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山东沿海地区百年一遇潮位淹没影响的耕地脆弱性评价

李梦梦 罗新正

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山东沿海地区百年一遇潮位淹没影响的耕地脆弱性评价

    作者简介: 李梦梦(1992-), 女, 河南郑州人, 硕士研究生, 主要从事海岸带环境演化研究, E-mail:leedreameng@hotmail.com;
    通讯作者: 罗新正(1965-), 男, 博士, 教授, 主要从事海岸带环境演化方面的研究, E-mail:xzhluo@163.com
  • 基金项目: 海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室开放基金资助项目(MASEG201203)
  • 中图分类号: X820.3

Evaluation on the cultivated land vulnerability of Shandong coastal areas under the flooding influence of 100-year tide level

  • 摘要: 山东沿海七市耕地面积占全省耕地面积的37.91%,农业产值占全省的41.12%。由于经常受风暴潮的影响,农业损失巨大。沿海耕地分布区地势较为低平,潮水灌入农田,使当季农作物损失率为100%,同时又改变土壤性质,影响下一季农作物的生长,而防潮堤标准低且达标率不高,对百年一遇风暴潮抵抗力较弱。因此,对山东沿海地区耕地脆弱性评价有利于防灾减灾。本文利用landsat ETM、数字高程模型和地表覆盖数据,运用GIS系统评价山东沿海地区百年一遇潮位淹没影响的耕地脆弱性。将脆弱程度划分为七级,研究结果如下:极高脆弱性的地区是垦利县、东营区;很高脆弱性的地区有河口区、昌邑县、广饶县与寒亭区;高脆弱性的地区是城阳区、崂山区与寿光市;中脆弱区的地区有莱州市、平度市、垦利县与东营区;低脆弱的地区有岚山区、牟平市、文登市、荣成市、即墨市、胶州市、无棣县、东港区、龙口市、海阳市、河口区、沾化县与黄岛区;很低脆弱的地区有蓬莱市、环翠区、利津、芝罘区、崂山区、乳山市与城阳区;极低脆弱的地区有福山区、莱山区与招远市。其中垦利县、东营区、寒亭区、广饶县、昌邑县与寿光市的脆弱性是由于百年一遇潮位较高,淹没耕地比值大;河口区脆弱性是由于当地淹没耕地比值大。
  • 图 1  研究区位置

    Figure 1.  Study area location

    图 2  潮位淹没影响范围

    Figure 2.  Flooded area

    图 3  淹没区耕地示意图

    Figure 3.  Flooded agricultural

    图 4  脆弱性分布

    Figure 4.  Fragility distribution

    表 1  百年一遇潮位

    Table 1.  100-year tide level

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    表 2  脆弱性分级标准

    Table 2.  Fragility classification

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    表 3  百年一遇潮位高度

    Table 3.  100-year tide level

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    表 4  百年一遇潮位淹没耕地面积

    Table 4.  Flooded agricultural area

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    表 5  脆弱性指数

    Table 5.  Fragility index

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    表 6  脆弱性指数标准值

    Table 6.  Fragility index standard value

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-08-18
  • 录用日期:  2018-10-22
  • 刊出日期:  2020-04-20

山东沿海地区百年一遇潮位淹没影响的耕地脆弱性评价

    作者简介:李梦梦(1992-), 女, 河南郑州人, 硕士研究生, 主要从事海岸带环境演化研究, E-mail:leedreameng@hotmail.com
    通讯作者: 罗新正(1965-), 男, 博士, 教授, 主要从事海岸带环境演化方面的研究, E-mail:xzhluo@163.com
  • 烟台大学 环境与材料工程学院, 山东 烟台 264005
基金项目: 海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室开放基金资助项目(MASEG201203)

摘要: 山东沿海七市耕地面积占全省耕地面积的37.91%,农业产值占全省的41.12%。由于经常受风暴潮的影响,农业损失巨大。沿海耕地分布区地势较为低平,潮水灌入农田,使当季农作物损失率为100%,同时又改变土壤性质,影响下一季农作物的生长,而防潮堤标准低且达标率不高,对百年一遇风暴潮抵抗力较弱。因此,对山东沿海地区耕地脆弱性评价有利于防灾减灾。本文利用landsat ETM、数字高程模型和地表覆盖数据,运用GIS系统评价山东沿海地区百年一遇潮位淹没影响的耕地脆弱性。将脆弱程度划分为七级,研究结果如下:极高脆弱性的地区是垦利县、东营区;很高脆弱性的地区有河口区、昌邑县、广饶县与寒亭区;高脆弱性的地区是城阳区、崂山区与寿光市;中脆弱区的地区有莱州市、平度市、垦利县与东营区;低脆弱的地区有岚山区、牟平市、文登市、荣成市、即墨市、胶州市、无棣县、东港区、龙口市、海阳市、河口区、沾化县与黄岛区;很低脆弱的地区有蓬莱市、环翠区、利津、芝罘区、崂山区、乳山市与城阳区;极低脆弱的地区有福山区、莱山区与招远市。其中垦利县、东营区、寒亭区、广饶县、昌邑县与寿光市的脆弱性是由于百年一遇潮位较高,淹没耕地比值大;河口区脆弱性是由于当地淹没耕地比值大。

English Abstract

  • 山东沿海地区临渤海,黄海,自章卫新河至秀针河,包括滨州,东营,潍坊,烟台,威海,青岛,日照七市,经济发达,地理位置优越。2015年山东沿海地区农业产值占全省农业产值的37.50%[1]。由于经常受风暴潮的影响,农业损失巨大。2003年10月的特大温带风暴潮,造成山东省东营市损失耕地损失11.82 km2 [2]。2012年“达维”台风风暴潮造成山东省农田受灾面积达553 km2;2014年“麦德姆”台风风暴潮造成山东省农田受灾面积8.20 km2

    对风暴潮的预报,如美国SLOSH模型、英国SEA模型、荷兰DSCM模型等系统已经有了实际应用,主要是风暴潮数值预报[3];李明杰等计算了山东沿岸多年一遇最高水位,为多年一遇大潮对沿海地区的脆弱性评价提供了潮位数据[4];房浩等评估了天津市风暴潮带来的经济损失,其中淹没田地、房屋财产、桥梁堤坝等各类损失未区分处理,用最小二乘法对风暴潮影响直接经济损失进行了粗略计算[5];张华在评估沿海城市自然灾害脆弱性时,将农业产值比重作为评价指标之一归入敏感性,对农业产值比重赋以权重,各指标加权求和得到总的脆弱性指数[6];石勇评估上海市在灾害情形下的城市脆弱性中,用研究区的成灾面积与受灾面积的比值表示农业水灾脆弱性水平[7]

    本文以山东沿海地区作为研究区,研究区内地势较低;季风气候显著,冬季与春季风速大,夏季与秋季风速小;夏季多雨,常有暴雨,烟威地区冬季多降雪,年均相对湿度大于70%。区内沿海七市耕地面积占山东省耕地总面积的37.91%,其中潍坊耕地面积为全省排名第三;七市农业总产值占全省农业总产值的41.12%[1]。研究区内防潮堤建设标准低,缺乏有效的管理维护。国家防总1996年提出防潮堤标准要达到20 a一遇,但只有20%达标;如沾化县许多防潮堤段,因管理不健全,导致工程隐患增多,水患严重,防潮堤失去防潮作用[8]

    评价研究区内百年一遇潮位淹没影响的耕地脆弱性,其中百年一遇是频率概念,指该事件发生的时间间隔的平均值,事实上百年内该事件可能发生很多次或一次没有,而非绝对的一百年内发生一次。本文用耕地淹没的比率作为脆弱性评价指标,仅讨论潮灾影响下耕地的脆弱性,不综合其他损失,避免其他损失对耕地脆弱性的影响;同时,单一评价指标无需赋以权重,避免权重设置的主观性;耕地面积指可用来耕种的土地面积,播种面积指实际播种或移植有农作物的面积,播种面积随每年土地复种的变化而变化,不讨论播种面积,避免播种面积变化带来的影响。潮灾灌入农田总面积的比值作为各基本单元的农业脆弱性指数。由于海水淹没耕地,改变了土壤性质,从而影响下一季播种,因此本文用耕地淹没的比率作为脆弱性评价指标,选取研究区内8个验潮站的百年一遇潮位数据,以研究区内35个县、市、区作为研究的基本单元。由于潮灾灌入农田海水,农作物因盐渍损失率为100%,损失率与淹没深度关系不大[9],故根据百年一遇潮位淹没影响的耕地面积与基本单元的耕地总面积,划分为7级评价标准。

    • 研究区介于滨州章卫新河河口到日照绣针河河口之间,地理位置为117.54°E—119.36°E,35.08°N—38.27°N。包括无棣县、沾化县、河口区、利津、垦利县、东营区、广饶县、寿光市、寒亭区、昌邑县、莱州市、招远市、龙口市、蓬莱市、芝罘区、莱山区、福山区、牟平市、海阳市、莱阳市、文登市、乳山市、环翠区、荣成市、即墨市、平度市、胶州市、城阳区、李沧区、市北区、市南区、黄岛区、崂山区、东港区、岚山区等35个县、市、区(图 1)。

      图  1  研究区位置

      Figure 1.  Study area location

      根据《烟台统计年鉴2017》、《威海统计年鉴2017》、《日照统计年鉴2017》、《青岛统计年鉴2016》、《东营统计年鉴2017》、《滨州统计年鉴2017》、《潍坊统计年鉴2017》、《潍坊统计年鉴2015》、《中国区域经济统计年鉴2010》等统计年鉴及相关文献与政府网站[10-17]得到35个县、市、区的耕地面积与农业产值。

    • 研究区内选取潮位站8个,根据文献资料,得到这8个潮位站的百年一遇潮位高度及其起算零点[4, 18-20](表 1)。

      表 1  百年一遇潮位

      Table 1.  100-year tide level

    • 选取覆盖研究区的SRTM DEM数字高程模型,共13景,轨道号分别为:N35(E119-E120两景),N36(E120-122三景),N37(E118-E122五景)和N38(E117-E120四景)。数据来源于Global Land Cover Facility(http://www.landcover.org/data/glsdem/)。

      覆盖研究区landsat ETM影像共15景,涵盖整个研究区,轨道号为:p119r034,p119r035,p120r034,p120r035,p120r03,p121r034,p121r035,p121r036,p122r033,p122r034,p122r035,p122r036,p123r034,p123r035,p123r036。数据来源:中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)。

      选取覆盖研究区的GEOTIFF地表覆盖数据。数据来源:国家基础地理信息中心全国地理信息资源目录服务系统(http://www.ngcc.cn)。

    • 本文使用Global mapper 14.1输入SRTM DEM影像,根据各验潮站百年一遇潮高,获得各验潮站百年一遇潮位线。通过MapInfo提取有效潮位线,通过切割、分解、合并,得到连续的百年一遇潮位线。

      利用ENVI 5.1对landsat ETM遥感影像进行波段叠加,镶嵌等处理,并提取地理信息等。对GEOTIFF地表覆盖数据进行裁剪和拼接,再利用遥感影像处理后得到淹没区制作ROI-region,用ROI-region裁剪得到淹没区地表覆盖数据。用ArcMap10.2将淹没区地表覆盖数据栅格转矢量,得到淹没区各类地物覆盖的矢量数据。利用ENVI5.1对淹没区地表覆盖的矢量数据通过非监督分类的方法,得到淹没区耕地的矢量数据。

      由于地表覆盖数据的实时性,根据较新的landsat ETM影像,用MapInfo对得到的淹没区耕地的矢量数据进行识别和修改。1.3评价方法

    • 将评价基本单元定为县、市、区,将基本单元的淹没耕地面积与总耕地面积的比值的标准化值作为评价指标。

    • 初始评价指数:

      式中:F表示评价指标;A表示基本单元的淹没耕地面积;S表示基本单元的耕地面积。

      初始评价指数标准化:

      式中:T表示耕地脆弱性指数标准值;Fi表示各基本单元的脆弱性指数(i表示各基本单元);Fmin表示基本单元脆弱性指数最小值;Fmax表示基本单元脆弱性指数最大值。

      由于耕地脆弱性指数标准值(T)的数据在“0~0.001”、“0.001~0.01”、“0.01~0.1”均有分布,如果等距分为五级,在“0~0.1”分布的区域都是脆弱性极低,区分度模糊;五级分类会将某些地区分入较低的等级区间,如城阳区耕地淹没率大于20%,脆弱性为低,寿光县耕地淹没率为33.41%,脆弱性为中。如果采用五级标准,会将脆弱性差别较大的区域分为同一级,为了提高区分度,将脆弱程度分为如下7级(表 2)。

      表 2  脆弱性分级标准

      Table 2.  Fragility classification

    • 通过文献资料,将8个潮位站高程统一在大地水准面上,得到基准面统一的百年一遇潮位高度(表 3)[4, 18-20],利用表 3数据,Global Mapper得到各验潮站的百年一遇潮位线。对各验潮站的百年一遇潮位线分割、合并,获得山东沿海地区百年一遇潮位线。将此百年一遇潮位线与研究区底图叠加,获得百年一遇潮位淹没影响范围(图 2)。

      表 3  百年一遇潮位高度

      Table 3.  100-year tide level

      图  2  潮位淹没影响范围

      Figure 2.  Flooded area

    • 利用图 2淹没区,绘出淹没区耕地(图 3),其中青岛的市南区、市北区与李沧区农业产值为零[13],且在淹没范围内无耕地,莱阳市淹没区内也无耕地。通过Mapinfo计算得到各基本单元的淹没耕地面积(表 4)。

      图  3  淹没区耕地示意图

      Figure 3.  Flooded agricultural

      表 4  百年一遇潮位淹没耕地面积

      Table 4.  Flooded agricultural area

    • 根据各基本单元耕地总面积和百年一遇潮位淹没影响的耕地面积,根据公式1得到农业脆弱性指数(F)(表 5),根据公式2得到耕地脆弱性指数标准化后的值(T)(表 6),根据表 2分级得到各基本单元农业脆弱性程度,绘制农业脆弱性分布图(图 4)。

      表 5  脆弱性指数

      Table 5.  Fragility index

      表 6  脆弱性指数标准值

      Table 6.  Fragility index standard value

      图  4  脆弱性分布

      Figure 4.  Fragility distribution

      图 4可知,山东百年一遇潮位影响的耕地脆弱性,脆弱性等级为极高的地区是垦利县、东营区;脆弱性等级为很高的地区有河口区、昌邑县、广饶县与寒亭区;脆弱性等级为高的地区是城阳区、崂山区与寿光市;脆弱性等级为中的地区有莱州市、东港区、沾化县与黄岛区等地;脆弱性等级为低的地区有平度市、莱山区、环翠区、芝罘区、岚山区、牟平市、文登市、荣成市、即墨市、胶州市、无棣县、龙口市与海阳市等地;脆弱性等级为很低的地区有福山区、蓬莱市、利津与乳山市等地;脆弱性等级为极低的地区是招远市。

    • 山东沿海地区百年一遇潮影响的耕地脆弱性程度体现在脆弱性指数大小。脆弱性指数越高,当地脆弱性就越高,脆弱性较高地区的脆弱性指数都大于0.27;对每个地区而言,潮位越高,地区所受损失越大,根据公式1,脆弱性指数反映的是潮水淹没耕地的比例,淹没比值越大脆弱性指数就越高,脆弱性较高地区的脆弱性指数淹没比例在21.71%~79.58%之间。故影响脆弱性程度的因素主要有两个:潮位高度、淹没比值。

      (1) 百年一遇潮位较高,当地淹没耕地比值大导致脆弱性较高。如垦利县、东营区、寒亭区、广饶县、昌邑县与寿光市等地百年一遇潮位为4.22 m,在研究区内潮位最高,淹没区内耕地分布广泛,耕地淹没比值均大于33%;城阳区与崂山区百年一遇潮位3.45 m,耕地淹没比值在21%~28%之间,因此脆弱性较高。

      (2) 百年一遇潮位较低,当地淹没耕地比值大导致脆弱性较高。如河口区百年一遇潮位2.39 m,淹没区内耕地分布广泛,淹没比值为46.86%,因此其脆弱性指数较高。

      (3) 百年一遇潮位较高,当地淹没耕地比值小导致脆弱性较低。如莱州市、招远市、龙口市、蓬莱市、芝罘区、莱山区、福山区、牟平市、海阳市、文登市、乳山市、即墨市、胶州市、黄岛区、东港区、岚山区等地百年一遇潮位在3.12~4.22 m之间,淹没区内耕地分布较少,耕地淹没比值在0.18%~14.79%之间,因此脆弱性较低。其中平度市非沿海城市,虽然在淹没区内耕地分布较多,但潮位淹没区很小,因此耕地淹没比较小。

      (4) 百年一遇潮位较低,当地淹没耕地比值小导致脆弱性较低。如环翠区、荣成市、无棣县、沾化县、利津县等地百年一遇潮位分别为1.999 m、2.39 m,淹没区内耕地分布较少,耕地淹没比值在0.60%~8.78%之间,因此脆弱性较低。

    • (1) 耕地脆弱性指数为0.27~1,其脆弱性等级在高到极高之间,包括垦利县、东营区、河口区、寒亭区、广饶县、昌邑县、寿光市、城阳区与崂山区等地。

      (2) 耕地脆弱性指数为0.10~0.18,其脆弱性等级为中,包括莱州市、黄岛市、沾化县、东港区与芝罘区等地。

      (3) 耕地脆弱性指数为0.00~0.07,其脆弱性等级在极低到低之间,包括招远市、福山区、蓬莱市、利津县、乳山市、莱山区、牟平市、岚山区、文登市、即墨市、胶州市、荣成市、海阳市、平度市、无棣县、龙口市与环翠区等地。

      (4) 其中,垦利县、东营区、寒亭区、广饶县、昌邑县、寿光市、城阳区与崂山区等地脆弱性较高,是由于百年一遇潮位较高,当地淹没耕地比值大;虽然河口区百年一遇潮位较低,但脆弱性较高,主要由于当地淹没耕地比值大;莱州市、招远市、龙口市、蓬莱市、芝罘区、莱山区、福山区、牟平市、海阳市、文登市、乳山市、即墨市、胶州市、黄岛区、东港区、岚山区与平度市等地脆弱性较低,是由于百年一遇潮位较高,当地淹没耕地比值小;环翠区、荣成市、无棣县、沾化县、利津县等地脆弱性较低,是由于百年一遇潮位较低,当地淹没耕地比值小。

参考文献 (20)

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