基于“TOPSIS-AHP”模型的城市綠化生態(tài)技術(shù)集成方案優(yōu)選

張桂蓮 易 揚(yáng) 張 浪 鄭諧維

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市居民對生態(tài)環(huán)境的需求日益增加，營造自然與人造景觀和諧發(fā)展的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，不斷提升城市綠地生態(tài)服務(wù)功能，是未來城市發(fā)展的重要方向。面對城市更新過程中不同的綠化立地類型，需運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理，結(jié)合城市未來發(fā)展方向和發(fā)展模式，有機(jī)整合不同的生態(tài)技術(shù)，科學(xué)預(yù)測未來的生態(tài)效益，為綠地建設(shè)提供量化指導(dǎo)。研究將3S技術(shù)（遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)）、層次分析法（AHP）和最優(yōu)解法（TOPSIS）相結(jié)合，構(gòu)建城市綠化生態(tài)技術(shù)集成方案優(yōu)選模型，以期為城市生態(tài)園林建設(shè)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

城市綠化；生態(tài)技術(shù)集成；優(yōu)選模型

1.研究區(qū)域

城市是人類的主要聚集地，是對全球環(huán)境變化反應(yīng)最敏感的區(qū)域之一。中國的城鎮(zhèn)化率從1978年的17.90%增加到2019年的60.60%[1-2]。隨著世界人口數(shù)量的不斷增加，城市化將在全球范圍，尤其是發(fā)展中國家加速進(jìn)程[3]。伴隨著城市化發(fā)展，城市中的生態(tài)環(huán)境問題日益突出，例如城市用地粗放、環(huán)境資源污染加劇、城市景觀破碎化、生態(tài)廊道片段化等，這些現(xiàn)象給城市環(huán)境的健康發(fā)展制造了不和諧因素。人們認(rèn)識(shí)到，建設(shè)城市綠地、充分利用城市綠地的生態(tài)服務(wù)功能，是改善城市生態(tài)狀況、促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展的重要途徑[4]。

生態(tài)技術(shù)是構(gòu)建生態(tài)化設(shè)施和營造良好生態(tài)環(huán)境的重要手段，受到園林、水利、環(huán)保、交通、農(nóng)業(yè)和旅游等行業(yè)的重視，在改善生態(tài)空間結(jié)構(gòu)、提高水資源利用、優(yōu)化植物群落配置、循環(huán)利用廢棄物等方面發(fā)揮著重要的作用[5-7]。自1969年，Ian McHarg提出“設(shè)計(jì)結(jié)合自然”理念后，合理運(yùn)用生態(tài)技術(shù)改善和提高城市綠地的生態(tài)服務(wù)功能，成為風(fēng)景園林學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)[8]。但如何根據(jù)城市綠地的現(xiàn)狀條件、周邊環(huán)境以及城市綠地所要解決的關(guān)鍵生態(tài)環(huán)境問題，有針對性地選擇生態(tài)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合，集成不同應(yīng)用效益的配套方案，相關(guān)研究報(bào)道比較欠缺[9-10]。為此，本研究將3S技術(shù)（遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)）、層次分析法（AHP）、最優(yōu)解法（TOPSIS）相結(jié)合，構(gòu)建生態(tài)技術(shù)集成方案優(yōu)選模型[11]，以期為城市綠化生態(tài)技術(shù)的科學(xué)選擇提供理論支撐。

1 生態(tài)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 研究區(qū)概況

2010年上海世博會(huì)閉幕后，園區(qū)內(nèi)場館被陸續(xù)拆除或被改建為體育娛樂和廠房等設(shè)施，2017年，上海市政府決定將該區(qū)域改建為世博文化公園。世博文化公園位于黃浦江核心濱水區(qū)，是黃浦江生態(tài)廊道的重要部分，總用地面積187.7 hm2，其中公共綠地154.21 hm2，將是中心城區(qū)最大的公園綠地。本研究選取世博文化公園中的世界花藝園為研究對象（圖1）?；?013年至2015年黃浦江后灘引水口水質(zhì)調(diào)查資料，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002》，結(jié)合航拍得出的結(jié)果是，此地塊大部分水質(zhì)指標(biāo)屬于地表水III~V類，且天然水資源供給難以滿足園區(qū)內(nèi)用水需求。

2.城市綠化生態(tài)技術(shù)應(yīng)用效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)型和生態(tài)主導(dǎo)型技術(shù)分類

1.2 生態(tài)技術(shù)類型庫建立

參照中國建設(shè)部頒布的《綠色生態(tài)住宅小區(qū)建設(shè)要點(diǎn)與技術(shù)導(dǎo)則》（試行），從能源系統(tǒng)、水環(huán)境系統(tǒng)、大氣環(huán)境系統(tǒng)、聲環(huán)境系統(tǒng)、綠化系統(tǒng)、廢棄物管理與處置系統(tǒng)、熱環(huán)境系統(tǒng)及綠色建材系統(tǒng)8大方面，將城市綠化生態(tài)技術(shù)歸納為可再生能源利用技術(shù)、水處理與利用、凈化空氣、減噪隔音、綠化生態(tài)、廢棄物再利用、控溫降溫、綠色建材利用8大類，8大類技術(shù)內(nèi)又包含若干中類、小類和子類技術(shù)[12-13]。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是評(píng)價(jià)城市綠地質(zhì)量的重要指標(biāo)。構(gòu)建城市綠化生態(tài)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對不同技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生的效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，提高了生態(tài)技術(shù)選擇的客觀性和科學(xué)性。本研究構(gòu)建的城市綠化生態(tài)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（圖2）包括目標(biāo)層（城市綠化生態(tài)技術(shù)效益評(píng)價(jià)）1項(xiàng)、準(zhǔn)則層3項(xiàng)（生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益）和指標(biāo)層9項(xiàng)（經(jīng)濟(jì)收益、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境等）。

2 生態(tài)技術(shù)集成應(yīng)用方案優(yōu)選模型

TOPSIS（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution）法是一種根據(jù)有限個(gè)評(píng)價(jià)對象與理想化目標(biāo)的接近程度來進(jìn)行排序的決策方法，可以處理多目標(biāo)問題，充分利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的信息能，直觀反映不同方案之間的差距，即正理想解與負(fù)理想解之間的距離排序，具有普遍適用性。AHP（Analytic Hierarchy Process）法是一種將定量與定性分析有效結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法，將問題分解為若干層次，對兩兩指標(biāo)的重要程度進(jìn)行比較判斷，進(jìn)而計(jì)算得到指標(biāo)的權(quán)重。本研究采用3S技術(shù)結(jié)合TOPSIS法和AHP法建立了城市綠化生態(tài)技術(shù)集成方案的優(yōu)選模型，具體計(jì)算步驟如下。

步驟1：利用3S技術(shù)和實(shí)地調(diào)查相結(jié)合，在明確地塊規(guī)劃目標(biāo)的情況下，識(shí)別地塊的障礙因子，初步篩選出待選的生態(tài)技術(shù)大類。上海世博文化公園的規(guī)劃定位為上海市生態(tài)中心之一，根據(jù)前期調(diào)查和識(shí)別，障礙因子為水質(zhì)水量問題。根據(jù)公園的規(guī)劃定位和改良方向，選擇“水處理與利用技術(shù)”和“綠化生態(tài)技術(shù)”兩大類型作為方案適配技術(shù)集成的選擇方向。

步驟2：將實(shí)施地塊篩選出的生態(tài)技術(shù)類型中的所有生態(tài)技術(shù)按照經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)型和生態(tài)主導(dǎo)型進(jìn)行分類（圖3）。對每一生態(tài)技術(shù)應(yīng)用后產(chǎn)生的效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)型技術(shù)只評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益，生態(tài)主導(dǎo)型技術(shù)評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。

步驟3：計(jì)算各個(gè)生態(tài)技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生的預(yù)期應(yīng)用效益（經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益）。

式中：AC為區(qū)域?qū)嵤┧x生態(tài)技術(shù)應(yīng)用后產(chǎn)生的第c指標(biāo)的經(jīng)濟(jì)效益，A為實(shí)施生態(tài)技術(shù)的目標(biāo)地塊面積，Dc為第c指標(biāo)的單位面積經(jīng)濟(jì)效益。

式中：Vi為區(qū)域?qū)嵤┧x生態(tài)技術(shù)應(yīng)用后產(chǎn)生的第i指標(biāo)的生態(tài)效益，Aj為j類綠化類型的面積，Pij為j類綠化類型單位面積的第i指標(biāo)的生態(tài)效益。生態(tài)效益指標(biāo)包括氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)、土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)和生物多樣性保護(hù)；綠化類型包括針葉喬木、針闊葉混交喬木、闊葉喬木、灌木和草坪（表1）。

式中：Td為區(qū)域?qū)嵤┧x生態(tài)技術(shù)后產(chǎn)生的第d指標(biāo)的社會(huì)效益，Aj為j類綠化類型的面積，Pdj為綠化類型單位面積的第d指標(biāo)的社會(huì)效益；綠化類型包括針葉喬木、針闊葉混交喬木、闊葉喬木、灌木和草坪（表2）。

本研究設(shè)定方案中綠化面積為復(fù)層綠化類（針闊混交喬木林3 hm2、灌木1 hm2、草地5 hm2）、屋頂綠化類（灌木1 hm2、草地5 hm2）和垂直綠化類（草地 5hm2）。

步驟4：采用層次分析法（AHP）法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重Wn。

步驟5：根據(jù)生態(tài)技術(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果（表3）和指標(biāo)權(quán)重（表4），計(jì)算得到加權(quán)生態(tài)技術(shù)應(yīng)用效益評(píng)價(jià)結(jié)果（表5）。

步驟6：計(jì)算地塊生態(tài)技術(shù)集成方案的應(yīng)用效益，根據(jù)“水處理與利用”和“綠化和生態(tài)技術(shù)”中的生態(tài)技術(shù)，各選一項(xiàng)搭配形成104個(gè)生態(tài)技術(shù)集成方案（表6）。

步驟7：對集成方案的應(yīng)用效益評(píng)價(jià)表進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化集成方案的應(yīng)用效益評(píng)價(jià)結(jié)果（表7）。

步驟8：計(jì)算生態(tài)技術(shù)方案的正理想解和負(fù)理想解。

步驟9：計(jì)算所有方案到正理想解和負(fù)理想解的歐氏距離。

如果待選方案與正理想解相同，則接近度為1；如果待選方案與負(fù)理想解相同，則接近度為0。因此，接近度與1越接近，表明該待選方案越好。將所有方案的接近度按照從小到大順序排列，接近度最大的方案是該地塊生態(tài)技術(shù)最佳集成方案。計(jì)算結(jié)果顯示，節(jié)水養(yǎng)護(hù)管理技術(shù)和復(fù)層綠化技術(shù)的組合到正理想解的距離為0.0007，到負(fù)理想解的距離為0.3671，與理想解的接近度為0.998，為所有方案中最理想的方案。

表1 單位面積生態(tài)效益價(jià)值當(dāng)量表

表2 單位面積社會(huì)效益價(jià)值當(dāng)量表

表3 技術(shù)效益評(píng)價(jià)

表4 生態(tài)技術(shù)應(yīng)用效益權(quán)重

表5 加權(quán)生態(tài)技術(shù)應(yīng)用效益評(píng)價(jià)

表6 配套方案應(yīng)用效益評(píng)價(jià)

表7 標(biāo)準(zhǔn)化集成方案應(yīng)用效益評(píng)價(jià)表

3 結(jié)論

本研究在傳統(tǒng)的TOPSIS法中引入了3S技術(shù)和AHP法，解決了城市綠化生態(tài)技術(shù)集成方案的優(yōu)選難題，定量化結(jié)果更具科學(xué)性和可操作性。節(jié)水養(yǎng)護(hù)管理技術(shù)和復(fù)層綠化技術(shù)的有機(jī)整合成為世界花藝園的最佳生態(tài)技術(shù)集成方案，能夠解決研究地塊的生態(tài)環(huán)境問題，同時(shí)也符合地塊的生態(tài)中心規(guī)劃定位。

生態(tài)技術(shù)的集成和應(yīng)用，是以生態(tài)可持續(xù)性為目標(biāo)的城市綠地營建技術(shù)，其運(yùn)行機(jī)制和相關(guān)理論十分龐大復(fù)雜。本研究提出的模型，需要充分了解待建地塊的特性，把控地塊的規(guī)劃定位和生態(tài)障礙因子后進(jìn)行生態(tài)技術(shù)的集成方案優(yōu)選。在未來的研究中，還需及時(shí)更新、總結(jié)和歸類相關(guān)生態(tài)技術(shù)，淘汰不成熟的生態(tài)技術(shù)，完善生態(tài)技術(shù)應(yīng)用效益的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。