基于EES和GM(1,1)模型的高陵區(qū)地質(zhì)生態(tài)安全預(yù)警與分析

劉清豐

（長(zhǎng)安大學(xué) 土地工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

生態(tài)安全是指地區(qū)的發(fā)展不受資源的制約和威脅,在一定條件下可以穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展，能夠滿足人類生存發(fā)展的基本需求,并為社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供一種良好的支撐狀態(tài)。它保障著生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展,是區(qū)域和國(guó)家安全的載體和基礎(chǔ)[1]。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的背景下，生態(tài)問(wèn)題日益凸顯。隨著人類對(duì)資源的不合理利用與過(guò)度開(kāi)發(fā)，世界各地積累了大量的生態(tài)隱患，生態(tài)問(wèn)題頻頻發(fā)生。

目前，我國(guó)的生態(tài)環(huán)境也面臨著嚴(yán)峻的形式，尤其是土地資源的退化[2]。由于城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快導(dǎo)致土地開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度不斷增加，人地資源矛盾日益加劇，水土流失、土地沙化、土壤污染、土地鹽堿化和土地貧瘠化等現(xiàn)象日益凸顯，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了人們的正常生活和地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。因此，對(duì)區(qū)域土地資源開(kāi)展靜態(tài)的生態(tài)安全評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)的生態(tài)安全預(yù)測(cè)是非常有必要的，可以提升人們對(duì)于生態(tài)環(huán)境的危機(jī)狀況及時(shí)做出科學(xué)合理的決策的能力，可以對(duì)生態(tài)系統(tǒng)退化、惡化做出預(yù)測(cè)，為消除風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)施和調(diào)控生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)合理的對(duì)策，使生態(tài)系統(tǒng)的安全得到保障，確保社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三大效益的統(tǒng)一。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

高陵區(qū)地處陜西省關(guān)中平原腹地，位于西安市北部，東臨臨潼區(qū)，南鄰未央?yún)^(qū)、灞橋區(qū)，西連咸陽(yáng)渭城區(qū)，北臨閻良區(qū)、三原縣。地理坐標(biāo)介于東經(jīng)108°56′16″-109°11′15″，北緯34°25′00″-34°37′30″之間。區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，土壤肥沃，土地總面積28502.69公頃，占西安市土地總面積的2.82%。全區(qū)氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，冷暖干濕變化明顯，年平均氣溫14.1℃，無(wú)霜期231天，年均日照時(shí)數(shù)2247.3小時(shí)，歷年平均總輻射量111.6千卡/cm2，年平均降水量386.6mm。目前，高陵區(qū)的生態(tài)環(huán)境安全問(wèn)題較為嚴(yán)重，易發(fā)生旱澇、水土流失等自然災(zāi)害；且隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，高陵區(qū)工業(yè)化、城市化正處于高速發(fā)展階段，人地資源矛盾更為突出。工業(yè)園區(qū)內(nèi)主要污染物持續(xù)減排難度大，短期內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量難以改善，區(qū)域內(nèi)部分重點(diǎn)流域水污染較為嚴(yán)重，農(nóng)村環(huán)保工作基礎(chǔ)薄弱等環(huán)境問(wèn)題逐漸凸顯，對(duì)高陵區(qū)的土地生態(tài)安全造成了嚴(yán)重威脅[3]。

1.2 研究方法

1.2.1 自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)概念模型(EES)

在土地生態(tài)安全的評(píng)價(jià)過(guò)程中，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立是土地生態(tài)安全定量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，也是土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和可靠性。地質(zhì)生態(tài)安全具有戰(zhàn)略性、區(qū)域性、層次性、動(dòng)態(tài)性與階段性的特點(diǎn)，是一個(gè)龐大的綜合系統(tǒng)，涉及到自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)方面。因此，構(gòu)建土地生態(tài)安全的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，必須涵蓋自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等主要方面，從而滿足指標(biāo)體系構(gòu)建的科學(xué)性、系統(tǒng)性和可操作性的要求，并且能夠從該指標(biāo)體系中發(fā)現(xiàn)區(qū)域土地生態(tài)安全存在的問(wèn)題

指標(biāo)權(quán)重的確定一般采用客觀賦權(quán)的方法，用該方法得到的權(quán)重更加準(zhǔn)確，原理是根據(jù)原數(shù)據(jù)的關(guān)系應(yīng)用數(shù)學(xué)方法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，具體的數(shù)學(xué)方法包括均方差決策賦權(quán)法、熵權(quán)法、因子分析法等。其中，熵權(quán)法也叫熵值法，該方法綜合考慮了各因素的信息量，是一種通過(guò)綜合各因素信息量得出一個(gè)綜合指標(biāo)的數(shù)學(xué)方法。其基本原理根據(jù)信息量的大小來(lái)確定各指標(biāo)權(quán)重的，不僅可以準(zhǔn)確體現(xiàn)出土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)所包含的信息量，還能有效處理土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)信息量大、難以準(zhǔn)確量化等問(wèn)題。計(jì)算公式如下：

（1）求各指標(biāo)的信息熵。

式中，Ei為第i個(gè)指標(biāo)的熵

（2）確定各指標(biāo)權(quán)重和土地生態(tài)安全預(yù)警指數(shù)。在指標(biāo)熵值確定后就可以根據(jù)下式來(lái)確定第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)Wi

式中，ESCV是指土地生態(tài)安全預(yù)警指數(shù)，m是評(píng)價(jià)指標(biāo)的總個(gè)數(shù)，P(Xi)是數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值，Wi指的是各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，m=1,2,3,4···n。

1.2.2 土地生態(tài)安全警情等級(jí)確定

目前，土地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)的研究尚未成熟，還未形成相應(yīng)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)不同的研究區(qū)域形成了不同的預(yù)警值取值范圍。本文參考相關(guān)學(xué)者對(duì)土地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)劃分的研究成果，將高陵區(qū)土地生態(tài)安全預(yù)警等級(jí)分為5個(gè)等級(jí)。預(yù)警值越高，表明土地生態(tài)安全狀態(tài)越好，警情越低，未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)越優(yōu)。預(yù)警值越低，表明土地生態(tài)安全狀態(tài)越差，警情越高，未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)越差。

1.2.3 GM（1,1）灰色預(yù)測(cè)模型

灰色預(yù)測(cè)模型可以對(duì)系統(tǒng)中的多個(gè)或者不確定因素進(jìn)行預(yù)測(cè)，具有整體功能，是一種對(duì)小樣本進(jìn)行有效預(yù)測(cè)的模型?；疑A(yù)測(cè)模型的原理是首先分析系統(tǒng)內(nèi)各因素是否是相互關(guān)聯(lián)的，識(shí)別各因素的發(fā)展趨勢(shì)是否有相同或不同，然后進(jìn)行灰色生成，依靠原始數(shù)據(jù)尋找它們?cè)谡麄€(gè)系統(tǒng)的變動(dòng)規(guī)律，生成規(guī)律性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)序列，根據(jù)數(shù)據(jù)序列建立相應(yīng)的微分方程模型，從而預(yù)測(cè)事物未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。本文選取了灰色預(yù)測(cè)的GM（1,1）模型，其模型優(yōu)點(diǎn)是一般只需要3個(gè)數(shù)據(jù)即可，可以有效解決樣本數(shù)據(jù)少、序列的完整性低和數(shù)據(jù)復(fù)雜的問(wèn)題，常用的數(shù)據(jù)數(shù)列生成方式有累加生成、累減生成和加權(quán)累加生成，能夠用等時(shí)距觀測(cè)到的反應(yīng)預(yù)測(cè)對(duì)象特征的一系列數(shù)量值構(gòu)造灰色預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)未來(lái)某一時(shí)刻的特征量。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文的研究數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《中國(guó)縣域統(tǒng)計(jì)年鑒》《國(guó)家環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》、陜西省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》、高陵區(qū)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)資料等數(shù)據(jù)，部分統(tǒng)計(jì)值通過(guò)對(duì)相關(guān)年鑒的數(shù)值計(jì)算獲得。

2 高陵區(qū)土地生態(tài)安全預(yù)警結(jié)果與分析

依據(jù)以上評(píng)價(jià)方法得出2010-2017年高陵區(qū)土地生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，利用GM(1,1)模型，選取2010-2017年8年的數(shù)據(jù)為輸入，經(jīng)過(guò)多次殘差序列分析，得到高陵區(qū)2018-2022年目標(biāo)層及各準(zhǔn)則層的土地生態(tài)安全預(yù)警評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)值。

目標(biāo)層土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指數(shù)預(yù)警及分析：根據(jù)上述所建立的灰色預(yù)測(cè)模型，將高陵區(qū)2010-2017年的土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)綜合指數(shù)值代入模型，經(jīng)過(guò)2次殘差序列分析，對(duì)2018-2022年高陵區(qū)土地生態(tài)安全目標(biāo)層狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。得到預(yù)測(cè)公式為：X(1)(k+1)=3.0821e0.1521k-2.6911，計(jì)算得出目標(biāo)層的實(shí)際值與擬合值及預(yù)測(cè)結(jié)果和目標(biāo)層生態(tài)安全評(píng)價(jià)指數(shù)GM(1,1)模型擬合成果。

3 結(jié)論

（1）2010—2017年高陵區(qū)土地生態(tài)安全警情分別為中警、中警、中警、輕警、輕警、輕警、輕警、預(yù)警，警情有所降低，土地生態(tài)環(huán)境受的破壞有所恢復(fù)，生態(tài)服務(wù)功能有所提升，土地生態(tài)狀況好轉(zhuǎn)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，為了保障良好的土地生態(tài)狀況和生態(tài)服務(wù)功能，應(yīng)仍需加大對(duì)高陵區(qū)土地生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和治理，防止出現(xiàn)土地生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞、生態(tài)環(huán)境難以恢復(fù)的情況。系統(tǒng)的自然因素層、社會(huì)因素層、經(jīng)濟(jì)因素層指數(shù)均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，表明高陵區(qū)對(duì)土地生態(tài)環(huán)境的保護(hù)成效顯著，土地生態(tài)狀況的到了一定好轉(zhuǎn)，但仍然存在遭受破壞的風(fēng)險(xiǎn)，在推進(jìn)工業(yè)化和城市化過(guò)程中需要加大對(duì)高陵區(qū)土地生態(tài)環(huán)境狀況的監(jiān)測(cè)和改善力度。

（2）根據(jù)灰色系統(tǒng)理論中的GM（1,1）預(yù)測(cè)模型得到高陵區(qū)2018-2022年土地生態(tài)安全預(yù)警值指數(shù)分別為0.6275、0.6558、0.6886、0.7132和0.7486，具有明顯的上升趨勢(shì)，土地生態(tài)安全狀況良好，朝著“無(wú)警”狀態(tài)發(fā)展，說(shuō)明未來(lái)幾年的土地生態(tài)安全狀況將得到進(jìn)一步的改善。

（3）結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)土地生態(tài)安全提出相應(yīng)的保護(hù)措施和建議，包括提高耕地的有效灌溉面積，保證土地資源可持續(xù)利用，緩解土地退化沙化；加強(qiáng)執(zhí)法力度，提高民眾意識(shí)，構(gòu)建政府為主導(dǎo)，民眾自覺(jué)監(jiān)督為輔的土地生態(tài)安全保護(hù)體系，有效的維護(hù)區(qū)域土地的生態(tài)安全，從而推動(dòng)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展；建立一項(xiàng)綜合性土地生態(tài)安全保護(hù)體系，形成統(tǒng)籌安排，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的監(jiān)管反饋預(yù)警體制，以推進(jìn)土地保護(hù)和建設(shè)工作，因地制宜的將硬性措施和軟性意識(shí)的結(jié)合才能使生態(tài)保護(hù)起到具有時(shí)效性和長(zhǎng)久性的明顯作用。