区域生态安全评价与预警研究

董会忠　吴朋　丛旭辉　殷秀清

摘要：运用熵权正态云理论，建立了基于s-T-I模型的山东半岛蓝色经济区生态安全预警模型，对山东半岛蓝色经济区历史时序（2004-2014年）及规划年份（2017年）的生态安全进行定量评估和预警。结果表明：2004～2014年区域生态环境从“较差状态”到“一般状态”再到“良好状态”，总体呈逐渐好转的态势，但整体生态安全水平仍较低，均未达到“理想状态”。2017年区域生态安全为“良好状态”，且具有向“一般状态”发展的趋势，大气污染、水污染、工业“三废”等是影响区域生态安全的主要短板因素。

关键词：正态云；区域生态安全；预警模型；山东半岛蓝色经济区

DOI：IO.13956/j.ss.1001-8409.2016.09.13

中图分类号：F062.2；F127

文献标识码：A

文章编号：1001-8409（2016）09-0056-06

区域生态安全是指在一定时空范围内，区域生态系统的内在功能、结构以及外在表现，在社会经济与自然环境的双重压力及人类活动积极响应下，对社会经济稳定和人类健康发展所提供的生态支持和影响，使人类社会的健康、发展、生产和生活不受威胁的状态。对生态安全的准确识别有助于正确把握生态系统的健康状况，为区域规划提供科学的依据，对区域社会、经济以及生态环境系统的持续健康发展具有重要指导意义。现阶段，随着经济社会快速发展以及人口急剧膨胀，导致区域生态安全形势严峻，生态问题凸显，生态安全已经成为政府和学术界关注的热点。目前国内外学者对生态安全的研究主要有：概念界定、理论辨识、评价指标体系的构建、生态安全评价与预警、生态承载力分析以及对策探讨等。作为生态安全研究的重点，生态安全预警是指对生态环境状况的变化、资源开发的生态后果以及社会经济同生态环境协调发展的预测、评价和警报，以實现对不良因素的改善与控制。生态安全预警的常见方法多集中在模糊物元评价、人工神经网络、系统动力学等。模糊物元评价法反映了评价对象安全界限的模糊性，刻画出评价对象的实际情况，但该方法过度依赖极值的作用，造成信息损失较多，对指标权重的确定也缺乏可靠性。人工神经网络的优势在于无标度求解方面，通过反复训练学习，找到最小误差对应的网格参数，但会因为训练不足或过度训练，导致陷入局部最小。系统动力学兼具信息论与控制论的优点，在处理周期性与长期性问题方面具有相对优势，但该方法对同一问题建立的不同模型以及最终结果差异性显著，缺乏可靠性。所以，现有的评价和预警模型在反映区域生态安全的多因素、多维度和动态适应性等方面存在一定的局限性。

熵权正态云模型作为一种新的区域生态安全预警模型，能够较好地克服上述方法存在的弊端，现已被应用至土地资源评价、区域水资源承载力评价、企业安全管理等方面，目前还未将其应用到区域生态安全研究中。本文将熵权正态云模型理论引入到区域生态安全预警中，以解决生态预警研究中的随机性与模糊性的问题。以山东半岛蓝色经济区为例，基于“状态-逼迫-免疫”（State-Threat-Immunity，STI）概念模型，构建山东半岛蓝色经济区预警指标体系，对时间尺度（2004～2014年）下的生态安全水平进行评价，并对该区域2017年的生态安全发展态势预警。

1.研究区范围

山东半岛蓝色经济区主体区位于东经118°0～122°42和北纬35°04～38°16'之间，包括山东全部海域和青岛、东营、烟台、潍坊、威海、日照6市以及滨州市的无棣、沾化2县所属陆域，海域面积15.95万平方千米，陆域面积6.4万平方千米，占山东省陆域面积的14%。山东半岛蓝色经济区凭借其区位优势和产业优势发展成为山东地区工业化和城镇化水平最高、发展速度最快、经济外向性最高的区域。但随着社会经济的高速发展，耕地、能源、水资源和矿产等资源短缺，水环境、大气环境污染严重，海水入侵等生态污染不断加重，山东半岛蓝色经济区生态安全系统亟需改善。

2.研究方法

2.1正态云模型理论

云模型通过语言值来表达定性概念与定量表示之间相互映射转换，合理有效地将随机性与模糊性结合在一起。作为云模型的基本模型之一，正态云模型具有广泛的普适性，大量的自然和社会科学中定性概念的云期望曲线都近似属于正态分布或半正态分布。

3.山东半岛蓝色经济区生态安全预警

3.1研究尺度、数据来源

区域生态安全预警主要分为历史年份生态评价及未来年份生态趋势研究。通过对山东半岛蓝色经济区2004～2014年生态水平的分析，验证云模型在区域生态安全预警中的有效性，其次运用该模型对区域2017年的生态安全水平及发展态势进行预警分析。

本文研究所使用数据主要来源于《中国统计年鉴》（2004～2015年）、《山东省统计年鉴》（2004～2015年）、《山东省环境状况公报》（2004～2015年），以及日照、青岛、威海、东营、烟台、潍坊和滨州市统计年鉴（2004～2015年）等。

3.2生态安全预警指标体系

系统性分析现阶段研究成果，结合山东半岛蓝色经济区生态安全状况与预警指标数据的可得性，界定影响其生态水平的因素主要集中于区域生态状态、安全逼迫程度、风险免疫3方面，并构建了由22项预警指标构成的“状态-逼迫-免疫”（State-Threat-Immunity，STI）概念模型。其中，蓝色经济区当前所具有的水资源、耕地、林地等生态资源及大气环境、水环境等环境状态作为生态安全的状态要素；资源过度使用所导致的资源消耗、环境破坏、生态污染等是逼迫区域生态安全水平转变的主导隐患，划分至生态安全的逼迫要素；以降低生态系统遭受风险为目的，利用资金投入、科技研发、废弃物处理等渠道提升生态风险规避能力的要素，作为生态安全的免疫要素。预警指标分为正向与负向指标2类（若指标数值越大，区域生态安全水平越高、抵御生态破坏和恢复再生能力越强，则为正向指标；相反，若指标数值越大，区域生态安全状况越差、承受的生态压力越大，则为负向指标）。结合STI概念模型，建立山东半岛蓝色经济区生态安全预警指标体系，具体见表1。

3.3预警等级划分

生态安全水平的直观化体现需要以安全等级标准划分为基础。参考国家生态安全评估体系研究结果，本文把生态安全划分为5个等级。从优至劣对其排序分别为I（理想状态）、Ⅱ（良好状态）、ⅡI（一般状态）、IV（较差状态）、V（恶化状态），各等级下的生态状态具体涵义见表2。通过正态云理论，把生态安全分异概念集合{理想一良好一一般一较差一恶化}中的渐变关系从定性分析转化为定量研究，明确蓝色经济区生态安全概念的层次关系。

3.4指标阀值确定与正态云数字特征

3.4.1预警指标阈值

构建了半岛蓝色经济区生态安全预警指标体系后，需确定预警指标在不同安全等级下的阈值范围，以对生态安全状况定量分析。通过对国家关于生态质量标准的规定以及地方、行业的环境本底标准分析，按照系统性、可操作性及地域性等原则，结合山东半岛蓝色经济区2004～2014年历史数据统计研究，划分各预警指标在不同安全等级下的阈值，见表1。

3.4.2正态云数字特征

按照式（2）至式（4），将各预警指标在不同生态安全等级下的阈值区间通过正态云模型表示，以山东半岛蓝色经济区生态安全预警指标体系中的生态环境状态为例，得到其正态云标准（如表3）。

将各预警指标的正态云标准数组代人正态云发生器，得到各预警指标在不同安全等级下的正态云。以影响因素指标——人口密度（c₁₁）为例，对其建立标准正态云隶属函数（如图3）。

3.5计算及结果分析

3.5.1预警指标权重计算

采用客观赋权法中的熵权法确定指标权重，以区域生态安全为总系统，各预警指标为子系统，将子系统作为信息源，预警对象在各子系统下的取值作为各子系统可能的取值，若这些取值的概率确定，可由预警指标构成的判断矩阵计算出指标熵权。结合山东半岛蓝色经济区生态环境现状，综合分析归纳后，得到预警指标标准及其权重（见表1），熵權法在计算指标权重过程中有效消除了人为因素干扰，使计算结果更加符合实际。

根据表4评价结果可知，2014年山东半岛蓝色经济区生态安全预警值要远远大于2004年生态安全预警值（φ2014（Ⅱ）=0.249>φ2004（Ⅱ）=0.170，表明2004～2014年该地区生态治理和保护成效显著，生态安全问题得到合理解决。但从最终等级隶属度来看，区域整体安全等级相对较低，均在“理想”状态以下，该地区生态安全状况仍不容乐观。上述评价结果与山东半岛蓝色经济区情况基本一致，表明基于熵权正态云模型的区域生态安全预警具有较高的可靠性，能够用于半岛蓝色经济区未来年份的生态安全预警研究。

3.5.3 2017年生态安全预警

通过灰色模型（Grey Model）预测得到2017年山东半岛蓝色经济区预警指标值，并将其代人熵权正态云预警模型，得到该区域2017年的生态安全预警结果（见表5）。

4.结论

本文在总结国内外相关区域生态安全评价与预警的基础上，构建了基于s-T-I模型的生态安全预警指标体系，并将熵权正态云模型应用于区域生态安全预警中，对2004～2014年山东半岛蓝色经济区生态安全水平进行评价，得到该地区生态安全从“较差”状态到“一般”状态再到“良好”状态，生态水平不断好转，有效控制了生态质量的恶化。但从整体来看，该区域生态安全水平较低，仍处于“理想”状态以下，研究结果与实际基本相符。其次，通过分析2017年山东半岛蓝色经济区生态安全预警结果，可知该地区在2017年生态安全为“良好”状态，同时有向“一般”状态退化的趋势。水资源短缺、大气环境指数和水环境指数偏高、工业“三废”排放量、人均耗能量较高是制约区域生态好转的主要短板因素。因此，为促进区域生态安全等级的不断提升，应严格执行排污总量和环境保护标准，完善生态环境的监督执法和监测预警体系，健全生态服务功能；统筹土地资源的产业开发与保护，有效限制高耗水行业的发展，加大重点污染流域治理与工业治污的力度，加快推进节水型社会的构建；按照资源化、减量化和再利用的原则，调整产业经济结构，充分发挥科学技术优势，推进可循环、高效能技术的研发，促进产业集群绿色发展，形成集约发展、集聚发展、集中治污的可持续发展模式。