基于熵權可拓模型的土地利用規劃環境影響評價
——以黃河三角洲高效生態經濟區為例

(山東理工大學 管理學院,山東 淄博 255012)

基于熵權可拓模型的土地利用規劃環境影響評價
——以黃河三角洲高效生態經濟區為例

盛中華,董會忠,殷秀清,吳 朋,張 帥
(山東理工大學 管理學院,山東 淄博 255012)

土地利用規劃環境影響評價對配置土地資源起到顯著的優化作用,可為新一輪的土地利用規劃修編提供科學基礎。針對黃河三角洲高效生態經濟區土地開發與利用狀況,運用DPSIR(Driving-Pressure-State-Impact-Response)模型構建土地利用規劃環境影響評價指標體系,結合熵權法和可拓學理論構建土地利用規劃環境影響評價模型,分析自規劃實施以來(2006—2015年)該區域土地利用與環境質量的變化過程?；诜治鼋Y果，對該地區規劃目標年(2020年)的土地利用程度和環境質量水平進行了預測。結果表明:自新一輪土地利用規劃實施以來,黃河三角洲高效生態經濟區的自然環境質量整體上呈正向發展趨勢,但人均水資源量、人均耕地面積、人均工業廢氣排放量等指標是影響該地區環境質量進一步改善的主要短板因素。

土地利用規劃;熵權可拓模型;環境影響評價;黃河三角洲

1 引言

在整個生態系統中,土地起著舉足輕重的作用。作為一種合理配置和利用土地資源的重要方式,土地利用規劃與生態環境的保護和建設之間關系十分緊密[1]。不合理的土地利用規劃所造成的生態與環境的影響日益凸顯,植被破壞、土壤污染、水土流失、濕地破壞、土地荒漠化等問題已嚴重威脅到自然生態環境的平衡發展和社會的可持續發展。土地利用規劃環境影響評價是以宏觀結構調整為視角,對可能使生態與環境造成影響的各種因素進行預測性評估,這對避免因土地不合理利用而對生態環境與社會經濟發展造成不利影響具有十分重要的意義[2]。

隨著當今社會經濟日益發展,我國出臺的政策、戰略規劃、計劃實施等所造成的環境影響越來越不容小覷,諸多方面的戰略環境評價(SEA)已成為可持續發展的重大問題[3]。《環境影響評價法》的頒布與實施將我國的環境影響評價制度從單一的建設項目范疇提升到了規劃指導范疇,并將土地利用規劃視為“一地三域”的首要任務[4]。因此,我國對土地利用規劃環境影響評價領域進行探索研究,對優化配置土地資源、實現土地系統可持續發展具有非常重要的科學價值與戰略意義。

許多國內外學者針對土地利用規劃環境影響評價問題進行了一系列相關研究。Germán Glaría提出具有生態基礎的土地規劃可解決土地利用所產生的矛盾,對土地適宜性和替代方案的系統分析是選擇最佳實施方案的基礎,且最佳方案應具有滿足當今社會需求和未來可持續發展的特點[5]。Zhenghong Tang通過對40份美國加利福尼亞州地區的土地利用規劃環境影響報告(EIR)進行了質量評估和回歸分析,認為影響當地土地利用規劃環境影響的三大因素是規劃人員數量、計劃更新能力和發展壓力[6]。針對土地利用規劃環境影響評價常用的方法主要有生態系統服務價值模型,該方法對土地利用的方式和結構具有引導和控制作用[7,8],但是存在不同研究區域之間的可比性較弱的問題;綜合指數法[9]是通過建立價值函數的數學模型并確定現象的優劣類型和排序過程,但該方法賦權時的主觀性太強,難以準確地進行定量分析;模糊綜合評價法[10]能有效地反映評價對象的模糊級別界限,相對客觀地反映出評價對象的真實情況,但是過度側重極值的作用,造成評價信息損失較多;生態承載力模型與生態足跡模型相結合的方法[11]，由于過度側重生態可持續發展,忽視了社會經濟的可持續發展,因此對生態足跡與社會經濟之間的關系不能進行準確深入的分析,對市場供需關系與生態環境之間的影響不能有效地進行及時掌控;幕景分析法[12]雖然能較好地用于不確定性分析,但涉及的主觀因素較多,影響評價的準確性;環境承載力分析法[13]反映了時間概念下的土地利用狀況,提供機制用于檢測剩余承載力的容許使用量,但要求數據較多,可能會出現多閾值的情況,評價結果會出現一定偏差;人工神經網絡模型[14]特別適合求解內部機制的復雜問題,在求解無標度方面具有明顯優勢,但一般由操作者的經驗選擇網絡結構,影響模型的逼近能力,容易造成預測結果與實際不符;系統動力學方法[15]注重系統的開放性、層次性和動態性,但由于對評價精度要求不高以及自身的粗糙性和不嚴謹性,只能大概判斷研究結果,可靠性不高;疊圖法與GIS相結合的方法[16]能從空間角度清晰明了地表示累積效應的范圍與樣式,但自身具有局限性,無法進行量化分析。因此,目前通行的這些研究方法對土地利用環境的多層次、多因素和多維度方面的描述存在一定的弊端，因此有必要采用其他方法進行評價。

本文采用熵權可拓模型分析土地利用規劃環境影響評價，可較好地克服上述模型和方法存在的局限性。目前,該方法在隧道塌方風險評價、航道水域通航環境安全評價、高速公路安全評價、供應鏈戰略伙伴關系評價[17-20]等方面已有廣泛應用。本文以黃河三角洲高效生態經濟區為例,針對該區域的特點,結合熵權法與可拓理論,定量化分析了土地規劃政策實施執行后(2006—2015年)對區域自然環境產生的影響,并對2020年的土地利用狀況進行合理預測,提出可行的解決方案,為進一步準確評估、修編土地利用規劃提供有價值的理論依據。

2 研究區域與數據來源

2.1 研究區域

黃河三角洲高效生態經濟區(簡稱“黃三角經濟區”)位于山東省東北部,渤海灣南岸和萊州灣西岸,以利津為頂點,北到徒駭河口,南到小清河口,呈扇狀三角形;黃河三角洲地域范圍包括東營和濱州兩市以及濰坊北部的寒亭區、壽光市、昌邑市,德州的樂陵市、慶云縣,淄博的高青縣和煙臺萊州市,共涉及6個設區市的19個縣(市、區),總面積2.65萬km2,占全省幅員面積的1/6。

該區域是世界造陸面積最快的河口三角洲之一,微地貌形態復雜,處在各種生態系統交錯帶,是典型的生態敏感區,被譽為我國“最具有開發潛力的三角洲”。2009年,由于黃三角經濟區的快速發展,該地區逐步成為國家區域生態經濟規劃中的焦點之一,對指導國家區域協調發展戰略具有重要意義。但隨著城鎮化和工業化進程加快和人口的增長,黃三角經濟區的土地被大量無序開發,導致該區域地力下降,土地鹽漬化嚴重,造成“開發—撂荒—再開發”的惡性循環,土地的可持續利用成為亟待解決的現實問題。

2.2 數據來源

由于東營市、濱州市是黃三角經濟區開發建設的核心區域,因此本文主要收集整理東營和濱州二市的相關數據作為研究的基本數據。以東營市和濱州市新一輪土地規劃(2006—2020年)為例,以2010年作為規劃近期目標年、2020年為規劃目標年,規劃范圍包括東營市和濱州市的全部行政轄區,總面積達174萬hm2左右。

本研究指標的原始數據資料主要參考了相關年份的《山東省統計年鑒》、《東營市統計年鑒》、《濱州市統計年鑒》等;大氣環境狀況、水資源與森林資源、區域污染物排放情況、土地利用狀況等相關數據主要參考了相關年份的《東營市統計年鑒》、《濱州市統計年鑒》。此外,土地利用的相關資料主要來源于相關年份的《中國國土資源年鑒》、《東營市國土資源公報》和東營市、濱州市國土資源局相關土地利用變更數據與調查結果等。

3 研究方法

3.1 熵權法

目前多采用德爾非法、兩兩比較法、層次分析法、熵權法等來確定土地利用規劃環境影響評價指標權重。其中,德爾非法和層次分析法確定權重時的主觀影響因素過多。因此,為了提高指標權重的精度和評價結果的準確性,本文選用客觀賦權法中的熵權法來確定各評價指標的權重;設立土地利用系統為總系統,其子系統建立各項評價指標,并作為信息源;各項評價指標數值對應于相應子系統可能出現的取值,根據取值的波動范圍可確定對應概率的大小,則可計算出各項指標的熵權,即根據各項評價指標構成的判斷矩陣得出指標熵權。設有n個子系統,m個評價指標,計算步驟為:

對各項評價指標數據進行標準換算，定義各項評價指標的信息熵:

(1)

(2)

(3)

式中,Pij為第i個子系統在第j個評價指標下的特征比重;xij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)為第i個子系統中第j項評價指標的標準化值。為了使lnPij有意義,一般定義:當Pij=0時,PijlnPij=0。

計算各項評價指標間的差異系數Sj:

Sj=1-ej(0≤ej≤1)

(4)

(5)

3.2 可拓學理論

物元可拓包括物元模型、可拓集合和關聯函數[21]。以事物N、特征C、事物的特征值V為基本三要素,三者構成有序三元組R=(N,C,V)來描述事物的物元。物元模型是用來解決復雜矛盾和不相容的問題,也是解決矛盾的基本模型,并適用于多因子評價。物元模型改變了解決問題的切入角度,將研究數量關系和空間形式的數學模型這一單一解決問題的方式向特征和量值相結合的物元構成模型轉化[22]。因此,將物元模型應用于該評價中,再通過對單項評價指標關聯度的計算來確定單項指標質量的關聯水平。經過模型集成,可掌握多項指標綜合質量的關聯水平,這樣就能將區域土地利用規劃環境質量評價等級的變化過程定量地表示出來,以此處理單項指標評價結果不兼容的問題。

確定區域環境影響評價物元:評價目標Z、目標特征c和Z關于c的特征量值v,三者共同構成區域環境影響評價物元。設Z具有多個特征值,以t個特征c1,c2,…,ct和相應的特征量值v1,v2,…,vt來描述,可表示為:

R=(Z，c，v)=Zc1v1c2v2??ctvté?êêêêêêù?úúúúúú=R1R2?Rné?êêêêêù?úúúúú

(6)

式中,R為n維區域土地利用規劃環境影響評價物元,可簡記為R=(Z,c,v)。

“我只是想找到清朝的邏輯?！闭矊び魫灥貒@了口氣，“但這真的很難啊，你怎么可能讓一個用亞當·斯密、卡爾·馬克思、阿爾弗雷佳·塞耶·馬漢的邏輯進行思考的現代人回歸清朝的邏輯？”

確定區域環境影響評價節域與經典域:區域土地利用環境影響評價經典域物元Roj和節域物元Rp的矩陣表示為:

Zojco1(aoj1，boj1)co2(aoj2，boj2)??cos(aojs，bojs)

(7)

Zpc1(ap1，bp1)c2(ap2，bp2)??cs(aps，bps)

(8)

式中,Roj為區域土地利用環境影響評價的經典域;Zoj為所劃分的第j個評價等級,j=(1,2,…,t);coi為第i個評價指標i=(1,2,…,s);voij=(aoij,boij)為對應評價等級j的量值范圍,j=(1,2,…,t);Zp為區域土地利用環境影響評價的主體;Vip=(aps,bps)是指Zp關于評價指標Ci所取的量值范圍,即為區域土地利用環境影響評價的節域。

確定待評物元模型:將Po表示為待評對象Wo的待評物元:

P0c1v1c2v2??csvs

(9)

確定關聯函數及關聯度:關聯函數和關聯度的具體表達式為:

(10)

確定綜合關聯度和評定評價等級:評價對象Wo關于評價等級j的綜合關聯度:

(11)

式中,Kj(vi)表示評價對象Wo中第i個評價指標關于評價等級j的單指標關聯度;ωj表示各項評價指標的熵權值。關聯度Kj(W0)表示評價對象的各評價指標關于評價等級j(j=1,2,…,t)的關聯程度,若Kj(W0)=maxKj(W0),則評價對象Wo隸屬于評價等級j。當Kj(W0)lt;-1時,說明評價對象不屬于此評價等級并不具化有為此等級的趨勢,且值越小,表明評價對象與此等級的標準差距越大;當-1lt;Kj(W0)lt;0時,說明評價對象沒有完全達到此評價等級的標準,但具有轉化為此等級的趨勢,且值越大,轉化趨勢越明顯;當Kj(W0)gt;0時,說明評價對象隸屬于此評價等級且值越大,在此等級的穩定性越強。

4 指標體系構建與評價過程

4.1 土地利用環境影響評價指標體系的構建

DPSIR模型是在PSR框架和DSR框架的基礎上發展而來的,用來描述分析環境與社會經濟以及人類活動之間密切的因果關系和相關指數的框架[23]。其中,驅動力指標是指在社會進步、經濟發展、人口增長和產業創新下或基于上述改變而引起人類生活、生產方式與消費模式的連鎖改變,作為導致環境變化的潛在因素;壓力指標是指自然環境在人類活動下所受到的影響,主要體現在資源和能源的消耗能力上與廢物排放能力上;狀態指標是指在社會環境和人文環境日益變化的狀況下,該區域空氣、水質和土壤環境是否污染及其污染情況;影響指標是指社會、經濟、環境三者與土地利用規劃之間的相互作用和影響;響應指標是指為應對環境的各種變化和影響,人類所采取的對策和制定的積極方案。

本文按照指標體系建立的科學性、系統性、綜合性、層次性、區域性、動態性等原則,綜合了黃三角經濟區的環境影響因子識別與土地利用規劃的環境影響識別,構建了以目標層A、準則層B、因素層C、指標層D及21個評價指標為評價標準的體系。同時,利用熵權法根據式(1)和式(5)確定指標權重,具體結果及指標權重見表1。

表1 黃三角經濟區土地利用規劃環境影響評價指標體系和權重

4.2 確定評價等級

本文將黃三角經濟區土地利用規劃環境的質量等級劃分為以下5個等級:Ⅰ級(優)、Ⅱ級(良)、Ⅲ級(中)、Ⅳ級(差)、Ⅴ級(極差),等級劃分主要參考了國家、地區、相關行業的環境質量標準對評價指標的經典域和節域范圍進行確定,并結合研究區域的實際情況和參考相關文獻成果[24-26]確定了相應的數值的范圍,其經典域RⅠ、RⅡ、RⅢ、RⅣ、RⅤ和節域RP的取值范圍見表2。

表2 土地利用規劃環境影響評價指標經典域和節域取值范圍

(續表2)

評價指標取值范圍RⅠRⅡRⅢRⅣRⅤRP恩格爾系數D6[0．33，0．34)[0．325，0．33)[0．32，0．325)[0．315，0．32)[0．31，0．315)[0．31，0．34)人均水資源量D7(m3/人)[600，800)[450，600)[300，450)[150，300)[0，150)[0，800)人均用水量D8(m3/人)[390，400)[400，410)[410，420)[420，430)[430，440)[390，440)人均污水排放量D9(m3/人)[52，62)[62，72)[72，82)[82，92)[92，102)[52，102)人均建設用地D10(m2/人)[580，600)[540，580)[500，540)[450，500)[0，450)[0，600)土地墾殖率D11(%)[30，50)[20，30)[15，20)[10，15)[0，10)[0，50)土地利用率D12(%)[95，100)[85，95)[75，85)[65，75)[30，65)[30，100)人均耕地面積D13(hm2/人)[0．1，0．2)[0．085，0．1)[0．075，0．085)[0．053，0．075)[0，0．053)[0，0．2)人均林地面積D14(m2/人)[6．4，8．0)[4．0，6．4)[2．5，4．0)[1．1，2．5)[0．5，1．1)(0．5，8．0]森林覆蓋率D15(%)[40，60)[30，40)[20，30)[10，20)[0，10)[0，60)城市化率D16(%)[70，100)[40，70)[20，40)[10，20)[0，10)[0，100)質量達標(API;100)天數D17(天)[366，356)[356，346)[346，336)[336，326)[326，316)(316，366]人均工業廢氣排放量D18(104m3/人)[2．5，3)[3，3．5)[3．5，4)[4，4．5)[4．5，5)[2．5，5)工業廢水排放達標率D19(%)[98，100)[95，98)[90，95)[80，90)[50，80)[50，100)工業固體廢物綜合利用率D20(%)[96，100)[90，96)[80，90)[70，80)[50，70)[50，100)環保投入強度D21[0．008，0．01)[0．006，0．008)[0．004，0．006)[0．002，0．004)[0，0．002)[0，0．01)

5 結果分析

5.1 2006—2015年土地利用規劃環境影響評價

表3 黃三角經濟區土地利用規劃環境影響評價結果

由計算結果可知,黃三角經濟區在2006—2015年期間土地利用規劃環境影響情況整體呈正向發展趨勢；在2006—2010年期間,土地利用規劃環境影響的質量水平為“差”等級,處于不理想的狀態,但在2010年呈現向“中”等級轉換的趨勢。2010—2013年期間,處于“中”等級水平,實現了由“差”等級到“中”等級的關鍵性轉換；2013—2015年期間,完成了從“中”等級向“良”轉換過程,但Km(V2016)=-0.25073gt;K1(V2016)=-0.26954,2015年的土地利用規劃環境影響的質量等級出現向“中”等級衰退趨勢。

2006—2015年期間黃三角經濟區的土地利用規劃環境影響情況不斷得到改善,土地資源規劃和布局較為合理,但是該區域環境影響評價水平并未達到“優”等級,土地資源未得到最優化配置。研究結果與黃三角經濟區土地利用規劃的實際情況基本一致,表明基于熵權可拓模型構建的土地利用規劃環境影響評價模型是科學有效的,能夠用來預測未來年份的土地利用規劃環境影響評價。

5.2 土地利用規劃環境預測

本文通過灰色預測模型對黃三角經濟區的評價指標值進行了關聯預測,將所得數據帶入評價模型,得出2020年黃三角經濟區環境質量評價等級,計算結果見表4。

表4 2020年黃三角經濟區土地利用規劃環境影響評價指標關聯度

6 結論

通過建立DPSIR模型,本文將人口、經濟、環境與資源結合起來,通過分析各因素之間的關系,準確反映出黃河三角洲高效生態經濟區的土地利用規劃環境影響情況；利用可拓模型將影響土地利用規劃環境的指標定義為物元,利用熵權法與可拓模型相結合的方法更加客觀、合理地確定了指標權重、隸屬度、綜合關聯度等數據。結合研究區域實際情況可得出:自本輪土地規劃實施以來,區域整體環境情況逐漸向優良方面轉換。同時,本輪土地利用規劃對打造“生態和諧、互惠共存”的環境起到了一定的推進作用,并預測了規劃目標年的環境變化趨勢,指出影響研究區域環境質量情況的限制因素,給出了相應的解決對策。因此,本研究不但從理論方面對土地利用規劃環境影響評價提供了科學可靠的分析解決依據,而且從實際工作方面提供了一定的實踐可能性。但是由于自身系統的復雜性和不確定性,以及獲取評價體系中所需數據的局域性和有限性,所得出的評價指標尚不完善,后續研究體系有待進一步改善。

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EnvironmentalImpactAssessmentofLandUsePlanningBasedonEntropyWeightandExtensionModel——ACaseStudyinYellowRiverDeltaEfficientEco-economicZone

SHENG Zhong-hua,DONG Hui-zhong,YIN Xiu-qing,WU Peng,ZHANG Shuai
(Business School,Shandong University of Technology,Zibo 255022,China)

EIA of land use planning that was conducive to optimize the allocation of land resources,which could provide the scientific research base for integrated a new round of land use planning.According to the land development and utilization extent of Yellow River Delta Efficient Eco-economic Zone based on DPSIR (Driving-Pressure-State-Impact-Response) model,this paper established EIA index system of land use planning and EIA of land use planning model with entropy-weighted extension and matter-element theory to analyze the process of land use and environmental quality change since the implementation of this round land use planning (2006-2015).Finally,EIA of land use planning of this area carried on,and the predictions of data in target planning year(2020).The results indicated that since the implementation of new round land use planning,there was an overall improvement in the natural environmental quality in Yellow River Delta Efficient Eco-economic Zone. However,the main short board factors like amount of water resources per capita,arable land per capita,industrial waste gas emissions per capita,affected the quality of the environment to further improve.

land use planning;entropy weight and extension model;environmental impact assessment;Yellow River Delta

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.12.005

F301.2

A

1005-8141(2017)12-1433-06

2017-10-24；

2017-11-17

國家自然科學基金項目“區域復合生態經濟系統耦合效應與政策調控研究——以黃河三角洲高效生態經濟區為例”(編號:71371112);山東省自然科學基金項目“山東半島藍色經濟區環境經濟復合系統仿真與預警機制研究”(編號:ZR2012GM020)。

盛中華(1992-),女,內蒙古自治區呼倫貝爾人,碩士研究生,主要研究方向為運營管理。

董會忠(1968-),男,山東省煙臺人,博士,副教授,碩士生導師,主要研究方向為能源系統分析與工業生態化。