基于GIS的石羊河流域可持续发展能力评估

魏 伟，石培基，周俊菊，颉斌斌，雷 莉

(1.西北师范大学地理与环境科学学院，兰州730070;2.兰州城市学院 城市经济与旅游文化学院，兰州730070;3.甘肃省水利厅 石羊河流域管理局，甘肃武威733000)

0 引言

干旱内陆地区是我国典型的生态脆弱区，其生态具有内在不稳定性，在外界胁迫因素干扰下极易遭受损害并难以复原，且在现有经济和技术条件下这种逆向演化趋势也不能得到有效控制［1-3］。可持续发展是干旱内陆区乃至全球共同面临的涉及人口、资源、经济、社会、环境等方面的重大理论与实践问题。在发展实践中，适时地进行可持续发展评价，有针对性地提出对策建议，有效地指导可持续发展的具体实践，意义十分重大。石羊河流域地处黄土、青藏、蒙新三大高原的交汇过渡带，是生态和环境变化敏感的区域之一，也是西北干旱内陆河流域生态脆弱区重点治理地区之一［4-5］。随着流域水量不断减少和不合理的人类活动，石羊河流域出现了区域性地下水位下降、土地沙化、盐渍化加重、植被退化等一系列生态环境问题，生态危机较为严重，成为我国干旱区内陆河流域生态退化的典型和社会各界广泛关注的焦点［6-8］。因此，研究和解决石羊河流域生存和可持续发展问题成为地理工作者义不容辞的责任。本研究尝试利用GIS空间分析技术和组合赋权法构建干旱内陆地区可持续发展评估框架，并以石羊河为例对可持续发展能力进行评价，以期为协调区域人口、资源、生态和环境之间的关系以及提高可持续发展能力提供科学参考。

1 区域概况

石羊河流域位于祁连山北麓，属河西走廊三大内陆河流域之一。地理坐标介于101°22'～104°16'E、36°29'～39°27'N之间。在行政区划上共涉及三市七县(区)，包括武威市的凉州区、古浪县、民勤县及天祝县以北地区，金昌市的永昌县及金川区全部及张掖市肃南裕固族自治县，总面积约 4.16×104km2，总人口约 245万人［9-10］。该流域地势自西南向东北倾斜，属大陆性温带干旱气候，太阳辐射强，日照充足，夏季短而炎热，冬季长而寒冷，温差大，降水少。流域内土壤、植被类型分布因受气候、水文和地形等自然条件的影响，形成了明显的土壤—植被垂直带谱［11-13］。石羊河流域在水资源分配和气候条件的共同作用下，生态环境体系具有干湿交替带、农牧交错带、森林边缘带和沙漠边缘带等多种宏观意义上的生态环境脆弱带。

2 数据与方法

2.1 数据及预处理

采用多源数据，利用2011年Landsat/TM影像提取土地资源数据，统计数据来源于2012年甘肃统计年鉴、2012年城市发展年鉴;资源环境要素、人口社会经济系统要素和生态环境系统要素数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所的中国自然资源数据库。部分数据在ArcGIS平台上通过插值和网格化处理，统一栅格化为100 m×100 m大小的格网。

2.2 可持续发展评价指标体系及评价方法

区域生态环境发展涉及到自然生态环境和社会经济等许多方面的要素，因此无法采用一个或几个指标评价区域可持续发展问题，必须建立一套科学、完备并且可以定量化的指标体系。目前，国内外对可持续发展理论进行了大量的研究，已经建立了许多关于可持续发展评价的指标体系和评价模型方法，如生态足迹模型［14］、绿色 GDP 核算体系［15］、资源承载力模型［16］、人文发展指数模型［17-18］等。在参考上述模型和中国科学院可持续发展战略研究组的部分指标体系的基础上，结合石羊河流域的自然资源、生态环境及社会经济特点，共选取了48个指标，然后根据各因子对可持续发展影响贡献率大小选取最具代表性的18个指标进行分析，建立石羊河流域可持续发展综合评价指标体系(表1)。

在确定评价权重时根据评价指标体系的层次结构，建立了三级评价模型。

一级评价模型是着眼于具体的三级指标体系的评价指标Uijk、建立在二级指标体系Uij上的的评价模型。

假设待评价的区域范围共包含p个区域单元，二级评价指标集合Uij中的第k个指标Uijk在第s个区域单元上的实测值(本研究中为提取栅格单元得到的值)为Us，ijk(s=1，2，…，p)。

若Uijk是越大越优型，令As，ijk=|Us，ijk-minUijk|/|maxUijk-minUijk|;若Uijk是越小越优型，令As，ijk=|maxUijk-Us，ijk|/|maxUijk-minUijk|。

显然，As，ijk就是相对于评价指标体系Uijk而言第s个区域单元从属于“可持续发展”的隶属度。这样，就可以得到Aijk的隶属度矩阵;在二级评价指标集合Uij中，如果各评价指标的权重分配为:Wij=(Wij1，Wij2，…，Wijn)，则一级评价结果可以通过如下变换公式求得:Vij=(V1，ij，V2，ij，…，Vp，ij)=WijAij。式中:Vs，ij为就二级评价指标集合Uij而言第s个区域单元从属于“可持续发展”的隶属度。以此类推，就一级评价指标集合Ui而言，第s个区域单元从属于“可持续发展”的隶属度就是二级评价结果乘以相应的权重值。对于各级评价指标的权重分配，先用层次分析法求得，然后再用信息熵对其进行修正。

①对所选指标进行归一化处理。对指标进行归一化处理的目的是消除指标量纲的不同对综合评价的影响，使得各指标具有可比性。采用的公式为:

式中:i为所选的市(区)、县;j为所选的可持续发展指标;m为石羊河流域县(区)数目，此处为7。

②计算第j项指标的熵值。公式如下:

③计算第j项指标的偏差度。公式如下:

④确定第j项指标的权重。公式如下:

⑤用各指标的标准化值Pij乘以该指标的权重aj，求得二级指标的综合指数，即可持续发展指数(sustainable development index，SDI)，公式如下:

式中:Isd为区域可持续发展指数;Pij为各指标标准化后的值;aj为单一指标的权重。据此依次计算出各层各级指标权重(表1)。

表1 石羊河流域可持续发展综合评价指标体系Tab．1 The sustainable development evaluation index system in Shiyang River Basin

2．3 可持续发展判定标准

在查阅了相关研究文献［19-21］的基础上，结合干旱内陆地区可持续发展的特征，对石羊河流域可持续发展判定标准进行了微调，依据可持续发展指数将研究区分为可持续发展、较可持续发展、威胁可持续发展、不可持续发展和严重不可持续发展5个等级(表2)。

表2 石羊河流域可持续发展状态划分标准Tab.2 The judgement criterion of SDI in Shiyang River Basin

3 结果分析

3.1 影响流域可持续发展能力的因子分析

为研究石羊河流域可持续发展综合能力，根据石羊河流域的地域特点，在可持续发展空间分布图上沿SW—NE方向绘出可持续发展各指标体系的剖面线，并分别与Isd剖面线进行相关性分析(图1)。结果表明:资源及消耗指数与Isd相关性达到0.59，社会经济发展指数与Isd相关性达到0.89，生态环境及治理指数与Isd相关性达到0.66，且可持续发展各指数剖面线分布除在绿洲地区(距离剖面线端点约63 km处)具有较高一致性外，其他地区一致性较低，说明可持续发展除受资源环境和社会发展共同影响外，还受地形和区位限制，且社会经济发展水平对可持续发展能力有很大影响。因此，研究中所选择的社会经济发展、资源及消耗和生态环境治理三大目标层能够代表研究区可持续能力的影响因素。

图1 石羊河流域可持续发展剖面图Fig.1 The SDI and factors profile in Shiyang River Basin

3.2 石羊河流域可持续发展能力分析

石羊河流域可持续发展综合能力普遍不高，基本处于可持续发展较弱水平，而且由于各县区耕地资源状况、水资源状况、人口状况、生产力水平和人文社会经济条件存在差异等原因，流域可持续发展综合能力存在着明显地区差异。①由于地处干旱内陆地区，可持续发展综合能力较弱。流域内各县区的可持续发展指数Isd介于17.9 ～8.1(表3)，其中大约31 029.44 km2的地区基本处于不可持续发展或严重不可持续发展水平，占全流域面积的74.59%，只有金川区和凉州区可持续发展情况较好，永昌县处于较可持续发展水平。各县区可持续发展水平总体偏低的主要原因是流域生存支持系统与社会发展支持系统水平较低，说明该流域生存资源相对匮乏、生态环境条件恶劣、文化科技水平低的特点依然是遏制当前可持续发展的主要因素。因此，省级部门应制订流域经济社会发展的优惠政策，结合地区特点专门组织相关部门调研，统一制定流域发展规划，以推动石羊河流域社会经济全面发展，重点应加强流域特色资源的开发与保护，极力促进流域文化科技进步。②从可持续发展的空间格局(图2)来看，各可持续发展指标均出现突变区，其中社会经济指标和生态环境及治理指标变化最大(图2a，图2c，表3)，前者高值区出现在金川区，达到了11.72，而凉州区次之，并以这两个区为明显界线，将民勤、古浪和肃南大部分地区分为低值区，最低值为2.4;后者出现了3个不同的区域:以永昌县和凉州区为中心的高值区，最高值达到7.0;以金昌市为中心的低值区，最低值为1.91，其他区域介于二者之间。根据这一分布特征，在研究区进行了调研论证工作，发现金川区作为我国最大的镍钴生产基地和铂族金属提炼中心，形成了以冶金和化工、建材、机械、电力、轻纺、食品为主体的门类齐全的工业城市，但随着工业的发展，水资源短缺状况日益明显，干旱天气频繁发生，每年夏灌高峰期，城市生活用水都要采取轮流定时定量供水的办法，住宅楼3层以上每年持续30 d无法正常供水，给城市居民生活带来了很大不便和困难，严重影响了当地社会经济与生态环境的和谐发展。因此，该地区如何取得经济发展的同时，注重生态环境保护及水资源的可持续利用，是当前需要迫切解决的问题。资源及消耗指数中，金川区作为资源型城市，资源占有率和消耗程度最高，天祝北部和古浪南部最低，最低值为2.3(图2b)。③总体来看，流域的可持续发展格局分为3个层次(图3)。第一层次:以凉州区和金川区为中心，可持续发展指数为17.0以上，目前处于可持续发展水平;第二层次:以永昌县、民勤绿洲和天祝县北部为中心，可持续发展指数介于9.4～14.1之间，处于较可持续发展及以下水平;第三层次:古浪县、天祝东部、民勤北部荒漠区和肃南大部分地区，其可持续发展指数处于10.0以下，属于不可持续发展和严重不可持续发展水平。第一层次中凉州区经济社会综合实力列全省各县区第3位，金川区人均资源占有率全省各县区第5位，两区可持续发展实现程度相对其他县区较好，这与其进一步扩展与地方经济发展相适应的产业链、充分发挥城市对广大农村地区的经济带动作用、建立与区域水资源相匹配的经济结构等具体措施的实施是分不开的。天祝、古浪和民勤应立足本流域水资源，大力推行节水型社会建设，优化产业结构和用水结构，提高水资源利用效率和效益，减少上中游灌区不合理的用水量，增加进入中下游的地表水量，加快改善流域生态环境，保护和恢复山区植被，涵养水源，治污减排，保障水质。通过政府支持和运用市场机制，引导农民发展节水高效农业，加快农村富余劳动力转移，促进农民节水增收。

表3 石羊河流域可持续发展综合评价指数及等级Tab.3 The value of SDI and classification in Shiyang River Basin

图2 石羊河流域可持续发展评价各指数分布Fig.2 The series of sustainable development index in Shiyang River Basin

4 结论与讨论

(1)总体上，石羊河流域可持续发展能力不高，大多数地区处于威胁可持续发展和不可持续发展状态。流域经济社会发展仍以资源环境破坏为代价，属粗放式发展。流域内绿洲分布比较分散，产业集聚效应难以发挥，区内资源相互转化的成本增大。虽然在当前市场经济条件下国家的一系列流域综合治理及促进流域社会经济发展的优惠政策会大大削弱这种影响，但客观因素所形成的制约是非常明显的。

(2)流域内可持续发展空间分布存在明显差异。随着绿洲中心区域城市化进程不断加快，城市中心吸引度迅速增加，城区与周边区县的城市化水平差距在逐步扩大，以武威凉州区和金昌金川区为中心地区发展能力较强，而流域上游地区、少数民族分布地区和沙漠腹地可持续发展水平很低，这种强弱分明现象在干旱内陆河地区表现得尤为明显。

图3 石羊河流域可持续发展空间分布Fig.3 The spatial distribution of sustainable development in Shiyang River Basin

(3)石羊河流域目前面临的可持续发展问题已不仅是农业内部结构优化的问题，而是要对三次产业结构进行大的调整，提高二、三产业增加值在国内生产总值中的比重，以吸纳越来越多的农村剩余劳动力，减轻水土资源的承载压力，提高农业整体经济效益。同时严格控制人口增长，提高人口素质，减轻人口破坏行为造成的环境不良影响，促进人与自然和谐相处。

(4)将空间数据与统计数据相结合，获取石羊河流域定量评价的相关信息，在实践中具有较强的可操作性和客观性，适用于小流域可持续发展评价;而且以空间单元网格为评价单元，借助GIS空间分析功能，可以很好地表达出各指标及区域可持续发展的空间分异规律，研究结果直观、明了。但限于自然条件和数据资料的制约，目前对石羊河流域可持续发展研究主要以县区为研究单元，且设计的评价指标体系尚不完善，更微观的以乡镇或自然村为研究单元的而又较合理的评价体系仍需要在今后的理论研究和实践工作中进行探索。

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