基于RS/GIS与GM(1,1)模型的长沙市城市生态安全评估与预测

艾媛巧，朱红梅，谭雪兰

(湖南农业大学 资源环境学院，湖南 长沙 410000)

0 引言

当前我国城市扩张与社会经济发展同生态环境保护之间的矛盾是不可回避的现实问题。城市的发展、扩张与生态环境之间的相互关系十分复杂，城市发展取得重大成就时，难免对生态环境产生胁迫效应，而严峻的生态安全形势又会反过来制约城市的发展[1]。在城市发展与生态环境保护之间如何找到一个平衡点，走和谐可持续的发展道路已成为政府高度重视的政治命题，也成为了学者们研究的热点课题。现有国内外研究主要有以下几个特点：(1)研究内容大部分集中在2个方面：一是探索城市化与生态环境之间存在的耦合关系[1-2]，二是揭示城市扩张对某种生态现象或资源的影响[3-5]。(2)研究方法多样且涉及多个领域，包括灰色关联度分析、主成分分析、BP神经网络、生态足迹等方法[2,6-8]，另外，“3S”技术也逐步被引入到生态安全研究中来[9]。(3)研究区域主要集中在大城市、特大城市及城市群，流域、海岸带、干旱地区及生态脆弱地区[1-2,10-15]，鲜有涉及区县级的研究。(4)针对城市生态安全预测的研究不多，学者们更关注土地尤其是耕地生态安全的预测[16-19]。

鉴于此，本文将关注点放在中部地区的二线城市，以长沙市为研究区域，收集整理相关数据，定量评价长沙市城市生态安全，分析2009～2015年长沙市城市扩展的主要方向，并针对扩展方向上具有代表性的城市区域芙蓉区做进一步的生态安全评价，探索较小尺度的城市扩展与生态安全之间的联系，最后对长沙市未来5年的生态安全等级进行预测，以期为实现城市扩张与生态环境保护之间的持续协调发展提供科学支撑。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

长沙市地处湖南省东部偏北，湘江下游和长浏盆地西缘。2016年底长沙市市区面积2150.90 km2，其中建成区面积从解放初期仅6.7 km2增大到374.64 km2，市区常住人口764.52万，城镇化率为75.99%，地区生产总值9356.91亿元。长沙市是长江以南重要的中心城市之一，国家“两型社会”建设综合配套改革试验区，全国性综合交通枢纽。近10年来，长沙市地区生产总值实现连年增长，各方面发展均领先于湖南省其他各县市，与之相伴随的是资源的消耗和工业污染的蔓延。2007～2016年间，长沙市市区全年用电量由63.73亿千瓦时增加至175.99亿千瓦时，增加了约2.8倍；工业废气排放量一度从293.35亿标m3增加到1021.98亿标m3；固体废弃物产生量从107.3万t增加到141.3万t，峰值曾达到183.6万t。因此，对长沙市近年来的生态安全状况变化情况进行评估与预测具有必要性和现实意义。

1.2 数据来源

以长沙市为研究区域，在城市空间数据方面，搜集了长沙市2009年9月及2015年9月的2期TM影像数据，并以长沙市1∶5万的地形图为基准，运用MapGIS 6.7软件进行遥感图像预处理[20]。

生态安全评价研究的各指标原始数据主要来源于2008～2017年《长沙统计年鉴》、2007～2016年《长沙市国民经济和社会发展统计公报》以及2009～2015年《芙蓉区国民经济和社会发展统计公报》。

2 研究方法

2.1 等扇分析法

在ArcGIS 9.3软件中，本研究以长沙市火车站为中心(坐标为：x=28°11′50″，y=113°00′34″)，以适当长度为半径，从北偏东11.25°为起点，将主城区划分为16个扇形区域，研究不同时段各个扇区的扩展强度和方向，并以雷达图进行表现[20]。

2.2 构建指标体系

P-S-R(压力-状态-响应)模型，是环境质量评价与生态安全评价中常用的一种模型。遵循科学性、动态性、数据可获得性等原则，参考已有相关研究成果[2,21-22]，并结合长沙市实际情况，着重考虑城市扩张、社会经济发展与生态环境保护3个方面的因素，选取20个指标构建了长沙市生态安全评价指标体系(表1)，选取11个指标构建了长沙市芙蓉区生态安全评价指标体系(表2)。

2.3 指标标准化

对指标数据进行标准化处理，可解决各指标量纲不统一导致的指标之间及指标内部的不可比性的问题。本研究采用极值法计算：

正向指标：

(1)

逆向指标：

(2)

式中：xij表示第i年第j项指标的变量值；minj(xij)和maxj(xij)分别表示第j项指标数列的最小值和最大值；Yij表示第i年第j项指标的变量值的标准化值。

2.4 生态安全值的计算

权重表征的是各指标的相对重要程度。本研究采用熵值法进行指标权重赋值，熵值法作为一种客观赋权法，可尽量避免主观因素对赋权结果带来的偏差[16]。

主要计算过程如下：

计算第i年第j项指标值的比重：

(3)

计算第j项指标的信息熵ej：

(4)

式中：k=1/lnm，m为总评价年数；如果Zij为0则用0.00001代替计算。

计算第j项指标的权重wj：

(5)

式中：dj=1-ej表示信息熵冗余度；n为总指标数。

在确定指标权重的基础上，计算第i年的生态安全值Si：

(6)

生态安全等级一般可划分为5个等级[21,23](表3)。

表1 长沙市生态安全“压力-状态-响应”评价指标体系

表2 芙蓉区生态安全“压力-状态-响应”评价指标体系

表3 生态安全等级划分

2.5 GM(1,1)模型

引入灰色预测模型对长沙市2017～2021年的城市生态安全值进行预测。灰色预测模型的核心是GM(1,1)模型，用于对既含已知信息又含未知信息的系统进行预测。无偏GM(1,1)模型是传统GM(1,1)模型的演化成果，较之传统GM(1,1)模型仅适用于原始数据序列按指数规律变化的情况，无偏GM(1,1)模型的适用范围更广。本文基于无偏GM(1,1)模型，在Matlab软件的支持下，通过编程计算预测值，并通过后验差对模型进行精度检验，其精度检验等级见表4[8,16-19]。

3 结果与分析

3.1 长沙市生态安全评估

根据公式(1)～公式(6)对长沙市2007～2016年生态安全评价指标数据进行处理，并依据生态安全等级划分表(表3)对结果进行划分，结果见表5。

表4 GM(1,1)模型精度检验标准

表5 长沙市生态安全等级划分(2007～2016年)

表5显示，2007～2016年长沙市生态安全长期处于一般安全状态，部分年份出现回落现象，总体呈波动上升趋势。

长沙市生态安全状况的变化大致可以从3个阶段分析。第一阶段，一般安全状态初期阶段(2007～2010年)。长沙市生态安全初步进入一般安全状态，生态安全值在0.4这一节点起伏，尚不稳定，期间，2008年一度降至0.275，生态安全状态回落至较不安全阶段，随后2年逐步回升。造成这一回落状态的原因主要包括：一是2007年底长沙市获批成为国家“两型社会”综合配套改革试验区，截至2008年底，各项社会事业皆处于起步阶段，对于社会经济和生态环境如何实现均衡发展尚在摸索。二是2008年长沙市行政区划调整，长沙市政府加快城市建设，新增建成区面积61.55 km2，长沙市建成区面积由2007年底的181.23 km2增加至242.78 km2。建成区面积增加速度过快，超出该时段生态环境承载能力，又与该时段城市生态建设工作进度不相适应，是导致2008年长沙市生态安全状态大幅度回落的最主要原因。

第二阶段，一般安全状态稳定阶段(2011～2013年)。这一阶段长沙市生态安全状况明显改善，生态安全值在0.56以上，呈平稳上升趋势，这得益于长沙市政府在生态建设与推进“两型社会”的建设和改革方面采取的一系列积极措施。一是加强绿心保护，推进沿江风光带及湿地公园建设，完善、落实森林生态补偿机制。长沙市人均城市园林绿地面积实现连年增长，截至2013年底已达13.31 m2/人，森林覆盖率达53.48%。二是实施环境经济政策。推行阶梯水价、电价、气价，排污权交易政策逐渐落到实处，实现能源消费总量、单位GDP能耗连年下降[24]。城区开征生活垃圾处理费，专款用于城市生活垃圾无害化、资源化处理。2011年长沙市生活垃圾无害处理量较2010年有一个较大的增长，随后2年长沙市生活垃圾无害处理量均保持在160万t以上。

第三阶段，较安全状态初期阶段(2014～2016年)。经过上一阶段生态环境保护建设工作的大量累积，长沙市于2014年进入生态较安全状态初期阶段，2015年生态安全值小幅度下降至0.597，生态安全状态回落至一般安全状态后期阶段，随后一年生态安全值回升至0.676。这一阶段长沙市生态环境状况整体呈现好转趋势，期间出现生态安全值的小幅度回落，在长沙市城市生态安全刚进入较安全状态初期阶段时，尚在情理之中，但究其根源仍是建成区面积的增加速度超出城市生态环境保护与建设工作的承受能力。2016年长沙市生态安全状态的回升与当地政府着力于生态环境建设工作密不可分。“三年造绿大行动”成果初显，新增绿化面积3.45万hm2，2016年长沙市建成区绿化覆盖率近40%[25]，人均城市园林绿地面积达14.62 m2/人。湘江、浏阳河流域治理卓有成效，实现湘江城区段百余个排污口全截污，出境断面水质100%达标[25]。工业粉尘排放量逐年下降，在2016年达到过去10年内最低值仅0.69万t，生活垃圾无害化处理量达10年内最高值为215万t。

综合来看，2007～2016年长沙市生态安全由一般安全状态向较安全状态转变，长沙市建成区扩张、社会经济发展能逐渐与生态环境的承载能力相适应，走协调发展的道路。个别年份出现的生态安全值回落的情况显示，当城市建成区面积扩张的速度过快，超出城市生态保护与建设能力时，将不可避免地对城市生态安全产生胁迫效应，并出现一系列负面效果。

3.2 长沙市城市空间扩展方向

为进一步研究长沙市城市用地扩张对城市生态安全的影响，首先对研究区域的城市空间扩展方向进行分析。由图1可知，2009～2015年长沙市城市空间主要向东南、西和东3个方向扩展，呈现多样化的态势。3个方向分别大致对应长沙市的雨花区、岳麓区及芙蓉区，从研究区域实际情况及指标数据可获取性等多方面考虑，选取芙蓉区为例，对其生态安全状况进行评价，探索城市空间扩展与城市生态安全之间的联系。

图1 长沙市城市空间各方位扩张强度雷达图(2009～2015年)

3.3 芙蓉区生态安全评价

芙蓉区是长沙市的东部窗口，辖13个街道、1个正县级单位——长沙高新技术产业开发区隆平高科技园，人流、物流、资金流、信息流高度密集，主要经济指标长期领跑全省、领先中部。2015年底，全区总面积42.68 km2，地区生产总值1033.25亿元，户籍总人口为403073人。

依据公式(1)～公式(6)对芙蓉区2009～2015年生态安全评价指标原始数据进行处理，并依据生态安全等级划分表(表3)对结果进行划分，结果见表6。

由表6可知，2009～2015年芙蓉区由生态较不安全状态向生态较安全状态转变，且较长时间处于一般安全状态，部分年际间生态安全值有小幅度波动，整体呈曲折上升趋势。对比来看，芙蓉区的生态安全变化趋势大体上与长沙市整体的生态安全变化趋势相似，但每一阶段转变的具体时间稍滞后于长沙市整体的进度，其变化大致也可以分为3个阶段。第一阶段为2009～2010年，处于较不安全状态，且生态安全值呈下降趋势，在2010年达到研究时段内的最低值0.365。第二阶段为2011～2014年，生态安全等级提升至一般安全状态，生态安全值经过上一阶段的下降后进入一个快速上升的时期，并在2012年达到一个高峰值0.590，随后一年有小幅下降，2014年回升至0.561。第三阶段为2015年，生态安全等级进入较安全状态，生态安全值较上一阶段有较大增长，达到0.645。总体来看，2009～2015年芙蓉区的城市生态安全状况在逐步改善，虽然过程中存在生态安全值下降的情况，但并不影响其整体上升的趋势。对芙蓉区2009～2015年的城市生态安全评价的结果显示，长沙市城市空间朝东方向的扩展，并未对该区域城市生态安全造成很大的威胁，该区域城市空间扩张与生态安全保护达到了一定的均衡状态，两者能实现协同发展。

表6 芙蓉区生态安全等级划分(2009～2015年)

3.4 长沙市生态安全预测

在Matlab软件中运行无偏GM(1,1)模型，预测长沙市2007～2021年城市生态安全状况，得到预测公式为:X(1)(t+1)=4.8944e0.075229t-4.4814，预测模型的方差比C=0.4248，小误差概率P=0.8000，都处在GM(1,1)模型精度检验“合格”标准内，表明该模型可以比较准确地预测出长沙市未来的城市生态安全状况(表7、图2)。

由图2可知，2007～2016年长沙市生态安全评价值曲线与预测值曲线基本吻合，结合表7可知，2017～2021年长沙市生态安全等级呈平稳上升趋势，生态安全值由0.753增长至1.017，预测在2018年长沙市进入生态安全状态，此后几年逐渐稳定在这一状态。说明尽管未来几年长沙市城市空间的扩展与社会经济的发展以及人类活动会给生态环境造成一定程度的威胁，但政府也将在生态安全保护方面加大力度，人们的环保理念也将不断深化，最终城市扩展、社会经济发展与生态安全之间能形成势力均衡状态，实现和谐共存，不仅城市能够继续发展，生态安全也将得到保障。

表7 长沙市生态安全值预测(2017～2021年)

图2 长沙市生态安全状况及预测

4 结论

(1)对长沙市2007～2016年生态安全评价的结果显示，该时间段该区域生态安全有较长一段时期保持在一般安全状态，整体呈波动上升趋势，2016年已稳定在较安全状态。其变化的3个阶段大致可以概括为一般安全状态初期阶段、一般安全状态稳定阶段及较安全状态初期阶段。

(2)2009～2015年长沙市城市空间扩展呈现多样化的格局，主要集中在东南、西和东3个方向。

(3)针对位于长沙市内东方向的芙蓉区的生态安全评价结果显示，其生态安全状态变化方向同长沙市整体的变化相似，总体呈现曲折上升趋势，但其具体变化阶段稍滞后于长沙市整体的进度。

(4)长沙市未来5年的生态安全值将由0.753增长至1.017，期间保持平稳增长，并于2018年进入生态安全状态。

(5)长沙市生态安全等级的总体上升趋势表明，长沙市城市的扩张和社会经济的发展逐渐与生态环境保护的力度相同步，走可持续发展的道路。而其生态安全状态转变过程中表现出的曲折性与波动性则显示，当城市扩张的速度超出城市生态环境的承载能力时，则有可能出现生态安全值的下降或生态安全状态的回落。总的来说，当城市的管理者与建设者寻找到城市发展与生态环境保护之间的平衡点时，便能实现城市更好的发展，也能实现生态更好的保护。