基于PSR-TOPSIS模型的哈尔滨市生态安全评价及障碍因子诊断

张明轩

（哈尔滨师范大学地理科学学院，黑龙江 哈尔滨 150025）

目前我国正处于城市快速发展阶段，生态环境在为人们提供各种需求的同时也在面临诸如空气污染、水资源减少、固体废弃物增加、资源承载力加剧等挑战，这些都在制约城市发展。如何在满足人类日益发展需求的同时又不损害生态系统的安全是我们最值得探讨的问题。因此生态安全的研究对于区域可持续发展具有重要的研究意义，能明确城市发展薄弱环节，根据发展趋势，因地制宜的为城市发展提供可行性意见，全方位带动城市高质量发展。

生态安全已经成为地区可持续发展和土地集约化利用的重点研究领域。国内将生态安全评价与时空格局演变［1-2］、影响因素［3］、耦合协调［4-5］、动态预警［6］、障碍因子［7-8］等相结合，综合评价生态安全。在指标体系的选取上常采用压力-状态-响应（PSR）模型［7］和驱动力-状态-响应（DSR）模型等。常用的分析方法有AHP层次分析法［9］、主成分分析法［10］、DPSIR模型分析［8,11］、空间变异系数法［11］等对生态安全进行综合分析，扩大生态安全的研究方法和层次。

国外对于生态安全的研究起步较早，1989年国际应用系统分析研究所首先提出生态安全是指生态遭受压力却不受威胁的状态［12］。随后生态安全的研究逐渐系统化，研究层次逐渐深入，评估模型在最初的压力-状态-响应（PSR）模型［13］基础上又建立新的DPSIR模型深入研究海洋［14］、绿色基础设施［15］、湿地［16］等生态环境的生态安全，深入与可持续发展的联系［17-18］，生态安全是整个人类安全体系的重要基础，是人类生存的基石。了解生态安全状况，是作出避免生态灾害决策的关键。

但大多数学者关注的是生态与土地和环境的相互制约，主要涉及对生态安全、土地利用的评价。现有的生态安全机制和信息服务系统的基础研究，在解决生态安全问题的能力上还处于初级阶段。本文基于哈尔滨城市发展现状，应用PSR-TOPSIS模型对生态安全进行综合测度，并用障碍度模型计算出主要致脆因子，使决策者能够更好地了解生态安全，制定政策以实现环境质量的提高，为当地生态环境维护和城市可持续发展提供对策。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

研究区域哈尔滨市为黑龙江省省会，总面积53 186 km2，占黑龙江省面积的11.2%，地处松嫩平原，地势平坦，冬长夏短，降水主要集中在6—9月。煤炭型资源城市，生态环境面临较大考验，2018年，城市环境空气质量达标天数85.6 d，水环境检测断面数46，II类水质断面比例仅占6.5%，市区工业废气排放量4.892 6×1011m3，占废气排放量的88.63%；全市工业固体废弃物产生量为490.4 t，垃圾处理方式主要以焚烧和填埋为主，也会对生态环境造成破坏。

1.2 数据来源

本研究数据来源于2009—2018年《黑龙江统计年鉴》和《哈尔滨统计年鉴》，选取人口密度、土地生产力、污水利用率、固体废弃物综合利用率等指标，部分数据需要通过计算得出，缺失数据通过插值法计算补全。

2 研究方法

2.1 指标体系构建

对哈尔滨市生态安全的评价需要考虑环境、生态、自然环境与人类的关系等多方因素的共同作用，构建科学合理的指标体系是研究的关键。本文基于哈尔滨市发展现状，从压力、状态、响应，三个维度选取合适的指标，分别反映哈尔滨市生态安全所承受的压力、人类活动对区域造成的影响，以及针对性的开展应对措施，提升生态安全的能力（表1）。文中在参考现有文献的基础上［18-19］，遵循指标可获取性原则，结合哈尔滨市生态安全特征，构建评价指标体系，按照熵值法的步骤确定了各评价指标的权重（表2）。其中“+”、“－”表示指标的正负属性。

表1 生态安全评价指标体系Table 1 Evaluation index system of ecological security

2.2 计算指标权重-熵值法

根据各指标对总体评价的贡献度差异性，选取熵值法确定各指标在评价体系中的权重。假设选取n个年份的数据作为研究样本，设计m个评价指标体系，kij表示第i个年份的第j个评价指标体系（i=1，2,3,......n,j=1,2,3.....m）

（1）正负指标的无量纲化

对于正向指标：

对于逆向指标：

（2）计算第j个评价指标在第i个年份所占比重

（3）计算第j项评价指标的熵值：

（4）定义评价指标的权重

2.3 TOPSIS法评价模型

TOPSIS法是一种常用的综合评价方法，充分利用原始数据指标评价方案之间的差距。贴近度取值在0和1之间，值越接近于1，评价指标越接近于最优水平。

(1)建立权重规范化矩阵

通过计算权重规格化值，建立关于权重规范化值的权重规范化矩阵。

i=1,2,...,m;j=1,2,...,n.

建立权重规范化矩阵

Vij=Wj×Rij,i=1,2,...,m,j=1,2,...,n.

（2）确定正负理想解

根据权重规范化确定正负理想解

正理想解:y+={maxi Vij|i=1，2，3，…，m}

负理想解:y-={mini Vij|i=1，2，3，…，m}

maxi Vij和mini Vij为加权规范化矩阵最大值和最小值。

（3）计算距离尺度

计算指标贴近度

用贴近度表示城市生态安全指数，C*i越大，表示城市生态安全越接近最优状态。结合研究区现状，参考生态安全等级划分的相关文献［6-9］，将生态安全划为五个等级（表2）贴近度越接近于1，表示城市生态越稳定，区域可持续发展能力强。

表2 生态安全评价等级划分Table 2 Classification of ecological security assessment grades

2.4 障碍度模型

障碍度的分析可以对区域生态发展进行病理诊断，对主要障碍因子进行评价和提炼，有利于城市针对性的开展治理措施。

Lij为单项指标的标准化值，通过极值标准化法获得；Iij为指标偏离度，单指标对总目标的权重；Fij为因子贡献；Mij为单项指标对生态安全的影响程度；Nij为准则层的障碍度。

3 结果与分析

3.1 生态安全综合状况评价

从图1可以看出，2009—2018年哈尔滨市生态安全水平整体上变化不显著，处于稳步发展阶段，贴近度变化的极值由2009年的0.305变化到极大值为2017年份0.711，总的变化跨度为0.406。整体安全等级也由较不安全向较安全等级过渡。2015年以后生态安全评价值显著上升，2015—2016年整体上升0.181，这两年生态安全指数处于基本安全或较安全级别。

图1 生态安全综合指数Fig.1 Ecological security composite index

由图2可以看出，S+i值总体上呈下降趋势，由2009年的0.451下降至2018年的0.217下降了0.234，逐渐接近正理想。值总体上呈现与变化趋势相反的上升方向，由2009年的0.198上升到2018年的0.472，上升了0.274，逐渐偏离了负理想值。通过生态安全综合变化指数来看，哈尔滨市生态安全演变可以分为三个阶段。第一阶段为2009—2015年的小幅上升阶段，趋势较不稳定，整体处于较不安全水平，研究期间内生态安全指数极值变化水平为0.153，变化幅度不明显。即使绿化覆盖率和人均公园绿地面积较高，但早期农耕发展破坏当地生态环境，城市空气污染物等排放较高，水污染物和空气污染较严重，造成了生态环境的破坏；第二阶段为2015—2017年快速发展阶段，城市生态安全综合指数快速上升，由2015年0.458上升到0.711，年均增长12.65%，生态安全水平跃升到较安全阶段；研究期间内，哈尔滨市人口密度减少，人口的减少削弱了对环境的压力，以及对资源和环境的需求，这个阶段城市废水和废气排放量也相对减少，这些内在因素都是生态安全水平提高的驱动因素；第三阶段为2017—2018年波动变化阶段，2016年SO2排放26217t，但2017年排放量高达35 398 t，工业污染加剧，使哈尔滨市生态环境发展面临巨大挑战。伴随《哈尔滨市环境总体规划》（2017—2030年）的编制，环境空间分区管控和生态红线的设置和管控，都促使哈尔滨市向更好的发展趋势迈进，保障城市环境安全，维护生态系统健康。

图2 哈尔滨市生态安全发展趋势Fig.2 Development trend of Land ecological security and in Harbin

3.2 生态安全子系统分析

基于综合分析哈尔滨市生态安全的基础上，运用TOPSIS得出安全各子系统的发展状况。2009—2018年间，哈尔滨市生态安全各子系统随时间变化趋势较不平稳（图3）。

图3 生态安全各自系统指数Fig.3 Respective system indexes of ecological security

3.2.1 生态安全压力子系统

哈尔滨市生态安全压力子系统2011—2015年测度值都在0.35以下，较多阶段处于不安全水平，早期哈尔滨城市发展废气和废水等排放数量较大，年排放量造成严重的环境污染，影响生态安全的提高，过大的人口密度加剧了土地承载压力。2015年以后压力系统贴近度逐步提高，2018年贴近度增高0.737，生态安全水平得到良好发展，污染物等对生态压力的作用较弱，环境得到很大提升。总体上看，哈尔滨市自2009—2018年生态压力贴近度呈现上升的发展态势。研究表明，生态环境的治理和产业转型是实现生态安全的良好途径之一，而生态安全水平的提高又是可持续发展的优良保障。

3.2.2 生态安全状态子系统

生态安全子系统发展较不平稳，总体与压力系统发展趋势相反，在2010—2011年间存在很大一个跃升阶段，这年土壤生产力上升幅度较大，粮食产量较高，土地利用率较高，贴近度从0.209增加到0.899，逐渐突破安全等级。但2010年以后状态子系统贴近度逐渐下降，这与建成区绿化覆盖率和人均公园绿地面积的减少以及土地生产力的下降有关，状态层面的停滞不前甚至下降趋势都是哈尔滨市生态安全提升的主要障碍。

3.2.3 生态安全响应子系统

区别于生态安全压力和状态子系统，响应子系统在十年间增幅最为明显，几乎都处于稳步上升阶段，生态系统安全水平也由不安全跃升到安全水平。由最初的0.066跃升到2018年的0.818，研究时期内，哈尔滨市对污染物的处理水平一直在提高，工业固体废弃物水平由76.3%提高到87.2%，污水处理率和垃圾无害化处理率等提高到90%以上，政策的出台实施加强对生态环境提高的保护力度。缓解压力层带给城市的污染，保障了人民生产、生活、生态的综合提高、提升居住和生活环境的同时带动了整个哈尔滨市生态安全水平的良好发展。

3.3 生态安全障碍因子分析

由表3可知，压力、状态、响应准则层对生态安全的障碍度贡献程度差异明显。压力层障碍度先上升后下降，状态层障碍度与响应层障碍度都存在不同程度变化。压力层障碍度一直是研究期间内最大的障碍因素，障碍度的值基本都在40%以上，呈现先上升后下降的趋势，变化差异显著，2014年占总障碍度的82.54%，到了2018年却只占到了总障碍度的44.16%，最大障碍度与最小障碍度之间相差38.38%。主要是生态文明理念的提出，让人们对生态环境的重视日益加强，产业转型等措施使污染物排放减少，削弱了压力层面对生态环境的破坏。状态层障碍度在波动中上升，到了2018年，逐渐缩小与压力层障碍度的差距，成为仅次于压力层，位于第二贡献度的准则层，绿化和公园面积的减弱都加剧了环境压力，状态层障碍度逐渐上升。响应层与状态层一直是障碍度第二或者第三的位置，2014年后，响应层障碍度稳居第三位置，成为障碍度贡献最小的准则层。与障碍度第二名和第一名差距在30%左右，随着城市的发展和科学技术的不断进步，污水处理率、垃圾无害化处理率能力日益加强，到了2018年，处理水平都在90%以上。

表3 2009—2018年哈尔滨市生态安全准则层指标障碍度Table 3 Indicator obstacle degree of Harbin Ecological security criterion layer from 2009 to 2018

表4 2009—2018年哈尔滨市生态安全指标层主要障碍因子障碍度Table 4 Obstacle degrees of major obstacle factors in Harbin ecological security indicator layer from 2009 to 2018

指标层因子较多，本研究主要选取了贡献度位于前三的三个贡献因子作为具体分析对象。2009—2018年，人口密度D2和人均耕地面积D5位于障碍度首位，2016年障碍度开始向市区区域环境噪声平均等效声级值D3、建成区绿化覆盖率D6转移，D2、D5退出主要障碍因素层面。早期人口密度过大，人均耕地面积减少，过大的人口数量致使环境承载力加剧，生态环境遭受打击，但研究后期，哈尔滨市开始注重生态环境的改善，人口密度和人均耕地面积得到了有效控制，但对城市绿化基础设施的改造不强，绿化覆盖率减小，由最初的39%减小到35%，下降了4%，绿化环境治理不强。工业SO2排放量D1、土壤生产力D8、污水处理率D9、一般工业固体废物综合利用率D11障碍度逐渐上升，印证了哈尔滨市在生态环境治理方面力度加强，整体生态环境综合指数也有所上升。

总体哈尔滨市生态安全障碍因子由压力层面向状态和响应层面过渡，这说明阻碍生态安全的主要因子随着城市发展在不断变化，今后在生态环境的治理上应有所侧重，维护主要发展优势，积极治理发展的主要障碍因子，因地治理发展生态，促进城市可持续发展。

4 结论

本研究基于PSR（压力-状态-响应）模型构建哈尔滨市生态安全评价指标体系，通过计算得出如下结论：

（1）哈尔滨市生态安全指数呈现小幅波动，在研究期间内总体发展态势良好，由较不安全上升到较安全等级。发展过程主要为小幅度变化阶段（2009—2014年）、快速上升阶段（2014—2016年）、波动发展阶段（2016—2018年）。

（2）各子要素层发展不平衡，压力子系统发展趋势较不平稳，响应子系统上升趋势明显，幅度较大，状态子系统有下降趋势。

（3）哈尔滨市生态安全障碍因子随着城市和生态发展，各层面对障碍度的贡献不同，压力层面影响逐渐减弱，状态层障碍度逐渐上，响应子系统障碍度最小这一结果与生态安全TOPSIS得到的贴近度所体现发展一致。绿化率覆盖率、固体废弃物综合利用率等指标障碍度逐渐上升，哈尔滨市应重点治理发展薄弱环节，保障生态安全的提升。