湿热岩溶山区人居环境适宜性评价——以广西红水河流域为例

李史干,周慧杰,朱 杰,吴燕婷,周 强

(1.广西师范学院北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室,广西 南宁 530001； 2.广西师范学院广西地表过程与智能模拟重点实验室,广西 南宁 530001； 3.广西师范学院 地理与规划学院，广西 南宁 530001)

1 引言

人居环境是人类在大自然中赖以生存的基地，是人类利用自然、改造自然的主要场所[1]。基于自然生态与环境基础、资源状况和区位条件，遵循空间接近性、区域相似性和差异性原则，对人居环境进行适宜性评价，划分不同等级适宜性的空间，可为区域人口和产业布局指导，以便缓解人类活动与资源环境的空间矛盾。

目前，基于地形起伏度的人居环境适宜性的研究，在我国已有一定的研究基础，其研究的方法体系、分级标准可供借鉴，但前人研究的区域主要集中在我国中部、东部以及西北部地区，对西南湿热岩溶地区的研究尚为空白[5～10]。

湿热岩溶山区是指在湿热季风环境下形成的岩溶地貌地区，呈地带性和多带性特征，在我国主要集中分布在西南岩溶区一带[11]。

该区存在地上地下双层岩溶空间结构和山高水深、地形陡峻、土壤贫瘠等两重性的特点，在人为活动的干扰影响下很容易导致生态退化，产生水土流失和石漠化等生态环境问题[12]，严重地制约了区域经济社会的可持续发展。

广西红水河流域属典型的湿热岩溶山区，以该流域为例，基于地形起伏度对湿热岩溶山区开展人居环境适宜性研究，为红水河流域人口和产业合理布局提供理论支撑和决策参考，同时也可为湿热岩溶山区人居环境适宜性研究提供可借鉴的方法。

2 研究区概况

广西红水河流域位于中北部，东经106°14′～110°20′和北纬22°52′～25°27′之间，包括乐业、凌云、天峨、南丹、凤山、巴马、东兰、金城江、大化、都安、马山、忻城、柳江、上林、合山、宾阳、兴宾、象州、武宣、桂平等20个县(市、区)，地处我国南亚热带向中亚热带过渡的中间地带，主体属于中亚热带季风湿润、半湿润气候区，水热条件丰富，年均温度在16.9～21℃之间，年降水量在1244～1582 mm之间，地貌类型以岩溶山地为主(图1)。

2015年广西红水河流域总人口1039.91万人，占广西总人口的18.78%；地区生产总值达1773.01亿元，占广西地区的10.74%；人均生产总值为17049.62元，人均产粮283.61 kg，属于欠发达地区。

3 研究方法与数据处理

3.1 数据来源

本研究涉及的数据主要有：广西红水河流域GDEMDEM 30M分辨率数字高程数据，来源于地理空间数据云提取；2013～2015年广西红水河流域20县(市、区)统计数据，数据来源于广西壮族自治区统计局；广西红水河流域20个县(市、区)矢量边界数据。

3.2 研究方法

一般来说，地形起伏度是指地表一定范围内最大的相对高程差，它在一定程度上体现了该区域地势的变化以及地表高低起伏的状况，在一定程度上能够反映区域的地貌类型。本研究在参考牛文元等人研究的基础上[13～18]，基于ARCGIS10.2软件中空间分析功能，并运用空间分析模块中的窗口分析工具，采用式(1)计算广西红水河流域地形起伏度。

图1 研究区地理区位示意

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为某区域的平均海拔高程(m)；Max(H)和Min(H)分别代表该区域内的最高和最低海拔(m);P(A)为该区域内的平地面积(km2);A则为该区域总面积(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软件中空间分析模块，采用窗口分析法并利用栅格领域计算工具来实现。以整个广西红水河流域为研究区，开辟研究栅格大小单元为90 m×90 m,实现操作单元逐个栅格区地形起伏度的提取。再提取地形起伏度之前，剔除DEM中的异常值，再分别计算式(1)中的各个地形因子。

3.3.1 海拔的提取

在栅格领域计算工具对话框中先后选择该分析窗口内高程的最大值Max(H)、平均值Mean(H)和最小值Min(H),则可以自动生成3个新的数据层，即：Max(H)，ALT和Min(H)数据层。然后再利用栅格计算器中进行[Max(H)]-[Min(H)]，即可得到最大高程和最小高程的差值数据层。

3.3.2 平地面积提取

本研究中将海拔高程最大值和最小值相差10 m的网络单元定义为平地[21]，并通过ARCGIS中3D分析模块中的重分类工具对[Max(H)-Min(H)]进行重分类，从而提取平地面积P(A)和区域总面积A。

3.3.3 地形起伏度的提取

利用ARCGIS中空间分析模块中的栅格计算器工具，将上述提取到的ALT、[Max(H)-Min(H)]、P(A)、A等数据带入到式(1)中进行计算，实现地形起伏度的最终提取，得到图2。

由图2可知，广西红水河流域地形起伏度总特点是西北高，东南低，地势由北到南倾斜的特点也很明显。地形起伏度低值主要分布于广西红水河流域下游， 包括宾阳县、兴宾区、合山市、桂平市、武宣县、象州县、柳江区；地形起伏度高值主要分布于广西红水河流域上游，包括乐业县、凌云县、天峨县、南丹县、凤山县、东兰县；从海拔高度来看，广西红水河流域地形起伏度随着海拔高度的增加呈现逐渐升高的趋势,表现出很强的高度规律性。

4 广西红水河流域地形起伏度与人口分布的相关性分析

4.1 广西红水河流域人口密度分布

根据广西红水河流域2013、2014、2015年人口统计数据，通过ARCGIS软件将广西红水河流域人口密度数据层与地形起伏度叠加，得到地形起伏度和人口密度分布图(图3)。如图3所示，从上游地区到下游地区，人口密度依次递增。下游地区桂平市、宾阳县和合山市人口密度均超过300人/km2，这3个地区是人口高度密集区，而紧靠周围的柳江区、兴宾区和武宣县人口密度均达到200人/km2，属于较高密集区；中游地区上林县、马山县和象州县人口密度达到150人/km2，属于中度密集区，金城江区、大化县、都安县、忻城县和巴马县人口密度大于100人/km2，属于低度密集区；上游地区凤山县、凌云县、东兰县、南丹县、乐业县和天峨县人口密度均小于100人/km2，人口分布较为稀疏，其中天峨县人口密度小于50人/km2，人口分布最稀疏。

图2广西红水河流域地形起伏度分级

图3 地形起伏度与人口密度分布

4.2 地形起伏度与人口分布回归分析

根据广西红水河流域3年的人口数据，处理后得到3年中广西红水河流域的平均人口密度数据，再利用分区统计工具统计广西红水河流域20县(市、区)的平均地形起伏度数据，最后在SPSS软件的支持下，对地形起伏度与人口密度进行回归分析，获取地形起伏度与人口密度的关系曲线图(图4)。

图4表明，广西红水河流域各县(市、区)平均人口密度与平均地形起伏度之间的关联较大，广西红水河流域人口大多分布在平均RDLA<0.8区域，而且平均人口与平均地形起伏度之间存在一定的反比关系。进一步散点图进行曲线拟合，分别选中线性、对数、二次项、幂和指数分布模型，得到各模型参数值(表1)。

图4 地形起伏度与人口密度回归曲线估计

方程模型汇总参数估计值R方Fdf1df2Sig．常数b1b2线性．66235．182118．000301．843-275．919对数．72948．496118．00050．655-131．603二次．73523．548217．000395．407-733．220416．599幂．80574．264118．00069．120-．830指数．79569．613118．000349．717-1．816

注：因变量为人口密度，自变量为平均地形起伏度

表1表明，在5种曲线拟合模型中，幂曲线模型能最好地模拟广西红水河流域各县(市、区)平均人口密度与地形起伏度之间的相关关系，其中R2为0.805，Sig值小于0.01，也就说广西红水河流域各县(市、区)的平均人口密度与平均地形起伏度在0.01的置信水平上极显著相关，当平均地形起伏度不断增大时，平均人口密度随之不断减小。由此可见，广西红水河流域地形起伏度对人口分布有着较为显著的影响，研究区人口集中分布于低起伏地区，这与全国地形起伏度与人口分布的情况基本一致[22]。

5 人居环境自然适应性评价

结合以上分析，在此基础上参考前人研究[23，24]，根据研究区的实际情况，将广西红水河流域不同地区人居环境的地形适宜程度划分为不适宜、临界适宜、一般适宜、中度适宜和高度适宜5类。①不适宜地区，地形起伏度大于1.5，平均海拔在800 m以上，主要分布于广西红水河流域上游的乐业和凌云县；②临界适宜地区，地形起伏度在1.0～1.5，平均海拔在500～800 m的地区，主要分布于广西红水河流域上游的天峨、南丹、东兰、凤山和巴马县；③一般适宜地区，地形起伏度在0.5～1.0，平均海拔300～500 m的地区，主要分布于广西红水河流域中游地区，包括忻城、马山、都安、大化、金城江区和上林县；④中度适宜地区，地形起伏度在0.25～0.50，平均海拔高度150～250 m的地区，主要分布在广西红水河流域下游地区，包括象州、武宣、柳江、合山和宾阳县；⑤高度适宜地区，地形起伏度在0～0.25，平均海拔低于150 m，主要分布于广西红水河流域下游地区的兴宾区和桂平市。

在分析了广西红水河人居环境地形适宜性空间分布规律的基础上，将评价结果与广西红水河流域栅格平均人口密度数据进行了叠置分析。结果表明，地形条件是影响人口分布的重要因数之一，全流域人口明显集中分布于地形适宜度较高的地区，表2与图5为广西红水河流域人居环境地形适宜性评价结果。

表2 广西红水河流域人居地形适宜性评价

图5 广西和红水河流域人居环境地形适宜性评价

5 结论与讨论

地形作为自然环境要素之一，影响着区域人口分布。基于广西红水河流域GDEMDEM 30M分辨率数字高程数据,利用ARCGIS软件，采用窗口分析等方法，利用领域分析，提取广西红水河流域栅格尺度范围内的地形起伏度，系统分析了广西红水河流域地形起伏度的分布规律及其人口分布的相关性。较好地刻画了广西红水河流域人居环境的地形起伏差异和人口分布差异，可以较好的为广西洪水河流域引导人口合理分布提供借鉴参考，同时也可为湿热岩溶山区人居环境适宜性研究提供可借鉴的方法。然而人居环境是有多个复杂系统组成，地形适宜性只是其适宜性评价的一个方面。因此，广西红水河流域人居环境的定量评价还有很多的课题有待深入研究。

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