基于信息熵的漳州市生態(tài)水平評價

漳州市環(huán)境科學(xué)研究所 梁素紅

0 引言

自20世紀(jì)70 年代聯(lián)合國教科文組織發(fā)起的“人與生物圈(MAB)”計劃中首先提出生態(tài)城市以來[1]，世界上不少國家開展了建設(shè)生態(tài)城市的實踐，并取得了一定成效。生態(tài)城市的理論也一直在不斷發(fā)展之中。關(guān)于生態(tài)市的定義，本文引用國家環(huán)保總局《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)(試行)》(環(huán)發(fā)[2003] 91 號)中的界定，即生態(tài)市是指社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，各領(lǐng)域基本符合可持續(xù)發(fā)展要求的地市級行政區(qū)域.其主要標(biāo)志是：生態(tài)環(huán)境良好并不斷趨向更高水平的平衡，環(huán)境污染基本消除，自然資源得到有效保護(hù)和合理利用；穩(wěn)定可靠的生態(tài)安全保障體系基本形成；環(huán)境保護(hù)法律、法規(guī)、制度得到有效貫徹執(zhí)行；以循環(huán)經(jīng)濟(jì)為特色的社會經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展；人與自然和諧相處，生態(tài)文化有長足發(fā)展；城市、鄉(xiāng)村環(huán)境整潔優(yōu)美，人民生活水平全面提高。

國家環(huán)境保護(hù)總局于1995 年在全國開展生態(tài)示范區(qū)建設(shè)試點工作。福建省在2001 年提出了生態(tài)省建設(shè)的戰(zhàn)略構(gòu)想。2002 年8 月，福建被批準(zhǔn)為全國生態(tài)省建設(shè)試點省份。2004 年11 月，福建省委、省政府批準(zhǔn)《福建省生態(tài)省建設(shè)總體規(guī)劃綱要》。漳州早在2006 年就開始了生態(tài)市創(chuàng)建工作，根據(jù)福建生態(tài)省建設(shè)“十二五”規(guī)劃，漳州要在2015 年達(dá)到生態(tài)市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，建成資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。目前，漳州市正在開展新一輪的生態(tài)市建設(shè)規(guī)劃修編工作，為適應(yīng)創(chuàng)建生態(tài)市的要求，迫切需要建立與之相適應(yīng)的生態(tài)市建設(shè)評價指標(biāo)體系及方法，來引導(dǎo)漳州生態(tài)市建設(shè)規(guī)劃措施與實踐途徑的優(yōu)化和協(xié)調(diào)。

在有關(guān)生態(tài)市建設(shè)水平的研究中，學(xué)者在生態(tài)市建設(shè)的考核、評價指標(biāo)和評價方法都進(jìn)行了一些探索和研究[2～6]。本文引入信息熵，對漳州生態(tài)水平進(jìn)行分析評價，從而辨識漳州市生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)和健康水平，為漳州生態(tài)市建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 評價指標(biāo)體系

生態(tài)市評價指標(biāo)體系要體現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)、過程和實力，反映城市經(jīng)濟(jì)社會、環(huán)境生態(tài)方面的建設(shè)情況。建立指標(biāo)體系時遵守以下基本原則：完備性、客觀性、獨立性、可測性、數(shù)據(jù)可獲得性、動態(tài)性和相對穩(wěn)定性。

本文在《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)（修訂稿）》（環(huán)發(fā)〔2007〕195 號）中生態(tài)市建設(shè)指標(biāo)的3 大類、19 項指標(biāo)的基礎(chǔ)上，按照漳州市的實際情況及數(shù)據(jù)的可獲得性，制定了漳州市生態(tài)市水平評價指標(biāo)體系(帶*者為國家生態(tài)市建設(shè)指標(biāo))，包括經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和環(huán)境生態(tài)2 類24 個指標(biāo)，具體的指標(biāo)體系及權(quán)重見表1，其中權(quán)重值由指標(biāo)信息熵確定，數(shù)據(jù)來源于《漳州統(tǒng)計年鑒2003～2010》,計算公式見公式(3)。

表1 歸一化值后的漳州生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)體系及其權(quán)重

2 城市生態(tài)水平評價模型

通過引入信息熵，采用基于信息熵的分析方法，獲得城市生態(tài)水平評價的年份信息熵和指標(biāo)信息熵。采用年份信息熵計算城市系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)社會子系統(tǒng)和環(huán)境生態(tài)子系統(tǒng)各自的熵，從而可以分析漳州城市生態(tài)系統(tǒng)的有序以及復(fù)雜性；采用指標(biāo)信息熵確定各個指標(biāo)的權(quán)重，再結(jié)合各個指標(biāo)的歸一化值，得到綜合評估得分值，作為評估城市可持續(xù)發(fā)展水平的指數(shù)值，確定系統(tǒng)的發(fā)展度和協(xié)調(diào)度，進(jìn)而評估系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和健康程度。

2.1 信息熵在城市生態(tài)系統(tǒng)中的引入

城市生態(tài)系統(tǒng)是一個經(jīng)濟(jì)—社會—自然復(fù)合系統(tǒng)，在外部擾動和內(nèi)部漲落的影響下發(fā)生演替和變化，完全符合耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的預(yù)定假設(shè)[6]，并遵循耗散結(jié)構(gòu)的規(guī)律，通過研究信息熵(包括熵流和熵產(chǎn)生)能評判其有序發(fā)展情況。

申農(nóng)定義的熵為廣義熵或泛熵，可用來描述任何一種體系或物質(zhì)運動的混亂度和無序度。信息熵的引入，可以定量判斷城市生態(tài)系統(tǒng)的演化方向[6]。

根據(jù) Shannon 的信息熵計算方法，對于一個不確定性系統(tǒng)，若用隨機(jī)變量X 表示其狀態(tài)特征，設(shè)x 的取值為X{x1，x2，…，xn}(n≥2)，每一取值對應(yīng)的概率為 P={ p1，p2，…，pn}( 0 ≤pi≤1，i=1，2，…，n )，且有∑pi=1，則該系統(tǒng)的信息熵為：

2.2 指標(biāo)的無量綱化

各指標(biāo)因子的數(shù)值是城市生態(tài)水平評價的基礎(chǔ)，這些指標(biāo)有正有逆，數(shù)值有大有小，不便于比較，需要進(jìn)行無量綱化處理，本文采用直線型處理方法，其計算公式為：

式中：xij——指標(biāo)i 的原始值，j 為年份；Xij——指標(biāo)i的歸一化值；max (xij)、min (xij)——指標(biāo)i 的年份最大、最小值。

2.3 信息熵變計算

城市生態(tài)系統(tǒng)年份信息熵變的計算是針對一個年份的序列來進(jìn)行的。對于n 個指標(biāo)m 年進(jìn)行評價，Xij(i 為指標(biāo)，j為年份) 為原始數(shù)據(jù)的歸一化值，其年份信息熵為[7]：

2.4 模型指數(shù)計算

綜合發(fā)展度T 利用線性加權(quán)的方式計算；協(xié)調(diào)發(fā)展度D利用數(shù)學(xué)原理和離差分析原理計算[8]。

具體的計算步驟如下：

①權(quán)重計算

用信息熵來確定指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)客觀原始數(shù)據(jù)信息的聯(lián)系強(qiáng)度或各指標(biāo)所提供的信息量來決定指標(biāo)權(quán)重值，可以避免因經(jīng)驗賦值的差異，而使分析結(jié)果不穩(wěn)定。

若指標(biāo)值差距大，則該指標(biāo)在綜合評價中所起作用也就越大，反之就越??；若某項指標(biāo)的指標(biāo)值全部相等，則該指標(biāo)在綜合評價中不起作用。某項指標(biāo)的指標(biāo)值離散程度越大，則Sj就越小，該指標(biāo)所提供的信息量也就越大，故其權(quán)重也應(yīng)越大；反之，指標(biāo)間離散程度越小，信息熵就越大，其容納的信息量也相應(yīng)越小，權(quán)重理應(yīng)越小[7]。

②綜合發(fā)展度

發(fā)展度用T 表示，其數(shù)學(xué)模型為：

綜合發(fā)展度是環(huán)境生態(tài)與經(jīng)濟(jì)社會效益的綜合評價指數(shù)，它反映環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的整體效益或水平。

③協(xié)調(diào)發(fā)展度分析

用D 表示，其值在0～1，數(shù)學(xué)模型為：

協(xié)調(diào)發(fā)展度是度量系統(tǒng)要素之間協(xié)調(diào)狀況好壞程度的定量指標(biāo)，可以評價環(huán)境生態(tài)與經(jīng)濟(jì)社會子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)發(fā)展水平的高低。

3 結(jié)果分析

3.1 信息熵分析

根據(jù)漳州市2002 年～2009 年的統(tǒng)計資料，利用公式(2) 和(3)，計算漳州城市生態(tài)系統(tǒng)的各熵值于表2?？梢钥闯?，2002 年～2009 年經(jīng)濟(jì)社會子系統(tǒng)熵、環(huán)境生態(tài)子系統(tǒng)熵總體上均呈現(xiàn)下降趨勢，但形式有所不同。經(jīng)濟(jì)社會子系統(tǒng)熵在2002～2008 年處于下降趨勢，只在2009 年比上年度略有上升，說明漳州市的經(jīng)濟(jì)保持著平穩(wěn)的增長；而生態(tài)功能熵的變化雖然總體趨勢良好，但較不穩(wěn)定，主要體現(xiàn)在2003 年、2008 年分別出現(xiàn)比上年度略為上升的現(xiàn)象，分析具體指標(biāo)體系可知，2003 年主要因城市生活污水集中處理率低、城鎮(zhèn)人均公共綠地面積少及COD 排放強(qiáng)度大等原因所致，2008 年主要為環(huán)保投資占GDP 的比重較小、SO2排放強(qiáng)度較大所致。

表2 漳州生態(tài)系統(tǒng)熵值及生態(tài)水平計算結(jié)果

總體來說，漳州城市生態(tài)系統(tǒng)總熵變是向著健康、有序的方向發(fā)展。2003 年、2008 年因環(huán)境生態(tài)子系統(tǒng)熵的變化而引起熵值的略微上升，說明在城市系統(tǒng)發(fā)展過程中，環(huán)境生態(tài)功能因子起到至關(guān)重要的作用，它是系統(tǒng)活力、有序的保證。因此應(yīng)通過對生態(tài)環(huán)境的控制，增強(qiáng)其對經(jīng)濟(jì)的輻射作用，提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生態(tài)效率；同時要提升對自然資源使用的效率，維護(hù)系統(tǒng)的生態(tài)安全。

3.2 綜合發(fā)展水平分析

根據(jù)式(5) ～ (6) 計算綜合發(fā)展度、協(xié)調(diào)發(fā)展度，并根據(jù)文獻(xiàn)[9]中對協(xié)調(diào)發(fā)展等級的度量標(biāo)準(zhǔn)，對本文協(xié)調(diào)發(fā)展度計算結(jié)果進(jìn)行劃分，得到漳州市2002 年～2009 年經(jīng)濟(jì)社會與環(huán)境生態(tài)兩個子系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r的評價結(jié)果，如表2 所示。

2002 年～2009 年，漳州市的生態(tài)綜合發(fā)展水平一直處于上升狀態(tài)，由2002 年的0.460 上升到2009 年的0.929；除了環(huán)境生態(tài)子系統(tǒng)的發(fā)展水平略有波動外，各子系統(tǒng)的發(fā)展水平也一直處于上升趨勢。

2002 年～2009 年，漳州市的社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與環(huán)境生態(tài)子系統(tǒng)之間都處于較協(xié)調(diào)的狀態(tài)。協(xié)調(diào)發(fā)展度由2002 年的0.658 上升到2009 年的0.959；協(xié)調(diào)類型由2002 年的初級轉(zhuǎn)化成2009 年的優(yōu)質(zhì)（其中在2004 年由初級轉(zhuǎn)化為中級，在2005 年由中級轉(zhuǎn)化成良好，在2008 年轉(zhuǎn)化成為優(yōu)質(zhì)）。

4 結(jié)論

4.1 漳州市城市生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)社會子系統(tǒng)熵、環(huán)境生態(tài)子系統(tǒng)熵和城市生態(tài)系統(tǒng)總熵均呈現(xiàn)出下降趨勢，系統(tǒng)的有序度不斷增強(qiáng)，漳州城市生態(tài)的健康水平不斷提高。

4.2 漳州市環(huán)境生態(tài)與經(jīng)濟(jì)社會效益不斷提高，協(xié)調(diào)能力不斷增強(qiáng)，從2002 年開始，始終保持協(xié)調(diào)發(fā)展水平，并在2008年達(dá)到了優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，可見漳州除了有良好的生態(tài)本底之外，在取得經(jīng)濟(jì)社會效益的同時，也更進(jìn)一步加強(qiáng)對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，同時良好的生態(tài)環(huán)境反過來對經(jīng)濟(jì)起到很好的支撐作用。

4.3 耗散結(jié)構(gòu)和信息熵理論用于生態(tài)水平評價是可行的，得到結(jié)果能夠反映漳州市整體生態(tài)水平的發(fā)展?fàn)顩r，與實際情況較為一致，對漳州生態(tài)市建設(shè)有一定的指導(dǎo)作用。

4.4 生態(tài)市指標(biāo)體系是生態(tài)城市內(nèi)涵的定量化表征，在國家生態(tài)市建設(shè)指標(biāo)體系的框架下，如何根據(jù)漳州市的實際情況進(jìn)一步深化制定漳州生態(tài)市的指標(biāo)體系，有待進(jìn)一步研究。

5 建議

5.1 切實加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)的投入力度，將生態(tài)建設(shè)資金列入本級預(yù)算。

5.2 強(qiáng)化工業(yè)污染防治，積極采取結(jié)構(gòu)減排、工程減排、管理減排等措施，有效控制污染物排放總量。

5.3 深化城市環(huán)境綜合治理，擴(kuò)建、增建城鎮(zhèn)污水處理廠，進(jìn)一步完善配套污水管網(wǎng)及提升泵站，提高生活污水集中處理率。

5.4 扎實推進(jìn)農(nóng)村環(huán)境連片綜合整治，切實抓好“以獎促治”、“以獎代補”政策全面落實，改善農(nóng)村人居環(huán)境，提升農(nóng)村生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

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