葛仁東,于成學,蒼露露

(大連民族學院a.理學院;b.國際商學院，遼寧大連 116605)

基于突變理論的中國東部沿海地區(qū)生態(tài)安全評價研究
——以大連市為例

葛仁東a,于成學b,蒼露露a

(大連民族學院a.理學院;b.國際商學院，遼寧大連 116605)

沿海地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化與不合理的區(qū)域開發(fā)有關。以驅動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(D-P -S-I-R)為框架，構建指標體系;基于突變理論，應用方法處理數(shù)據(jù)，選擇生態(tài)環(huán)境問題較突出的大連市為例，識別其自2005年至2012年的生態(tài)安全綜合指數(shù)值，為大連及其他沿海地區(qū)的經濟與環(huán)境保護協(xié)調發(fā)展，實現(xiàn)生態(tài)安全提供借鑒和參考。

D-P-S-I-R框架;指標體系;突變理論;生態(tài)安全;大連

參照前期研究成果，本文基于突變理論，考慮驅動力和影響兩個重要因素，應用驅動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(D-P-S-I-R)模型，以構建指標體系，選擇沿海生態(tài)環(huán)境問題較突出的大連地區(qū)為例，研究大連地區(qū)自2008年至2012年的生態(tài)變化狀況，期望為大連及國內其他沿海地區(qū)生態(tài)安全管理提供科學依據(jù)與參考。

一、研究設計

1.突變理論基礎模型

突變理論的誕生是以法國數(shù)學家勒內·托姆勒內·托姆(Renethom)1972年出版的《結構穩(wěn)定性和形態(tài)發(fā)生學》一書作為標志。托姆將系統(tǒng)內部狀態(tài)的整體性“突躍”稱為突變，其特點是過程連續(xù)而結果不連續(xù)，是根據(jù)一個系統(tǒng)的勢函數(shù)把它的臨界點分類，研究各臨界點附近非連續(xù)變化之特征，進而歸納出若干個初等突變模型多目標決策所涉及的四種初等突變模型。尖點突變模型勢函數(shù)的一般表達式為:f(x)=x4+ux2+vx，就尖點突變模型的勢函數(shù)其狀態(tài)空間為三維的(x，u，v)，它的平衡曲面M和奇點集S分別為:f’(x)= 4x3+2ux+v=0，f’(x)=12x2+2u=0，聯(lián)合求解，得到分歧方程為:8u3+27v2=0;平衡曲面M上的一個尖點褶皺的兩條折痕OF和OG為奇點集S，它在控制空間u，v上的投影OF’和OG’就是分歧集，如圖1和圖2;在平衡曲面上的每一點(x，u，v)都表示系統(tǒng)在綜合作用下的某一狀態(tài)。由折痕OF和OG可以把M分為上葉、中葉和下葉，當控制變量u，v符合分歧方程關系時，系統(tǒng)的質態(tài)發(fā)生根本性突變，勢函數(shù)的值將越過中葉在上葉和下葉之間突跳，如圖1，圖2。

圖1 尖點突變的平衡曲面

圖2 尖點突變的分歧集

其他一維狀態(tài)變量的突變模型表達式見表1。

表1 一維狀態(tài)變量的突變模型勢函數(shù)和歸一公式

突變理論用于系統(tǒng)綜合評價時的主要步驟參見文獻[17-18]。

2.DPSIR模型與指標體系構建

由于城市社會、經濟與環(huán)境系統(tǒng)的復雜性和多樣性，不可能統(tǒng)一規(guī)定所有的指標。因此，本文在借鑒已有研究成果的基礎上，將驅動力和影響兩個重要變量應用到P-S-R模型中，從各子系統(tǒng)中選擇有代表性、易量化的指標做定性與定量相結合的分析。針對中國東部沿海地區(qū)的人口社會資源和環(huán)境態(tài)勢，根據(jù)城市現(xiàn)有經濟、技術開發(fā)條件下城市規(guī)劃發(fā)展對自然生態(tài)環(huán)境和生活質量可能產生的影響，建立驅動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(D-P-S-I-R)評價模型，并以此為基礎，設計19個指標，5個因素層，構建沿海生態(tài)安全評價指標體系，見表2。

表2 沿海地區(qū)生態(tài)安全評價指標體系

二、實例分析

本研究以大連地區(qū)為例，分別查閱了2005年到2012年的《大連市統(tǒng)計年鑒》，搜集整理了社會經濟、農業(yè)、工業(yè)、能源、環(huán)保、海洋等方面的數(shù)據(jù)，根據(jù)所建立的指標體系框架，運用無量綱化方法處理數(shù)據(jù)、應用突變理論進行分析計算，從而得到大連市生態(tài)安全評價指數(shù)，以實現(xiàn)對大連地區(qū)生態(tài)安全進行綜合評價。

1.數(shù)據(jù)的無量綱化處理

在歸一公式中，控制變量a、b、c、d表征的是狀態(tài)變量x的不同特征，其原始數(shù)據(jù)取值范圍和度量單位各不相同。在使用歸一公式之前，應依據(jù)突變理論綜合評判的要求，將突變理論與模糊數(shù)學相結合，利用公式將控制變量的原始數(shù)據(jù)轉化到0～1范圍內的無量綱可比較數(shù)，即

xij為底層指標的賦值，為規(guī)范化處理之后的指標值;i，j表示第i個項目、第j個指標。式(1)適用于值越大，綜合評價值越高的指標，即正向指標，如人均GDP;式(2)適用于值越大，綜合評價值越低的指標，即逆向指標，如工業(yè)廢水排放量。指標層的無量化數(shù)值見表3。

表3 指標層無量綱化數(shù)值表

2.熵值法確定權重

熵值反映了信息無序化程度，其值越小，系統(tǒng)無序度越小，所以采用信息熵評價所獲系統(tǒng)信息的有序度及其效用。由評價指標值構成的判斷矩陣來確定指標權重，它能盡量消除各指標權重計算的人為干擾，使評價結果更接近實際，其計算步驟如下:

根據(jù)熵理論，定義m個評價事物n個評價指標的熵值，其中m為規(guī)劃年限，m值為2005～2012年，m為8，n為生態(tài)安全評價指標個數(shù)，n為19，可以由下面公式確定評價指標的熵

i=1，2，…，n;j=1，2，…，m

式中:ei為第i項指標的信息熵值;fij為標準化值;bij為運用上式(1)或式(2)指標無量綱化值.利用熵值法估算各指標的權重，其本質是利用該指標信息的價值系數(shù)來計算，其價值系數(shù)越高，對評價的重要性就越大.最后可以得到第i項指標的權重:

依據(jù)上述方法依次求出各指標值的權重大小，見表4。

表4 指標層所占權重

由指標層所占權重數(shù)據(jù)向上疊加得到因素層的權重表，見表5。

表5 B1-B5的權重系數(shù)表

3.數(shù)據(jù)的歸一化處理

根據(jù)突變理論歸一化公式，按C1～C19的權重，計算各年份屬于不同因素層的各指標的歸一值，作者認為指標C1～C4，C5～C8，C9～C12互不相關，而指標C13～C16，C17～C19，B1～B5相互關聯(lián)，根據(jù)突變級數(shù)法的準則，對非互補的指標采用“大中取小”進行遞歸處理，對互補的指標，則采用各控制變量的歸一值平均數(shù)進行遞歸處理;考慮到因素層的相互關系，按取平均數(shù)的原則求得大連市2005～2012年生態(tài)安全突變級數(shù)綜合評價指數(shù)，見表6，依據(jù)生態(tài)安全等級劃分標準，見表7，判別大連市自2005年至2012年的生態(tài)安全狀況。

表6 因素層突變級數(shù)生態(tài)安全綜合評價指數(shù)表

從上表可知，大連市2005年到2012年生態(tài)安全等級為:

表8 大連市生態(tài)安全等級劃分

從表8中可以看出，2005年大連市的生態(tài)環(huán)境最不安全，2008年和2010、2010年至2011年較安全，2006年、2007年、2009年和2012年處于臨界安全狀態(tài)。

三、結 論

東部沿海生態(tài)安全狀況一直是政府關注的重點，也是學術界研究的重點和難點。本研究以東部沿海生態(tài)環(huán)境問題較為嚴重的大連地區(qū)為例，在D-P-S-I-R框架模型的基礎上，構建了沿海生態(tài)安全評價指標體系;應用突變理論，分析大連地區(qū)2008年至2012年的生態(tài)安全狀況。從大連生態(tài)安全綜合評價指數(shù)上看，生態(tài)安全指數(shù)從2005年到2012年生態(tài)安全總體呈波動上升趨勢，在2010年出現(xiàn)一個峰值，然后趨于平緩，也代表了大連市政府對生態(tài)安全越來越重視，這與2008年大連市下發(fā)的《大連市生態(tài)環(huán)境保護“十一五”規(guī)劃》文件和2009年大連市編制完成《大連生態(tài)市建設規(guī)劃》息息相關。相較于2005年到2012年的其它年份生態(tài)安全指數(shù)，2005年、2007年、2009年以及2012年生態(tài)安全指數(shù)較低，這與2005年和2007年的系統(tǒng)驅動力和壓力、2009年的系統(tǒng)狀態(tài)、2012年的系統(tǒng)壓力和狀態(tài)指數(shù)過低有很大關系?？傮w來說該模型對于評價大連地區(qū)及中國東部沿海生態(tài)安全狀況有一定的參考價值，具有一定的普遍性。

[1]2013年中國環(huán)境狀況公報[EB/OL].http:∥www. gzhjbh.gov.cn.

[2]FromResourceScarcitytoEcologicalSecurity:Exploring NewLimitstoGrowth[J].TechnologicalForecasting andSocialChange，2006，73(8):1051-1056.

[3]TONGC.Reviewonenvironmentalindicatorresearch [J].ResearchonEnvironmentalScience，2000，13 (4):531.

[4]彭建，吳健生，潘雅婧，等.基于PSR模型的區(qū)域生態(tài)持續(xù)性評價概念框架[J].地理科學進展，2012，31 (7):933-940..

[5]高興國，王磊，齊代華，等.基于PSR模型的濕地生態(tài)安全評價——以大山包濕地為例[J].湖南師范大學自然科學學報，2013(36)1:86-90.

[6]尚書，岳德鵬，曹睿，等.基于P-S-R模型的北京市朝陽區(qū)生態(tài)安全評價[J].浙江農業(yè)學報，2013，25( 5):1103-1109.

[7]左偉，周慧珍，王橋.區(qū)域生態(tài)安全評價指標體系選取的概念框架研究[J].土壤，2003，(1):2-7.

[8]李暉，范宇，李志英，等.基于生態(tài)足跡的香格里拉縣生態(tài)安全趨勢預測[J].長江流域資源與環(huán)境，2011 (20):144-148.

[9]陳菁，吳端旺.基于生態(tài)導向的廈門生態(tài)城市綜合評價與分析[J].水土保持通報，2010(6):174-173，179.

[10]馬金衛(wèi)，吳曉青等.海岸帶城鎮(zhèn)空間擴展情景模擬及其生態(tài)風險評價[J].資源科學，2012(1):185-194

[11]魏冉.遼寧省遼河流域水生態(tài)功能三級區(qū)水生態(tài)安全評價[D].沈陽:遼寧大學，2013.

[12]陶曉燕.基于模糊物元和熵權法的土地生態(tài)安全評價[J].統(tǒng)計與決策，2012(3):55-57.

[13]楊志峰.黃淮海地區(qū)濕地水生態(tài)過程、水環(huán)境效應及生態(tài)安全調控[J].地球科學進展，2006(11):1119 -1126.

[14]施開放，刁承泰，左太安等.基于熵權物元模型的耕地占補平衡生態(tài)安全評價[J].中國生態(tài)農業(yè)學報，2013，21(2):243-250.

[15]付業(yè)勤，鄭向敏，王新建.廈門市濱海城市旅游地生態(tài)安全評價研究[J].科技管理研究，2013(03)10:41 -45.

[16]王耕，蘇柏靈，王嘉麗，等.基于分形理論的遼寧沿海經濟帶城市生態(tài)安全評價研究[J].海洋開發(fā)與管理，2014(1):74-78.

[17]陳克亮，時亞樓，基于突變理論的近岸海域生態(tài)風險綜合評價方法—以羅源灣為例[J.].應用生態(tài)學報，2012(23)1:213-221.

[18]徐琳瑜，康鵬，劉仁志.基于突變理論的工業(yè)園區(qū)環(huán)境承載力動態(tài)評價方法[J].中國環(huán)境科學2013，33 (6):1127～1136.

(責任編輯 董邦國)

Evaluation of Ecological Security for East Coastal Areas Based on Catastrophe Theory——A case study of Dalian city

GE Ren-donga，YU Cheng-xueb，CANG Lu-lua
(a.College of Science;b.International Business School，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China)

Environmental degradation can not be separated from the sustainable regional development in coastal areas.This paper，firstly，tries to setup an indicator system for ecological security assessment using DPSIR framework;secondly，itutilizes dimensionless to process data，taking Dalian city which is besetwith serious environmental problems as an example for the analysis of its ecological security status based on catastrophe theory.The result reveals that themost dangerous year is 2005，the relatively safe years are 2008，2010 and 2011，while the critical years are 2007，2009 and 2012 respectively.Lastly，it provides references for Dalian city and other coastal areas to realize the coordinated development of economy and environment and ecological securitymanagement.

D-P-S-I-R framework;indicator system;catastrophe theory;ecological security;Dalian

X826

A

1009-315X(2014)06-0593-05

自改革開放以來，中國東部沿海地區(qū)的經濟發(fā)展突飛猛進。與此同時，也給沿海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境帶來一定的生態(tài)安全隱患。2013年中國環(huán)境狀況公報再次顯示東部沿海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題依然嚴重[1]。因此，東部沿海地區(qū)生態(tài)安全狀況如何，是科研的一項艱巨任務。近年來，國內外有關生態(tài)安全研究取得了很大進展。生態(tài)安全，最早由國際應用系統(tǒng)研究所提出[2]，有廣義和狹義之分，廣義的生態(tài)安全包括自然、社會和經濟組成的復合生態(tài)系統(tǒng)，而狹義的生態(tài)安全是指自然、半自然生態(tài)系統(tǒng)的安全。目前學者多研究廣義生態(tài)安全為主;在評價指標體系和評價標準上，以某框架模型為基礎構建指標體系的方式較多，所采用的框架模型主要應用P-S-R模型[3-6]較多，此模型僅將人類活動作為壓力，沒有考慮自然因素;有的學者修正了P-S-R模型，將驅動力作為一個重要因素，形成D-P-S-I-R模型，進而構建指標體系[7]。針對不同的研究對象，指標量化方法和生態(tài)安全評價標準各異[8-11];在評價方法上，國內外學者多以定量分析為主[8，12-16]，具體因研究對象不同，評價方法有差別。

2014-06-16;

2014-09-25

國家自然科學基金資助項目(71373035);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(0913130475);遼寧省社會科學規(guī)劃基金資助項目(L12BJY016)。

葛仁東(1958-)，男，遼寧沈陽人，博士，教授，主要從事應用數(shù)學研究。

于成學(1970-)，男，遼寧大連人，博士，教授，主要從事生態(tài)安全研究。