基于層次分析法的陜西省城市生態(tài)系統(tǒng)健康動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

馬行天,曹 涵

(西安石油大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，西安 710000)

1 前 言

世界上許多城市都制定了可持續(xù)的城市發(fā)展計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)城市化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的理想狀態(tài)(Shen等)[1]，可是實(shí)際結(jié)果并不理想，近年來隨著城市化進(jìn)程不斷加快，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展給生態(tài)環(huán)境造成了巨大的負(fù)擔(dān)和損害，帶來了一系列環(huán)境壓力大、生態(tài)機(jī)制功能衰退、能源耗竭等問題。生態(tài)城市是可持續(xù)發(fā)展理念在城市建設(shè)過程中的具體表現(xiàn)，如何促進(jìn)城市生態(tài)系統(tǒng)的良性運(yùn)轉(zhuǎn)和健康可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前的主要任務(wù)(劉丹丹等)[2]。人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的關(guān)注日益加強(qiáng)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的研究也越來越深入，其中城市生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題，城市生態(tài)系統(tǒng)(urban ecosystem)是一個(gè)由社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、制度和環(huán)境變量之間復(fù)雜的相互作用產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)生態(tài)空間(Albert)[3]。與自然生態(tài)系統(tǒng)相比，城市生態(tài)系統(tǒng)擁有物質(zhì)和能源消耗高、污染大、自然資源少的特點(diǎn)，使其一直處于更加脆弱和不穩(wěn)定的狀態(tài)(Jiang和Chen)[4]。眾多學(xué)者使用不同的方法結(jié)合國(guó)內(nèi)的一些城市進(jìn)行了相關(guān)研究，Su等[5]引入集對(duì)分析(SPA)來評(píng)估北京、大連、上海，武漢、廈門和廣州等城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平；胡碧玉等[6]采用熵值法賦予指標(biāo)權(quán)重，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，對(duì)川北城市生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行了研究；于洪良[7]運(yùn)用TOPSIS方法對(duì)山東省東營(yíng)市的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)進(jìn)行實(shí)證研究；李夢(mèng)婕等[8]運(yùn)用主成分分析方法篩選城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論構(gòu)建城市生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型，進(jìn)而對(duì)南京市城市生態(tài)系統(tǒng)健康形勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)；王智宇[9]基于能值分析和城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的理論和方法，從生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)兩方面，對(duì)西安市的3個(gè)發(fā)展核心區(qū)2014年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)健康評(píng)價(jià)。

上述方法大多都是以某個(gè)城市或多個(gè)城市一年數(shù)據(jù)或多年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)或研究方法優(yōu)化比較分析，缺少對(duì)省域?qū)用嬲w城市生態(tài)系統(tǒng)健康動(dòng)態(tài)發(fā)展的研究。城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)是城市可持續(xù)發(fā)展以及城市生態(tài)文明建設(shè)的需要。在當(dāng)今各種“城市病”頻發(fā)的背景下，研究城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平，不僅有利于協(xié)調(diào)城市發(fā)展與城市生態(tài)系統(tǒng)健康之間的矛盾，而且對(duì)于指導(dǎo)城市建設(shè)規(guī)劃編制，監(jiān)控城市生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義(劉培德和滕飛)[10]。故本文在已有研究的基礎(chǔ)上，采用層次分析法對(duì)陜西省2013～2017年城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行分析，從時(shí)間序列角度進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，根據(jù)研究結(jié)果提出相應(yīng)改善城市生態(tài)健康水平的建議，以期為促進(jìn)生態(tài)城市健康發(fā)展提供科學(xué)理論依據(jù)。

2 研究區(qū)域概況

陜西省位于中國(guó)西北部，地處東經(jīng)105°29′～111°15′和北緯31°42′～39°35′之間，地勢(shì)特征明顯，北山和秦嶺把陜西分為三大自然區(qū)域：北部是陜北高原，中部是關(guān)中平原，南部是秦巴山區(qū)。全省總面積20.58萬km2，設(shè)10個(gè)省轄市，有4個(gè)縣級(jí)市。近年來，陜西省城鎮(zhèn)化水平迅速提升，城市人口的增加使城市生態(tài)環(huán)境面臨一系列問題。通過分析2013～2017年陜西省城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，為陜西省省域?qū)用娴纳鷳B(tài)環(huán)境規(guī)劃建設(shè)提供理論依據(jù)。

3 研究方法

3.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

城市生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，需要通過一系列相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)和評(píng)估?？沙掷m(xù)性評(píng)估被視為幫助實(shí)現(xiàn)可持續(xù)城市生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的重要工具，指標(biāo)是通過產(chǎn)生定量值來提供關(guān)于環(huán)境狀態(tài)的信息的參數(shù)，可以用來作為管理環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)信息的動(dòng)態(tài)衡量標(biāo)準(zhǔn)，以評(píng)估城市地區(qū)的可持續(xù)性(Moussiopoulos等；Dizdaroglu)[11-12]。城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究的核心問題在于建立合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，而目前關(guān)于城市生態(tài)健康指標(biāo)的選取在學(xué)術(shù)界還未達(dá)成共識(shí)。由于對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)健康概念理解上的差異以及研究視角的不同，學(xué)者們提出了不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系?？v觀現(xiàn)有研究，主要存在三種構(gòu)建指標(biāo)體系的方式，其一是將城市生態(tài)系統(tǒng)分為環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三個(gè)子系統(tǒng)(張曉琴和石培基；耿涌和王珺；胡碧玉；陶曉燕)[6,13～15]，其二是從自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)三個(gè)方面構(gòu)建城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(劉麗麗等；張俊華等；伍陽等)[16～18]；其三是采用活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力、維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、人類健康狀況等5大要素來構(gòu)建城市生態(tài)系統(tǒng)健康的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(師謙友；李雙江；景彩娥和張福平；郭銳利等；單海燕和楊君良；高彩玲等)[19～24]?？紤]陜西省的實(shí)際情況和數(shù)據(jù)可獲得性，借鑒已有學(xué)者的研究，本文選擇學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)可的活力、組織力、恢復(fù)力、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和人類健康狀況作為評(píng)價(jià)的5個(gè)主要要素，對(duì)每個(gè)要素提出相應(yīng)的具體評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而構(gòu)建出城市生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。(見表1)

3.2 評(píng)價(jià)方法

縱觀近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的研究，其評(píng)價(jià)方法主要有：基于熵值法確定指標(biāo)權(quán)重,并應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)(劉偉等；吳長(zhǎng)年和魏婷；劉惠；Han等；劉玒玒等；秦趣等)[25～30]；采用突變理論標(biāo)準(zhǔn)量化底層評(píng)價(jià)指標(biāo)，再根據(jù)相應(yīng)的歸一化公式推求突變級(jí)數(shù)值，從而確定城市生態(tài)健康狀態(tài)(徐雪松等；呂爽等)[31-32]；基于主成分分析法確定指標(biāo)的權(quán)重，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法對(duì)城市的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析(李夢(mèng)婕等；官冬杰；Zeng等)[8,33-34]；使用能值分析方法評(píng)價(jià)城市生態(tài)系統(tǒng)健康(王智宇等；李恒等)[9,35]；除此之外，還有運(yùn)用集對(duì)分析方法分析城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況(劉丹丹等，Su等)[2,36]，運(yùn)用層次分析法對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)(李艷麗等；袁明鵬和嚴(yán)河；王艷等)[37～39]?？梢钥闯鲇脕碓u(píng)價(jià)城市生態(tài)系統(tǒng)健康的方法多種多樣，但由于研究視角不同采用的方法也有所差異，本文是要探究陜西省近幾年來整個(gè)城市生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化，所以主要采用層次分析法進(jìn)行相關(guān)研究。

表1 城市生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Urban ecosystem evaluation index

層次分析法是一個(gè)將復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題作為一個(gè)系統(tǒng)，將目標(biāo)分解，進(jìn)而產(chǎn)生多個(gè)指標(biāo)，通過定性指標(biāo)模糊量化算出指標(biāo)的權(quán)數(shù)，為決策提供依據(jù)的系統(tǒng)方法，整個(gè)過程體現(xiàn)了人們分解-判斷-綜合的思維特征。這一方法的核心是將決策者的經(jīng)驗(yàn)判斷給予量化，從而為決策者提供定量形式的決策依據(jù)，在目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要數(shù)據(jù)的情況下更為實(shí)用(Saaty)[40]。在運(yùn)用AHP方法進(jìn)行評(píng)價(jià)或決策時(shí)，大體可分為四個(gè)步驟：

(1)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)中各基本要素之間的關(guān)系，建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)。

(2)對(duì)同一層次的各元素關(guān)于上一層次中某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較，建立各階層的判斷矩陣A。

式中,aij—要素i與要素j相比的重要性標(biāo)度。

最大特征根λmax及一致性指標(biāo)C.I.的計(jì)算一般需在求得重要度向量W0后進(jìn)行。

式中，(AW)i表示向量AW的第i個(gè)分量。

進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)(Random Index，R.I.)，計(jì)算一致性比例(Consistency Ratio，C.R.)。

當(dāng)C.R.小于1時(shí)，判斷矩陣才具有滿意的一致性，否則就需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整。

(4) 計(jì)算各層要素對(duì)系統(tǒng)目的(總目標(biāo))的合成(總)權(quán)重，并對(duì)各備選方案排序。

3.3 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要來源于2013～2017年《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》的相關(guān)數(shù)據(jù)(見表2)。

表2 陜西省生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)Tab.2 Shaanxi Province Ecosystem Health Assessment Data

4 城市生態(tài)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)

4.1 建立評(píng)價(jià)系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)已經(jīng)確立的城市生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建相對(duì)應(yīng)的城市生態(tài)系統(tǒng)健康的遞階層次結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

圖 城市生態(tài)系統(tǒng)健康層次結(jié)構(gòu)圖Fig. Urban ecosystem health hierarchy chart

4.2 計(jì)算相對(duì)重要度

進(jìn)行層次分析的關(guān)鍵在于構(gòu)建判斷矩陣，而在構(gòu)建判斷矩陣之前，首先必須明確兩兩比較標(biāo)度，美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家、匹茲堡大學(xué)教授T.L薩迪(T.L Saaty)選擇1～9之間的整數(shù)及其倒數(shù)作為標(biāo)度，具體含義如表3所示。

根據(jù)城市生態(tài)系統(tǒng)健康的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，首先評(píng)價(jià)最高層要素，即分析在活力、組織力、恢復(fù)力、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和人群健康狀況等5個(gè)評(píng)價(jià)要素中，哪一個(gè)評(píng)價(jià)要素比較重要，設(shè)各評(píng)價(jià)要素的判斷矩陣如表4所示。

表3 判斷矩陣標(biāo)度定義[41]Tab.3 Judgment matrix scale definition

表4 最高層判斷矩陣及相對(duì)重要度計(jì)算Tab.4 Top level judgment matrix and relative importance calculation

通過最高層次的分析，可得到各評(píng)價(jià)要素的權(quán)重系數(shù)，其計(jì)算方法可用方根法求出判斷矩陣的相應(yīng)的特征向量，再對(duì)其進(jìn)行歸一化處理得到歸一化相對(duì)重要度向量并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。計(jì)算結(jié)果表明被選城市綜合評(píng)價(jià)中，其評(píng)價(jià)要素的重要性的排序?yàn)椋築1>B2>B3>B5>B4。進(jìn)一步評(píng)價(jià)各個(gè)細(xì)分指標(biāo)在不同的評(píng)價(jià)要素下的相對(duì)重要度，按 5個(gè)要素分別構(gòu)建判斷矩陣，并計(jì)算出每個(gè)評(píng)價(jià)要素下各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要度，處理過程如表5所示。

表5 五個(gè)要素各細(xì)分指標(biāo)的判斷矩陣及相對(duì)重要度計(jì)算Tab.5 Judgment matrix and relative importance calculation of each sub-index of five elements

續(xù)表1

B3C10C11C12WiW0iC101311.4420.443C111/311/20.5500.169C121211.2600.388λmax = 3.019;C.R.= 0.018 < 0.1B4C13C14C15WiW0iC13121/210.311C141/211/20.6300.196C152211.5870.493λmax = 3.054;C.R.= 0.052 < 0.1B5C16C17C18WiW0iC161221.5870.501C171/2110.7940.251C181/2110.7940.251λmax = 3.001;C.R.= 0.001 < 0.1

C.R.代表一致性比例，λmax代表最大特征根。

4.3 計(jì)算總重要度

通過總重要度的計(jì)算，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)最高層總目標(biāo)的合成(總)權(quán)值，并據(jù)此對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)作出最終排序。影響城市生態(tài)系統(tǒng)健康的18項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)健康影響程度排序如表6所示。

表6 評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)健康影響總排序Tab.6 Total ranking of impacts of evaluation indicators on urban ecosystem health

其中，Bi分別代表五個(gè)評(píng)價(jià)要素，Ci分別代表十八項(xiàng)具體指標(biāo)。

由總重要度的計(jì)算可知,具體指標(biāo)相對(duì)重要性順序?yàn)镃1，C10，C16，C7，C2，C12，C15，C3，C5，C6，C17，C18，C13，C11，C4，C9，C14，C8。通過對(duì)具體指標(biāo)相對(duì)重要性的分析，可以看出在城市生態(tài)系統(tǒng)健康的影響因素中，經(jīng)濟(jì)水平對(duì)其影響最大，達(dá)到了15.3%；其次是廢水處理能力和健康服務(wù)，分別達(dá)到了8.4%和8.3%；社會(huì)結(jié)構(gòu)、垃圾處理能力、居民生活便利程度、能源消耗等4項(xiàng)影響指標(biāo)的所占比重不相上下，自然結(jié)構(gòu)、文化水平、城市設(shè)施水平對(duì)其影響不大，均低于5%；相對(duì)來講，對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)健康影響最小的是經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。

4.4 計(jì)算各年份的綜合評(píng)價(jià)值

計(jì)算和比較陜西省2013～2017年的綜合評(píng)價(jià)值。由于這18項(xiàng)指標(biāo)的單位不同，且其中既有極大型指標(biāo)又有極小型指標(biāo)，所以在進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)之前，首先需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和無量綱化處理，這里采用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。極值處理法：

其中，Mj=max{xij}，mj=min(xij)對(duì)于指標(biāo)為極小型的情況，上式變?yōu)椋?/p>

經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 綜合評(píng)價(jià)值的計(jì)算Tab.7 Calculation of comprehensive evaluation values

各個(gè)年份的綜合評(píng)價(jià)值是其18項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的權(quán)數(shù)和，從綜合評(píng)價(jià)值比較陜西省近年來城市生態(tài)系統(tǒng)健康程度來看，我們可以得到以下結(jié)論：①2013～2017年期間的綜合評(píng)價(jià)值呈顯著上升趨勢(shì)，其中2013年至2015年增長(zhǎng)速度較快，2015年至2016年增長(zhǎng)速度較為平緩，2016年至2017年又呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)，即總體而言每年的生態(tài)健康程度在不斷提高。②2017年的各評(píng)價(jià)指標(biāo)中，人均地區(qū)生產(chǎn)總值、每萬人擁有城市衛(wèi)生技術(shù)人員數(shù)、城鎮(zhèn)居民消費(fèi)水平、供水綜合生產(chǎn)能力、電力消費(fèi)量、城市綠地面積等指標(biāo)相對(duì)于其他年份來說具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其中前兩項(xiàng)指標(biāo)分別代表了經(jīng)濟(jì)水平、健康服務(wù)，均是對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生較大影響的因素。③影響城市2017的限制指標(biāo)相對(duì)于其他年份來說，主要是建成區(qū)綠化覆蓋率和生活垃圾清運(yùn)量，兩項(xiàng)指標(biāo)分別包含于城市生態(tài)系統(tǒng)健康的自然結(jié)構(gòu)和垃圾處理能力之中，只要努力改善這兩項(xiàng)功能，對(duì)提高城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平有很大幫助。

5 結(jié) 論

本文借鑒已有研究成果，根據(jù)活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和人類健康狀況5個(gè)要素構(gòu)建陜西省城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系，從時(shí)間上分析陜西省城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。研究結(jié)果表明，隨著時(shí)間推移，陜西省城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平總體呈現(xiàn)顯著上升，但其中自然結(jié)構(gòu)和垃圾處理能力等影響因素存在下降趨勢(shì)，成為目前制約該省城市生態(tài)健康的主要因素。針對(duì)研究結(jié)果，未來陜西省城市生態(tài)系統(tǒng)有較大的發(fā)展?jié)摿吞嵘臻g，生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展重點(diǎn)在于提高組織結(jié)構(gòu)與恢復(fù)力，要想保持良好的健康發(fā)展水平，應(yīng)進(jìn)一步改善組織結(jié)構(gòu)并加強(qiáng)恢復(fù)力功能建設(shè)。

·清潔生產(chǎn)·

DOI：10.14034/j.cnki.schj.2019.03.025