基于熵權(quán)物元分析法的城市生態(tài)安全水平動態(tài)評價(jià)
——以武漢市為例

■ 李德勝/呂 炎/胡學(xué)東

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）公共管理學(xué)院，湖北 武漢 430074）

基于熵權(quán)物元分析法的城市生態(tài)安全水平動態(tài)評價(jià)
——以武漢市為例

■ 李德勝/呂 炎/胡學(xué)東

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）公共管理學(xué)院，湖北 武漢 430074）

以武漢市為研究對象，利用壓力——狀態(tài)——響應(yīng)概念模型，構(gòu)建城市生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系，采用熵權(quán)法確定權(quán)重，運(yùn)用物元分析法對武漢市生態(tài)安全水平進(jìn)行了分析和評價(jià)，反映武漢市2006-2013年的生態(tài)安全水平動態(tài)變化情況。結(jié)果表明：2006-2013年武漢市城市生態(tài)安全水平經(jīng)歷了從“比較安全”躍升為“理想安全”的變化過程，總體狀況趨于良好；武漢市生態(tài)安全水平并不穩(wěn)定，城市生態(tài)系統(tǒng)仍受到多個(gè)不利因素的脅迫，若不及時(shí)加以限制，生態(tài)安全等級有滑落的風(fēng)險(xiǎn)；基于熵權(quán)物元模型的評價(jià)方法，不僅能夠得到綜合質(zhì)量信息，還能揭示單指標(biāo)的變化趨勢，得出的生態(tài)安全評價(jià)結(jié)果較為切合實(shí)際，為今后針對性地進(jìn)行城市生態(tài)建設(shè)和維護(hù)提供參考。

城市生態(tài)安全；動態(tài)變化；熵權(quán)法；物元分析；武漢

0 引言

城市生態(tài)系統(tǒng)具有脆弱性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，城市生態(tài)問題不僅影響生態(tài)環(huán)境本身，還容易削弱城市的社會功能[1，2]。城市生態(tài)安全是指城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能完整性得以維持和穩(wěn)定，能夠滿足城市持續(xù)生存和發(fā)展需求的一種狀況，它是一個(gè)國家或地區(qū)生態(tài)安全的重要基礎(chǔ)和核心。開展城市生態(tài)安全的多角度研究，能夠及時(shí)了解城市生態(tài)安全水平的現(xiàn)狀和變化趨勢，為城市經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

生態(tài)安全評價(jià)是生態(tài)安全問題研究的基礎(chǔ)與核心，眾多學(xué)者在評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建、評價(jià)方法、等級劃分等方面進(jìn)行了有益的研究[3-5]。以往的研究較多采用簡單的綜合指數(shù)評價(jià)法，該方法的缺點(diǎn)在于容易遺漏指標(biāo)之間的評價(jià)信息[6]。其他常用的生態(tài)安全評價(jià)方法還有模糊綜合評價(jià)法[7]、物元分析法[8]、灰色關(guān)聯(lián)度法[9]、能值分析法[10]等，還有部分學(xué)者嘗試景觀生態(tài)模型和數(shù)字地面模型的方法[11]。城市生態(tài)安全具有很強(qiáng)的不確定性和模糊性，其水平高低無法直接進(jìn)行判斷。在進(jìn)行生態(tài)安全評價(jià)這類具有模糊性的研究中，物元分析法更具優(yōu)勢，它通過物元變換可解決各指標(biāo)間的不相容問題，有效彌補(bǔ)模糊數(shù)學(xué)評價(jià)方法中容易遺漏單指標(biāo)分異信息的缺點(diǎn)，提高評價(jià)結(jié)果的客觀性和科學(xué)性[12]。

以武漢市為例，從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三方面構(gòu)建城市生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系，綜合運(yùn)用熵權(quán)法和物元分析法對城市生態(tài)安全水平進(jìn)行評價(jià)，客觀全面反映武漢市城市生態(tài)安全狀況，探求城市生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性狀態(tài)，以期為城市生態(tài)安全評價(jià)的方法拓展和未來的城市生態(tài)文明建設(shè)提供參考。

1 城市生態(tài)安全評價(jià)的物元分析方法

物元分析法是一種可拓?cái)?shù)學(xué)方法，由我國學(xué)者蔡文教授提出，在多因子評價(jià)中有很強(qiáng)的適用性，它不僅能夠?qū)Τ鞘猩鷳B(tài)安全綜合水平進(jìn)行評價(jià)，還可以對單項(xiàng)指標(biāo)的安全等級進(jìn)行評定，有利于針對性地分析問題和提出對策。利用物元分析理論構(gòu)建城市生態(tài)安全評價(jià)物元模型的基本步驟如下（詳細(xì)步驟參見參考文獻(xiàn)[13，14]，本文從略）：

(1)確定城市生態(tài)安全物元。以有序三元組R=(M，c，v)描述城市生態(tài)安全物元，M為城市生態(tài)安全，即物元，c和v分別代表城市生態(tài)安全特征及其量值。

(2)確定城市生態(tài)安全的經(jīng)典域和節(jié)域。分別構(gòu)建城市生態(tài)安全的經(jīng)典域物元矩陣Rj和節(jié)域物元矩陣Rp，經(jīng)典域?yàn)閂ji，節(jié)域?yàn)閂pi，且VjiVpi。

(3)確定城市生態(tài)安全待評物元，用Mx表示。

(4)確定城市生態(tài)安全指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)和關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)函數(shù)用代數(shù)的方式表示，以使不相容問題能被定量化。

(5)待評對象綜合關(guān)聯(lián)度的計(jì)算和等級確定。

待評對象Mx的綜合關(guān)聯(lián)度利用式（1）進(jìn)行確定：

式（1）中：Kj(Mx)為待評對象關(guān)于等級j的綜合關(guān)聯(lián)度；kj(vi)為指標(biāo)vi關(guān)于評價(jià)等級j的單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度；wi為各指標(biāo)的權(quán)重。

指標(biāo)權(quán)重選擇客觀賦值的熵權(quán)法[15]進(jìn)行確定：

通過以上步驟，可測算出各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度及待評對象的綜合關(guān)聯(lián)度，借此判定城市生態(tài)安全的等級。若kji=max[kj(vi)]，j∈(1，2，…，m)，則判定指標(biāo)i屬于安全等級j；若Kjx=max[Kj(Mx)]，j∈(1，2，…，m)，則判定待評對象Mx屬于安全等級j。關(guān)聯(lián)度K(x)的取值范圍為（-∞，+∞），它的大小表征了待評對象Mx隸屬于某一等級的程度：當(dāng)K(x)≤-1時(shí)，表示Mx不符合某等級標(biāo)準(zhǔn)的要求，且不具備轉(zhuǎn)化的條件；當(dāng)-1≤K(x) ≤0時(shí)，表示Mx不符合某等級標(biāo)準(zhǔn)的要求，但具備轉(zhuǎn)化的條件，且數(shù)值越大，潛力越大；當(dāng)0≤K(x)≤1時(shí)，表示Mx符合某等級標(biāo)準(zhǔn)的要求，且數(shù)值越大，符合程度越高；當(dāng)K(x)≥1時(shí)，表示Mx超過某等級標(biāo)準(zhǔn)，且數(shù)值越大，超出程度越高。

2 城市生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建及物元評價(jià)經(jīng)典域的確定

2.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

在界定城市生態(tài)安全概念的基礎(chǔ)上，依據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)的可得性和評價(jià)方法的可操作性，采用壓力（Pressure)-狀態(tài)(State)-響應(yīng)(Response)模型[16，17]構(gòu)建城市生態(tài)安全指標(biāo)體系，將影響城市生態(tài)安全的因素歸納為壓力、狀態(tài)和響應(yīng)三個(gè)方面，共選用反映城市生態(tài)安全特征的24個(gè)評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建包含目標(biāo)層（A）、要素層（B）、指標(biāo)層（C）三個(gè)層次的城市生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系（表1）。

2.2 城市生態(tài)安全物元評價(jià)經(jīng)典域的確定

依據(jù)城市生態(tài)安全水平的可拓性，將其劃分為4個(gè)等級，分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，定性描述為：M01=＜理想安全＞，M02=＜較安全＞，M03=＜臨界安全＞，M04=＜不安全＞。經(jīng)典域的確定主要參考以下標(biāo)準(zhǔn)：環(huán)境保護(hù)部《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)（修訂稿）》的標(biāo)準(zhǔn)值、國際通行標(biāo)準(zhǔn)值、全國平均水平、國內(nèi)其他區(qū)域相關(guān)研究標(biāo)準(zhǔn)值[4，18，19]。武漢市城市生態(tài)安全評價(jià)的經(jīng)典域復(fù)合矩陣Rj和節(jié)域矩陣Rp分別如下：

3 城市生態(tài)安全評價(jià)研究實(shí)例

3.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

武漢市位于江漢平原東部，是湖北省政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，也是我國中部地區(qū)的中心城市。近年來武漢市國民經(jīng)濟(jì)保持平穩(wěn)快速增長勢頭，但在經(jīng)歷快速城市化的同時(shí)，也面臨著霧霾嚴(yán)重、水質(zhì)惡化、人地矛盾緊張、城市生態(tài)功能退化等問題，城市生態(tài)安全水平日益受到威脅。

本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于研究年份（2006-2013年）的《湖北統(tǒng)計(jì)年鑒》《武漢統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》，以及相關(guān)年份的武漢市環(huán)境狀況公報(bào)和武漢市水資源公報(bào)。

表1 武漢城市生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系和權(quán)重

3.2 評價(jià)結(jié)果與分析

將待評物元輸入到物元模型中，即可輸出得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。限于篇幅，以2006年的C1指標(biāo)（人口密度）為例，介紹該模型的計(jì)算方法。將待評物元v1=964輸入相應(yīng)關(guān)聯(lián)函數(shù)式中，得到該指標(biāo)對應(yīng)各等級的關(guān)聯(lián)度分別為：K1(v1)=-0.316、K2(v1)=0.285、K3(v1)=-0.924、K4(v1)=-0.794，可判定武漢市該指標(biāo)屬于Ⅱ級，即處于“較安全”水平。同理可得其他指標(biāo)的相應(yīng)數(shù)值（表2）。在此基礎(chǔ)上，將各指標(biāo)對應(yīng)的各等級的關(guān)聯(lián)度和各指標(biāo)的權(quán)重輸入綜合關(guān)聯(lián)度函數(shù)計(jì)算公式，求得所有指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)度，分別為K1(p2006)=-0.406、K2(p2006)=-0.131、K3(p2006)=-0.215、K4(p2006)=-0.361，可判定武漢市2006年的城市生態(tài)安全等級為Ⅱ級，即處于“較安全”水平。同理可求得武漢市其他年份的城市生態(tài)安全等級（表3）。

結(jié)果顯示，2006-2009年武漢市城市生態(tài)安全等級為Ⅱ級，即“較安全”水平，2010-2013年武漢市城市生態(tài)安全等級為Ⅰ級，即“理想安全”水平，城市生態(tài)安全水平整體上呈現(xiàn)躍升的趨勢。-1≤ K2(p2009)＜K2(p2006)＜K2(p2008)＜K2(p2007)≤0，說明2006-2009年武漢市生態(tài)安全水平雖然可以被認(rèn)定為“較安全”，但并不完全符合Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)的要求，更具備轉(zhuǎn)化為Ⅱ級的條件；-1≤K1(p2010)＜K1(p2011)＜K1(p2012)≤0，說明2010-2012年武漢市生態(tài)安全水平雖然可以被認(rèn)定為“理想安全”，但并不完全符合Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)的要求，更具備轉(zhuǎn)化為Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)的條件；0≤K1(p2013)≤1，說明2013年武漢市生態(tài)安全水平符合Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)的要求，但數(shù)值較小，符合程度并不穩(wěn)定。以上分析表明，自2006年以來，武漢市加快武漢城市圈一體化進(jìn)程，并適時(shí)提出建設(shè)全國環(huán)保模范城市的舉措，對武漢市城市生態(tài)安全水平的提高起到了積極的作用，但當(dāng)前城市生態(tài)安全狀況并不穩(wěn)定，需要進(jìn)一步鞏固。

表2 武漢市2006年-2013年城市生態(tài)安全指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

表3 武漢市2006年-2013年城市生態(tài)安全綜合關(guān)聯(lián)度

從單個(gè)指標(biāo)來看，COD排放強(qiáng)度、人均GDP、城市生活污水集中處理率、生活垃圾無害化處理率等指標(biāo)在2013年的等級水平比2006年有較大的提高，這些指標(biāo)對武漢市城市生態(tài)安全水平的提升有重要貢獻(xiàn)。而人口自然增長率、人均耕地、人均水資源量、空氣質(zhì)量優(yōu)良率等指標(biāo)的等級水平自2006年以后呈下降趨勢，或維持在較低水平，成為制約武漢市城市生態(tài)安全水平提升的重要因素。需要特別指出的是，武漢市水資源總量豐富，但人均水資源量嚴(yán)重不足，2006年人均水資源量僅為255m，到2013年上升到401m，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國際公認(rèn)的缺水警戒線，不足全國人均水資源量的1/4，成為制約武漢市生態(tài)安全水平的重要因素。此外，空氣質(zhì)量優(yōu)良率過低是制約武漢市生態(tài)安全水平的又一重要因素，2006年武漢市空氣質(zhì)量優(yōu)良率為74.8%，到2013年下降為43.8%，環(huán)境空氣質(zhì)量的陡降凸顯了近年來武漢市城區(qū)霧霾加重的事實(shí)，對城市生態(tài)安全的壓力不斷加大。

4 結(jié)論與討論

生態(tài)安全是一個(gè)動態(tài)變化的過程，結(jié)合生態(tài)安全現(xiàn)狀和變化趨勢的城市生態(tài)安全評價(jià)，更有利于反映生態(tài)安全的全面狀況，增強(qiáng)生態(tài)建設(shè)決策的預(yù)見性。運(yùn)用熵權(quán)物元分析法對武漢市2006-2013年間城市生態(tài)安全水平進(jìn)行評估，該方法將關(guān)聯(lián)函數(shù)從[0，1]閉區(qū)間拓展到(-∞，+∞)整個(gè)實(shí)數(shù)軸，極大地?cái)U(kuò)展了研究范圍，運(yùn)用該方法不僅能得到各年份的綜合評價(jià)結(jié)果，還可以對各個(gè)參評因子進(jìn)行量化處理，揭示各個(gè)單指標(biāo)的分異信息，評價(jià)結(jié)果較為切合實(shí)際。

研究結(jié)果表明，武漢市2006-2013年城市生態(tài)安全水平，整體上呈現(xiàn)從“比較安全”向“理想安全”躍升的趨勢，生態(tài)安全狀況有了明顯改善，這主要得益于武漢市在此期間大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)，GDP總量大幅增加，并加大了城市環(huán)境整治的力度，嚴(yán)格控制工業(yè)“三廢”的排放強(qiáng)度，人文響應(yīng)比較及時(shí)。但武漢市生態(tài)安全水平仍顯示出不穩(wěn)定的狀態(tài)，生態(tài)系統(tǒng)受到多重不利因素的脅迫：人地矛盾突出、環(huán)境空氣質(zhì)量不佳、土地與水資源壓力過大等。在未來的城市發(fā)展中，武漢市應(yīng)針對存在的問題，采取相應(yīng)的調(diào)控措施，改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，提高土地利用效率，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，努力維護(hù)和提高城市生態(tài)安全水平，實(shí)現(xiàn)武漢城市經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

不同的評價(jià)方法得出的評價(jià)結(jié)果可能大不相同，生態(tài)安全是一個(gè)涉及經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境等多因素的動態(tài)演變過程，在當(dāng)前沒有統(tǒng)一的評價(jià)指標(biāo)體系和分級標(biāo)準(zhǔn)的情況下，任何一種評價(jià)方法和評價(jià)模型都難以避免受到主觀因素的影響，評價(jià)結(jié)果遠(yuǎn)不能做到絕對的全面、客觀。因此，如何建立一套科學(xué)規(guī)范的指標(biāo)體系和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，需要多學(xué)科的理論和實(shí)踐上的進(jìn)一步研究。

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Dynamic Assessment of Urban Ecological Security Level on the Basis of Entropy Weight and Matter Element Model—Taking the Case of Wuhan

LI Desheng, LYU Yan, HU Xuedong
(School of Public Administration and Policy, China University of Geosciences, Wuhan Hubei 430074)

Regarding Wuhan as a research object, on the basis of Pressure-State-Response Model, this paper establishes an evaluation index system for urban ecologic security. Through determining weight by entropy-weighing method, and analyzing and evaluating ecological security level of Wuhan by the matter element analysis method; the dynamic changes of ecological security level between 2006 and 2013 in Wuhan has been ref l ected. The results show that: the city of Wuhan has undergone a change process from 2006 to 2013. This change process is from “relatively safe” up to “ideal security”; and general situation is tending towards good. However, we must have a keen awareness of the fact that ecological security level of Wuhan has yet to be considered stable, and urban ecosystems have been forced by multiple adverse factors. In the light of this, this paper points out that by using evaluation method based on entropy weight and matter element model, we can not only get comprehensive quality information, but also reveal the change trend of single index. In this way, we can get more realistic result of ecological security evaluation, which will provide reference for urban ecological construction and maintenance in the future.

urban ecological security; dynamic change; entropy method; matter element analysis; Wuhan

F062.2；F062.1

A

1672-6995（2015）10-0061-05

2015-08-06；

2015-08-28

李德勝（1987-），男，江西省贛州市人，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）公共管理學(xué)院博士研究生，研究方向：城鄉(xiāng)土地利用與評價(jià)、土地生態(tài)。