基于Fuzzy與熵權(quán)法的南通城市生態(tài)安全評價(jià)與預(yù)測研究

胡秀芳,查書平,魯 鳳,王曉峰,楊 楠

(1.江蘇南通大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,江蘇 南通 226007)(2.長安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院,陜西 西安 710054)(3.中國科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085)

近年來,生態(tài)安全的相關(guān)研究日益增多,主要針對生態(tài)安全內(nèi)涵探討、區(qū)域生態(tài)安全建設(shè)與管理、生態(tài)安全的戰(zhàn)略地位與重要意義、生態(tài)安全監(jiān)測技術(shù)與評價(jià)方法、指標(biāo)體系與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立等[1-9].城市生態(tài)系統(tǒng)相對于自然生態(tài)系統(tǒng)具有高能耗物耗、高環(huán)境污染、低自然資源儲備的特點(diǎn),具有一定的脆弱性和不穩(wěn)定性.城市生態(tài)安全是一個(gè)國家或區(qū)域生態(tài)安全的基礎(chǔ)和核心.但是目前相關(guān)研究較少,主要集中在資源型城市,還沒有提出完整統(tǒng)一的城市生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、可定量化指標(biāo)及相應(yīng)評價(jià)模型[10].

文中以沿江沿海的南通市為研究對象,基于壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(Pressure-State-Response,PSR)概念模型,構(gòu)建南通城市生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系,運(yùn)用熵權(quán)法和Fuzzy方法,對1999～2008年南通城市生態(tài)安全狀況進(jìn)行綜合診斷評價(jià),并運(yùn)用逐步回歸分析法構(gòu)建預(yù)測模型,對南通2009年的生態(tài)安全等級進(jìn)行驗(yàn)證.

1 研究方法

1.1 評價(jià)模型

20世紀(jì)90年代聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)合作開發(fā)署建立了PSR模型[11],并在區(qū)域生態(tài)安全評價(jià)中得到廣泛應(yīng)用.該模型從社會經(jīng)濟(jì)與環(huán)境有機(jī)統(tǒng)一的觀點(diǎn)出發(fā),能精確地反映生態(tài)系統(tǒng)安全的自然、經(jīng)濟(jì)和社會因素之間的關(guān)系,為生態(tài)安全指標(biāo)構(gòu)造提供了一種邏輯基礎(chǔ),被廣泛接受.

1.2 評價(jià)方法

城市生態(tài)安全評價(jià)方法由初期的定性描述發(fā)展為現(xiàn)今的定量模型分析,主要的方法有模糊綜合法[12]、灰色關(guān)聯(lián)法[13]、物元評判法[14]、突變級數(shù)法[15]、景觀分析法[16]、生態(tài)足跡法[17]、空間統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[18]等.

由于安全概念本身具有模糊特性,因此,文中采用模糊綜合法進(jìn)行評價(jià).在模糊評價(jià)中,隸屬函數(shù)的建立是關(guān)鍵所在.該項(xiàng)研究采用升半梯形隸屬函數(shù),將安全等級分為5級.因?yàn)樗x的生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)具有正、負(fù)作用,所以隸屬函數(shù)分為正、負(fù)隸屬函數(shù).正作用指標(biāo)的隸屬函數(shù)公式如下(負(fù)作用指標(biāo)的隸屬函數(shù)略):

(1)

1.3 指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算方法

模糊綜合評價(jià)中指標(biāo)權(quán)重是非常重要的一個(gè)因素,它將關(guān)系到評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性.選擇熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重.熵反映了各指標(biāo)在研究問題中提供有效信息的多寡程度.在各評價(jià)指標(biāo)值確定的情況下反映了各指標(biāo)在競爭意義上的相對激烈程度,可用于度量數(shù)據(jù)所提供的有效信息程度和確定權(quán)重[19].如果某個(gè)指標(biāo)的信息熵Hi越小,就表明其指標(biāo)值的變異程度越大,提供各個(gè)指標(biāo)值的變異程度,利用熵來計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重[20].

2 南通城市生態(tài)安全模糊評價(jià)

2.1 研究區(qū)概述

南通地處江蘇東南部、長江入?？诒卑?東瀕黃海,南倚長江,呈瀕江臨?！鞍雿u型”的港城格局.地處沿海經(jīng)濟(jì)帶與長江經(jīng)濟(jì)帶T型結(jié)構(gòu)的交匯點(diǎn)，同時(shí),南通港已躋身全國沿海十大港口之列,成為國家樞紐港和上海國際航運(yùn)中心組合港北翼的主要港口之一.

“十一五”前4年,南通經(jīng)濟(jì)發(fā)展以平均14.8%的速度位列江蘇第一.地區(qū)生產(chǎn)總值在全國地級市中排名第8,江蘇可持續(xù)發(fā)展綜合評價(jià)排名第4位.各縣(市)全部進(jìn)入“全國綜合實(shí)力百強(qiáng)縣(市)”行列[21].但是,隨著近年來隨著南通市城市化進(jìn)程的加快,在南通沿海開發(fā)過程中出現(xiàn)了一系列的問題：產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、土地利用功能區(qū)混雜、環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施仍顯薄弱、生態(tài)服務(wù)功能有所退化以及酸雨問題突出等[22].

2.2 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)1999～2008年《南通環(huán)境狀況公報(bào)》、《南通國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》、《南通市統(tǒng)計(jì)年鑒》和《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》以及其他的南通社會發(fā)展情況的資料,整理得到南通市近10年的城市生態(tài)安全評價(jià)的原始數(shù)據(jù).

2.3 評價(jià)過程

2.3.1 評價(jià)指標(biāo)體系、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立與指標(biāo)權(quán)重分配

在對城市生長與發(fā)展的原理和特點(diǎn)進(jìn)行初步分析之后,通過查閱文獻(xiàn),選擇了不同時(shí)期、不同區(qū)域、不同特點(diǎn)的城市生態(tài)安全研究的典型案例,如文獻(xiàn)[18，23-24],借鑒其共有指標(biāo),并依據(jù)南通社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)際對初選指標(biāo)做了篩選和補(bǔ)充,根據(jù)城市生態(tài)安全各相關(guān)部分之間的相互作用、相互影響的關(guān)系構(gòu)筑多層次評價(jià)指標(biāo)體系.最后結(jié)合資料的收集情況,進(jìn)行指標(biāo)篩選,建立評價(jià)體系.

采用模擬模糊方法建立城市生態(tài)安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn).目前,城市生態(tài)安全評價(jià)還沒有專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),這里主要依據(jù)國際、國家、行業(yè)、地方規(guī)定的城市發(fā)展與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),如國家或國際組織頒布執(zhí)行的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、公共衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、各行業(yè)發(fā)布的環(huán)境安全評價(jià)規(guī)范和規(guī)定、各地方政府頒布的規(guī)劃區(qū)目標(biāo)等;研究區(qū)域背景和本地標(biāo)準(zhǔn);類比標(biāo)準(zhǔn),以未受人類嚴(yán)重干擾的生態(tài)安全性高的相似生態(tài)系統(tǒng)作為類比標(biāo)準(zhǔn),參考了文獻(xiàn)[4-18,23-25]關(guān)于城市生態(tài)安全評價(jià)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來制訂南通城市生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系及分級標(biāo)準(zhǔn)(表1).

表1 南通城市生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系及分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Urban eco-security evaluation index systems and classification standard for Nantong

根據(jù)表1搜集整理各年份的原始數(shù)據(jù),然后,對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,計(jì)算各指標(biāo)的信息熵.

第i個(gè)指標(biāo)的熵Hi可定義為:

fijlnfij=0)

(2)

(3)

有了各指標(biāo)的權(quán)重之后,依次計(jì)算各因素、各項(xiàng)目的權(quán)重值,例如:WC1=WD1+WD2+WD3+WD4+WD5,WB1=WC1+WC2+WC3,最終結(jié)果見表2.

表2 南通城市生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 2 Urban eco-security evaluation index weights for Nantong

2.3.2 模糊評價(jià)

1) 單因素評價(jià)

根據(jù)所收集的1999～2008年南通城市生態(tài)安全評價(jià)的相關(guān)原始數(shù)據(jù),依據(jù)模糊隸屬函數(shù)計(jì)算1999～2008年各指標(biāo)對城市生態(tài)安全各等級的隸屬度.以1999年為例,計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的隸屬度,構(gòu)造判斷矩陣R:

2) 一級綜合評價(jià)

根據(jù)上述已經(jīng)確定的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行評價(jià).采取C=W1°R算法計(jì)算.對于綜合評價(jià)而言,M(·,?)較為合適并在實(shí)際中被廣泛采用.所以這里選擇M(·,?)作為評價(jià)計(jì)算的模糊算子.

在該項(xiàng)研究中,由于評價(jià)指標(biāo)較多,所以每個(gè)評價(jià)指標(biāo)相應(yīng)分配的權(quán)重值都很小,大多在0～0.05之間.因此,在初次計(jì)算中,得到的最終評價(jià)結(jié)果很不理想.所以,考慮將評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重都擴(kuò)大10倍,再進(jìn)行綜合評價(jià).計(jì)算過程如下:

C1=(0.327 0.268 0.290 0.345 0.355) °

(0.486 0.745 0.254 0.103 0)

……

C9=(0.283 0.335 0.332)°

3) 二級綜合評價(jià)

B=W2°C

B1=(1.587 0.372 0.712)°

(0.77 ＾1.26 0.46 0.17 0.57)

同理:B2=(＾3.66 0.42 0.59 0.77 0.6)

B3=(1.52 ＾1.78 0.5 0.31 0.58)

從而得到1999年南通壓力B1、狀態(tài)B2、響應(yīng)B33個(gè)項(xiàng)目的生態(tài)安全綜合評價(jià)結(jié)果,其余各年的計(jì)算同理.結(jié)果見表3.

表3 1999～2008年南通城市生態(tài)安全各項(xiàng)目因素評價(jià)結(jié)果表Table 3 Result of urban eco-security projeot factor evaluation for Nantong in 1999～2008

4) 三級綜合評價(jià)

A=W3°B

A=(2.676 3.624 3.7)°

=(20.95 11.49 5.20 4.38 5.84)

5)模糊綜合評價(jià)結(jié)果向量的分析

由于20.95+11.49+5.2+4.38+5.84>10,所以將其進(jìn)行歸一化處理,得到(0.44 0.24 0.11 0.09 0.12).由此得出:南通1999年的生態(tài)安全狀況為極不安全.

這樣的評價(jià)結(jié)果只是1999年南通生態(tài)安全各等級模糊子集的隸屬度,構(gòu)成了一個(gè)模糊向量,而不是一個(gè)點(diǎn)值.若要對南通1999～2008年的城市生態(tài)安全狀況進(jìn)行比較并排序,就需要做進(jìn)一步的單值化處理.給5個(gè)等級(不安全,較不安全,臨界安全,較安全,安全)分別賦以秩次1,2,3,4,5.可得1999年南通生態(tài)安全值為3.04.同理,南通其他各個(gè)年份城市生態(tài)安全程度的模糊綜合評價(jià)結(jié)果見表4.

表4 南通1999～2008年城市生態(tài)安全模糊評價(jià)結(jié)果表Table 4 The result of Urban Eco-security evaluation for Nantong in 1999～2008

2.4 結(jié)果分析

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，將各指標(biāo)和各因素的權(quán)重分配情況繪制成圖1,其中左、右縱軸分別表示指標(biāo)權(quán)重和因素權(quán)重.從圖1分析:在9個(gè)影響因素中,權(quán)重排在前3的因素依次是社會狀態(tài)、資源壓力、經(jīng)濟(jì)響應(yīng).而在31個(gè)具體評價(jià)指標(biāo)中,權(quán)重排在前3的指標(biāo)依次是:城市人口密度、進(jìn)出口總值、高新產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占GDP比重.

圖1 指標(biāo)及因素權(quán)重分配Fig.1 Distribution of index weights and factor weights

根據(jù)表3和表4中的單值數(shù)據(jù)繪制圖2，左縱軸表示壓力、狀態(tài)、響應(yīng)各項(xiàng)目單值，右縱軸表示總評單值,南通城市生態(tài)安全總體狀況在逐年提高，壓力、狀態(tài)、響應(yīng)的變化基本同總體狀況趨同.其中壓力水平變化比較平穩(wěn),只是在2000年、2001年有明顯小幅下降,這主要是由人均耕地面積、人均水資源量、人均道路面積、人均公共綠地面積減小造成的,顯示出土地壓力是制約南通城市生態(tài)安全水平的限制因子；狀態(tài)水平在2000年有明顯小幅下降,主要是由建成區(qū)綠化覆蓋率、空氣質(zhì)量優(yōu)于二級標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)下降造成的；響應(yīng)安全水平在2001～2002年之間有明顯下降,主要是由第三產(chǎn)業(yè)GDP比重、高新產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占GDP比重與每萬人擁有大學(xué)生數(shù)下降造成的.

圖2 1999～2008年南通城市生態(tài)安全等級變化趨勢Fig.2 Urban eco-security levels changing trend of Nantong in 1999～2008

在“十五”和“十一五”期間,南通大力實(shí)施科教興市、以港興城、經(jīng)濟(jì)國際化、城市化戰(zhàn)略;保護(hù)和科學(xué)開發(fā)利用資源,加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)與整治;依靠科技進(jìn)步,發(fā)展清潔產(chǎn)業(yè)和環(huán)保產(chǎn)業(yè),促進(jìn)南通經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、健康發(fā)展.整體上來看,1999～2008年南通城市的生態(tài)安全等級處于從不安全向較安全的過渡,說明南通在城市生態(tài)安全各項(xiàng)建設(shè)和綜合整治已初見成效.

3 評價(jià)預(yù)測模型及結(jié)果檢驗(yàn)

基于已經(jīng)計(jì)算的 1999～2008 年城市生態(tài)安全級別單值(見表4)及相應(yīng)的指標(biāo)值,用上述逐步回歸分析法構(gòu)建的城市生態(tài)安全預(yù)測模型為:

y=-12.752+0.060d4+0.029d12+0.096d13

(4)

式中:y為級別單值;d4為人均道路面積(m2/人);d12為空氣質(zhì)量優(yōu)于二級標(biāo)準(zhǔn)天數(shù);d13為區(qū)域環(huán)境噪聲平均值(dB).

回歸方程及其常數(shù)項(xiàng)、解釋變量的系數(shù)估計(jì)值均達(dá)到較高的顯著性水平.可決系數(shù)R2高達(dá)0.998,說明方程的擬合優(yōu)度較好.

將2009 年的相關(guān)數(shù)據(jù)代入預(yù)測模型得到的級別特征值為 3.355,與模糊綜合評價(jià)法計(jì)算結(jié)果3.493比較,誤差相差很小,兩者基本吻合.說明逐步回歸法建立預(yù)測城市生態(tài)安全模型是科學(xué)的、可行的,也印證上述用模糊綜合評價(jià)法獲得的級別特征值是可靠的.

4 結(jié)論

該項(xiàng)研究中的指標(biāo)體系是在前人城市生態(tài)安全評價(jià)的基礎(chǔ)上,考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性、可靠性、可操作性等,再結(jié)合具體研究區(qū)域的實(shí)際情況構(gòu)建的,但主觀性也不可避免.城市生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系和指標(biāo)量化分級標(biāo)準(zhǔn)還需要更深入的研究,在實(shí)踐中進(jìn)一步校驗(yàn)和修正,以求在理論上有所突破.

同時(shí),城市作為一個(gè)涉及到諸多因素的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),各組分之間的聯(lián)系與相互間的影響反饋?zhàn)饔孟喈?dāng)復(fù)雜,本身就具有動態(tài)、復(fù)雜、不確定等特點(diǎn),用構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的方法去描述、解釋生態(tài)系統(tǒng)各組分之間及其與人類社會之間錯綜復(fù)雜的聯(lián)系,存在著許多的不確定性.如何理清城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各組分及其與人類響應(yīng)之間的聯(lián)系與規(guī)律,尋找具有科學(xué)性、廣泛適用性的評價(jià)方法和數(shù)學(xué)模型,特別是引入其他學(xué)科的新理論與新方法對其進(jìn)行表達(dá),是今后城市生態(tài)安全研究中要解決的主要問題之一.

針對特定城市進(jìn)行生態(tài)安全評價(jià),可以充分了解該城市生態(tài)安全狀況和存在的生態(tài)安全問題,使人們對城市生態(tài)環(huán)境有一個(gè)定性和定量認(rèn)知,更直觀地認(rèn)識到自身所處的生態(tài)環(huán)境狀況,可以科學(xué)地評價(jià)和衡量各種活動對城市的影響及其生態(tài)效應(yīng),從而為實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展提供了一條重要的途徑.

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