，

(广西师范学院 a.北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室;b.广西地表过程与智能模拟重点实验室; c.地理科学与规划学院, 南宁 530001)

1 研究背景

流域作为一个资源、人口和资本相对集中的水文单元，在生态系统的演变及人类频繁活动的双重作用下，流域生态系统承受的胁迫不断增加，脆弱性增强[1]。脆弱性评价是对某一研究对象自身结构和功能进行评估，评价其在外部的扰动下受到的影响，系统对扰动的抵抗能力及从不利影响中的恢复响应能力，其研究目的是探索研究对象的脆弱性现状，为研究区的综合治理及可持续发展提供决策依据[2]。随着流域脆弱性研究的不断深入，以流域为研究对象的生态脆弱性、灾害脆弱性、水资源脆弱性、社会生态系统脆弱性等方面的研究成果不断涌现。脆弱性评价方法也在不断深化，目前已形成层次分析法[3]、空间主成分分析法[3-4]、熵权法[5]、TOPSIS法[6]等多种评价方法。通过查阅文献可知，各学者运用不同的方法对各区域的脆弱性进行了分析与评价，但多是基于单因子的脆弱性评价，缺乏对流域生态环境、水资源、灾害等多方面的综合考量。

西江是连接沿海发达地区和大西南的黄金水道，而广西西江流域作为珠三角都市圈上游的水源涵养区，生态地位重要[7]。在自然与人类活动的共同影响下，土壤污染、水土流失加重，生物多样性减少，水源污染，灾害频发，生态系统脆弱易损。本研究以脆弱性的理论体系为指导，以3S技术为支撑，以广西西江流域为研究区域，以1 km×1 km栅格为评价单元，从生态、水资源、灾害3方面进行分析，构建广西西江流域脆弱性评价指标体系。空间主成分分析法和层次分析法相结合，对流域脆弱性进行综合评价，旨在科学地讨论流域脆弱性的空间分异及特征，并针对性地提出流域脆弱性管理对策。本研究对广西西江流域的综合治理和可持续发展具有一定的现实意义，为加强流域生态系统的科学管理提供数量化决策依据和理论支持。

2 数据与方法

流域脆弱性评价是对生态环境及人类活动复合巨系统脆弱性现状的综合性评价，本研究从生态、资源、灾害3部分构建多要素与多层次的评估指标体系，结合数学模型及GIS空间分析方法评价广西西江流域的脆弱性现状及空间分布规律[8]。

2.1 数据及处理

本研究所用的遥感数据主要来源于美国地质调查局(United States Geological Survey，简称USGS)(http:∥glovis.usgs.gov/)；汛期降雨量数据主要来源于中国气象科学数据共享服务平台(http:∥cdc.cma.gov.cn/)；行政区统计数据主要来源于广西统计年鉴(2014)；环境及水资源数据主要来源于广西水利统计年鉴(2014)。

将所有点源数据采用反比距离权重插值法进行空间插值[4]，并将空间分辨率不一致的空间数据重采样为1 km分辨率的栅格图。为消除量纲的差异，采用极差标准化方法进行标准化处理，解决由于量纲及物理意义不同而指标之间无法比较的问题。

2.2 指标体系构建

广西西江流域地势自西北向东南倾斜，资源空间分布不均，降雨季节分布不均，汛期(5—8月份)洪涝灾害频发，人口众多，城乡二元化结构明显，生产生活污水排放污染水源，生态系统负荷不断加大，危及生态系统结构的稳定性。流域在生境脆弱、资源不断减少、灾害频发的现状下，脆弱性不断增强。依据评价指标选取的科学性、系统性、可行性等原则，结合广西西江流域的实际情况及前人的研究成果，本研究将广西西江流域脆弱性作为一级指标；以生态脆弱性、资源脆弱性、灾害脆弱性3个子系统为二级指标；再细分为若干三级指标[9]，并将指标划分为正指标和负指标。指标值越大，脆弱性程度越高的作为正指标；指标值越小，脆弱性程度越高的作为负指标，构建完成广西西江流域脆弱性评价指标体系，见表1。

表1 广西西江流域脆弱性评价指标体系Table 1 Index system of vulnerability evaluation for Xijiang River drainage basin in Guangxi

2.3 主要评价模型

2.3.1 无量纲化模型

由于各个指标的性质不同，单位和量纲也不一致，无法直接使用。为解决原始指标不可对比的问题，本研究采用极差标准化方法分别对正、负向指标进行标准化处理[10]，指标极差标准化公式如下：

正向指标处理方法为

Xi=(xi-xmin)/(xmax-xmin) ；

(1)

负向指标处理方法为

Xi=(xmax-xi)/(xmax-xmin) 。

(2)

式中：Xi为指标i的标准化值；xi为指标i的初始值；xmin为指标i的最小值；xmax为指标i的最大值。

2.3.2 空间主成分分析法(Spatial Principal Component Analysis，SPCA)

当指标数量较多时，各指标的信息量有不同程度的重叠，因此，本研究采用较为客观的空间主成分分析法对指标进行主成分提取，在最大程度保留信息的同时减少数据量。本研究统一选取累计贡献率超过85%的主成分进行分析，依据空间主成分分析结果，计算脆弱性指数V，其计算公式为

V=r1PC1+r2PC2+r3PC3+…+rnPCn。(3)

式中：ri为第i个主成分对应的贡献率；PC1,PC2,PC3,…, PCn为累计贡献率超过85%的特征值所对应的第1，第2，第3，…,第n个主成分。其中贡献率的计算公式为

(4)

式中λi为第i个主成分的特征值。

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

通过建立层次结构，根据专家意见，判断因子之间的重要性，构造判断矩阵，然后计算层次单排序及层次总排序，当矩阵通过一致性检验，即CR<0.10时，可得到因子权重[11]。层次分析法带有一定的主观性，可依据研究区的情况及研究者对其的认识对因子进行权重赋值，可使研究结果更加贴合实际。依据专家意见，对相关因子进行赋值，计算脆弱性综合指数VI，其计算公式为

(5)

式中：fi为第i个因子的量化值；wi为第i个因子的权重；n为因子个数。

3 研究区域

西江作为华南地区最长的河流，位于我国西南部，从乌蒙山区起，流经云南、贵州、广西、广东等地[12]。广西西江流域位于104°E—113°E，21°N—27°N之间。西江流域广西段主要支流有南盘江、红水河、郁江、柳江、贺江、桂江等，水资源总量约占广西水资源总量的85.5%。流域内总体为山地丘陵性盆地地貌[13],岩溶地貌发育，年均气温在16.5～23.1 ℃之间，年均降水量为1 080～2 760 mm。土壤类型主要以红壤、赤红壤、水稻土为主。植被类型主要有针叶林、灌丛，及水稻、大豆、甘蔗、油茶等栽培植物。

4 结果与分析

4.1 脆弱性综合指数的计算

本研究采用ArcGIS 10.1的Principal Components 函数，分别对生态脆弱性因子、资源脆弱性因子及灾害脆弱性因子的多个指标进行空间主成分分析，得到各主成分的特征值、贡献率及累计贡献率，如表2所示。本研究一致选取累计贡献率85%以上的主成分替代原始指标，并依据式(3)进一步计算各脆弱性因子的脆弱性指数。

表2 各主成分的特征值、贡献率及累计贡献率Table 2 Eigenvalues, contribution rates and accumulated contribution rates of principal components

通过专家打分法，对3个脆弱性因子赋予权重，采用yaahp软件计算得到生态脆弱性因子、资源脆弱性因子和灾害脆弱性因子的权重分别为0.614 4，0.117 2，0.268 4，其层次总排序的随机一致性检验结果为CR=0.070 7<0.10，认为层次总排序一致性结果较好。将权重代入式(5)，计算得到广西西江流域脆弱性综合指数。

根据广西西江流域脆弱性评价结果，脆弱性综合指数越高，说明该地区脆弱程度越高，按照自然断裂法对广西西江流域脆弱性进行分级，将广西西江流域脆弱性综合指数(VI)从低到高分为5级。广西西江流域脆弱性分级标准如表3所示。

4.2 结果分析

4.2.1 脆弱性空间分布特征

广西西江流域脆弱性空间分布如图1所示。

表3 广西西江流域脆弱性分级标准Table 3 Classification criterion of vulnerability of Xijiang River drainage basin

图1 广西西江流域脆弱性空间分布Fig.1 Spatial distribution of vulnerability of Xijiang River drainage basin

根据图1可知：广西西江流域的脆弱性总体分布趋势为从西南向东部和北部递增；在生态、资源和灾害的共同影响下，流域西南部及部分市辖区如崇左市中部、南宁市辖区、柳州市辖区等脆弱性较低，为潜在脆弱区；流域中部地区为微度脆弱区。脆弱性相对较低的地区由于地形起伏度和坡度较小，水资源丰富，降雨量适中，并且社会经济条件较好，对生态环境及灾害的响应能力较强，因此脆弱性相对较低。轻度脆弱区主要分布于微度脆弱区和中度脆弱区的过渡地带，如桂平市、河池市等地;中度脆弱区主要分布于流域的东部,该地区资源分布有差异，降雨较多，易发生洪涝灾害;重度脆弱区主要分布于地形起伏较大的流域北部及东部的部分地区，尽管这些地区的植被覆盖度较好，但受地形条件的限制，经济发展受限，洪涝灾害频发，水资源可获取性较低，抵抗脆弱的能力不强。

表5 广西西江流域不同高程分带的脆弱性等级分布Table 5 Vulnerability levels corresponding to different elevation ranges in Xijiang River drainage basin

表6 广西西江流域岩溶区与非岩溶区的脆弱性等级分布Table 6 Vulnerability levels in karst and non-karst regions of Xijiang River drainage basin

表4为广西西江流域脆弱性面积统计结果。表4表明，流域整体脆弱性等级在Ⅱ—Ⅳ级之间，占流域总面积的75.46%，其中中度脆弱区面积占比最大，为29.11%。另外，潜在脆弱区面积占比为11.48%，多分布于广西西江流域的西南地区。重度脆弱区占总面积的13.06%，多分布于地形起伏度较大的地区。

表4 广西西江流域脆弱性等级面积统计Table 4 Statistics of area of different vulnerability levels

4.2.2 脆弱性随海拔高程的分布

根据广西西江流域DEM数据，广西西江流域地形总体西北部较高，中部和南部地区较低。参考西江经济带(广西段)可持续发展研究的高程分级标准，将广西西江流域地形高程分为5级，分别是<100,[100,200),[200,400),[400,800],>800 m[14]。将广西西江脆弱性分级图和DEM分级图叠加，统计各高程分带下不同脆弱性等级的面积和占比，统计结果见表5。

根据统计结果可知，地形高程<100 m的地区微度脆弱区面积最大，占高程100 m以内总面积的36.42%；其次潜在脆弱区和中度脆弱区也有一定量的分布，重度脆弱区占比最少，仅为0.08%。地形高程在100～200 m的地区脆弱性分布状况与地形高程在100 m以内的地区相似。地形高程在200～400 m的地区多为微度脆弱及轻度脆弱区，占高程200～400 m以内总面积的67.22%，另外，中度脆弱区面积占比为20.50%，潜在脆弱区及重度脆弱区面积占比较少。地形高程400～800 m的地区轻度脆弱区及中度脆弱区面积占比较大，其他脆弱性级别面积占比较少。地形高程>800 m的地区中度脆弱区及重度脆弱区占有相当大的比例。从整体结果看，地形高程越大，脆弱性越强，地形高程与脆弱性关系较为密切。

4.2.3 脆弱性在岩溶区与非岩溶区的分布

广西西江流域内喀斯特地貌广泛分布，部分地区岩溶发育强烈，在一定程度上会导致流域生态环境较为脆弱[15]。根据统计，流域内岩溶区面积约为91 038 km2，占流域总面积的45%左右；非岩溶区面积约为110 851 km2，约占流域总面积的55%。将流域地质类型图与流域脆弱性分级结果叠加，分析流域内岩溶区与非岩溶区的脆弱性状况。

根据表6分析结果可知，岩溶区主要为微度脆弱和轻度脆弱，而中度脆弱和重度脆弱的面积占比较少；相反，中度脆弱和重度脆弱在非岩溶区中的面积要比岩溶区的面积大。整体来看，岩溶区的脆弱程度并不大于非岩溶区。究其原因，笔者认为是因为石漠化治理工程成效逐渐凸显，生态环境状况转好，并且在岩溶区洪涝灾害相对非岩溶区少，灾害脆弱性较低，因此岩溶区整体脆弱性程度并不高于非岩溶区。

5 流域综合整治建议

西江流域作为我国珠江水系的干流之一的两大流域之一，资源丰富，承载能力强。在未来，广西西江流域的经济发展速度将会加快，工业化建设强度也会加大，资源需求增加，人类活动频繁，流域自然环境面临的压力也会越来越大。基于广西西江流域的脆弱性现状及流域发展趋势，本研究提出的综合整治建议如下：

(1)生态优先，构建生态安全格局。始终坚持生态环境保护优先的原则，不以破坏生态环境为代价换取眼前利益，保持水土，保护生态环境，加强石漠化治理，构建生态安全格局。

(2)优化产业布局，合理利用资源。在各级规划的指导下，以因地制宜和可持续发展为原则，优化产业布局，促进产业转型升级。合理利用资源，禁止过度开发。

(3)严格控制排污。有关部门应加大监管力度，控制排污总量，确保排污质量达标，严格防范污染风险，保护水环境和大气环境安全。

(4)完善法律法规，健全监测治理体系。在现有法律法规如《环境保护法》 、《水土保持法》 、《水污染防治法》等的基础上，依据广西西江流域的现状，有关部门还应健全流域监测体系，掌握流域的动态变化，早发现早治理，确保流域环境安全稳定。

6 结 论

(1)本研究在分析广西西江流域地理特征及现状特点的前提下，多角度、多指标要素地构建流域脆弱性指标体系，采用空间主成分分析法和层次分析法主客观相结合的评价方法，对广西西江流域脆弱性进行定量化评估。

(2)研究结果表明，流域脆弱性总体呈现从西南部向东部与北部递增趋势，整体脆弱性在微度脆弱—中度脆弱之间，面积占比为75.46%，面积占比最小的为潜在脆弱区，为11.48%。流域脆弱性空间分布与高程呈正相关关系，脆弱性随着海拔的增高而增大。岩溶地貌并未对脆弱性有明显影响。

(3)为缓解人地矛盾，减缓广西西江流域的脆弱性发展速度，提出流域综合整治的措施与建议，对脆弱流域进行综合治理，维护广西西江流域的可持续性发展。