城市生态安全评价研究
2018-10-11李小玲杨成忠
李小玲 杨成忠
摘要：基于城市生态安全内涵，运用压力-状态-响应（PSR）模型建立了平凉市生态安全评价指标体系，并以最大信息熵原理（MIEP）为基础，自组织特征映射神经网络（SOFM）为算法，借助MATLAB数学软件为计算平台，从复杂系统结构演化的角度提出了城市生态安全评价模型。最后，用MIEP模型对青海省平凉市2002—2011年的城市生态安全进行了评价。结果表明，平凉市城市生态安全状态呈上升好转的状态，生态安全水平稳步提高。2002—2009年平凉市城市生态安全状态是临界安全，2010和2011年是较安全，在2011年达到最高值1.372 6，但与理想的安全水平还有一定的差距。
关键词：城市生态安全；压力-状态-响应（PSR）模型；最大信息熵原理（MIEP）；平凉市
中图分类号：X22；X32 文献标识码：A
文章编号：0439-8114（2018）16-0113-05
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.16.027 開放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Assessment of Urban Ecological Security
LI Xiao-ling1，YANG Cheng-zhong2
（1.Qinghai University ，Xining 810016， China；2.The First Surveying and Mapping Institute of Qinghai Province， Xining 810001， China）
Abstract： Based on the concept of urban ecological security（UES），the UES assessment indicator system of Pingliang city is established according to PSR（pressure-state-response） model. UES assessment model was proposed from structural evolution of complex systems based on the maximum information entropy principle（MIEP），self-organizing feature map neural network（SOFM） algorithm and MATLAB mathematical software. The UES status of Pingliang city showed that an increasing trend from 2002 to 2011. In 2002-2009，The UES of Pingliang city was in critical security，and improved in 2010-2011，2010 and 2011 was safer，in 2011 reached the highest value of 1.372 6，but there was still a gap with the ideal level of safety.
Key words： urban ecological security； pressure state response（PSR） model； maximum information entropy principle（MIEP）； Pingliang city
工业文明给人类带来极大的物质财富，城市化进程也随着快速工业化而加快。工业化和城市化给人类带来福利的同时，人类的生存环境也遇到了严重的破坏和威胁，产生了生态环境问题，如大气、水体、固体废弃物污染、土壤污染、光污染、化学污染、生物多样性减少等，还有如交通拥挤、水资源短缺、占用耕地、就业紧张、住房奇缺等一系列的“城市病”。这些问题已经严重威胁到人类的生存和生活，进而威胁到人类的集中地——城市生态安全。城市生态安全是国家安全的重要组成部分之一，是确保国家安全的生态基础和屏障。研究城市生态安全、保护城市安全，对未来城市的发展具有重要而积极的作用，城市生态安全评价研究是适应中国快速城市化发展中保障城市生态安全的要求，能够满足促进城市健康发展和为人们提供良好的城市生态环境的重大需求。城市生态安全状况分析是生态城市建设的前提和必要条件，对生态城市建设有指导意义。
1 城市生态安全理论
心理学家马斯洛提出了“基本需求层次理论”，将人的需求分为5个层次：其中“安全需要”列为第二层次，仅次于第一层次的“生理需求”。由此可见，安全对于人类的重要程度。这也说明对于城市生态安全的研究不仅仅是专业技术上的需要，更是人类社会的需要。
城市生态安全是指一个城市的环境和资源状况能够满足人类经济、社会等持续发展需求，又能通过自身及经济、社会的调节保证其生态环境状况处于不受或少受威胁的状态。其中，人类社会的需求与资源环境的可持续供给之间的供给是核心内容[1]。其研究对象是涵盖自然、经济、社会3个子系统的自然-经济-社会复合生态系统。3个子系统之间相互作用，自然生态系统提供服务，社会、经济系统消耗资源、排放废弃物并积极响应；3个系统之间是相互作用、相互制约的关系，体现在各种相互间的威胁与破坏上，同时三者间又相互的有机联系，相互支持与完善，使城市处于自然系统健康，经济和社会系统可持续发展的广义可持续发展状态，进入城市生态安全的理想模式。
城市生态安全评价就是根据经济社会持续发展与生态安全影响因子间的关系，在分析生态环境对社会经济持续发展的影响与制约的基础上划定生态安全与不安全的界线，对生态安全程度进行区分[2]。生态安全研究逐渐成为生态科学和环境科学关注的焦点[3-7]。生态安全评价的方法有很多，如综合指数法、主成分分析法、生态足迹法、景观生态格局法、灰色关联法等，这些方法都不同程度地考虑了人类活动对环境压力、自然资源质量变化和人类活动的情况，但不能清楚地揭示生态安全的机理和动态演化过程，未体现生态安全体系内部各要素之间的关联性和耦合性，也很难预测生态安全的发展趋势。本研究运用系统论的观点，对青海省平凉市城市生态系统安全状况进行了分析评价，构建了基于最大信息熵的评价指标体系和城市生态安全模型，通过模型计算和分析，评判平凉市的生态安全状况，确定安全等级，对于平凉市生态城市建设具有重要的指导意义。
2 基于PSR模型的平凉市生态安全指标体系
关于城市生态安全评价指标体系，学术界用的比较多的主要有：压力-状态-响应（PSR）模型[8]、驱动力-压力-状态-影响-响应（DPSIR）模型[9]和驱动力-状态-响应（DSR）模型[10]等。使用最多的是PSR模型，其可操作性强，逻辑关系清晰明了，强调环境与经济运作之间的联系。本研究构建平凉市生态安全指标体系，选用PSR模型，压力层选取经济、人口、土地、资源和环境5个压力要素，每个指标反映的是城市生态安全问题产生的影响因素；状态层由资源和环境2个质量状态要素构成，每个指标的值反映城市生态不同环境的质量状况；响应层由污染控制、经济投入和人文社会3个响应要素构成，每个指标反映人类对生态环境问题和安全威胁的应对能力。依据城市生态安全的内涵，遵照指标选取的全面性、系统性、科学性、可操作性等一般原则，参考相关文献[11，12]，选取城市生态系统中反映各要素层的27个指标，构建了基于PSR模型的平凉市生态安全指标体系（图1）。
3 基于最大信息熵的平凉市生态安全模型
城市生态系统是一个开放复杂的巨系统，城市生态系统内部各个要素之间相互作用、相互制约，这种相互作用多为复杂的非线性作用。城市生态系统的演化和发展就是受这些相互作用的影响，其演化遵循最大信息熵原理（MIEP）。城市生态安全受各因素的影响，将这些影响因素用组元x1，x2，x3，…，xn来表示，组元之间的无穷相互关联和耦合（包括物质流动、能量流动和信息交换）用广义的耦合函数C来描述，在某一时间点t，生态系统中所有的相互联系和耦合的平均值为C，可以用广义信息熵Ej表示为：
Ej=C=∫？籽（x，t）C（x）d（x）=∫？籽（x，t）（？浊+∑iIixi+
∑ijIijxixj+∑ijkIijkxixjkxk+…）d（x） （1）
式中，？籽（x，t）为概率密度，？浊为常数，I为各组元间的相互作用系数。
考虑到城市生态系统的动力学演化过程中的系统边界和各种约束条件，可以将其转化成各组元之间的各种守恒关系，如质量守恒关系、动量守恒关系和能量守恒关系等，用x1，x2，x3，…，xn表示为：
式中，<>表示求统计平均值，如
引入最大信息熵原理（MIEP），即一个远离平衡状态的复杂开放系统总是寻找一种优化过程，使得系统在给定的约束或代价下从外界获得的广义信息熵最大[13]。平凉市城市生态系统寻求安全状态的过程就是在约束条件（2）下信息熵Ej最大化的过程。
令式（1）在约束条件式（2）下取极大值，利用Lagrange乘算法，由泰勒展开式得：
？籽（x，t）=e？灼+∑i？啄ixi+∑ij？啄ijxixj+∑ijk？啄ijkxixjxk+…=e？准（？啄，x）（3）
式中，？准是势函数，？灼和？啄是反映组元相互作用的微动力学规则参数，其值取决于a1-a4，势函数？准控制着系统组元相互作用而形成有序结构的动力学过程。将势函数？准进行平移变换，再对变换后的二阶常数项矩阵对角化，引入变量？姿k=∑■■？棕kixi，则势函数？准变为：
？准 （？渍，？姿）=μ+∑k？渍k？姿2k+…（4）
式中，？姿k是xi的组合模式，代表城市生态安全的结构模式；？棕ki表示xi对城市生态安全的贡献能力，是系统与xi之间的连接权值；？渍k是矩阵？棕ki的特征值，最大？渍k对应的系统的组合模式？姿k是评价系统状态的关键参量， 是常数。
根据？坠？姿k/？坠t=？坠？准 /？坠？姿k+Fk（t）（5）
推出城市生态安全结构演化的动力学方程为：
？姿′k=？渍k？姿k+Zk（？姿1，？姿2，？姿3，…，？姿k）+Fk（t），k=1，2，…，n（6）
Fk是随机力函数，Zk为非线性作用函数。城市生态系统内部组元x1，x2，x3，…，xn之间的竞争、协同共生等相互作用（模型中用？棕ki及正负和来描述组元间相互作用的大小和类型），它们共同调节着城市生态系统的发展状态和变化趋势。城市生态系统的功能结构模式由组元间不同的作用形式来决定，最终形成不同的城市生态安全结构模式？姿k。在约束或代价下获得广义信息熵最大时，产生最终竞争获胜模式？姿，是最终涌现的稳定模式，它代表了平凉市在该阶段的生态安全状况。由变化的组元x1，x2，x3，…，xn驱动的动力学演化过程，式（6）可作为判断和分析城市生態安全各种状态结构模式稳定性的基础。由此，基于最大信息熵（MIEP）的平凉市生态安全评价模型建立。
自组织特征映射神经网络（Self-organizing feature mapping，SOFM），是神经元网络，它建立在一维、二维或三维的神经元网络上，用于捕获包含在输入模式中感兴趣的特征，描述在复杂系统中从完全混乱到最终出现整体有序的现象。SOFM是由大量广泛互连的简单神经元组成的复杂非线性系统，SOFM能够积极掌握输入数据信息的主要特征，自动组织数据信息的空间结构，进行无监督的自组织学习。SOFM的工作原理与上述评价模型的动力学过程相似，与最大信息熵控制下的复杂系统演化过程是相对应的。将平凉城市生态系统的组元x1，x2，x3，…，xn映射到SOFM网络的人工神经元上，并通过模拟激发某一个神经产生连接权值？棕ki，同时获得组合模式？姿k的波动过程，最终产生获胜结构模式？姿的值。通过MATLAB软件编程，实现对式（6）的求解，得到反映城市生态安全状态的特征值？姿，以实现对城市生态安全状况的量化。
4 平凉市生态安全综合评价分析
根据所建数学模型的步骤，首先对评价指标数据进行无量纲化处理，然后依次代入所建立的SOFM网络中进行分类分析，通过借助MATLAB计算软件，分别得到能够反映平凉市城市生态压力指标、生态状态指标和生态响应指标的特征值（表1）。
将表1中的数据代入上述所建立的SOFM网络中，计算平凉市2002—2011年表征城市生态安全的？姿值（？姿1～？姿10），用MATLAB软件，对数据设定400步，进行神经网络模拟，平凉市生态安全的动态演化的模拟训练结果见图2。图2表明在给定不同评价指标参数后，城市生态系统内部各组元在约束条件下不断进行竞争、协调和自组织，系统由最开始的各种组合模式，经过一定时间后，最终产生反映其安全状况的获胜模式？姿的过程，该获胜模式对映的？姿值表征了平凉市的城市生态安全状况。城市生态系统中的指标年年都在变化，神经信息网络中各组元之间的相互作用和耦合关联不同，连接权值？棕ki也在变化之中，所以2002—2011年的获胜模式也不同。模拟前期？姿值波动较大，表明生态系统安全状况的可能取值范围比较广，在后期？姿值基本趋于稳定，表明系统内部通过组元间的相互作用，在遵循最大信息熵原理下逐渐达到了相对稳定的模式，可用稳定后的？姿值代表城市生态安全的综合状况。？姿值越大，城市生态系统的安全程度越高，平凉市可持续发展性越强。
5 平凉市生态安全分级
在参考相关文献[13-15]和咨询专家的基础上，再根据模拟得到的值，设计了一个5级分级标准，将城市生态安全分成：不安全状态、较不安全状态、临界安全状态、较安全状态和安全状态5个级别，得到的城市生态安全评价分级标准如表2。
结合2002—2011年在数据模拟过程中得到的？姿值，根据表2中的分级标准，得到了平凉市各年份的城市生态安全级别（表3）。结果表明，？姿值逐年增大，平凉市城市生态安全状态呈上升好转的状态，平凉市生态安全水平稳步提高。2002—2009年平凉市城市生态安全状态是临界安全，2010年和2011年是较安全，？姿在2011年达到最高值1.3726。这与2004年平凉市的国家级生态示范区创建工作是密不可分的，2005年生态安全？姿值有大幅度的提升，在创建过程中平凉市加大对环境保护工作的投资，同时制定和实施一些措施和项目，改善平凉市的生态环境状况，各项建设指标达到国家级生态示范区的建设标准，并在2011年得到国家环保部命名，平凉市生态安全水平逐步提高。2010年转入较安全状态，2011年值达到1.376 2，但与理想的安全水平还有一定的差距。
6 小结
从复杂系统组元相互作用动力学的角度，建立了基于最大信息熵（MIEP）的城市生态安全的评价模型，并用其分析研究了平凉市2002—2011年的城市生态安全状况，建立5级评价分级标准。结果表明，平凉市城市生态安全状态呈上升好转的状态，生态安全水平稳步提高。2002—2009年平凉市城市生态安全状态是临界安全，2010和2011年是较安全， 在2011年达到最高值1.372 6，但与理想的安全水平还有一定的差距。
利用最大信息熵（MIEP）模型评价城市生态安全，揭示城市生态系统在内部各组元的相互作用和耦合下，形成不同结构模式的动态演化过程，系统能够自主获取各组元的连接权值？棕ki，并最终得到的“获胜模式”？姿值，代表城市生态安全的状态，对城市安全状态做出了定量评价，结果更加客观。
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