河西走廊水资源开发利用诱发土壤盐渍化的风险评价

袁广祥，陈德文，朱井生，张路青，曾庆利，王小东

（1.华北水利水电大学地球科学与工程学院，郑州450046；2.中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京100029；3.中国科学院大学地球与行星科学学院，北京100049）

0 引 言

土壤盐渍化是一种土地退化现象，制约着农业的可持续发展［1］。风险评价是预测盐渍化发展演化，遏制或治理盐渍化的必要措施。因此，国内外众多学者开展了相关研究2。如Trian⁃tafilis et.al 针对灌溉水质引起的盐渍化风险，建立盐分平衡模型，进行土壤盐渍化风险评价研究［3］；Lambel et.al 利用Landsat影像，基于GIS 模型，预测由地下水上升引起土壤盐渍化的风险［4］；李冬顺等引入灾害风险理论，建立土壤盐渍化风险评价模型，并对苏北滩涂土壤盐渍化风险进行评价［5］；党玉构建了伊犁河南岸土壤盐渍化风险评价指标体系，并根据评价结果提出了适宜的水资源开发利用措施［6］；Angela Libutti et.al 建立了水盐平衡模型，对番茄种植诱发的土壤盐渍化风险进行评价［7］；Sameh et.al 采用地质统计学的概率克里格法，借助3S 技术对土壤盐渍化风险进行评价［8］。

河西走廊位于甘肃省西北部，南部与祁连山接壤，四周被沙漠包围，气候干旱，降水稀少，蒸发强烈。在此生态环境脆弱的背景下，人类活动尤其是水资源不合理开发利用导致该地区土地盐渍化灾害日趋严重。土壤盐渍化已成为限制该地区社会经济可持续发展的主要因素之一。因此，自20 世纪50年代，就开始了对该地区盐渍化的研究［9］，如陈丽娟等用数值方法对疏勒河灌区垂直洗盐制度进行了研究［10］，对民勤绿洲土壤水盐空间分布特征及盐渍化成因进行了分析［11］；孟雪等研究了黑河中游水循环过程对土壤盐分特征的影响［12］；李会亚等研究了民勤绿洲灌区土壤全盐及盐基离子的空间变异特征和分布规律［13］；刘金荣等对河西走廊土壤盐渍化的成因和修复措施进行了研究［14，15］；杨自辉等对河西走廊盐渍化成因进行了分析，提出了一套盐碱地治理模式［16］。目前的研究主要集中在盐渍化的成因、土壤改良等方面，对河西走廊土壤盐渍化灾害风险评价的研究很少。因此，本文拟对河西走廊土壤盐渍化灾害进行风险区划和评价，以期为该地区盐渍化灾害治理和水资源合理开发利用提供理论依据。

1 水资源开发利用在河西走廊土壤盐渍化的作用

河西走廊土壤盐渍化的形成因素主要有气候、地形地貌、岩土体性质、生物积盐、水资源的开发利用等［11，12］。从20 世纪50年代起，人们通过修渠、打井等一系列手段，加大了水资源的开采。而20 世纪60年代以来河西走廊盐渍化速度明显加快。21 世纪以来，河西走廊地区开始修复和改进输水管道，推广节水技术，加强水资源利用调控，土壤盐渍化速率明显降低。由此可知，水资源的开发利用在河西走廊土壤盐渍化的过程中起着重要作用，主要体现在以下几个方面（图1）。

图1 水资源开发利用诱发土壤盐渍化示意图Fig.1 Soil salinization induced by water resources development and utilization in Hexi Corridor

（1）不合理的灌溉。农田引水灌溉采用串灌、漫灌等传统的灌溉方式，使得灌溉水量过多进而大量渗入地下，地下水位逐渐升高。在强烈的蒸发作用下，盐分向土壤表层聚集，导致土壤次生盐渍化的发生。

（2）渠道渗漏。早期水渠多为土渠或浆砌石衬砌，渗漏严重，使渠道沿线地下水位上升，在当地强蒸发作用下，盐分大量向上聚集，导致渠道沿线发生土壤次生盐渍化。

（3）上游来水量减少。河流上游修建大量水库蓄水，导致上游来水量大幅减少，下游土壤和地下水失去河水的补给，引起区域地下水位下降，使部分沼泽退化，在强烈的蒸发浓缩作用下，致使地表聚集大量盐分，形成盐碱地。

2 数据来源及处理方法

2.1 遥感数据

选取STRM 系统的DEM 数字高程（90 m 分辨率）模型数据，在ENVI 平台下，经过辐射校正和几何校正的Landsat-8 光学遥感数据，初步获取水利工程、地质环境、土地利用类型、盐渍化分布等方面的数据。

2.2 现场调查数据

根据遥感解译结果，开展现场调查，对现有文献资料及遥感影像解译结果进行验证、补充，如图2为高台县某地土壤盐渍化现状。在一些关键位置，采取水样、岩样、土样等进行分析，获取准确的与土壤盐渍化有关的数据。

图2 高台县某地土壤盐渍化Fig.2 Soil salinization in Gaotai

2.3 统计数据

土壤盐渍化风险评价需要利用已有的统计数据，主要包括：

（1）甘肃省水利厅《2018 甘肃省水资源公报》，主要提供水资源开发利用数据。

（2）中国科学院资源环境科学与数据中心、气象数据、1∶100 万土壤类型图等数据，其中社会经济数据包括经济密度和人口密度。

2.4 数据处理方法

传统的风险评价一般以行政区为基本单元，行政尺度的统计数据并不能精确代表区域特征。为了提高研究结果的精度和可信度，本文采用GIS 网格方法，使用ArcGIS 软件创建5 km×5 km精度的矢量网格，利用空间叠加、掩膜提取等GIS矢量数据和栅格数据的特有处理技术，将所有指标进行了网格化处理，使每个网格矢量文件中都包含所需要的指标信息，使风险评价结果更为精确。

3 水资源开发利用诱发盐渍化灾害风险评价方法

3.1 研究方法

灾害风险指未来若干年内可能达到的灾害程度及其发生的可能性，是危险性、暴露性和脆弱性相互综合作用的结果，可表示为：自然灾害风险=危险性×暴露性×脆弱性［17］。

为准确评价灾害风险，反映指标间相对竞争激烈程度和指标实际重要程度，确定各评价因子的权重是关键。使用层次分析法计算出主观权重W1j，熵权法计算出客观权重W2j，最后运用最小相对信息熵原理［公式（1）］计算二者权重的综合值，作为最终的权重值Wj，可以有效减少主客观带来的误差［18］。

式中：Wj为j指标的综合权重；W1j为指标j的主观权重；W2j为指标j的客观权重。

3.2 评价因子与评价指标选取

根据评价因子选取的适用性、可操作性、科学性、主导性等原则［19，20］，从危险性、脆弱性、暴露性三个层面选取评价因子，确定每个因子的评价指标。

（1）危险性。危险性可以采用诱发因子和环境因子两个方面的指标表征。诱发因子主要包括地表引水和地下水开采两个方面；环境因子主要包括气候、地质、地形等。

①地表引水。地表水主要用于农田灌溉。用于灌溉的水越多，地下水位上升越高，盐分向土壤表层聚集越严重，发生盐渍化灾害的风险越大。

②地下水开采：开采的地下水也是主要用于农田灌溉，地下水超采越严重，地下水位下降越明显，周围高矿化度地下水向机井部位汇集，提灌的水矿化度增高，在蒸发作用下，盐分向土壤表层聚集，土壤盐渍化加重。

③气候：气候要素主要包括气温、降水、蒸发量和湿度等。河西走廊气候干燥，降水量小，蒸发量大，溶解在水中的盐分容易在土壤表层积聚。

④地形：河西走廊地形可分为三大类：山地、山前洪积扇区和平原区。河西走廊平原区盐渍土分布面积占全省盐渍土的97%，土壤盐渍化危害较为严重［21］。

⑤地质：土壤母质的含盐量表征地质条件，土壤母质的含盐量越多，盐渍化灾害风险越大。

（2）暴露性指标。河西走廊土壤盐渍化暴露性的因子主要包括人口因子、经济因子和土地因子，分别选取人口密度、经济密度和可利用土地面积表征。

①人口密度：人口密度越大，遭受盐渍化灾害可能性的人群越多。

②经济密度：经济密度越大，因盐渍化灾害引起经济损失的可能性越大。

③可利用土地面积：可利用土地面积越大，盐渍化灾害风险越大。

（3）脆弱性指标。表征土壤盐渍化脆弱性的因子主要包括人口因子、经济因子和土地因子，分别选取农业人口占比/农业产值占GDP比值和农业用地面积表征。

①农业人口占比：农业人口比重越大，造成的盐渍化灾害风险越大。

②农业产值占GDP比：农业产值占GDP比越高盐渍化风险越大。

③农业用地面积：农业用地面积越高，盐渍化灾害风险越高。

3.3 评价指标体系的构建

根据上述11 个指标构建河西走廊盐渍化化灾害风险评价指标体系，利用熵组合权重法分别计算各指标的综合权重（表1），用于评价盐渍化灾害风险的大小程度。

表1 土壤盐渍化风险评价指标 %Tab.1 Risk assessment index of soil salinization

利用自然间断点分级法［22］，结合研究区自然地理、社会经济特点及其对盐渍化灾害影响的实际情况，确定各项评价指标的分级标准，得到河西走廊盐渍化灾害风险评价的分级标准（表2）。1级表示风险性最低，5级表示风险性最高。

表2 土壤盐渍化风险评估指标分级标准Tab.2 Classification standard for risk assessment index of soil salinization

3.4 盐渍化灾害风险评价模型的建立

参考其他灾害风险评价模型［23-27］，并根据加权综合评价法的原理建立河西走廊盐渍化灾害风险评价模型，以权重来反映各评价因子在风险评价的不同地位。具体模型如下：

式中：RS是盐渍化风险指数，表示盐渍化风险程度，RS值越大，风险程度越大；H、E、V表示相应的危险性、暴露性和脆弱性指数；W为指标权重值，表示各指标对于形成灾害风险的因子的相对重要性；X为各评价指标标准值。

根据式（2）～（5），对河西走廊盐渍化灾害的危险性、暴露性和脆弱性进行评价，并计算出河西走廊盐渍化风险指数。利用自然间断点分级法，将风险指数划分为极高、高、中等、低和极低5 个等级，最后得到河西走廊盐渍化灾害风险评价与区划结果。

4 盐渍化灾害风险评价结果分析

根据上述盐渍化灾害风险评价体系，分别对河西走廊盐渍化的危险性、暴露性和脆弱性进行评价（图3～图5）。在此基础上，对河西走廊盐渍化灾害风险进行评价，评价结果如图6和表3所示。

图3 河西走廊盐渍化灾害危险性评价结果Fig.3 Danger assessment results of salinization disaster in Hexi Corridor

图4 河西走廊盐渍化灾害暴露性评价结果Fig.4 Exposure assessment results of salinization disaster in Hexi Corridor

图5 河西走廊盐渍化灾害脆弱性评价结果Fig.5 Vulnerability assessment results of salinization disaster in Hexi Corridor

图6 河西走廊盐渍化灾害风险评价结果Fig.6 Risk assessment results of salinization disaster in Hexi Corridor

从图3～图7和表3可以看出，河西走廊盐渍化风险呈现出2个明显的特点：

表3 河西走廊盐渍化灾害风险评价结果Tab.3 Risk assessment results of salinization disaster in Hexi Corridor

（1）高和极高风险区域呈带状集中分布在流域中下游平原区。土壤盐渍化的形成条件包括孕灾环境和致灾因子两个方面。孕灾环境主要有气候、地形地貌、岩土体性质等因素。这些因素是相对稳定的，但具有明显的分带性。气候可分为山区和平原区两种气候；地形地貌和岩土体性质可分为山区、山前洪积扇区和河流下游平原区三个带（图7）。山前洪积扇地下水埋藏较深，盐渍化相对较轻；扇缘及下游平原区地下水埋藏较浅，蒸发作用强烈，盐渍化严重。致灾因子主要是水资源的开发利用，山前洪积扇扇缘及其下游平原区是人口聚集区，武威、张掖、酒泉、嘉峪关等城市均分布在这一地区，也是农田分布区，水资源开发利用程度很高（图8），盐渍化风险严重。

图7 土壤盐渍化孕灾环境分带Fig.7 Environmental zoning of soil salinization

图8 水资源开发利用程度分区Fig.8 Division of water resources development and utilization

（2）东部比西部严重。石羊河流域和黑河流域的盐渍化风险比疏勒河流域严重。从图7 可以看出，河西走廊从东向西孕灾环境相似，之所以东部严重，主要是由于东部地区人口相对密集，水资源开发利用程度高。尤其是在石羊河下游，自蔡旗断面以下，石羊河干流注入红崖山水库，经输水渠进入红崖山灌区农田，加之灌区内开挖机井7 600 多眼［28］，水资源开发利用程度高，因此土壤盐渍化灾害风险极高。黑河流域水库、水渠、机井等水利工程集中分布区，同样为灾害风险极高区。

5 讨论与结论

根据调查数据（图3 和图9）可知，高台县和民勤县的土壤盐渍化较为严重，盐渍化灾害风险较高（图6），说明评价结果与实际调查情况基本吻合。根据遥感数据（图7 和图10）可知河西走廊土地情况，盐渍化灾害高风险区分布在平原区和人口相对密集地带，说明评价结果与实际土地利用情况基本一致。研究区盐渍化土地主要分布在河西走廊各河流的下游平原区［29，30］。如：石羊河流域：民勤县的湖区、泉山一带；黑河流域：酒泉的东部和北部、金塔；疏勒河流域：敦煌的北部和西部。河西走廊盐渍化灾害风险评价结果（图6）与之基本吻合。

图9 民勤县某地土壤盐渍化Fig.9 Soil salinization in Minqin

图10 河西走廊土地利用类型Fig.10 Land use types in Hexi Corridor

河西走廊地处西北内陆，气候干旱，降水稀少，蒸发强烈，在特殊的地质和地形地貌条件下，形成了土壤盐渍化的孕育环境。人类活动，尤其是水资源不合理开发利用成为土壤盐渍化的诱发因素。

以5 km×5 km尺度标准网格为河西走廊盐渍化灾害评价基本单元，在危险性、脆弱性和暴露性评价的基础上，得到了河西走廊土壤盐渍化风险分区，其中，极高风险区占7.72%，高风险区占7.75%，中风险区占47.59%，低风险区占13.60%，极低风险区占23.33%。 □