基于云模型的煤礦資源型城市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

法子薇，李新春

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，江蘇徐州 221116）

煤炭是我國(guó)的重要自然資源，21 世紀(jì)以來，隨著煤炭資源的消耗量、需求量急劇增加,煤炭開采量逐漸加大、開采技術(shù)也越來越先進(jìn)，煤炭資源型城市生態(tài)環(huán)境受到不同程度的影響，生態(tài)環(huán)境每況愈下。因此，對(duì)某個(gè)區(qū)域或城市的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)能為其生態(tài)狀況的調(diào)控與改善提供客觀依據(jù)，也是生態(tài)安全與風(fēng)險(xiǎn)研究的重要內(nèi)容。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最初的研究主要集中在基因工程的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)安全研究上與化學(xué)用品對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響研究［1］。后來隨著時(shí)間的推移，研究領(lǐng)域逐漸拓寬至對(duì)地域性的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)上，2002 年，李輝霞等［2］首次利用降雨量影響度、地形地貌影響度和社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損度3 個(gè)指標(biāo)，建立了成因分析法指標(biāo)模型，對(duì)太湖流域主要城市的洪澇災(zāi)害生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；2008 年，Zhou 等［3］首次將人類活動(dòng)的影響納入考慮范圍，研究了由澳大利亞北部蝦漁業(yè)導(dǎo)致的受污染區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模式和方法體系。此外，有關(guān)研究的生態(tài)系統(tǒng)范圍也更加明確，主要有對(duì)耕地系統(tǒng)、海洋系統(tǒng)、堤防工程系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)和草原系統(tǒng)的生態(tài)安全和風(fēng)險(xiǎn)研究［4-10］。

通過閱讀文獻(xiàn)，筆者發(fā)現(xiàn)有關(guān)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)等級(jí)不能被明確的界定，有些生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)也難以被測(cè)量，而且在現(xiàn)有煤礦資源型城市的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究對(duì)象中，其指標(biāo)體系中也并未過多考慮煤礦方面的影響因子。因此，本文在借鑒前人的研究基礎(chǔ)上，以江蘇省徐州市為例，選取1998—2017 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，基于PSR 指標(biāo)體系框架，利用正態(tài)云模型對(duì)其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 煤礦資源型城市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 PSR 煤礦資源型城市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

利用PSR 模型［11］，結(jié)合煤炭城市特有的生態(tài)特點(diǎn)和主要影響因素，參考現(xiàn)有的城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)［12-14］，從壓力、狀態(tài)和響應(yīng)這3 個(gè)項(xiàng)目層出發(fā)，共選取16 個(gè)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立煤礦資源型城市風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（見表1）。

表1 煤礦城市風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 煤礦資源型城市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)與標(biāo)準(zhǔn)確定

借鑒現(xiàn)有研究［6,9,13-16］，在評(píng)價(jià)過程中，對(duì)煤礦資源型城市的生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)劃分采取5 級(jí)劃分法，分別為：低風(fēng)險(xiǎn)（Ⅰ）、較低風(fēng)險(xiǎn)（Ⅱ）、中等風(fēng)險(xiǎn)（Ⅲ）、較高風(fēng)險(xiǎn)（Ⅳ）和高風(fēng)險(xiǎn)（Ⅴ）。并參照相關(guān)文獻(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)間確定方法，結(jié)合徐州市自身的生態(tài)特征與發(fā)展?fàn)顩r［13］，將每個(gè)指標(biāo)的最小值與最大值分別作為低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的下界與高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的上界，并將二者的差值除以等級(jí)數(shù)量，平均分配到各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間，最終確定了所有評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，表2 為選取的生態(tài)壓力風(fēng)險(xiǎn)層的評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。

表2 生態(tài)壓力風(fēng)險(xiǎn)層評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 煤礦城市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系云模型評(píng)價(jià)

2.1 云模型原理

本文中所使用的云模型是由吳飛等［17-20］提出的，一種考慮到自然語(yǔ)言模糊性與隨機(jī)性，并能實(shí)現(xiàn)定性概念與定量數(shù)值之前雙向轉(zhuǎn)換的認(rèn)知模型。

其定義為：設(shè)U 為一個(gè)定量論域，C 是U 上的一個(gè)定性概念，若定量值x ∈U，且定量值x 是定性概念C 的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，x 對(duì)C 的確定度μ(x)∈【0,1】是具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)：μ：U →【0,1】?x ∈ U x →μ(x)

則將x 在論域U 上的分布成為云，每一個(gè)x 稱為一個(gè)云滴。

概念的整體特征可以通過期望（Ex）、熵（En）和超熵（He）這3 個(gè)云模型的數(shù)字特征來反映。其中，期望（Ex）：為云滴在論域空間分布中的數(shù)學(xué)期望，即最能夠代表定性概念的點(diǎn)；熵（En）：定性概念的不確定性性度量，反映了云滴的離散程度；超熵（He）：為熵的不確定性度量。

2.2 云模型評(píng)價(jià)過程

（2）計(jì)算每一個(gè)指標(biāo)在不同等級(jí)下的云特征參數(shù)［6,8,9,15］。每一個(gè)等級(jí)云的3 個(gè)特征參數(shù)都是由各等級(jí)的上下邊界值和確定的，其中，表示第i 個(gè)指標(biāo)的第j 個(gè)等級(jí)的數(shù)值。

由于每個(gè)等級(jí)的中間數(shù)最能反映出該等級(jí)的性質(zhì)，因此有：

He 的大小根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，若He 的取值越小，則云的厚度越小，反之則越大。

（3）根據(jù)實(shí)際指標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算不同指標(biāo)在不同等級(jí)下的隸屬度矩陣D=，其中，表示第i 個(gè)指標(biāo)在第j 個(gè)等級(jí)上的隸屬度，n 和m 分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)和等級(jí)的個(gè)數(shù)。實(shí)際數(shù)據(jù)α 的隸屬度計(jì)算公式如下：

（4）通過權(quán)重集W 對(duì)隸屬度矩陣D 進(jìn)行模糊轉(zhuǎn)換，得出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)域V={}上的模糊子集E。

最后根據(jù)最大隸屬度原則，選取隸屬度最大的評(píng)價(jià)指標(biāo)作為樣本最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

3 實(shí)證分析

3.1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

（1）研究區(qū)域概況。徐州市位于江蘇省的西北部，地層發(fā)育齊全，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，為形成多種礦產(chǎn)資源提供了良好的條件，是全國(guó)重點(diǎn)煤礦開采城市。近些年來，隨著徐州市的城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境問題日益突出，自2000 年以來，其環(huán)境空氣質(zhì)量均未達(dá)到國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且在江蘇省13 市的環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)排名中處于末尾位置，因此本文決定研究以徐州為代表的煤礦資源型城市的生態(tài)安全問題，之后可為其他煤炭城市的生態(tài)改善提供理論依據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)來源。本文涉及到徐州市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)數(shù)據(jù),主要來源于1998—2017年《徐州統(tǒng)計(jì)年鑒》,部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于相應(yīng)年份的《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國(guó)煤炭工業(yè)年鑒》。

3.2 評(píng)價(jià)過程

根據(jù)上述2.2 云模型評(píng)價(jià)過程，首先利用熵權(quán)法對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表3：

表3 煤礦資源型城市風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

之后根據(jù)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的不同等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出每一指標(biāo)在不同等級(jí)下的云特征值，結(jié)果見表4。

表4 各指標(biāo)云特征值

表4 （續(xù)）

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果與分析

表5 為徐州市1998—2017 年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合隸屬度輸出結(jié)果。

表5 1998—2017 徐州市年生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合隸屬度

整體而言，徐州市近20 年來的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)出階梯式下降，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)逐漸經(jīng)歷了由高風(fēng)險(xiǎn)——較高風(fēng)險(xiǎn)——較低風(fēng)險(xiǎn)——低風(fēng)險(xiǎn)的變化過程。

具體來看，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)變化的幾個(gè)重要節(jié)點(diǎn)分別是2008 年、2013 年和2015 年：在1998—2008年這11 個(gè)年份內(nèi)，除2000 年的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)被評(píng)估為“中等風(fēng)險(xiǎn)”外，其余10 個(gè)年份皆為“高風(fēng)險(xiǎn)”；結(jié)合圖1 的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的變化趨勢(shì)也可看出，在之后的年份中，徐州市的整體生態(tài)環(huán)境狀況隨著時(shí)間的推移而逐漸改善，2009—2013 年度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“較高”，2014—2015 年的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)跨過了“中等風(fēng)險(xiǎn)”這一領(lǐng)域，直接邁入“較低風(fēng)險(xiǎn)”范圍中，2016—2017 年的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)又下降了一個(gè)等級(jí)，正式進(jìn)入“低風(fēng)險(xiǎn)”的行列。

圖1 綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與目標(biāo)層風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)時(shí)空變化折線圖

3.3.2 準(zhǔn)則層風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果與分析

表6 為徐州市1998—2017 年準(zhǔn)則層指標(biāo)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果。

表6 1998—2017 年準(zhǔn)則層指標(biāo)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

由表6 所示，2007 年是生態(tài)壓力層風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)改變的一個(gè)重要臨界點(diǎn)，2007 年之前的10 年間，生態(tài)壓力的等級(jí)一直在“中等風(fēng)險(xiǎn)”及其以上；在2007年之后，徐州市的生態(tài)壓力狀況得到了極大的提升，大部分年份的生態(tài)壓力已降為“低風(fēng)險(xiǎn)”級(jí)別；而生態(tài)狀態(tài)層和生態(tài)響應(yīng)層的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果與綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果大致相同，呈現(xiàn)出比較明顯的階梯式下降趨勢(shì)。

4 結(jié)論

研究期間內(nèi)，徐州市綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)已由最初的“高風(fēng)險(xiǎn)”提升為“低風(fēng)險(xiǎn)”水平，大致經(jīng)歷了高風(fēng)險(xiǎn)—較高風(fēng)險(xiǎn)—較低風(fēng)險(xiǎn)—低風(fēng)險(xiǎn)的變化過程，整體趨勢(shì)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

此外，生態(tài)狀態(tài)層與生態(tài)響應(yīng)層的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也呈現(xiàn)出類似的階梯式變化，生態(tài)壓力層雖未有明顯的變化規(guī)律，但壓力狀態(tài)也在逐漸的改善；直至2017 年止，生態(tài)壓力層與生態(tài)狀態(tài)層的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)已分別由較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)降為低風(fēng)險(xiǎn)，生態(tài)響應(yīng)層的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也已由高風(fēng)險(xiǎn)變?yōu)檩^低風(fēng)險(xiǎn)，因此，在今后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境治理中，徐州市還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)生態(tài)響應(yīng)的投資與管理力度，這對(duì)進(jìn)一步提高徐州市的整體生態(tài)水平有著至關(guān)重要的作用。