基于熵值-突变级数法上海市生态安全评价与对策研究

闻熠, 肖涛, 谈晟荟, 王志强, 石强胜,*

基于熵值-突变级数法上海市生态安全评价与对策研究

闻熠1,2, 肖涛1,2, 谈晟荟3, 王志强1,2, 石强胜1,2,*

1. 九江学院, 江西省长江流域产业生态模拟与环境健康重点实验室, 九江 332005 2. 九江学院, 江西长江经济带研究院, 九江 332005 3. 上海师范大学, 环境与地理科学学院, 上海 200234

城市生态安全的定量评估对于区域的可持续发展具有极其重要的指导意义。文章基于PSR模型和相关统计数据, 构建了生态安全评价指标体系和评价模型, 结合熵权法对各指标进行赋权, 利用突变级数法对2005—2015年上海市生态安全状况做出定量评价, 并对其状态进行分级, 研究结果表明: 2005—2015年间, 上海市生态安全状态可分为两个阶段, 2005—2009为生态安全上升期, 生态安全指数从0.8633上升到2009年的0.9497, 安全等级由V级上升到III级; 2009—2015年期间则为下降时期, 生态安全指数从0.9497下降至2015年的0.8981, 安全等级则从III级下降到V级, 期间虽有所上升, 但生态安全级别仍处于V级。整体而言, 由于受到来自人类活动的巨大压力, 城市生态安全水平较低, 可持续发展受到严峻的挑战。基于研究结果, 为提高上海市生态安全水平, 促进城市的可持续发展, 政府需要采取一些措施, 具体可从以下角度来考虑, 进一步加强对城市环境的监督和治理, 以实现在经济增长的同时也兼顾环境的质量提升, 控制人口增长, 改善能源结构, 提高清洁能源的使用比例, 同时改进技术, 提高能源利用效率, 降低能耗, 减少排放; 加大对教育, 科技和社会福利性事业的投入力度, 促进生态系统的压力、状态、响应协调发展, 提高城市生态安全水平。研究旨在为上海市生态安全和可持续发展提出理论支持和参考。

生态安全; PRS模型; 熵权法; 突变级数法; 上海市

0 前言

城市生态安全是指城市赖以生存和发展的生态环境系统处于一种不受污染和不受危害的良好状态。此时, 城市保持着一种完善的结构和健全的生态功能, 并具有一定的自我调节和净化能力[1-4]。城市作为一个人口大量聚集。商业高度繁荣, 工业生产和生活密切相关的地域, 构成一个独特的生态系统, 并且是不断演化的、动态的复杂系统[5-6]。城市生态安全是一个国家或区域生态安全的基础和核心[7-8],因此如何定量的评估城市生态安全状态, 加强市生态环境建设及其自身全方位的基础能力建设, 维护城市生态环境安全, 对于城市、区域和国家的可持续发展具有极其重要的意义。上海作为中国的经济中心, 近年来, 城市发展迅速, 在城市迎来大发展的同时, 也派生出诸多城市问题, 如人口大量集聚导致用地紧张, 汽车尾气排放导致大气污染、白色垃圾堆放导致土壤污染等[9-11], 这些状况使得人地矛盾日益加深, 城市生态安全面临着巨大挑战。

对于城市生态安全的研究, 国内外取得了一定的研究成果。从研究方法来看, 主要有PSR及其扩展模型DPSIR[12]、生态足迹模型[13-14]、景观生态模型[15-16]和数字地面模型[17]等。代表性的评价方法主要有层次分析法[18]、综合指数法[19]、灰色关联法[20]、主成分投影法[21]、突变级数法[22]、模糊综合法[23]、物元评判法[24]等方法, 由于区域之间存在差异性、复杂性、多样性, 因而生态安全评价指标体系尚未形成统一标准; 从研究内容来看, 主要是研究某个城市或经济发达地区的生态安全状况及其变化趋势, 分析系统层和目标层生态安全的时空变化趋势[25]。由于影响城市生态安全的因素非常复杂, 且各因素之间的关系往往是非线性的, 难以通过特定的数学模型进行准确描述, 因此需要从非平稳态的视角来评价和分析城市生态安全状况, 这将有助于在城市管理过程中, 制定针对性的防范措施。近年来, 一种新的评估方法—突变级数法开始被应用于城市生态安全评价中。如魏婷等针对港湾快速城市化地区存在的潜在突变特性, 基于PSR框架和突变级数法, 对厦门的城市生态安全进行了探索[26]; 李亚男等基于突变级数法和PSR模型构建相关评价指标体系, 对千岛湖流域2008—2011年间的生态安全评估[22]; 但是在大部分研究中, 指标权重的判定往往都存在着一定的随意性, 从而影响到综合评价的正确性和科学性。为消除人为主观因素, 本文采用熵权法对各项指标进行客观赋权, 并采用突变级数法对评价指标进行逐层向上归一计算, 以期客观、定量的对上海市2005—2015年生态安全状况做出评价, 并基于研究结果为区域的发展提出建议, 促进区域的可持续发展。

1 研究区概况

上海位于中国华东地区, 地理位置介于120° 52′—122°12′E, 30°40′—31°53′N之间, 地处长江入海口, 地势较低, 平均海拔高度4米, 总面积约为6340 km2, 夏季多雨, 日照充分, 四季分明, 冬季均温在零度以上, 属于典型海洋性亚热带季风性气候区。上海市下辖16个市辖区。根据上海统计年鉴显示, 截至2022年末, 上海市常住人口总数为2488.2万人, 实现地区生产总值(GDP)38700.6亿元。上海作为国际知名大都市, 是我国的国际经济、金融、贸易、航运、科技创新中心, 在国家现代化建设大局和全方位开放格局中具有举足轻重的战略地位。但是由于在城市化高度发展和人口剧增, 使得人类活动对自然资本的需求也在增大, 与国外发达国家城市相比, 能耗水平仍然较高, 污染物排放也较严重, 生态系统正承受的巨大的压力[27-28], 城市生态安全受到严峻挑战[29]。因此, 对其生态安全状态进行定量评价, 并基于研究结果提出相关的对策和发展建议, 以促进城市的可持续发展。

2 评价指标体系与研究方法

了解城市生态安全的状况对维护城市的持续发展十分必要, 它是正确决策的基础, 而客观的评价结果前提是要有科学合理的评价指标体系[30]。城市生态安全评价体系的建立需要遵循以下原则: (1)科学性。设置的指标体系要能够客观地反映城市生态系统的本质及其复杂性, 必须建立在科学的基础上, 真实地反映城市生态系统的状态。(2)综合性。城市生态系统是一个融自然系统、社会系统、经济系统为一体的复合系统。要求设置的指标体系既能反映城市生态安全局部的、当前的和单项的特征,又能反映全面的、长远的和综合的特征。(3)简洁性。指标体系要求完备、简洁, 尽量选取有代表性的指标和主要指标。指标要概念明确,简明易行,计算方法简便, 各指标之间涵义不重复。(4)层次性。指标体系应适应评价需要和功能的不同层次, 并在此基础上将指标分类, 力求清晰, 应用方便; (5)适用性。即指标体系的设计应既能满足综合评价的需要, 又能保证资料数据取得容易[31]。

2.1 评价指标体系建立

生态安全评价体系是由众多基础指标构建的, 国际经济合作与发展组织提出的PSR模型中, 最终评价体系由三个系统构成, 即压力系统(p), 其主要包含人类对环境造成影响的相关指标; 状态系统(S), 主要是指能反映自然资源、环境状况和生态系统现状的相关指标; 响应系统(R), 包含体现人类面临环境问题时所采取行动和对策的相关指标[12]。基于PSR的概念分析和相关研究成果[32-33], 遵循科学性、系统性和可操作性的原则, 本文将系统压力(p)分为4级子指标, 即人口压力、资源压力、环境压力、社会压力; 系统状态(S)分为3级子指标, 即经济状态、资源状态和环境状态; 系统响应(R)分为3级子指标, 即经济响应、环境响应和社会响应。总体评价目标层下建立准则层、因素层和指标层, 以此来构建上海市生态安全评价指标体系, 具体如(表1)所示。

2.2 数据来源与数据预处理

数据资料来源于《上海市统计年鉴》(2006— 2016)、《上海市国民经济和社会发展统计公报》(2005—2015)和上海市环境保护局。大部分指标从相关年鉴和部门可直接获取, 少部分指标, 如万元GDP废水排放量(吨)、万元GDP工业废气排放量(标立方米)、万元GDP固体废弃物排放量(吨)、地方财政支出占GDP比重(%), 通过对相关数值的计算获得。

2.3 基于熵权法的权重确定

指标权重方法主要有主观赋权法和客观赋权法两大类, 主观赋权法具有一定的随意性, 而客观赋权法主要以实际数据为基础, 在一定程度解决了主观赋权法的缺陷[34]。熵权法是客观赋权法的一种, 其基本思想是人们在决策中获得信息的多少和质量是精度和可靠性大小的决定因素之一[19, 35-36]。本文采用熵值法计算各指标的权重, 步骤如下:

(1)计算第个指标下第年的指标数值的比重:

(2)计算第个指标的熵值:

(3)计算第个指标的权重:

通过上述方法, 从而计算出上海市城市生态安全各项指标的权重, 如表1所示。由权重计算可知, 压力指标、状态指标与响应指标所占权重分别为: 0.29, 0.4119, 0.3261, 说明经济, 资源和环境是影响上海市生态安全的主要因素。

表1 上海市生态安全评价指标体系

2.4 基于突变级数法的上海市生态安全评价方法

突变级数法由法国数学家Rene Thom所创立, 目标进行多层次矛盾分解, 将突变理论与模糊数学相结合产生突变模糊隶属函数, 利用归一化公式进行综合量化运算, 求出总的隶属函数[37]。与其他方法相比, 突变级数法权衡了各评判指标的相对重要性, 定性与定量相结合, 避免了主观性较大的“权重”概念, 且方法简易准确[38], 尤其适用于多目标综合评价[39]。因此, 本文将突变级数法引入到上海市生态安全的评价中, 同时本文选取熵值法来计算各层次评价指标权重的大小, 并根据计算结果进行排序, 从而克服指标排序中存在的主观性问题, 保证了各项指标所排顺序与对应重要程度一致, 更加科学、合理[40]。

在运用该模型时, 需要明确以下几点: 第一, 突变模型的研究对象是势函数, 根据突变理论, 当一个系统状态下包含一个指标时, 可视为折叠突变, 以此类推, 当系统状态包含二、三、四个下层指标时, 模型分别为尖点突变、燕尾突变和蝴蝶突变; 第二, 下层指标在向上归一时, 需要明确各个指标的重要性, 根据重要性的大小, 依次用_DDd进行计算。本文采取熵权法对各项指标进行确权, 根据权重的大小对指标进行重要性排序; 第三, 在下层指标向上归一时, 遵循两个原则, 即互补性和非互补性原则。如果系统中多个控制变量之间存在相互关联的性质, 则取突变级数法计算后的均值作为该指标层向上归一的依据; 如果系统中多个控制变量之间相互独立, 向上归一时取极小值, 即大中取小[42]。对本文而言, 指标层、因素层遵循互补性原则, 取计算后的均值作为向上归一的标准, 准则层遵循非互补性原则, 取计算后的极小值作为向上归一的标准。根据突变理论和互补性原则, 构建上海市生态安全评价的突变模型, 如图1所示。

表2 常见初等突变模型分歧集方程

图1 上海市生态安全评价突变模型

Figure 1 Catastrophe model of ecological security assessment in Shanghai

2.5 生态安全评价标准划分

根据前人的研究结果, 常规生态安全评价标准往往分为5级, 即I、II、III、IV、V, 相对应的生态安全综合指数分别为1、0.8、0.6、0.4、0.2[36, 43-44]。由于经突变级数法计算后得到的评价数值相对较高, 需要将常规评价标准下的数值转化为突变级数法下的数值, 作为新的评价标准。具体换算过程为: 在指标体系构建、重要性排序完成的前提下, 设指标层的数值为相对应的常规评价值, 以第V级标准为例, 相对应的常规值为0.2, 则指标层数据按0.2计算, 根据重要性大小逐层向上归一, 最终得到目标层下第V级标准的生态安全评价值。经计算, 上海市生态安全评价标准等级划分如表3所示。

3 结果与分析

基于前文的研究方法, 得到上海市2005-2015年生态安全的综合评价结果以及相关分类指标的测度结果。如表4和图2所示。

3.1 生态安全结果分析

由表4、图3可知, 上海市2005年生态安全指数从0.8633上升到2009年的0.9497, 对应的生态安全级别从V级上升为III级; 2009—2011年的生态安全指数变化不大, 维持在III级(0.9497)边界线上下; 2011—2013年, 生态安全指数有所下降, 生态安全级别从IV级(0.9471)转为V级(0.8981); 2013—2015年, 生态安全指数虽有所上升, 但生态安全级别仍处于V级。总的来看, 上海市2005—2015年生态安全发展趋势分为两个时间段, 即2005—2009为上升时期, 2009—2015年为下降时期, 生态安全水平整体较低。上海市最终生态安全指数由压力层、状态层及响应层生态安全指数共同决定, 在突变级数法计算下获得目标层生态安全指数, 因此需对分类指标层的变化趋势及原因展开进一步分析。

3.2 分类指标结果分析

3.2.1 系统压力层变化分析

系统压力层的波动起伏较大, 2005年系统压力指数为0.659, 安全级别为V级, 后波动上升到2011年的极值点0.9355, 对应的安全级别为III级。从指标层分析来看, 2005—2011年, 上海市人均日居民生活用水量呈下降趋势, 从2005年的128升每人下降到2011年的113升每人; 人均拥有用道路面积呈上升趋势, 从2005年的15.4平方米每人上升到2011年的18.44平方米每人; 人均拥有公共绿地面积从2005年的11.01平方米每人上升到2005年的13.1平方米每人。同时, 三废(工业废水、工业废气、固体废弃物)的万元生产能耗在逐年下降, 在一定程度上缓解了系统压力, 使得这一时间段上海市生态系统压力朝着良性的状态发展。从2011年开始, 系统压力的安全级别在波动下降, 从III级下降到V级。期间, 上海市的人口密度逐年增加, 从2011年的3 702人每平方公里增加到2015年的3 809人每平方公里; 11年里, 人口自然增长率只有两个年份出现了正值, 分别是2012年的0.26‰和2014年的0.32‰, 在一定程度上使得生态系统压力增加; 60岁及其以上人口占总人口比重, 从前一个时间段(2005—2011年)的年均增幅0.1%增速到0.65%, 增幅6倍多, 可以看出老龄化人口在急剧增加。总结而言, 由于人口增加和集聚、老龄化加速、地方财政支出增加, 这些因素导致了系统压力增大, 使得这一时间段的系统压力评分过低。

表3 上海市生态安全评价等级标准

表4 上海市2005—2015年生态安全测度结果

图2 2005—2015年上海市系统压力、系统状态、系统响应及生态安全变化

Figure 2 Systematic pressure, system state, system response and ecological security changes in Shanghai from 2005 to 2015

3.2.2 系统状态层变化分析

系统状态的波动较大, 评价结果主要分为三种状态; 即V级、IV级和III级。可分为两个时间段, 即2005—2011年为缓慢上升阶段; 2011—2015年为缓慢下降阶段。就缓慢上升阶段而言, 人均地区生产总值呈上升趋势, 从2005年的51474元每人增长到2011年的82560元每人, 年均增长4440元。城市居民恩格尔系数是反映人民生活水平的一个良好指标, 其值越小, 人民生活水平越好。在这个时间段里, 城市居民恩格尔系数总体呈波动下降趋势, 从2005年的35.9%下降到2011年的35.5%; 能源消费弹性系数也呈下降趋势; 绿化覆盖率、自然保护区面积和空气环境质量都呈上升趋势。上述一些指标因子的变化, 使得这一时间段的系统状态朝着良好方向发展。2011年以后, 系统状态评分变低, 从指标层分析来看, 粮食产量从2011年的121.95万吨下降到2015年的112.08万吨; 酸雨率自2011年以后, 始终维持在一个较高的水平, 5年间的均值为71.22%; 空气质量优良率自2011的92.3%和2012的93.7%后急剧下降, 后三年的空气质量优良率维持在80%水平以下。由此可见环境质量的下降是导致系统状态评分下降的主要因素。

3.2.3 系统响应层变化分析

系统响应的变化趋势可分为三个时间段, 即2005—2009年为上升阶段(V级—III级)、2009—2013年为下降阶段(III级—V级)、2013—2015年为上升阶段(V级—III级)。教育占比、三产占比和科研占比始终是增长状态, 年增长率分别为0.01%、1.57%、0.13%, 使得系统响应评分增加。环保占比、每万人医生数的变化趋势与系统响应的变化趋势一致。2009—2013年环保占比的比重持续下降, 从3.06%下降到2.81%; 每万人医生数从27人下降到22人, 这是导致系统响应评分在这一时间段下降的主要因素。对废水、固体废弃物和生活垃圾无害化的处理率总体呈波动上升趋势, 其中生活垃圾无害化处理率2014和2015年达到了100%, 在一定程度上使得系统响应评分增加。

4 讨论与结论

本文以上海市为研究区, 根据研究区实际情况, 基于PSR模型建立指标系统, 利用熵权法对各项指标进行客观赋权, 并采用突变级数法对评价指标进行逐层向上归一计算, 对上海市2005—2015年间的生态安全状态做出评价。该研究方法在一定程度上消除了传统研究中主观性较大的局限性, 使研究结果更加符合研究区实际情况, 并基于研究结果为区域的发展提出相关建议, 以期促进区域的可持续发展。但是也存在的一定的局限性, 主要表现为: (1)考虑到相关数据获取的难度与精度, 基于PSR模型构建指标体系时, 舍弃了一些不连续的指标, 以至蝴蝶模型体现不充分。在今后的研究中, 可以运用合理的插值法将缺失的数据指标进行插值、补全, 使得指标层数据更加充分、涵盖类型更加广泛[45-46]; (2)通过突变级数法计算后得到的评价数值相对较高, 与其他的研究得到的阈值相比, 该模型将生态安全阈值大幅提高, 这很容易造成城市生态不安全状态被夸大, 从而引起一定的误导[47-49]。本文将突变级数法在城市生态安全评价中的应用做了一个初步尝试, 在接下来的相关研究中, 会针对这一现象找出相关的改进方法, 以求更科学, 更客观地反映城市生态安全状况。

酸雨率一直居高不下, 空气质量优良率在2013年实行新的评价标准以后, 达标率大幅下降, 建成区绿化覆盖率和自然保护区覆盖率虽有所上升, 但相关指标仍然偏低。为提高环境质量, 需减少二氧化硫及工业烟粉尘的排放量, 坚决实行达标排放, 实行合理的奖惩机制, 同时大力发展科技, 降低每万元GDP的工业三废产量。同时, 加大环境保护投资, 建设相关基础设施, 兴建公园, 增加城市绿地面积。

在资源使用方面, 提倡环保节约。一是加强宣传, 提高公民的环保意识, 降低人均用水量、用电量等自然资源消耗速度; 二是加大高新节能产品的研发和投入使用量, 在技术层面上降低能源消耗量。近些年上海市建成区扩张迅速, 占用了大量的未建设用地资源, 在城市快速扩张的同时, 要合理的规划城市空间结构, 高效、合理的使用土地资源。

在能源消费结构方面, 要进一步优化能源结构, 提高绿色能源、清洁能源的使用比例, 减小对传统化石能源的依赖。例如在交通方面, 提倡绿色出行, 鼓励和支持清洁能源交通工具的使用, 增加的充电桩, 优化公交路线, 大力发展公共交通工具; 在工业生产方面, 进一步加大天然气替代力度。同时大力发展太阳能、风电等新能源。

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Study on ecological security evaluation and countermeasure of Shanghai based on entropy and catastrophe progression method

Wen Yi1,2, Xiao Tao1,2, Tan Shenghui3, Wang Zhiqiang1,2, Shi Qiangsheng1,2,*

1. Jiangxi Provincial Key Laboratory for Industrial Ecological Simulation and Environmental Health in Yangtze River Basin, Jiujiang University, Jiujiang, 332005,China 2.Jiangxi Yangtze River Economic Zone Research Institute, Jiujiang University, Jiujiang 332005, China 3. School of Environmental and Geographical Science, Shanghai Normal University, Shanghai 2000234, China

Quantitative assessment of urban ecological security is of great significance to regional sustainable development. Based on the PSR model and related statistical data, an ecological security evaluation model was constructed. The entropy method was used to empower the indicators, and the catastrophe progression method was used to treat Shanghai from 2005 to 2015. The city's ecological security status was evaluated. The results showed that the development trend of ecological security in Shanghai could be divided into two periods: 2005-2009 was the rising period; the ecological security level was raised from the V level to the third level; the period from 2009 to 2015 was the decline period, and the ecological security level was from III. The level dropped to level V. Overall, the level of urban ecological security was low. Based on the research results, in order to improve the level of ecological security and promote the sustainable development of Shanghai, the government needs to take some measures by controlling population growth, improving energy structure and increasing the proportion of clean energy use. At the same time, we should improve technology and improve energy efficiency, and increase investment in education, science and technology and social welfare undertakings. This paper aims to provide theoretical support and reference for the ecological security and sustainable development of Shanghai.

ecological security; PRS model; entropy weight method; catastrophe progression method; Shanghai

闻熠, 肖涛, 谈晟荟, 等. 基于熵值-突变级数法上海市生态安全评价与对策研究[J]. 生态科学, 2022, 41(3): 124–132.

Wen Yi, Xiao Tao, Tan Shenghui, et al. Study on ecological security evaluation and countermeasure of Shanghai based on entropy and catastrophe progression method[J]. Ecological Science, 2022, 41(3): 124–132.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.03.014

F205

A

1008-8873(2022)03-124-09

2019-03-17;

2019-05-17

国家自然科学青年基金项目(32000371); 江西省长江流域产业生态模拟与环境健康重点实验室2021年开放基金项目(JJ2021007); 九江学院博士科研启动基金项目(8696109)

闻熠(1988—), 男, 副教授, 主要从事可持续发展与环境管理等方面的研究, E-mail: jju1669@163.com

石强胜, 男, 博士, 副教授, 主要从事生命科学研究, E-mail: qiangshengjob@163.com