高 珊， 孫 虎*， 徐崟堯， 孫姝博

(1.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院,陜西 西安 710119;2.陜西師范大學(xué) 地理國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,陜西 西安 710119)

西安是西北地區(qū)最大的城市,也是一帶一路的起點(diǎn).隨著西安市建設(shè)的快速推進(jìn),整個(gè)城市的面貌煥然一新,但與此同時(shí)也出現(xiàn)了人口激增、環(huán)境負(fù)荷增大、社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)加劇等問題.這些因城市建設(shè)引發(fā)的社會(huì)問題和城市建設(shè)本身都屬于人居環(huán)境科學(xué)的研究范疇.希臘學(xué)者道薩迪亞斯于20世紀(jì)50年代提出的“人居環(huán)境科學(xué)”概念推動(dòng)了與人居環(huán)境有關(guān)的研究[1].國外學(xué)者認(rèn)為,宜居是一個(gè)包含著環(huán)境質(zhì)量與生活質(zhì)量的整體概念[2],他們提倡將人類聚居環(huán)境作為研究對(duì)象,探尋合理的城市空間結(jié)構(gòu)[3—4].總體而言,人居環(huán)境是人與環(huán)境相互作用的結(jié)果,適宜的人居環(huán)境能夠?yàn)槿祟愄峁┝己玫纳鷳B(tài)基礎(chǔ),也能夠滿足人對(duì)于醫(yī)療、科教、文化服務(wù)等方面的需求[5—8].目前,國外人居環(huán)境質(zhì)量評(píng)級(jí)體系仍在不斷豐富,學(xué)者將收入、健康、自然災(zāi)害等因素也歸入其中[9—12]. 1993年,吳良鏞首次把人類聚居學(xué)理論引進(jìn)中國,并提出以城市等為研究對(duì)象的“人居環(huán)境科學(xué)”設(shè)想[13].張文忠則認(rèn)為,真正的宜居應(yīng)該是和諧的自然環(huán)境與舒適的人文環(huán)境相結(jié)合[14].在此基礎(chǔ)上,近幾年學(xué)者又提出“山水城市”“生態(tài)文明城市”“海綿城市”等理念,這些理念反映了新時(shí)期人類希望人居環(huán)境能達(dá)到自然環(huán)境與社會(huì)文明的和諧統(tǒng)一[15—17].隨著地理信息技術(shù)的日漸成熟,GIS分析法成為人居環(huán)境適宜性研究的常用手段．封志明等構(gòu)建的中國人居環(huán)境自然適宜性評(píng)價(jià)模型,定量揭示了中國不同地區(qū)人居環(huán)境的自然適宜程度及其空間規(guī)律性,為各地區(qū)發(fā)展提供了參考依據(jù)[18].目前,人居環(huán)境適宜性的相關(guān)研究開始與時(shí)空演變[19—20]、生態(tài)安全[21]、人居環(huán)境系統(tǒng)脆弱性[22]等相結(jié)合,但我國對(duì)于人居環(huán)境適宜性的研究多注重自然環(huán)境方面[23—29],對(duì)于人文要素考慮較少[30].同時(shí),由于地區(qū)發(fā)展特點(diǎn)和程度存在較大差異,相對(duì)于自然指標(biāo),人文指標(biāo)的選取更加靈活且更符合研究區(qū)的人文環(huán)境特征.

近幾年,西安市的人地關(guān)系矛盾突出,資源配置不合理,發(fā)展不均衡.西安市于2018年提出《大西安發(fā)展規(guī)劃》,該規(guī)劃以期延續(xù)城市肌理,提升歷史街區(qū),實(shí)施城市有機(jī)更新,疏解人口,降低密度,提升品質(zhì),彰顯千年古都底蘊(yùn),從而建設(shè)中華民族共有精神家園標(biāo)識(shí)地[31].筆者依據(jù)西安市發(fā)展現(xiàn)狀,針對(duì)性地選取交通通達(dá)度、GDP、科教、醫(yī)療、住宅服務(wù)密度作為人文指標(biāo),并結(jié)合自然指標(biāo),構(gòu)建人居環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)模型,并對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)述,希望可為西安市優(yōu)化資源配置、緩和人地關(guān)系矛盾的相關(guān)研究提供參考.

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

西安市位于λN=33.42°～34.45°、φE=107.40°～109.49°,屬于渭河流域中部的關(guān)中平原,北臨黃土高原,南接秦嶺,區(qū)內(nèi)海拔高度差異懸殊,秦嶺山地與渭河平原界線分明,構(gòu)成西安市的地貌主體.行政上,西安市下轄新城區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、雁塔區(qū)、未央?yún)^(qū)、灞橋區(qū)、閻良區(qū)、臨潼區(qū)、長安區(qū)、高陵區(qū)、藍(lán)田縣、戶縣、周至縣等10區(qū)3縣,其中,新城區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)為主城區(qū).西安市的常住人口約750萬人,市區(qū)人口近300萬,人均居住面積10.19 m2,居住在城鎮(zhèn)的人口占總?cè)丝诘?6.14%,居住在鄉(xiāng)村的人口約300萬人,占總?cè)丝诘?3.86%.西安市的人口密度為666人/km2,市區(qū)人口密度為1 533人/km2,城區(qū)人口密度以碑林區(qū)為最高,為3.11萬人/km2,城郊區(qū)人口密度以雁塔區(qū)為最多,達(dá)5 244人/km2.

1.2 數(shù)據(jù)來源

Landsat8遙感影像、90 m分辨率DEM來源于中國地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/);西安市水域矢量數(shù)據(jù)來源于西安市地形圖(矢量化); 西安市13個(gè)站點(diǎn)的空氣質(zhì)量指數(shù)來源于全國空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)(http://106.37.208.233:20035/);西安市的GDP、道路、人口、科教、醫(yī)療數(shù)據(jù)來源于《西安市統(tǒng)計(jì)年鑒》(2017年)．

1.3 研究方法

1.3.1地形起伏度(SRDL)SRDL是指在一定范圍內(nèi),最高點(diǎn)海拔與最低點(diǎn)海拔的差值,可以反映地形切割深度,從而反映一個(gè)地區(qū)的地形特征.西安市地處關(guān)中平原和秦嶺山地,SRDL影響著居住環(huán)境選址.SRDL的計(jì)算模型:

SRDL=Hmax-Hmin,

(1)

式中：Hmax為單位面積內(nèi)最高海拔;Hmin為單位面積內(nèi)最低海拔[32].

1.3.2歸一化植被指數(shù)(INDV) 植被覆蓋狀況對(duì)于居住區(qū)熱環(huán)境和大氣有一定影響[33],INDV可有效反映植被生長發(fā)育特征.INDV的計(jì)算公式:

INDV=(RNIR-RR)/(RNIR+RR),

(2)

式中:RNIR,RR分別代表近紅外光和紅光的反射值.

1.3.3格網(wǎng)技術(shù) 格網(wǎng)技術(shù)是將數(shù)據(jù)以設(shè)定的面積大小為單位表達(dá)出來.數(shù)據(jù)的格網(wǎng)化將數(shù)據(jù)置于同一尺度下,可提高數(shù)據(jù)的可讀性,也利于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)律.筆者以西安市為研究范圍,在ArcGIS中建立1 km×1 km的網(wǎng)格,用于表達(dá)各評(píng)價(jià)指標(biāo).

2 模型的建立

2.1 自然因子數(shù)據(jù)的處理

2.1.1地形起伏度(SRDL)與歸一化植被指數(shù)(INDV) 將計(jì)算所得SRDL,INDV重采樣為1 km×1 km分辨率,再利用分區(qū)統(tǒng)計(jì),將數(shù)據(jù)格網(wǎng)化.

2.1.2水域密度(DTW) 西安市的降水空間分異極小,因此只選取水域密度代表水文因子.利用Identify和西安市格網(wǎng)將西安市水域矢量數(shù)據(jù)格網(wǎng)化,再轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù),并分區(qū)統(tǒng)計(jì),獲得1 km×1 km格網(wǎng)化的西安市水域分布圖.

2.1.3空氣質(zhì)量指數(shù)(IAQ)IAQ是將空氣中幾種污染物質(zhì)量濃度依據(jù)一定的計(jì)算方式歸為一個(gè)指數(shù)來表征城市的空氣質(zhì)量.IAQ在短期內(nèi)就會(huì)有波動(dòng),可據(jù)此監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量的變化程度.IAQ越大,表示空氣質(zhì)量越差.筆者將西安市13個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)IAQ的平均值數(shù)據(jù)以1 km×1 km進(jìn)行克里格插值,再利用分區(qū)統(tǒng)計(jì)獲得格網(wǎng)化西安市的IAQ.

2.2 人文因子數(shù)據(jù)處理

2.2.1交通通達(dá)度(DTA)DTA表達(dá)交通的可達(dá)性,以路網(wǎng)密度表示.西安市的道路矢量數(shù)據(jù)與格網(wǎng)取交集,將路網(wǎng)切成段,折線轉(zhuǎn)柵格后,重采樣并分區(qū)統(tǒng)計(jì),獲得1 km×1 km格網(wǎng)化的路網(wǎng)密度.

2.2.2國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)與人口密度(POP) 將西安市GDP與POP重采樣、分區(qū)統(tǒng)計(jì)后,獲得格網(wǎng)化數(shù)據(jù).

2.2.3科教服務(wù)密度(S)、醫(yī)療服務(wù)密度(M)與住宅密度(H) 將3種點(diǎn)文件與西安市格網(wǎng)分別建立空間連接,獲得每個(gè)網(wǎng)格所含科教服務(wù)、醫(yī)療服務(wù)與住宅的數(shù)量,即S,M,H.以此屬性創(chuàng)建柵格數(shù)據(jù).

2.3 人居環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)模型

文中所建立的人居環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)模型:

IHE=α×SNRDL+β×INNDV+γ×DNTW+δ×

INAQ+ε×DNTA+θ×PNGD+λ×SN+μ×

MN+ω×HN,

(3)

式中:IHE為人居環(huán)境適宜性指數(shù);SNRDL,INNDV,DNTW,INAQ,DNTA,PNGD,SN,MN,HN分別為在MATLAB中標(biāo)準(zhǔn)化后,基于1 km×1 km格網(wǎng)下的地形起伏度、歸一化植被指數(shù)、水域密度、空氣質(zhì)量指數(shù)、交通通達(dá)度、國內(nèi)生產(chǎn)總值、科教服務(wù)密度、醫(yī)療服務(wù)密度和住宅密度;α,β,γ,δ,ε,θ,λ,μ,ω分別為各指標(biāo)的對(duì)應(yīng)權(quán)重,一般,各單項(xiàng)指標(biāo)與人口密度的相關(guān)系數(shù)占相關(guān)系數(shù)總和的比例為各指標(biāo)的權(quán)重[19].

文中使用的最小、最大標(biāo)準(zhǔn)化方法[34]計(jì)算公式:

Y=(Xi-Xi,min)/(Xi,max-Xi,min)×100,

(4)

式中:Y為某評(píng)價(jià)因子的標(biāo)準(zhǔn)化值;Xi為某評(píng)價(jià)因子的原始值;Xi,min為某評(píng)價(jià)因子的最小值;Xi,max為某評(píng)價(jià)因子的最大值．

3 結(jié)果與分析

3.1 西安市人居環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步分析西安市人居環(huán)境適宜性分布特征,筆者結(jié)合實(shí)地調(diào)研結(jié)果及專家意見,將計(jì)算結(jié)果根據(jù)相似性進(jìn)行迭代優(yōu)化聚類分析.經(jīng)聚類后,人居環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)指數(shù)(IHE)被分為5級(jí),即不適宜、臨界適宜、一般適宜、較適宜和適宜(表1、圖1～圖2).同時(shí),對(duì)各指標(biāo)與人居環(huán)境適宜性各分級(jí)區(qū)進(jìn)行相關(guān)性分析(表2).總體而言,西安市人居環(huán)境適宜性由南向北遞增,由秦嶺山區(qū)向關(guān)中平原遞增,基本呈層狀分布,其中,北部較適宜區(qū)中有閉合區(qū)域,人居環(huán)境適宜性偏低,為人口集中的主城區(qū).

1)不適宜區(qū).該區(qū)的面積為2 155 km2,約占西安市總面積的21.19%,人口為5.36萬人,占全市總?cè)丝诘?.76%,人口密度為24.88人/km2.在所有區(qū)縣中周至縣的不適宜區(qū)面積占比最高,為36.99%.SNRDL與IHE的相關(guān)系數(shù)最大,表明地形與該區(qū)人居環(huán)境適宜性的相關(guān)性最大.不適宜區(qū)主要集中在西安市南部的山地,處在秦嶺的北麓,該地的地形陡峭崎嶇,環(huán)境惡劣,人跡罕至,還未完全開發(fā),因此極不適宜居住.

表1 西安市人居環(huán)境適宜性分類統(tǒng)計(jì)

圖1 西安市人居環(huán)境適宜性分級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果

2)臨界適宜區(qū).該區(qū)的面積為2 907 km2,約占西安市總面積的28.58%,人口為304.03萬人,占全市總?cè)丝诘?3.33%,人口密度為1 045.85人/km2.臨界適宜區(qū)集中分布于不適宜區(qū)的周邊,即高陵區(qū)、長安區(qū)的東部、藍(lán)田縣西部和西安市的主城區(qū). 該區(qū)域的SNRDL與IHE的相關(guān)系數(shù)仍然很高.結(jié)合SNRDL的分布特征可知,對(duì)于山區(qū)周邊和城郊各區(qū)縣,由于交通通達(dá)度較低,醫(yī)療、科教等各服務(wù)設(shè)施不完善,該區(qū)的人居環(huán)境適宜性低.在西安市的主城區(qū)中,臨界適宜區(qū)面積占70.19%,是西安市的中心,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),交通網(wǎng)絡(luò)完善,也是科技與文化最發(fā)達(dá)的地區(qū),因此人口密度在全市最高.由此也產(chǎn)生環(huán)境壓力大,城區(qū)空氣質(zhì)量較差、交通擁堵、住房資源緊張等問題，使得人居環(huán)境適宜性偏低.

3)一般適宜區(qū).該區(qū)的面積為2 410 km2,約占西安市總面積的23.70%,人口為167.70萬人,占全市總?cè)丝诘?3.91%,人口密度為695.87人/km2.一般適宜區(qū)主要分布于臨界適宜區(qū)的周圍和西安市的東北部,即周至縣、戶縣的少部和灞橋區(qū)、臨潼區(qū)的大部.由于該區(qū)域位于西安市的主城區(qū)附近,經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá),設(shè)施較完備.INNDV,INAQ與IHE的相關(guān)性最大,說明生態(tài)環(huán)境已經(jīng)成為影響人居環(huán)境的主要因素.近郊區(qū)城市的熱島效應(yīng)明顯,環(huán)境質(zhì)量較差,因此,人居環(huán)境適宜性一般、人口密度也較低.

圖2 西安市人居環(huán)境適宜性面積累加柱狀圖

表2 各分級(jí)區(qū)與各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

4)較適宜區(qū).該區(qū)的面積為2 146 km2,約占西安市總面積的21.10%,人口為200.11萬人,占全市總?cè)丝诘?8.53%,人口密度為932.48人/km2.較適宜區(qū)主要分布于西安市的西北部,即周至縣、戶縣、長安區(qū)的北部以及未央?yún)^(qū).在該區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)中,PNGD與IHE的相關(guān)程度最大,同時(shí),INNDV與IHE的相關(guān)性也較高.表明自然因子和社會(huì)因子對(duì)該區(qū)的適宜性有較大影響,且在該區(qū)基本達(dá)到平衡.由于該區(qū)地勢(shì)平坦開闊,水源充足,植被覆蓋度高,交通便利,距離主城區(qū)較近,經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá),較適宜居住.

5)適宜區(qū).該區(qū)的面積為553 km2,約占西安市總面積的5.44%,人口為24.32萬人,占全市總?cè)丝诘?.47%,人口密度為439.78人/km2.西安市的適宜區(qū)面積最小,僅在較適宜區(qū)中有點(diǎn)狀分布,人口密度低.在所有縣區(qū)中,藍(lán)田縣的適宜區(qū)面積最大,占11.35%.結(jié)合各因子分布特征,這些區(qū)域的植被覆蓋度高,自然條件優(yōu)越,經(jīng)濟(jì)水平高,服務(wù)設(shè)施完備,因此人居環(huán)境適宜性高.

3.2 西安市人居環(huán)境適宜性單因子分析

在MATLAB中對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)化后的評(píng)價(jià)因子與IHE進(jìn)行相關(guān)性分析.不同指標(biāo)對(duì)于人居環(huán)境適宜性的限制程度不同,在西安市存在差異.人口密度(PNPO)與各評(píng)價(jià)因子的相關(guān)系數(shù)見表3.

表3 人口密度、西安市人居適宜性指數(shù)與各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

1)自然條件相關(guān)指標(biāo).在SNRDL,INNDV,DNTW中,INNDV與PNPO,IHE的相關(guān)性最大.西安市大部分地區(qū)位于關(guān)中平原,地勢(shì)平坦,人口也集中分布于平原之上,但西安市的水域面積較少,因此,水域?qū)τ谌丝诤腿司迎h(huán)境適宜性相關(guān)性較小,水資源短缺也一直是西安城市發(fā)展擴(kuò)張的重要制約因素.PNPO與INNDV的相關(guān)系數(shù)為0.36,IHE與INNDV的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.83,說明INNDV越高的區(qū)域所能容納的人口越多,越適宜居住,因此,城市的規(guī)劃與建設(shè)應(yīng)該高度重視城市綠化的布局.

2)INAQ分析.IAQ越高,表征空氣質(zhì)量越差.INAQ與PNPO呈正相關(guān)(表3),與IHE呈負(fù)相關(guān),且在所有指標(biāo)中,INAQ與IHE的相關(guān)系數(shù)最大,表明空氣質(zhì)量對(duì)于人居環(huán)境適宜性的制約最大.主城區(qū)的人口集中,交通網(wǎng)絡(luò)密度大,產(chǎn)生廢氣較多,且市區(qū)內(nèi)空氣的自凈能力有限.目前，西安市的冬季霧霾嚴(yán)重,大大影響了居民健康及其正常生活.

3)交通通達(dá)度(DNTA)分析.由于地形條件制約,西安市交通網(wǎng)絡(luò)主要分布在平原地區(qū),而南部秦嶺山區(qū)的交通線路稀疏.因此,交通通達(dá)度影響了西安市南部人口密度與人居環(huán)境適宜性.

4)經(jīng)濟(jì)條件相關(guān)指標(biāo)分析.西安市的IHE與PNGD呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)0.7以上,表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平越高,人居環(huán)境適宜性越好.PNGD與PNPO的相關(guān)系數(shù)在所有指標(biāo)中最高,表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)于人口的集聚有很大作用.科教文化服務(wù)、醫(yī)療服務(wù)、住宅數(shù)量都與人口密度和人居環(huán)境成正比.經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城市建設(shè)吸引大量人口,同時(shí)必然會(huì)增加社會(huì)服務(wù)設(shè)施與之配套,從而提高了人居環(huán)境適宜性.

4 討論

秦嶺山區(qū)因地形崎嶇屬于人居環(huán)境不適宜區(qū),但卻是關(guān)中地區(qū)的生態(tài)屏障.因此應(yīng)該合理開發(fā),保護(hù)其自然景觀和生物多樣性,提升秦嶺國家生態(tài)公園的質(zhì)量,使秦嶺北麓成為城市天然氧吧以及旅游經(jīng)濟(jì)帶.主城區(qū)的人口密度大、環(huán)境壓力大,在規(guī)劃過程中，應(yīng)該以協(xié)調(diào)發(fā)展為目標(biāo),以商貿(mào)和旅游業(yè)為主導(dǎo),實(shí)現(xiàn)部分功能區(qū)外遷,從而帶動(dòng)人口遷移,緩解主城區(qū)壓力.同時(shí)，還應(yīng)該加強(qiáng)保護(hù)古城區(qū),恢復(fù)歷史街區(qū)與人文遺存,構(gòu)建具有古城特色的人文西安.目前,人居環(huán)境較適宜區(qū)和適宜區(qū)目前還沒有吸引大量人口,因此還需要繼續(xù)引導(dǎo)科教產(chǎn)業(yè)向該區(qū)轉(zhuǎn)移,并建設(shè)配套設(shè)施更完善的大型居住區(qū),疏解老城壓力.

人居環(huán)境適宜性的研究正在逐漸趨于成熟,但一些方面仍然有待提高：對(duì)于指標(biāo)的選取,應(yīng)該緊隨社會(huì)的發(fā)展及時(shí)增減;對(duì)于何種尺度下選取何種大小格網(wǎng)來刻畫規(guī)律,依舊沒有定論,這些都值得進(jìn)一步探討.

5 結(jié)論

1)西安市人居環(huán)境適宜性,在空間上呈現(xiàn)由南向北、由秦嶺山區(qū)向關(guān)中平原遞增的趨勢(shì),基本呈層狀分布.人居環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)指數(shù)分為不適宜、臨界適宜、一般適宜、較適宜和適宜，其中,臨界適宜區(qū)面積的比例與人口密度均最高,分別為28.58%,1 046人/km2.

2)西安市南部的秦嶺北麓,由于地形、交通、經(jīng)濟(jì)等原因成為不適宜區(qū).西安市主城區(qū)的人口密度大,環(huán)境承載力趨于飽和,為臨界適宜區(qū).西安市人居環(huán)境適宜區(qū)和較適宜區(qū)主要位于西安市西北部的城郊地區(qū).這些區(qū)域的地勢(shì)平坦開闊,水源充足,植被覆蓋度高,交通便利,距離主城區(qū)較近,經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá),較適宜居住.

3)不同地區(qū)制約人居環(huán)境適宜性的因素存在差異,不同指標(biāo)對(duì)人居環(huán)境適宜性的制約程度也不同.空氣質(zhì)量指數(shù)與人居環(huán)境適宜性的相關(guān)性最大,尤其是對(duì)于人口密集的主城區(qū)；其次為植被指數(shù);GDP與人口密度的相關(guān)性最大;經(jīng)濟(jì)因素仍然是影響人口分布的主導(dǎo)因素.