基于熵權法的焦作市城市生態系統健康動態評價

高彩玲, 田采霞, 麻冰涓

(河南理工大學 資源環境學院, 河南 焦作 454003)

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基于熵權法的焦作市城市生態系統健康動態評價

高彩玲, 田采霞, 麻冰涓

(河南理工大學 資源環境學院, 河南 焦作 454003)

摘要：[目的] 評價焦作市城市生態系統健康動態，以便進一步提高焦作城市生態系統健康水平，優化經濟結構，確保污染物的持續減排。 [方法] 以綜合性、代表性、可比性和可操作性為原則,結合國家生態文明建設和節能減排形勢要求,從活力、組織結構、恢復力、生態系統服務功能及人群健康5個要素入手構建焦作城市生態系統健康評價指標體系;采用熵權法確定權重,從時間序列角度評價健康水平的相對狀況。 [結果] 2006—2012年焦作城市生態系統健康水平逐年提高,活力和人群健康指數不斷增加,組織結構指數小幅波動,恢復力和服務功能指數顯著增加但顯現波動。其中,經濟結構變動是組織結構小幅波動的原因,污染物排放量和固廢綜合利用率的變化是城市恢復力及服務功能變化的主要因素。 [結論] 優化經濟結構，確保污染物的持續減排是提高焦作城市生態系統健康水平的關鍵。

關鍵詞：城市生態系統健康; 評價指標體系; 熵權法; 焦作市

隨著中國生態文明建設的提出，生態城市建設越來越成為關注焦點[1]，享受生態、宜居的生活是每個市民的期盼。城市是以環境為體、經濟為用、生態為綱、文化為常的具有高強度社會經濟集聚效應和大尺度人口、資源、環境影響的地球表層微縮生態景觀[2]，城市生態系統健康(urban ecosystem health)是指城市人居環境的健康，即系統內人類生產生活通過與周圍環境、各群落之間進行的物質和能量交換所形成持續的良性循環，以及城市生態系統內人類種群的健康[3]。由于生態系統的復雜性以及研究角度不同，城市生態系統健康的評價指標體系至今尚無定論，大致可以歸結為2大類： (1) 根據城市生態系統的構成，將其劃分為自然子系統、經濟子系統和社會子系統[4-6]；(2) 從系統可持續性能力的角度，劃分為活力、組織結構、恢復力、服務功能和人群健康狀況5個主要素進行評價，每個主要素細分指標，同時根據各指標值大小區分為病態、不健康、亞健康、較健康、很健康5個等級[7-9]。該體系最早由Costanza[10]提出，現為多數學者采納[11-13]。然而，由于健康分級標準取值的不一致，目前研究中普遍存在“健康狀態等級”標準的客觀性問題[5]，致使研究結果存在一定的主觀性。

焦作因煤而興，以礦起家，歷史上曾以“煤城”著稱。李定策等從城市生態系統結構、功能和協調度3個方面構建評價指標體系，對1999—2000年焦作市生態狀況進行評價。結果表明：焦作市各級生態指數明顯偏低，生態環境狀況不容樂觀[14]。杜艷春等應用P-S-R模型，評價焦作市2001—2007年的生態安全狀況。結果表明：2001—2003年間生態安全水平較低；2004—2007年間有所提高[15]。目前，焦作作為全國第一批資源枯竭型城市，已實現了從“黑色經濟”到“綠色主題”的轉型，被稱為資源型城市轉型的成功典范。本文選用活力、組織結構、恢復力、服務功能和人群健康狀況作為評價的5個主要素，結合國家生態文明建設和節能減排形勢要求，優化城市生態系統健康評價指標體系，避開健康分級標準取值問題，從時間縱向上評價2006—2012年焦作城市生態系統的相對健康狀態，從而避免了由于判斷健康標準的主觀性而帶來評價結論的不確定性。

1評價指標體系

評價指標的選取應本著綜合性、代表性、可比性和可操作性為原則。本文借鑒學術界普遍認可[16-17]的活力、組織結構、恢復力、生態系統服務功能和人群健康狀況作為評價的5個主要素。其中，活力是指能量或活動性，主要指生產功能，體現在經濟水平和經濟效率兩個方面；組織結構是指生態系統結構的復雜性，包括自然結構、經濟結構和社會結構3方面；恢復力指系統在外界壓力消失的情況下逐步恢復的能力，一定程度上可用城市生態系統的自我調節能力來體現；城市生態系統提供的服務功能通過環境質量、民生改善2方面來體現；人群健康狀況從生活狀況和文化教育水平2方面來反映。評價體系劃分為5個主要素，11個因素，共涵蓋36個指標(見表1)。

本指標體系特色為在“活力”主要素中用“GDP增長率”表征經濟發展速度，但改變傳統越快越好的理念，認為適度增長才是可持續發展。“十一五”期間焦作市地區生產總值年均增長13.6%，最高值為17.1%。結合焦作市“十二五”規劃，本文以12%的增速做為理想值；用“單位GDP能耗”和“單位GDP水耗”來表示經濟效率因素，以反映在節能減排形勢下生態城市建設的響應，指標性質為逆向指標，越小越好；在“社會結構”主要素中，增加“65歲以上老人占總人口比率”代表老齡化社會現狀，采取聯合國劃分老齡化社會新標準做為理想值；在“市區人口密度”取值方面，即考慮人口集聚帶來規模效應，同時兼顧人口過度密集帶來的負面影響，這里取10 000人/km做理想值；在“恢復力”主要素中除了廢物處理效率外，增加了“污染減排”因素，避免了廢物處理率的提高并不意味著污染物排放量的減小。污染減排涵蓋COD，NH3—N，SO2和NOx這4個指標，與國家“十二五”主要污染物總量控制相銜接。污染減排指標的理想值本應取4個污染因子在焦作市的環境容量值，但由于缺乏這方面研究成果，外加中國正處于環境污染事故集中突發期，特將這4個指標定性為逆向指標，即排放量越少越好；在“環境質量”因素中，用“地下水監測井水質優良比”表征地下水水體質量，用“省控河流責任目標斷面水質平均達標率”表征地表水水體質量；在“民生改善”因素中，“城鎮居民人均住房面積”、“人均道路面積”、“千人擁有病床數”和“萬人擁有公共汽車數”，盡管這些指標數值越大，城市居民生活越便利。但是由于土地資源是有限的，病床和公共汽車等公共資源也應注重利用效率，在此參考景彩娥[9]、趙帥等[16]評價指標中的健康值做為理想值。這些增加和變化顯示了新形勢下資源環境壓力的變化，以及生態文明對經濟發展的新要求，具有重要的現實意義。

2焦作城市生態系統健康評價

2.1　數據來源及說明

評價指標中人均GDP，GDP增長率，第三產業增加值比重，城鎮化率，人均公共綠地面積，建成區綠化覆蓋率，森林覆蓋率，城鎮居民恩格爾系數，人口自然增長率，千人擁有病床數，萬人擁有公共汽車數，文教科衛事業費占財政支持比例，R&D經費等數值源于《焦作統計年鑒》；城鎮登記失業率、65歲以上老人占總人口比率、城鎮居民人均住房面積、人均道路面積、燃氣普及率等數值源于《河南統計年鑒》；高技術產業完成增加值源于《焦作市國民經濟和社會發展統計公報》，高技術產業增加值與當年地區生產總值的比值即為高技術產業占GDP比重；R&D經費與當年地區生產總值的比重即為R&D經費占GDP的比重。

表1　焦作城市生態系統健康評價指標體系及其權重

空氣良好天數、區域噪聲達標覆蓋率、地下水監測井水質優良比、省控河流責任目標斷面水質平均達標率源于《焦作市環境質量報告》；主要污染物COD，NH3—N，SO2和NOx年排放量源于河南省環境保護廳網站公布的《河南省環境統計年報》。

單位GDP能耗只有在同一基準年不變價的基礎上對比才有意義。《焦作統計年鑒》中2006—2010年單位GDP能耗是2005年不變價，而2011—2012年數據是2010年不變價。由于不同基期的不變價缺乏可比性，本評價采用折算后的2005年不變價的單位GDP能耗進行研究。單位GDP水耗由當年總用水量減去生活用水量，然后除以當年地區生產總值(2005年不變價)的計算得來，當年用水量和生活用水量數據源于《焦作統計年鑒》。

2.2　評價方法

2.2.1原始數據準化為消除各評價指標單位、數據性質等量綱存在的差異，需要對數據進行標準化處理。本文分3種情況進行處理：

(1) 正向指標。指標數值越大越好，其處理模型為：

(1)

(2) 負向指標。指標數值越小越好，其處理模型為：

(2)

(3) 適度指標。指標與理想值越接近越好，其處理模型：

(3)

2.2.2權重確定權重的方法主要有2種： (1) 主觀賦權法，如AHP法、Delphi法等； (2) 客觀賦權法，如熵權法、變異系數法。本研究采用熵權法確定各項指標權重。

熵權法是一種客觀的賦權方法，它是利用各指標的熵值所提供的信息量的大小來決定指標權重的方法，可以避免人為因素干擾，使評價結果更符合實際[18]。計算步驟：

(1) 定義熵。第i個指標的熵定義為：

(4)

(5)

式中：ei——第i個指標的熵；常數k與系統樣本數m有關，k=1/lnm；fij——第i個指標第j年標準值的比重；如果fij為0，則用0.00 001代替計算[15]。

(2) 定義熵權。第i個指標的熵權定義為：

(6)

2.2.3樣本評價各主要素中每個指標都從不同側面反映城市生態系統健康水平，要想從總體上認識城市生態系統健康狀況，需要進行綜合評判。在此，采用線性加權函數計算城市生態系統健康指數，其評價模型為：

(7)

式中：Hij——第i個評價指標第j年健康指數。

3結果與分析

3.1　活力指數

經過標準化處理后，活力指數如圖1所示。指數標準化后數值越大，活力越大，生態系統健康程度越高。從圖1可以看出，2006—2012年間活力指數逐年上升，經濟生產力和經濟效率指數穩步增加。原因在于2006—2012年間，焦作市人均生產總值不斷增加，單位GDP能源消耗和單位GDP水耗不斷下降，盡管經濟發展速度雖有所波動，但總體處于適度發展。

圖1　焦作市城市生態系統健康評價活力指數

3.2　組織結構指數

由組織結構指數(圖2)可知，2006—2012年間，焦作市經濟結構指數與組織結構指數同步波動，社會結構指數穩步增長，自然結構指數小幅增加。由此表明，經濟結構是導致組織結構波動的主要原因。焦作市產業層次較低，盡管近些年提出“旅游強市”戰略，但以旅游業、現代物流業、金融商貿為代表的服務業比重依然偏低，工業結構不盡合理。由于2008年和2010年第三產業比重的下降，進而導致經濟結構指數下跌，由此引起組織結構指數的強烈波動。2012年焦作市第三產業比重24.0%，河南省為31.0%，全國為44.6%。由此可見，焦作市經濟結構不合理問題突出，第三產業比重即低于河南省水平，更低于全國水平。因此，焦作市應突出轉型發展，以提升、轉型、優化為方向，大力發展高成長性產業，提升綜合經濟實力。

圖2　焦作市城市生態系統健康評價組織結構指數

3.3　恢復力指數

由恢復力指數(圖3)可以看出，2006—2012年間，恢復力指數波動顯著，改善明顯；除2010年外，污染減排指數幾乎與恢復力指數同步波動；廢物處理能力指數整體呈現上升態勢但2011年下降明顯。由此可以看出，污染減排是引起恢復力變化的主要原因。2010年焦作市COD和NH3—N排放量的增加，引起污染減排能力指數的下降；而2011—2012年間，固廢綜合利用率的下降是導致廢物處理指數下降的原因。因此，提高固廢資源化率，實現主要污染物的持續減排，是改善恢復力的關鍵因素。

圖3　焦作市城市生態系統健康評價恢復力指數

3.4　服務功能指數

從服務功能指數(圖4)可以看出，2006—2012年間，環境質量和生態服務功能指數同步波動，整體改善；民生改善指數于2007年上升后基本穩定。由此可見，環境質量是影響生態服務功能指數的主要因素。由于2009年環境空氣質量優良天數的下降、2011年地下水測井優良比和省控河流責任目標斷面水質平均達標率下降，分別造成2009年和2011年環境質量指數下滑。因此，大力加強污染減排，改善大氣環境和水環境質量，可以提升城市服務能力。

圖4　焦作市城市生態系統健康評價服務功能指數

3.5　人群健康指數

從人群健康指數(圖5)可以看出，2006—2012年間，生活狀況與人群健康指數同步變化，文教水平指數穩定上升。由此可見，生活狀況是影響人群健康指數的主要原因。2008年受經濟危機影響，城鎮居民恩格爾系數上升，導致生活狀況指數略有下降。

圖5　焦作市城市生態系統健康評價人群健康指數

3.6　綜合指數

從綜合指數(圖6)可以看出，2006—2012年焦作城市生態系健康走勢是穩中有升，健康程度不斷提高。其中，2006—2009年健康指數增長明顯，2009—2012年間增加平緩。究其原因：2005年焦作市曾被列入全國“十大污染城市”，這一結果在社會上引起了強烈的震動和反響。為此，焦作市市長公開道歉，并痛下決心“脫胎換骨”，承認環保部門在推動科學發展、建設生態文明的歷史進程中承擔著重大歷史使命[19]，進而將調整工業布局、整治重污染企業、推廣清潔能源等做為污染治理工作的重中之重，相繼組織實施了以“關閉一批，搬遷一批，轉產一批，治理一批”為核心的環境污染綜合整治。通過污染整治，2006—2009年間主要污染物排放量顯著減少，市區環境空氣優良天數逐年增加，由此引發城市恢復力和服務功能的顯著提高。之后，隨著SO2和NOx排放量的反彈和固廢綜合利用率的下降，進而導致城市恢復力指數下滑，最終使得城市生態系統健康指數增長變緩。

圖6　焦作市城市生態系統健康評價綜合指數

4結論與建議

研究結果表明，2006—2012年焦作城市生態系統健康水平呈逐年提高，活力和人群健康指數不斷增大，組織結構指數小幅波動，恢復力和服務功能指數顯著增加但有波動。經濟結構變動是導致組織結構波動的主要原因，污染物的持續減排是改善恢復力的關鍵因素。正是由于焦作市實施了一系列的污染治理措施，使得2006—2009年主要污染物的快速減排，環境質量明顯改善，進而促進了焦作城市生態系統健康程度的快速改善。要持續提高焦作城市生態系統健康水平，進一步優化經濟結構，確保主要污染物的持續減排是關鍵。

城市生態系統健康評價是當代可持續發展研究的熱點，正處在一個發展階段，其評價指標體系還不夠完善。盡管設計評價體系時考慮了指標間互不重迭，但指標數量多少適宜仍有待進一步研究。通常，評價指標數量越多，給予的信息量越大，越能真實反映實際狀況；然而，由于經濟現象自相關性的存在，評價指標過多會引起指標間的自相關性問題，如果選擇有重復性的指標則會影響評價結果的科學性。然而現實是，要做到指標間完全不重迭是相當困難的。目前，可以采取主成分分析法、因子分析法等方法努力消除指標間的相關關系，相關問題有待于進一步探討。

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Assessment of Urban Ecosystem Health of Jiaozuo City Based on Entropy-weight Method

GAO Cailing, TIAN Caixia, MA Bingjuan

(InstituteofResourcesandEnvironment,He’nPolytechnicUniversity,Jiaozuo,He’nan454003,China)

Abstract：[Objective] To evaluate the urban ecosystem health of Jiaozuo City in order to further improve the level of the city ecosystem health, optimize the economic structure, ensure the continuous reduction of pollutants emissions. [Methods] Considering indices’s completeness, representativeness, comparability, maneuverability, as well as the new situation of emissions reduction and ecological civilization, the assessment indices system of urban ecosystem health of Jiaozuo City was put forward, which contains five aspects: vigor, organizational structure, resilience, ecosystem service and population health of urban ecosystem. The health state of Jiaozuo city during 2006—2012 was evaluated with the entropy-weight method. [Results] The health state of urban ecosystem of Jiaozuo City kept improving during 2006—2012, and the indices of vigor and population health of Jiaozuo City increased steadly. Although the indices of resilience and ecosystem service of urban ecosystem had fluctuated, that increased significantly during the study period. The variation of economic structure caused in a small fluctuation of organizational structure. The changes of pollutant emissions and utilization rate of solid waste were the main reasons to cause the variety of resilience and ecosystem service of Jiaozuo City. [Conclusion] To improve the level of urban ecosystem health of Jiaozuo City, it should optimize economic structure and ensure the continous reduction of pollutants emissions.

Keywords:urban ecosystem health; evaluation index system; entropy-weight method; Jiaozuo City

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)03-0197-06

中圖分類號：X32

收稿日期：2014-03-16修回日期：2014-04-23

資助項目：河南省教育廳自然科學研究計劃項目“河南省碳排放因素分解模型及其周期性波動研究”(2011B610004); 河南理工大學博士基金項目“河南省碳排放研究”(B2011-012)

第一作者：高彩玲(1966—),女(漢族),河南省新鄭市人,博士,副教授,主要從事城市生態和資源經濟研究。E-mail:gaocl@hpu.edu.cn。