濕熱巖溶山區(qū)人居環(huán)境適宜性評價
——以廣西紅水河流域為例

李史干,周慧杰,朱 杰,吳燕婷,周 強

(1.廣西師范學院北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室,廣西 南寧 530001； 2.廣西師范學院廣西地表過程與智能模擬重點實驗室,廣西 南寧 530001； 3.廣西師范學院 地理與規(guī)劃學院，廣西 南寧 530001)

1 引言

人居環(huán)境是人類在大自然中賴以生存的基地，是人類利用自然、改造自然的主要場所[1]?；谧匀簧鷳B(tài)與環(huán)境基礎、資源狀況和區(qū)位條件，遵循空間接近性、區(qū)域相似性和差異性原則，對人居環(huán)境進行適宜性評價，劃分不同等級適宜性的空間，可為區(qū)域人口和產(chǎn)業(yè)布局指導，以便緩解人類活動與資源環(huán)境的空間矛盾。

目前，基于地形起伏度的人居環(huán)境適宜性的研究，在我國已有一定的研究基礎，其研究的方法體系、分級標準可供借鑒，但前人研究的區(qū)域主要集中在我國中部、東部以及西北部地區(qū)，對西南濕熱巖溶地區(qū)的研究尚為空白[5～10]。

濕熱巖溶山區(qū)是指在濕熱季風環(huán)境下形成的巖溶地貌地區(qū)，呈地帶性和多帶性特征，在我國主要集中分布在西南巖溶區(qū)一帶[11]。

該區(qū)存在地上地下雙層巖溶空間結(jié)構(gòu)和山高水深、地形陡峻、土壤貧瘠等兩重性的特點，在人為活動的干擾影響下很容易導致生態(tài)退化，產(chǎn)生水土流失和石漠化等生態(tài)環(huán)境問題[12]，嚴重地制約了區(qū)域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

廣西紅水河流域?qū)俚湫偷臐駸釒r溶山區(qū)，以該流域為例，基于地形起伏度對濕熱巖溶山區(qū)開展人居環(huán)境適宜性研究，為紅水河流域人口和產(chǎn)業(yè)合理布局提供理論支撐和決策參考，同時也可為濕熱巖溶山區(qū)人居環(huán)境適宜性研究提供可借鑒的方法。

2 研究區(qū)概況

廣西紅水河流域位于中北部，東經(jīng)106°14′～110°20′和北緯22°52′～25°27′之間，包括樂業(yè)、凌云、天峨、南丹、鳳山、巴馬、東蘭、金城江、大化、都安、馬山、忻城、柳江、上林、合山、賓陽、興賓、象州、武宣、桂平等20個縣(市、區(qū))，地處我國南亞熱帶向中亞熱帶過渡的中間地帶，主體屬于中亞熱帶季風濕潤、半濕潤氣候區(qū)，水熱條件豐富，年均溫度在16.9～21℃之間，年降水量在1244～1582 mm之間，地貌類型以巖溶山地為主(圖1)。

2015年廣西紅水河流域總?cè)丝?039.91萬人，占廣西總?cè)丝诘?8.78%；地區(qū)生產(chǎn)總值達1773.01億元，占廣西地區(qū)的10.74%；人均生產(chǎn)總值為17049.62元，人均產(chǎn)糧283.61 kg，屬于欠發(fā)達地區(qū)。

3 研究方法與數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)來源

本研究涉及的數(shù)據(jù)主要有：廣西紅水河流域GDEMDEM 30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云提取；2013～2015年廣西紅水河流域20縣(市、區(qū))統(tǒng)計數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于廣西壯族自治區(qū)統(tǒng)計局；廣西紅水河流域20個縣(市、區(qū))矢量邊界數(shù)據(jù)。

3.2 研究方法

一般來說，地形起伏度是指地表一定范圍內(nèi)最大的相對高程差，它在一定程度上體現(xiàn)了該區(qū)域地勢的變化以及地表高低起伏的狀況，在一定程度上能夠反映區(qū)域的地貌類型。本研究在參考牛文元等人研究的基礎上[13～18]，基于ARCGIS10.2軟件中空間分析功能，并運用空間分析模塊中的窗口分析工具，采用式(1)計算廣西紅水河流域地形起伏度。

圖1 研究區(qū)地理區(qū)位示意

RDLS=ALT/1000+{[Max(H)-Min(H)×[1-P(A)/A]}/500

(1)

式(1)中：RDLS代表地形起伏度；ALT為某區(qū)域的平均海拔高程(m)；Max(H)和Min(H)分別代表該區(qū)域內(nèi)的最高和最低海拔(m);P(A)為該區(qū)域內(nèi)的平地面積(km2);A則為該區(qū)域總面積(km2)[20]。

3.3 地形起伏度及其各因子的提取

地形起伏度的提取主要是基于ARCGIS軟件中空間分析模塊，采用窗口分析法并利用柵格領域計算工具來實現(xiàn)。以整個廣西紅水河流域為研究區(qū)，開辟研究柵格大小單元為90 m×90 m,實現(xiàn)操作單元逐個柵格區(qū)地形起伏度的提取。再提取地形起伏度之前，剔除DEM中的異常值，再分別計算式(1)中的各個地形因子。

3.3.1 海拔的提取

在柵格領域計算工具對話框中先后選擇該分析窗口內(nèi)高程的最大值Max(H)、平均值Mean(H)和最小值Min(H),則可以自動生成3個新的數(shù)據(jù)層，即：Max(H)，ALT和Min(H)數(shù)據(jù)層。然后再利用柵格計算器中進行[Max(H)]-[Min(H)]，即可得到最大高程和最小高程的差值數(shù)據(jù)層。

3.3.2 平地面積提取

本研究中將海拔高程最大值和最小值相差10 m的網(wǎng)絡單元定義為平地[21]，并通過ARCGIS中3D分析模塊中的重分類工具對[Max(H)-Min(H)]進行重分類，從而提取平地面積P(A)和區(qū)域總面積A。

3.3.3 地形起伏度的提取

利用ARCGIS中空間分析模塊中的柵格計算器工具，將上述提取到的ALT、[Max(H)-Min(H)]、P(A)、A等數(shù)據(jù)帶入到式(1)中進行計算，實現(xiàn)地形起伏度的最終提取，得到圖2。

由圖2可知，廣西紅水河流域地形起伏度總特點是西北高，東南低，地勢由北到南傾斜的特點也很明顯。地形起伏度低值主要分布于廣西紅水河流域下游， 包括賓陽縣、興賓區(qū)、合山市、桂平市、武宣縣、象州縣、柳江區(qū)；地形起伏度高值主要分布于廣西紅水河流域上游，包括樂業(yè)縣、凌云縣、天峨縣、南丹縣、鳳山縣、東蘭縣；從海拔高度來看，廣西紅水河流域地形起伏度隨著海拔高度的增加呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢,表現(xiàn)出很強的高度規(guī)律性。

4 廣西紅水河流域地形起伏度與人口分布的相關(guān)性分析

4.1 廣西紅水河流域人口密度分布

根據(jù)廣西紅水河流域2013、2014、2015年人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過ARCGIS軟件將廣西紅水河流域人口密度數(shù)據(jù)層與地形起伏度疊加，得到地形起伏度和人口密度分布圖(圖3)。如圖3所示，從上游地區(qū)到下游地區(qū)，人口密度依次遞增。下游地區(qū)桂平市、賓陽縣和合山市人口密度均超過300人/km2，這3個地區(qū)是人口高度密集區(qū)，而緊靠周圍的柳江區(qū)、興賓區(qū)和武宣縣人口密度均達到200人/km2，屬于較高密集區(qū)；中游地區(qū)上林縣、馬山縣和象州縣人口密度達到150人/km2，屬于中度密集區(qū)，金城江區(qū)、大化縣、都安縣、忻城縣和巴馬縣人口密度大于100人/km2，屬于低度密集區(qū)；上游地區(qū)鳳山縣、凌云縣、東蘭縣、南丹縣、樂業(yè)縣和天峨縣人口密度均小于100人/km2，人口分布較為稀疏，其中天峨縣人口密度小于50人/km2，人口分布最稀疏。

圖2廣西紅水河流域地形起伏度分級

圖3 地形起伏度與人口密度分布

4.2 地形起伏度與人口分布回歸分析

根據(jù)廣西紅水河流域3年的人口數(shù)據(jù)，處理后得到3年中廣西紅水河流域的平均人口密度數(shù)據(jù)，再利用分區(qū)統(tǒng)計工具統(tǒng)計廣西紅水河流域20縣(市、區(qū))的平均地形起伏度數(shù)據(jù)，最后在SPSS軟件的支持下，對地形起伏度與人口密度進行回歸分析，獲取地形起伏度與人口密度的關(guān)系曲線圖(圖4)。

圖4表明，廣西紅水河流域各縣(市、區(qū))平均人口密度與平均地形起伏度之間的關(guān)聯(lián)較大，廣西紅水河流域人口大多分布在平均RDLA<0.8區(qū)域，而且平均人口與平均地形起伏度之間存在一定的反比關(guān)系。進一步散點圖進行曲線擬合，分別選中線性、對數(shù)、二次項、冪和指數(shù)分布模型，得到各模型參數(shù)值(表1)。

圖4 地形起伏度與人口密度回歸曲線估計

方程模型匯總參數(shù)估計值R方Fdf1df2Sig．常數(shù)b1b2線性．66235．182118．000301．843-275．919對數(shù)．72948．496118．00050．655-131．603二次．73523．548217．000395．407-733．220416．599冪．80574．264118．00069．120-．830指數(shù)．79569．613118．000349．717-1．816

注：因變量為人口密度，自變量為平均地形起伏度

表1表明，在5種曲線擬合模型中，冪曲線模型能最好地模擬廣西紅水河流域各縣(市、區(qū))平均人口密度與地形起伏度之間的相關(guān)關(guān)系，其中R2為0.805，Sig值小于0.01，也就說廣西紅水河流域各縣(市、區(qū))的平均人口密度與平均地形起伏度在0.01的置信水平上極顯著相關(guān)，當平均地形起伏度不斷增大時，平均人口密度隨之不斷減小。由此可見，廣西紅水河流域地形起伏度對人口分布有著較為顯著的影響，研究區(qū)人口集中分布于低起伏地區(qū)，這與全國地形起伏度與人口分布的情況基本一致[22]。

5 人居環(huán)境自然適應性評價

結(jié)合以上分析，在此基礎上參考前人研究[23，24]，根據(jù)研究區(qū)的實際情況，將廣西紅水河流域不同地區(qū)人居環(huán)境的地形適宜程度劃分為不適宜、臨界適宜、一般適宜、中度適宜和高度適宜5類。①不適宜地區(qū)，地形起伏度大于1.5，平均海拔在800 m以上，主要分布于廣西紅水河流域上游的樂業(yè)和凌云縣；②臨界適宜地區(qū)，地形起伏度在1.0～1.5，平均海拔在500～800 m的地區(qū)，主要分布于廣西紅水河流域上游的天峨、南丹、東蘭、鳳山和巴馬縣；③一般適宜地區(qū)，地形起伏度在0.5～1.0，平均海拔300～500 m的地區(qū)，主要分布于廣西紅水河流域中游地區(qū)，包括忻城、馬山、都安、大化、金城江區(qū)和上林縣；④中度適宜地區(qū)，地形起伏度在0.25～0.50，平均海拔高度150～250 m的地區(qū)，主要分布在廣西紅水河流域下游地區(qū)，包括象州、武宣、柳江、合山和賓陽縣；⑤高度適宜地區(qū)，地形起伏度在0～0.25，平均海拔低于150 m，主要分布于廣西紅水河流域下游地區(qū)的興賓區(qū)和桂平市。

在分析了廣西紅水河人居環(huán)境地形適宜性空間分布規(guī)律的基礎上，將評價結(jié)果與廣西紅水河流域柵格平均人口密度數(shù)據(jù)進行了疊置分析。結(jié)果表明，地形條件是影響人口分布的重要因數(shù)之一，全流域人口明顯集中分布于地形適宜度較高的地區(qū)，表2與圖5為廣西紅水河流域人居環(huán)境地形適宜性評價結(jié)果。

表2 廣西紅水河流域人居地形適宜性評價

圖5 廣西和紅水河流域人居環(huán)境地形適宜性評價

5 結(jié)論與討論

地形作為自然環(huán)境要素之一，影響著區(qū)域人口分布。基于廣西紅水河流域GDEMDEM 30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù),利用ARCGIS軟件，采用窗口分析等方法，利用領域分析，提取廣西紅水河流域柵格尺度范圍內(nèi)的地形起伏度，系統(tǒng)分析了廣西紅水河流域地形起伏度的分布規(guī)律及其人口分布的相關(guān)性。較好地刻畫了廣西紅水河流域人居環(huán)境的地形起伏差異和人口分布差異，可以較好的為廣西洪水河流域引導人口合理分布提供借鑒參考，同時也可為濕熱巖溶山區(qū)人居環(huán)境適宜性研究提供可借鑒的方法。然而人居環(huán)境是有多個復雜系統(tǒng)組成，地形適宜性只是其適宜性評價的一個方面。因此，廣西紅水河流域人居環(huán)境的定量評價還有很多的課題有待深入研究。

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