城市土地系統(tǒng)健康評價的集對分析模型

黃 海

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074)

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城市土地系統(tǒng)健康評價的集對分析模型

黃 海

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074)

針對土地利用系統(tǒng)健康程度的不確定性，基于集對分析理論，引入能夠體現(xiàn)系統(tǒng)確定性和不確定性的同異反聯(lián)系度計算公式，建立了城市土地健康評價的指標(biāo)體系和評價模型。用熵權(quán)法確定各評價指標(biāo)權(quán)重，將多指標(biāo)評價表示成一個能夠從總體上衡量土地健康狀況的n元聯(lián)系數(shù)。將該方法用于重慶市都市區(qū)2001—2011年土地利用系統(tǒng)健康評價。結(jié)果表明：該區(qū)域土地利用系統(tǒng)處于臨界健康和亞健康,呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)態(tài)勢，但仍需進(jìn)一步改善。該方法能夠充分利用評價中的不確定性信息，是土地利用系統(tǒng)健康評價的一種有效方法。

資源環(huán)境工程；集對分析；土地健康評價；熵權(quán)

0 引 言

土地資源可持續(xù)利用是社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，隨著人地矛盾日益突出，如何實現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用已經(jīng)成為土地科學(xué)研究的熱點問題。長期以來，人們一直把經(jīng)濟(jì)效益作為土地利用首要指標(biāo)，忽視了土地自身恢復(fù)能力，從而導(dǎo)致土地質(zhì)量下降、健康受損的現(xiàn)象。因此，為使經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展，必須關(guān)注土地利用系統(tǒng)的健康狀態(tài)，開展土地利用系統(tǒng)健康研究，為實現(xiàn)土地資源永續(xù)利用提供保障[1]。

土地健康(Land health)的概念1941年由美國生態(tài)學(xué)家Aldo Leopold首次提出，并使用Land sickness來描述土地生態(tài)系統(tǒng)功能的紊亂。他認(rèn)為健康的土地是指被人類占領(lǐng)而沒有使其功能受到破壞的狀況, 把土地有機(jī)體健康作為內(nèi)部的自我更新能力, 認(rèn)為機(jī)體健康應(yīng)當(dāng)與人們考慮個人有機(jī)體的健康一樣，并預(yù)見土地健康將發(fā)展成為一門學(xué)科,目的是監(jiān)測其生態(tài)學(xué)參數(shù), 以保證人類在利用土地的時候不會使其喪失功能[2]。然而，土地利用系統(tǒng)健康研究在我國還沒有引起足夠的重視,只有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，陳美球，等[3-4]、蔡為民，等[5]對土地健康的內(nèi)涵、機(jī)理、變化動因以及評價指標(biāo)體系的構(gòu)建進(jìn)行了探討；在土地健康評價方法方面，主要有“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”評價體系、層次分析法、多指標(biāo)綜合評價法及模糊綜合評判方法等數(shù)學(xué)方法[1，6-8]。但這些方法都存在不同程度的篩選標(biāo)準(zhǔn)不明確、難以反映土地利用系統(tǒng)不同層次、不同方面的健康狀況等缺陷。

集對分析方法是由我國學(xué)者趙克勤于1989年提出的一種用于統(tǒng)一處理模糊、隨機(jī)、中介和信息不完全所致的不確定性系統(tǒng)的理論和方法，該方法已經(jīng)在社會經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、教育、交通、人工智能等領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用[9-11]。

筆者在分析土地利用生態(tài)健康系統(tǒng)不確定性因素的基礎(chǔ)上, 采用熵權(quán)-集對分析方法, 將土地生態(tài)健康指標(biāo)和土地生態(tài)健康評價標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成一個集對去分析其同、異、反聯(lián)系, 并將多個指標(biāo)系統(tǒng)表示成一個能從總體上衡量土地生態(tài)健康程度的n元聯(lián)系數(shù),從而定量計算出不同層次的土地生態(tài)健康程度。這種評價方法客觀合理, 評價結(jié)果適用性強(qiáng), 可作為對現(xiàn)有土地生態(tài)健康復(fù)雜系統(tǒng)評價研究的有效補充。

1 土地利用系統(tǒng)健康評價的集對分析模型

1.1 集對分析方法及其適用性分析

集對分析的基本思路是：在一定問題背景下，對一個集合對子的特性展開分析，建立起這兩個集合在指定問題背景下的同、異、反聯(lián)系度表達(dá)式μ，也可以研究由多個集合組成的系統(tǒng)[12]。構(gòu)建土地利用系統(tǒng)健康評價模型時，將評價對象的土地利用系統(tǒng)健康指標(biāo)作為一個集合，與既定的土地健康評價標(biāo)準(zhǔn)集合構(gòu)成一個集對。兩個集合的聯(lián)系度為：

(1)

μ=a+bi+cj

(2)

式中：μ為聯(lián)系度；a,b,c分別為所論集合在指定問題背景下的同一度、差異度和對立度，顯然，a+b+c=1；i為差異度系數(shù)，規(guī)定在[-1,1] 區(qū)間取值；j為對立度系數(shù)，規(guī)定為-1。

根據(jù)不同的研究對象將式(2)作不同層次的展開, 得到多元聯(lián)系數(shù)：

μ=a+b1i1+b2i2+…+bn-2in-2+cj

(3)

進(jìn)行土地利用系統(tǒng)健康評價時, 區(qū)域的土地健康程度是具有不確定性的，而作為評價健康程度的等級標(biāo)準(zhǔn), 也是不確定的。將集對分析用于土地利用系統(tǒng)健康評價，若評價指標(biāo)處于最優(yōu)評價級別以上，則認(rèn)為是同一性聯(lián)系, 此時μ=1；處于最劣的評價級別以下, 則認(rèn)為是對立性聯(lián)系，此時μ=-1；處于最優(yōu)最劣評價級別范圍之間, 則認(rèn)為是差異性聯(lián)系, 此時μ=a+bi+cj，且μ∈(-1，1)，處于這一范圍內(nèi)的評價指標(biāo)對土地健康狀況具有不確定性。在多標(biāo)準(zhǔn)評價體系中,μ應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)程度的展開,如式(3)，從而得到多元聯(lián)系數(shù)μ=a+b1i1+b2i2+…+bn-2in-2+cj。差異度系數(shù)i在(-1，1)之間取值，如果指標(biāo)越接近最優(yōu)評價級別，i越接近1； 越接近最劣評價級別，i越接近-1[13]。

1.2 評價指標(biāo)體系的建立

土地利用系統(tǒng)健康是以人類社會的可持續(xù)發(fā)展為目的, 促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)這三者之間和諧統(tǒng)一, 由土地利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和效益這幾個方面組成的健康體系。當(dāng)系統(tǒng)面對干擾時, 有保持其結(jié)構(gòu)和功能的能力, 恢復(fù)力越大, 系統(tǒng)越健康。結(jié)構(gòu)和功能的健康構(gòu)成了土地利用系統(tǒng)健康的基石, 效益則構(gòu)成了土地利用系統(tǒng)的核心[5]。因此,土地利用系統(tǒng)健康評價要從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和效益等3個方面進(jìn)行評價。

1.3 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

以往通常運用Delphi和AHP等方法來確定指標(biāo)的權(quán)重，造成判定結(jié)果受人的主觀性影響而產(chǎn)生誤差。信息論中的熵值反映信息的無序化程度，某個指標(biāo)包含的信息越多，表明該指標(biāo)對決策的作用越大，此時熵值越小，即系統(tǒng)的無序度越小。在此，運用信息熵來評價所獲信息的有序度，進(jìn)一步用來確定各個判定指標(biāo)的權(quán)重，具體步驟如文獻(xiàn)[12]所述。

1.4 土地健康評價集對分析模型的建立

設(shè)研究區(qū)域的評價指標(biāo)集合A與評價標(biāo)準(zhǔn)集合B構(gòu)成一個集對H，m代表一級子系統(tǒng)，mq代表第m個子系統(tǒng)下第q個評價指標(biāo)，設(shè)Im代表土地利用系統(tǒng)健康一級子系統(tǒng)評價指標(biāo)，Imq代表土地利用系統(tǒng)健康二級子系統(tǒng)評價指標(biāo)，評價等級為n級。從而可以建立起二級、一級評價指標(biāo)及總指標(biāo)的土地健康評價的n元聯(lián)系數(shù)μ，再通過均分原則確定土地利用系統(tǒng)健康評價等級。

1.4.1 聯(lián)系度的確定

根據(jù)土地健康評價指標(biāo)的特性，可以分為效益型和成本型評價指標(biāo)，效益型指標(biāo)值的大小與土地健康評價結(jié)果呈正相關(guān)，即越大越好型，如人均耕地、單位土地GDP、工業(yè)廢水處理率等；成本型指標(biāo)值得大小與土地健康評價結(jié)果呈負(fù)相關(guān)，即越小越好型評價指標(biāo)，如耕地年減少率、恩格爾系數(shù)等。參考相關(guān)文獻(xiàn)，得出n元聯(lián)系數(shù)的計算公式見表1[14]。

表1中，ap1,ap2,…,apn分別表示評價指標(biāo)對應(yīng)各個評價等級的區(qū)間范圍的臨界值；tp表示評價對象某指標(biāo)的實際值。

表1 n元聯(lián)系數(shù)計算方法

(續(xù)表1)

n元聯(lián)系數(shù)效益型指標(biāo)成本型指標(biāo)0+…+0in-3+tp-anan-1-anin-2+tp-an-1an-an-1japn≤tp≤ap(n-1)apn≥tp≥ap(n-1)0+0i1+…0in-2+1jtp≤apntp≥apn

1.4.2 土地健康評價總指標(biāo)n元聯(lián)系數(shù)的確定

土地健康評價總指標(biāo)n元聯(lián)系數(shù)為：

μ=r1+r2i1+r3i2+…+rn-1in-2+rnj

(4)

(5)

式中：wp表示ri的第p個二級指標(biāo)的權(quán)重；rpi表示第p個二級指標(biāo)的聯(lián)系數(shù)。

1.4.3n元聯(lián)系數(shù)主值及土地健康等級的確定

設(shè)μ=r1+r2i1+r3i2+…+r(n-1)i(n-2)+rnj為n元聯(lián)系數(shù), 將[-1,1]區(qū)間(n-1)等分, 當(dāng)i(n-2),i(n-1),…,i2,i1從左至右依次取(n-1)個分點值及j=-1所得到n元聯(lián)系數(shù)的值稱為n元聯(lián)系數(shù)μ=r1+r2i1+r3i2+…+r(n-1)i(n-2)+rnj的主值。

根據(jù)均分原則，將[-1,1]區(qū)間n等分,則從右至左每個區(qū)間依次分別對應(yīng)C1,C2…Cn共n個等級,將得出的μ與各個等級對應(yīng)的區(qū)間范圍進(jìn)行對比,即可得到土地健康評價等級，μ值越大, 說明評價等級越高, 土地利用系統(tǒng)越健康。

2 應(yīng)用實例

重慶市都市區(qū)的范圍包括渝中區(qū)、大渡口區(qū)、江北區(qū)、南岸區(qū)、沙坪壩區(qū)、九龍坡區(qū)、北碚區(qū)、渝北區(qū)、巴南區(qū)的全部行政區(qū)域。區(qū)域面積為5 472.82 km2，2011年末戶籍總?cè)丝?22.85萬人，人口密度為1 138人/ km2。隨著1997年重慶成為我國第四個直轄市以及國家西部大開發(fā)進(jìn)程的加快，重慶市都市區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展取得了巨大的成就。但是在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時，土地生態(tài)系統(tǒng)卻受到了一定的破壞，土地質(zhì)量退化，土地污染嚴(yán)重，影響了該區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用。因此，通過科學(xué)可行的方法對該區(qū)域的土地利用系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評價并對存在的問題加以改進(jìn)，對促進(jìn)土地資源的可持續(xù)利用和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

參考已有的相關(guān)研究成果，結(jié)合重慶市都市區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實際，從該區(qū)域土地利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和效益3個方面構(gòu)建評價指標(biāo)體系[1]，將各指標(biāo)按實際數(shù)值分為5個等級(健康、亞健康、臨界健康、不健康和病態(tài)等)，其含義分別如下：健康，表示土地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、功能正常，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源、環(huán)境協(xié)調(diào)土地利用處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)；亞健康，表示土地利用結(jié)構(gòu)合理，生態(tài)恢復(fù)力和服務(wù)功能一般，能抵御較輕的生態(tài)環(huán)境壓力；臨界健康，表示土地利用結(jié)構(gòu)比較不合理，生態(tài)恢復(fù)力和服務(wù)功能一般，有明顯的生態(tài)壓力，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境保護(hù)存在沖突；不健康，表示土地利用結(jié)構(gòu)很不合理，生態(tài)恢復(fù)力和服務(wù)功能較差，有明顯的生態(tài)壓力，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境保護(hù)存在較大沖突；病態(tài)，表示土地利用結(jié)構(gòu)完全不合理，生態(tài)恢復(fù)力和服務(wù)功能很差，有明顯的生態(tài)壓力，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境保護(hù)存在嚴(yán)重沖突[6]。并采用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重，如表2。

表2 重慶市都市區(qū)土地健康評價指標(biāo)、分級標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重

(續(xù)表2)

評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)健康亞健康臨界健康不健康病態(tài)標(biāo)權(quán)重系統(tǒng)效益指數(shù)糧食單產(chǎn)/(kg·hm-2)≥30000≥27000～<30000≥24000～<27000≥21000～<24000<210000.03土地利用率/%≥99≥97～<99≥95～<97≥93～<95<930.05人均可支配收入/(萬元·人-1)≥2.0≥1.8～<2.0≥1.6～<1.8≥1.4～<1.6≤1.40.05恩格爾系數(shù)/%≤30>30～≤34>34～≤38>38～≤42>420.06人口自然增長率/‰≤10>10～≤12>12～≤14>14～≤16>160.02就業(yè)指數(shù)/%≥99≥97～<99≥95～<97≥93～<95<930.04工業(yè)廢水處理率/%≥95≥93～<95≥91～<93≥89～<91<890.05工業(yè)廢氣處理率/%≥98≥95～<98≥92～<95≥90～<92<900.05工業(yè)固廢綜合利用率/%≥85≥80～<85≥75～<80≥70～<75<700.05城市綠化覆蓋率/%≥40≥36～<40≥32～<36≥28～<32<280.04

根據(jù)重慶市都市區(qū)2000—2011年土地利用變更統(tǒng)計數(shù)據(jù)和重慶市統(tǒng)計年鑒，測算出土地利用系統(tǒng)健康診斷各評價指標(biāo)的實際值，如表3。

表3 2001—2011年重慶市都市區(qū)土地健康評價指標(biāo)值

注：表中數(shù)據(jù)源自重慶市統(tǒng)計年鑒和重慶市土地變更統(tǒng)計數(shù)據(jù)，部分指標(biāo)通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算得出。

筆者從兩個層次對重慶市都市區(qū)土地利用系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行了不確定性評價，最終得到2001—2011年該區(qū)域土地健康等級。首先針對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)效益3個方面的各指標(biāo)的實際值，結(jié)合指標(biāo)的權(quán)重，用表1的計算方法和式(4)，計算出這3個一級指標(biāo)的5元聯(lián)系數(shù)，再將一級指標(biāo)對應(yīng)項相加，用式(4)和式(5)計算總指標(biāo)的5元聯(lián)系數(shù)。如2005年評價總指標(biāo)的5元聯(lián)系數(shù)為：

μ=0.46+0.13i1+0.15i2+0.13i3+0.13j

(6)

由式(6)可以進(jìn)一步看出0.46, 0.13, 0.15, 0.13, 0.13分別代表在綜合指標(biāo)意義上重慶市都市區(qū)2005年土地健康狀況與5個級別的相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)均分原則[14]，令i1=0.5,i2=0,i3=-0.5,j=-1,可得到總指標(biāo)綜合評價聯(lián)系數(shù)主值。同時將[-1,1]均分為5部分：[0.6,1]、[0.2,0.6]、[-0.2,0.2]、[-0.2,-0.6]、[-0.6,-1]分別對應(yīng)于土地健康狀況5個等級：健康、亞健康、臨界健康、不健康和病態(tài)，由此可得到2001—2011年重慶市都市區(qū)土地利用系統(tǒng)健康評價結(jié)果，如表4。

表4 重慶市都市區(qū)土地利用系統(tǒng)健康評價結(jié)果

從表4的評價結(jié)果可以看出，重慶市都市區(qū)2001—2011年土地利用系統(tǒng)健康狀況不斷改善；2001—2003年該區(qū)域的土地健康狀況一直處于臨界健康水平；從2004開始，土地健康狀況有所好轉(zhuǎn)，但仍然處于“亞健康”狀態(tài)，有待進(jìn)一步改善[15]。

3 結(jié) 語

土地利用系統(tǒng)健康評價理論與方法研究還比較薄弱，本文在參考已有研究成果的基礎(chǔ)上建立了城市土地利用系統(tǒng)健康評價的集對分析模型，該方法考慮了等級標(biāo)準(zhǔn)分界的模糊性, 避免了直接確定聯(lián)系度中差異不確定系數(shù)，概念清晰,結(jié)構(gòu)簡單, 計算簡潔, 易操作, 通過定性分析與定量分析相結(jié)合, 把土地利用系統(tǒng)健康評價指標(biāo)和等級標(biāo)準(zhǔn)作為一個系統(tǒng)進(jìn)行分析, 通過實例證明可以對區(qū)域土地健康狀況進(jìn)行有效評價。

運用集對分析方法對土地健康狀況進(jìn)行評價既是集約分析法應(yīng)用領(lǐng)域的拓展, 也是對土地利用系統(tǒng)健康評價方法的新探索, 通過評價得到的結(jié)果可以為調(diào)整區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、集約利用土地和促進(jìn)土地資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

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Set Pair Analysis Model of Urban Land Health Appraisal

Huang Hai

(School of River & Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

In view of the uncertainty existing in the health appraisal of land use system, the formula for calculating the identity-discrepancy-contrary connection degree which reflects the certainty and uncertainty based on set pair analysis theory was adopted to establish the appraisal index and the model for the urban land health. Entropy weight method was employed to calculate the weight of each appraisal index which can be expressed as an-dimensional connection degree. Health appraisal for the urban area of Chongqing city from 2001 to 2011 was taken as a case study. The results show that land health of Chongqing urban area was turning from critical health to sub-health, which was getting better but needed further improvement. The method can make full use of the uncertain information in the appraisal process, so it is effective for the health appraisal of land use system.

resources and environment engineering; set pair analysis; land health appraisal; entropy weight

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.16

2013-05-29；

2013-08-24

黃 海(1972—)，男，重慶人，副教授，博士(后)，主要從事土地利用規(guī)劃與評價方面的研究。E-mail:lottery98@163.com。

F301.23

A

1674-0696(2015)02-072-05