基于突變理論的中國東部沿海地區(qū)生態(tài)安全評價研究
——以大連市為例

葛仁東,于成學(xué),蒼露露

(大連民族學(xué)院a.理學(xué)院;b.國際商學(xué)院，遼寧大連 116605)

基于突變理論的中國東部沿海地區(qū)生態(tài)安全評價研究
——以大連市為例

葛仁東a,于成學(xué)b,蒼露露a

(大連民族學(xué)院a.理學(xué)院;b.國際商學(xué)院，遼寧大連 116605)

沿海地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化與不合理的區(qū)域開發(fā)有關(guān)。以驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(D-P -S-I-R)為框架，構(gòu)建指標(biāo)體系;基于突變理論，應(yīng)用方法處理數(shù)據(jù)，選擇生態(tài)環(huán)境問題較突出的大連市為例，識別其自2005年至2012年的生態(tài)安全綜合指數(shù)值，為大連及其他沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)生態(tài)安全提供借鑒和參考。

D-P-S-I-R框架;指標(biāo)體系;突變理論;生態(tài)安全;大連

參照前期研究成果，本文基于突變理論，考慮驅(qū)動力和影響兩個重要因素，應(yīng)用驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(D-P-S-I-R)模型，以構(gòu)建指標(biāo)體系，選擇沿海生態(tài)環(huán)境問題較突出的大連地區(qū)為例，研究大連地區(qū)自2008年至2012年的生態(tài)變化狀況，期望為大連及國內(nèi)其他沿海地區(qū)生態(tài)安全管理提供科學(xué)依據(jù)與參考。

一、研究設(shè)計

1.突變理論基礎(chǔ)模型

突變理論的誕生是以法國數(shù)學(xué)家勒內(nèi)·托姆勒內(nèi)·托姆(Renethom)1972年出版的《結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和形態(tài)發(fā)生學(xué)》一書作為標(biāo)志。托姆將系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的整體性“突躍”稱為突變，其特點(diǎn)是過程連續(xù)而結(jié)果不連續(xù)，是根據(jù)一個系統(tǒng)的勢函數(shù)把它的臨界點(diǎn)分類，研究各臨界點(diǎn)附近非連續(xù)變化之特征，進(jìn)而歸納出若干個初等突變模型多目標(biāo)決策所涉及的四種初等突變模型。尖點(diǎn)突變模型勢函數(shù)的一般表達(dá)式為:f(x)=x4+ux2+vx，就尖點(diǎn)突變模型的勢函數(shù)其狀態(tài)空間為三維的(x，u，v)，它的平衡曲面M和奇點(diǎn)集S分別為:f’(x)= 4x3+2ux+v=0，f’(x)=12x2+2u=0，聯(lián)合求解，得到分歧方程為:8u3+27v2=0;平衡曲面M上的一個尖點(diǎn)褶皺的兩條折痕OF和OG為奇點(diǎn)集S，它在控制空間u，v上的投影OF’和OG’就是分歧集，如圖1和圖2;在平衡曲面上的每一點(diǎn)(x，u，v)都表示系統(tǒng)在綜合作用下的某一狀態(tài)。由折痕OF和OG可以把M分為上葉、中葉和下葉，當(dāng)控制變量u，v符合分歧方程關(guān)系時，系統(tǒng)的質(zhì)態(tài)發(fā)生根本性突變，勢函數(shù)的值將越過中葉在上葉和下葉之間突跳，如圖1，圖2。

圖1 尖點(diǎn)突變的平衡曲面

圖2 尖點(diǎn)突變的分歧集

其他一維狀態(tài)變量的突變模型表達(dá)式見表1。

表1 一維狀態(tài)變量的突變模型勢函數(shù)和歸一公式

突變理論用于系統(tǒng)綜合評價時的主要步驟參見文獻(xiàn)[17-18]。

2.DPSIR模型與指標(biāo)體系構(gòu)建

由于城市社會、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，不可能統(tǒng)一規(guī)定所有的指標(biāo)。因此，本文在借鑒已有研究成果的基礎(chǔ)上，將驅(qū)動力和影響兩個重要變量應(yīng)用到P-S-R模型中，從各子系統(tǒng)中選擇有代表性、易量化的指標(biāo)做定性與定量相結(jié)合的分析。針對中國東部沿海地區(qū)的人口社會資源和環(huán)境態(tài)勢，根據(jù)城市現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)、技術(shù)開發(fā)條件下城市規(guī)劃發(fā)展對自然生態(tài)環(huán)境和生活質(zhì)量可能產(chǎn)生的影響，建立驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(D-P-S-I-R)評價模型，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計19個指標(biāo)，5個因素層，構(gòu)建沿海生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，見表2。

表2 沿海地區(qū)生態(tài)安全評價指標(biāo)體系

二、實(shí)例分析

本研究以大連地區(qū)為例，分別查閱了2005年到2012年的《大連市統(tǒng)計年鑒》，搜集整理了社會經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、能源、環(huán)保、海洋等方面的數(shù)據(jù)，根據(jù)所建立的指標(biāo)體系框架，運(yùn)用無量綱化方法處理數(shù)據(jù)、應(yīng)用突變理論進(jìn)行分析計算，從而得到大連市生態(tài)安全評價指數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對大連地區(qū)生態(tài)安全進(jìn)行綜合評價。

1.數(shù)據(jù)的無量綱化處理

在歸一公式中，控制變量a、b、c、d表征的是狀態(tài)變量x的不同特征，其原始數(shù)據(jù)取值范圍和度量單位各不相同。在使用歸一公式之前，應(yīng)依據(jù)突變理論綜合評判的要求，將突變理論與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合，利用公式將控制變量的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到0～1范圍內(nèi)的無量綱可比較數(shù)，即

xij為底層指標(biāo)的賦值，為規(guī)范化處理之后的指標(biāo)值;i，j表示第i個項(xiàng)目、第j個指標(biāo)。式(1)適用于值越大，綜合評價值越高的指標(biāo)，即正向指標(biāo)，如人均GDP;式(2)適用于值越大，綜合評價值越低的指標(biāo)，即逆向指標(biāo)，如工業(yè)廢水排放量。指標(biāo)層的無量化數(shù)值見表3。

表3 指標(biāo)層無量綱化數(shù)值表

2.熵值法確定權(quán)重

熵值反映了信息無序化程度，其值越小，系統(tǒng)無序度越小，所以采用信息熵評價所獲系統(tǒng)信息的有序度及其效用。由評價指標(biāo)值構(gòu)成的判斷矩陣來確定指標(biāo)權(quán)重，它能盡量消除各指標(biāo)權(quán)重計算的人為干擾，使評價結(jié)果更接近實(shí)際，其計算步驟如下:

根據(jù)熵理論，定義m個評價事物n個評價指標(biāo)的熵值，其中m為規(guī)劃年限，m值為2005～2012年，m為8，n為生態(tài)安全評價指標(biāo)個數(shù)，n為19，可以由下面公式確定評價指標(biāo)的熵

i=1，2，…，n;j=1，2，…，m

式中:ei為第i項(xiàng)指標(biāo)的信息熵值;fij為標(biāo)準(zhǔn)化值;bij為運(yùn)用上式(1)或式(2)指標(biāo)無量綱化值.利用熵值法估算各指標(biāo)的權(quán)重，其本質(zhì)是利用該指標(biāo)信息的價值系數(shù)來計算，其價值系數(shù)越高，對評價的重要性就越大.最后可以得到第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重:

依據(jù)上述方法依次求出各指標(biāo)值的權(quán)重大小，見表4。

表4 指標(biāo)層所占權(quán)重

由指標(biāo)層所占權(quán)重數(shù)據(jù)向上疊加得到因素層的權(quán)重表，見表5。

表5 B1-B5的權(quán)重系數(shù)表

3.數(shù)據(jù)的歸一化處理

根據(jù)突變理論歸一化公式，按C1～C19的權(quán)重，計算各年份屬于不同因素層的各指標(biāo)的歸一值，作者認(rèn)為指標(biāo)C1～C4，C5～C8，C9～C12互不相關(guān)，而指標(biāo)C13～C16，C17～C19，B1～B5相互關(guān)聯(lián)，根據(jù)突變級數(shù)法的準(zhǔn)則，對非互補(bǔ)的指標(biāo)采用“大中取小”進(jìn)行遞歸處理，對互補(bǔ)的指標(biāo)，則采用各控制變量的歸一值平均數(shù)進(jìn)行遞歸處理;考慮到因素層的相互關(guān)系，按取平均數(shù)的原則求得大連市2005～2012年生態(tài)安全突變級數(shù)綜合評價指數(shù)，見表6，依據(jù)生態(tài)安全等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，見表7，判別大連市自2005年至2012年的生態(tài)安全狀況。

表6 因素層突變級數(shù)生態(tài)安全綜合評價指數(shù)表

從上表可知，大連市2005年到2012年生態(tài)安全等級為:

表8 大連市生態(tài)安全等級劃分

從表8中可以看出，2005年大連市的生態(tài)環(huán)境最不安全，2008年和2010、2010年至2011年較安全，2006年、2007年、2009年和2012年處于臨界安全狀態(tài)。

三、結(jié) 論

東部沿海生態(tài)安全狀況一直是政府關(guān)注的重點(diǎn)，也是學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本研究以東部沿海生態(tài)環(huán)境問題較為嚴(yán)重的大連地區(qū)為例，在D-P-S-I-R框架模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了沿海生態(tài)安全評價指標(biāo)體系;應(yīng)用突變理論，分析大連地區(qū)2008年至2012年的生態(tài)安全狀況。從大連生態(tài)安全綜合評價指數(shù)上看，生態(tài)安全指數(shù)從2005年到2012年生態(tài)安全總體呈波動上升趨勢，在2010年出現(xiàn)一個峰值，然后趨于平緩，也代表了大連市政府對生態(tài)安全越來越重視，這與2008年大連市下發(fā)的《大連市生態(tài)環(huán)境保護(hù)“十一五”規(guī)劃》文件和2009年大連市編制完成《大連生態(tài)市建設(shè)規(guī)劃》息息相關(guān)。相較于2005年到2012年的其它年份生態(tài)安全指數(shù)，2005年、2007年、2009年以及2012年生態(tài)安全指數(shù)較低，這與2005年和2007年的系統(tǒng)驅(qū)動力和壓力、2009年的系統(tǒng)狀態(tài)、2012年的系統(tǒng)壓力和狀態(tài)指數(shù)過低有很大關(guān)系?？傮w來說該模型對于評價大連地區(qū)及中國東部沿海生態(tài)安全狀況有一定的參考價值，具有一定的普遍性。

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(責(zé)任編輯 董邦國)

Evaluation of Ecological Security for East Coastal Areas Based on Catastrophe Theory——A case study of Dalian city

GE Ren-donga，YU Cheng-xueb，CANG Lu-lua
(a.College of Science;b.International Business School，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China)

Environmental degradation can not be separated from the sustainable regional development in coastal areas.This paper，firstly，tries to setup an indicator system for ecological security assessment using DPSIR framework;secondly，itutilizes dimensionless to process data，taking Dalian city which is besetwith serious environmental problems as an example for the analysis of its ecological security status based on catastrophe theory.The result reveals that themost dangerous year is 2005，the relatively safe years are 2008，2010 and 2011，while the critical years are 2007，2009 and 2012 respectively.Lastly，it provides references for Dalian city and other coastal areas to realize the coordinated development of economy and environment and ecological securitymanagement.

D-P-S-I-R framework;indicator system;catastrophe theory;ecological security;Dalian

X826

A

1009-315X(2014)06-0593-05

自改革開放以來，中國東部沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展突飛猛進(jìn)。與此同時，也給沿海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境帶來一定的生態(tài)安全隱患。2013年中國環(huán)境狀況公報再次顯示東部沿海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題依然嚴(yán)重[1]。因此，東部沿海地區(qū)生態(tài)安全狀況如何，是科研的一項(xiàng)艱巨任務(wù)。近年來，國內(nèi)外有關(guān)生態(tài)安全研究取得了很大進(jìn)展。生態(tài)安全，最早由國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所提出[2]，有廣義和狹義之分，廣義的生態(tài)安全包括自然、社會和經(jīng)濟(jì)組成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，而狹義的生態(tài)安全是指自然、半自然生態(tài)系統(tǒng)的安全。目前學(xué)者多研究廣義生態(tài)安全為主;在評價指標(biāo)體系和評價標(biāo)準(zhǔn)上，以某框架模型為基礎(chǔ)構(gòu)建指標(biāo)體系的方式較多，所采用的框架模型主要應(yīng)用P-S-R模型[3-6]較多，此模型僅將人類活動作為壓力，沒有考慮自然因素;有的學(xué)者修正了P-S-R模型，將驅(qū)動力作為一個重要因素，形成D-P-S-I-R模型，進(jìn)而構(gòu)建指標(biāo)體系[7]。針對不同的研究對象，指標(biāo)量化方法和生態(tài)安全評價標(biāo)準(zhǔn)各異[8-11];在評價方法上，國內(nèi)外學(xué)者多以定量分析為主[8，12-16]，具體因研究對象不同，評價方法有差別。

2014-06-16;

2014-09-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71373035);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(0913130475);遼寧省社會科學(xué)規(guī)劃基金資助項(xiàng)目(L12BJY016)。

葛仁東(1958-)，男，遼寧沈陽人，博士，教授，主要從事應(yīng)用數(shù)學(xué)研究。

于成學(xué)(1970-)，男，遼寧大連人，博士，教授，主要從事生態(tài)安全研究。