淮河生态经济带自然生态环境分析评价

范金梅，徐子涵，姚德利

（安徽理工大学 经济与管理学院，安徽 淮南 232001）

改革开放以来，中国经济取得了巨大发展。习近平总书记在2020年的新年贺词中提到，中国的GDP预计接近100万亿人民币，人均GDP将迈入1万美元的台阶。在经济高速稳定发展的情况下，环境和资源的变化已经成为不可忽视的关键点。2005年以来，我国开始进入环境污染事故高发期，社会对生态环境的关注度持续增高。党的十九大报告提出，坚持节约资源和保护环境的基本国策，像对待生命一样对待生态环境，实行最严格的生态环境保护制度，形成绿色发展和绿色生活方式，为人民创造良好生产生活环境，为全球生态安全作出贡献[1]。其中，淮河流域地势平坦，矿产资源丰富，是我国重要的粮食基地，也是整个华东地区能源供给的重要输出地。为了提高粮食产量，农药、化肥超标使用，最终都残留在农产品、土地或者进入水体中。依靠矿产资源发展起来的经济，带来了巨大的后遗症，空气污染、土地沉降等问题在区域内尤为突出。生态环境保护刻不容缓，生态环境是由生态关系组成的环境，既不完全是自然环境，也不完全是社会环境，它随着社会和自然的发展规律变化[2]。本研究将从自然生态环境角度出发对淮河生态经济带的省份环境质量进行分析评价，从而找出其不足，以期对生态环境的改善和社会经济的发展提供参考意义。

1 国内外研究现状分析

环境问题是全世界共同的问题，各国学者对于环境问题的研究从未停止过。Lin等[3]运用WAPS来评价台湾咸水水域的水质并计算水环境的承载能力；Estoque等[4]为了探讨流域生态环境变化的影响因素，利用遥感数据对1988年、2002年、2016三年的La Mesa流域进行土地利用分类，并在此基础上定量化评价景观格局的变化；李大鸣等[5]建立基于AHP的PSR模型，对渤海新区的海岸带陆域生态环境进行评价；赵勋刚等[6]运用AHP构建生态环境敏感性环境模型，分析乌海市的生态环境变化；李俊海等[7]运用AHP结合模糊数学方法，以西双版纳州为例评价其城市生态环境健康状况；董晓超等[8]运用层次分析法和系统聚类的方法评价贵州喀斯特地貌的生态环境风险；杨卓[9]从土壤、生物、生态系统三个方面对秦皇岛市生态环境现状进行分析，并提出相应改进措施；宋美杰等[10]建立基于MRSEI的锡林郭勒草原生态环境评价模型，对锡林郭勒草原26年的生态环境进行总体评价；游细斌等[11]运用熵权法TOPSIS模型对中国南方丘陵地区的乡村人居环境质量进行评价；郑晶等[12]首先基于DPSIR概念模型构建福建省生态环境承载力指标模型，接着利用障碍度模型和TOPSIS分析法对福建生态环境经济进行评价；王大鹏等[13]采用灰色系统分析法和改进型的TOPSIS法，分别从社会因素和自然因素出发，对广西北部湾21个滩涂养殖集中区进行生态环境压力评估。

由现有的研究资料分析，生态环境评价是近年来的研究热点，国内的研究热点多集中在沿海地区，如环渤海、南海等地区，或者生物多样性较为丰富的地区，如云南、湖北等地区，再或者是一些国家级的战略发展区域，如皖江城市带、鄱阳湖生态经济区等。而研究方法大多为层次分析法、GIS法、系统聚类法、模糊综合评价法、灰色分析法等，并且多为组合使用，这些方法通过不断的研究、验证，在对主体进行评价时有效性显著。2018年10月国务院发布《国务院关于淮河生态经济带发展规划的批复》，为淮河流域的发展带来了新的机遇，目前对于这一发展规划区域的研究还相对较少。因此本研究在搜集整理学者们的研究中，总结归纳出初始的评价指标体系，再根据指标选取的原则进行初步筛选，然后利用SPSS21.0软件对指标体系进行主成分与相关性相结合的分析，以达到既消除指标间的相关性又保留其重要性的目的，最终形成自然生态环境评价指标体系。运用熵值法结合TOPSIS法对淮河生态经济带的5个省份的自然生态环境进行评价。

2 区域现状

淮河流域水系密布，纵横交错，跨越5个省份40个地级市，人口密度全国最大。流域内经济基础薄弱、水资源不均、水污染严重等问题较为突出。2004年时任国家总理温家宝明确提出中部崛起战略。在实施中部地区崛起战略的大背景下，国家已经推进了中原经济区、武汉城市圈、皖江城市带等重点区域发展，在这样的背景下，淮河流域凸显出相对落后的局面[14]。淮河流域矿产资源十分丰富，品种繁多，是华东地区重要的煤炭和能源消费地，在给淮河流域带来机遇的同时也面临着巨大的生态危机。当前，要实现淮河流域的发展，仍需解决一系列突出问题，工业污染和农业污染等造成的水资源质量受到严重影响，环境承载能力有限，大大威胁了淮河流域的自然生态环境质量。因此，本研究以淮河生态经济带所包含的省份为例，对其自然生态环境质量进行评价。

3 建立模型

3.1 评价指标筛选模型

评价指标模型采取主成分-相关性-主成分的模式，既可以消除指标间的相关关系，也保留了重要性水平高的指标。

3.1.1 KMO相关性检验和巴特利特Bartlett球体检验

KMO值越接近于1，表明各变量间的相关性越高，越适合做主成分分析；反之，则不适合。Bartlett球形检验用来判断相关阵是否是单位阵，若是，则因子分析有效，反之则无效。在SPSS检验结果中，当Sig.<0.05（即p值<0.05）时，说明各变量间具有一定相关性，因子分析有效。

3.1.2 主成分分析

假设研究问题中有n个样品，每个样品观测其中p个指标，把这p个指标看作p个随机变量， X=（x1，x1，…，xp）'。 设随机向量X的均值为μ，协方差矩阵为∑。主成分分析法的思路就是要把对p个指标的研究，转化为对p个指标的线性组合的研究。于是，给出主成分的下述定义。

3.1.3 Spearman相关性分析

式中：ρ——相关系数，xi——独立标量，yi——依赖变量。

3.1.4 主成分-相关性分析

以每个主成分的方差贡献率为权重值与每一候选指标的载荷系数绝对值乘积之和计算该指标的重要性水平。以X1，X2，…，Xn中的Xp为例，

Xp的重要性水平 =|L1|×Cont1+|L2|×Cont2+|L3|×Cont3+…+|Ln|×Contn

其中： L1， L2， …， Ln为Xp的载荷系数， Cont1，Cont2，…，Contn为各个主成分的方差贡献率。

当该值接近于0时，表明该指标重要性小，从候选指标中删除，剩余指标进入下一步计算。

对剩下的候选指标采用Spearman 秩相关系数法检验指标间的相关系数，若某一指标与其他指标皆不相关，则该指标直接进入最后的指标体系，剩余指标进入下一步计算。

对于存在相关关系的指标，再次使用主成分分析法，选择重要性水平高的指标作为最终的指标体系，同时舍弃与之相关的指标。

3.2 评价指标模型构建

首先采用熵值法计算相关指标权重值，然后利用TOPSIS法对主体进行分析评价。熵值法在定权时可以有效地避免主观意识的影响。TOPSIS法是由C. L. Hwang和K. Yoon在1981年提出的按照各方案到理想化目标的接近度对有限目标进行相对优劣排序的方法[15]。

TOPSIS法能够集中反应总体情况，对样本资料无严格要求，具有普遍适用性[16]。传统的TOPSIS法中采用欧式距离，但是当评价对象之间存在相关性的时候，欧式距离失效，采用马氏距离法可以有效避免这种现象[17]。

3.2.2 熵值计算

设ej为指标j的熵值，计算公式如（5） 和（6） 所示。

式中：Lij——第j项指标在第i类指标中的比重， i=1，2，…，m。

3.2.3 熵权计算

设aj为指标j的熵权，则：

3.2.4 TOPSIS评价模型

构建评价矩阵Z并进行归一化后得到γ矩阵：

其次是构建价值矩阵V：

式中：aj——权重矩阵。

确定正理想解S+与负理想解S-，即：

式中： J+={j=1，2，…，n}， 此时第 n个指标属于正向型指标，即值越大越好；J-={j=1，2，…，n}此时第n个指标属于负向型指标，即值越小越好。

分别计算第i个评价对象向量到正理想解S+和负理想解S-的距离Di+和Di-，即：

3.2.5 计算各评价对象的相对贴近度C

*最终根据Ci*值的大小对评价对象进行排序， 值越大说明该评价对象排名越高。

4 基于主成分和TOPSIS法的淮河生态经济带自然生态环境评价实例分析

4.1 自然生态环境质量评价指标筛选

4.1.1 初步评价指标体系构建

当前，在自然生态环境质量方面尚未形成不同地理区域位置适用的、统一的评价指标体系。因此，笔者通过总结归纳当前学者的研究成果，以及结合淮河生态经济带的区域状况，根据指标的真实性、有效性以及可获取性原则形成了初步评价指标体系，得出表1。

表1 初步评价指标体系

4.1.2 指标数据来源

指标数据来源于安徽、山东、河南、湖北、江苏5省的2018年统计年鉴、2018年国家统计年鉴以及对应省份环境状况公报等。

4.1.3 评价指标体系计算

在评价指标中，每一组二级指标的地位相同，以一级指标中的废水污染为例，使用SPSS21.0对指标进行筛选。

4.1.3.1 KMO相关性检验和巴特利特Bartlett球体检验

因子分析前，首先进行KMO检验和巴特利球体检验，当KMO检验系数>0.5，巴特利特球体检验的Sig.值<0.05时，问卷才有结构效度，才能进行因子分析。通过KMO相关性检验和巴特利特 Bartlett球体检验，KMO值为 0.695，Bartlett球体检验的P值为0.022，适合进行因子分析。

4.1.3.2 计算方差累计贡献率

废水污染指标中含有4个二级指标，根据SPSS21.0软件对废水污染指标进行主成分分析，提取4个主成分，每个主成分的方差贡献率见表2。

表2 方差贡献率

表2中，4个主成分的方差贡献率分别为0.822， 0.124， 0.045， 0.009。 即 Cont1=0.822，Cont2=0.124， Cont3=0.045，Cont4=0.009。

4.1.3.3 计算载荷系数

通过计算，得出因子载荷系数如表3所示，其中的数值是主成分与原始变量的相关系数，每一数值绝对值的大小代表了主成分与原始变量的相关程度。

表3 因子载荷系数

4.1.3.4 重要性水平计算

对废水指标的4个二级指标进行重要性水平计算，结果见表4。

表4 重要性水平

表4中显示，4个指标的重要性水平都没有趋于0，因而继续进行指标间相关性分析。

4.1.3.5 相关性分析

由于指标间可能存在的非线性因素，选择Spearman 秩相关系数法进行相关系数计算较为恰当，以0.3作为有无相关性的判断标准[18]。对4个二级指标进行相关性分析，对相关关系显著时用1表示，不相关用0表示。制成相关关系矩阵表，见表5。

根据公式（5）、公式（6）、公式（7） 计算得出最终指标权重，见表7。

表5 相关系数

由表4可知，B2的重要性水平为0.394 713，在四者中水平最高，再结合表5中的相关系数矩阵发现B2与其他3个指标是不相关的，因此只有指标B2进入最终的指标体系。

以此类推得出最终评价指标体系，并对各二级指标重新排序，如表6。

表6 最终评价指标体系

4.2 评价指标权重计算

根据公式（2）、公式（3） 对评价指标进行标准化处理，得出标准化矩阵Z。

表7 最终指标权重

4.3 基于TOPSIS法的淮河生态经济带自然生态环境质量评价

计算得出价值矩阵V：

计算得出正负理想值如下：

S+=（0.007，0.008，0.010，0.011，0.008，0.008，0.055，0.181，0.019，0.015，0.049，0.021，0.031，0.043，0.057，0.021，0.028，0.057）

S-=（0.021，0.025，0.023，0.023，0.021，0.024，0.006，0.001，0.015，0.008，0.021，0.013，0.015，0.010，0.035，0.011，0.015，0.014）

计算得出各省份到各正负理想值的距离以及相对贴近度。

从表8中可知，在5个省份中生态环境质量最优者为江苏省，依次为湖北省、安徽省、河南省、山东省。

表8 生态环境评价结果

4.4 评价结果分析

表8是对淮河生态经济带所处的5个省份的总体评价结果，对每个省份进行进一步分析，找出其优缺点，助力其改善自然生态环境，本研究经过筛选后得出18项指标，结合表6，挑选其中熵值高于0.8的指标，分别为指标烟粉尘排放量X1（万t）， 氮氧化物排放量X2（万t）， 化肥使用量X5（万t），一般工业固体废物产生量X6（万t），城市绿化率X11（%），耕地面积比重X12（%），有效保护区占面积比X14（%），环境保护投资占固投比重X20（%）。

根据初始指标体系中的指标参数，对每个省份的对应指标进行排序，负向指标见表9，正向指标见表10。

表9 负向指标排序

表10 正向指标排序

由表9、表10发现，山东省和河南省在化肥使用量X5这个指标上，都远远高于其他省份，山东省的化肥使用量是江苏省的1.5倍，而河南省的化肥使用量甚至达到江苏省的2.5倍。在5个省份中山东省和河南省的耕地面积比例最高，耕地是国家发展的根基，在保证耕地面积上这两个省份做得很好，但是在保护耕地上这两个省份必须深思。过度使用化肥会使土壤肥力下降，同时增加土地中的重金属和有毒元素，生物多样性减少，河南省和山东省要在保证耕地面积的同时保护耕地；安徽省在4个负向指标中都处于较低的水平，同时在正向指标中城市绿化率X11（%） 也是最高的，但是有效保护区占面积比X14（%） 是最低的，环境保护投资占固投比重X20（%） 也不高。由此可见，安徽省在环境污染排放上的控制做得很好，但是在生态环境建设方面做得不够，要加大生态环境建设投资，对于生态环境较好的区域要抓紧设立保护区，保住绿水青山就是保住了金山银山；江苏和湖北是5个省份中生态环境最好的两个省份，但是看其各个指标的数据结构，会发现江苏的正向指标和负向指标的数据较为均衡，一手抓污染排放，一手抓生态建设。湖北处于华中要地，境内自然环境较好，同时也在生态环境建设投入方面做得很好，但是看其负向指标，在污染排放控制上做得较差，因此湖北省要重视区域内的污染物排放，狠抓环境治理。

5 总结

生态环境是整体的系统，具有复杂性和多元性，会随着自然变化和社会的发展而变化。本研究从自然环境、社会环境两个大的角度出发，选取10个一级指标，36个二级指标作为初级评价指标体系，经过主成分和相关性相结合的方式进行筛选，最终筛选出22个二级指标构建出生态环境质量评价指标体系。然后运用熵值法和TOPSIS评价法相结合，对生态环境进行评价，最终得出淮河生态经济带的5个省份中，江苏排名最前，湖北次之，安徽、河南、山东由高到低依次排列。对结果进行分析，江苏省、湖北省由于地理位置以及经济发展因素，生态环境较为优异，而安徽、河南、山东的相对贴近度虽有高低，但是都较为接近。其中，作为综合排名第一位的江苏省在各方面都较为均衡，一手抓污染排放一手抓生态建设，为其他省份作出了积极的示范；湖北省在污染排放控制方面把控不严；安徽省的环境保护投资比重以及有效保护面积比相对较低；山东省和河南省在化肥施用强度上远高于其他3省。各省份在进行自然生态环境治理工作中，做到有的放矢，针对主要方面采取强有力措施，同时也要延续之前的优势方面，两手都要抓，两手都要硬。

生态环境保护刻不容缓，生态环境质量好的地区继续加强管理，而生态环境较差的区域更应重视对生态环境有影响的活动，彻底转变以牺牲环境换取经济发展的现象，加强生态环境治理力度，杜绝破坏环境的行为发生，最根本的就要唤醒所有公民的环保意识，给生态以修复，还生活以健康。