基于突变理论的中国东部沿海地区生态安全评价研究——以大连市为例

葛仁东,于成学,苍露露

(大连民族学院a.理学院;b.国际商学院，辽宁大连 116605)

基于突变理论的中国东部沿海地区生态安全评价研究
——以大连市为例

葛仁东a,于成学b,苍露露a

(大连民族学院a.理学院;b.国际商学院，辽宁大连 116605)

沿海地区生态环境恶化与不合理的区域开发有关。以驱动力-压力-状态-影响-响应(D-P -S-I-R)为框架，构建指标体系;基于突变理论，应用方法处理数据，选择生态环境问题较突出的大连市为例，识别其自2005年至2012年的生态安全综合指数值，为大连及其他沿海地区的经济与环境保护协调发展，实现生态安全提供借鉴和参考。

D-P-S-I-R框架;指标体系;突变理论;生态安全;大连

参照前期研究成果，本文基于突变理论，考虑驱动力和影响两个重要因素，应用驱动力-压力-状态-影响-响应(D-P-S-I-R)模型，以构建指标体系，选择沿海生态环境问题较突出的大连地区为例，研究大连地区自2008年至2012年的生态变化状况，期望为大连及国内其他沿海地区生态安全管理提供科学依据与参考。

一、研究设计

1.突变理论基础模型

突变理论的诞生是以法国数学家勒内·托姆勒内·托姆(Renethom)1972年出版的《结构稳定性和形态发生学》一书作为标志。托姆将系统内部状态的整体性“突跃”称为突变，其特点是过程连续而结果不连续，是根据一个系统的势函数把它的临界点分类，研究各临界点附近非连续变化之特征，进而归纳出若干个初等突变模型多目标决策所涉及的四种初等突变模型。尖点突变模型势函数的一般表达式为:f(x)=x4+ux2+vx，就尖点突变模型的势函数其状态空间为三维的(x，u，v)，它的平衡曲面M和奇点集S分别为:f’(x)= 4x3+2ux+v=0，f’(x)=12x2+2u=0，联合求解，得到分歧方程为:8u3+27v2=0;平衡曲面M上的一个尖点褶皱的两条折痕OF和OG为奇点集S，它在控制空间u，v上的投影OF’和OG’就是分歧集，如图1和图2;在平衡曲面上的每一点(x，u，v)都表示系统在综合作用下的某一状态。由折痕OF和OG可以把M分为上叶、中叶和下叶，当控制变量u，v符合分歧方程关系时，系统的质态发生根本性突变，势函数的值将越过中叶在上叶和下叶之间突跳，如图1，图2。

图1 尖点突变的平衡曲面

图2 尖点突变的分歧集

其他一维状态变量的突变模型表达式见表1。

表1 一维状态变量的突变模型势函数和归一公式

突变理论用于系统综合评价时的主要步骤参见文献[17-18]。

2.DPSIR模型与指标体系构建

由于城市社会、经济与环境系统的复杂性和多样性，不可能统一规定所有的指标。因此，本文在借鉴已有研究成果的基础上，将驱动力和影响两个重要变量应用到P-S-R模型中，从各子系统中选择有代表性、易量化的指标做定性与定量相结合的分析。针对中国东部沿海地区的人口社会资源和环境态势，根据城市现有经济、技术开发条件下城市规划发展对自然生态环境和生活质量可能产生的影响，建立驱动力-压力-状态-影响-响应(D-P-S-I-R)评价模型，并以此为基础，设计19个指标，5个因素层，构建沿海生态安全评价指标体系，见表2。

表2 沿海地区生态安全评价指标体系

二、实例分析

本研究以大连地区为例，分别查阅了2005年到2012年的《大连市统计年鉴》，搜集整理了社会经济、农业、工业、能源、环保、海洋等方面的数据，根据所建立的指标体系框架，运用无量纲化方法处理数据、应用突变理论进行分析计算，从而得到大连市生态安全评价指数，以实现对大连地区生态安全进行综合评价。

1.数据的无量纲化处理

在归一公式中，控制变量a、b、c、d表征的是状态变量x的不同特征，其原始数据取值范围和度量单位各不相同。在使用归一公式之前，应依据突变理论综合评判的要求，将突变理论与模糊数学相结合，利用公式将控制变量的原始数据转化到0～1范围内的无量纲可比较数，即

xij为底层指标的赋值，为规范化处理之后的指标值;i，j表示第i个项目、第j个指标。式(1)适用于值越大，综合评价值越高的指标，即正向指标，如人均GDP;式(2)适用于值越大，综合评价值越低的指标，即逆向指标，如工业废水排放量。指标层的无量化数值见表3。

表3 指标层无量纲化数值表

2.熵值法确定权重

熵值反映了信息无序化程度，其值越小，系统无序度越小，所以采用信息熵评价所获系统信息的有序度及其效用。由评价指标值构成的判断矩阵来确定指标权重，它能尽量消除各指标权重计算的人为干扰，使评价结果更接近实际，其计算步骤如下:

根据熵理论，定义m个评价事物n个评价指标的熵值，其中m为规划年限，m值为2005～2012年，m为8，n为生态安全评价指标个数，n为19，可以由下面公式确定评价指标的熵

i=1，2，…，n;j=1，2，…，m

式中:ei为第i项指标的信息熵值;fij为标准化值;bij为运用上式(1)或式(2)指标无量纲化值.利用熵值法估算各指标的权重，其本质是利用该指标信息的价值系数来计算，其价值系数越高，对评价的重要性就越大.最后可以得到第i项指标的权重:

依据上述方法依次求出各指标值的权重大小，见表4。

表4 指标层所占权重

由指标层所占权重数据向上叠加得到因素层的权重表，见表5。

表5 B1-B5的权重系数表

3.数据的归一化处理

根据突变理论归一化公式，按C1～C19的权重，计算各年份属于不同因素层的各指标的归一值，作者认为指标C1～C4，C5～C8，C9～C12互不相关，而指标C13～C16，C17～C19，B1～B5相互关联，根据突变级数法的准则，对非互补的指标采用“大中取小”进行递归处理，对互补的指标，则采用各控制变量的归一值平均数进行递归处理;考虑到因素层的相互关系，按取平均数的原则求得大连市2005～2012年生态安全突变级数综合评价指数，见表6，依据生态安全等级划分标准，见表7，判别大连市自2005年至2012年的生态安全状况。

表6 因素层突变级数生态安全综合评价指数表

从上表可知，大连市2005年到2012年生态安全等级为:

表8 大连市生态安全等级划分

从表8中可以看出，2005年大连市的生态环境最不安全，2008年和2010、2010年至2011年较安全，2006年、2007年、2009年和2012年处于临界安全状态。

三、结 论

东部沿海生态安全状况一直是政府关注的重点，也是学术界研究的重点和难点。本研究以东部沿海生态环境问题较为严重的大连地区为例，在D-P-S-I-R框架模型的基础上，构建了沿海生态安全评价指标体系;应用突变理论，分析大连地区2008年至2012年的生态安全状况。从大连生态安全综合评价指数上看，生态安全指数从2005年到2012年生态安全总体呈波动上升趋势，在2010年出现一个峰值，然后趋于平缓，也代表了大连市政府对生态安全越来越重视，这与2008年大连市下发的《大连市生态环境保护“十一五”规划》文件和2009年大连市编制完成《大连生态市建设规划》息息相关。相较于2005年到2012年的其它年份生态安全指数，2005年、2007年、2009年以及2012年生态安全指数较低，这与2005年和2007年的系统驱动力和压力、2009年的系统状态、2012年的系统压力和状态指数过低有很大关系。总体来说该模型对于评价大连地区及中国东部沿海生态安全状况有一定的参考价值，具有一定的普遍性。

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(责任编辑 董邦国)

Evaluation of Ecological Security for East Coastal Areas Based on Catastrophe Theory——A case study of Dalian city

GE Ren-donga，YU Cheng-xueb，CANG Lu-lua
(a.College of Science;b.International Business School，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China)

Environmental degradation can not be separated from the sustainable regional development in coastal areas.This paper，firstly，tries to setup an indicator system for ecological security assessment using DPSIR framework;secondly，itutilizes dimensionless to process data，taking Dalian city which is besetwith serious environmental problems as an example for the analysis of its ecological security status based on catastrophe theory.The result reveals that themost dangerous year is 2005，the relatively safe years are 2008，2010 and 2011，while the critical years are 2007，2009 and 2012 respectively.Lastly，it provides references for Dalian city and other coastal areas to realize the coordinated development of economy and environment and ecological securitymanagement.

D-P-S-I-R framework;indicator system;catastrophe theory;ecological security;Dalian

X826

A

1009-315X(2014)06-0593-05

自改革开放以来，中国东部沿海地区的经济发展突飞猛进。与此同时，也给沿海地区的生态环境带来一定的生态安全隐患。2013年中国环境状况公报再次显示东部沿海地区的生态环境问题依然严重[1]。因此，东部沿海地区生态安全状况如何，是科研的一项艰巨任务。近年来，国内外有关生态安全研究取得了很大进展。生态安全，最早由国际应用系统研究所提出[2]，有广义和狭义之分，广义的生态安全包括自然、社会和经济组成的复合生态系统，而狭义的生态安全是指自然、半自然生态系统的安全。目前学者多研究广义生态安全为主;在评价指标体系和评价标准上，以某框架模型为基础构建指标体系的方式较多，所采用的框架模型主要应用P-S-R模型[3-6]较多，此模型仅将人类活动作为压力，没有考虑自然因素;有的学者修正了P-S-R模型，将驱动力作为一个重要因素，形成D-P-S-I-R模型，进而构建指标体系[7]。针对不同的研究对象，指标量化方法和生态安全评价标准各异[8-11];在评价方法上，国内外学者多以定量分析为主[8，12-16]，具体因研究对象不同，评价方法有差别。

2014-06-16;

2014-09-25

国家自然科学基金资助项目(71373035);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(0913130475);辽宁省社会科学规划基金资助项目(L12BJY016)。

葛仁东(1958-)，男，辽宁沈阳人，博士，教授，主要从事应用数学研究。

于成学(1970-)，男，辽宁大连人，博士，教授，主要从事生态安全研究。