馮寶平,吳 東,梁 行

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

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基于GA-PPE模型的南京濱江風(fēng)光帶生態(tài)建設(shè)綜合評價

馮寶平,吳 東,梁 行

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

為科學(xué)評價南京濱江風(fēng)光帶生態(tài)建設(shè)效果,選取了生態(tài)功能完善、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)能源節(jié)約3個方面10項(xiàng)評價指標(biāo),采用投影尋蹤等級評價模型(PPE),利用遺傳算法(GA)優(yōu)化最佳投影方向,根據(jù)最佳投影函數(shù)值進(jìn)行其等級評價。評價結(jié)果表明：南京濱江風(fēng)光帶一期建設(shè)過程中,河西片建設(shè)效果屬于Ⅰ級,生態(tài)建設(shè)效果較好;下關(guān)區(qū)、江浦區(qū)和浦口新區(qū)為Ⅱ級,需要在濕地率、廢污水排放達(dá)標(biāo)率、綠化覆蓋率、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、可再生能源利用率等方面進(jìn)一步配套完善。

生態(tài)建設(shè);指標(biāo)體系;投影尋蹤;濱江風(fēng)光帶;南京市

城市濱水區(qū)是城市水域與陸地共同構(gòu)成的一種獨(dú)特的城市環(huán)境。由于特殊的地理位置和良好的自然資源,城市濱水區(qū)通過合理地開發(fā)建設(shè),不僅是宣傳城市形象的重要窗口,而且可以承擔(dān)一定的生態(tài)平衡、景觀環(huán)境和休閑娛樂功能。近年來,城市濱水區(qū)開發(fā)建設(shè)成為濱水城市建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目。南京基于“擁江發(fā)展、跨江發(fā)展”的發(fā)展戰(zhàn)略和打造世界級濱水旅游區(qū)的總體目標(biāo),積極建設(shè)58 km濱江風(fēng)光帶,于2014年8月南京青奧會前完成基本建設(shè),目前正在進(jìn)行相關(guān)續(xù)建和配套工作。國內(nèi)外眾多學(xué)者從濱水區(qū)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、功能等方面進(jìn)行了大量研究,并越來越多地考慮濱水區(qū)生態(tài)環(huán)境問題[1-3]。Da等[4]采用比例二元語義法,從生態(tài)、社會以及文脈三方面對城市濱水區(qū)功能進(jìn)行了評價。Karen等[5]將生態(tài)學(xué)與碼頭、海堤設(shè)計(jì)相結(jié)合來減輕濱水建設(shè)對環(huán)境的破壞,恢復(fù)城市濱水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能。王江萍[6]從生態(tài)學(xué)角度探討了濱水區(qū)景觀規(guī)劃的設(shè)計(jì)原則,以及建設(shè)過程中應(yīng)注意的具體問題。朱佩娟等[7]從復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)角度出發(fā),提出了濱水區(qū)景觀資源優(yōu)化思路,探討了濱水區(qū)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)的途徑。相關(guān)研究為城市濱水區(qū)建設(shè)提供了很好的指導(dǎo)。目前對城市濱水區(qū)建設(shè)生態(tài)環(huán)境影響的評價研究較少,如何遵循生態(tài)設(shè)計(jì)理念,科學(xué)評價城市濱水空間建設(shè)狀況成為城市濱水區(qū)建設(shè)需要研究的課題之一。

本文采用基于遺傳算法(genetic algorithm,GA)的投影尋蹤等級評價(projection pursuit grade evaluation,PPE)模型(GA-PPE模型),通過遺傳算法優(yōu)化PPE模型的投影方向,將多個評價指標(biāo)綜合成一個綜合指標(biāo),對南京濱江風(fēng)光帶一期生態(tài)建設(shè)效果進(jìn)行綜合評價,避免了人為賦權(quán)的干擾和評價指標(biāo)較多、指標(biāo)權(quán)重難以確定等問題,評價準(zhǔn)確易行,可以科學(xué)評價濱江風(fēng)光帶生態(tài)建設(shè)效果,為后期續(xù)建、配套提供決策依據(jù)。

1 生態(tài)建設(shè)綜合評價指標(biāo)體系

依據(jù)全面性、代表性、可操作性和層次性等原則,將濱江帶生態(tài)建設(shè)效果分為生態(tài)功能完善、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)能源節(jié)約3個準(zhǔn)則,分別反映了濱江帶建設(shè)的生態(tài)服務(wù)功能、對周圍生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和改善情況以及對資源的節(jié)約利用情況。采用頻度統(tǒng)計(jì)法,對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和初步篩選,初步確定評價指標(biāo)，并采用專家咨詢的方法,對評價指標(biāo)作出決策,建立如表1所示的南京濱江風(fēng)光帶生態(tài)建設(shè)評價指標(biāo)體系,各項(xiàng)指標(biāo)從優(yōu)到劣依次分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個等級。

表1 濱江風(fēng)光帶生態(tài)建設(shè)綜合評價指標(biāo)及等級劃分

生態(tài)功能完善準(zhǔn)則選取綠化覆蓋率C1、濕地率C2和植物配置合理度C33項(xiàng)指標(biāo)。綠化覆蓋率指草坪、喬灌木等綠化植物的垂直投影面積占區(qū)域面積的比值[8-9]。根據(jù)《南京市城市總體規(guī)劃(2011—2020)》,南京市建成區(qū)綠化覆蓋率現(xiàn)狀為44.38%,2020年達(dá)到50%;CJJ 48—92《公園設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,綜合性公園綠化用地面積應(yīng)不小于陸地面積的70%。濕地率指濕地面積占區(qū)域面積的比值[10-11],城市濕地能夠調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候,是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。按照LY/T 1755—2008《國家濕地公園建設(shè)規(guī)范》,國家濕地公園濕地面積應(yīng)占總面積的60%以上;根據(jù)《中國統(tǒng)計(jì)年鑒2014》,2014年全國濕地面積占轄區(qū)面積比例為5.56%,江蘇省為27.51%。植物配置合理度指植物群落景觀評價值,包括景觀個體要素(形態(tài)、色彩、線條、質(zhì)地)和景觀配置要素(比例尺度、協(xié)調(diào)對比、對稱平衡、多樣統(tǒng)一、韻律節(jié)奏)兩個方面,采用專家打分確定[12-13]。合理的植物群落對實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境和諧相處,保護(hù)生物多樣性具有重要意義。

生態(tài)環(huán)境保護(hù)準(zhǔn)則選取空氣質(zhì)量狀況指數(shù)C4、環(huán)境噪聲排放值C5、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率C6和廢污水排放達(dá)標(biāo)率C74項(xiàng)指標(biāo)?？諝赓|(zhì)量狀況指數(shù)采用一段時間內(nèi)空氣質(zhì)量指數(shù)的平均值[14-15],該值越大空氣質(zhì)量狀況越差。HJ633—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》將空氣污染指數(shù)分為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和大于300共6檔。環(huán)境噪聲排放值采用一段時間內(nèi)環(huán)境噪聲監(jiān)測均值[16],根據(jù)《中國統(tǒng)計(jì)年鑒2013》,2013年南京市的環(huán)境噪聲等效聲級為54.0 dB(A計(jì)權(quán)，下同);參照GB3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中2類功能區(qū)的規(guī)定,設(shè)定相應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)。水質(zhì)達(dá)標(biāo)率指所屬水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)的數(shù)據(jù)個數(shù)(或河長、面積)占水功能評價總數(shù)據(jù)個數(shù)(或總河長、總面積)的比例[17]。按照《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》,到2015年重要江河湖泊水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率提高到60%,2020年和2030年分別提高到80%和95%以上。廢污水排放達(dá)標(biāo)率指達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的廢污水排放量占廢污水排放總量的比值[18],濱江風(fēng)光帶產(chǎn)生廢污水的達(dá)標(biāo)率直接關(guān)系到長江水源地水質(zhì)狀況,參考《南京市城市總體規(guī)劃(2011—2020)》確定其指標(biāo)分級。

生態(tài)能源節(jié)約準(zhǔn)則選取可再生能源利用率C8、再生水利用率C9和綠色建筑比例C103項(xiàng)指標(biāo)。可再生能源利用率指可再生能源占總能源消耗量的比值[16]。目前我國可再生能源利用率不足10%[19],根據(jù)《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》[20],到2020年可再生能源年利用量在能源消費(fèi)中的比例力爭達(dá)到15%;今后二三十年將是人類從化石能源為主時代向清潔低碳、可持續(xù)能源過渡的關(guān)鍵時期,2035年可再生能源利用率將達(dá)到30%[21]。再生水利用率采用再生水利用量占污水處理總量的比例。根據(jù)《“十二五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》,2010年我國城鎮(zhèn)再生水利用率小于10%, 2015年城鎮(zhèn)再生水利用率達(dá)15%;根據(jù)《南京市城市總體規(guī)劃(2011—2020)》,提倡城市污水再生水作為綠化、河湖景觀、道路澆灑、建筑沖廁、工業(yè)用水等,污水再生利用率不低于20%。綠色建筑比例指節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材、能夠提供健康舒適且與自然和諧共生的建筑[22-23]占總建筑數(shù)量的比例。新生態(tài)城建設(shè)要求新建建筑的80%必須為綠色建筑,既有城市升級為生態(tài)城的必須有50%以上為綠色建筑;根據(jù)國務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)的《綠色建筑行動方案》,2015年城鎮(zhèn)新建建筑中綠色建筑比例達(dá)20%。

2 GA-PPE模型

投影尋蹤等級評價的基本思想是把高維數(shù)據(jù)投影到低維子空間上,計(jì)算能反映高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征的投影值,根據(jù)該投影值分析高維數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征,達(dá)到分析高維數(shù)據(jù)的目的,廣泛應(yīng)用于多因素綜合評價問題[24-25]。GA-PPE模型建模步驟如下:

b. 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化。分別采用式(1)和式(2)對正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值xij為

(1)

(2)

c. 線性投影。投影指從不同角度觀察數(shù)據(jù),尋找能夠最大程度反映數(shù)據(jù)特征和最能充分挖掘數(shù)據(jù)信息的最優(yōu)觀察角度。本研究選用線性投影將高維數(shù)據(jù)投影到一維線性空間,把p維數(shù)據(jù)綜合成以單位長度向量a=(a1,a2,…,ap)為投影方向的投影值zi,即

(3)

d. 構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)。投影尋蹤等級評價的根本任務(wù)就是建立評價指標(biāo){xij|i=1,2,…,n;j=1,2,…,p}與評價等級{yi|i=1,2,…,n}間的數(shù)學(xué)關(guān)系,即把p維數(shù)據(jù){xij|j=1,2,…,p}綜合成以單位向量a=(a1,a2,…,ap)為投影方向的投影值zi。在綜合投影時,投影值zi要盡可能多的攜帶{xij|j=1,2,…,p}的變異信息,所以zi的標(biāo)準(zhǔn)差Sz要盡可能最大,同時zi與yi的相關(guān)系數(shù)的絕對值|Rzy|也要盡可能大。投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)構(gòu)造如下[28-29]:

Q(a)=Sz|Rzy|

(4)

式中Ez、Ey分別為zi與yi的均值。

e. 優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)。投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)隨投影方向a的變化而變化,不同的投影方向反映不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征,最佳投影方向就是最大可能暴露高維數(shù)據(jù)某類特征結(jié)構(gòu)的投影方向,可以通過求解Q(a)最大化問題來計(jì)算最佳投影方向。數(shù)學(xué)模型為[30]:

目標(biāo)函數(shù)maxQ(a)=Sz|Rzy|

(5)

(6)

f. 遺傳算法求解。式(5)(6)是以P維向量a為優(yōu)化變量的復(fù)雜優(yōu)化問題,常規(guī)方法編程過程復(fù)雜且計(jì)算量大,在應(yīng)用時往往受到限制,容易陷入局部最優(yōu)。遺傳算法是模擬自然界中的生物在遺傳進(jìn)化過程形成的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法,它提供了一種求解復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問題的模式,對問題的求解有很強(qiáng)的魯棒性、自適應(yīng)性、隱含并行性和全局優(yōu)化性,其應(yīng)用范圍幾乎已滲透到從工程到社會科學(xué)的諸多領(lǐng)域。本文采用遺傳算法優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù),設(shè)定種群大小20,最大繁殖代數(shù)50,交叉率0.7,變異率0.01,求解最佳投影方向向量a。

3 南京濱江風(fēng)光帶生態(tài)建設(shè)綜合評價

3.1 GA-PPE模型的精度分析

根據(jù)生態(tài)建設(shè)綜合評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn),在每個等級內(nèi)隨機(jī)、均勻地生成5個評價樣本,共20個樣本。按式(1)(2)對樣本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,再按式(3)～(6)計(jì)算投影特征向量a和投影指標(biāo)函數(shù)值Q(a)。經(jīng)計(jì)算,求得最大投影指標(biāo)函數(shù)值Q(a)為0.746 9,最佳投影方向向量a=(0.238,0.362,0.276,0.376,0.279,0.359,0.269, 0.347,0.331,0.293)。將最佳投影方向向量a代入式(3),求得最佳投影值zi,見表2。

將表2中的最佳投影值zi與評價等級yi用二次多項(xiàng)式擬合,結(jié)果見式(7)。將最佳投影值zi代入到式(7),得到各個評價樣本對應(yīng)的評價等級計(jì)算值Yi,見表2。

表2 生態(tài)建設(shè)評價等級與模型計(jì)算對比結(jié)果

yi=-0.101 1zi2-1.149 5zi+4.822 7 (R2=0.992)

(7)

將評價等級計(jì)算值Yi與原評價等級yi進(jìn)行誤差分析,絕對誤差落在[0,0.1]、[0,0.2]和[0,0.3]區(qū)間的百分比分別為70%、90%和100%,平均絕對誤差和相對誤差分別為0.080 4和3.94%,因此GA-PPE模型的精度較高,可以用Yi描述生態(tài)建設(shè)實(shí)際評價等級。

表3 不同片區(qū)評價指標(biāo)值及評價等級

3.2 南京濱江風(fēng)光帶生態(tài)建設(shè)評價

根據(jù)《南京市濱江岸線和沿岸管理?xiàng)l例(草案)》,南京濱江風(fēng)光帶規(guī)劃范圍包括南京市長江南岸(三橋至二橋)、長江北岸(三橋至大橋)、江心洲南岸,分8個特色片區(qū),岸線總長58 km,規(guī)劃總面積17.3 km2。目前河西、下關(guān)、江浦和浦口新城四個片區(qū)一期建設(shè)已基本完工,二期建設(shè)需進(jìn)一步完善沿線服務(wù)配套設(shè)施。選取這4個片區(qū)進(jìn)行生態(tài)建設(shè)綜合評價,指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于濱江風(fēng)光帶建設(shè)總指揮部、各分區(qū)指揮部以及南京市環(huán)保局。其中生態(tài)環(huán)境保護(hù)指標(biāo)采用實(shí)時變化數(shù)據(jù),空氣質(zhì)量狀況指數(shù)、環(huán)境噪聲排放值、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率和廢污水排放達(dá)標(biāo)率4項(xiàng)指標(biāo)采用2015年3—9月7個月監(jiān)測的平均值。4個片區(qū)評價指標(biāo)值及GA-PPE模型評價結(jié)果見表3。

由最佳投影方向可知,空氣質(zhì)量狀況指數(shù)、濕地率、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、可再生能源利用率、再生水利用率、綠色建筑比例、環(huán)境噪聲排放值、植物配置合理度、廢污水排放達(dá)標(biāo)率、綠化覆蓋率對生態(tài)建設(shè)綜合評價的影響程度逐漸減小。根據(jù)4個片區(qū)評價等級可知,河西片區(qū)屬于Ⅰ級,下關(guān)、江浦和浦口新區(qū)3個片區(qū)為Ⅱ級,其中河西片以地標(biāo)、龍頭和活力為主題建設(shè),以期成為南京濱江風(fēng)光帶的代表性區(qū)域,其生態(tài)建設(shè)評價等級最高,較好地完成了生態(tài)建設(shè)目標(biāo)。下關(guān)、江浦和浦口新區(qū)3個片區(qū)評價等級略低,生態(tài)建設(shè)有待完善的地方,下關(guān)片區(qū)主要影響指標(biāo)包括濕地率、廢污水排放達(dá)標(biāo)率,江浦片區(qū)主要影響指標(biāo)包括綠化覆蓋率、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率,浦口新區(qū)主要影響指標(biāo)為可再生能源利用率?？傮w上,各片區(qū)評價等級較高,說明南京濱江風(fēng)光帶生態(tài)建設(shè)效果整體較好,與游人的實(shí)際感受相符。

4 結(jié) 語

在對生態(tài)保護(hù)和濱水區(qū)建設(shè)研究的基礎(chǔ)上,南京濱江風(fēng)光帶生態(tài)建設(shè)綜合評價選取生態(tài)功能完善、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)能源節(jié)約3個方面10個評價指標(biāo),通過PPE模型將生態(tài)建設(shè)綜合評價的多維問題轉(zhuǎn)化為單維問題,利用GA優(yōu)化最佳投影方向,用最佳投影值計(jì)算評價等級。GA-PPE評價模型避免了人為主觀確定權(quán)重的弊端,評價過程沒有人為干擾,對于高維數(shù)據(jù)的綜合評判、排序、尋優(yōu)具有較好的效果,可以很好地進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的評價研究。

分析表明,空氣質(zhì)量狀況指數(shù)、濕地率、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、可再生能源利用率是濱江帶建設(shè)過程中的關(guān)鍵建設(shè)指標(biāo)。南京濱江風(fēng)光帶一期工程中,河西片區(qū)整合岸線資源,保留天然濕地,通過對自然資源的保護(hù),構(gòu)建現(xiàn)代化濱江新岸線,為市民提供了零距離親水之地,其生態(tài)建設(shè)評價等級為Ⅰ級;下關(guān)片區(qū)以民國歷史風(fēng)情為特色,江浦片區(qū)以科技創(chuàng)新為特色,浦口新區(qū)以展現(xiàn)國際都市為特色,3個片區(qū)生態(tài)資源保留相對較少,生態(tài)環(huán)境保護(hù)較河西片區(qū)略差,其生態(tài)建設(shè)評價等級為Ⅱ級。4個片區(qū)的評價結(jié)果均與實(shí)際建設(shè)情況相符,表明該評價模型評價準(zhǔn)確可靠。下關(guān)、江浦和浦口新區(qū)3個片區(qū)在生態(tài)建設(shè)方面仍有待提升的地方,應(yīng)在二期建設(shè)過程中,針對濕地率、廢污水排放達(dá)標(biāo)率、綠化覆蓋率、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、可再生能源利用率這些指標(biāo)進(jìn)行配套完善,進(jìn)一步提升生態(tài)建設(shè)效果。

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Comprehensive assessment of ecological construction of Nanjing Waterfront based on GA-PPE model

//FENG Baoping, WU Dong, LIANG Xing

(CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

With consideration of three principles, ecological functional perfection, ecological environmental protection, and ecological energy saving, an assessment index system including ten indices was established to evaluate the effects of ecological construction of the Nanjing Waterfront. Based on the projection pursuit evaluation model (PPE), which uses the genetic algorithm (GA) to optimize the projection direction, the values of the optimal projection function were adopted for grade assessment. The results show that, during the first construction period of the Nanjing Waterfront, the Hexi area falls into grade Ⅰ, with a perfect ecological effect, and the Xiaguan District, Jiangpu District, and Pukou New District fall into grade Ⅱ, and the following indices should be improved: the wetland coverage ratio, the percentage of discharged wastewater reaching the standard, the green coverage ratio, the percentage of water reaching the water quality standard, and the renewable energy utilization rate.

ecological construction; index system; projection pursuit; waterfront; Nanjing City

10.3880/j.issn.1006-7647.2016.06.006

馮寶平(1976—),女,副教授,博士,主要從事水土資源規(guī)劃與管理研究。E-mail:fengbaoping@hhu.edu.cn

X826

A

1006-7647(2016)06-0029-06

2015-10-18 編輯：鄭孝宇)