基于RS/GIS與GM(1,1)模型的長沙市城市生態(tài)安全評(píng)估與預(yù)測

艾媛巧，朱紅梅，譚雪蘭

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410000)

0 引言

當(dāng)前我國城市擴(kuò)張與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展同生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾是不可回避的現(xiàn)實(shí)問題。城市的發(fā)展、擴(kuò)張與生態(tài)環(huán)境之間的相互關(guān)系十分復(fù)雜，城市發(fā)展取得重大成就時(shí)，難免對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生脅迫效應(yīng)，而嚴(yán)峻的生態(tài)安全形勢又會(huì)反過來制約城市的發(fā)展[1]。在城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間如何找到一個(gè)平衡點(diǎn)，走和諧可持續(xù)的發(fā)展道路已成為政府高度重視的政治命題，也成為了學(xué)者們研究的熱點(diǎn)課題?，F(xiàn)有國內(nèi)外研究主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)研究內(nèi)容大部分集中在2個(gè)方面：一是探索城市化與生態(tài)環(huán)境之間存在的耦合關(guān)系[1-2]，二是揭示城市擴(kuò)張對(duì)某種生態(tài)現(xiàn)象或資源的影響[3-5]。(2)研究方法多樣且涉及多個(gè)領(lǐng)域，包括灰色關(guān)聯(lián)度分析、主成分分析、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)足跡等方法[2,6-8]，另外，“3S”技術(shù)也逐步被引入到生態(tài)安全研究中來[9]。(3)研究區(qū)域主要集中在大城市、特大城市及城市群，流域、海岸帶、干旱地區(qū)及生態(tài)脆弱地區(qū)[1-2,10-15]，鮮有涉及區(qū)縣級(jí)的研究。(4)針對(duì)城市生態(tài)安全預(yù)測的研究不多，學(xué)者們更關(guān)注土地尤其是耕地生態(tài)安全的預(yù)測[16-19]。

鑒于此，本文將關(guān)注點(diǎn)放在中部地區(qū)的二線城市，以長沙市為研究區(qū)域，收集整理相關(guān)數(shù)據(jù)，定量評(píng)價(jià)長沙市城市生態(tài)安全，分析2009～2015年長沙市城市擴(kuò)展的主要方向，并針對(duì)擴(kuò)展方向上具有代表性的城市區(qū)域芙蓉區(qū)做進(jìn)一步的生態(tài)安全評(píng)價(jià)，探索較小尺度的城市擴(kuò)展與生態(tài)安全之間的聯(lián)系，最后對(duì)長沙市未來5年的生態(tài)安全等級(jí)進(jìn)行預(yù)測，以期為實(shí)現(xiàn)城市擴(kuò)張與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

長沙市地處湖南省東部偏北，湘江下游和長瀏盆地西緣。2016年底長沙市市區(qū)面積2150.90 km2，其中建成區(qū)面積從解放初期僅6.7 km2增大到374.64 km2，市區(qū)常住人口764.52萬，城鎮(zhèn)化率為75.99%，地區(qū)生產(chǎn)總值9356.91億元。長沙市是長江以南重要的中心城市之一，國家“兩型社會(huì)”建設(shè)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)，全國性綜合交通樞紐。近10年來，長沙市地區(qū)生產(chǎn)總值實(shí)現(xiàn)連年增長，各方面發(fā)展均領(lǐng)先于湖南省其他各縣市，與之相伴隨的是資源的消耗和工業(yè)污染的蔓延。2007～2016年間，長沙市市區(qū)全年用電量由63.73億千瓦時(shí)增加至175.99億千瓦時(shí)，增加了約2.8倍；工業(yè)廢氣排放量一度從293.35億標(biāo)m3增加到1021.98億標(biāo)m3；固體廢棄物產(chǎn)生量從107.3萬t增加到141.3萬t，峰值曾達(dá)到183.6萬t。因此，對(duì)長沙市近年來的生態(tài)安全狀況變化情況進(jìn)行評(píng)估與預(yù)測具有必要性和現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源

以長沙市為研究區(qū)域，在城市空間數(shù)據(jù)方面，搜集了長沙市2009年9月及2015年9月的2期TM影像數(shù)據(jù)，并以長沙市1∶5萬的地形圖為基準(zhǔn)，運(yùn)用MapGIS 6.7軟件進(jìn)行遙感圖像預(yù)處理[20]。

生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究的各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)主要來源于2008～2017年《長沙統(tǒng)計(jì)年鑒》、2007～2016年《長沙市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》以及2009～2015年《芙蓉區(qū)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。

2 研究方法

2.1 等扇分析法

在ArcGIS 9.3軟件中，本研究以長沙市火車站為中心(坐標(biāo)為：x=28°11′50″，y=113°00′34″)，以適當(dāng)長度為半徑，從北偏東11.25°為起點(diǎn)，將主城區(qū)劃分為16個(gè)扇形區(qū)域，研究不同時(shí)段各個(gè)扇區(qū)的擴(kuò)展強(qiáng)度和方向，并以雷達(dá)圖進(jìn)行表現(xiàn)[20]。

2.2 構(gòu)建指標(biāo)體系

P-S-R(壓力-狀態(tài)-響應(yīng))模型，是環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)與生態(tài)安全評(píng)價(jià)中常用的一種模型。遵循科學(xué)性、動(dòng)態(tài)性、數(shù)據(jù)可獲得性等原則，參考已有相關(guān)研究成果[2,21-22]，并結(jié)合長沙市實(shí)際情況，著重考慮城市擴(kuò)張、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)3個(gè)方面的因素，選取20個(gè)指標(biāo)構(gòu)建了長沙市生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)，選取11個(gè)指標(biāo)構(gòu)建了長沙市芙蓉區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表2)。

2.3 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，可解決各指標(biāo)量綱不統(tǒng)一導(dǎo)致的指標(biāo)之間及指標(biāo)內(nèi)部的不可比性的問題。本研究采用極值法計(jì)算：

正向指標(biāo)：

(1)

逆向指標(biāo)：

(2)

式中：xij表示第i年第j項(xiàng)指標(biāo)的變量值；minj(xij)和maxj(xij)分別表示第j項(xiàng)指標(biāo)數(shù)列的最小值和最大值；Yij表示第i年第j項(xiàng)指標(biāo)的變量值的標(biāo)準(zhǔn)化值。

2.4 生態(tài)安全值的計(jì)算

權(quán)重表征的是各指標(biāo)的相對(duì)重要程度。本研究采用熵值法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重賦值，熵值法作為一種客觀賦權(quán)法，可盡量避免主觀因素對(duì)賦權(quán)結(jié)果帶來的偏差[16]。

主要計(jì)算過程如下：

計(jì)算第i年第j項(xiàng)指標(biāo)值的比重：

(3)

計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的信息熵ej：

(4)

式中：k=1/lnm，m為總評(píng)價(jià)年數(shù)；如果Zij為0則用0.00001代替計(jì)算。

計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重wj：

(5)

式中：dj=1-ej表示信息熵冗余度；n為總指標(biāo)數(shù)。

在確定指標(biāo)權(quán)重的基礎(chǔ)上，計(jì)算第i年的生態(tài)安全值Si：

(6)

生態(tài)安全等級(jí)一般可劃分為5個(gè)等級(jí)[21,23](表3)。

表1 長沙市生態(tài)安全“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 芙蓉區(qū)生態(tài)安全“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表3 生態(tài)安全等級(jí)劃分

2.5 GM(1,1)模型

引入灰色預(yù)測模型對(duì)長沙市2017～2021年的城市生態(tài)安全值進(jìn)行預(yù)測。灰色預(yù)測模型的核心是GM(1,1)模型，用于對(duì)既含已知信息又含未知信息的系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測。無偏GM(1,1)模型是傳統(tǒng)GM(1,1)模型的演化成果，較之傳統(tǒng)GM(1,1)模型僅適用于原始數(shù)據(jù)序列按指數(shù)規(guī)律變化的情況，無偏GM(1,1)模型的適用范圍更廣。本文基于無偏GM(1,1)模型，在Matlab軟件的支持下，通過編程計(jì)算預(yù)測值，并通過后驗(yàn)差對(duì)模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)，其精度檢驗(yàn)等級(jí)見表4[8,16-19]。

3 結(jié)果與分析

3.1 長沙市生態(tài)安全評(píng)估

根據(jù)公式(1)～公式(6)對(duì)長沙市2007～2016年生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并依據(jù)生態(tài)安全等級(jí)劃分表(表3)對(duì)結(jié)果進(jìn)行劃分，結(jié)果見表5。

表4 GM(1,1)模型精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

表5 長沙市生態(tài)安全等級(jí)劃分(2007～2016年)

表5顯示，2007～2016年長沙市生態(tài)安全長期處于一般安全狀態(tài)，部分年份出現(xiàn)回落現(xiàn)象，總體呈波動(dòng)上升趨勢。

長沙市生態(tài)安全狀況的變化大致可以從3個(gè)階段分析。第一階段，一般安全狀態(tài)初期階段(2007～2010年)。長沙市生態(tài)安全初步進(jìn)入一般安全狀態(tài)，生態(tài)安全值在0.4這一節(jié)點(diǎn)起伏，尚不穩(wěn)定，期間，2008年一度降至0.275，生態(tài)安全狀態(tài)回落至較不安全階段，隨后2年逐步回升。造成這一回落狀態(tài)的原因主要包括：一是2007年底長沙市獲批成為國家“兩型社會(huì)”綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)，截至2008年底，各項(xiàng)社會(huì)事業(yè)皆處于起步階段，對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境如何實(shí)現(xiàn)均衡發(fā)展尚在摸索。二是2008年長沙市行政區(qū)劃調(diào)整，長沙市政府加快城市建設(shè)，新增建成區(qū)面積61.55 km2，長沙市建成區(qū)面積由2007年底的181.23 km2增加至242.78 km2。建成區(qū)面積增加速度過快，超出該時(shí)段生態(tài)環(huán)境承載能力，又與該時(shí)段城市生態(tài)建設(shè)工作進(jìn)度不相適應(yīng)，是導(dǎo)致2008年長沙市生態(tài)安全狀態(tài)大幅度回落的最主要原因。

第二階段，一般安全狀態(tài)穩(wěn)定階段(2011～2013年)。這一階段長沙市生態(tài)安全狀況明顯改善，生態(tài)安全值在0.56以上，呈平穩(wěn)上升趨勢，這得益于長沙市政府在生態(tài)建設(shè)與推進(jìn)“兩型社會(huì)”的建設(shè)和改革方面采取的一系列積極措施。一是加強(qiáng)綠心保護(hù)，推進(jìn)沿江風(fēng)光帶及濕地公園建設(shè)，完善、落實(shí)森林生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制。長沙市人均城市園林綠地面積實(shí)現(xiàn)連年增長，截至2013年底已達(dá)13.31 m2/人，森林覆蓋率達(dá)53.48%。二是實(shí)施環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策。推行階梯水價(jià)、電價(jià)、氣價(jià)，排污權(quán)交易政策逐漸落到實(shí)處，實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)總量、單位GDP能耗連年下降[24]。城區(qū)開征生活垃圾處理費(fèi)，?？钣糜诔鞘猩罾鵁o害化、資源化處理。2011年長沙市生活垃圾無害處理量較2010年有一個(gè)較大的增長，隨后2年長沙市生活垃圾無害處理量均保持在160萬t以上。

第三階段，較安全狀態(tài)初期階段(2014～2016年)。經(jīng)過上一階段生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)工作的大量累積，長沙市于2014年進(jìn)入生態(tài)較安全狀態(tài)初期階段，2015年生態(tài)安全值小幅度下降至0.597，生態(tài)安全狀態(tài)回落至一般安全狀態(tài)后期階段，隨后一年生態(tài)安全值回升至0.676。這一階段長沙市生態(tài)環(huán)境狀況整體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢，期間出現(xiàn)生態(tài)安全值的小幅度回落，在長沙市城市生態(tài)安全剛進(jìn)入較安全狀態(tài)初期階段時(shí)，尚在情理之中，但究其根源仍是建成區(qū)面積的增加速度超出城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)工作的承受能力。2016年長沙市生態(tài)安全狀態(tài)的回升與當(dāng)?shù)卣τ谏鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)工作密不可分。“三年造綠大行動(dòng)”成果初顯，新增綠化面積3.45萬hm2，2016年長沙市建成區(qū)綠化覆蓋率近40%[25]，人均城市園林綠地面積達(dá)14.62 m2/人。湘江、瀏陽河流域治理卓有成效，實(shí)現(xiàn)湘江城區(qū)段百余個(gè)排污口全截污，出境斷面水質(zhì)100%達(dá)標(biāo)[25]。工業(yè)粉塵排放量逐年下降，在2016年達(dá)到過去10年內(nèi)最低值僅0.69萬t，生活垃圾無害化處理量達(dá)10年內(nèi)最高值為215萬t。

綜合來看，2007～2016年長沙市生態(tài)安全由一般安全狀態(tài)向較安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變，長沙市建成區(qū)擴(kuò)張、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展能逐漸與生態(tài)環(huán)境的承載能力相適應(yīng)，走協(xié)調(diào)發(fā)展的道路。個(gè)別年份出現(xiàn)的生態(tài)安全值回落的情況顯示，當(dāng)城市建成區(qū)面積擴(kuò)張的速度過快，超出城市生態(tài)保護(hù)與建設(shè)能力時(shí)，將不可避免地對(duì)城市生態(tài)安全產(chǎn)生脅迫效應(yīng)，并出現(xiàn)一系列負(fù)面效果。

3.2 長沙市城市空間擴(kuò)展方向

為進(jìn)一步研究長沙市城市用地?cái)U(kuò)張對(duì)城市生態(tài)安全的影響，首先對(duì)研究區(qū)域的城市空間擴(kuò)展方向進(jìn)行分析。由圖1可知，2009～2015年長沙市城市空間主要向東南、西和東3個(gè)方向擴(kuò)展，呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢。3個(gè)方向分別大致對(duì)應(yīng)長沙市的雨花區(qū)、岳麓區(qū)及芙蓉區(qū)，從研究區(qū)域?qū)嶋H情況及指標(biāo)數(shù)據(jù)可獲取性等多方面考慮，選取芙蓉區(qū)為例，對(duì)其生態(tài)安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，探索城市空間擴(kuò)展與城市生態(tài)安全之間的聯(lián)系。

圖1 長沙市城市空間各方位擴(kuò)張強(qiáng)度雷達(dá)圖(2009～2015年)

3.3 芙蓉區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)

芙蓉區(qū)是長沙市的東部窗口，轄13個(gè)街道、1個(gè)正縣級(jí)單位——長沙高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)隆平高科技園，人流、物流、資金流、信息流高度密集，主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)長期領(lǐng)跑全省、領(lǐng)先中部。2015年底，全區(qū)總面積42.68 km2，地區(qū)生產(chǎn)總值1033.25億元，戶籍總?cè)丝跒?03073人。

依據(jù)公式(1)～公式(6)對(duì)芙蓉區(qū)2009～2015年生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并依據(jù)生態(tài)安全等級(jí)劃分表(表3)對(duì)結(jié)果進(jìn)行劃分，結(jié)果見表6。

由表6可知，2009～2015年芙蓉區(qū)由生態(tài)較不安全狀態(tài)向生態(tài)較安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變，且較長時(shí)間處于一般安全狀態(tài)，部分年際間生態(tài)安全值有小幅度波動(dòng)，整體呈曲折上升趨勢。對(duì)比來看，芙蓉區(qū)的生態(tài)安全變化趨勢大體上與長沙市整體的生態(tài)安全變化趨勢相似，但每一階段轉(zhuǎn)變的具體時(shí)間稍滯后于長沙市整體的進(jìn)度，其變化大致也可以分為3個(gè)階段。第一階段為2009～2010年，處于較不安全狀態(tài)，且生態(tài)安全值呈下降趨勢，在2010年達(dá)到研究時(shí)段內(nèi)的最低值0.365。第二階段為2011～2014年，生態(tài)安全等級(jí)提升至一般安全狀態(tài)，生態(tài)安全值經(jīng)過上一階段的下降后進(jìn)入一個(gè)快速上升的時(shí)期，并在2012年達(dá)到一個(gè)高峰值0.590，隨后一年有小幅下降，2014年回升至0.561。第三階段為2015年，生態(tài)安全等級(jí)進(jìn)入較安全狀態(tài)，生態(tài)安全值較上一階段有較大增長，達(dá)到0.645?？傮w來看，2009～2015年芙蓉區(qū)的城市生態(tài)安全狀況在逐步改善，雖然過程中存在生態(tài)安全值下降的情況，但并不影響其整體上升的趨勢。對(duì)芙蓉區(qū)2009～2015年的城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)的結(jié)果顯示，長沙市城市空間朝東方向的擴(kuò)展，并未對(duì)該區(qū)域城市生態(tài)安全造成很大的威脅，該區(qū)域城市空間擴(kuò)張與生態(tài)安全保護(hù)達(dá)到了一定的均衡狀態(tài)，兩者能實(shí)現(xiàn)協(xié)同發(fā)展。

表6 芙蓉區(qū)生態(tài)安全等級(jí)劃分(2009～2015年)

3.4 長沙市生態(tài)安全預(yù)測

在Matlab軟件中運(yùn)行無偏GM(1,1)模型，預(yù)測長沙市2007～2021年城市生態(tài)安全狀況，得到預(yù)測公式為:X(1)(t+1)=4.8944e0.075229t-4.4814，預(yù)測模型的方差比C=0.4248，小誤差概率P=0.8000，都處在GM(1,1)模型精度檢驗(yàn)“合格”標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，表明該模型可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測出長沙市未來的城市生態(tài)安全狀況(表7、圖2)。

由圖2可知，2007～2016年長沙市生態(tài)安全評(píng)價(jià)值曲線與預(yù)測值曲線基本吻合，結(jié)合表7可知，2017～2021年長沙市生態(tài)安全等級(jí)呈平穩(wěn)上升趨勢，生態(tài)安全值由0.753增長至1.017，預(yù)測在2018年長沙市進(jìn)入生態(tài)安全狀態(tài)，此后幾年逐漸穩(wěn)定在這一狀態(tài)。說明盡管未來幾年長沙市城市空間的擴(kuò)展與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人類活動(dòng)會(huì)給生態(tài)環(huán)境造成一定程度的威脅，但政府也將在生態(tài)安全保護(hù)方面加大力度，人們的環(huán)保理念也將不斷深化，最終城市擴(kuò)展、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)安全之間能形成勢力均衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)和諧共存，不僅城市能夠繼續(xù)發(fā)展，生態(tài)安全也將得到保障。

表7 長沙市生態(tài)安全值預(yù)測(2017～2021年)

圖2 長沙市生態(tài)安全狀況及預(yù)測

4 結(jié)論

(1)對(duì)長沙市2007～2016年生態(tài)安全評(píng)價(jià)的結(jié)果顯示，該時(shí)間段該區(qū)域生態(tài)安全有較長一段時(shí)期保持在一般安全狀態(tài)，整體呈波動(dòng)上升趨勢，2016年已穩(wěn)定在較安全狀態(tài)。其變化的3個(gè)階段大致可以概括為一般安全狀態(tài)初期階段、一般安全狀態(tài)穩(wěn)定階段及較安全狀態(tài)初期階段。

(2)2009～2015年長沙市城市空間擴(kuò)展呈現(xiàn)多樣化的格局，主要集中在東南、西和東3個(gè)方向。

(3)針對(duì)位于長沙市內(nèi)東方向的芙蓉區(qū)的生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，其生態(tài)安全狀態(tài)變化方向同長沙市整體的變化相似，總體呈現(xiàn)曲折上升趨勢，但其具體變化階段稍滯后于長沙市整體的進(jìn)度。

(4)長沙市未來5年的生態(tài)安全值將由0.753增長至1.017，期間保持平穩(wěn)增長，并于2018年進(jìn)入生態(tài)安全狀態(tài)。

(5)長沙市生態(tài)安全等級(jí)的總體上升趨勢表明，長沙市城市的擴(kuò)張和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展逐漸與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的力度相同步，走可持續(xù)發(fā)展的道路。而其生態(tài)安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中表現(xiàn)出的曲折性與波動(dòng)性則顯示，當(dāng)城市擴(kuò)張的速度超出城市生態(tài)環(huán)境的承載能力時(shí)，則有可能出現(xiàn)生態(tài)安全值的下降或生態(tài)安全狀態(tài)的回落?？偟膩碚f，當(dāng)城市的管理者與建設(shè)者尋找到城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的平衡點(diǎn)時(shí)，便能實(shí)現(xiàn)城市更好的發(fā)展，也能實(shí)現(xiàn)生態(tài)更好的保護(hù)。