)重-GIS的下遼河平原地下水脆弱性評(píng)價(jià). 水利水電科技進(jìn)展, 2009, 29(2): 23- 26.

[18]Aller L, Bennett T, Lehr J H. DRASTIC: A Standardized System for Evaluating Groundwater Potential Using Hydrogeological Settings. USEPA Report Ada Oklahoma: Environmental Research Laboratory, 1985.

[19]Hammerlinck J D, Arneson C S. Wyoming Ground Water Vulnerability Assessment Handbook. Latamie: University of Wyoming, 1998.

[20]晏王波, 張曉祥, 姚靜, 徐盼, 余其鵬. 基于GIS的鹽城市區(qū)域發(fā)展時(shí)空特征研究. 地理空間信息, 2013, 11(2): 104- 110.

[21]方葉林, 黃震方, 余鳳龍, 涂瑋. 省際旅游資源相對(duì)效率的演化分析. 地理科學(xué), 2013, 33(11): 1354- 1361.

[22]Rupert M G. Calibration of the DRASTIC ground water vulnerability mapping method. Ground Water, 2001, 39(4): 625- 630.

[23]Antonakos A, Lambrakis N J. Development and testing of three hybrid methods for the assessment of aquifer vulnerability to nitrates, based on the drastic model, an example from NE Korinthia, Greece. Journal of Hydrology, 2007, 333(2): 288- 304.

[24]Assaf H, Saadeh M. Geostatistical Assessment of Groundwater Nitrate Contamination with Reflection on DRASTIC Vulnerability Assessment: The Case of the Upper Litani Basin, Lebanon. Water Resources Management, 2009, 23(4): 775- 796.

Spatial-temporal evolution of groundwater vulnerability in the lower reaches of the Liaohe River Plain

XI Xu, SUN Caizhi*, WU Tong, ZHENG Defeng

CollegeofUrbanandEnvironment,LiaoningNormalUniversity,Dalian116029,China

Abstract：A study was carried out to assess groundwater vulnerability in the lower reaches of the Liaohe River Plain over a number of years. Groundwater bodies with a relatively stable quantity of water, good water quality, and a high degree of resistance to pollution are widely distributed throughout the world, and they have many different roles, including as domestic water supply, in economic development, integrity maintenance of the geological environment, and ecological balance. The rapid development of the social economy and subsequent increased demand for natural resources has resulted in an increased pressure on groundwater and has led to its over use. Consequently, groundwater systems in many regions and countries all over the world are exposed to varying degrees of pollution and destruction, resulting in an increasingly pronounced contradiction between supply and demand for water resources. Due to changes in the parameters affecting ground water, the spatial-temporal distribution of groundwater vulnerability is dynamic; hence, the analysis of spatial-temporal evolution and its structural variation is important when attempting to prevent groundwater pollution. The parameters affecting ground water, combined with the DRASTIC model and human factors, were used to calculate groundwater vulnerability in the lower reaches of the Liaohe River Plain in 1991, 2000, and 2010. We also analyzed the evolution of groundwater vulnerability using ArcGIS and the change in the proportion of different levels of groundwater vulnerability. The hot and cold spots for groundwater vulnerability were calculated using Getis-Ord , and the dynamic changes in hotspots were quantitatively analyzed using gravity and the standard deviational ellipse method. In 1991, the groundwater vulnerability was low in 36.5% of the study area and high in 31.3% of the study area. In 2000, the moderate and high groundwater vulnerability areas reached 31.6% and 25.9% of the study area, respectively, while in 2010, groundwater vulnerability was high in 41.71% of the study area. Groundwater vulnerability in the study area showed a decreasing trend from 1991 to 2010 High groundwater vulnerability areas were diffused from the center of Shenyang to South coast. Hotspots were mainly distributed in the western zone of Xinmin City and Liaozhong County in 1991 and 2000, and only small changes occurred during this period, whereas the coastal areas became hotspots in 2010. Cold spots were relatively small and fragmented from 1991 to 2000. During the same period, the gravity center of hotspots shifted 2.264 km southwest, and the hotspot distribution pattern had an east-west direction. From 2000 to 2010, the gravity center of hotspots shifted 30.787 km southwest, the long axis of standard deviation ellipse was rotated counterclockwise by 32.44°, and the overall distribution pattern for hotspots had a northeast-southwest direction. In addition, the improved DRASTIC method that was used to investigate nitrogen concentration at the monitoring points and calculate the corresponding vulnerability ratio proved to be an important analysis tool. Spatial-temporal evolution of groundwater vulnerability, when investigated through the assessment of groundwater vulnerability and hot-spot distribution, may improve the utilization of groundwater and lead to the development of a protection plan for the study area.

Key Words:lower reaches of Liaohe River Plain; groundwater vulnerability; temporal and spatial evolution; hot spot; gravity center

基金項(xiàng)目:教育部高等學(xué)校博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(2012123611000)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40501013)

收稿日期:2014- 11- 20; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 09- 28

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: suncaizhi@lnnu.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201411202304

奚旭，孫才志，吳彤，鄭德鳳.下遼河平原地下水脆弱性的時(shí)空演變.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(10):3074- 3083.

Xi X, Sun C Z, Wu T, Zheng D F.Spatial-temporal evolution of groundwater vulnerability in the lower reaches of the Liaohe River Plain.Acta Ecologica Sinica,2016,36(10):3074- 3083.