基于人居環(huán)境指數(shù)的關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)自然適宜性評(píng)價(jià)

基于人居環(huán)境指數(shù)的關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)自然適宜性評(píng)價(jià)

人類生活環(huán)境作為人類生活和生產(chǎn)的主要場所，長期以來一直受到科學(xué)家的關(guān)注。希臘學(xué)者道薩迪亞斯(C.A.Doxiadis)創(chuàng)建了人類聚居科學(xué),對(duì)人類生活環(huán)境等問題作了大量基礎(chǔ)研究。而吳良鏞先生在借鑒人類聚居學(xué)的基礎(chǔ)上,把人居環(huán)境分為五個(gè)大系統(tǒng),包括人、自然、居住、社會(huì)和其它支撐系統(tǒng)等。文中研究的主要對(duì)象是吳良鏞先生的五大系統(tǒng)中的自然系統(tǒng),即整體的自然和生態(tài)環(huán)境。由地形地貌、植被、氣候和水文等自然因子構(gòu)成的人居環(huán)境,表征了區(qū)域人口發(fā)展的自然本底與環(huán)境基礎(chǔ)。人居環(huán)境的自然適宜性不僅影響人類社會(huì)進(jìn)步與人類發(fā)展水平,而且直接關(guān)系到人的身心健康和生活質(zhì)量。因此,在為了反映不同地區(qū)人居環(huán)境自然適宜程度的基礎(chǔ)上,建立了基于GIS的人居環(huán)境指數(shù)(HEI)。通過運(yùn)用HEI模型,可以系統(tǒng)的評(píng)價(jià)關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)人居環(huán)境的適宜性,為該經(jīng)濟(jì)區(qū)人口空間規(guī)劃和基于人口發(fā)展的土地功能規(guī)劃提供一定的科學(xué)依據(jù)和決策支持。1研究方法和數(shù)據(jù)來源1.1地理單元區(qū)域關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)包括陜西省西安、銅川、寶雞、渭南、咸陽、楊凌、商洛四縣(商州區(qū)、洛南縣、丹鳳縣、柞水縣)和甘肅省天水所轄行政區(qū)域。總面積約8.01萬km2,2008年末總?cè)丝跒?863.33萬人。文中涉及的柵格數(shù)據(jù)的單元格大小為100m×100m,在進(jìn)行窗口分析時(shí),所開辟的單元大小為1km×1km,可以滿足1km2、縣域、地級(jí)市等不同空間尺度的分析,主要對(duì)縣域空間尺度做了分析評(píng)價(jià)。1.2關(guān)天行政區(qū)圖數(shù)字化地形圖和關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)遙感影像(TM)來自于陜西省和天水市測繪局;氣象數(shù)據(jù)主要來自于陜西省氣象局和天水市氣象局;關(guān)天行政區(qū)劃圖來自于國家測繪局;人口數(shù)據(jù)由陜西省、天水市人口與計(jì)劃生育委員會(huì)提供。根據(jù)研究需要,對(duì)原始數(shù)據(jù)主要進(jìn)行如下幾類處理:統(tǒng)計(jì)及觀測數(shù)據(jù)空間化、柵格數(shù)據(jù)層的投影變換、遙感影像解譯與NDVI提取、人居環(huán)境自然適宜性分指數(shù)及其綜合指數(shù)的提取及計(jì)算、指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化處理等。1.3關(guān)-天環(huán)境參數(shù)及需求分析基于數(shù)字化地形圖、關(guān)-天8個(gè)氣象臺(tái)站多年平均溫度與相對(duì)濕度月值觀測數(shù)據(jù)、多年平均降水與水域比例分布圖、關(guān)-天遙感影像(TM)、關(guān)-天人口數(shù)據(jù)、關(guān)-天行政區(qū)劃圖等數(shù)據(jù),在ARCGIS、ERDAS、GIS等技術(shù)平臺(tái)的支持下,首先對(duì)矢量數(shù)據(jù)柵格化,并經(jīng)過內(nèi)插等到柵格數(shù)據(jù)層;對(duì)遙感影像處理,解譯得到關(guān)天植被NDVI指數(shù)和土地利用類型現(xiàn)狀;然后進(jìn)行數(shù)據(jù)層投影變換,統(tǒng)一投影系統(tǒng);再分別構(gòu)建和提取地形起伏度、地被指數(shù)、氣候適宜度、水文指數(shù)等表征人居環(huán)境的分指標(biāo)數(shù)據(jù)層,之后進(jìn)行數(shù)據(jù)層運(yùn)算,得到人居環(huán)境指數(shù)數(shù)據(jù)層,并基于這些數(shù)據(jù)層和關(guān)-天人口分布數(shù)據(jù)層,進(jìn)行空間分析和適宜性評(píng)價(jià),最后得出評(píng)價(jià)結(jié)果。工作流程(圖1)。2建立模型并參數(shù)2.1地形起伏度的計(jì)算RDLS=ALT/1000+{(Max(H)-Min(H))×(1-P(A)/A)}/500(1)式中:RDLS為地形起伏度;ALT為以某一柵格單元為中心一定區(qū)域內(nèi)的平均海拔(m);Max(H)和Min(H)分別為區(qū)域內(nèi)的最高與最低海拔(m);P(A)為區(qū)域內(nèi)的平地面積(km2);本項(xiàng)目中把坡度小于等于5°區(qū)域確定為平地;A為區(qū)域總面積。文中確定1km×1km柵格為基本評(píng)價(jià)單元,則A值為1km2。2.2土地利用類型LCI=NDVI×LTi(2)式中:LCI為地被指數(shù);NDVI為該單元格的歸一化植被指數(shù);LTi為各土地利用類型的權(quán)重。地被指數(shù)模型中的植被指數(shù)NDVI,基于遙感影像在ERDAS平臺(tái)下提取;土地利用類型權(quán)重參照關(guān)-天經(jīng)濟(jì)區(qū)實(shí)際情況和國家標(biāo)準(zhǔn)獲得。2.3舒適度與生物氣象指標(biāo)氣候適宜度是以人類機(jī)體與近地大氣之間的熱交換原理為基礎(chǔ),從氣象角度評(píng)價(jià)人類在不同氣候條件下舒適程度的一項(xiàng)生物氣象指標(biāo)。參照體感舒適度劃分標(biāo)準(zhǔn),對(duì)溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)數(shù)據(jù)層分別進(jìn)行二值化,通過GIS疊合分析得到各柵格的氣候舒適期,進(jìn)而建立關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)氣候適宜度空間分布格局。2.3.1濕度對(duì)人體舒適度的影響溫濕指數(shù)(THI,TemperatureHumidityIndex)由俄國學(xué)者提出的有效溫度演變而來,它的物理意義是濕度訂正以后的溫度,綜合考慮了溫度和濕度對(duì)人體舒適度的影響。計(jì)算公式為:THI=T-0.55(1-f)(T-58)(3)T=1.8t+32(4)式中:t為月平均氣溫(℃),T是月平均華氏溫度(°F),f是月平均空氣相對(duì)濕度(%)。2.3.2平均風(fēng)速5計(jì)算公式為:K=?(10V√+10.45?v)(33?t)+8.55s(5)Κ=-(10V+10.45-v)(33-t)+8.55s(5)式中:t為月均攝氏溫度(℃);v是地面以上10m高度處的平均風(fēng)速(m/s);s是日照時(shí)數(shù)(h/d)。2.4水文指數(shù)wri選取年均降水量和水域面積兩個(gè)指標(biāo),采取加權(quán)求和的方法構(gòu)建水文指數(shù)模型。具體模型如下:WRI=α·P+β·Wa(6)式中:WRI為水文指數(shù);P為歸一化的年均降水量;Wa為歸一化的水域面積;α和β分別為年均降水與水域比例的權(quán)重,α取值0.8,β取值0.2。2.5inlci人居環(huán)境指數(shù)(HEI)計(jì)算公式如下所示:HEI=αi×NRDLS+βi×NTHI+xi×NWRI+δi×NLCI(7)式中:HEI為人居環(huán)境指數(shù),介于0-100;NRDLS為標(biāo)準(zhǔn)化地形起伏度;NTHI為標(biāo)準(zhǔn)化溫濕指數(shù);NWRI為標(biāo)準(zhǔn)化水文指數(shù);NLCI為標(biāo)準(zhǔn)化地被指數(shù);α、β、x和δ分別為地形起伏度、溫濕指數(shù)、水文指數(shù)和地被指數(shù)對(duì)應(yīng)的權(quán)重,根據(jù)各單項(xiàng)因子與人口密度的相關(guān)系數(shù)獲得(表1)。3結(jié)果與分析3.1人口分布情況關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)的人居環(huán)境指數(shù)介于21.51-84.62之間,整體分布態(tài)勢(shì)是:從西北向東南遞增。人口密度分布規(guī)律是,天水市的清水縣,寶雞市的鳳縣、太白縣以及商洛市的柞水縣人口稀少,關(guān)中北部人口較密集,關(guān)中中部人口密集,特別是西安市人口高度密集,其次是咸陽市、寶雞市、銅川市的印臺(tái)區(qū),渭南市人口密度分布比較均勻。依據(jù)人居環(huán)境指數(shù)的高低,參照《國家人口發(fā)展功能分區(qū)》中人居環(huán)境分區(qū)標(biāo)準(zhǔn),并結(jié)合該研究區(qū)地域特征,將關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)分為四類人居環(huán)境適宜性程度不同的區(qū)域,分別是臨界適宜區(qū)、一般適宜區(qū)、比較適宜區(qū)和高度適宜區(qū)(表2、圖2)。(1)水經(jīng)濟(jì)區(qū)人口分布主要分布商洛市丹鳳縣南部,面積0.0035萬km2,占關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)總面積的0.04%;相應(yīng)人口為0.36萬人,占該經(jīng)濟(jì)區(qū)總?cè)丝诘?.02%;人口密度為103人/km2。該區(qū)氣候宜人,降水充沛,植被茂盛,利于人的身心健康,適宜人類常年生活和居住。(2)地區(qū)人口密度現(xiàn)狀主要包括商洛四縣的其它地區(qū)、渭南市南部、西安市南部、咸陽市中南部以及寶雞市的大部分地區(qū),面積約3.43萬km2,占總面積的42.74%;相應(yīng)人口約1147.23萬人,占總?cè)丝诘?0.06%;人口密度約為334人/km2。本區(qū)的關(guān)中平原南部是關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)人口最為密集的區(qū)域,綜合條件較好,較適宜人類常年居住。(3)中小型地區(qū)基本情況主要包括天水市中東部、咸陽市北部、銅川市、西安市市區(qū)以及渭南市北部等地區(qū),總面積約4.19萬km2,占52.35%;相應(yīng)人口約1607.13萬人,占關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)總?cè)丝诘?6.13%;人口密度約為383人/km2。(4)人居環(huán)境適宜地區(qū)分布主要分布在天水市的武山縣、甘谷縣以及秦安縣西北部,還包括張家川回族自治縣的東北部小部分區(qū)域,總面積約0.39萬km2,占4.87%;相應(yīng)人口約108.61萬人,占關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)總?cè)丝诘?.79%;人口密度約為278人/km2。本區(qū)域受降水、植被、水文條件的限制較大,是人居環(huán)境較為惡劣的區(qū)域。綜上所述:關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)人居環(huán)境適宜地區(qū)主要包括高度適宜區(qū)、比較適宜區(qū)和一般適宜區(qū)。比較適宜區(qū)和高度適宜地區(qū)主要包括關(guān)中地區(qū)的寶雞,西安、咸陽南部的秦嶺北麓區(qū)域和渭南東部區(qū)域、以及商洛四縣區(qū)等地區(qū),總面積約3.43萬km2。一般適宜地區(qū)包括關(guān)中平原腹地大部分區(qū)域和天水河谷地區(qū),總面積約4.19萬km2。臨界適宜地區(qū)主要是指天水西北部的黃土高原區(qū),面積約0.39萬km2。3.2適宜性和限制性關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)人居環(huán)境臨界適宜地區(qū)主要分布在天水市的武山縣、甘谷縣以及秦安縣西北部,還包括張家川回族自治縣的東北部小部分區(qū)域,總面積約0.39萬km2,占4.87%。該研究區(qū)人居環(huán)境臨界適宜區(qū)的適宜性主要體現(xiàn)在氣候和地形兩方面。區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)地形起伏度介于1.50-1.86之間,海拔較高,氣候處于一般適宜區(qū),對(duì)人類生活出行以及生產(chǎn)并不能產(chǎn)生較大限制。該研究區(qū)人居環(huán)境臨界適宜區(qū)的限制性主要體現(xiàn)在水文和地被兩方面。區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)水文條件處于極差區(qū),局部處于較差區(qū),天然降水少,蒸發(fā)量大,氣候干旱,區(qū)域集水和匯水能力弱,極大地限制了天然植被和人工植被的生長;區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)地被指數(shù)介于0.08-0.17,處于地被極差區(qū),局部處于地被較差區(qū),植被稀少,覆蓋度極低,存在大面積無植被區(qū);嚴(yán)酷的降水和植被條件,嚴(yán)重制約著人類的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn),從而限制人口的生存與發(fā)展。4以模型疊加劃分人居環(huán)借助ARCGIS平臺(tái),基于柵格疊加的思路,分別從地形、植被、氣候、水文等四個(gè)方面構(gòu)建關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)人居環(huán)境自然適宜性測評(píng)指標(biāo)-地形起伏度、地被指數(shù)、氣候適宜度和水文指數(shù),并予以測評(píng);然后按照不同的測度效果要求,分別采用不同的標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)四個(gè)分指數(shù)數(shù)據(jù)層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,進(jìn)而按照模型疊加得到關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)人居環(huán)境指數(shù);最后根據(jù)國家人口功能區(qū)劃方案并結(jié)合本區(qū)的特征對(duì)人居環(huán)境進(jìn)行區(qū)劃調(diào)整并評(píng)價(jià),將全區(qū)劃分為4個(gè)等級(jí),即臨界適宜地區(qū)、一般適宜地區(qū)、比較適宜地區(qū)和高度適宜地區(qū)。這樣,既便于和國家范圍的區(qū)劃做對(duì)比又突出了區(qū)內(nèi)差異,可以更加