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)

?

石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu)合理性評(píng)價(jià)

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(píng)價(jià)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(duì)石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。[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(shí)間上總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。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(duì)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(duì)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(duì)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(kāi)發(fā),保護(hù)林地,調(diào)整草地和耕地比例,控制居民地的過(guò)快增長(zhǎng)和嚴(yán)格保護(hù)水域,對(duì)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(píng)價(jià); 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(píng)價(jià)[J].水土保持通報(bào)，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(píng)價(jià)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?，F(xiàn)階段對(duì)于土地利用結(jié)構(gòu)合理性的評(píng)價(jià)，國(guó)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(jì)量地理法[3]、景觀生態(tài)學(xué)理論[4]、系統(tǒng)動(dòng)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(píng)價(jià)方法對(duì)于研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)和形態(tài)的時(shí)空變化提供了眾多方法上的選擇，但由于一些評(píng)價(jià)方法在評(píng)價(jià)過(guò)程的復(fù)雜性和可實(shí)施性，容易造成評(píng)價(jià)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(shí)用、簡(jiǎn)單、科學(xué)的評(píng)價(jià)方法，使規(guī)劃方案更加科學(xué)、合理，對(duì)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?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)操作意義。

石羊河流域是中國(guó)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(qiáng)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(guó)務(wù)院同意，由國(guó)家發(fā)改委、水利部印發(fā)實(shí)施《甘肅省石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》。為保持初期治理成果，2011年12月，國(guó)家發(fā)展改革委、水利部批復(fù)了《石羊河流域重點(diǎn)治理調(diào)整實(shí)施方案》，將《規(guī)劃》確定的后10 a任務(wù)集中到前5 a實(shí)施(2011—2015年)。面對(duì)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(lái)已被廣泛應(yīng)用與多領(lǐng)域綜合評(píng)價(jià)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(dòng)態(tài)變化，更減少了采用其它方法時(shí)需要主觀確定各級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的干擾；而且所得到的不同評(píng)價(jià)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(lái)分析其對(duì)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(duì)石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)石羊河流域土地利用結(jié)構(gòu)合理性的評(píng)價(jià)，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(píng)價(jià)過(guò)程

1.1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

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

(1)

(2)

1.2評(píng)價(jià)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(gè)指標(biāo)的離散程度，指標(biāo)的離散程度越大，該指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響越大，其計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)，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(jì)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(shuō)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(gè)時(shí)刻比較曲線xi與參考曲線x0的相對(duì)差值，稱為xi對(duì)x0在k時(shí)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(shí)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(zhǎng)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(shì)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?，其流域自南向北大致分為，南部祁連山高寒半干旱半濕潤(rùn)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(gè)流域多年平均降水量為222 mm，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，蒸發(fā)強(qiáng)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(yíng)河、東大河、西大河這8條河流及多條小溝小河組成，河流補(bǔ)給來(lái)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(lái)源及預(yù)處理

土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)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(guó)《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(jiàn)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(píng)價(jià)

首先根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的效益型和成本型，據(jù)式(1)、(2) 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(表2)。

表2　評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(jì)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(shí)，據(jù)式(11)、(12)計(jì)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(duì)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(gè)時(shí)刻xi與x0的絕對(duì)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(duì)差

第2步：據(jù)式(16)—(19)求得兩級(jí)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(jì)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?yàn)椋簉6>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(duì)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?yàn)椋簉1>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?，其次是草地，再次是居民用地和水域?/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(shí)間上總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。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(duì)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(duì)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(duì)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(kāi)發(fā)，保護(hù)林地，調(diào)整草地和耕地比例，控制居民地的過(guò)快增長(zhǎng)和嚴(yán)格保護(hù)水域，對(duì)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(jì)算簡(jiǎn)便,思路清晰,評(píng)價(jià)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)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張明,朱會(huì)義,何書金.典型相關(guān)分析在土地利用結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用以環(huán)渤海地區(qū)為例[J].地理研究,2001,20(6):762-767.

[2]朱艷莉,李越群,廖和平,等.基于灰色線性規(guī)劃的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào),2009,34(2):97-102.

[3]王福海,周啟剛,楊霏,等.三峽庫(kù)區(qū)2010年度土地利用現(xiàn)狀分析[J].水土保持研究,2013,20(5):225-231.

[4]解修平,周杰,張海龍,等.基于景觀生態(tài)和馬爾可夫過(guò)程的西安地區(qū)土地利用變化分析[J].資源科學(xué),2006,28(6):175-181.

[5]楊莉,何騰兵,林昌虎,等.基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的黔西縣土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報(bào),2009,28(1):24-27.

[6]潘竟虎,石培基.基于洛倫茨曲線和分形的甘肅省土地利用空間結(jié)構(gòu)分析[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究,2008,24(2):252-256.

[7]文潔,劉學(xué)錄.基于改進(jìn)TOPSIS方法的甘肅省土地利用結(jié)構(gòu)合理性評(píng)價(jià)[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2009,27(4):234-239.

[8]董璟琦,楊曉華,楊海真.基于改進(jìn)TOPSIS法的規(guī)劃評(píng)情景方案建立方法及應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2009,34(7):162-169.

[9]楊東,鄭鳳娟,潘竟虎,等.改進(jìn)的TOPSIS法在土地利用結(jié)構(gòu)合理性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用:以蘭州市為例[J].土壤通報(bào),2012,43(1):120-124.

[10]潘竟虎,石培基.基于熵權(quán)TOPSIS模型的天水市土地利用結(jié)構(gòu)合理性評(píng)判[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究,2010,26(2):134-139.

[11]劉忠華,于華,楊方廷.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的水網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要性評(píng)價(jià)研究[J].中國(guó)科學(xué)·技術(shù)科學(xué),2014,44(12):1280-1294.

[12]吳澤斌,劉衛(wèi)東,羅文斌,等.我國(guó)耕地保護(hù)的績(jī)效評(píng)價(jià)及其省際差異分析[J].自然資源學(xué)報(bào),2009,34(10):1785-1793.

[13]魯春陽(yáng),文楓,楊慶媛,等.基于改進(jìn)TOPSIS法的城市土地利用績(jī)效評(píng)價(jià)及障礙因子診斷:以重慶市為例[J].資源科學(xué),2011,33(3):535-541.

[14]曾建軍,史正濤,陳嚴(yán)武,等.滇西北水源地不同混交組合林水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)[J].人民長(zhǎng)江,2014,45(14):36-40.

[15]曾建軍,史正濤,劉新有,等.基于物元可拓模型的高原盆地城市水源地脆弱性評(píng)價(jià)[J].節(jié)水灌溉,2014(1):36-39,44.

[16]曾建軍,李元紅,金彥兆,等. InVEST模型在石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)水源供給中的應(yīng)用前景與方法[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2015,26(6):83-87.

收稿日期：2015-04-01修回日期：2015-06-12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2016)03-0230-05

中圖分類號(hào)：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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“氣候與土地利用變化對(duì)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(guò)程與閾值研究”(51369004); 水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201301081)和甘肅省技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)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(jí)工程師,主要從事水資源與水土保持方面研究。E-mail:yjzgssb@163.com。