基于熵權TOPSIS模型的鄂爾多斯市資源環境承載力評價

鄭欣, 程艷妹, 任彩鳳, 周立志

基于熵權TOPSIS模型的鄂爾多斯市資源環境承載力評價

鄭欣, 程艷妹, 任彩鳳, 周立志*

安徽大學資源與環境工程學院, 安徽大學礦山環境修復與濕地生態安全協同創新中心, 合肥 230601

資源環境和經濟社會之間的關系是資源環境承載力的研究基礎, 是判斷區域是否可持續發展的重要標志。從資源、環境、社會和經濟4個方面選取24個指標構建鄂爾多斯市資源環境承載力評價指標體系, 采用熵權法確定各指標的權重, 運用TOPSIS模型對該地區的資源環境承載力進行研究, 并結合多元回歸模型分析鄂爾多斯市資源環境承載力的驅動因素。結果表明: 鄂爾多斯市資源環境承載力指數在2008—2015年間整體呈上升趨勢, 波動幅度不大, 由2008年的0.4425上升到2015年的0.5562, 在2010年指數有較明顯下降。資源承載力、社會承載力和經濟承載力呈上升趨勢, 環境承載力呈下降趨勢, 其中資源承載力與整個資源環境承載力變化趨勢基本一致, 經濟承載力最終升至0.9444, 幾乎達到最優承載力水平。模型分析表明, 資源因素對資源環境承載力影響最大, 經濟因素次之。建議未來控制資源消耗, 做好經濟結構的合理化轉型, 提高能源的利用效率, 以提高資源、經濟方面的承載能力; 同時在環境保護和社會進步方面, 通過促進節能減排, 加大污染治理, 適當控制人口數量, 降低人口壓力等方式來共同提高鄂爾多斯市資源環境承載力能力從而促進其可持續發展。

資源環境承載力; 熵權法; TOPSIS模型; 多元回歸模型; 鄂爾多斯市

0 前言

資源型城市是依托自然資源開發所發展起來的一種城市類型[1–2], 是一個集“自然—經濟—社會”于一體的復合生態系統。它為社會進步和經濟發展提供保障的同時, 消耗了大量自然資源, 產生的廢棄物和污染等對環境施加了嚴重壓力, 這一矛盾是限制區域可持續發展的重要因素, 因而資源、環境、社會和經濟四者之間關系的平衡是維持該復合生態系統穩定的基礎。資源環境承載力用來表示一定時間及區域內在自然資源合理開發利用和生態環境不被破壞的前提下, 資源和環境系統所能承受的社會和經濟活動的規模[3], 它反映了社會經濟發展與資源開發和環境保護之間的關系。資源環境承載力研究的本質是將資源、環境綜合考慮, 探究其支撐經濟社會可持續發展的匹配關系與變化[4]。作為判斷區域是否可持續發展的重要標志[5–6], 了解區域資源稟賦和環境容量的優劣程度, 處理好社會經濟發展與資源環境供容能力之間的關系[7–8], 對資源環境承載力進行深入研究可定量揭示區域發展存在的限制因素, 為實施可持續發展策略提供更具有針對性的調控對策依據。

現有的資源環境承載力研究方法有層次分析法[9]、相對資源承載力法[10]、模糊數學法[11]和系統動力學法[12]等。上述方法雖各有優點, 但也存在不足: 層次分析法在確定權重時有較強的主觀因素; 相對資源承載力法涉及因子較少而不能充分體現承載力實際大小; 模糊數學法其隸屬度不易確定; 系統動力學法模型的參數變量較難設置。而基于熵權的TOPSIS多元目標決策模型能夠關注整體情況, 對指標數量等沒有嚴格要求, 它具有普遍適用性以及能夠進行橫、縱向對比分析的優點, 并且計算簡單、層次分明, 可客觀全面地反映測量目標的動態變化, 通過基于樣本數據, 測量目標接近或遠離正、負理想解的程度來評估資源環境承載力水平[13]。

鄂爾多斯市是我國典型的煤炭資源型城市, 同時還是我國西部地區重要的生態屏障[14]。近年來, 隨著煤炭資源的進一步開采, 超過了系統所能承受的社會和經濟規模, 使當地的資源環境問題更加嚴重。已有學者對鄂爾多斯市資源環境承載力進行研究, 但大多采用層次分析法和系統動力學法[15–16]。本研究從資源、環境、社會和經濟4個方面著手構建鄂爾多斯市資源環境承載力指標體系, 通過基于熵權法的TOPSIS模型分析鄂爾多斯市2008—2015年資源環境承載力動態變化特征, 進而分析區域可持續發展趨勢, 運用多元線性回歸模型分析資源、環境、社會、經濟等因素對資源環境承載力的驅動機制, 判斷影響鄂爾多斯市資源環境承載力的影響因素, 為鄂爾多斯市的優化發展和可持續發展提出合理的對策和建議。

1 研究區概況

鄂爾多斯市位于內蒙古自治區西南部, 地處東經106°42′—111°27′, 北緯37°35′—40°51′之間, 是中國西部重要的資源型城市, 同時也是中國14個大型煤炭生產基地之一[14]。鄂爾多斯市作為資源密集地區之一, 自然資源富集, 擁有各類礦藏50多種, 其中煤炭已探明儲量約占全國的1/6, 儲量大且分布面積廣, 煤炭資源是帶動城市經濟發展的最主要資源。截止2015年末, 全市總面積86882 km2, 市轄7旗1區, 全市常住人口204.51萬人, 地區生產總值4226.1億元, 城鎮化率達到73.13%。該市屬于典型的煤炭資源型城市且地處我國西北部, 生態系統較一般城市更加脆弱[17], 日照強烈, 市多年平均氣溫約7.3 ℃, 水資源匱乏, 降水約150—410 mm, 蒸發量卻在2000 mm以上, 土壤有機質含量少, 植被覆蓋度低于25%。近年來, 鄂爾多斯市依賴豐富的資源尤其是煤炭資源使經濟突飛猛進發展的同時, 煤炭的大規模開采也破壞了地區的生態系統, 超過了系統所能承受的發展規模, 嚴重影響了區域的可持續發展。

2 研究方法

2.1 數據來源及評價指標體系構建

研究數據來源于《內蒙古自治區統計年鑒》(2008—2015)、《鄂爾多斯市統計年鑒》(2008—2015)和《鄂爾多斯市國民經濟和社會發展統計公報》(2008—2015)等統計資料。鄂爾多斯市復合生態系統的穩定建立在資源、環境、社會和經濟之間平衡的基礎上, 根據資源環境承載力的定義和本質, 本研究將資源環境承載力作為目標層, 從資源承載力、環境承載力、社會承載力和經濟承載力四個方面作為準則層對鄂爾多斯市的資源環境承載力進行評價研究, 準則層之間既獨立, 又相互影響, 共同反映區域資源環境承載力狀況[13]。最終根據鄂爾多斯市區域特征, 選取24個具體的評價指標作為指標層反映鄂爾多斯市資源環境承載力的特征信息(表1)。

2.2 熵權法

熵權法是一種客觀賦權方法, 根據各項指標原始數據的離散程度, 利用信息熵來確定指標權重[18–19]。在綜合評價中, 熵權法確定的指標體系權重可以客觀真實地反映原始數據中的隱含信息, 有效避免了人為因素造成的偏差, 由此獲得的指標權重值比主觀賦權法具有更高的可信度和精確度[20]。因此本研究采用熵權法確定資源環境承載力指標權重, 其主要計算步驟如下:

(1)原始數據標準化

表1 鄂爾多斯市資源環境承載力評價指標體系

設區域資源環境承載力的原始評價指標矩陣為:

根據指標對評價結果的作用方向進行標準化處理:

式中,S為第個對象第項指標的標準化值,X為指標值,Z為指標最優值, maxX和minX分別為指標的最大值和最小值, 且0≤S≤1。

(2)計算各指標的信息熵值:

(3)計算各評價指標的信息效用值和權重:

式中,d為第項指標的信息效用值,d= 1-e,W為第項指標的權重。

2.3 TOPSIS模型

TOPSIS模型即為“逼近理想解排序方法”, 它是系統工程中常用的決策技術, 要用來解決多屬性或多標準決策問題, 一種運用距離作為評價標準的綜合評價法[21]。通過定義目標空間中的某一測度, 相應地計算目標靠近/偏離正、負理想解的程度, 以此來評估區域承載力, 可以全面客觀地反映區域承載力的動態及變化趨勢[22]。主要計算步驟如下:

(1)原始數據標準化

設區域資源環境承載力問題的原始評價指標矩陣為:

要得到標準化評價矩陣, 以采用歸一化方法對原始數據進行處理。故得到標準化矩陣:

(2)基于熵權的判斷矩陣構建

借助加權思想, 使評價矩陣客觀性進一步提高, 根據運用熵權法確定的指標權重W與歸一化后矩陣相乘, 構建規范化加權判斷矩陣。

(3)正負理想解確定

根據加權判斷矩陣確定正負理想解, 計算公式如下:

正理想解:

負理想解:

如果指標為效益型指標, 則:

如果指標為成本型指標, 則:

(4)距離計算

距離計算的方法較多, 采用歐氏距離計算公式。令D為第個指標與y的距離,D為第個指標與y-的距離, 計算方法為:

式中,y為第個指標第年加權后的規范化值,y、y分別為第個指標在年取值中最偏好方案值和最不偏好方案值。

(5)資源環境承載力貼近度

貼近度是指評價對象接近最優理想解的程度, 以表示。本文以資源環境承載力貼近度表示資源環境承載力及各子系統承載力的大小, 計算公式如下:

代表資源環境承載力水平及各子系統承載力水平的高低。其值越大, 表明承載力水平越高, 越接近承載力最高水平。

3 結果與分析

3.1 資源環境承載力指數變化趨勢及原因

對鄂爾多斯市資源環境承載力各要素(指標層)進行標準化處理后經熵權法確定各評價指標權重,具體結果見表2。通過TOPSIS模型求得2008—2015年鄂爾多斯資源環境承載力貼近度大小, 即資源環境承載力指數(表3)。

資源環境承載力指數在2008—2015年間整體呈上升趨勢, 波動幅度不大, 由2008年的0.4425上升到2015年的0.5562, 在2010年指數有較明顯下降, 具體來看, 2010年指數下降到0.3611為研究期間的最低值, 深入分析發現, 一是資源供需存在矛盾, 人均耕地面積和人均水資源量均有所下降; 二是環境治理效果不明顯, 工業廢水排放量和工業固廢產生量明顯增大, 而生活垃圾無害化處理率卻大幅下降。隨后至2012年保持持續上升趨勢, 雖在2013年出現小幅下降, 但之后迅速調整, 2014年達到0.5796為研究期間的最高值, 2015年小幅度下降至0.5562, 究其原因, 總體來看, 承載力指數有較好發展一方面得益于節能減排等環境治理措施的大力推廣, 如萬元GDP能耗、萬元GDP水耗逐年下降以及污水處理率逐年提高; 二是得益于鄂爾多斯市社會的穩定進步和經濟的持續發展, 居民人均可支配收入以及第三產業總產值比重持續增加等均使鄂爾多斯市資源環境承載力有所提高(表3、圖1)。

表2 鄂爾多斯市資源環境承載力指標標準化值及權重

表3 鄂爾多斯市資源環境承載力指數(2008—2015年)

3.2 資源環境承載力及各子系統變化趨勢

為了更加深入分析和描述鄂爾多斯市資源環境承載力變化趨勢及原因, 計算各子系統承載力指數(表4)。

資源承載力指數整體具有上升趨勢, 但中間有所波動。2008—2010年持續下降, 其中, 2010年下降幅度明顯, 降至0.2843, 為研究期間的最低值; 隨后迅速上升, 2012年達到中等以上水平且為研究期間內最高值, 但2013—2015年則一直持續下降狀態, 2015年下降到0.5193(表4、圖2)。導致2010年資源承載力指數迅速下降的主要原因是人均耕地面積和人均水資源量指標值在2010年顯著下降, 2012年人均耕地面積與上一年持平以及人均水資源量大幅上升, 使資源承載力指數迅速回升。

環境承載力指數在研究期間呈下降趨勢, 波動幅度較大。其中, 2009年大幅增長達到0.8017, 即研究期間內最大值, 2011年呈現小幅增長, 除此之外, 其他年份均呈下降狀態, 2012—2015年更是呈逐年下降趨勢, 2015年下降至最低值0.2595(表4、圖2)。研究期間SO2排放量和工業廢水排放量變化波動明顯, 呈顯著的“W”曲線, 變化幅度較大, 對鄂爾多斯市環境承載力的波動起到主導作用, 工業固廢產生量逐年上升, 較2008年相比, 2015年上升幅度高達393%, 對環境承載力的下降有較大影響, 這3項指標是限制環境承載力上升的主要因素。

社會承載力指數由2008年的0.2512上升至2015年的0.8170, 整體基本呈“V”型曲線。其中, 2009年上升至0.5623, 但2010—2011年一直呈下降狀態且下降幅度較大, 隨后迅速上升, 2015年達到研究期間的最高值0.8170(表4、圖2)。造成2010—2011年指數下降以及2012—2013年增長緩慢的原因除了城鎮化率逐年增大帶來的人口壓力外, 還有是城鎮居民恩格爾系數和農村居民恩格爾系數出現不同程度的增長, 由于這兩項指標是負向指標, 致使社會承載力指數增長速度緩慢甚至降低, 波動起伏較大, 表明居民恩格爾系數對鄂爾多斯市的社會承載力的波動有顯著的負向影響。

經濟承載力指數在研究期間一直呈持續平穩上升趨勢, 且幅度較大。在2008—2010年處于較低水平, 2011—2012年處于中等水平, 之后持續上升, 在2013—2015年間一直處于高水平, 并在2015年達到最大值0.9444, 幾乎達到最優水平(表4、圖2)。研究期間, 人均GDP、人均可支配收入、社會消費品零售總額等指標逐年上升促進了經濟的發展, 使經濟發展力穩步提升。第三產業總產值比重經歷了先下降后上升的過程而采礦業占地區生產比重呈先上升后下降狀態, 并且伴隨人均GDP的持續增長, 表明鄂爾多斯市重視調整經濟增長方式和產業結構, 符合資源型城市經濟轉型戰略需求。

3.3 資源環境承載力驅動因素

3.3.1 各子系統與資源環境承載力的相關性分析

利用SPSS軟件對鄂爾多斯市2008—2015年的四個子系統的綜合值與資源環境承載力時間序列值進行相關性分析, 各相關系數結果見表5。結果顯示資源環境承載力與資源狀況(a)、社會進步(c)和經濟發展(d)呈正相關, 與環境情況(b)呈負相關。其中與資源狀況和經濟發展的相關系數最大, 分別為0.914、0.806。

表4 鄂爾多斯市各子系統承載力指數(2008—2015年)

圖1 鄂爾多斯市資源環境承載力變化趨勢圖

Figure 1 The variation trend of the carrying capacity for resources and environment in Ordos City

圖2 鄂爾多斯市各子系統承載力變化趨勢圖

Figure 2 The variation trend of the carrying capacity of each subsystem in Ordos City

表5 資源環境承載力與其影響因子的相關系數

Table 4 Correlation coefficient of resource and environment carrying capacity and its influencing factors.

3.3.2 資源環境承載力模型的建立

以鄂爾多斯市2008—2015年的資源環境承載力的值為因變量, 4個子系統準則層綜合值為自變量, 建立多元線性回歸模型, 反映資源、環境、社會、經濟等因素驅動生態足跡的機制, 得到多元線性回歸模型:

式中: a、b、c、d分別對應表1中的4個準則層, 反映了資源、環境、社會及經濟等因子在驅動資源環境承載力變化過程中的影響程度。通過上式可知, 資源因素對資源環境承載力影響最大, 經濟因素次之。

4 討論

鄂爾多斯市資源承載力指數走勢與同為資源型城市的大同市[23]變化情況相似, 整體變化幅度較大。土地資源是限制經濟社會發展的基本要素[24], 鄂爾多斯市耕地總體質量較低[25], 隨著人口持續增加, 人均耕地面積逐年減少, 同時水資源豐富與否是促進或制約經濟社會發展的重要因素[26–27], 而鄂爾多斯市水資源量受氣候影響年際變化較大[28], 從而影響到鄂爾多斯市資源環境承載力呈波動變化。區域的資源狀況決定了一個地區容納的人口數量[29], 任何區域的發展都要在資源承載力許可的范圍內進行, 資源承載力是區域可持續發展的基礎[30]。

研究期間環境承載力波動非常明顯, 整體呈下降狀態, 其變化趨勢與慶陽市[13]大體相似, 影響因素與宜昌市[31]大體相同, 對環境承載力影響最大的指標為SO2排放量和工業固廢產生量, 其次是工業廢水排放量。鄂爾多斯市是我國典型的西部資源型城市[32], 它以煤炭開采為主導的產業模式使工業廢氣、廢水以及固廢產生量迅速增加, 耗費資源的同時破壞了生態環境, 給生態系統帶來了很大的壓力。脆弱的生態環境和有限的環境容量目前已經成為制約西部經濟社會可持續發展的重要因素[29]。

鄂爾多斯市社會承載力指數介于0.2512— 0.8170之間, 整體呈上升趨勢。但這與京津冀中心城市和張家口社會承載力一直保持良好上升趨勢不同[33–34], 逐年增多的城鎮人口給生態系統帶來了很大壓力, 居民恩格爾系數的波動影響了社會的持續良性發展。總體來說, 雖然社會子系統內部有所波動, 但各部分相互調節, 大多數指標如: 人均住房面積、每千口人擁有病床數等的良性發展和較好的發展速度改善了城鄉居民基礎設施水平, 保證了社會子系統的可持續發展, 但是應在控制人口數量, 提高人民生活水平方面加大力度, 以保證社會承載力穩步向前發展。

2008—2015年鄂爾多斯市經濟承載力指數與同為煤炭資源型城市的淮南市[35]變化趨勢相同, 呈穩步上升趨勢, 平均每年增長0.1222, 表明鄂爾多斯市經濟實力明顯增強。經濟發展具有兩面性, 隨著經濟的發展勢必會帶來更多的經濟資源以改善環境狀況, 提高資源的利用率; 但另一方面也必將會對自然資源造成消耗, 造成環境污染[36]。2008—2010年, 區域資源環境承載力水平高于經濟承載力, 2011年以后, 區域資源環境承載力水平低于經濟承載力水平, 仍然基本呈上升趨勢, 經濟發展為鄂爾多斯市其它子系統奠定了堅實的經濟基礎, 對資源環境承載力的改善起了極大的推動作用。

2008—2015年間, 鄂爾多斯市資源環境承載力整體呈上升趨勢, 波動幅度不大。2008—2010年鄂爾多斯市資源環境承載力呈下降狀態, 但自“十二五”以來, 資源環境承載力逐步增強, 達到了較高水平, 2015年承載力指數達到0.5562, 比2008年提高了25.7%。結合資源環境承載力計算結果和資源環境承載力驅動模型的分析結果, 要實現鄂爾多斯市的可持續發展, 應在保持經濟上升的同時, 做好資源的合理分配、生態環境的建設和社會結構的調整。資源方面, 應緩解資源供需矛盾, 嚴格保護可用耕地, 在保證可持續發展的前提下合理開發煤炭資源和其它新型能源, 提高水資源利用率, 同時降低GDP能耗、水耗, 避免問題日益顯著; 環境方面, 繼續增加區域綠化覆蓋率, 加大力度進行污染治理, 推進當地煤炭及其它能源企業等節能減排, 減少有害氣體、液體以及固體的排放, 發展低碳交通, 促進排放低碳化; 社會方面, 應合理控制人口數量及結構組成, 減緩人口對資源環境的壓力, 并倡導生態環保、節約的消費與飲食模式, 減小對于自然資源的過度消費; 經濟方面, 在保持經濟穩定增長的同時, 要從追求經濟發展規模轉移到追求發展經濟質量, 均衡產業發展, 提倡提質增效的經濟發展思路, 在一定程度上減少資源浪費, 提高資源的利用效率, 同時也降低經濟活動對環境的壓力。

5 結論

鄂爾多斯市2008—2015年資源環境承載力整體呈上升狀態, 波動幅度不大, 基本維持在0.5左右, 2008—2010年呈下降狀態, 2011—2015年基本保持增長。從各子系統承載力來看, 資源子系統發展狀況與資源環境承載力變化趨勢基本一致, 表明資源子系統承載力是鄂爾多斯市資源環境承載力的重要影響因素; 經濟承載力水平逐年提高, 為鄂爾多斯市資源環境承載力的提升奠定了堅實的經濟基礎; 社會承載力趨勢總體略呈“V”型趨勢, 變化較為平穩, 整體有所增長, 對資源環境承載力的上升有一定的促進作用; 環境子系統基本呈逐年下降趨勢, 在鄂爾多斯市資源環境承載力的提高方面起到了負向作用。

鄂爾多斯市作為一座以煤炭行業為主導的資源型城市, 區域人口的增加、經濟的增長、福利的提高和社會的發展都是以一定的煤炭資源以及其它類型資源的消耗和一定程度的環境惡化為代價來實現的。影響鄂爾多斯市資源環境承載力最大的驅動因子主要是資源狀況, 其次是經濟發展, 因此要實現區域可持續發展就是要對區域資源進行有理性、有節制和有遠見的管理, 使資源的消耗控制在一定限度內, 保持系統和諧穩定, 防止系統的崩潰和發展的停滯甚至倒退, 做好經濟結構的合理化轉型, 提高能源的利用效率; 同時也要在環境保護和社會進步方面做好工作, 通過促進節能減排, 加大污染治理, 適當控制人口數量, 降低人口壓力等方式來共同提高鄂爾多斯市資源環境承載力能力從而促進其可持續發展。

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Evaluation of the resource and environmental carrying capacity of Ordos City based on the TOPSIS model of entropy weight

ZHENG Xin, CEHNG Yanmei, REN Caifeng, ZHOU Lizhi*

Collaborative Innovation Center for Mine Environmental Remediation and Wetland Ecological Security, School of Resource and Environment Engineering, Anhui University, Hefei 230601 China

The relationship between resources, environment, economy and society is the foundation for study on the carrying capacity for resources and environment, also an important sign to judge whether the region can develop sustainably. In this article an evaluation index system for the bearing capacity for resources and environment was constructed based on 24 factors from 4 areas including resources, environment, society and economy in Ordos City. The regional carrying capacity for resources and environment was studied by TOPSIS model, and the driving factors for bearing capacity for resources and environment were analyzed combined with the multivariate regression model analysis. The results showed that the index of the carrying capacity of resources and environment of Ordos City was on the rise from 2008 to 2015, with a small fluctuation range. The index increased from 0.4425 in 2008 to0.5562 in 2015, with a significant decrease in 2010. The resource, social and economic carrying capacities were on rise, while the environmental carrying capacity was on decline. The resource carrying capacity was basically consistent with the change trend of the whole carrying capacity of resources and environment, and the economic carrying capacity eventually rose to 0.9444, almost reaching the optimal carrying capacity level. The model analysis showed that the resource factor had the biggest influence on the carrying capacity for resources and environment, and the economic factor was the second. It is suggested to control resource consumption in the future, rationalize the economic structure, and improve the efficiency of energy utilization so as to improve the bearing capacity of resources and economy. At the same time, in terms of environmental protection and social development, it is necessary to promote energy conservation and emission reduction, increase pollution control, properly control population size and reduce population pressure to jointly improve the carrying capacity of resources and environment in Ordos City so as to promote its sustainable development.

resource and environment carrying capacity; entropy method; TOPSIS model; multiple regression model; Ordos City

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.02.013

X24

A

1008-8873(2020)02-095-09

2018-12-28;

2019-01-23

國家社會科學基金項目(14ZDB145)

鄭欣(1993—), 女, 山東濰坊人, 碩士, 主要從事生態經濟研究, E-mail: zhengxin1225@qq.com

周立志, 男, 博士, 教授, 主要從事濕地生態學和生態經濟學研究, E-mail: zhoulz@ahu.edu.cn

鄭欣, 程艷妹, 任彩鳳, 等. 基于熵權TOPSIS模型的鄂爾多斯市資源環境承載力評價[J]. 生態科學, 2020, 39(2): 95-103.

ZHENG Xin, CEHNG Yanmei, REN Caifeng, et al. Evaluation of the resource and environmental carrying capacity of Ordos City based on the TOPSIS model of entropy weight[J]. Ecological Science, 2020, 39(2): 95-103.