基于理想點-未確知測度理論的區域生態安全動態評價

阮 君， 何 剛， 王瑩瑩

(安徽理工大學經濟管理學院， 淮南 232001)

經濟的快速進步，使得人們對生態環境的探索、利用的范圍和強度持續擴大，生物多樣性減少、土地荒漠化、資源短缺等環境問題層出不窮。中國始終高度重視生態環境保護問題。2020年是中國全面建成小康社會的時期，同時也是中國打贏污染防治攻堅戰的決勝之年。由此說明，當前生態文明建設是社會發展過程中的重中之重。合理、科學的進行區域生態安全評價是促進區域生態文明建設的重要組成部分，對于實現可持續發展具有現實意義。

自1977年生態安全概念首次被提出后[1]，學者們針對生態安全問題開展了大量研究。劉海龍等[2]結合熵權法和灰色關聯模型，對山西省2005—2015年生態安全綜合狀況及時空演變問題進行了動態評價。王錦洋等[3]結合壓力-狀態-響應(pressure-state-response, PSR)和遺傳算法(genetic algorithm, GA)-Elman模型對露天礦區生態安全進行了評價研究。王磊等[4]使用TOPSIS(technique for order preference by similarity to an ideal solution)模型對寧夏回族自治區的土地生態安全狀況進行了定量分析，結果表明研究區生態狀況呈好轉趨勢，但仍處于不安全狀態。任永泰等[5]引入物元模型對黑龍江、吉林、遼寧地區2005—2015年水土資源生態安全進行了評價。王毅等[6]采用綜合指數法對河西走廊地區生態安全值進行了估算，得出了研究區生態安全狀態呈波動上升的結論。陳林等[7]引入可拓云模型建立了墊江縣在2005—2015年的區域生態安全預警模型并對其進行了定量評價。宮敏麗等[8]結合層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)和PSR動態研究了海洋生態安全問題，并提出合理化建議。

綜上研究能夠看出，當前針對生態安全的評價方法主要有層次分析法、灰色關聯法、綜合指數法、TOPSIS法等，未充分考慮到生態安全評價中出現的不確定性因素，且對于淮河生態經濟帶的生態安全狀況研究較少。鑒于此，以淮河生態經濟帶安徽區域規劃范圍內的八個城市為研究對象，利用PSR模型構建區域生態安全評價指標體系，通過理想點賦權法合理確定各指標權重，引入未確知測度理論對研究區2010—2018年期間的生態安全狀況進行定量測度，并使用GIS軟件對結果進行可視化直觀表示，以期能對區域生態安全狀況的提升和改進提供一定的理論指導。

1 研究區概況和數據來源

作為中國三大河流之一，淮河流域水源豐富，礦產資源豐富，是中國重要交通樞紐之一[9]。2008年，關于淮河生態經濟帶發展規劃的文件正式發布，主要涉及江蘇、安徽、山東、河南和湖北5個省份[10]，區域內面積寬闊，人口眾多。淮河生態經濟帶安徽段主要包括：蚌埠、淮南、阜陽、六安、亳州、宿州、淮北及滁州，大部分為資源型城市，其中淮南是中國重要煤炭生產基地之一。在納入淮河生態經濟帶規劃范圍后，區域經濟發展迅速，然而對于能源過分依賴、重發展輕保護的單一發展方式，使得區域生態環境嚴重惡化，在一定程度上制約了區域的整體發展，如何合理評價和處理生態安全問題是安徽段區域乃至整個淮河生態經濟帶亟需解決的重要問題。

數據主要來源于2010—2018年安徽省統計年鑒，部分缺失數據通過各城市的統計年鑒及發展公報進行補充。

2 研究方法與模型

2.1 理想點賦權

為克服單一賦權的弊端，采用理想點賦權法確定指標權重[11]。

(1)

對各向量進行單位化，則有

(2)

現需要構建組合權重與主客觀權重方案到理想方案距離偏差量的非線性規劃模型，以使主、客觀組合賦權下權重偏差盡可能小，其中f(w)表示主、客觀組合賦權下的權重偏差，可表示為

(3)

構造拉格朗日函數求解式(3)的極值，得

(4)

通過歸一化可以得到組合權重為

(5)

2.2 未確知測度理論

現假設有n個評價對象x，每個評價對象都對應m個評價指標，則用xij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)表示第i個評價對象第j個評價指標的測量值[13]。該理論運用主要有以下3個步驟[14-16]。

2.2.1 單指標未確知測度

計算每個測量值xij對應第ck類標準的未確知測度μijk=μ(xij∈ck)，則能夠構建單指標未確知測度的評價矩陣(μijk)m×p，即

(6)

2.2.2 多指標未確知測度

(7)

2.2.3 置信度識別以及排序

根據“置信度”準則計算評價對象所屬的安全等級，假設λ為置信度，其中0.5<λ≤1，假設c1≥c2≥…≥cp，則有

(8)

式(8)中：ki為評價對象所屬等級。

在此基礎上，計算評價對象綜合得分為

(9)

式(9)中：Q為評價對象綜合得分；μik為評價對象的多指標綜合測度向量；nk為所屬等級對應分數，分數與等級成正比。

3 淮河生態經濟帶安徽區域生態安全評價指標體系構建

基于PSR模型構建淮河生態經濟帶安徽段生態安全評價指標體系，其中P為生產及生活過程中對生態環境造成的壓力，S為在壓力作用下生態環境所表現出來的狀態，R為生態環境發生變化時人類社會對其做出的響應舉措，具體如表1所示。

表1 生態安全評價指標體系Table 1 Evaluation index system of ecological security

參考何剛等[17]、董會忠等[18]、王治和等[19]的研究成果，結合淮河生態經濟帶安徽區域生態安全發展實際情況，現將生態安全評價標準分為5個等級，分別為：Ⅰ級(非常危險)、Ⅱ級(危險)、Ⅲ級(警戒)、Ⅳ級(較安全)及Ⅴ級(安全)。現將淮河生態經濟帶安徽區域生態安全標準進行劃分，具體如表2所示。

表2 淮河經濟帶安徽段生態安全劃分標準Table 2 Ecological security division criteria of Anhui section of Huaihe Economic Belt

4 計算及結果分析

4.1 理想點確定權重

運用三標度(0,1,2)改進的層次分析法，分別構造準則層到指標層的判斷矩陣，運用MATLAB軟件進行相應特征向量的計算，對所有指標層進行歸一化處理得到各指標的主觀賦權權重；運用熵權法求得客觀賦權權重，根據式(4)、式(5)，求得淮河經濟帶安徽段區域各城市各指標的理想點組合權重。限于篇幅，現以蚌埠市為例，其各指標權重計算結果如表3所示。

表3 蚌埠市指標權重計算結果Table 3 Calculation results of Bengbu index weight

4.2 未確知測度模型構建

現以人均GDP為例，基于不同生態安全標準構建該指標的單指標未確知測度函數模型構

(10)

然后將2010年蚌埠市的原始數據代入式(10)所示的不同等級下的測度函數中，能夠得到多指標未確知測度函數，按照壓力、狀態、響應3個子系統劃分為

(11)

(12)

(13)

按照式(7)計算得到2010年蚌埠市的多指標綜合測度為

μik=(0.432 9,0.162 8,0.263 5,0.070 5,0.070 4)

(14)

考慮到研究區實際情況，現假設置信度λ=0.7，根據式(8)能夠得到2010年蚌埠市生態安全等級為

k1=min{0.432 9+0.162 8+0.263 5=

0.851 9}=3

(15)

按照以上方法與步驟，能夠得到2010—2018年淮河經濟帶安徽段各城市生態安全評價等級結果，如表4所示。

從表4可以看出，2010—2018年淮河生態經濟帶安徽段各城市生態安全狀況提升明顯，截至2018年，所有城市的生態安全狀態均處于Ⅲ級及以上水平，但是生態安全狀況仍然尚未達到安全水平。區域內部發展存在差異，其中淮南上升速度頗緩，為Ⅲ級的警戒狀態，蚌埠、阜陽、亳州及淮北均處于Ⅳ級的較為安全狀態，六安和宿州發展較快，已經到達Ⅴ級的安全水平。2010—2018年，淮河經濟帶安徽段各城市整體生態安全狀況發展較為平穩，2010—2017年均停留在Ⅲ級的警惕狀態，在2018年提升到Ⅳ級的較為安全狀態。

表4 2010—2018年安徽區域生態安全評價等級結果Table 4 Evaluation results of Anhui regional ecological security from 2010 to 2018

現利用ArcGIS軟件對2010—2018年淮河生態經濟帶安徽段區域生態安全狀況進行可視化表示，如圖1所示。從圖1可以看出，發展前期淮河流域安徽區域的以南地區生態安全整體發展狀況要明顯好于淮南以北地區，主要原因是淮河以北大都為資源型城市，經濟發展主要依賴能源產業支撐，特別是淮南、淮北地區的煤炭行業，再加上城鎮化推進不斷帶來的資源消耗，使得生態環境不堪重負；淮河以南地區本身森林資源豐富，人口密度較小，工業水平低，并積極實行產業結構轉型升級發展旅游業，所以生態安全狀況較好，通過近幾年的發展，這種情況已經逐漸好轉。

圖1 淮河生態經濟帶安徽段區域生態安全狀況Fig.1 Status of regional ecological security in Anhui section of Huaihe River Ecological Economic Belt

根據式(9)，能夠計算得出2010年蚌埠市生態安全評價綜合得分為

Q=0.432 9×1+0.162 8×2+0.263 5×3+0.070 5×4+0.070 4×5=2.182 7

(16)

由此，得到2011—2018年淮河經濟帶安徽段各城市生態安全評價綜合得分，如表5所示。

從表5可以看出，2010—2018年，淮河經濟帶安徽段各城市的生態安全評價得分均處于直線上升狀態中。具體看綜合得分下降的階段：2015、2016年淮南生態安全評價得分下降的主要原因是城鎮化的快速推進使得區域人口數量激增，區域內資源消耗加快，城市綠化水平的下降更是加重了生態環境的壓力；2015—2017年，阜陽市生態安全評價得分時高時低，從原始數據中能夠看出，主要是人均用水量、人口密度、城鎮化水平以及城市綠化等指標的波動造成的；2011年六安生態安全評價得分的下降主要歸咎于建設初期城鎮化水平的提高，但是后期積極進行產業轉型發展旅游業，大力建設城市綠化，森林覆蓋率水平始終穩定在40%左右，使得經濟發展帶給生態環境的負擔減小，生態環境水平提升迅速；同其他城市類似，2013年淮北的城鎮化率突增，城市響應措施尚不完善，造成環境質量下降，之后積極采取相關措施，例如人均公園綠地面積建設、城市廢水及工業“三廢”的處理，及時緩解了生態環境惡化問題；滁州自然環境優越，城市人口密度低、生活綠化好，工業化程度也較低，生態安全評價得分的波動主要歸因于居民生活水平的提高對于資源的過度需求和消耗。通過梳理能夠發現，近年來淮河經濟帶安徽段生態安全狀態雖有一定提升，但是發展水平不高，主要原因在于：隨著城鎮化水平的不斷推進，城市人口逐漸增多，人們對于生產生活的需求不斷增大，導致生態資源消耗過快，且現有的生態措施尚不能完全應對環境的變化，使得生態環境承擔壓力加大，帶來眾多環境問題，造成城市生態安全狀態下降，威脅到區域的可持續發展。

表5 2010—2018年安徽區域生態安全評價綜合得分結果Table 5 Comprehensive score results of Anhui Regional ecological security assessment from 2010 to 2018

5 結論

以淮河生態經濟帶安徽區域規劃范圍內的八座城市為研究對象，利用2010—2018年面板數據，基于PSR模型構建生態安全評價指標體系，運用理想點賦權合理確定各指標權重，引入未確知測度理論模型對研究區生態安全狀況進行定量評價，并通過GIS軟件對研究結果進行可視化表示。得出如下主要結論。

(1)從生態安全等級來看，淮河生態經濟帶安徽區域的生態安全狀況提升明顯，至2018年所有城市的生態安全等級均達到Ⅲ級及以上水平；區域內部發展差異較大，其中淮南生態安全較差，為Ⅲ級的警惕狀態，六安和宿州生態安全已上升到Ⅴ級的安全水平，其余居于Ⅳ級。

(2)從生態安全綜合得分來看，淮河生態經濟帶安徽區域各城市及整體的綜合得分雖存在波動，但是均處于直線上升中；區域內部城鎮化水平加快導致資源消耗加快，且針對生態環境變化的響應措施尚不全面，是區域生態安全提升受限的主要因素。

(3)在今后發展中，應當始終以經濟建設為中心不動搖，推進區域產業結構轉型升級，因地制宜發展綠色經濟、循環經濟，促進區域經濟質量發展；繼續堅持對生態文明建設的關注和投入，加大環境污染治理投資力度，完善響應措施建設；建立健全環保方面的法律法規和監管制度，培養人們環保節源意識，早日實現區域的可持續發展。