基于人居環境指數的關中-天水經濟區自然適宜性評價

人類生活環境作為人類生活和生產的主要場所，長期以來一直受到科學家的關注。希臘學者道薩迪亞斯(C.A.Doxiadis)創建了人類聚居科學,對人類生活環境等問題作了大量基礎研究。而吳良鏞先生在借鑒人類聚居學的基礎上,把人居環境分為五個大系統,包括人、自然、居住、社會和其它支撐系統等。文中研究的主要對象是吳良鏞先生的五大系統中的自然系統,即整體的自然和生態環境。由地形地貌、植被、氣候和水文等自然因子構成的人居環境,表征了區域人口發展的自然本底與環境基礎。人居環境的自然適宜性不僅影響人類社會進步與人類發展水平,而且直接關系到人的身心健康和生活質量。因此,在為了反映不同地區人居環境自然適宜程度的基礎上,建立了基于GIS的人居環境指數(HEI)。通過運用HEI模型,可以系統的評價關中-天水經濟區人居環境的適宜性,為該經濟區人口空間規劃和基于人口發展的土地功能規劃提供一定的科學依據和決策支持。1研究方法和數據來源1.1地理單元區域關中-天水經濟區包括陜西省西安、銅川、寶雞、渭南、咸陽、楊凌、商洛四縣(商州區、洛南縣、丹鳳縣、柞水縣)和甘肅省天水所轄行政區域。總面積約8.01萬km2,2008年末總人口為2863.33萬人。文中涉及的柵格數據的單元格大小為100m×100m,在進行窗口分析時,所開辟的單元大小為1km×1km,可以滿足1km2、縣域、地級市等不同空間尺度的分析,主要對縣域空間尺度做了分析評價。1.2關天行政區圖數字化地形圖和關中-天水經濟區遙感影像(TM)來自于陜西省和天水市測繪局;氣象數據主要來自于陜西省氣象局和天水市氣象局;關天行政區劃圖來自于國家測繪局;人口數據由陜西省、天水市人口與計劃生育委員會提供。根據研究需要,對原始數據主要進行如下幾類處理:統計及觀測數據空間化、柵格數據層的投影變換、遙感影像解譯與NDVI提取、人居環境自然適宜性分指數及其綜合指數的提取及計算、指數標準化處理等。1.3關-天環境參數及需求分析基于數字化地形圖、關-天8個氣象臺站多年平均溫度與相對濕度月值觀測數據、多年平均降水與水域比例分布圖、關-天遙感影像(TM)、關-天人口數據、關-天行政區劃圖等數據,在ARCGIS、ERDAS、GIS等技術平臺的支持下,首先對矢量數據柵格化,并經過內插等到柵格數據層;對遙感影像處理,解譯得到關天植被NDVI指數和土地利用類型現狀;然后進行數據層投影變換,統一投影系統;再分別構建和提取地形起伏度、地被指數、氣候適宜度、水文指數等表征人居環境的分指標數據層,之后進行數據層運算,得到人居環境指數數據層,并基于這些數據層和關-天人口分布數據層,進行空間分析和適宜性評價,最后得出評價結果。工作流程(圖1)。2建立模型并參數2.1地形起伏度的計算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域內的平均海拔(m);Max(H)和Min(H)分別為區域內的最高與最低海拔(m);P(A)為區域內的平地面積(km2);本項目中把坡度小于等于5°區域確定為平地;A為區域總面積。文中確定1km×1km柵格為基本評價單元,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;NDVI為該單元格的歸一化植被指數;LTi為各土地利用類型的權重。地被指數模型中的植被指數NDVI,基于遙感影像在ERDAS平臺下提取;土地利用類型權重參照關-天經濟區實際情況和國家標準獲得。2.3舒適度與生物氣象指標氣候適宜度是以人類機體與近地大氣之間的熱交換原理為基礎,從氣象角度評價人類在不同氣候條件下舒適程度的一項生物氣象指標。參照體感舒適度劃分標準,對溫濕指數和風效指數數據層分別進行二值化,通過GIS疊合分析得到各柵格的氣候舒適期,進而建立關中-天水經濟區氣候適宜度空間分布格局。2.3.1濕度對人體舒適度的影響溫濕指數(THI,TemperatureHumidityIndex)由俄國學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人體舒適度的影響。計算公式為: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是月平均空氣相對濕度(%)。2.3.2平均風速5計算公式為: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高度處的平均風速(m/s);s是日照時數(h/d)。2.4水文指數wri選取年均降水量和水域面積兩個指標,采取加權求和的方法構建水文指數模型。具體模型如下:WRI=α·P+β·Wa(6)式中:WRI為水文指數;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重,α取值0.8,β取值0.2。2.5inlci人居環境指數(HEI)計算公式如下所示:HEI=αi×NRDLS+βi×NTHI+xi×NWRI+δi×NLCI(7)式中:HEI為人居環境指數,介于0-100;NRDLS為標準化地形起伏度;NTHI為標準化溫濕指數;NWRI為標準化水文指數;NLCI為標準化地被指數;α、β、x和δ分別為地形起伏度、溫濕指數、水文指數和地被指數對應的權重,根據各單項因子與人口密度的相關系數獲得(表1)。3結果與分析3.1人口分布情況關中-天水經濟區的人居環境指數介于21.51-84.62之間,整體分布態勢是:從西北向東南遞增。人口密度分布規律是,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,關中北部人口較密集,關中中部人口密集,特別是西安市人口高度密集,其次是咸陽市、寶雞市、銅川市的印臺區,渭南市人口密度分布比較均勻。依據人居環境指數的高低,參照《國家人口發展功能分區》中人居環境分區標準,并結合該研究區地域特征,將關中-天水經濟區分為四類人居環境適宜性程度不同的區域,分別是臨界適宜區、一般適宜區、比較適宜區和高度適宜區(表2、圖2)。(1)水經濟區人口分布主要分布商洛市丹鳳縣南部,面積0.0035萬km2,占關中-天水經濟區總面積的0.04%;相應人口為0.36萬人,占該經濟區總人口的0.02%;人口密度為103人/km2。該區氣候宜人,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)地區人口密度現狀主要包括商洛四縣的其它地區、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,面積約3.43萬km2,占總面積的42.74%;相應人口約1147.23萬人,占總人口的40.06%;人口密度約為334人/km2。本區的關中平原南部是關中-天水經濟區人口最為密集的區域,綜合條件較好,較適宜人類常年居住。(3)中小型地區基本情況主要包括天水市中東部、咸陽市北部、銅川市、西安市市區以及渭南市北部等地區,總面積約4.19萬km2,占52.35%;相應人口約1607.13萬人,占關中-天水經濟區總人口的56.13%;人口密度約為383人/km2。(4)人居環境適宜地區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域,總面積約0.39萬km2,占4.87%;相應人口約108.61萬人,占關中-天水經濟區總人口的3.79%;人口密度約為278人/km2。本區域受降水、植被、水文條件的限制較大,是人居環境較為惡劣的區域。綜上所述:關中-天水經濟區人居環境適宜地區主要包括高度適宜區、比較適宜區和一般適宜區。比較適宜區和高度適宜地區主要包括關中地區的寶雞,西安、咸陽南部的秦嶺北麓區域和渭南東部區域、以及商洛四縣區等地區,總面積約3.43萬km2。一般適宜地區包括關中平原腹地大部分區域和天水河谷地區,總面積約4.19萬km2。臨界適宜地區主要是指天水西北部的黃土高原區,面積約0.39萬km2。3.2適宜性和限制性關中-天水經濟區人居環境臨界適宜地區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域,總面積約0.39萬km2,占4.87%。該研究區人居環境臨界適宜區的適宜性主要體現在氣候和地形兩方面。區內大部分地區地形起伏度介于1.50-1.86之間,海拔較高,氣候處于一般適宜區,對人類生活出行以及生產并不能產生較大限制。該研究區人居環境臨界適宜區的限制性主要體現在水文和地被兩方面。區內大部分地區水文條件處于極差區,局部處于較差區,天然降水少,蒸發量大,氣候干旱,區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;區內大部分地區地被指數介于0.08-0.17,處于地被極差區,局部處于地被較差區,植被稀少,覆蓋度極低,存在大面積無植被區;嚴酷的降水和植被條件,嚴重制約著人類的農牧業生產,從而限制人口的生存與發展。4以模型疊加劃分人居環借助ARCGIS平臺,基于柵格疊加的思路,分別從地形、植被、氣候、水文等四個方面構建關中-天水經濟區人居環境自然適宜性測評指標-地形起伏度、地被指數、氣候適宜度和水文指數,并予以測評;然后按照不同的測度效果要求,分別采用不同的標準化方法對四個分指數數據層進行標準化,進而按照模型疊加得到關中-天水經濟區人居環境指數;最后根據國家人口功能區劃方案并結合本區的特征對人居環境進行區劃調整并評價,將全區劃分為4個等級,即臨界適宜地區、一般適宜地區、比較適宜地區和高度適宜地區。這樣,既便于和國家范圍的區劃做對比又突出了區內差異,可以更加