基于數學模型的泰安市生態環境質量綜合評價

范萍,劉靜

基于數學模型的泰安市生態環境質量綜合評價

范萍,劉靜

泰山職業技術學院, 山東 泰安 271000

生態環境是人類生存和發展的基礎。我們從環境保護、自然環境、經濟發展、社會環境的角度，選取了28個單項指標，構建了泰安市生態環境質量評價指標體系。運用層次分析模型確定各項指標權重，并應用模糊綜合評判模型分析2010~2016年間的生態環境質量現狀。結果表明：七年來，泰安市生態環境質量綜合評價等級值由1.7973到1.2636，生態環境質量等級由“良好”變“優秀”，自2013年以來始終處于“優秀”等級，評價結果符合泰安市的實際情況. 該研究為泰安市生態環境建設的可持續發展提供科學依據，為其他城市生態環境質量評價提供一定的參考。

生態環境質量評估; 層次分析模型; 模糊綜合評判模型

黨的十九大報告提出，堅持節約資源和保護環境的基本國策，像對待生命一樣對待生態環境，實行最嚴格的生態環境保護制度，形成綠色發展和生活方式，為人民創造良好生產生活環境，為全球生態安全作出貢獻。生態環境由于人類的密集活動引起了城市環境污染與自然環境退化等嚴重問題，因此社會發展與環境保護之間的和諧關系成為城市發展急需解決的環境問題。城市生態環境是一個復合生態系統，各層次子系統與各要素之間相互聯系，形成了多層次、多因子構成的綜合性很強的統一體[1]。因此，泰安市生態環境質量評價要根據研究目的，在分析城市生態環境現況及問題基礎上，借鑒國內學者研究生態環境質量的相關文獻，構建了合適的指標體系與評價標準，運用合理的評價方法，對城市生態環境質量的優劣情況進行了定性與定量相結合的分析與評價，以綜合治理環境污染，促進城市生態系統良性循環，以優化城市發展與環境保護的關系，為泰安市的生態環境發展走上可持續道路提供有效依據。

1 評價指標體系

生態環境系統復雜，因子眾多，只有選擇合理的評價指標因子，才能建立起層次分明的指標體系，以保證評價研究結果的有效性。本文依據國家環境保護總局《生態縣、生態市、生態省建設指標(修訂稿)》，并且參考了李博等[2]提出的沈陽市生態環境指標體系，李加林[3]對沿海城市生態環境質量評價，陳淑清等[4]建立的濱州市環境指標體系的研究成果。根據指標選取的科學性、可比性、獨立性、層次性與可獲得性五個原則，以復合生態系統理論為基礎，建立了泰安市生態環境綜合評價指標體系，該體系包括三個遞階的層次結構：第一層為目標層，為泰安市生態環境；第二層為準則層，包括環境保護、自然環境、經濟發展和社會環境四個質量因素，它們共同決定著泰安市生態環境質量的優劣；第三層為指標層，是表述準則層可直接獲得的統計指標，共計28個指標（表1）。

表 1 泰安市生態環境評價指標、評價標準及2016年實際指標值

2 指標評價標準

由于生態環境質量概念模糊，因此需要一定的標準作參考。確定指標標準值的原則是：有標準的指標，應采用國際或國家規定標準；無標準的指標，首先參考國內外城市的現狀值，其次依據現有的定量分析理論，最后參考現有的文獻資料來確定標準值。本文依據《國家環境保護模范城市考核指標及其實施細則》中的環境保護模范城市考核指標及生態市評價標準，參考國家及大量文獻的標準[5-8]，同時結合泰安市的實際情況，將指標的評價標準分為五個等級，分別用I、II、III、IV、V來表示優、良、一般、差和較差。28個指標的評價標準如表1所示。

3 評價方法

3.1 層次分析法

層次分析法由美國運籌學家Saaty教授提出，是定量與定性分析相結合解決復雜生態系統評價決策分析的通用方法，是利用一定標度來客觀量化人的主觀判斷[9]。由于層次分析法在綜合評價中比較客觀，因此廣泛應用于區域生態環境質量評價等方面。層次分析法確定各項指標權重的步驟如下：

3.1.2 層次單排序利用方根法求解判斷矩陣;計算判斷矩陣的特征根和特征向量，可得權重值。

3.1.3 檢驗判斷矩陣的一致性計算一致性指標和一致性比例。

泰安市2010~2016年生態環境指標的實際數據主要來源于《山東省統計年鑒》，《泰安市統計年鑒》，《泰安市國民經濟和社會發展統計公報》，《泰安市環境狀況公報》等，個別數據采用城市指標均值或結合泰安市歷年數據推算得出。如表1最后一列所示的即為泰安市2016年實際指標數值。標準層權重見對應指標下方。

3.2 模糊綜合評判法

模糊綜合評價法建立在模糊數學原理上的一種多級評判模式，模糊集理論由美國控制論專家Zadeh LA創立。我國學者汪培莊根據此理論提出了模糊評價法，該法特別適合處理各種難以用精確數學方法描述的復雜系統問題。主要思路是：通過構造等級模糊子集，將被評事物的模糊指標量化；通過建立隸屬函數，確定出每個評價因子對評價標準等級的隸屬度；再運用綜合數學模型得出評價等級結果[11]。

4 實證分析

本文運用層次分析模型與模糊綜合評判模型對城市的生態環境質量進行綜合評價，由于模糊綜合評判模型的使用需要設置指標權重，權重反映了各因子對評價對象特性的貢獻度，只有對每一評價指標給以合理的權重值，才能保證評價結果的準確性與客觀性，而權重設置的方法不能過分單一、主觀，應考慮學術界科學方法和泰安發展的實際，因此首先采用層次分析法確定指標權重；然后運用模糊綜合評判模型研究2010~2016年之間泰安市生態環境質量等級及環境質量變化情況。

4.1 層次分析模型確定指標權重

結合3.1中的三個步驟，根據表1建立的指標體系，首先綜合多位專家意見與泰安市環境的實際情況，結合數據資料，量化各指標因子之間的重要程度，加以平衡后得出判斷矩陣[2,12-14]；然后利用方根法計算矩陣的最大特征根,再分別計算與的值，檢驗結果均滿足<0.1，則判斷矩陣接近于完全一致性。上述運算過程結合Matlab軟件完成，限于論文篇幅，不再贅述具體運算過程，計算得出準則層與指標層各評價因子的權重值的結果如表1所示。

4.2 模糊綜合評判模型分析生態環境質量現狀

4.2.1 確立評判等級本文的因素集是泰安市生態環境質量，分為環境保護因素1，自然環境因素2，經濟發展環境因素3，社會環境因素4，即={1,2,3,4}。

四個因素子集分別為：1={11,12,13,…,17}，2={21,22,23,…,26}，3={31,32,33,…,37}，4={41,42,43,…,48}。

決策評判集合={優，良，一般，差，較差}。

4.2.2 根據評價標準確定隸屬函數首先建立隸屬函數，就是通過函數運算來確定每個因子對評價等級的隸屬程度。由于評價指標與生態環境質量狀況變化可分為正向和逆向兩種關系，正向指標是當指標數值越大，生態環境質量越好，反之則是逆向指標。

（1）正向指標的隸屬函數：

（2）負向指標的隸屬函數：

其中：為各指標的實際值，1，2，3，4，5分別表示生態環境各指標的評價標準的質量等級I、II、III、IV、V；英文小寫字母a，b，c，d，e，f表示公式的編號。

根據表1中的評價標準和泰安市2016年生態環境指標的實際數據，構造的模糊評價矩陣分別用1，2，3，4表示。

4.2.4 單因素評價利用層次分析模型確定出的指標層各評價因子的權重值結果，將指標層對準則層指標的評價作為第一級評價。如表1所示，指標層X對準則層X(=1,2,3,4)的權重分別為：

1={0.114 0.121 0.157 0.123 0.124 0.181 0.181}；2={0.282 0.041 0.101 0.175 0.330 0.071}；3={0.141 0.094 0.099 0.099 0.128 0.194 0.245}；4={0.195 0.192 0.083 0.083 0.137 0.106 0.119 0.085}

第一級評價計算公式：A=W·R(=1,2,3,4)；代入上面的數據計算得：

同理可得：2=2·2={0.282 0.3102 0.3274 0.0761 0.0043}；3=3·3={0.5032 0.1906 0.613 0 0.245}；4=4·4={0.422 0 0.2794 0.1252 0.1768}

因此

4.2.5 綜合評價層次分析模型確定出的準則層各評價因子的權重值，將準則層對目標層的評價作為第二級評價。如表1所示，準則層X(=1,2,3,4)對目標層的權重為：={0.3241 0.3457 0.2789 0.0513}。

（1）第二級評價的計算公式：=·={12345}；代入上面的數據計算得：

因此加權平均法計算得出泰安市2016年生態環境質量的評判等級值為1.2636，等級為“優秀”。同樣的計算方法，可得到泰安市2010-2016年生態環境質量評價結果，如表2所示；并且根據表2作出了綜合評價及準則層的四個分指標的時間序列趨勢圖，如圖1所示。

表 2 泰安市2010-2016年生態環境質量評價結果

圖 1 泰安市2010~2016年生態環境質量評價趨勢分布

由圖1及表2可看出泰安市2010-2016年生態環境質量綜合評價等級值在1.7983與1.2583之間，呈逐年減小的趨勢；質量等級由“良好”變為“優秀”；2010年，該城市的綜合評價等級值最大，為1.7973，接近于II級，屬于“良好”水平；2013年等級值為1.4634，基本界于“良好”與“優秀”之間，略偏向于“優秀”水平，2013年以來環境質量始終處于“優秀”等級，2015和2016年則基本持平。表明泰安市的生態環境質量總體較好，主要原因是近年來政府不斷加大對環境整治力度，著力治理環境污染，取得了有效成果；這與環境保護指標七年來處于 “優秀”等級的分析結果是相一致的，符合泰安市實際情況。因此，采用層次分析模型設置權重，模糊綜合評價模型計算得到的評價結果具有一定的科學合理性。

結合圖1與表2，從準則層來看，對于自然環境指標，2010-2016年基本處于“良好”水平，等級值在2.8004與2.1362之間，呈逐年減小的趨勢；其中市森林覆蓋率、地表水水質達標率、年降水量、城市區域環境噪聲平均值等指標數值級別偏低；經濟發展指標由前四年的“一般”轉為 “良好”水平，其中第三產業占GDP比重與環保投資占GDP比重均較低；社會環境指標由前兩年的“一般”逐漸向“良好”水平發展，城市人口密度，城鎮登記的失業率，恩格爾系數等指標數值級別較低。由此看出，泰安市的自然、經濟、社會的發展仍不夠協調，之間仍存在一定差距，環境投資較少，經濟發展不均衡,在以后的生態環境建設與保護工作中要充分考慮經濟發展、社會穩定與保護自然生態環境的協調關系、環境投資的可持續性等方面加強措施。

總之，泰安市生態環境建設取得了很好的成效，2016年泰山區、新泰市已獲得“省級生態區市”命名，肥城市通過省級驗收待命名，全市建成省級以上生態鄉鎮65個(其中國家級22個)、生態村2081個。泰安市環保工作繼續“生態優先、污控前置、綠色發展”的城市開發建設原則，將按照“136”的總體思路進行：即圍繞“環境質量持續改善，并保持在全省前列”的目標，開展“藍天行動”、“碧水行動”和“凈土行動”三大行動，強化六項措施，推動環保系統法治政府建設邁上新臺階。以保證泰安市較好的生態環境質量水平保持可持續發展。

5 結語

本文選擇層次分析與模糊綜合評判兩種模型的綜合運用對泰安市的生態環境進行有效的評價研究，其中層次分析模型定量確定了各項評價指標的權重，通過模糊綜合評判模型計算出了泰安市2010-2016年這七年間的生態環境質量等級值及對應的質量現狀，科學性強，可信度高。并且進一步分析四個分指標的變化情況，很好地說明了城市生態環境質量在時間序列上的動態變化，具有一定的科學合理性。應用綜合評價模型判斷確定生態環境質量優劣情況，既明確了泰安市生態環境質量現狀，又發現了生態環境中的主要問題，為改善生態環境質量現狀，為制定城市生態建設與環境保護的決策提供了科學依據。該模型不僅可以實現泰安與山東其它城市生態環境的比較，而且為其他城市生態環境質量評價提供一定的參考，因此，本文的生態環境質量評價具有非常重要的現實意義。

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Comprehensive Evaluation of Ecological Environment Quality in Taian Based on Mathematical Model

FAN Ping, LIU Jing

271000,

Ecological environment is the foundation of human existence and development. We selected 28 individual indexes from the point of view of environmental protection, natural environment, economic development and social environment, and constructed the evaluation index system of ecological environment quality in Tai’an. The analytic hierarchy process (ahp) model was used to determine the weight of each index, and the fuzzy comprehensive evaluation model was used to analyze the current situation of ecological environment quality from 2010 to 2016. The results show that the value of the environmental evaluation index converts from 1.7973 to 1.2636, while the rank converts from "good" to "excellent". The rank remains at the excellent level since 2013, which conforms to the reality in Tai’an. In the past seven years, the comprehensive evaluation grade of ecological environment quality in Tai’an has changed from 1.7973 to 1.2636, and the grade of ecological environment quality has changed from "good" to "excellent". The evaluation results are in line with the actual situation of Tai’an. The study provides scientific basis for the sustainable development of the eco-environment construction in Tai’an, and provides some reference for the environmental quality evaluation of other cities.

Ecological environment quality assessment; analytic hierarchy; fuzzy comprehensive evaluation model

O29

A

1000-2324(2019)04-0587-06

2019-01-25

2019-03-07

范萍(1967-),女,副教授,主要從事數學教學及其應用研究. E-mail:fp1208@163.com