基于PSR模型和突變理論的土地利用總體規(guī)劃生態(tài)風(fēng)險評價

李丹 韓書成 易森鵬 張燕純

摘要：土地利用總體規(guī)劃生態(tài)風(fēng)險評價對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護、規(guī)劃實施可能導(dǎo)致的不利生態(tài)效應(yīng)的減少、人地協(xié)調(diào)發(fā)展的實現(xiàn)具有重要意義。運用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）模型，從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3方面構(gòu)建評價指標(biāo)體系，并采用改進的突變評價法構(gòu)建定量模型，以廣州市土地利用總體規(guī)劃為例進行實證研究。結(jié)果顯示，在規(guī)劃實施期內(nèi)，區(qū)域生態(tài)風(fēng)險總體呈降低趨勢，表明該規(guī)劃對土地利用生態(tài)保護具有積極作用，規(guī)劃的編制具有較強的科學(xué)性和合理性。但規(guī)劃期內(nèi)生態(tài)風(fēng)險處于較高和高等級別，也反映該規(guī)劃的編制對生態(tài)風(fēng)險的考慮不夠全面，規(guī)劃還有較大的修改完善空間。

關(guān)鍵詞：土地利用總體規(guī)劃；生態(tài)風(fēng)險；PSR模型；突變評價法；廣州市

中圖分類號： F301.23文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）11-0222-04[HS）][HT9.SS]

20世紀(jì)90年代，隨著人們對環(huán)境影響評價認(rèn)知的深入以及環(huán)境風(fēng)險評價理論的逐步興起和發(fā)展[1]，生態(tài)風(fēng)險評價引起學(xué)者的高度關(guān)注，并逐漸成為發(fā)現(xiàn)和解決環(huán)境問題的決策基礎(chǔ)[2]。生態(tài)風(fēng)險評價是指研究區(qū)域在受到1個或多個脅迫因素影響后，對已經(jīng)發(fā)生或正在發(fā)生不利生態(tài)效應(yīng)的可能性進行評價的一種方法[1，3]。當(dāng)前生態(tài)風(fēng)險評價的研究多以單一具體事物為對象[4-6]，對多風(fēng)險源、多受體的綜合性規(guī)劃分析較少。而土地利用總體規(guī)劃作為一項強烈的人類干擾活動，其實施會對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生重大影響，相應(yīng)地也會產(chǎn)生生態(tài)風(fēng)險[7]，且它對生態(tài)環(huán)境的影響往往比單一具體事物更為深刻。因此，在土地利用總體規(guī)劃中引入生態(tài)風(fēng)險評價機制，對于有效規(guī)避生態(tài)風(fēng)險、提高土地利用決策的科學(xué)性、實現(xiàn)人地協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

當(dāng)前國內(nèi)學(xué)者對土地利用總體規(guī)劃的生態(tài)風(fēng)險評價主要運用的方法有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值法、綜合評價指數(shù)法和正態(tài)云模型等[8-12]，這些方法多是單純從指標(biāo)相互作用關(guān)系的靜態(tài)設(shè)計出發(fā)，忽略了區(qū)域土地利用生態(tài)狀況的動態(tài)變化，難以進行較全面的生態(tài)監(jiān)測，且在權(quán)重確定上，多采用主觀性較強的層次分析法（AHP）[13-14]，客觀性不足。本研究采用改進的突變評價法構(gòu)建定量模型，運用突變級數(shù)對各個目標(biāo)進行量化，可以不考慮權(quán)重的影響，既克服了主觀性，還易于計算，同時運用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)PSR模型構(gòu)建指標(biāo)評價體系，以《廣州市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020年）》為對象開展生態(tài)風(fēng)險評價的實證研究。

1研究方法

1.1突變評價法

突變理論（catastrophe theory）是由法國數(shù)學(xué)家Thom創(chuàng)立的一門研究突變現(xiàn)象的新興數(shù)學(xué)科學(xué)，主要研究從一種穩(wěn)定組態(tài)躍遷到另一種穩(wěn)定組態(tài)的現(xiàn)象和規(guī)律，特別適合內(nèi)部作用機制尚未確知系統(tǒng)的研究[15]。土地利用總體規(guī)劃生態(tài)風(fēng)險產(chǎn)生的實質(zhì)是系統(tǒng)由安全組態(tài)向不安全組態(tài)的躍遷， 且規(guī)[LM]劃在確定或調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)或布局時，內(nèi)部作用機制復(fù)雜[16]，因此應(yīng)用突變理論進行分析和評價較為適合。

1.1.1常用的突變理論基本模型

1.1.2突變模型的改進

常用突變模型在使用時一般只適用于不多于4個因子的指標(biāo)評價，當(dāng)因子指數(shù)大于4時，一般只能通過因子分析來減少因子數(shù)量，這樣使得評價指標(biāo)數(shù)量大大減少，影響評價指標(biāo)的全面性和科學(xué)性。為擴大突變模型在生態(tài)評價中的應(yīng)用范圍，針對原有模型進行改進，通過對表1中4種常用的突變模型勢函數(shù)和歸一化公式的觀察、分析和歸納，可以推出突變模型維數(shù)≥5時的勢函數(shù)和相應(yīng)的歸一化公式的一般表達式：

Vn（x）=[SX（]1n+2[SX）]·x（n+2）+[SX（]`1n[SX）]·a1xn+[SX（]1n-1[SX）]·a2x（n-1）+[SX（]1n-2[SX）]·a3x（n-2）+…+anx；[JY]（1）

x1=a11/2，x2=a21/3，x3=a31/4，…，xn=an1/（n+1）。[JY]（2）

式（1）中：n為正整數(shù)，當(dāng)n≤4時，即為表1中的4種常見突變模型。

1.1.3突變評價的步驟

（1）構(gòu)建評價指標(biāo)體系。根據(jù)指標(biāo)維數(shù)，選取合適的突變評價模型。（2）對原始數(shù)據(jù)進行指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化。將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為0～1范圍內(nèi)的無量綱可比化數(shù)值。（3）歸一運算。利用歸一公式，按照“互補”或“非互補”的原則進行綜合量化遞歸運算，求出評價系統(tǒng)總突變隸屬度值。（4）重復(fù)上述步驟，分別計算出不同評價系統(tǒng)的總突變隸屬函數(shù)值，從而進行比較分析。

[HTK]1.2構(gòu)建評價指標(biāo)體系[HT]

本研究遵循科學(xué)性、完整性、有效性、數(shù)據(jù)可得性和可量化等原則，參考相關(guān)學(xué)者研究[1，16]，同時結(jié)合研究區(qū)域的經(jīng)濟社會發(fā)展?fàn)顩r和土地利用現(xiàn)狀及生態(tài)特點，從“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”3個層次出發(fā)，遴選出16個指標(biāo)組成土地利用總體規(guī)劃生態(tài)風(fēng)險綜合評價體系（表2）。其中，壓力是指土地利用規(guī)劃實施后土地系統(tǒng)可能造成的生態(tài)風(fēng)險，狀態(tài)是指土地系統(tǒng)面對風(fēng)險壓力時所處的狀態(tài)，響應(yīng)是指土地系統(tǒng)面對生態(tài)風(fēng)險時所作出的響應(yīng)。

2實證分析

[HTK]2.1研究區(qū)域概況[HT]

廣州市位于廣東省東南部，東江、西江、北江交匯處，介于112°57′～114°3′E，22°26′～23°56′N之間，土地總面積 74.34萬hm2，屬丘陵地貌，地勢東北高、西南低，北部是丘陵山區(qū)，中部是丘陵盆地，南部為沿海沖積平原，海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候顯著，溫暖多雨，光熱充足，夏季長，霜期短。廣州市經(jīng)濟社會發(fā)展速度快，人均GDP 為19.83萬元，人口密度達到1 133人/km2?！稄V州市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020年）》是統(tǒng)籌全市土地利用、開發(fā)、整治和保護的綱領(lǐng)性文件，以2005年為規(guī)劃基期年，2010年為規(guī)劃近期年，2020年為規(guī)劃目標(biāo)年，范圍包括廣州市行政轄區(qū)。

2.2數(shù)據(jù)來源及處理

本研究數(shù)據(jù)來源于《廣州市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020年）》、廣州市環(huán)境保護局、《廣州統(tǒng)計年鑒》、《中國城市統(tǒng)計年鑒》（2006—2011年）、《廣州市綠地系統(tǒng)規(guī)劃》（2010—2020年），部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于廣州市年度報表和宏觀年報。

由于原始數(shù)據(jù)取值范圍和度量單位各不相同，無法進行相互比較。為消除變量間的量綱關(guān)系，使數(shù)據(jù)具有可比性，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)計算平臺，運用極差標(biāo)準(zhǔn)化公式[式（1）、式（2）]對獲取到的指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理（表3）。本研究中，指標(biāo)的正負(fù)性質(zhì)見表2。

正向指標(biāo)：

[JZ（]yi=（xi-xmin）/（xmax-xmin）；[JZ）][JY]（3）

負(fù)向指標(biāo)：

[JZ（]yi=（xmax-xi）/（xmax-xmin）。[JZ）][JY]（4）

式中：yi為原始指標(biāo)xi標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值；xi為第i項指標(biāo)；xmax為該項指標(biāo)的最大值；xmin為該項指標(biāo)的最小值。

2.3生態(tài)風(fēng)險評價

根據(jù)常見的4種突變模型及改進后突變模型的一般表達式和PSR模型構(gòu)建的指標(biāo)體系，可以構(gòu)建相應(yīng)的評價模型。指標(biāo)層中，x1～x7適用突變模型的一般表達式，x8～x12也適用突變模型的一般表達式，x13～x16適用蝴蝶突變。逐步向上遞推，3個準(zhǔn)則層又進一步構(gòu)成燕尾突變（圖1）。

以2005年為例，x13～x16構(gòu)成蝴蝶突變，采用歸一化公式有：

x13=（0）1/2=0，x14=（1）1/3=1，x15=（0.43）1/4=0.81，x16=（1）1/5=1。

由于各控制變量之間存在明顯的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，共同對上一層指標(biāo)產(chǎn)生作用，因此應(yīng)采用突變級數(shù)法的“互補”原則，將各控制變量的平均值作為系統(tǒng)的突變級數(shù)值，進行綜合量化遞歸運算，取均值有：C3=（x13+x14+x15+x16）/4=0.7。

指標(biāo)x1～x7和x8～x12構(gòu)成突變的一般表達式，分別采用改進后的歸一化公式（2）計算，C1=0.56，C2=1。逐步向上遞推，準(zhǔn)則層指標(biāo)C1、C2、C3構(gòu)成燕尾突變，按“互補原則”，可以算得2005年廣州市土地利用總體規(guī)劃生態(tài)風(fēng)險值B=0.89。

同理可以求得2010、2020年的生態(tài)風(fēng)險值分別是0.87、0.62。

3結(jié)果與分析

由于目前關(guān)于土地利用總體規(guī)劃的生態(tài)風(fēng)險值沒有統(tǒng)一的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，因此參考已有研究[1，21]，采用絕對意義下的等級標(biāo)準(zhǔn)，將生態(tài)風(fēng)險度由低到高依次劃分為低、較低、中等、較高、高5個等級，對應(yīng)的范圍分別為[0，0.2）、[0.2，04）、[0.4，0.6）、[0.6，0.8）、[0.8，1]，數(shù)值越高，表示規(guī)劃實施可能導(dǎo)致的生態(tài)風(fēng)險越大，由此可知，2005、2010年生態(tài)風(fēng)險處于高等級，2020年生態(tài)風(fēng)險處于較高等級（表4）。

總體來看，生態(tài)風(fēng)險值向不斷減少的趨勢發(fā)展，尤其是規(guī)劃實施至2020年，生態(tài)風(fēng)險值減少幅度明顯，說明土地利用總體規(guī)劃的實施具有較大的可行性和科學(xué)性。今后國土資源相關(guān)部門要嚴(yán)格落實規(guī)劃的實施，嚴(yán)禁擅自修改或調(diào)整規(guī)劃確定的用地規(guī)模、結(jié)構(gòu)和布局等，有序推進規(guī)劃的各項目標(biāo)、任務(wù)和計劃的順利完成；要注意發(fā)揮土地利用總體規(guī)劃對生態(tài)環(huán)境保護的積極作用，提高規(guī)劃實施后的生態(tài)效益，實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

研究時段內(nèi)生態(tài)風(fēng)險處于較高和高2個等級范圍內(nèi)，也反映了土地利用總體規(guī)劃的編制對于生態(tài)風(fēng)險的考慮還不夠全面，規(guī)劃還有較大的修改完善空間。今后，在對規(guī)劃的修編完善中，要提高對生態(tài)保護的重視程度和支持力度，降低土地利用生態(tài)風(fēng)險；要充分利用“3S”（遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)）等現(xiàn)代化信息技術(shù)，加強對土地利用的監(jiān)督和調(diào)查，建立健全土地利用生態(tài)保護長效機制，達到有效規(guī)避生態(tài)風(fēng)險，提高土地利用總體規(guī)劃的科學(xué)性和合理性。

4結(jié)論

本研究利用PSR模型構(gòu)建指標(biāo)體系并運用改進后的突變理論模型進行土地利用總體規(guī)劃生態(tài)風(fēng)險評價，有效避免了人為賦予權(quán)重的主觀性，比較客觀地計算出2005、2010、2020年廣州市土地利用總體規(guī)劃生態(tài)風(fēng)險值。結(jié)果顯示，規(guī)劃實施期間，廣州市土地利用總體規(guī)劃生態(tài)風(fēng)險呈降低趨勢，規(guī)劃編制具有較大的科學(xué)性和可行性。但研究時段內(nèi)生態(tài)風(fēng)險值等級處于較高和高等級范圍內(nèi)，也反映了土地利用總體規(guī)劃還不夠完善，生態(tài)環(huán)境形勢不容樂觀。今后不僅要發(fā)揮規(guī)劃對保護生態(tài)環(huán)境的積極作用，還要重視降低規(guī)劃實施的生態(tài)風(fēng)險，使規(guī)劃更加科學(xué)完善。

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