安徽省礦業(yè)城市生態(tài)安全動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)

阮 君，何 剛，王瑩瑩，趙楊秋

(安徽理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著我國城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，水土流失、資源短缺、空氣污染等環(huán)境問題層出不窮。我國始終高度重視生態(tài)文明建設(shè)，2019年我國節(jié)能環(huán)保財(cái)政支出已高達(dá)7 443.6億元[1]，然而我國生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀仍不容樂觀。較一般城市而言，礦業(yè)城市的生態(tài)環(huán)境更加脆弱，對(duì)其進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià)具有重要意義。

我國已有眾多學(xué)者對(duì)礦業(yè)城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究。陳勇等[2]基于最小累計(jì)阻力模型研究了湖北省大冶市生態(tài)安全格局構(gòu)建問題，認(rèn)為區(qū)分不同性質(zhì)源地是構(gòu)建生態(tài)安全格局的基礎(chǔ)；張丁軒等[3]結(jié)合GIS技術(shù)和CLUE-S模型對(duì)礦業(yè)城市2020年不同情景方案土地利用變化進(jìn)行了模擬；王乃舉等[4]利用集對(duì)分析—可變模糊集動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)了銅陵市的生態(tài)安全，結(jié)果表明銅陵市生態(tài)安全一直處于較不安全、臨界安全水平；武彥斌等[5]采用壓力—狀態(tài)—響應(yīng)模型研究了安徽淮南的生態(tài)安全持續(xù)發(fā)展問題；王秀麗等[6]基于PSR-AHP模型定量評(píng)估了稀土礦區(qū)的生態(tài)安全狀況，結(jié)果表明礦區(qū)生態(tài)整體呈穩(wěn)定狀態(tài)。目前，礦區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建[7-8]、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[9-10]、生態(tài)功能區(qū)[11-12]等主題研究也逐漸成為熱點(diǎn)。

綜上所述，學(xué)者們主要采用模糊評(píng)價(jià)、層次分析、集對(duì)分析等方法進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)，但對(duì)評(píng)價(jià)過程中出現(xiàn)的隨機(jī)性和模糊性問題關(guān)注較少。正態(tài)云模型能實(shí)現(xiàn)定性概念與定量數(shù)值之間的不確定性轉(zhuǎn)換，可有效解決評(píng)價(jià)過程中的隨機(jī)性和不確定性問題。因此，筆者基于壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(PSR)模型構(gòu)建生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，引入正態(tài)云模型對(duì)安徽省9座礦業(yè)城市生態(tài)安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期為促進(jìn)區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

安徽省擁有9座礦業(yè)城市，分別為宿州、亳州、淮北、淮南、滁州、馬鞍山、銅陵、池州及宣城。這 9座礦業(yè)城市的人口眾多，自然資源豐富。然而，過度依賴能源的單一生產(chǎn)方式的弊端始終存在，已嚴(yán)重制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 研究方法與模型

2.1 正態(tài)云模型

1995年中國工程院院士李德毅提出云模型，其是一種用語言值處理定性概念與定量描述之間發(fā)生不確定轉(zhuǎn)換的模型[13]。云模型主要通過期望、熵和超熵3個(gè)數(shù)字特征將云的語言值定量表示，其中期望Ex為云的重心，熵En為云的厚度，超熵He為云的凝聚度，計(jì)算步驟如下[14-15]：

2)再生成以Ex為期望，E′2n為方差的正態(tài)隨機(jī)數(shù)xi=norm(Ex,E′2n)。

3)計(jì)算

(1)

4)μ(xi)中的xi則成為數(shù)域中的一個(gè)云滴。

5)重復(fù)以上步驟，直至產(chǎn)生需要的n個(gè)云滴為止。

2.2 安徽省礦業(yè)城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)步驟

1)構(gòu)建安徽省礦業(yè)城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)的因素域U={u1,u2,…，un}，建立評(píng)價(jià)域V={v1,v2,…，vm}。

2)利用熵權(quán)法確定各指標(biāo)權(quán)重[16-17]，得到權(quán)重向量W={w1,w2,…，wn}。

(2)

(3)

Heij=k

(4)

借鑒葉達(dá)等[18]的研究成果，本研究將超熵值確定為0.01。

4)建立模糊隸屬度矩陣U。利用式(1)計(jì)算出指標(biāo)i對(duì)應(yīng)等級(jí)j下的確定度uij，構(gòu)建模糊隸屬度矩陣U=(uij)n×m。

6)在此基礎(chǔ)上，計(jì)算各系統(tǒng)及綜合得分，計(jì)算公式如下：

(5)

式中z為等級(jí)對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)。

3 計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

借鑒董會(huì)忠等[19-21]研究成果，基于壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(PSR)模型構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r，將生態(tài)安全劃分為5個(gè)等級(jí)：非常危險(xiǎn)(Ⅰ級(jí))、較危險(xiǎn)(Ⅱ級(jí))、警惕(Ⅲ級(jí))、較安全(Ⅳ級(jí))、非常安全(Ⅴ級(jí))。生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表1所示。

表1 生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本文數(shù)據(jù)主要來源于2010—2018年《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》、9座礦業(yè)城市統(tǒng)計(jì)年鑒及統(tǒng)計(jì)發(fā)展公報(bào)[22]。利用式(2)和式(3)計(jì)算確定各指標(biāo)的正態(tài)云等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

表2 生態(tài)安全指標(biāo)正態(tài)云等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表2，通過MATLAB軟件生成各指標(biāo)的正態(tài)云圖。以人均GDP為例，得到人均GDP的正態(tài)云圖如圖1所示。

圖1 人均GDP的正態(tài)云圖

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 橫向年份分析

根據(jù)以上方法和步驟，以最大隸屬度為原則，即選取某等級(jí)中最大得分為結(jié)果，得出2010—2018年安徽省9座礦業(yè)城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)的最終得分和等級(jí)，如表3所示。

表3 2010—2018年安徽省9座礦業(yè)城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)得分及等級(jí)

由表3可知，安徽省9座礦業(yè)城市整體生態(tài)安全狀況改善明顯，其變化主要分為2個(gè)階段：第1階段為2010—2016年，此時(shí)生態(tài)安全等級(jí)始終為Ⅲ級(jí)，生態(tài)安全評(píng)分從0.216 0波動(dòng)上升到0.256 0；第2階段為2016—2018年，此時(shí)生態(tài)安全等級(jí)雖已經(jīng)提升至 Ⅳ級(jí)的較安全狀態(tài)，但在2018年生態(tài)安全評(píng)分下滑到0.168 8。

利用ArcGIS軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)可視化，2010—2018年安徽省9座礦業(yè)城市生態(tài)安全狀態(tài)等級(jí)分布如圖2所示。

圖2 2010—2018年安徽省9座礦業(yè)城市生態(tài)

安全狀態(tài)等級(jí)分布

由圖2可知，至2018年皖南地區(qū)生態(tài)安全狀況已經(jīng)普遍優(yōu)于皖北地區(qū)，主要原因是皖北地區(qū)大部分為資源型城市，長(zhǎng)期以來一直以依賴能源生產(chǎn)的單一方式發(fā)展，對(duì)環(huán)境影響較大。在皖北城市中，宿州、亳州的生態(tài)安全等級(jí)呈現(xiàn)輕微下滑狀態(tài)，在2018年處于Ⅲ級(jí)警惕狀態(tài)；淮北雖為典型煤炭城市，但近年來大力促進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，逐漸加大城市綠化措施，在2018年生態(tài)安全已達(dá)到Ⅳ級(jí)較安全狀態(tài)；淮南雖始終處于Ⅱ級(jí)較危險(xiǎn)狀態(tài)，但是得分從0.165 6提升到0.272 3，多年來煤炭開采給環(huán)境帶來的問題依然嚴(yán)峻。

皖南地區(qū)多為山區(qū)，自然資源豐富，以農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)發(fā)展為主，并積極進(jìn)行環(huán)境保護(hù)，生態(tài)環(huán)境狀況較好。其中宣城生態(tài)安全狀態(tài)改善明顯，從2010年的較危險(xiǎn)提升到2018年較安全狀態(tài)，主要得益于宣城人口密度小，工業(yè)化程度低，“三廢”處理率、城市綠化率等指標(biāo)穩(wěn)步上升；馬鞍山生態(tài)安全等級(jí)先從Ⅳ級(jí)下降到Ⅱ級(jí)，經(jīng)治理后又回到Ⅳ級(jí)水平，城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)使得區(qū)域資源消耗逐漸增大，致使其生態(tài)安全得分在2018年下滑到0.174 7；銅陵、池州生態(tài)安全等級(jí)均為Ⅲ級(jí)的警惕狀態(tài)，處于較低水平。

3.2.2 縱向指標(biāo)分析

運(yùn)用相同的模型和方法，以最大隸屬度為原則，得出2010年和2018年安徽省9座礦業(yè)城市各準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)結(jié)果，如表4 所示。

表4 2010、2018年安徽省9座礦業(yè)城市各準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)結(jié)果

由表4可知，2010、2018年安徽省9座礦業(yè)城市整體的壓力子系統(tǒng)上升明顯，從Ⅱ級(jí)較危險(xiǎn)狀態(tài)提升為Ⅲ級(jí)警惕狀態(tài)，但生態(tài)安全得分只有 0.074 2。從各城市發(fā)展來看，2018年亳州、滁州的壓力子系統(tǒng)已達(dá)到Ⅳ級(jí)水平，淮北和池州的壓力子系統(tǒng)等級(jí)出現(xiàn)輕微下滑，其余城市始終處于較低水平。

2010、2018年安徽省9座礦業(yè)城市整體的狀態(tài)子系統(tǒng)一直為Ⅲ級(jí)警惕狀態(tài)，生態(tài)安全得分從0.112 3下降為0.048 9。2018年各城市間狀態(tài)子系統(tǒng)水平差異較小，除淮北、淮南狀態(tài)子系統(tǒng)為Ⅱ級(jí)水平外，其余城市狀態(tài)子系統(tǒng)均保持在Ⅲ級(jí)水平。

2010、2018年安徽省9座礦業(yè)城市整體的響應(yīng)子系統(tǒng)發(fā)展顯著，不僅生態(tài)安全等級(jí)保持在Ⅳ級(jí)，生態(tài)安全得分也從0.096 8上升到0.150 8。2018年各城市響應(yīng)子系統(tǒng)發(fā)展速度加快但存在差異，宿州、淮北、滁州、馬鞍山、銅陵、池州和宣城的響應(yīng)子系統(tǒng)均達(dá)到Ⅳ級(jí)及以上水平，但是亳州、淮南的響應(yīng)子系統(tǒng)狀態(tài)出現(xiàn)下滑，制約了整體區(qū)域的發(fā)展。

根據(jù)式(5)計(jì)算得出2010、2018年安徽省9座礦業(yè)城市各準(zhǔn)則層及生態(tài)安全綜合得分，如表5 所示。

表5 2010、2018年安徽省9座礦業(yè)城市各準(zhǔn)則層及生態(tài)安全綜合得分

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)未來生態(tài)安全發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)。以2010—2018年整體數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用前3年各準(zhǔn)則層及綜合系統(tǒng)得分作為輸入層預(yù)測(cè)第4年綜合得分，將預(yù)測(cè)值作為下一次的輸入值，則確定輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為3，輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為1，根據(jù)Kolmogorov定理[23]確定隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，計(jì)算公式如下：

隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)=2×輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)+1

(6)

由式(6)計(jì)算得到隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為7。根據(jù)算法結(jié)果,計(jì)算本次模擬預(yù)測(cè)的平均相對(duì)誤差和平均絕對(duì)誤差，結(jié)果見表6。

表6 誤差計(jì)算結(jié)果

由表6可知，誤差皆在允許范圍內(nèi)，表明預(yù)測(cè)結(jié)果具有合理性。

安徽省9座礦業(yè)城市整體預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 安徽省9座礦業(yè)城市整體預(yù)測(cè)結(jié)果

由圖3可知，在2019—2025年間，安徽省9座礦業(yè)城市生態(tài)安全狀態(tài)整體呈上升趨勢(shì)，其中壓力和狀態(tài)子系統(tǒng)變化幅度較小，且仍處于較低水平，狀態(tài)子系統(tǒng)更加穩(wěn)定；響應(yīng)子系統(tǒng)在2018年之后逐步穩(wěn)定并略微上升，綜合指數(shù)總體呈上升趨勢(shì)。因此在未來發(fā)展中，安徽省礦業(yè)城市需要更加關(guān)注壓力、狀態(tài)子系統(tǒng)建設(shè)，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的整體發(fā)展。

4 結(jié)論

1)將正態(tài)云模型引入到區(qū)域生態(tài)安全評(píng)價(jià)中，一定程度上避免了評(píng)價(jià)過程中的隨機(jī)性和模糊性問題，提升了評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性。

2)安徽省9座礦業(yè)城市生態(tài)安全狀態(tài)整體提升明顯，從Ⅲ級(jí)警惕水平穩(wěn)定上升到Ⅳ級(jí)較安全水平；各礦業(yè)城市發(fā)展差異明顯，其中淮南水平較低，淮北、馬鞍山、滁州及宣城處于較高水平，其余居中。

3)根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，2019—2025年7年中安徽省9座礦業(yè)城市生態(tài)安全整體呈上升趨勢(shì)，壓力、狀態(tài)子系統(tǒng)上升幅度較小，仍處于較低水平，響應(yīng)子系統(tǒng)穩(wěn)中有升。