基于可變模糊集銅陵市生態(tài)安全動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

王乃舉， 周濤發(fā)

（合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)現(xiàn)狀

城市生態(tài)系統(tǒng)不同于自然生態(tài)系統(tǒng)，其生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者與非生物環(huán)境缺乏自組織協(xié)調(diào)能力，必須借助人類(lèi)的技術(shù)條件才能實(shí)現(xiàn)物質(zhì)流、能值流、價(jià)值流和信息流的動(dòng)態(tài)平衡。城市是人工系統(tǒng)和自然系統(tǒng)相互作用最為強(qiáng)烈的區(qū)域，人地關(guān)系對(duì)立統(tǒng)一的形成與轉(zhuǎn)化也最為頻繁激烈，因此，對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)安全狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)就顯得非常重要。當(dāng)前，國(guó)外學(xué)者從生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)健康和生態(tài)安全3個(gè)方面評(píng)價(jià)城市生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，取得了不少研究成果［1－4］。國(guó)內(nèi)城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)是主要的研究方向?；A(chǔ)評(píng)價(jià)方法為綜合指數(shù)法［5－8］，進(jìn)一步改進(jìn)的評(píng)價(jià)方法有模糊（物元）法［9－11］、灰色關(guān)聯(lián)度法［12－13］、TOPSIS法［14］及 GIS法［15－16］。另有學(xué)者采用生態(tài)足跡法［17－18］、景觀生態(tài)格局法［19－20］強(qiáng)調(diào)城市系統(tǒng)的生態(tài)作用機(jī)理和時(shí)空變化。以上綜合指數(shù)法改進(jìn)模型雖然考慮了事物或現(xiàn)象屬性的模糊或灰色特性，但未能刻畫(huà)事物或現(xiàn)象間的對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律；生態(tài)足跡法對(duì)均衡因子和產(chǎn)量因子依賴(lài)性大，取國(guó)際和中國(guó)平均值進(jìn)行度量對(duì)研究結(jié)果可靠性影響大；城市生態(tài)景觀空間格局時(shí)序變化主要表現(xiàn)為人造建筑景觀的變化，缺少區(qū)域?qū)用娴亩鄻有跃坝^格局，因而時(shí)序?qū)Ρ纫饬x不大。

由于事物或現(xiàn)象總是處在矛盾運(yùn)動(dòng)之中，屬于或不屬于某一等級(jí)的模糊關(guān)系建立在對(duì)立統(tǒng)一矛盾運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，屬于某一等級(jí)的統(tǒng)一吸引趨勢(shì)和不屬于某一等級(jí)的對(duì)立排斥趨勢(shì)同時(shí)并存［21］。因此，事物或現(xiàn)象對(duì)某一指標(biāo)等級(jí)隸屬度的確定應(yīng)該從吸引域和排斥域2個(gè)方面進(jìn)行衡量。城市生態(tài)安全綜合值等級(jí)、各子系統(tǒng)生態(tài)安全綜合值等級(jí)及各指標(biāo)生態(tài)安全值等級(jí)劃分具有人為主觀性，具體值屬于或不屬于某一等級(jí)區(qū)間皆具有趨同（吸引）與趨異（排斥）的模糊特性。綜上，本文引入可變模糊集理論［22－23］，以對(duì)立統(tǒng)一思想改進(jìn)綜合指數(shù)模型法，創(chuàng)新城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法。

2 可變模糊集評(píng)價(jià)方法

2.1 相對(duì)差異度

（3）～（6）式中p為非負(fù)指數(shù)，一般情況按線性相對(duì)差異函數(shù)模型計(jì)算，p＝1。且（3）～（6）式滿足：

2.2 可變模糊集模型

設(shè)定：

其中，dgj和dhj分別為距離“優(yōu)”和 “劣”廣義權(quán)差值；α為距離參數(shù)，α＝1，2。

可變模糊集模型為：

其中，β為模型參數(shù)，β＝1，2；j為級(jí)別特征值（最優(yōu)值），j＝0.2，0.4，0.6，0.8，1.0為u 關(guān)于級(jí)別h的綜合相對(duì)隸屬度。

α和β共有4種組合形式，本文選擇α＝1，β＝1（模糊綜合識(shí)別模型）和α＝2，β＝1（理想點(diǎn)線性模型）進(jìn)行計(jì)算，取平均值作為評(píng)價(jià)結(jié)果值。

設(shè)生態(tài)安全級(jí)別為很不安全［0.2，0.3）、不安全［0.3，0.5）、臨界安全［0.5，0.7）、較安全［0.7，0.9）和理想安全（0.9，1.0］5個(gè)等級(jí)，級(jí)別數(shù)分別為0.2、0.4、0.6、0.8和1.0。各子系統(tǒng)綜合特征值Hi為：

2.3 耦合度模型

變異系數(shù)Cv計(jì)算方法如下：

其中，T為系統(tǒng)耦合度；q為協(xié)調(diào)系數(shù)。

則耦合發(fā)展度（OD）模型為：

其中，OD為耦合發(fā)展度；ˉH為子系統(tǒng)耦合度均值。

3 實(shí)證研究

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源和指標(biāo)體系構(gòu)建

數(shù)據(jù)來(lái)源于2000—2009年銅陵統(tǒng)計(jì)年鑒［24］、2000—2009年安徽統(tǒng)計(jì)年鑒［25］、2000—2009年中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒［26］、2003—2009年銅陵市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展報(bào)告［27］、2002—2009年銅陵市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告［28］。其中，經(jīng)濟(jì)類(lèi)指標(biāo)消除物價(jià)要素，以可比價(jià)格進(jìn)行了換算。

銅陵市生態(tài)安全PSR評(píng)價(jià)指標(biāo)及安全等級(jí)劃分見(jiàn)表1所列。

指標(biāo)體系構(gòu)建如下所述。

表1 銅陵市PSR評(píng)價(jià)指標(biāo)及安全等級(jí)劃分

體系包括生態(tài)壓力、生態(tài)狀態(tài)和生態(tài)響應(yīng)3部分。生態(tài)壓力表現(xiàn)為人類(lèi)經(jīng)濟(jì)和生活活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的壓力，由人口、資源和環(huán)境3個(gè)方面壓力構(gòu)成。人口壓力選取市區(qū)人口密度（C11）、人口自然增長(zhǎng)率（C12）和人均 GDP（C13）3項(xiàng)指標(biāo)；資源壓力選取萬(wàn)元GDP電耗（C14）、萬(wàn)元GDP水耗（C15）、人均生活用電（C16）和人均生活用水（C17）4項(xiàng)指標(biāo)；環(huán)境壓力選取萬(wàn)元GDP工業(yè)廢水排放（C18）、萬(wàn)元 GDP工業(yè)廢氣排放（C19）和萬(wàn)元 GDP工業(yè)固廢排放（C110）3項(xiàng)指標(biāo)。

生態(tài)狀態(tài)表現(xiàn)為環(huán)境狀況和資源狀況，體現(xiàn)資源環(huán)境的質(zhì)量和數(shù)量。前者選取區(qū)域環(huán)境噪聲均值（C21）、空氣SO2濃度均值（C22）和空氣質(zhì)量PM10濃度均值（C23）3項(xiàng)指標(biāo)；后者選取建成區(qū)綠化覆蓋率（C24）集中飲用水源水質(zhì)量（C25）和人均水資源量（C26）3項(xiàng)指標(biāo)。

生態(tài)響應(yīng)是人類(lèi)對(duì)生態(tài)狀況的感知，是根據(jù)生態(tài)壓力有針對(duì)性的舉措，主要表現(xiàn)為智力投資和環(huán)境投入。智力投入選取萬(wàn)人大專(zhuān)以上人數(shù)（C31）、人均圖書(shū)館藏書(shū)（C32）、科技投入占 GDP比重（C33）、教育投資占 GDP比重（C34）4項(xiàng)指標(biāo)；環(huán)境投入選取環(huán)保投資占GDP比重（C35）、工業(yè)污水達(dá)標(biāo)排放率（C36）、工業(yè)煙塵達(dá)標(biāo)排放率（C37）和工業(yè)固廢綜合利用率（C38）4項(xiàng)指標(biāo)。

各項(xiàng)指標(biāo)參考國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀城市情況、銅陵市實(shí)際和國(guó)內(nèi)既有的研究成果，將城市生態(tài)安全劃分為理想安全、較安全、臨界安全、不安全和很不安全5個(gè)等級(jí)［33－37］。

3.2 子系統(tǒng)綜合特征值及耦合度計(jì)算

利用（1）～（10）式計(jì)算銅陵市2000—2009年歷年綜合特征值，見(jiàn)表2所列。利用（11）～（14）式計(jì)算銅陵市2000—2009年歷年安全值，見(jiàn)表3所列，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪出銅陵市2000—2009歷年生態(tài)安全綜合值變化趨勢(shì)，如圖1所示。

表2 2000—2009年銅陵市PSR特征值

表3 銅陵市2000—2009年耦合發(fā)展度及生態(tài)安全級(jí)別

圖1 銅陵市2000—2009年生態(tài)安全綜合值變化

4 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

4.1 子系統(tǒng)綜合值

可變模糊集子系統(tǒng)綜合特征值評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，生態(tài)壓力減輕趨勢(shì)最為明顯，2009年比2000年綜合值增加81.31%（生態(tài)壓力已轉(zhuǎn)化為正向數(shù)值，數(shù)值越大，壓力越小），其次是生態(tài)響應(yīng)，2009年比2000年增加39.40%，生態(tài)狀態(tài)增加幅度最?。?5.19%）。生態(tài)壓力和生態(tài)狀態(tài)在2008年以前綜合特征值低于0.7，屬于臨界安全級(jí)別，2006年后特征值大于0.7，轉(zhuǎn)為較安全級(jí)別。生態(tài)響應(yīng)一直處于較低水平，2006年以前在0.3以下，2008年以后有所增加，但到2009年沒(méi)有超過(guò)0.4，分別屬于很不安全和不安全級(jí)別（圖1）。綜合來(lái)看，2008年以前銅陵市生態(tài)壓力、生態(tài)狀態(tài)和生態(tài)響應(yīng)均處于臨界安全水平及之下，2008年之后，生態(tài)壓力和生態(tài)狀態(tài)趨向較安全，但生態(tài)響應(yīng)2000年以來(lái)一直處于較不安全及以下水平。

4.2 生態(tài)安全系統(tǒng)耦合度

耦合度變化受控于生態(tài)壓力、生態(tài)狀態(tài)和生態(tài)響應(yīng)3個(gè)子系統(tǒng)特征值。由于生態(tài)壓力和生態(tài)狀態(tài)特征值歷年極為靠近，盡管生態(tài)響應(yīng)特征值偏離較大，生態(tài)安全系統(tǒng)最終耦合度值較大，均在0.7以上，且變化幅度較小。2000年生態(tài)響應(yīng)與生態(tài)壓力偏離34.13%，與生態(tài)狀態(tài)偏離53.52%；2005年生態(tài)響應(yīng)與生態(tài)壓力偏離67.46%，與生態(tài)狀態(tài)偏離101.12%；2009年生態(tài)響應(yīng)與生態(tài)壓力偏離49.35%，與生態(tài)狀態(tài)偏離52.07%。由此，制約系統(tǒng)生態(tài)安全綜合特征值取決于生態(tài)響應(yīng)子系統(tǒng)均值的變化（圖1）。

4.3 生態(tài)安全系統(tǒng)綜合特征值

2000年以來(lái)銅陵市生態(tài)安全系統(tǒng)綜合特征值處在較低的發(fā)展水平。耦合發(fā)展度2000—2001年屬于不安全級(jí)別，2002—2009年屬于臨界安全級(jí)別，其中2002—2004年偏向不安全級(jí)別，而2005—2009年偏向較安全級(jí)別。2000年生態(tài)安全綜合值只有耦合度值的0.508，2005年為0.759，2009年為0.749，由于生態(tài)安全綜合特征值長(zhǎng)期以來(lái)處在較低的水平，盡管歷年耦合度水平較高，生態(tài)安全耦合發(fā)展度依然較低，總體安全等級(jí)較低（圖1）。

4.4 生態(tài)安全系統(tǒng)耦合發(fā)展度級(jí)別

2000年以來(lái)銅陵市生態(tài)安全系統(tǒng)綜合特征值處在較低的發(fā)展水平。耦合發(fā)展度2000—2006年屬于不安全級(jí)別，2007—2009年屬于臨界安全級(jí)別，其中2007—2008年偏向不安全級(jí)別。

從最終評(píng)價(jià)可以得出，制約銅陵市生態(tài)安全耦合發(fā)展度主要影響子系統(tǒng)是生態(tài)響應(yīng)。生態(tài)響應(yīng)包括智力投資和環(huán)境投資。2000年以來(lái)，銅陵市科技教育投入遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)地區(qū)的水平，環(huán)境治理雖進(jìn)入實(shí)質(zhì)性發(fā)展階段，但依然面臨資金和技術(shù)短缺的制約。此外，生態(tài)壓力減小和生態(tài)狀態(tài)改善的發(fā)展趨勢(shì)明顯，與2005年以來(lái)銅陵市確立循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略密切相關(guān)。

將銅陵市生態(tài)安全綜合值進(jìn)行曲線擬合，得出擬合方程（R2＝0.947），擬合曲線表明2008年后銅陵市生態(tài)安全綜合值呈較快增長(zhǎng)趨勢(shì)。2012年生態(tài)安全綜合值將超越0.7，達(dá)到較安全等級(jí)（預(yù)測(cè)值為0.735），2014年綜合值將超越0.9達(dá)到安全等級(jí)（預(yù)測(cè)值為0.978）。擬合方程為：

5 結(jié) 論

（1）運(yùn)用可變模糊集理論對(duì)城市生態(tài)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，體現(xiàn)了對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)各要素對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律的把握；系統(tǒng)耦合度和發(fā)展度的有機(jī)結(jié)合，凸現(xiàn)了對(duì)城市生態(tài)安全發(fā)展變化規(guī)律的本質(zhì)認(rèn)識(shí)，因而本研究對(duì)銅陵市城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果具有客觀公正性。

（2）銅陵市城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果表明，2000年以來(lái)，銅陵市生態(tài)壓力下降趨勢(shì)明顯，生態(tài)狀態(tài)和生態(tài)響應(yīng)總體呈上升趨勢(shì)，但上升幅度較慢。銅陵市生態(tài)壓力逐年減小表征銅陵市生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日趨合理，生態(tài)狀況逐年減小標(biāo)志系統(tǒng)健康狀態(tài)趨好，但仍有較大的改進(jìn)空間，生態(tài)響應(yīng)逐年減小反映系統(tǒng)智力和資金投入力度不夠。

目前銅陵市生態(tài)安全等級(jí)總體水平低，制約生態(tài)安全等級(jí)提高的主要影響子系統(tǒng)是生態(tài)響應(yīng)。按照目前的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)銅陵市生態(tài)安全等級(jí)會(huì)不斷提升。

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