基于分形理論的遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究*

王 耕，蘇柏靈，王嘉麗，王方雄，侯英姿

（1．遼寧師范大學(xué)海洋經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展研究中心 大連 116029；2．遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院 大連 116029）

基于分形理論的遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究*

王 耕1，2，蘇柏靈2，王嘉麗2，王方雄2，侯英姿2

（1．遼寧師范大學(xué)海洋經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展研究中心 大連 116029；2．遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院 大連 116029）

針對(duì)城市生態(tài)安全復(fù)合系統(tǒng)特征，將分形方法引入城市生態(tài)安全系統(tǒng)研究中，通過對(duì)城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型的推導(dǎo)，確定了其在空間的分形特征，并以遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶為例，構(gòu)建生態(tài)安全指標(biāo)體系，運(yùn)用分形理論計(jì)算了遼寧沿海城市生態(tài)安全指數(shù)。研究表明，ln N（r）與lnr直線擬合的斜率就是生態(tài)安全分維數(shù)，對(duì)比分形的自相似性基本特征，分析了2002—2011年以來遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)安全的空間變化：除盤錦市一直保持安全狀態(tài)以外，其他市區(qū)生態(tài)安全程度均有不同變化，生態(tài)安全分維數(shù)變化量在0．061 5～0．168 3，安全預(yù)警狀態(tài)集中于大連市和葫蘆島市。研究結(jié)果與實(shí)際考察情況基本吻合，說明研究方法具有科學(xué)性，結(jié)論可為該區(qū)域的生態(tài)安全維護(hù)提供相應(yīng)策略，為沿海經(jīng)濟(jì)帶規(guī)劃提供參考。

分形理論；遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶；生態(tài)安全；評(píng)價(jià)

隨著人地 （海）關(guān)系矛盾日趨尖銳，和諧海洋建設(shè)面臨著諸多安全問題與挑戰(zhàn)，尤其是2010年大連新港“7·16”事件，堪稱中國海上溢油事故之最，令人膽寒的生態(tài)災(zāi)難再次敲響了海岸帶生態(tài)安全警鐘。遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶是我國東北地區(qū)對(duì)外開放的前沿地帶，其生態(tài)安全對(duì)于實(shí)施振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略有著關(guān)鍵性的作用，對(duì)于維護(hù)整個(gè)遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶的政治安全、經(jīng)濟(jì)安全乃至軍事安全，都有著不可估量的價(jià)值。生態(tài)安全作為生態(tài)學(xué)、資源和環(huán)境科學(xué)、地學(xué)的前沿任務(wù)和主要的研究領(lǐng)域，近些年來許多國內(nèi)外學(xué)者從理論到方法上對(duì)生態(tài)安全進(jìn)行了研究［1－4］。目前對(duì)于生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究的方法有很多，如層次分析法［5］、熵值法［6］、特爾菲和模糊數(shù)學(xué)方法等［7－8］。由于城市生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)開放的系統(tǒng)，系統(tǒng)具有耗散性、隨機(jī)性和非線性的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致了城市生態(tài)系統(tǒng)自相似的多重分形結(jié)構(gòu)。本研究試圖運(yùn)用分形理論，用分維數(shù)表征城市生態(tài)安全演變復(fù)雜性的度量標(biāo)準(zhǔn)，以期準(zhǔn)確掌握城市生態(tài)安全演變趨勢(shì)，正確地判斷城市可持續(xù)發(fā)展的宏觀模式，為遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶的開發(fā)建設(shè)提供有力的理論和技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)城市整體效益的最大化。

1 研究區(qū)概況

遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶地處環(huán)渤海地區(qū)的核心位置和東北亞經(jīng)濟(jì)圈的關(guān)鍵地帶，涵蓋了大連、丹東、錦州、營口、盤錦和葫蘆島六個(gè)沿海城市，土地面積占全省的1／4，人口占1／3，地區(qū)生產(chǎn)總值占近1／2，資源稟賦較為優(yōu)良，工業(yè)實(shí)力較為雄厚，交通體系較為發(fā)達(dá)。遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶是東北地區(qū)的主要出?？诤蛯?duì)外開放的重要門戶，2009年遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶的開發(fā)已經(jīng)被列為國家重點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目，在開發(fā)中城市的生態(tài)安全問題為人們所關(guān)注。

2 生態(tài)安全分形理論

2.1 生態(tài)安全自組織特征

生態(tài)安全的研究對(duì)象——人與環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)是一個(gè)具有一定空間地域的動(dòng)態(tài)的開放系統(tǒng)，它必然會(huì)受到諸多因素的影響，這些因素不斷地與參與系統(tǒng)內(nèi)外能量、物質(zhì)與信息的交換，因此生態(tài)安全狀態(tài)與影響因素之間存在著相互制約、相互推動(dòng)的非線性關(guān)系。城市生態(tài)系統(tǒng)在外界影響下會(huì)產(chǎn)生無數(shù)個(gè) “小漲落”，當(dāng)漲落影響達(dá)到一定程度時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生 “巨漲落”，從當(dāng)前的狀態(tài)躍到更有序的狀態(tài)，從而不斷地向前發(fā)展，或者向著極端不穩(wěn)定的安全狀態(tài)，造成系統(tǒng)的混亂狀態(tài)，從而使系統(tǒng)受到損害。根據(jù)組織理論，生態(tài)安全既可能是自組織的，也可能是被組織的，或是兩者兼而有之。生態(tài)安全自組織可能有兩種發(fā)展形式：一種是非組織的向組織的有序發(fā)展過程，其本質(zhì)是組織程度從相對(duì)較低到相對(duì)較高演化——人與自然環(huán)境可持續(xù)發(fā)展程度越來越高；另一種則是維持相同組織層次，但復(fù)雜性相對(duì)增長。前一種過程反映了復(fù)合系統(tǒng)組織層次躍升過程；后一種過程則標(biāo)志著復(fù)合系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)與功能從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的組織水平的提高——系統(tǒng)建設(shè)與響應(yīng)控制能力相對(duì)增強(qiáng)［9］。按照協(xié)同學(xué)的觀點(diǎn)，上述兩種發(fā)展形式都是從原有的混沌無序狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時(shí)間、空間或功能上的有序狀態(tài)的過程。因此，把握好城市生態(tài)安全演變趨勢(shì)，正確判斷影響因素之間的驅(qū)動(dòng)關(guān)系，對(duì)于維護(hù)生態(tài)安全，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧、經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的生態(tài)型城市目標(biāo)，具有十分重要的意義。

2.2 分形維數(shù)計(jì)算方法

在非線性理論中，由于分形理論中的分維、Lyapunov常數(shù)等指標(biāo)是刻畫非線性系統(tǒng)本質(zhì)的特征變量，因此用分形理論來研究生態(tài)安全，才能考慮事物的疊加可能導(dǎo)致的耦合作用或突變。分形理論（B．B．Mandelbrot．Fractal Geornetry of Nature．W．H．Freedom，1982）是由美籍法國數(shù)學(xué)家曼得爾布羅特（B．B．Manderlbrot）于20世紀(jì)70年代創(chuàng)立，用以解決非線性環(huán)境中一些隨機(jī)分布的現(xiàn)象問題。所謂分形 （fractal）［10］，原意為破碎和不規(guī)則，用以指代那些與整體以某種方式相似的部分組成的一類形體。分形的基本特征是自相似性（self-similarity）。分形理論已在地理學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用［11］。

分形維數(shù)（fractal dimension簡(jiǎn)稱分維）是描述分形特征的參數(shù)，分維又叫分維數(shù) （fractional dimension），它是整數(shù)維的一種［12］。從分形機(jī)理描述的不同層次、方面，人們給出了多種分維的定義，其中最有代表性的是Hausdorff維數(shù)［13］。

設(shè)U?En是一個(gè)非空集合，稱是集合U的直徑。如果對(duì)每個(gè)j，有存在，稱｛Uj｝ 是集合X的δ－覆蓋。

設(shè)X?E是一個(gè)非空集合，｛Uj｝是X的δ－覆蓋，D＞0是一個(gè)實(shí)數(shù) （一般為有理數(shù)），定義：

如果δ小于兩個(gè)完全可分離的集合E和F的距離，則有：

為了減小誤差，只有將覆蓋加細(xì)，即讓?duì)摹?，由式 （1）得：

與式 （2）類似，有：稱KD（X）為集合X的Hausdorff D維測(cè)度，稱使KD（X）＜∞的D為Hausdorff維數(shù)。表示δ－覆蓋 ｛Uj｝ 的個(gè)數(shù)，于是1909年引進(jìn)如下維數(shù)［14］：

式（5）中，D為Hausdorff維數(shù)，表明D是圖lg N（δ）－lgδ中擬合直線的斜率。

3 生態(tài)安全指標(biāo)體系構(gòu)建

依據(jù)遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶城市的特點(diǎn)與該區(qū)域的實(shí)際情況，并參考國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于生態(tài)安全指標(biāo)體系的研究結(jié)果，建立了一套適用于該研究區(qū)域的生態(tài)安全指標(biāo)體系 （圖1）。指標(biāo)體系由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個(gè)層次構(gòu)成。目標(biāo)層即城市生態(tài)安全系數(shù)；準(zhǔn)則層包括3個(gè)，即社會(huì)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和資源環(huán)境指標(biāo)；指標(biāo)層包含21個(gè)指標(biāo)，即評(píng)價(jià)因素的表達(dá)。

4 生態(tài)安全分形維數(shù)計(jì)算

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

計(jì)算區(qū)域生態(tài)安全指數(shù)，首先要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，本研究運(yùn)用線性插值法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行無量綱處理。將生態(tài)安全指標(biāo)劃分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)，正向指標(biāo)值越大越好，逆向指標(biāo)值越小越好。Pij為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值，Xij為某一參評(píng)因子的原始值，Xmin為該參評(píng)因子的最小值，Xmax為該參評(píng)因子的最大值。

遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶城市生態(tài)安全指標(biāo)Pij依式（6）和式（7）標(biāo)準(zhǔn)化為1～100之間。

4.2 生態(tài)安全指數(shù)計(jì)算

把21個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化之后的指標(biāo)Pij作為N維空間中各坐標(biāo)上的點(diǎn)，由此得到的所有點(diǎn)構(gòu)成的N維歐式空間中的一個(gè)子集，并且定義這些點(diǎn)到原點(diǎn)的距離為dij，任意給定一個(gè)半徑r，以原點(diǎn)為球心，r為半徑作球，這樣dij＜r的N（r）個(gè)點(diǎn)都位于球內(nèi)，再改變r(jià)值，直到r＝R時(shí)，球恰好包含所有點(diǎn)，半徑為r的球內(nèi)的點(diǎn)數(shù)N（r）的表達(dá)式如下：

其中H（x）是Heaviside函數(shù)。N（r）隨著r的增大而增大。當(dāng)r趨近于R時(shí)，N（r）趨近于21；當(dāng)r過小時(shí)，N（r）趨近于0；當(dāng)r位于適當(dāng)空間，N（r）隨著r的變化呈現(xiàn)冪函數(shù)時(shí)，子集具有分形的特性，其分形位數(shù)D＝ln N（r）／ln r。計(jì)算求得生態(tài)安全系數(shù)的ln N（r）和ln r對(duì)應(yīng)表（表1）。

對(duì)ln N（r）－ln r進(jìn)行直線擬合，利用最小二乘法求出分維數(shù)。擬合直線的斜率就是分維數(shù)，它反映了指標(biāo)點(diǎn)在空間的分布情況，它代表了一個(gè)地區(qū)的生態(tài)安全指數(shù)。分布在距離原點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方的點(diǎn)，代表生態(tài)安全指數(shù)比較大；分布在距離原點(diǎn)比較近的地方的點(diǎn)，代表著生態(tài)安全指數(shù)比較小。不同地區(qū)的擬合直線逐步上升最終趨近于［ln r，ln N（r）］點(diǎn)，由此可知，斜率愈小，生態(tài)安全狀況越好。2002－2011年遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶各城市l(wèi)n N（r）－ln r擬合求得生態(tài)安全指數(shù)如表2，擬合圖如圖2所示。

5 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

5.1 城市生態(tài)安全指數(shù)

由表2可知，遼寧省沿海經(jīng)濟(jì)帶城市生態(tài)安全指數(shù)大范圍在0～0．35之間，這說明研究區(qū)生態(tài)安全指數(shù)存在差異，并且各縣市空間變幅不同。從研究時(shí)段來看，大連市生態(tài)安全指數(shù)從2002年起點(diǎn)就比其他城市高，其生態(tài)安全狀況就比其他城市略微嚴(yán)重，2005年達(dá)最高，之后有所下降，直到2011年，其生態(tài)安全狀態(tài)得到很好的改善，生態(tài)安全指數(shù)為0．140 2，相對(duì)于十年平均值降低了43．34%；丹東市城市生態(tài)安全指數(shù)比較穩(wěn)定，但是在2011年時(shí)，數(shù)值陡然上升，比均值升高了23．29%；盤錦市生態(tài)安全指數(shù)在六個(gè)城市中居于中間地位，大體上波動(dòng)不大；營口市生態(tài)安全指數(shù)在0．05～0．15之間，屬于生態(tài)安全指數(shù)偏低的城市，證明其生態(tài)安全狀態(tài)良好；盤錦市生態(tài)安全指數(shù)在六個(gè)城市中是最低的，也就是說盤錦市的生態(tài)安全狀況相對(duì)于其他城市來說最好；葫蘆島市是從錦州市分離出去的，因此在初期生態(tài)安全狀況不好，在0．18～0．23之間，經(jīng)過幾年的努力，情況明顯好轉(zhuǎn)，到2011年葫蘆島市的生態(tài)安全指數(shù)處于0．15以下。

5.2 城市生態(tài)安全度

根據(jù)生態(tài)安全指數(shù)，人們很難對(duì)生態(tài)安全程度進(jìn)行直觀判斷，需要對(duì)安全指數(shù)進(jìn)行分級(jí)。根據(jù)分形理論的特點(diǎn)，生態(tài)安全指數(shù)越大越不安全，反之，越小越安全。在參考其他文獻(xiàn)的基礎(chǔ)之上［16］，綜合本區(qū)域的實(shí)際情況，將生態(tài)安全指數(shù)劃分四個(gè)等級(jí)，即安全 （生態(tài)安全指數(shù)≤0．1）；較安全 （0．1＜生態(tài)安全指數(shù)≤0．2）；臨界安全 （0．2＜生態(tài)安全指數(shù)≤0．3）；不安全（生態(tài)安全指數(shù)＞0．3）。2002年盤錦市、營口市處于安全區(qū)，丹東市處臨界安全狀態(tài)，其他4個(gè)城市比較安全；2007年錦州市上升為安全區(qū)，營口市下降為較安全區(qū)，大連市和葫蘆島市為不安全區(qū)；2011年安盤錦市仍為安全區(qū)，錦州市、營口市和丹東市為較安全區(qū)，葫蘆島區(qū)為臨界安全區(qū)，大連市為不安全區(qū)。

6 結(jié)論

城市生態(tài)安全演變過程在空間布局上呈現(xiàn)出分形結(jié)構(gòu)。文章主要針對(duì)遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶近十年來生態(tài)安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合該區(qū)域?qū)嶋H情況和沿海城市的特點(diǎn)，建立適合該研究區(qū)域的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用分形理論對(duì)該區(qū)域進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)。通過考察遼寧省各個(gè)沿海城市的實(shí)際情況以及各城市發(fā)布的各種數(shù)據(jù)與材料，證明本研究結(jié)果可用，并能夠推廣應(yīng)用到其他地區(qū)或城市，但如何能夠使分形理論更好地與城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)理論相結(jié)合，還需要進(jìn)一步研究。

近十年來，遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶的城市生態(tài)安全狀況發(fā)生了較大變化：從全區(qū)來看，除盤錦市一直保持安全狀態(tài)以外，其他市區(qū)生態(tài)安全程度均有所不同變化，生態(tài)安全分維數(shù)變化量在0．061 5～0．168 3，安全預(yù)警狀態(tài)集中于大連市和葫蘆島市。促使生態(tài)安全狀況變化的主要驅(qū)動(dòng)因子主要是人類活動(dòng)，由于人類盲目地追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展和快速城市化，快速增長的人口對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境造成壓力，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成脅迫，進(jìn)而導(dǎo)致水資源、土地資源以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)對(duì)沿海城市生態(tài)安全造成威脅，使研究區(qū)生態(tài)安全處于不安全、臨界狀態(tài)。為了緩解安全脅迫問題，保護(hù)脆弱的城市人居環(huán)境安全應(yīng)成為城市發(fā)展中的重中之重。

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