干旱内陆河流域生态环境质量与经济发展水平协调性评价及其时空演化——以石羊河流域为例

李艳芳 温松楠 李 龙

（兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730021）

0 引言

为了区域生态与经济之间的关系更协调，研究干旱区的生态系统与经济发展之间的关系对维持区域可持续发展具有重要意义［1-3］。一些国外学者为了研究经济发展与生态系统之间的协调度，将土地利用变化作为重要的评判因子，采取了不同的研究方法，包括构建不同的模型、研究不同时空下协调度的规律等。国内学者主要采取的方法包括建立指标评价法、定量分析法等，主要通过构建定量的评估算法来研究区域经济发展水平与生态发展之间的关系，并取得了一定的研究成果［4-7］。由于生态系统本身的复杂性，结合经济发展因素的综合性，要研究两者之间的协调度，需要考虑多个学科的交叉性，综合地分析影响两者协调度的因素，在这方面的研究仅针对全国和区域等宏观尺度，对小流域尤其是干旱内陆地区小流域社会经济与生态环境协调度研究较少，而对这些区域进行相关研究，为更好地协调当地经济水平与生态环境保护起到不可或缺的作用［8-10］。由于石羊河流域受到人类活动的影响，结合其自身比较特殊的地理因素，该流域成为研究学者密切关注的焦点，是典型的生态退化区域［11-13］。该研究通过建立生态敏感度指标来研究描述生态环境的质量，以人均收入等指标来表征经济发展水平，利用耦合度分析原理评价生态环境与经济发展水平协调度，最后分析其时空变化规律的思路，探讨石羊河流域生态环境质量与经济发展水平协调性评价标准及其时空演化。

1 研究区概况

石羊河流域位于甘肃省河西走廊东段，乌鞘岭以西，祁连山北麓。深居大陆腹地，气候类型为大陆性温带干旱气候。石羊河流域太阳光照充足、昼夜温差大、常年降水稀少、空气比较干燥。流域地势表现为南高北低，自西向东北倾斜。

2 数据来源

2.1 生态指标数据来源

①研究区行政数据采用的是国家基础地理信息中心公布的中国基础地理数据（1:100 万）基础数据（下载网址：https://www.webmap.cn/main.do?method=index）。

②根据该流域DEM 数据在ArcGIS 中提取的坡度。

③中科院数据中心下载的1980 年、1990 年、2000年、2010年共四个年份的植被覆盖数据。

④中国气象数据共享网下载的湿度、降水量数据。

⑤从Google earth下载的该区域河流矢量数据。

2.2 经济指标数据来源

分析数据来源于干旱内陆河流域7 个县级城市117个乡村，以及1980—2010年石羊河流域各县市区域生产总值、城镇居民人均收入、在职职工平均工资、人均纯收入的数据，数据取自统计年鉴。

3 研究方法

3.1 克里金插值

克里金法假定采样点之间的距离或方向可以反映表面变化的空间相关性。克里金法工具可将数学函数与指定数量的点或指定半径内的所有点进行拟合以确定每个位置的输出值。克里金法是一个多步过程；它包括数据的探索性统计分析、变异函数建模和创建表面，还包括研究方差表面。

由于克里金法可对周围的测量值进行加权以得出未测量位置的预测，因此它与反距离权重法类似。这两种插值器的常用公式均由数据的加权总和组成如式（1）。

式中：Z（si）表示第个位置处的测量值；λi表示第i个位置处的测量值的未知权重；S0表示预测位置；N表示测量值数。

3.2 生态环境质量和经济发展水平评判标准

生态环境综合评价函数［14，15］如式（2）。

式中：i表示所构建的生态环境指标的数目，ai为指标权重的大小，xi表示第i个生态环境指标准化后的值。由此可知，生态环境综合指数越高，生态环境质量越好。

经济发展水平评价函数如式（3）。

式中：i表示所构建的经济发展水平指标的数目，yi表示第i个经济发展水平指标准化后的值。由此可知，经济发展综合指数越高，经济发展越好。

3.3 指标体系的选取及权重

根据对指标进行平行分类如表1 所示，对分类后的生态指标进行结果评价，如表2所示。

表1 生态指标分类及权重

表2 生态指标评价结果

4 结果分析

4.1 生态环境质量以及时空演化

在ArcGIS 软件中用空间分析工具提取坡度和汇流累计量。利用水文分析提取汇流累计量。根据石羊河流域周边7 个气象站点统计的各年份湿度、降水量进行克里金插值分析，得出该流域的湿度、降水量变化图。对6 个指标进行权重分析处理，利用栅格计算器得出石羊河流域生态环境质量水平。根据生态指标分配的权重相加结果分类，制作生态环境质量专题地图，如图1所示

图1 生态环境质量专题图

从图1 分类可以看出，北部荒漠地带即民勤县和凉州区存在沙漠的区域4 年的生态环境质量最差，民勤县城处于城区，周边地带植被覆盖高，南部的海拔高的区域可以看出明显的变化。1980年，肃南南部、天祝南部为高山地带，生态环境质量无变化，生态环境质量优良；而在肃南中北部、天祝中部地区，由1980 年生态环境质量一般向生态环境质量优良转变。对于武威市凉州区，随着快速发展的经济水平，人民生活水平的不断进步，生态系统的可持续成为政府关注的焦点。1980—2000年，生态环境质量优良区域明显增大，河西走廊地带适合农业种植，居民地、草地、林地、耕地较多，中心区域植被较好。对于金川区和永昌县，除了县城以及周边区域，环境质量一直处于一般水平以下。

整体来看，生态环境质量在石羊河流域南部生态环境变好区域增大明显，很大原因取决于植被覆盖度增大，而在永昌县、金川区、民勤县除了县城以及周边的沙漠绿洲外，生态环境质量越来越差，1980—2000年，县城周边区域也开始存在生态环境恶化，2000—2010年，生态质量有所改善。

4.2 经济发展水平及其时空演化

干旱内陆河流域属于西部最典型的经济欠发达地区，其发展受到人才、市场、经济等各方面的约束。所以评价干旱内陆河流域经济发展水平及其时空演化是十分必要的。

①根据每个县的GDP、城镇居民人均收入、在职职工平均工资等经济指标，对凉州区进行打破行政界限的两次克里插值，得到一个较为准确的经济发展趋势。整体上金昌市和武威市的经济发展水平较高，民勤、肃南、天祝经济发展状况较差，永昌和古浪县经济发展状况居中。

②对每个指标平均分配权重，用栅格计算器相加得到经济发展的综合指标。

③对综合指标用栅格计算器相减，得到1980—2010 年每隔10 a 为一个梯度的经济发展变化情况如图2。

图2 经济发展变化专题图

总体上来说，凉州区经济发展水平极其不协调，金昌市在过去30 年里呈现稳定快速发展，而发展区域也逐步由市中心向周围乡镇扩散，呈现较好的发展趋势；武威市1980—1990 年经济小范围快速发展，1990—2000 年经济发展出现大范围的快速增长，是经济发展的黄金阶段，2000 年以后发展较快；永昌县和民勤县经济发展状况类似，总体呈现持续稳步增长，2000 年以后趋于平缓，民勤县城甚至出现了较慢增长；肃南、天祝、古浪县从1980—2010 年经济持续、稳步向前发展，且发展态势良好。

4.3 生态经济协调性评价及其时空演化

笔者选择耦合度分析模型研究生态与经济的协调性，耦合度主要表达区域系统发展过程中各个因素之间的协调程度的量度［16］，系统耦合表示具有相吸作用的各个子系统发展之间的协调程度，当发展到一定程度时，系统发展更成熟、可持续性更强［17］。因此选用“耦合度”模型，可以更好地分析某区域生态系统与经济发展在不同时期的特征，更好地预测区域未来的可持续性发展趋势。

4.3.1 数学模型。生态系统与经济发展水平系统之间的关系也可用数学模型来描述，生态经济耦合度越高，两者关系越协调［18，19］。

生态经济耦合度公式如式（4）［20］。

式中：f（x）表征生态环境质量的综合指数，g（y）表征经济发展水平的综合指数，k表示调节系数，一般取k=2。由式（4）可知，f（x）值越大，环境质量越高，f（x）值越小，则环境质量越低；g（y）值越大，经济发展水平越好，反之越低。

为更好地描述生态与经济的整体发展程度，构建了新的生态经济耦合发展度（D）公式如式（5）［20］。

式中：生态环境质量与经济发展水平两者发展都高时，耦合发展度越高，区域生态经济发展可持续性更好。

4.3.2 评价标准。根据生态环境与经济耦合协调度的大小程度及生态经济对比值大小，将区域内生态环境与经济系统协调性分为6 大类，如表3所示。

表3 干旱区生态环境质量与经济发展耦合发展度和协调程度

4.3.3 生态质量与经济发展水平耦合度计算结果。根据上述耦合数学模型，在ArcGIS 中通过栅格计算器对各个年份的生态经济综合指标结果进行计算，得到了耦合发展度结果，其值都在0 至1之间；严格参考表3 的协调性评价标准及基本类别，对结果进行重分类，则各年份的经济生态耦合发展度分类图如图3。

图3 经济生态耦合发展度分类专题图

5 结语

通过比较四幅经济生态耦合发展度分类图可知，经济协调良好的区域面积正在逐渐减少，石羊河流域的整体生态和经济关系趋向耦合发展失调的状态。民勤县、凉州区以及其他县区沙漠地带由于特殊环境原因，1980年、1990年、2000年、2010年经济与生态耦合发展都为严重失调，而河西其他地区，如金川区、凉州区、永昌县这几个地区经济发展与生态质量失调现象严重并且有扩大的趋势。而天祝、肃南、古浪几个县区由于地处高海拔地区，加上气候较其他地区湿润，因此这三个县区耦合度良好，生态与环境质量存在良好协调。具体表现为：

①民勤县南部1980 年生态经济良好协调发展，而从1990年后开始出现不协调，并且在2000年大部分区域达到严重失调。2000 年到2010 年南部区域开始好转，失调比例有所下降。而民勤县北部东部长期处于沙漠地带，经济生态一直严重失调。

②对于金川区、永昌县，1980 年经济生态大部分区域良好发展，说明经济发展不影响环境质量。1990—2000 年，生态经济开始出现不协调发展，并在2000 年除了永昌县南部高海拔区域，永昌县、金川区城区以及周边生态经济协调外，其余都为严重失调。

③武威市凉州区地处河西腹地，平原多，植被好，河流相对于密集，因此四幅图都表现为经济生态良好协调发展，但不难发现，从1980—2010 年，凉州区区域内颜色明显变浅，开始往不协调趋势发展。

④石羊河流域南部区域，天祝县、永昌县、古浪县由于海拔高，气候相对其他区湿润，1980—2000年无多大变化，古浪县东部区域开始都变为严重失调。而颜色变浅，但是都处于协调发展水平。而2000—2010 年，生态经济发展有变好的趋势，颜色变深，协调良好区域增大；县区中心以及周边区域的良好协调，但是协调良好面积区域变少。