基于模糊物元模型的三峽庫區重慶段生態安全評價*

官冬杰，曾一笑

(重慶交通大學 建筑與城市規劃學院，重慶 400074)

基于模糊物元模型的三峽庫區重慶段生態安全評價*

官冬杰，曾一笑

(重慶交通大學 建筑與城市規劃學院，重慶 400074)

以三峽庫區(重慶段)為研究范圍，構建了生態安全評價指標體系，以模糊物元原理和概念框架為基礎，從社會、經濟、自然地理特征等方面選取了21個指標，確定22個區縣的模糊物元評價矩陣，對研究區域各個區縣進行生態安全進行評價并根據研究結果把生態安全分為“很不安全、不安全、安全、很安全、非常安全”這5個等級，并與AHP-PSR的評價方法、結論進行了對比。研究認為：模糊物元模型評價過程對各個指標設定了從優隸屬度和節域，其結論較AHP-PSR評價結論更為科學；庫區東北區域生態安全狀況良好、庫區西部的較發達區域應加強生態環境保護、緩解城市環境病癥。

環境工程；生態安全評價；三峽庫區；模糊物元模型

0 引 言

隨著科學技術與社會經濟發展，人們改造自然的能力也日益增強，但人類對自然環境過度的改造和粗放式的社會經濟發展使得人類賴以生存的地球環境也遭到了一定破壞，生態安全問題日漸凸顯，成為人類社會與經濟進一步發展的桎梏[1]。

生態安全是指生態系統的健康和完整情況。它是人類在生產、生活和健康等方面不受生態破壞和環境污染等影響的保障程度，包括飲用水與食物安全、空氣質量與綠色環境等基本要素。生態安全是20世紀末國際上出現的新的研究領域。目前人類對生態環境保護意識日漸增強，對生態安全關注程度倍增，國際上已把生態安全納入一個國家安全體系重要組成部分，與軍事安全、政治安全、經濟安全、科技安全同等，在國家安全體系中占有重要地位[2]。生態安全評價成為一個國家或地區進行宏觀規劃、政府決策的重要根據；生態安全評價也是可持續發展、地理學、生態學及資源與環境科學等學科的關注點，而生態安全評價是生態安全研究的基礎與核心[3]；區域性生態安全評價是一個國家或地區進行宏觀規劃、政府決策的重要依據。隨著中國城鎮化和工業化發展，我國生態環境安全性保持和維護將面臨更加嚴重的威脅和挑戰，研究人類活動對生態安全性的作用勢在必行。

21世紀初，國內外的學者紛紛對生態安全進行了研究，其中不乏對生態敏感區域的研究，例如位于中國長江中上游的三峽庫區。三峽庫區的建設為重慶和長江上游發展帶來了新機遇，但三峽庫區的建設同樣也存在著弊端。蓄水階段水位上升導致山體受到更大面積、體積的流水作用，導致地質結構不穩，地質災害時有發生，從而進一步打破三峽庫區生態的動態平衡，影響了三峽庫區生態安全平穩發展。針對三峽庫區重慶段發生的地質災害和潛在生態風險，重慶市政府也啟動了對三峽庫區水資源和漁業資源的保護措施。

國內三峽庫區的生態安全評價研究方法主要是以AHP、PSR和熵權法為主。筆者以三峽庫區重慶段為研究對象，針對三峽庫區自然、地理、經濟、生態等多方面客觀條件，應用模糊物元模型、AHP和PSR相結合方法對三峽庫區重慶段進行生態安全評價與評估。通過兩種評價方法的對比研究，能提高三峽庫區生態安全評價的客觀性和科學性，可可靠地為決策者提供地區發展的建議和參考。

1 研究區域

筆者研究的三峽庫區重慶段包括巫山縣、巫溪縣、奉節縣、云陽縣、開州區、萬州區、忠縣、涪陵區、豐都縣、武隆縣、石柱縣、長壽區、渝北區、巴南區、江津區及重慶核心城區(包括渝中區、北碚區、沙坪壩區、南岸區、九龍坡區、大渡口區和江北區)，如圖1。該區域地勢為長江南岸高處向長江逐漸趨緩，呈現出平行嶺谷的多山地貌。

圖1 三峽庫區重慶段行政區域Fig.1 Administrative region of Chongqing sectionof Three Gorges Reservoir area

根據三峽水庫淹沒處理的規劃方案，三峽庫區總面積約7.9×104km2，淹沒耕地1.94×104km2，涉及移民117.15萬人。全庫區規劃農村移民生產安置人口40.5萬人，在庫區淹沒涉及縣內安置32.2萬人，出縣外遷安置8.3萬人；規劃搬遷建房總人口44萬人，縣內搬遷建房32.2萬人。三峽庫區氣候溫和，屬亞熱帶季風氣候，年降水量1 000～1 800 mm。土地類型呈現出多樣化，山地面積大。三峽庫區不僅是長江上游重要的蓄洪關口，也為我國長江流域提供了豐富的水資源，三峽大壩為我國華南、華東、西南、華中地區等提供電力的同時也促進了我國西南地區，重慶地區的經濟發展[4]。據2014年上半年不完全統計，三峽庫區重慶段范圍內，區縣GDP為2 544.44億元，同比增長12.0%，高出全市平均水平1.1個百分點。庫區人均可支配收入為9 670元，比全市平均水平多160元。

2 研究方法

2.1 評價指標體系

目前國內外學者在地理生態環境評價中常用的方法是PSR模型，即壓力-狀態-響應模型。PSR模型能夠反映自然、社會、經濟在人作用下產生的相互關系，為構建生態安全評價指標提供邏輯嚴密的指標框架和基礎。P為壓力，是人類社會經濟活動對自然環境構成的壓力、造成的影響、利用自然資源的程度；S為狀態，是人類利用自然資源、改造自然環境所形成的動態平衡狀態下的自然環境參數或指標；R為響應，是人類對于生態環境變化所采取的補救措施。通過構建PSR模型框架下的評價體系，將評價指標分為3類，使整個評價體系邏輯嚴密。

目前，確定指標權重有多種方法。由于指標數量適中、評價指標均需全部參與評價過程當中，因此筆者采用層次分析法(AHP層次分析法)。層次分析法多用于有從屬關系的指標體系構建當中。AHP層次分析法將評價體系劃分為3個層次，即目標層、決策層、指標層。目標層指綜合評價的評價目標；決策層把達成目標層的指標劃分為多個類型，作為從不同角度進行決策、評價的體系參考；指標層是指決策層各個分類下的底層的指標。AHP層次分析法逐層構建評價體系，分析各指標之間的相互關系，邀請學者、專家對指標權重進行1～9的標度打分，求得判斷矩陣，得出在目標層各指標所占的權重，最后進行一致性檢驗。

筆者采用PSR和AHP方法相結合的方法，選取21個生態安全評價指標[5-6]，其中地形構成參數指標為各區縣臺地面積比例、平壩面積比例、丘陵面積比例、低海拔山地面積比例、中海拔山地比例、消落帶面積、景觀生態學等指標通過主成分分析降維所得。本研究中，所有指標均采用Z-score法進行標準化。建模體系如表1[7-10]。

表1 三峽庫區重慶段評價體系構建Table 1 Establishment of evaluation system of Chongqingsection in Three Gorges Reservoir area

2.2 評價指標權重

AHP層次分析決策法是需要主觀賦權的方法。為使賦權更科學，一般地對主觀賦權進行含義標度，并按照準則層、指標層從上至下地進行賦權。賦權時，主觀決策者對所有的決策指標兩兩對比其權重，并進行一致性檢驗。其中：λmax為權重矩陣的最大特征根，CI為一致性指標，RI為隨機一致性指標，CR為一致性比率，當CR<0.1時，權重不一致性程度在容許范圍內。賦權含義如表2[11]。

表2 AHP方法指標賦權含義Table 2 Weighting meaning of AHP method index

2.2.1 準則層權重

按AHP方法[12]對模型準則層進行權重賦值計算，如表3。

表3 準則層賦權計算Table 3 Criterion layer weighting calculation

λmax=3.029 1，CI=0.029 1，RI=0.58，CR=0.025 09<0.1。

2.2.2 指標層權重

1) 系統壓力指標權重賦值(表4)

表4 系統壓力指標權重計算Table 4 Weight calculation of system pressure index

λmax=7.050 3，CI=0.008 3，RI=1.32，CR=0.006 35<0.1。

2) 系統狀態指標權重賦值(表5)

表5 系統狀態指標權重計算Table 5 Weight calculation of system status index

λmax=7.473 3，CI=0.078 9，RI=1.32，CR=0.059 76<0.1。

3) 系統響應指標權重賦值(表6)

表6 系統響應指標權重計算Table 6 Weight calculation of system response index

λmax=6.054 6，CI=0.010 92，RI=1.24，CR=0.008 8<0.1。

2.2.3 指標綜合權重

將指標層和對應準則層權重相乘，得到各項指標在準則層的綜合權重，如表7。并將表7中綜合權重應用于AHP-PSR模型和模糊物元模型[13]當中。

表7 綜合權重Table 7 Comprehensive weight

2.3 模糊物元模型

2.3.1 模糊物元原理

物元基本原理是指任何事物都可用“事物、特征、量值”這3個要素來加以描述，以便對事物作定性分析和定量計算[14]。若以這些要素組成有序3元組來描述事物的基本元，就稱為物元。如果其中量值具有模糊性，便用有序3元組：“事物、特征、模糊量值”作為描述事物的基本元，該物元叫做模糊物元。模糊物元分析法廣泛的應用于社會生產的各行各業當中，模糊物元分析法可用于評估、預測、規劃等各項數學要求[15-16]。筆者主要通過建立差平方模糊物元矩陣與AHP賦權方法[17]對三峽庫區的生態安全進行預測和評估。

模糊物元[18]定義如式(1)，記模糊物元為：

(1)

若有待評價區縣M；有n項待評價屬性C1，C2，…，Cn，其對應屬性值為u(x1)，u(x2)，…，u(xn)；則有式(2)：

(2)

2.3.2 模糊物元評價模型

根據模糊物元原理和評價體系，建立模糊物元評價模型，步驟如下：

1) 各評價指標經典域確定

按照非常不安全、不安全、安全、很安全、非常安全這5個評價等級，參考相關文獻，劃分各項評價指標在對應等級區間，該區間為節域，如表8。

2) 生態安全指標從優隸屬度計算

由表8和待評價對象組成復合模糊物元矩陣。三峽庫區重慶段各個評價指標的屬性值從屬于標準樣本各對應評價指標響應的模糊量值隸屬程度，稱之為從優隸屬度[19]。據此建立的原則稱為從優隸屬原則。從優隸屬度把指標分為越大越優型評價指標和越小越優型評價指標。筆者將已知各項評價指標劃分為越大越優型指標和越小越優型評價指標，如表9。

表8 節域設定Table 8 Interval region setting

表9 評價指標正負向劃分Table 9 Positive and negative division of evaluation indexes

越大越優型指標計算如式(3)：

u(xij)=xij/xij(max)

(3)

越小越優型指標計算如式(4)：

u(xij)=xij(min)/xij

(4)

式中：xij(max)表示單一評價指標中屬性值最大數；xij(min)表示單一評價指標中屬性值最小數。

由式(3)、(4)建立標準模糊物元矩陣，使用計算后的值替代原位置，如式(5)：

(5)

3) 構建差平方模糊物元矩陣

以aij表示標準模糊物元矩陣和復合模糊物元矩陣的平方差，構成差平方模糊物元矩陣[20]，如式(6)：

(6)

式中：aij=[u(x0j) -u(xij)]2；i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

4) 生態安全評價歐式貼近度計算〔式(7)〕

(7)

式中：Wi為 AHP方法中各項指標權重；aji為差平方模糊物元中的元素值。

式(7)得到各區縣生態安全與5個評價等級的歐式貼近度即經典域模型，與之比對歐式貼近度所在的經典域，可得出評價結果，如表10。

表10 基于模糊物元的歐式貼近度Table 10 Euclid closeness degree based on fuzzy matter-element method

筆者以萬州區為例，生態安全評價貼近度復合模糊物元矩陣如式(8)：

(8)

由式(8)可得出：萬州區與其他區縣安全評價等級相比，萬州區評價等級為安全。

3 結果分析

筆者將AHP-PSR的評價方法與模糊物元的方法進行對比，為了控制評價模型的可對比性，兩種模型均使用表7綜合權值。

3.1 PSR模型評價結果

AHP-PSR數學模型可直接得到一個評價結果。使用綜合加權法得到PSR模型評價結果如表11。用自然斷點法將評價值進行分割形成5個評價等級，如圖2。

表11 AHP-PSR生態安全評價結果Table 11 AHP-PSR ecological security assessment results

圖2 基于AHP-PSR方法的三峽庫區重慶段評價Fig.2 Ecological security assessment of Three Gorges Reservoirarea (Chongqing section) based on AHP-PSR method

庫區東北部區縣總體良好。消落帶區域交大的巫溪縣、巫山縣、奉節縣、云陽縣等區縣評價結果為很安全；但庫區西部的渝中區、大渡口區等區縣評價結果欠佳。

造成評價結果差距的原因是多方面的。評價體系中引入了地形地貌參數指標，渝中區地形坡度較大且用地類型結構單一導致了其評價結果欠佳；長壽區環境治理工作沒有能夠跟上工業的發展和能源消耗；大渡口區污染工業污染排放等等。

庫區中部與東部評價結果良好，庫區西部的較發達區縣需要在經濟發展的同時加大對生態環境保護、基礎設施建設上的投資。

3.2 模糊物元評價結果

由表10和經典域等級劃分同樣形成5個評價等級，如圖3。

圖3 基于模糊物元的三峽庫區重慶段生態安全評價Fig.3 Ecological security assessment of Three Gorges Reservoirarea (Chongqing section) based on fuzzy matter-element method

各區縣評價結果差距較小，評價結果較為平滑。生態安全評價結果集中在安全與較安全兩個等級。其中庫區東北部的巫溪縣、巫山縣的評價結果為很安全；開州區、萬州區、云陽縣、奉節縣的評價結果為安全。評價結果揭示了地形地貌、經濟發展受庫區蓄水影響較大的庫區東北部區域生態安全良好。

由于受森林覆蓋率、工業能源消耗、地形地貌參數等指標節域的脅迫，主城發展較發達的區縣如渝中區、南岸區、江北區、大渡口區等區縣評價結果欠佳。

3.3 討 論

從生態安全評價結果而言，這兩種評價方法大致相同，但仍有一些區縣存在兩種方法評價結果矛盾的情況。如江津區、長壽區、涪陵區、開州區、武隆縣。江津區、長壽區、涪陵區是工業發達的區縣，在工業產值與工業能源消耗上超過其他區縣，由于AHP方法未能采用從優隸屬度進行計算，導致了這兩項指標對其評價結果影響較大。同理，開州區與武隆縣同為壓力層面上欠發達區縣，但其響應指標如森林覆蓋率等在物元模型評價方法中占優，造成了兩種評價方法的不同。其中武隆縣由于山地占比面積較大，石漠化敏感性指數、土壤侵蝕敏感性指數等指標的歐式貼近度評級較低，受到節域脅迫作用，導致其評級為不安全。

3.4 兩種評價方法特點

AHP-PSR模型簡單的將各區縣獨立進行評價，各個區縣之間未能形成評價指標的相互對比，凸顯了某些工業規劃型區縣或生態建設型區縣之間的差距。

模糊物元評價模型中從優隸屬度計算橫向對比了各個區縣的評價指標，并根據各個指標在不同對應評價等級之間的節域，進行了基于歐式幾何貼近度計算，評價結果較AHP-PSR模型較為平均，庫區各區縣評價等級更為集中和平滑。

重慶是典型的城鄉二元性結構體制，城市發展較為發達而鄉村發展比較遲緩。使用AHP-PSR模型對三峽庫區重慶段各個區縣進行評價，易造成不同類型區縣評價結果比實際差距大的情況；而模糊物元評價模型根據各指標區間進行橫向對比，縮小了城鄉二元結構帶來的差距，其評價結果更接近實際情況，評價模型和過程更優。

從評價結果上看：渝中區、大渡口區、南岸區、江北區的生態安全不容樂觀。建議在加強經濟建設、基礎設施投資建設的同時，將人口壓力、交通壓力與工業壓力等生態壓力向周邊區縣分散，為周邊區縣帶來經濟增長的同時緩解自身的城市病癥；開州區、武隆縣等區縣則需要加強生態環境保護投資、地質災害防治與醫療、教育、交通等基礎設施建設。

4 結 論

筆者采用AHP-PSR模型和模糊物元兩種方法對三峽庫區重慶段各個區縣的生態安全進行了評價，得出以下結論：

1) 基于三峽庫區生態安全面臨主要瓶頸和地域特色，構建了三峽庫區重慶段生態安全評價指標體系和評價標準；

2) 構建了三峽庫區重慶段生態安全AHP-PSR模型和物元模糊模型，采用這兩種模型評價了生態安全狀態，并將結果進行等級劃分；

3) 三峽庫區重慶段主城區域存在著生態環境不安全或很不安全的狀況，渝中區、大渡口區、南岸區、江北區等區縣需要分散城市病壓力；開州區、武隆縣等區縣需要加強對生態敏感區域、地質災害易發區域的保護和監測工作。

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Ecological Security Assessment of Chongqing Section of ThreeGorges Reservoir Area Based on Fuzzy Matter-Element Model

GUAN Dongjie，ZENG Yixiao

(School of Architecture and Urban Planning，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P. R. China)

Taking the Three Gorges Reservoir area (Chongqing section) as the research scope，the evaluation index system of ecological security was established. Based on fuzzy matter-element principle and conceptual framework，21 indicators were selected from the aspects of social，economic，natural geographical features and etc.，and the fuzzy matter-element evaluation matrix of 22 counties in the study area was determined. The ecological safety evaluation of the above counties in the research scope was carried out，and according to the research results the ecological security was divided into 5 grades，including “very insecure，insecure，relatively secure，secure and very secure”; meanwhile，it was compared with the evaluation method and conclusion of AHP-PSR method. Research results show that：in the evaluation process of fuzzy matter-element model，the optimal subordinate degree and joint domain of each index are set，and its conclusion is more scientific，compared with AHP-PSR evaluation results. In the northeast Three Gorges Reservoir area，the ecological security situation is good; in the relatively developed area of west Three Gorges Reservoir area，the ecological environment protection should be strengthened，and the city environmental diseases should be alleviated.

environment engineering; ecological security assessment; Three Gorges Reservoir area; fuzzy matter -element model

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.13

2016-06-13；

2016-11-04

國家自然科學基金項目(41201546)；國家社科基金后期資助項目(16FJY010)；重慶市基礎科學與前沿技術研究項目(cstc2017jcyjAX0210)；重慶市研究生科研創新項目(CYS16186)

官冬杰(1980—)，女，黑龍江富錦人，教授，博士，博士生導師，主要從事生態環境、可持續發展及3S等方面的研究。E-mail：guandongjie_2000@163.com。

曾一笑(1992—)，男，重慶人，碩士研究生，主要從事地圖學與地理信息系統等方面的研究。E-mail：992701681@qq.com。

X171

A

1674-0696(2017)12-073-09

劉韜)