基于PSR-TOPSIS模型的哈爾濱市生態(tài)安全評(píng)價(jià)及障礙因子診斷

張明軒

（哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

目前我國(guó)正處于城市快速發(fā)展階段，生態(tài)環(huán)境在為人們提供各種需求的同時(shí)也在面臨諸如空氣污染、水資源減少、固體廢棄物增加、資源承載力加劇等挑戰(zhàn)，這些都在制約城市發(fā)展。如何在滿(mǎn)足人類(lèi)日益發(fā)展需求的同時(shí)又不損害生態(tài)系統(tǒng)的安全是我們最值得探討的問(wèn)題。因此生態(tài)安全的研究對(duì)于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要的研究意義，能明確城市發(fā)展薄弱環(huán)節(jié)，根據(jù)發(fā)展趨勢(shì)，因地制宜的為城市發(fā)展提供可行性意見(jiàn)，全方位帶動(dòng)城市高質(zhì)量發(fā)展。

生態(tài)安全已經(jīng)成為地區(qū)可持續(xù)發(fā)展和土地集約化利用的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)將生態(tài)安全評(píng)價(jià)與時(shí)空格局演變［1-2］、影響因素［3］、耦合協(xié)調(diào)［4-5］、動(dòng)態(tài)預(yù)警［6］、障礙因子［7-8］等相結(jié)合，綜合評(píng)價(jià)生態(tài)安全。在指標(biāo)體系的選取上常采用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）模型［7］和驅(qū)動(dòng)力-狀態(tài)-響應(yīng)（DSR）模型等。常用的分析方法有AHP層次分析法［9］、主成分分析法［10］、DPSIR模型分析［8,11］、空間變異系數(shù)法［11］等對(duì)生態(tài)安全進(jìn)行綜合分析，擴(kuò)大生態(tài)安全的研究方法和層次。

國(guó)外對(duì)于生態(tài)安全的研究起步較早，1989年國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所首先提出生態(tài)安全是指生態(tài)遭受壓力卻不受威脅的狀態(tài)［12］。隨后生態(tài)安全的研究逐漸系統(tǒng)化，研究層次逐漸深入，評(píng)估模型在最初的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）模型［13］基礎(chǔ)上又建立新的DPSIR模型深入研究海洋［14］、綠色基礎(chǔ)設(shè)施［15］、濕地［16］等生態(tài)環(huán)境的生態(tài)安全，深入與可持續(xù)發(fā)展的聯(lián)系［17-18］，生態(tài)安全是整個(gè)人類(lèi)安全體系的重要基礎(chǔ)，是人類(lèi)生存的基石。了解生態(tài)安全狀況，是作出避免生態(tài)災(zāi)害決策的關(guān)鍵。

但大多數(shù)學(xué)者關(guān)注的是生態(tài)與土地和環(huán)境的相互制約，主要涉及對(duì)生態(tài)安全、土地利用的評(píng)價(jià)?，F(xiàn)有的生態(tài)安全機(jī)制和信息服務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，在解決生態(tài)安全問(wèn)題的能力上還處于初級(jí)階段。本文基于哈爾濱城市發(fā)展現(xiàn)狀，應(yīng)用PSR-TOPSIS模型對(duì)生態(tài)安全進(jìn)行綜合測(cè)度，并用障礙度模型計(jì)算出主要致脆因子，使決策者能夠更好地了解生態(tài)安全，制定政策以實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量的提高，為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境維護(hù)和城市可持續(xù)發(fā)展提供對(duì)策。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域哈爾濱市為黑龍江省省會(huì)，總面積53 186 km2，占黑龍江省面積的11.2%，地處松嫩平原，地勢(shì)平坦，冬長(zhǎng)夏短，降水主要集中在6—9月。煤炭型資源城市，生態(tài)環(huán)境面臨較大考驗(yàn)，2018年，城市環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)天數(shù)85.6 d，水環(huán)境檢測(cè)斷面數(shù)46，II類(lèi)水質(zhì)斷面比例僅占6.5%，市區(qū)工業(yè)廢氣排放量4.892 6×1011m3，占廢氣排放量的88.63%；全市工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量為490.4 t，垃圾處理方式主要以焚燒和填埋為主，也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于2009—2018年《黑龍江統(tǒng)計(jì)年鑒》和《哈爾濱統(tǒng)計(jì)年鑒》，選取人口密度、土地生產(chǎn)力、污水利用率、固體廢棄物綜合利用率等指標(biāo)，部分?jǐn)?shù)據(jù)需要通過(guò)計(jì)算得出，缺失數(shù)據(jù)通過(guò)插值法計(jì)算補(bǔ)全。

2 研究方法

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

對(duì)哈爾濱市生態(tài)安全的評(píng)價(jià)需要考慮環(huán)境、生態(tài)、自然環(huán)境與人類(lèi)的關(guān)系等多方因素的共同作用，構(gòu)建科學(xué)合理的指標(biāo)體系是研究的關(guān)鍵。本文基于哈爾濱市發(fā)展現(xiàn)狀，從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)，三個(gè)維度選取合適的指標(biāo)，分別反映哈爾濱市生態(tài)安全所承受的壓力、人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)域造成的影響，以及針對(duì)性的開(kāi)展應(yīng)對(duì)措施，提升生態(tài)安全的能力（表1）。文中在參考現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上［18-19］，遵循指標(biāo)可獲取性原則，結(jié)合哈爾濱市生態(tài)安全特征，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，按照熵值法的步驟確定了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重（表2）。其中“+”、“－”表示指標(biāo)的正負(fù)屬性。

表1 生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Evaluation index system of ecological security

2.2 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重-熵值法

根據(jù)各指標(biāo)對(duì)總體評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)度差異性，選取熵值法確定各指標(biāo)在評(píng)價(jià)體系中的權(quán)重。假設(shè)選取n個(gè)年份的數(shù)據(jù)作為研究樣本，設(shè)計(jì)m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，kij表示第i個(gè)年份的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（i=1，2,3,......n,j=1,2,3.....m）

（1）正負(fù)指標(biāo)的無(wú)量綱化

對(duì)于正向指標(biāo)：

對(duì)于逆向指標(biāo)：

（2）計(jì)算第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在第i個(gè)年份所占比重

（3）計(jì)算第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值：

（4）定義評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

2.3 TOPSIS法評(píng)價(jià)模型

TOPSIS法是一種常用的綜合評(píng)價(jià)方法，充分利用原始數(shù)據(jù)指標(biāo)評(píng)價(jià)方案之間的差距。貼近度取值在0和1之間，值越接近于1，評(píng)價(jià)指標(biāo)越接近于最優(yōu)水平。

(1)建立權(quán)重規(guī)范化矩陣

通過(guò)計(jì)算權(quán)重規(guī)格化值，建立關(guān)于權(quán)重規(guī)范化值的權(quán)重規(guī)范化矩陣。

i=1,2,...,m;j=1,2,...,n.

建立權(quán)重規(guī)范化矩陣

Vij=Wj×Rij,i=1,2,...,m,j=1,2,...,n.

（2）確定正負(fù)理想解

根據(jù)權(quán)重規(guī)范化確定正負(fù)理想解

正理想解:y+={maxi Vij|i=1，2，3，…，m}

負(fù)理想解:y-={mini Vij|i=1，2，3，…，m}

maxi Vij和mini Vij為加權(quán)規(guī)范化矩陣最大值和最小值。

（3）計(jì)算距離尺度

計(jì)算指標(biāo)貼近度

用貼近度表示城市生態(tài)安全指數(shù)，C*i越大，表示城市生態(tài)安全越接近最優(yōu)狀態(tài)。結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)狀，參考生態(tài)安全等級(jí)劃分的相關(guān)文獻(xiàn)［6-9］，將生態(tài)安全劃為五個(gè)等級(jí)（表2）貼近度越接近于1，表示城市生態(tài)越穩(wěn)定，區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力強(qiáng)。

表2 生態(tài)安全評(píng)價(jià)等級(jí)劃分Table 2 Classification of ecological security assessment grades

2.4 障礙度模型

障礙度的分析可以對(duì)區(qū)域生態(tài)發(fā)展進(jìn)行病理診斷，對(duì)主要障礙因子進(jìn)行評(píng)價(jià)和提煉，有利于城市針對(duì)性的開(kāi)展治理措施。

Lij為單項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值，通過(guò)極值標(biāo)準(zhǔn)化法獲得；Iij為指標(biāo)偏離度，單指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的權(quán)重；Fij為因子貢獻(xiàn)；Mij為單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)生態(tài)安全的影響程度；Nij為準(zhǔn)則層的障礙度。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)安全綜合狀況評(píng)價(jià)

從圖1可以看出，2009—2018年哈爾濱市生態(tài)安全水平整體上變化不顯著，處于穩(wěn)步發(fā)展階段，貼近度變化的極值由2009年的0.305變化到極大值為2017年份0.711，總的變化跨度為0.406。整體安全等級(jí)也由較不安全向較安全等級(jí)過(guò)渡。2015年以后生態(tài)安全評(píng)價(jià)值顯著上升，2015—2016年整體上升0.181，這兩年生態(tài)安全指數(shù)處于基本安全或較安全級(jí)別。

圖1 生態(tài)安全綜合指數(shù)Fig.1 Ecological security composite index

由圖2可以看出，S+i值總體上呈下降趨勢(shì)，由2009年的0.451下降至2018年的0.217下降了0.234，逐漸接近正理想。值總體上呈現(xiàn)與變化趨勢(shì)相反的上升方向，由2009年的0.198上升到2018年的0.472，上升了0.274，逐漸偏離了負(fù)理想值。通過(guò)生態(tài)安全綜合變化指數(shù)來(lái)看，哈爾濱市生態(tài)安全演變可以分為三個(gè)階段。第一階段為2009—2015年的小幅上升階段，趨勢(shì)較不穩(wěn)定，整體處于較不安全水平，研究期間內(nèi)生態(tài)安全指數(shù)極值變化水平為0.153，變化幅度不明顯。即使綠化覆蓋率和人均公園綠地面積較高，但早期農(nóng)耕發(fā)展破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，城市空氣污染物等排放較高，水污染物和空氣污染較嚴(yán)重，造成了生態(tài)環(huán)境的破壞；第二階段為2015—2017年快速發(fā)展階段，城市生態(tài)安全綜合指數(shù)快速上升，由2015年0.458上升到0.711，年均增長(zhǎng)12.65%，生態(tài)安全水平躍升到較安全階段；研究期間內(nèi)，哈爾濱市人口密度減少，人口的減少削弱了對(duì)環(huán)境的壓力，以及對(duì)資源和環(huán)境的需求，這個(gè)階段城市廢水和廢氣排放量也相對(duì)減少，這些內(nèi)在因素都是生態(tài)安全水平提高的驅(qū)動(dòng)因素；第三階段為2017—2018年波動(dòng)變化階段，2016年SO2排放26217t，但2017年排放量高達(dá)35 398 t，工業(yè)污染加劇，使哈爾濱市生態(tài)環(huán)境發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。伴隨《哈爾濱市環(huán)境總體規(guī)劃》（2017—2030年）的編制，環(huán)境空間分區(qū)管控和生態(tài)紅線的設(shè)置和管控，都促使哈爾濱市向更好的發(fā)展趨勢(shì)邁進(jìn)，保障城市環(huán)境安全，維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)健康。

圖2 哈爾濱市生態(tài)安全發(fā)展趨勢(shì)Fig.2 Development trend of Land ecological security and in Harbin

3.2 生態(tài)安全子系統(tǒng)分析

基于綜合分析哈爾濱市生態(tài)安全的基礎(chǔ)上，運(yùn)用TOPSIS得出安全各子系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。2009—2018年間，哈爾濱市生態(tài)安全各子系統(tǒng)隨時(shí)間變化趨勢(shì)較不平穩(wěn)（圖3）。

圖3 生態(tài)安全各自系統(tǒng)指數(shù)Fig.3 Respective system indexes of ecological security

3.2.1 生態(tài)安全壓力子系統(tǒng)

哈爾濱市生態(tài)安全壓力子系統(tǒng)2011—2015年測(cè)度值都在0.35以下，較多階段處于不安全水平，早期哈爾濱城市發(fā)展廢氣和廢水等排放數(shù)量較大，年排放量造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，影響生態(tài)安全的提高，過(guò)大的人口密度加劇了土地承載壓力。2015年以后壓力系統(tǒng)貼近度逐步提高，2018年貼近度增高0.737，生態(tài)安全水平得到良好發(fā)展，污染物等對(duì)生態(tài)壓力的作用較弱，環(huán)境得到很大提升?？傮w上看，哈爾濱市自2009—2018年生態(tài)壓力貼近度呈現(xiàn)上升的發(fā)展態(tài)勢(shì)。研究表明，生態(tài)環(huán)境的治理和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)生態(tài)安全的良好途徑之一，而生態(tài)安全水平的提高又是可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)良保障。

3.2.2 生態(tài)安全狀態(tài)子系統(tǒng)

生態(tài)安全子系統(tǒng)發(fā)展較不平穩(wěn)，總體與壓力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)相反，在2010—2011年間存在很大一個(gè)躍升階段，這年土壤生產(chǎn)力上升幅度較大，糧食產(chǎn)量較高，土地利用率較高，貼近度從0.209增加到0.899，逐漸突破安全等級(jí)。但2010年以后狀態(tài)子系統(tǒng)貼近度逐漸下降，這與建成區(qū)綠化覆蓋率和人均公園綠地面積的減少以及土地生產(chǎn)力的下降有關(guān)，狀態(tài)層面的停滯不前甚至下降趨勢(shì)都是哈爾濱市生態(tài)安全提升的主要障礙。

3.2.3 生態(tài)安全響應(yīng)子系統(tǒng)

區(qū)別于生態(tài)安全壓力和狀態(tài)子系統(tǒng)，響應(yīng)子系統(tǒng)在十年間增幅最為明顯，幾乎都處于穩(wěn)步上升階段，生態(tài)系統(tǒng)安全水平也由不安全躍升到安全水平。由最初的0.066躍升到2018年的0.818，研究時(shí)期內(nèi)，哈爾濱市對(duì)污染物的處理水平一直在提高，工業(yè)固體廢棄物水平由76.3%提高到87.2%，污水處理率和垃圾無(wú)害化處理率等提高到90%以上，政策的出臺(tái)實(shí)施加強(qiáng)對(duì)生態(tài)環(huán)境提高的保護(hù)力度。緩解壓力層帶給城市的污染，保障了人民生產(chǎn)、生活、生態(tài)的綜合提高、提升居住和生活環(huán)境的同時(shí)帶動(dòng)了整個(gè)哈爾濱市生態(tài)安全水平的良好發(fā)展。

3.3 生態(tài)安全障礙因子分析

由表3可知，壓力、狀態(tài)、響應(yīng)準(zhǔn)則層對(duì)生態(tài)安全的障礙度貢獻(xiàn)程度差異明顯。壓力層障礙度先上升后下降，狀態(tài)層障礙度與響應(yīng)層障礙度都存在不同程度變化。壓力層障礙度一直是研究期間內(nèi)最大的障礙因素，障礙度的值基本都在40%以上，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，變化差異顯著，2014年占總障礙度的82.54%，到了2018年卻只占到了總障礙度的44.16%，最大障礙度與最小障礙度之間相差38.38%。主要是生態(tài)文明理念的提出，讓人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視日益加強(qiáng)，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型等措施使污染物排放減少，削弱了壓力層面對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。狀態(tài)層障礙度在波動(dòng)中上升，到了2018年，逐漸縮小與壓力層障礙度的差距，成為僅次于壓力層，位于第二貢獻(xiàn)度的準(zhǔn)則層，綠化和公園面積的減弱都加劇了環(huán)境壓力，狀態(tài)層障礙度逐漸上升。響應(yīng)層與狀態(tài)層一直是障礙度第二或者第三的位置，2014年后，響應(yīng)層障礙度穩(wěn)居第三位置，成為障礙度貢獻(xiàn)最小的準(zhǔn)則層。與障礙度第二名和第一名差距在30%左右，隨著城市的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，污水處理率、垃圾無(wú)害化處理率能力日益加強(qiáng)，到了2018年，處理水平都在90%以上。

表3 2009—2018年哈爾濱市生態(tài)安全準(zhǔn)則層指標(biāo)障礙度Table 3 Indicator obstacle degree of Harbin Ecological security criterion layer from 2009 to 2018

表4 2009—2018年哈爾濱市生態(tài)安全指標(biāo)層主要障礙因子障礙度Table 4 Obstacle degrees of major obstacle factors in Harbin ecological security indicator layer from 2009 to 2018

指標(biāo)層因子較多，本研究主要選取了貢獻(xiàn)度位于前三的三個(gè)貢獻(xiàn)因子作為具體分析對(duì)象。2009—2018年，人口密度D2和人均耕地面積D5位于障礙度首位，2016年障礙度開(kāi)始向市區(qū)區(qū)域環(huán)境噪聲平均等效聲級(jí)值D3、建成區(qū)綠化覆蓋率D6轉(zhuǎn)移，D2、D5退出主要障礙因素層面。早期人口密度過(guò)大，人均耕地面積減少，過(guò)大的人口數(shù)量致使環(huán)境承載力加劇，生態(tài)環(huán)境遭受打擊，但研究后期，哈爾濱市開(kāi)始注重生態(tài)環(huán)境的改善，人口密度和人均耕地面積得到了有效控制，但對(duì)城市綠化基礎(chǔ)設(shè)施的改造不強(qiáng)，綠化覆蓋率減小，由最初的39%減小到35%，下降了4%，綠化環(huán)境治理不強(qiáng)。工業(yè)SO2排放量D1、土壤生產(chǎn)力D8、污水處理率D9、一般工業(yè)固體廢物綜合利用率D11障礙度逐漸上升，印證了哈爾濱市在生態(tài)環(huán)境治理方面力度加強(qiáng)，整體生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)也有所上升。

總體哈爾濱市生態(tài)安全障礙因子由壓力層面向狀態(tài)和響應(yīng)層面過(guò)渡，這說(shuō)明阻礙生態(tài)安全的主要因子隨著城市發(fā)展在不斷變化，今后在生態(tài)環(huán)境的治理上應(yīng)有所側(cè)重，維護(hù)主要發(fā)展優(yōu)勢(shì)，積極治理發(fā)展的主要障礙因子，因地治理發(fā)展生態(tài)，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

本研究基于PSR（壓力-狀態(tài)-響應(yīng)）模型構(gòu)建哈爾濱市生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)計(jì)算得出如下結(jié)論：

（1）哈爾濱市生態(tài)安全指數(shù)呈現(xiàn)小幅波動(dòng)，在研究期間內(nèi)總體發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，由較不安全上升到較安全等級(jí)。發(fā)展過(guò)程主要為小幅度變化階段（2009—2014年）、快速上升階段（2014—2016年）、波動(dòng)發(fā)展階段（2016—2018年）。

（2）各子要素層發(fā)展不平衡，壓力子系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)較不平穩(wěn)，響應(yīng)子系統(tǒng)上升趨勢(shì)明顯，幅度較大，狀態(tài)子系統(tǒng)有下降趨勢(shì)。

（3）哈爾濱市生態(tài)安全障礙因子隨著城市和生態(tài)發(fā)展，各層面對(duì)障礙度的貢獻(xiàn)不同，壓力層面影響逐漸減弱，狀態(tài)層障礙度逐漸上，響應(yīng)子系統(tǒng)障礙度最小這一結(jié)果與生態(tài)安全TOPSIS得到的貼近度所體現(xiàn)發(fā)展一致。綠化率覆蓋率、固體廢棄物綜合利用率等指標(biāo)障礙度逐漸上升，哈爾濱市應(yīng)重點(diǎn)治理發(fā)展薄弱環(huán)節(jié)，保障生態(tài)安全的提升。