基于改進SPA法的土地利用規(guī)劃環(huán)境影響跟蹤評價

璩路路, 師學(xué)義, 劉 暢

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 北京 100083)

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基于改進SPA法的土地利用規(guī)劃環(huán)境影響跟蹤評價

璩路路, 師學(xué)義, 劉 暢

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 北京 100083)

針對目前土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價系統(tǒng)的不確定性，在理解集對分析(SPA)原理的基礎(chǔ)上，利用原創(chuàng)聯(lián)系度的可展性對其進行改進，將其擴展到四級評判，并結(jié)合信息熵法，以山西省晉城市為例，建立了基于改進SPA法的土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價模型，并利用該模型在構(gòu)建以水環(huán)境、土壤環(huán)境、大氣環(huán)境與生態(tài)環(huán)境為子系統(tǒng)的區(qū)域自然環(huán)境質(zhì)量評價指標體系的基礎(chǔ)上，對晉城市土地利用規(guī)劃影響自然環(huán)境質(zhì)量的10項指標進行了綜合評價。此外，為了驗證改進SPA法對土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價的合理性與可行性，將其評價結(jié)果與模糊綜合評價結(jié)果以及多指標綜合評價結(jié)果進行了比較。結(jié)果表明：自第3輪土地利用規(guī)劃執(zhí)行以來，晉城市從2007年的自然環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級到2009年的Ⅲ級，2011年的Ⅱ級，2013年的Ⅰ級，總體上晉城市自然環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)出由Ⅲ級向Ⅰ級轉(zhuǎn)化的正向發(fā)展趨勢；改進SPA法綜合評價結(jié)果與模糊綜合評價結(jié)果以及多指標綜合評價結(jié)果基本一致。研究認為利用改進的集對勢進行土地利用規(guī)劃環(huán)境影響跟蹤評價具有一定的可行性，評價結(jié)果較接近實際情況，為土地利用規(guī)劃環(huán)境影響跟蹤評價提供了一種科學(xué)合理且簡單實用的評價方法。

土地利用規(guī)劃; 自然環(huán)境; 跟蹤評價; 熵權(quán); 改進SPA法; 晉城市

早在1979年，《中華人民共和國環(huán)境保護法(試行)》首次把對建設(shè)項目進行環(huán)境影響評價作為法律制度確立下來，這一制度的建立和實施對于企業(yè)的優(yōu)化選址,預(yù)防開發(fā)建設(shè)活動可能產(chǎn)生的環(huán)境污染和破壞,發(fā)揮了積極作用。但隨著經(jīng)濟活動范圍和規(guī)模的不斷擴大，政策、規(guī)劃和計劃的實施所造成的環(huán)境影響越來越突出，相對于具體的建設(shè)項目而言，后者對環(huán)境的影響更加巨大、持久，范圍也更加廣泛[1]。2002年10月28日，全國人大常委會通過了《中華人民共和國環(huán)境影響評價法》，并于次年9月1日起正式實施，其中明確指出：對國務(wù)院有關(guān)部門、設(shè)區(qū)的市級以上地方人民政府及其有關(guān)部門，對其組織編制的土地利用的有關(guān)規(guī)劃必須進行環(huán)境影響評價?！董h(huán)境影響評價法》的施行，使得中國的環(huán)境影響評價制度從建設(shè)項目拓展到了規(guī)劃層面，并將土地利用規(guī)劃列為“一地三域”之首[2]。土地利用規(guī)劃具有統(tǒng)籌、指導(dǎo)區(qū)域土地資源利用的功能，土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價是指對土地利用規(guī)劃的實施所造成的環(huán)境影響進行分析、評價和預(yù)測,并將評價結(jié)論體現(xiàn)在土地利用規(guī)劃中,從而提高土地利用規(guī)劃的科學(xué)性。因此土地利用規(guī)劃的環(huán)境影響評價對提高政府決策的科學(xué)化具有重要意義，探索土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價內(nèi)涵及其實施技術(shù)方法成為是開展這一領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)。

當前，土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價常用的方法有DPSIR模型法[3]、模糊綜合評判法[4]、物元模型法[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]、生態(tài)足跡法[7]以及綜合指數(shù)法[8]。每種方法都有自身的優(yōu)點和不足，眾多學(xué)者針對各種方法的不足作了相應(yīng)的改進，取得了一定成果。但是由于土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價影響因素的不確定性，評價指標與自然環(huán)境等級之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，所以至今沒有一個統(tǒng)一的評價模型來進行土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價。因此，為了克服現(xiàn)有評價方法的不足，本文以晉城市第3輪土地利用總體規(guī)劃為例，嘗試運用改進SPA 法對其進行土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價。

1　研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

晉城市位于山西省東南部，處于黃土高原區(qū)地帶，地貌以山地丘陵為主，地勢呈東西北高，中部、南部低的簸箕狀，屬于曖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季降水集中，春秋溫涼短促，地理坐標為東經(jīng)111°55′—113°37′，北緯35°12′—36°00′，是山西通往中原地區(qū)的門戶。根據(jù)2013年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計，晉城市土地總面積942 043 hm2，其中，農(nóng)用地、建設(shè)用地和其他用地面積比例分別為70.66%，6.21%，23.13%．晉城市曾榮獲全國花園城市的稱號，環(huán)境質(zhì)量良好．但作為主要的礦業(yè)型城市，其土地資源總體呈現(xiàn)出一定的生態(tài)環(huán)境脆弱性，尤其是近年來晉城市國民經(jīng)濟總量不斷擴大，城鎮(zhèn)化進程越來越快，區(qū)域土地利用產(chǎn)生了巨大的變化，對區(qū)域環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響。

1.2數(shù)據(jù)來源

文中相關(guān)研究數(shù)據(jù)資料主要來源于統(tǒng)計資料和實地調(diào)查資料，其中，水資源、森林資源、固體廢棄物排放等相關(guān)資料來源于《晉城市統(tǒng)計年鑒(2007—2014年)》，大氣狀況資料來源于《晉城市環(huán)境保護公報》，生物多樣性資料源于《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒(2007—2014年)》、《晉城市土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)》;土壤的相關(guān)資料來源于《晉城市土壤志》、《晉城市農(nóng)業(yè)普查報告》，此外,地表水的水質(zhì)狀況資料來源于對晉城市主要河流的實地監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2　研究方法

2.1熵權(quán)法

目前常用的確定土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價指標權(quán)重的方法包括主觀賦權(quán)法如Delphi法、層次分析(AHP)法和成對比較法等，客觀賦權(quán)法如主成分分析法、熵權(quán)法和灰色關(guān)聯(lián)度法等。為避免人為主觀性，本研究采用客觀賦權(quán)法——熵權(quán)法確定耕地生態(tài)安全評價指標權(quán)重。熵權(quán)法根據(jù)評價指標變異程度的大小來確定指標權(quán)重，指標變異程度越大，信息熵越少，該指標權(quán)重值就越大，反之越小。設(shè)有m個評價指標，n個被評事物，定義第j個指標的信息熵為ej，其權(quán)重為Wj，主要算法為:

(1)計算第j項指標下的i個樣本值的比重

(1)

(2) 計算第j項指標的熵值

(2)

(3) 定義第j項指標的權(quán)重

(3)

式中：sij為第i個被評事物第j個指標的標準化值，為使lnpij有意義，一般約定：當pij=0時，lnpij=0，其中0≤ej≤1。

2.2改進集對分析

2.2.1改進SPA 法評價原理及模型集對分析是趙克勤等[9-11]提出的一種新的不確定系統(tǒng)分析方法,但該評價方法存在一點不足，是b，c的細化問題，即同異反評語細化問題。原創(chuàng)聯(lián)系度[u(A-B)=a+bi+cj]雖然可以對研究對象進行“一分為三”的刻畫，但是將研究對象所處的空間狀態(tài)簡單的“一分為三”略顯粗糙，因此，必須根據(jù)原創(chuàng)聯(lián)系度的可展性原理進行深層次的細化，將原來的表達式改寫成式(4):

u(A-B)=a+b1i++b2i-+c1j++c2j-

(4)

設(shè)有n個評價對象，用m個指標描述評價對象屬性，xij為對象i的第j項指標(j=1，2，…，m;i=1，2，…，n)，將土地利用規(guī)劃影響下的環(huán)境質(zhì)量等級劃分為K級(K=1，2，…，v)，文本中令v=4。土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價指標的各個等級標準值A(chǔ)k=[rk1,…，rkj,…，rkm]組成一個集合，將每個年份的土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價指標值組成另一個集合Bi=[xi1，…，xij，…,xim]，這兩個集合于是構(gòu)成一個集對(Ak,Bi)[12]。若指標xij處于某一等級k的范圍內(nèi)時，則認為是同一，其值為a;若指標xij處于k級別相鄰級別且靠近優(yōu)越一邊，則認為是優(yōu)異，記為b1;若指標xij處于k級別相鄰級別且靠近劣差一邊，則認為是劣異，記為b2;若處于k級別相隔級別且靠近優(yōu)越一邊，則認為是優(yōu)反，記為c1;若處于k級別相隔級別劣差一邊，則認為是劣反，記為c2。這樣,b,c得到進一步細化,并且這樣處理符合原創(chuàng)聯(lián)系度可展性。在土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價中，為了方便生態(tài)安全等級的優(yōu)劣識別，可以將式(4)簡記為:

(5)

式中：a，b，c，d，e∈[0，1]，a+b+c+d+e=1，i+∈[0，1]，i-∈[0，1]，i++i-∈[0，1]，j+={0，1}，j-=-1，其中，a為同一度，b為正差異度，c為負差異度，d為正對立度，e為負對立度。

依據(jù)以上原理建立指標評價模型，對于正向性指標，相對于一級的聯(lián)系度:

模型中rkj為第j項指標評價標準的k級和k+1級的界限值，根據(jù)上述模型對每個年份的各個指標計算聯(lián)系度系數(shù)a，b，c，d，e的值，同理，可擬構(gòu)建負向型指標相對于不同等級的聯(lián)系度公式。

(6)

2.2.2基于改進SPA 法的評價結(jié)果判定根據(jù)式(6)得出各個年份對于不同等級的聯(lián)系度表達式后，本文擬用集對勢進行評價結(jié)果判定。

(1)集對勢計算。同一度與對立度的比值為所論集對的集對勢，集對勢是用來反映兩個集合所具有的某種趨同程度或聯(lián)系趨勢。在土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價中計算年份i 對于不同等級的集對勢，可得到年份i 對于不同等級的趨同程度。當集對勢越大時，表示其同一趨勢越強，所以取集對勢中的最大值所對應(yīng)的等級為研究對象的判定結(jié)果。改進SPA 法集對勢計算公式如下:

(7)

(2)樂觀勢與悲觀勢計算。樂觀勢是從樂觀的角度出發(fā)，把所有的差異度全部轉(zhuǎn)化成同一度，用同一度和對立度的比值去量化系統(tǒng)的態(tài)勢，定義樂觀勢為:

(8)

悲觀勢是從悲觀的角度出發(fā)，把所有的差異度均轉(zhuǎn)化成對立度，用同一度和對立度的比值去量化系統(tǒng)的態(tài)勢，定義悲觀勢為:

(9)

(3)集對勢定位。集對勢的取值范圍是由樂觀勢和悲觀勢所確定的區(qū)間得到的，依據(jù)式(10)作集對勢定位計算，計算集對勢在集對勢的區(qū)間內(nèi)相對于樂觀勢的貼近度，從而反映用集對勢進行結(jié)果判定的準確程度。

(10)

若oik>50%，表示判定結(jié)果比較樂觀、準確，若oik<50%，則將判定為該等級存在潛在誤差風(fēng)險，50%為判斷集對勢定位準確程度的節(jié)點值。

3　實證應(yīng)用

3.1土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價指標選擇、解釋及權(quán)重確定

在進行土地利用規(guī)劃環(huán)境影響識別的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)已有的研究成果，遵循指標選取科學(xué)性原則、可比性原則、可獲取性原則和系統(tǒng)性原則基礎(chǔ)上，建立了目標層、主題層和指標層3個層次、10項指標的評價指標體系．同時，利用熵權(quán)法確定指標權(quán)重，具體結(jié)果、指標解釋及指標權(quán)重見表1。

表1　晉城市土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價指標體系及權(quán)重

注:物種豐度是指評價區(qū)域內(nèi)生物多樣性的豐貧程度。物種豐度決定著生態(tài)系統(tǒng)的面貌，是反映生態(tài)和質(zhì)量最本質(zhì)的特征之一。計算公式為：物種豐度=(0.35×林地面積+0.21×草地面積+0.28×水域濕地面積+0.11×耕地面積+0.04×建設(shè)用地面積+0.01×其他)/區(qū)域面積。

3.2土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價指分級標準

目前我國關(guān)于土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價還沒有統(tǒng)一的標準，本文將晉城市的環(huán)境質(zhì)量劃分為4個等級:Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級，對于評價指標分級標準的確定，本文通過參考相關(guān)國家質(zhì)量標準[13]，結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況和參考相關(guān)文獻成果[5]、[14]確定了晉城市土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價指標分級標準(表2)。

表2　晉城市土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價指標分級標準

3.3SPA法聯(lián)系度矩陣R計算結(jié)果

這里以晉城市2007年為例，計算其SPA 法各等級聯(lián)系度矩陣，結(jié)果如下:

運用Matlab計算軟件對晉城市2007年聯(lián)系度矩陣R2007和權(quán)重向量W進行合成運算，得出晉城市2007年對于不同等級的綜合聯(lián)系度。

Uik=R2007W=(R2007/1+R2007/2+R2007/3+R2007/4)W= [0.84+0.12i++0.04j+,0.91+0.06i++0.02i-+0.01j+0.65+0.03i++0.31i-+0.03j-,0.54+0.28i-+0.18j-)

根據(jù)式(7—10)計算出2007年晉城市相對于不同等級的集對勢、樂觀勢和悲觀勢等，利用集對勢三參數(shù)進行土地利用規(guī)劃環(huán)境影響等級判定，取集對勢三參數(shù)間特元[15]最大值者對應(yīng)的等級為最終評價結(jié)果，如表3所示。

表3　晉城市土地利用規(guī)劃環(huán)境影響改進SPA法跟蹤評價結(jié)果(2007年)

由表3的評價結(jié)果可知：2007年晉城市土地利用規(guī)劃環(huán)境影響質(zhì)量等級為Ⅱ級，等級Ⅱ的特元最大，其中集對勢最大值為Ⅱ等級，表明評價結(jié)果趨于等級Ⅱ的趨勢最強，樂觀勢和悲觀勢最大值都為Ⅱ級表明無論從樂觀還是悲觀角度評價結(jié)果為Ⅱ等級的概率都要大于其他等級；由四個等級的集對勢定位都大于50%，則說明各等級判定結(jié)果比較樂觀、準確。同理可以計算出晉城市2009、2011年和2013年土地利用規(guī)劃環(huán)境影響改進SPA 法綜合評價結(jié)果。同時為了驗證改進SPA 法評價結(jié)果的合理性，本文與傳統(tǒng)的綜合評價結(jié)果進行比較，傳統(tǒng)的綜合評價中，模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學(xué)模型建立的綜合評價方法，其基本原理是先確定評價指標集合評價集，再確定各個評價指標的權(quán)重和對應(yīng)隸屬度向量，從而獲得模糊判斷矩陣，最后對模糊判斷矩陣進行模糊運算并歸一化處理，得到模糊綜合評價等級。多指標綜合評價法目前在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價等領(lǐng)域運用的比較廣泛，并且是一種較為成熟的評價方法，它通過建立評價指標體系與確定權(quán)重，對各個評價指標逐層逐項的加權(quán)評分，計算出綜合分值。因此本文與模糊綜合評價和多指標綜合評價結(jié)果同時進行比較，改進SPA 法評價結(jié)果與模糊綜合評價、多指標綜合評價比較結(jié)果如(表4)所示。

由改進SPA 法綜合評價結(jié)果與模糊綜合評價結(jié)果的比較可知:2007年和2009年改進SPA法綜合評價結(jié)果分別為Ⅱ級和Ⅲ級,而模糊綜合評價結(jié)果則為Ⅲ級和Ⅱ級,2011年兩種方法評價結(jié)果完全一致;2013年改進SPA法綜合評價結(jié)果為Ⅰ級，而模糊綜合評價結(jié)果為Ⅱ級，但是它們判定的土地利用規(guī)劃環(huán)境影響等級相差不過一個等級，沒有出現(xiàn)越級現(xiàn)象。改進SPA 法綜合評價結(jié)果與多指標綜合評價結(jié)果相比較得知，多指標綜合評價總分值從2007—2013年是不斷增長的，這與2009—2013年改進SPA 法綜合評價得到的土地利用規(guī)劃環(huán)境影響等級在一定程度上正好呈對正應(yīng)關(guān)系，雖然2007—2009年改進SPA法得到的土地利用規(guī)劃環(huán)境影響等級下降，但長期來看整體上升趨勢是一致的。通過綜合分析可知:改進SPA 法綜合評價結(jié)果與多指標綜合評價結(jié)果以及模糊綜合評價結(jié)果基本一致，由于模糊綜合評價法和多指標綜合評價法的實用性和可行性已得到普遍認可，所以利用集對勢進行土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價具有一定的可行性，評價結(jié)果比較貼近實際情況。

表4　晉城市土地利用規(guī)劃環(huán)境影響改進SPA法跟蹤評價結(jié)果

4　結(jié)論與討論

集對分析是一種辯證思維的綜合評價模型，它通過注重信息處理過程中的相對性和模糊性能比較好的解決問題的不確定性。本文利用原創(chuàng)聯(lián)系度的可展性原理建立了土地利用規(guī)劃環(huán)境影響改進SPA法評價模型，更為細致的描述了評價對象的同一性、差異性、對立性特性。此外，利用熵權(quán)法確定各指標在土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價中的影響程度，評價結(jié)果更為客觀，較為準確反映土地利用規(guī)劃環(huán)境影響等級狀態(tài)。研究結(jié)果表明:晉城市2007年土地利用規(guī)劃環(huán)境影響級別為Ⅱ級，2009年為Ⅲ級，2011年環(huán)境影響級別為Ⅱ級，2013年環(huán)境影響級別為Ⅰ級，整體上呈波動上升的趨勢;改進SPA法綜合評價結(jié)果與模糊綜合評價結(jié)果以及多指標綜合評價評價結(jié)果基本一致，充分說明其在環(huán)境影響等級界定上具有一定的可行性和合理性。此外，與模糊綜合評價結(jié)果相比，改進SPA理論簡單實用，操作方便，在環(huán)境影響等級界定上更加精確，既可以給出評價對象環(huán)境影響等級，又能得到評價對象對于不同等級的趨同程度，評價結(jié)果準確可靠、合理直觀，為土地利用規(guī)劃環(huán)境影響跟蹤評價提供了一種更科學(xué)合理且簡單易操作的評價方法。

土地利用規(guī)劃對區(qū)域環(huán)境的影響是一種非線性的復(fù)雜關(guān)系，在土地利用規(guī)劃環(huán)境影響跟蹤評價過程中，由于必須設(shè)定評價指標的等級狀況，而目前很多相關(guān)準則和標準中只有標準等級值，本文通過參考國家標準及前人研究成果并結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，得到了指標權(quán)重、域區(qū)間和定位值等，與綜合指數(shù)法、模糊綜合評價法等方法相比，能夠有效克服區(qū)域自然環(huán)境質(zhì)量的模糊性和各評價環(huán)境因子之間的不相容性，更加適合針對復(fù)雜系統(tǒng)的評價問題。此外，由于當前土地利用規(guī)劃環(huán)境影響跟蹤評價沒有公認的評價指標，而且還受到各種物質(zhì)、文化、管理以及自然生態(tài)等環(huán)境的影響，文章尚無法對這些相關(guān)因素進行定量分析。因此，如何合理的建立一套更加全面的土地利用規(guī)劃環(huán)境影響跟蹤評價指標體系以及如何量化各指標的影響程度等問題，仍需要后續(xù)研究。

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Environmental Impact Tracking Assessment of Land Use Planning Based on Improved Set Pair Analysis

QU Lulu, SHI Xueyi, LIU Chang

(CollegeofLandScienceandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)

In view of the environmental impact assessment of land use planning system′s uncertainty， an improved set pair analysis( SPA) model is quoted that utilizes SPA theory and the malleability of the original relation degree to extend the comprehensive evaluation ranking of the environmental impact assessment of land use planning from 3 levels to 4 levels．We established the regional natural quality assessment index system consisting of water environment sub-system， soil environment sub-system， atmosphere environment sub-system and ecological environment sub-system．It can be used for obtaining the environmental impact assessment of land use planning level in different years of Jincheng City based on 10 influential factors with the theory of entropy weight and improved SPA．The comprehensive evaluation results of proposed model of the evaluation of the environmental impact assessment of land use planning are compared with the results of improved fuzzy comprehensive evaluation and comprehensive assessment to prove the rationality of improved SPA．The results indicated that since the implementation of the third-round land use planning， there was an overall improvement from Ⅲ to Ⅰ in the natural environment quality from 2007 year， 2009 year， 2011 year and 2013 year in Jincheng City. Compared with fuzzy comprehensive evaluation and comprehensive assessment， the results of three methods are basically consistent．Then it shows the evaluation results of improved SPA are reliable， reasonable and visualized， and the improved SPA is a scientific and practical evaluation method that can more carefully describe the environmental impact assessment of land use planning.

land use planning; natural environment; tracking assessment; entropy weight method; improved set pair analysis; Jincheng City

2016-02-25

2016-03-09

國土資源部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費課題“北方村莊壓煤山丘區(qū)土地綜合整治技術(shù)研究”(201411007)

璩路路(1991—),男，河南焦作人,碩士生,研究方向為土地資源評價與土地利用規(guī)劃。E-mail:qululu91@163.com

師學(xué)義(1960—),男，山西祁縣人,博士,教授,研究方向為土地利用規(guī)劃與土地利用工程。E-mail:shixueyi63@163.com

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1005-3409(2016)04-0104-06