基于GIS的石羊河流域可持續(xù)發(fā)展能力評估

魏 偉，石培基，周俊菊，頡斌斌，雷 莉

(1.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州730070;2.蘭州城市學(xué)院 城市經(jīng)濟(jì)與旅游文化學(xué)院，蘭州730070;3.甘肅省水利廳 石羊河流域管理局，甘肅武威733000)

0 引言

干旱內(nèi)陸地區(qū)是我國典型的生態(tài)脆弱區(qū)，其生態(tài)具有內(nèi)在不穩(wěn)定性，在外界脅迫因素干擾下極易遭受損害并難以復(fù)原，且在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下這種逆向演化趨勢也不能得到有效控制［1-3］?？沙掷m(xù)發(fā)展是干旱內(nèi)陸區(qū)乃至全球共同面臨的涉及人口、資源、經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境等方面的重大理論與實(shí)踐問題。在發(fā)展實(shí)踐中，適時(shí)地進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展評價(jià)，有針對性地提出對策建議，有效地指導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的具體實(shí)踐，意義十分重大。石羊河流域地處黃土、青藏、蒙新三大高原的交匯過渡帶，是生態(tài)和環(huán)境變化敏感的區(qū)域之一，也是西北干旱內(nèi)陸河流域生態(tài)脆弱區(qū)重點(diǎn)治理地區(qū)之一［4-5］。隨著流域水量不斷減少和不合理的人類活動，石羊河流域出現(xiàn)了區(qū)域性地下水位下降、土地沙化、鹽漬化加重、植被退化等一系列生態(tài)環(huán)境問題，生態(tài)危機(jī)較為嚴(yán)重，成為我國干旱區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)退化的典型和社會各界廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)［6-8］。因此，研究和解決石羊河流域生存和可持續(xù)發(fā)展問題成為地理工作者義不容辭的責(zé)任。本研究嘗試?yán)肎IS空間分析技術(shù)和組合賦權(quán)法構(gòu)建干旱內(nèi)陸地區(qū)可持續(xù)發(fā)展評估框架，并以石羊河為例對可持續(xù)發(fā)展能力進(jìn)行評價(jià)，以期為協(xié)調(diào)區(qū)域人口、資源、生態(tài)和環(huán)境之間的關(guān)系以及提高可持續(xù)發(fā)展能力提供科學(xué)參考。

1 區(qū)域概況

石羊河流域位于祁連山北麓，屬河西走廊三大內(nèi)陸河流域之一。地理坐標(biāo)介于101°22'～104°16'E、36°29'～39°27'N之間。在行政區(qū)劃上共涉及三市七縣(區(qū))，包括武威市的涼州區(qū)、古浪縣、民勤縣及天?？h以北地區(qū)，金昌市的永昌縣及金川區(qū)全部及張掖市肅南裕固族自治縣，總面積約 4.16×104km2，總?cè)丝诩s 245萬人［9-10］。該流域地勢自西南向東北傾斜，屬大陸性溫帶干旱氣候，太陽輻射強(qiáng)，日照充足，夏季短而炎熱，冬季長而寒冷，溫差大，降水少。流域內(nèi)土壤、植被類型分布因受氣候、水文和地形等自然條件的影響，形成了明顯的土壤—植被垂直帶譜［11-13］。石羊河流域在水資源分配和氣候條件的共同作用下，生態(tài)環(huán)境體系具有干濕交替帶、農(nóng)牧交錯帶、森林邊緣帶和沙漠邊緣帶等多種宏觀意義上的生態(tài)環(huán)境脆弱帶。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

采用多源數(shù)據(jù)，利用2011年Landsat/TM影像提取土地資源數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于2012年甘肅統(tǒng)計(jì)年鑒、2012年城市發(fā)展年鑒;資源環(huán)境要素、人口社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)要素和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)要素?cái)?shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的中國自然資源數(shù)據(jù)庫。部分?jǐn)?shù)據(jù)在ArcGIS平臺上通過插值和網(wǎng)格化處理，統(tǒng)一柵格化為100 m×100 m大小的格網(wǎng)。

2.2 可持續(xù)發(fā)展評價(jià)指標(biāo)體系及評價(jià)方法

區(qū)域生態(tài)環(huán)境發(fā)展涉及到自然生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)等許多方面的要素，因此無法采用一個或幾個指標(biāo)評價(jià)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展問題，必須建立一套科學(xué)、完備并且可以定量化的指標(biāo)體系。目前，國內(nèi)外對可持續(xù)發(fā)展理論進(jìn)行了大量的研究，已經(jīng)建立了許多關(guān)于可持續(xù)發(fā)展評價(jià)的指標(biāo)體系和評價(jià)模型方法，如生態(tài)足跡模型［14］、綠色 GDP 核算體系［15］、資源承載力模型［16］、人文發(fā)展指數(shù)模型［17-18］等。在參考上述模型和中國科學(xué)院可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究組的部分指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合石羊河流域的自然資源、生態(tài)環(huán)境及社會經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，共選取了48個指標(biāo)，然后根據(jù)各因子對可持續(xù)發(fā)展影響貢獻(xiàn)率大小選取最具代表性的18個指標(biāo)進(jìn)行分析，建立石羊河流域可持續(xù)發(fā)展綜合評價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

在確定評價(jià)權(quán)重時(shí)根據(jù)評價(jià)指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)，建立了三級評價(jià)模型。

一級評價(jià)模型是著眼于具體的三級指標(biāo)體系的評價(jià)指標(biāo)Uijk、建立在二級指標(biāo)體系Uij上的的評價(jià)模型。

假設(shè)待評價(jià)的區(qū)域范圍共包含p個區(qū)域單元，二級評價(jià)指標(biāo)集合Uij中的第k個指標(biāo)Uijk在第s個區(qū)域單元上的實(shí)測值(本研究中為提取柵格單元得到的值)為Us，ijk(s=1，2，…，p)。

若Uijk是越大越優(yōu)型，令A(yù)s，ijk=|Us，ijk-minUijk|/|maxUijk-minUijk|;若Uijk是越小越優(yōu)型，令A(yù)s，ijk=|maxUijk-Us，ijk|/|maxUijk-minUijk|。

顯然，As，ijk就是相對于評價(jià)指標(biāo)體系Uijk而言第s個區(qū)域單元從屬于“可持續(xù)發(fā)展”的隸屬度。這樣，就可以得到Aijk的隸屬度矩陣;在二級評價(jià)指標(biāo)集合Uij中，如果各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分配為:Wij=(Wij1，Wij2，…，Wijn)，則一級評價(jià)結(jié)果可以通過如下變換公式求得:Vij=(V1，ij，V2，ij，…，Vp，ij)=WijAij。式中:Vs，ij為就二級評價(jià)指標(biāo)集合Uij而言第s個區(qū)域單元從屬于“可持續(xù)發(fā)展”的隸屬度。以此類推，就一級評價(jià)指標(biāo)集合Ui而言，第s個區(qū)域單元從屬于“可持續(xù)發(fā)展”的隸屬度就是二級評價(jià)結(jié)果乘以相應(yīng)的權(quán)重值。對于各級評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分配，先用層次分析法求得，然后再用信息熵對其進(jìn)行修正。

①對所選指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。對指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理的目的是消除指標(biāo)量綱的不同對綜合評價(jià)的影響，使得各指標(biāo)具有可比性。采用的公式為:

式中:i為所選的市(區(qū))、縣;j為所選的可持續(xù)發(fā)展指標(biāo);m為石羊河流域縣(區(qū))數(shù)目，此處為7。

②計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值。公式如下:

③計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的偏差度。公式如下:

④確定第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。公式如下:

⑤用各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值Pij乘以該指標(biāo)的權(quán)重aj，求得二級指標(biāo)的綜合指數(shù)，即可持續(xù)發(fā)展指數(shù)(sustainable development index，SDI)，公式如下:

式中:Isd為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展指數(shù);Pij為各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值;aj為單一指標(biāo)的權(quán)重。據(jù)此依次計(jì)算出各層各級指標(biāo)權(quán)重(表1)。

表1 石羊河流域可持續(xù)發(fā)展綜合評價(jià)指標(biāo)體系Tab．1 The sustainable development evaluation index system in Shiyang River Basin

2．3 可持續(xù)發(fā)展判定標(biāo)準(zhǔn)

在查閱了相關(guān)研究文獻(xiàn)［19-21］的基礎(chǔ)上，結(jié)合干旱內(nèi)陸地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的特征，對石羊河流域可持續(xù)發(fā)展判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了微調(diào)，依據(jù)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)將研究區(qū)分為可持續(xù)發(fā)展、較可持續(xù)發(fā)展、威脅可持續(xù)發(fā)展、不可持續(xù)發(fā)展和嚴(yán)重不可持續(xù)發(fā)展5個等級(表2)。

表2 石羊河流域可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 The judgement criterion of SDI in Shiyang River Basin

3 結(jié)果分析

3.1 影響流域可持續(xù)發(fā)展能力的因子分析

為研究石羊河流域可持續(xù)發(fā)展綜合能力，根據(jù)石羊河流域的地域特點(diǎn)，在可持續(xù)發(fā)展空間分布圖上沿SW—NE方向繪出可持續(xù)發(fā)展各指標(biāo)體系的剖面線，并分別與Isd剖面線進(jìn)行相關(guān)性分析(圖1)。結(jié)果表明:資源及消耗指數(shù)與Isd相關(guān)性達(dá)到0.59，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)與Isd相關(guān)性達(dá)到0.89，生態(tài)環(huán)境及治理指數(shù)與Isd相關(guān)性達(dá)到0.66，且可持續(xù)發(fā)展各指數(shù)剖面線分布除在綠洲地區(qū)(距離剖面線端點(diǎn)約63 km處)具有較高一致性外，其他地區(qū)一致性較低，說明可持續(xù)發(fā)展除受資源環(huán)境和社會發(fā)展共同影響外，還受地形和區(qū)位限制，且社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平對可持續(xù)發(fā)展能力有很大影響。因此，研究中所選擇的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源及消耗和生態(tài)環(huán)境治理三大目標(biāo)層能夠代表研究區(qū)可持續(xù)能力的影響因素。

圖1 石羊河流域可持續(xù)發(fā)展剖面圖Fig.1 The SDI and factors profile in Shiyang River Basin

3.2 石羊河流域可持續(xù)發(fā)展能力分析

石羊河流域可持續(xù)發(fā)展綜合能力普遍不高，基本處于可持續(xù)發(fā)展較弱水平，而且由于各縣區(qū)耕地資源狀況、水資源狀況、人口狀況、生產(chǎn)力水平和人文社會經(jīng)濟(jì)條件存在差異等原因，流域可持續(xù)發(fā)展綜合能力存在著明顯地區(qū)差異。①由于地處干旱內(nèi)陸地區(qū)，可持續(xù)發(fā)展綜合能力較弱。流域內(nèi)各縣區(qū)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)Isd介于17.9 ～8.1(表3)，其中大約31 029.44 km2的地區(qū)基本處于不可持續(xù)發(fā)展或嚴(yán)重不可持續(xù)發(fā)展水平，占全流域面積的74.59%，只有金川區(qū)和涼州區(qū)可持續(xù)發(fā)展情況較好，永昌縣處于較可持續(xù)發(fā)展水平。各縣區(qū)可持續(xù)發(fā)展水平總體偏低的主要原因是流域生存支持系統(tǒng)與社會發(fā)展支持系統(tǒng)水平較低，說明該流域生存資源相對匱乏、生態(tài)環(huán)境條件惡劣、文化科技水平低的特點(diǎn)依然是遏制當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的主要因素。因此，省級部門應(yīng)制訂流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的優(yōu)惠政策，結(jié)合地區(qū)特點(diǎn)專門組織相關(guān)部門調(diào)研，統(tǒng)一制定流域發(fā)展規(guī)劃，以推動石羊河流域社會經(jīng)濟(jì)全面發(fā)展，重點(diǎn)應(yīng)加強(qiáng)流域特色資源的開發(fā)與保護(hù)，極力促進(jìn)流域文化科技進(jìn)步。②從可持續(xù)發(fā)展的空間格局(圖2)來看，各可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)均出現(xiàn)突變區(qū)，其中社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和生態(tài)環(huán)境及治理指標(biāo)變化最大(圖2a，圖2c，表3)，前者高值區(qū)出現(xiàn)在金川區(qū)，達(dá)到了11.72，而涼州區(qū)次之，并以這兩個區(qū)為明顯界線，將民勤、古浪和肅南大部分地區(qū)分為低值區(qū)，最低值為2.4;后者出現(xiàn)了3個不同的區(qū)域:以永昌縣和涼州區(qū)為中心的高值區(qū)，最高值達(dá)到7.0;以金昌市為中心的低值區(qū)，最低值為1.91，其他區(qū)域介于二者之間。根據(jù)這一分布特征，在研究區(qū)進(jìn)行了調(diào)研論證工作，發(fā)現(xiàn)金川區(qū)作為我國最大的鎳鈷生產(chǎn)基地和鉑族金屬提煉中心，形成了以冶金和化工、建材、機(jī)械、電力、輕紡、食品為主體的門類齊全的工業(yè)城市，但隨著工業(yè)的發(fā)展，水資源短缺狀況日益明顯，干旱天氣頻繁發(fā)生，每年夏灌高峰期，城市生活用水都要采取輪流定時(shí)定量供水的辦法，住宅樓3層以上每年持續(xù)30 d無法正常供水，給城市居民生活帶來了很大不便和困難，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展。因此，該地區(qū)如何取得經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，注重生態(tài)環(huán)境保護(hù)及水資源的可持續(xù)利用，是當(dāng)前需要迫切解決的問題。資源及消耗指數(shù)中，金川區(qū)作為資源型城市，資源占有率和消耗程度最高，天祝北部和古浪南部最低，最低值為2.3(圖2b)。③總體來看，流域的可持續(xù)發(fā)展格局分為3個層次(圖3)。第一層次:以涼州區(qū)和金川區(qū)為中心，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)為17.0以上，目前處于可持續(xù)發(fā)展水平;第二層次:以永昌縣、民勤綠洲和天?？h北部為中心，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)介于9.4～14.1之間，處于較可持續(xù)發(fā)展及以下水平;第三層次:古浪縣、天祝東部、民勤北部荒漠區(qū)和肅南大部分地區(qū)，其可持續(xù)發(fā)展指數(shù)處于10.0以下，屬于不可持續(xù)發(fā)展和嚴(yán)重不可持續(xù)發(fā)展水平。第一層次中涼州區(qū)經(jīng)濟(jì)社會綜合實(shí)力列全省各縣區(qū)第3位，金川區(qū)人均資源占有率全省各縣區(qū)第5位，兩區(qū)可持續(xù)發(fā)展實(shí)現(xiàn)程度相對其他縣區(qū)較好，這與其進(jìn)一步擴(kuò)展與地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈、充分發(fā)揮城市對廣大農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)帶動作用、建立與區(qū)域水資源相匹配的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)等具體措施的實(shí)施是分不開的。天祝、古浪和民勤應(yīng)立足本流域水資源，大力推行節(jié)水型社會建設(shè)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和用水結(jié)構(gòu)，提高水資源利用效率和效益，減少上中游灌區(qū)不合理的用水量，增加進(jìn)入中下游的地表水量，加快改善流域生態(tài)環(huán)境，保護(hù)和恢復(fù)山區(qū)植被，涵養(yǎng)水源，治污減排，保障水質(zhì)。通過政府支持和運(yùn)用市場機(jī)制，引導(dǎo)農(nóng)民發(fā)展節(jié)水高效農(nóng)業(yè)，加快農(nóng)村富余勞動力轉(zhuǎn)移，促進(jìn)農(nóng)民節(jié)水增收。

表3 石羊河流域可持續(xù)發(fā)展綜合評價(jià)指數(shù)及等級Tab.3 The value of SDI and classification in Shiyang River Basin

圖2 石羊河流域可持續(xù)發(fā)展評價(jià)各指數(shù)分布Fig.2 The series of sustainable development index in Shiyang River Basin

4 結(jié)論與討論

(1)總體上，石羊河流域可持續(xù)發(fā)展能力不高，大多數(shù)地區(qū)處于威脅可持續(xù)發(fā)展和不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展仍以資源環(huán)境破壞為代價(jià)，屬粗放式發(fā)展。流域內(nèi)綠洲分布比較分散，產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)難以發(fā)揮，區(qū)內(nèi)資源相互轉(zhuǎn)化的成本增大。雖然在當(dāng)前市場經(jīng)濟(jì)條件下國家的一系列流域綜合治理及促進(jìn)流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的優(yōu)惠政策會大大削弱這種影響，但客觀因素所形成的制約是非常明顯的。

(2)流域內(nèi)可持續(xù)發(fā)展空間分布存在明顯差異。隨著綠洲中心區(qū)域城市化進(jìn)程不斷加快，城市中心吸引度迅速增加，城區(qū)與周邊區(qū)縣的城市化水平差距在逐步擴(kuò)大，以武威涼州區(qū)和金昌金川區(qū)為中心地區(qū)發(fā)展能力較強(qiáng)，而流域上游地區(qū)、少數(shù)民族分布地區(qū)和沙漠腹地可持續(xù)發(fā)展水平很低，這種強(qiáng)弱分明現(xiàn)象在干旱內(nèi)陸河地區(qū)表現(xiàn)得尤為明顯。

圖3 石羊河流域可持續(xù)發(fā)展空間分布Fig.3 The spatial distribution of sustainable development in Shiyang River Basin

(3)石羊河流域目前面臨的可持續(xù)發(fā)展問題已不僅是農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題，而是要對三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的調(diào)整，提高二、三產(chǎn)業(yè)增加值在國內(nèi)生產(chǎn)總值中的比重，以吸納越來越多的農(nóng)村剩余勞動力，減輕水土資源的承載壓力，提高農(nóng)業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)嚴(yán)格控制人口增長，提高人口素質(zhì)，減輕人口破壞行為造成的環(huán)境不良影響，促進(jìn)人與自然和諧相處。

(4)將空間數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合，獲取石羊河流域定量評價(jià)的相關(guān)信息，在實(shí)踐中具有較強(qiáng)的可操作性和客觀性，適用于小流域可持續(xù)發(fā)展評價(jià);而且以空間單元網(wǎng)格為評價(jià)單元，借助GIS空間分析功能，可以很好地表達(dá)出各指標(biāo)及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的空間分異規(guī)律，研究結(jié)果直觀、明了。但限于自然條件和數(shù)據(jù)資料的制約，目前對石羊河流域可持續(xù)發(fā)展研究主要以縣區(qū)為研究單元，且設(shè)計(jì)的評價(jià)指標(biāo)體系尚不完善，更微觀的以鄉(xiāng)鎮(zhèn)或自然村為研究單元的而又較合理的評價(jià)體系仍需要在今后的理論研究和實(shí)踐工作中進(jìn)行探索。

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