石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu)合理性評價

姚進(jìn)忠, 曾建軍

(1.甘肅省水利廳水土保持局, 甘肅 蘭州 730000; 2.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,甘肅 蘭州 730000; 3.甘肅省水利科學(xué)研究院, 甘肅 蘭州 730000)

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石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu)合理性評價

姚進(jìn)忠1, 曾建軍2,3

(1.甘肅省水利廳水土保持局, 甘肅 蘭州 730000; 2.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,甘肅 蘭州 730000; 3.甘肅省水利科學(xué)研究院, 甘肅 蘭州 730000)

摘要：[目的] 評價石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu),為石羊河流域土地利用總體規(guī)劃的修編、土地利用機(jī)構(gòu)的優(yōu)化以及土地資源的可持續(xù)利用提供依據(jù)。 [方法] 利用解譯的石羊河流域5期(1980,1995,2000,2006,2012年)土地利用數(shù)據(jù),基于TOPSIS方法,采用熵值法確定指標(biāo)權(quán)重,結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析,對石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行綜合評價。[結(jié)果] (1) 5期石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu)合理度總體上較高,均在75%以上,在時間上總體呈波動上升趨勢。其中,2006到2012年上升19.54%,增幅最大; (2) 不同土地利用類型變化對土地利用結(jié)構(gòu)的合理性影響不同,其土地利用結(jié)構(gòu)合理性關(guān)聯(lián)度依次為：未利用土地(0.973 8)>林地(0.961 1)>草地(0.950 4)>耕地(0.935 2)>居民用地(0.757 6)>水域(0.709 0);以石羊河流域耕地為參考數(shù)列,對影響耕地的其他土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)度分析,發(fā)現(xiàn)對耕地影響最大的是林地(0.938 5)和未利用地(0.935 0),其次是草地(0.902 1),再次是居民用地(0.797 7)和水域(0.722 9)。[結(jié)論] 限制石羊河流域未利用土地的開發(fā),保護(hù)林地,調(diào)整草地和耕地比例,控制居民地的過快增長和嚴(yán)格保護(hù)水域,對優(yōu)化石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu)具有決定性的作用。

關(guān)鍵詞：土地利用結(jié)構(gòu); TOPSIS模型; 合理性評價; 石羊河流域

文獻(xiàn)參數(shù)： 姚進(jìn)忠, 曾建軍.石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu)合理性評價[J].水土保持通報，2016,36(3)：230-234.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.038

土地利用結(jié)構(gòu)合理性評價是土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化的基礎(chǔ)，也是土地利用總體規(guī)劃的核心內(nèi)容。現(xiàn)階段對于土地利用結(jié)構(gòu)合理性的評價，國內(nèi)外已有大量的研究，且多種研究方法被廣泛應(yīng)用，如典型相關(guān)分析法[1]、最優(yōu)線性規(guī)劃法[2]、計量地理法[3]、景觀生態(tài)學(xué)理論[4]、系統(tǒng)動力學(xué)方法[5]、馬爾可夫法[4]、空間洛倫茨曲線和分形[6]等，不同評價方法對于研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)和形態(tài)的時空變化提供了眾多方法上的選擇，但由于一些評價方法在評價過程的復(fù)雜性和可實施性，容易造成評價結(jié)果的主觀性和不確定性，進(jìn)而影響土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，造成土地利用總體規(guī)劃決策失誤。為精確、直觀反映土地利用結(jié)構(gòu)合理性，尋求一種物理意義明確、實用、簡單、科學(xué)的評價方法，使規(guī)劃方案更加科學(xué)、合理，對于土地利用結(jié)構(gòu)合理性的研究具有極為重要的理論研究價值和現(xiàn)實操作意義。

石羊河流域是中國西北內(nèi)陸河流域中人口最密集、生態(tài)環(huán)境敏感性最強的地區(qū)，脆弱的環(huán)境已經(jīng)引起了政府的高度關(guān)注，2007年12月，經(jīng)國務(wù)院同意，由國家發(fā)改委、水利部印發(fā)實施《甘肅省石羊河流域重點治理規(guī)劃》。為保持初期治理成果，2011年12月，國家發(fā)展改革委、水利部批復(fù)了《石羊河流域重點治理調(diào)整實施方案》，將《規(guī)劃》確定的后10 a任務(wù)集中到前5 a實施(2011—2015年)。面對石羊河流域脆弱的生態(tài)環(huán)境，本文以解譯的石羊河流域5期(1980，1995，2000，2006，2012年)土地利用變化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于TOPSIS方法(TOPSIS 法[7-9]是系統(tǒng)工程中有限方案多目標(biāo)決策分析的一種常用技術(shù)，近年來已被廣泛應(yīng)用與多領(lǐng)域綜合評價中，且取得了較為滿意的結(jié)果。TOPSIS 法不僅能夠客觀全面地反映土地利用結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，更減少了采用其它方法時需要主觀確定各級評價標(biāo)準(zhǔn)的干擾；而且所得到的不同評價年份各地類與土地利用結(jié)構(gòu)合理度的灰色關(guān)聯(lián)度可用來分析其對土地利用結(jié)構(gòu)的變化情況，進(jìn)行關(guān)鍵因子分析并據(jù)之提出相應(yīng)政策)，采用熵值法確定指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析，對石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行綜合評價。通過對石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu)合理性的評價，以期最大限度地提高石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu)合理程度，為石羊河流域土地利用總體規(guī)劃的修編和土地利用調(diào)控方案的優(yōu)化以及土地資源的可持續(xù)利用提供依據(jù)。

1TOPSIS 法評價過程

1.1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

所選評價指標(biāo)因評價單位不同不具有可比性，為使各指標(biāo)具有可比性及可計算性，應(yīng)對其進(jìn)行無量綱化處理，即標(biāo)準(zhǔn)化。將評價指標(biāo)分為效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)，并通過以下公式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[9-13]：

(1)

(2)

1.2評價指標(biāo)權(quán)重確定及多屬性決策矩陣的建立

熵值可判斷某個指標(biāo)的離散程度，指標(biāo)的離散程度越大，該指標(biāo)對綜合評價的影響越大，其計算公式如下[14-15]：

(3)

(4)

進(jìn)而，

(5)

建立多屬性決策矩陣:

X=(xij)mxn=[Wij·Zij]mxn

(6)

1.3確定正負(fù)理想解X*和X×，并計算各年份的指標(biāo)向量到正負(fù)理想解的距離

(7)

(8)

式中：j*——成本型指標(biāo)集合[9-13]； j×——效益型指標(biāo)集合。

計算各年份的指標(biāo)向量到正負(fù)理想解的距離，綜合向量到正理想解和負(fù)理想解距離的表達(dá)式為[9-13]：

(9)

(10)

在確定正、負(fù)理想值時，考慮到人類利用土地的趨向，確定已利用土地為效益型指標(biāo)，未利用土地為成本型指標(biāo)。

1.4土地利用結(jié)構(gòu)合理度Ri的計算

(i=1,2,…,m)

(11)

Ri=(1-Di)×100

(12)

Ri為土地利用結(jié)構(gòu)合理度，Ri越大，說明土地利用結(jié)構(gòu)越合理。

1.5灰色關(guān)聯(lián)度分析

關(guān)聯(lián)度的一般表達(dá)式為[9-13]:

(13)

式中：ξij(t)稱為關(guān)聯(lián)系數(shù)[9-13]，定義為：

(14)

Δij(t)=|xi(t)-xj(t)|

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

式中：ξij(t)——第t個時刻比較曲線xi與參考曲線x0的相對差值，稱為xi對x0在k時刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)(t=1，2，…，n)。其中，ξ——分辨系數(shù)，一般在0與1之間選取，本文取ξ為0.5；k——灰數(shù)，本文取k的白化值為0.5，用于提高關(guān)聯(lián)因素之間的差異顯著性。

2應(yīng)用實例

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，烏鞘嶺以西，祁連山北麓，地理坐標(biāo)為東經(jīng)101°41′—104°16′，北

緯36°29′—39°27′之間，流域全長300 km，行政區(qū)劃上包括4市9縣，總面積4.16×104km2。石羊河流域地勢南高北低(圖1)，自西南向東北傾斜。流域?qū)俅箨懶詼貛Ц珊怠敫珊禋夂颍淞饔蜃阅舷虮贝笾路譃椋喜科钸B山高寒半干旱半濕潤區(qū)(海拔2 000～5 000 m)、中部走廊平原溫涼干旱區(qū)(海拔1 500～2 000 m)、北部溫暖干旱區(qū)(海拔1 300～1 500 m)。整個流域多年平均降水量為222 mm，太陽輻射強，蒸發(fā)強烈。流域自東向西由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河、西大河這8條河流及多條小溝小河組成，河流補給來源為山區(qū)大氣降水和高山冰雪融水，產(chǎn)流面積1.11×104km2，多年平均徑流量1.56×109m3。土壤類型主要是灰鈣土、灰漠土、灰棕漠土等。植被類型為：高山嵩草、中高山青海云杉、祁連圓柏短花針芋、冷蒿珍珠、紅沙、短花針芋等[16]。

圖1　石羊河流域數(shù)字高程模型

2.1數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于石羊河流域5期(1980，1995，2000，2006，2012年)土地利用變化調(diào)查數(shù)據(jù)，為使數(shù)據(jù)具有可比性，土地利用分類系統(tǒng)仍然采用1984年全國《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》中的分類標(biāo)準(zhǔn)。土地利用面積、比例見表1。

表1　石羊河流域5期(1980，1995，2000，2006，2012年)土地利用面積及結(jié)構(gòu)

2.2基于熵權(quán)TOPSIS 法的石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu)合理性評價

首先根據(jù)評價指標(biāo)的效益型和成本型，據(jù)式(1)、(2) 對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(表2)。

表2　評價指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

其次，據(jù)式(3)—(5) 確定石羊河流域土地利用各評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)：

Wij=

再次，據(jù)式(7)—(10)確定正負(fù)理想解(X*，X×)，并計算各年份的指標(biāo)向量到正負(fù)理想解的距離(S*，S×)(圖2，表3)；同時，據(jù)式(11)、(12)計算土地利用結(jié)構(gòu)合理度Ri(表3—4，圖3)。

圖2　土地利用結(jié)構(gòu)的正、負(fù)理想距離二維數(shù)據(jù)空間分布

年份因子S*S×DiRi19800.31340.13540.242475.757219950.24930.29430.091390.874820000.26400.19500.165183.491120060.31260.19950.195480.459420120.16380.32620.0000100.0000

圖3　土地利用相對距離、結(jié)構(gòu)合理度年變化

最后，按步驟依次進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析。

第1步，據(jù)式(15)確定求差序列，各個時刻xi與x0的絕對差如表4所示。

表4　土地利用結(jié)構(gòu)灰色關(guān)聯(lián)度差序列絕對差

第2步：據(jù)式(16)—(19)求得兩級最大差與最小差為：

Δmax=0.429 8， Δmin=0

第3步：將數(shù)據(jù)代入關(guān)聯(lián)系數(shù)計算公式(14)得：

ξ1=〔ξ1(1),ξ1(2),ξ1(3),ξ1(4),ξ1(5)〕

=(1.000 0,0.927 5,0.955 6,0.882 7,0.910 5)

ξ2=〔ξ2(1),ξ2(2),ξ2(3),ξ2(4),ξ2(5)〕

=(1.000 0,0.977 7,0.997 8,0.931 6,0.898 2)

ξ3=〔ξ3(1),ξ3(2),ξ3(3),ξ3(4),ξ3(5)〕

=(1.000 0,0.333 3,0.999 78,0.600 7,0.613 3)

ξ4=〔ξ4(1),ξ4(2),ξ4(3),ξ4(4),ξ4(5)〕

=(1.000 0,0.918 2,0.987 2,0.889 3,0.957 5)

ξ5=〔ξ5(1),ξ5(2),ξ5(3),ξ5(4),ξ5(5)〕

=(1.000 0,0.925 9,0.799 7,0.603 6,0.458 6)

ξ6=〔ξ6(1),ξ6(2),ξ6(3),ξ6(4),ξ6(5)〕

=(1.000 0,0.960 9,0.972 9,0.981 9,0.953 2)

第4步：根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)，結(jié)合式(13)求關(guān)聯(lián)度得：

相應(yīng)的關(guān)聯(lián)序為：r6>r2>r4>r1>r5>r3，即未利用土地>林地>草地>耕地>居民用地>水域，上述關(guān)聯(lián)序表明對石羊河流域土地利用影響最大的是未利用土地和林地，其次是草地和耕地，再次是居民用地和水域。

相應(yīng)的關(guān)聯(lián)序為：r1>r5>r3>r4>r2，上述關(guān)聯(lián)序表明石羊河流域?qū)Ω赜绊懽畲蟮氖橇值睾臀蠢玫兀浯问遣莸兀俅问蔷用裼玫睾退颉?/p>

3結(jié) 論

(1) 5期(1980，1995，2000，2006，2012年)石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu)合理度總體上較高，均在75%以上，在時間上總體呈波動上升趨勢。其中2006—2012年上升19.54%，增幅最大，表明石羊河流域在近期治理后，土地利用結(jié)構(gòu)趨于合理。

(2) 不同土地利用類型變化對土地利用結(jié)構(gòu)的合理性影響不同，其土地利用結(jié)構(gòu)合理性關(guān)聯(lián)度依次為：未利用土地(0.973 8)>林地(0.961 1)>草地(0.950 4)>耕地(0.935 2)>居民用地(0.757 6)>水域(0.709 0)；并以石羊河流域耕地為參考數(shù)列，對影響耕地的其他土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)度分析，發(fā)現(xiàn)對耕地影響最大的是林地(0.938 5)和未利用地(0.935 0)，其次是草地(0.902 1)，再次是居民用地(0.797 7)和水域(0.722 9)。

(3) 限制石羊河流域未利用土地的開發(fā)，保護(hù)林地，調(diào)整草地和耕地比例，控制居民地的過快增長和嚴(yán)格保護(hù)水域，對優(yōu)化石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu)具有決定性的作用。

(4) 該方法計算簡便,思路清晰,評價結(jié)果與石羊河流域?qū)嶋H結(jié)果相符，為石羊河流域第4輪土地利用總體規(guī)劃的修編、土地利用機(jī)構(gòu)的優(yōu)化以及土地資源的可持續(xù)利用提供了依據(jù)。

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收稿日期：2015-04-01修回日期：2015-06-12

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0230-05

中圖分類號：F301.2

Assessment of Land Use Structure Rationality in Shiyang River Basin

YAO Jinzhong1, ZENG Jianjun2,3

(1.GansuSoilandWaterConservationBureau,Lanzhou,Gansu730000,China;2.CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou,Gansu730000,China; 3.GansuResearchInstituteforWaterConservancy,Lanzhou,Gansu730000,China)

Abstract：[Objective] We evaluate the land use structure in Shiyang River basin in order to provide basis for editing and reversion of the land utilization plan, and the optimization of land use structure and the sustainability of land resources. [Methods] Based on the land use data in the year of 1980, 1995, 2000, 2006 and 2012 in Shiyang River basin, the rationality of land use structure was assessed by using coefficient of entropy and TOPSIS (technique for order preference by similarity to ideal solution) method and GRA(grey relational analysis). [Results] (1) The rationalities of land use structure in Shiyang River basin were above 75%, and showed a fluctuated upward tendency. During the period from 2006 to 2012, it increased by 19.54%. (2) Different land use types had different effects on the rationality of land use structure. The correlation with the land use structure rationality showed: unused land(0.973 8)>woodland(0.961 1)>grassland(0.950 4)>cultivated land(0.935 2)>residential land(0.757 6)>waters(0.709 0). Took the farmland as the reference, the gray correlation degree analysis showed that the greatest impact were woodland(0.938 5) and unused land(0.935 0), followed by the grassland(0.902 1), and then the residential land(0.797 7) and waters(0.722 9). [Conclusion] To restrict the utilization of the unused land, protect woodland, adjust the ratio of grassland and cultivated land, and control the excessively rapid growth of residential land and protect water, are of great importance in optimizing of the land use structure in Shiyang River basin.

Keywords:land use structure; TOPSIS model; rationality assessment; Shiyang River basin

資助項目：國家自然科學(xué)基金項目“氣候與土地利用變化對石羊河流域水資源影響研究”(51369003),“疏勒河中游綠洲生態(tài)需水過程與閾值研究”(51369004); 水利部公益性行業(yè)科研專項(201301081)和甘肅省技術(shù)研究與開發(fā)專項計劃項目(1205TCYA005)

第一作者：姚進(jìn)忠(1963—),男(漢族),甘肅省通渭縣人,博士,正高級工程師,主要從事水資源與水土保持方面研究。E-mail:yjzgssb@163.com。