基于灰色聚類法的鳳臺縣生態(tài)安全評價

彭 娜 ,程艷妹 ,周立志

（1.安徽大學資源與環(huán)境工程學院；2.安徽省礦山生態(tài)修復工程實驗室，合肥 230601）

社會經(jīng)濟快速發(fā)展對能源資源的需求日益增大，現(xiàn)階段煤炭資源在中國資源消費結(jié)構(gòu)中一直處于絕對優(yōu)勢地位，進一步增加了煤炭資源型行政區(qū)域的環(huán)境負荷[1]。較一般城市而言，煤炭資源型城市額外擔負因煤炭粗放開采帶來的自然資源快速消耗、環(huán)境污染、生態(tài)環(huán)境破壞等生態(tài)壓力。在高潛水位礦區(qū)，因采煤引發(fā)的地面沉陷積水、地形地貌變化和耕地喪失，使得生態(tài)環(huán)境問題更加復雜，同時也引起了社會矛盾的激化，高潛水位礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的狀況十分嚴峻[2-3]。因此，對高潛水位礦區(qū)生態(tài)安全進行評價研究十分迫切。

生態(tài)安全表征人類生存環(huán)境的受威脅狀態(tài)，本質(zhì)是人類的社會、經(jīng)濟活動與生態(tài)環(huán)境相互作用，維持有序穩(wěn)定可持續(xù)的發(fā)展，具有整體性、長期性和不可逆性[4]。生態(tài)安全研究的對象多為生態(tài)脆弱區(qū)，從人類對自然資源的利用與人類生存環(huán)境狀況辨識的角度分析和評價生態(tài)系統(tǒng)，通過分析與評價人類活動的能動性，為建立生態(tài)安全保障體系提供對策與建議，進一步維護區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[5]。因研究區(qū)域的特質(zhì)不同，評價的標準各不相同。

目前，生態(tài)安全評價尚無統(tǒng)一的指標體系，多為基于由聯(lián)合國經(jīng)濟合作與開發(fā)組織（OECD）與聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）共同提出的“壓力-狀態(tài)-響應（Pressure-State-Response，PSR）”框架模型，對指標選取、賦值和模型指數(shù)計算方式進行創(chuàng)新[6]。

熵權法由于具有客觀性，進行指標賦權可避免主觀誤差，使評價結(jié)果更具科學性，因而目前廣泛應用于評價指標體系的構(gòu)建。熵權法作為確定指標權重的方法，熵權法是根據(jù)指標變異程度來確定客觀權重，若評價指標的信息熵越小，表明該指標值的變異性越大，所能提供的信息越多，在整個評價中所能起到的作用也越大，所以賦予該指標的權重也應該越大[7-8]。本文以資源型縣域為案例，在“PSR”壓力狀態(tài)響應模型框架下，構(gòu)建生態(tài)安全評價指標體系，最后基于白化權函數(shù)的灰色聚類模型對資源型縣域生態(tài)安全狀況進行評價分析，以期為資源型縣域生態(tài)安全保障體系的建立提供對策參考。

1 研究區(qū)域概況

鳳臺縣位于淮河中游、淮北平原南緣，地處北緯32°～33°，東經(jīng)116°～117°之間，屬北亞熱帶季風氣候?！而P臺縣2017年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，截至2016年末，全縣總面積108 650 hm2，縣轄16個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、1個經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，總?cè)丝?7.48萬人。全縣有森林面積9 324 hm2，森林覆蓋率10.6%，全縣工業(yè)二氧化硫排放量21 440 t，煙（粉）塵排放量2 082 t，全縣空氣質(zhì)量平均優(yōu)良天數(shù)為290 d，占全年比例為80.6%。

縣域自然資源豐富，以煤炭資源最為突出，探明煤炭儲量120億t，可采儲量100億t。長期以來，鳳臺縣形成了以煤電為支柱產(chǎn)業(yè)的重型工業(yè)結(jié)構(gòu)布局，是全國深井采煤第一大縣。境內(nèi)有礦井7對，分別為：新集一礦、新集三礦、顧橋礦、顧北礦、張集礦、楊村礦和丁集礦。據(jù)調(diào)查，2010年鳳臺縣境內(nèi)，形成塌陷面積約6 193 hm2，涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)眾多共8個，包括丁集鄉(xiāng)、桂集鎮(zhèn)、錢廟鄉(xiāng)、劉集鄉(xiāng)、關店鄉(xiāng)、新集鎮(zhèn)、顧橋鎮(zhèn)、岳張集鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。受采煤影響，鳳臺縣境內(nèi)生態(tài)安全狀況較一般城市表現(xiàn)出脆弱性和敏感性。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于《淮南市統(tǒng)計年鑒（2011-2015）》《鳳臺縣社會經(jīng)濟發(fā)展公報（2011-2017）》以及淮南市實地調(diào)研。

2.2 生態(tài)安全評價指標體系構(gòu)建

壓力-狀態(tài)-響應（PSR）模型包括三類指標，其中壓力指標表征資源開發(fā)對生態(tài)環(huán)境造成的壓力，狀態(tài)指標表征生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)，響應指標表征人類對環(huán)境變化所的積極對策與措施[9-10]。本文基于模型的框架與概念，借鑒前人關于煤炭資源型城市與高潛水位礦區(qū)的指標，結(jié)合兩淮礦區(qū)的實際情況，遵循科學性、代表性、可操作性、可獲得性的原則，從鳳臺縣自然、經(jīng)濟和社會等方面篩選了16項指標（見表1），建立鳳臺縣生態(tài)安全評價指標體系。

2.3 熵值法

熵值法是一種根據(jù)指標間離散程度，利用信息熵來決定指標權重的方法[11-12]。對于一個由m個樣本，n個指標構(gòu)成綜合評價的對象，其信息熵及權重的計算包含三個步驟：根據(jù)指標對目標層的正向效應和負向效應，對原始矩陣進行標準化處理；進行指標的信息熵值計算；計算得出指標的權重。

2.4 灰色聚類模型

灰色聚類法是通過關聯(lián)矩陣及白化權函數(shù)將系統(tǒng)指標聚集成若干個可定義的類別，充分利用已知信息淡化未知信息，客觀、真實地反映系統(tǒng)本質(zhì)的系統(tǒng)分析方法[13-14]。模型首先對評價指標進行灰類數(shù)劃分，建立白化權函數(shù)，并加權綜合，從而反映系統(tǒng)的整體狀況，具體步驟如下[15]：

表1 鳳臺縣生態(tài)安全評價體系與指標權重

2.4.1 構(gòu)建樣本矩陣

在鳳臺縣生態(tài)安全數(shù)據(jù)中包含m年n個評價指標，構(gòu)建對應樣本矩陣D：

2.4.2 構(gòu)造白權化函數(shù)

將標準化后的數(shù)據(jù)對應區(qū)間劃定為四個評價灰類，設其對應灰類等級集合為S={S1，S2，S3，S4}={0.9，0.7，0.5，0.2}，對應評語為{優(yōu)，良，中，差}，構(gòu)建評價灰類序號集e={1，2，3，4}，分別表示對應評語，灰數(shù)（表示灰類對應的數(shù)集區(qū)間[13]。

第一灰類“優(yōu)”，灰數(shù)⊕1∈[0.9，∞]；第二灰類“良”，灰數(shù)⊕2∈[0，0.7，1.4]；第三灰類“中”，灰數(shù)⊕3∈[0，0.5，1]；第四灰類“差”，灰數(shù)⊕4∈[0，0.2，0.4]。具體來說，白權化函數(shù)如下所示：

2.4.3 確定灰色統(tǒng)計數(shù)

總灰數(shù)統(tǒng)計數(shù)Uie為：

以rie表示生態(tài)安全評價分指標dij對第j個評價對象的第e個灰類的評價權系數(shù)：

則灰色模糊評價矩陣R為：

2.4.4 綜合評價矩陣的確定

在MATLAB軟件中分別計算綜合評價矩陣B與生態(tài)安全評價等級P：

3 結(jié)果與分析

3.1 鳳臺縣生態(tài)安全評價體系與權重賦值

表1給出了鳳臺縣生態(tài)安全評價指標體系及熵值法計算子指標層權重結(jié)果，可以看出塌陷區(qū)生態(tài)安全壓力（P）、生態(tài)安全狀態(tài)（S）、生態(tài)安全響應（S）三層權重值均為0.333。人口密度、萬人醫(yī)院床位數(shù)、原煤產(chǎn)量是關鍵因素，三項總權重為0.472，充分表明這些指標對鳳臺縣生態(tài)安全的影響較大。非私營單位采礦業(yè)就業(yè)人數(shù)占比、第一二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占GDP比值、SO2排放量、農(nóng)藥使用量、社會保障與就業(yè)支出、科技經(jīng)費投入、城鎮(zhèn)污水處理率、環(huán)境保護支出等指標占比在指標體系權重中占比較大?；适褂昧俊⑷昕諝赓|(zhì)量優(yōu)良率、森林面積、教育財務支出、工業(yè)廢水重復利用率等指標在指標體系中占比較小，說明這些指標對鳳臺縣生態(tài)安全影響的程度較小。

3.2 鳳臺縣生態(tài)安全綜合評價

根據(jù)鳳臺縣2010-2016年數(shù)據(jù)，通過式（1）～式（10）可以得到綜合評價矩陣B和鳳臺縣生態(tài)安全綜合評價結(jié)果，如下所示：

B1=（0.262 0.233 0.129 0.376）

B2=（0.256 0.277 0.215 0.254）

B3=（0.214 0.239 0.197 0.350）

B4=（0.216 0.251 0.311 0.222）

B5=（0.343 0.289 0.157 0.217）

B6=（0.256 0.236 0.179 0.330）

B7=（0.381 0.240 0.038 0.342）

根據(jù)上述公式分別對生態(tài)壓力、狀態(tài)、響應三個準則層進行對應指標計算，得到三個準則層的生態(tài)安全評價等級，如圖1所示。同時，根據(jù)式（10）得出鳳臺縣生態(tài)安全評價等級的P值分別為0.539、0.581、0.528、0.570、0.629、0.551、0.598，分別對應生態(tài)安全評價等級中的中等、中等、中等、中等、良好、中等、中等狀態(tài)，如圖2所示。

圖1 鳳臺縣2010-2016年生態(tài)安全壓力、狀態(tài)、響應層評價結(jié)果

圖2 鳳臺縣2010-2016年生態(tài)安全評價結(jié)果

鳳臺縣2010-2016年生態(tài)安全有以下特點：生態(tài)安全壓力方面，由于壓力層指標相對于目標層均為逆向指標，即生態(tài)壓力指標層綜合值小，生態(tài)壓力越大，由圖1可知，2010-2012年生態(tài)壓力逐漸增大，2012年達到壓力最大值，2012年之后呈現(xiàn)逐漸波動減小狀態(tài)，2016年達到最小；生態(tài)安全狀態(tài)方面，2010-2016年，鳳臺縣生態(tài)安全狀態(tài)雖然在2014年略有回升，但整體呈現(xiàn)波動下降趨勢，2016年降至最??；生態(tài)安全響應能力方面，2010-2016年，鳳臺縣生態(tài)安全總體呈現(xiàn)上升趨勢，表明鳳臺縣生態(tài)安全響應能力逐步提升。

由圖2可以看出，鳳臺縣生態(tài)安全水平在研究時間段內(nèi)呈波動上升趨勢，2012年生態(tài)安全狀態(tài)最差，2014年生態(tài)安全狀態(tài)達到良好水平，其他年份，生態(tài)安全水平均在中等水平上下浮動。

4 討論

根據(jù)鳳臺縣生態(tài)安全評價指標體系的熵權法賦值結(jié)果，生態(tài)壓力層中，原煤產(chǎn)量、第一二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占GDP比值、SO2排放量、化肥使用量占比較大，可以將鳳臺縣生態(tài)壓力的來源歸結(jié)為采礦業(yè)為首的重工業(yè)和農(nóng)業(yè)，這與兗州礦區(qū)及鄂爾多斯市的生態(tài)安全評價的指標因子權重分布存在共性，表明煤炭的開采及其附屬產(chǎn)業(yè)依然是鳳臺縣采煤區(qū)域長期以來的主要生態(tài)壓力來源之一[16-17]。同時，生態(tài)壓力的來源中農(nóng)業(yè)污染等因素占較大比重，也與同為農(nóng)業(yè)型城市的宿州市、亳州市的生態(tài)壓力來源存在共性[18]。生態(tài)安全狀態(tài)層中，人口密度對鳳臺縣生態(tài)安全狀態(tài)的影響位居首位，表明人口數(shù)量與密度狀態(tài)對生態(tài)環(huán)境狀態(tài)的影響很大。森林面積對生態(tài)安全狀態(tài)的影響占比也較大，表明森林面積對鳳臺縣生態(tài)安全狀態(tài)的影響是不可忽略的。在生態(tài)安全響應層中，與鄂爾多斯市等其他城市類似，社會保障與就業(yè)支出、科技經(jīng)費投入、萬人醫(yī)院床位數(shù)、城鎮(zhèn)污水處理率、環(huán)境保護支出等指標占比較大，表明社會保障、科技、醫(yī)療水平與環(huán)境治理水平的上升和資金的投入對于鳳臺縣生態(tài)安全響應能力的提升具有重要的作用[19]。

深入分析各準則層變化趨勢，鳳臺縣生態(tài)壓力層指數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。主要有以下原因，原煤產(chǎn)量在2013年增加至最大值之后，持續(xù)減小，2016年減小至最小值，第一二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占GDP的比值在研究時間段內(nèi)呈持續(xù)減小趨勢。SO2排放量在2016年出現(xiàn)減小趨勢，化肥使用量在2014年之后呈現(xiàn)減小趨勢，說明鳳臺縣在煤炭開采業(yè)、三次產(chǎn)業(yè)比例、農(nóng)業(yè)污染控制等方面做出的調(diào)整和努力是有明顯成效的[20]。因此，鳳臺縣在研究時間段內(nèi)生態(tài)壓力有明顯的波動下降趨勢，這與同為煤炭開采區(qū)域的焦作市生態(tài)壓力逐漸減小的趨勢類似，表明此類區(qū)域政府在減小煤炭開采量與引導產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方面對生態(tài)壓力的減小具有明顯的積極作用[21]。與焦作、南京、上海等城市的生態(tài)安全狀況持續(xù)好轉(zhuǎn)不同，鳳臺縣生態(tài)安全狀態(tài)層指數(shù)在2014年之后出現(xiàn)明顯下降，主要原因是區(qū)域人口的持續(xù)增加，空氣質(zhì)量的持續(xù)明顯下降和森林面積的波動下降，表明鳳臺縣在生態(tài)環(huán)境狀態(tài)維持和人口合理控制方面需要做出更大努力[21-22]。與多數(shù)城市相同，鳳臺縣生態(tài)安全響應層指數(shù)在研究時間斷內(nèi)穩(wěn)步提升，政府加強了鳳臺縣對于生態(tài)安全問題的響應力度和能力，也表明政府對生態(tài)安全響應能力建設的普遍重視和關注[22-24]。

鳳臺縣生態(tài)安全整體呈波動上升趨勢，2012年與2015年有明顯下降。聯(lián)系生態(tài)安全壓力、狀態(tài)、響應層的狀態(tài)變化，可知2012年鳳臺縣的生態(tài)安全綜合值的下降與生態(tài)壓力的驟增有著密不可分的聯(lián)系。2015年生態(tài)安全綜合值的下降與生態(tài)安全狀態(tài)的持續(xù)下降有關，雖然2016年生態(tài)安全狀態(tài)有所回升，但深層次原因是生態(tài)壓力的減小與生態(tài)響應能力的大幅提升，緩解了生態(tài)安全的持續(xù)走低，若生態(tài)安全狀態(tài)仍處于持續(xù)下降趨勢，則鳳臺縣區(qū)域綜合生態(tài)安全將受到考驗。鳳臺縣生態(tài)安全同時受到生態(tài)壓力、狀態(tài)、人類活動響應的影響，其生態(tài)安全的維持應從減小生態(tài)壓力、維持提高生態(tài)環(huán)境狀態(tài)、提高生態(tài)環(huán)境響應力三方面綜合做出努力。

5 結(jié)論

以PSR模型，本文以煤炭型特殊縣域鳳臺縣為研究目標，構(gòu)建生態(tài)安全指標體系，用熵權法和綜合指數(shù)，根據(jù)綜合指數(shù)值確定鳳臺縣生態(tài)安全狀況狀況。2010-2016年，鳳臺縣生態(tài)安全狀態(tài)總體呈現(xiàn)波動上升的好轉(zhuǎn)趨勢，生態(tài)安全水平處于優(yōu)化的狀態(tài)。原因主要表現(xiàn)為：從三個指標層來看，生態(tài)壓力變小，響應子系統(tǒng)的指數(shù)處于波動上升狀態(tài)；從具體指標來看，主要有原煤產(chǎn)量過高，第一二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占GDP比值較大，二氧化硫排放量、化肥農(nóng)藥使用量高于生態(tài)安全理想水平，環(huán)保、教育投入不足，社會保障不完善。

今后，為有效提高生態(tài)安全水平，鳳臺縣需從以下幾個方面持續(xù)做出努力。一是需要緩解生態(tài)環(huán)境壓力，減少煤炭開采量，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化煤炭產(chǎn)業(yè)占比，提高非煤產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的GDP占比，同時減小農(nóng)業(yè)污染；二是要想維持生態(tài)環(huán)境狀態(tài)，應合理控制人口，保護森林和生態(tài)環(huán)境因子；三是增加社會保障與就業(yè)支出、科技經(jīng)費投入、教育財務支出以及環(huán)境保護投入，提高生態(tài)響應能力和效率。