向柳

(首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與旅游學(xué)院,北京100048)

基于熵權(quán)與模糊數(shù)學(xué)的城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價

向柳

(首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與旅游學(xué)院,北京100048)

摘要：指出了城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價能為服務(wù)城市生態(tài)系統(tǒng)管理提供決策依據(jù)。選擇活力-組織結(jié)構(gòu)-恢復(fù)力-服務(wù)功能-人群健康框架構(gòu)建評價指標(biāo)體系,運用熵權(quán)理論及模糊數(shù)學(xué)法對研究區(qū)進(jìn)行了城市綜合評價與分析比較。研究表明:熵權(quán)法與模糊綜合評價法結(jié)合能有效避免評價指標(biāo)主觀性,結(jié)果清晰可靠;研究區(qū)總體城市生態(tài)系統(tǒng)處于亞健康水平,城市生態(tài)系統(tǒng)活力內(nèi)生動力和支撐能力不足,結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào),人群健康水平偏低,而恢復(fù)力和服務(wù)功能良好;各城市健康水平城際、區(qū)際差異大,成都為首,巴中為尾,成都經(jīng)濟(jì)區(qū)優(yōu)于川南地區(qū),川東北地區(qū)最差,健康狀況地域差異主要因素是由以活力為主的多種因素綜合作用的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：城市生態(tài)系統(tǒng);健康評價;熵權(quán);模糊數(shù)學(xué)法;空間比較

收稿日期：2015-07-07

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃課題(編號:2012BAC19B0305)資助

作者簡介：向柳(1990—)，男，四川瀘州人,首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院碩士研究生。

中圖分類號：X171.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：編號：1674-9944(2015)09-0001-05

Abstract:The assessment of urban ecosystem health can provide decision basis for urban ecosystem management.This paper build the evaluation indicator system by choosing the vigor,organization structure,resiliency,ecosystem service function and people health (VORSP) as indicators,then using the entropy theory and fuzzy mathematics method to make a comprehensive assessment and comparison of the study area.The results show that:1) The indicators are more objective and the results are distinct and reliable by combining the entropy weight method with the fuzzy mathematical method.2) The general urban ecosystem of the study area is in the state of sub-health:the vitality,endogenous motivation and supporting ability of the urban ecosystem is insufficient,the structure of it is not harmonious,and the health level of the residents is low.But the resilience and service function are fine.3) The health condition of intercity and interregional have huge differences:Chengdu is the best and better than the south region of Sichuan,Bazhong is the worst as it is in the northeast region of Sichuan.These differences are the comprehensive result of many factors as the vitality is the main factor.

1引言

城市是人類活動的中心,也是與人類關(guān)系最密切的生態(tài)系統(tǒng)[1]。2014年中國城市化率達(dá)54.77%,進(jìn)入城市化加速期,城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況引發(fā)關(guān)注[2]。城市生態(tài)系統(tǒng)(urban ecosystem health,UEH)健康研究始于20世紀(jì)70年代,Odom E P在20 世紀(jì)70 年代末最早提出生態(tài)系統(tǒng)健康概念[3]。對城市生態(tài)系統(tǒng)健康有諸多定義[2,4-8],但都強調(diào)健康的城市生態(tài)系統(tǒng)既包括自然生態(tài)系統(tǒng)的健康,也包括經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)和人的健康[1],即城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和諧,系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)、能量、信息運轉(zhuǎn)持續(xù)、有序,生態(tài)服務(wù)功能正常,人類健康不受損害,經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)發(fā)展,是人地關(guān)系高度和諧的一種狀態(tài)。

城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究是生態(tài)領(lǐng)域研究熱點和前沿[9,10]。加拿大國際發(fā)展研究中心(IDRC)對城市生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵、標(biāo)準(zhǔn)等作了闡述[11]。Spiegel J M等[12]對建立城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系的理論、方法進(jìn)行了探討。Meirong等[13]提出城市生態(tài)系統(tǒng)健康是一種過程,應(yīng)更多關(guān)注的動態(tài)健康狀況。郭秀銳等[1,14]較早開展城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價,開啟了國內(nèi)有關(guān)研究先河。目前,已形成活力-組織結(jié)構(gòu)-恢復(fù)力-服務(wù)功能-人群健康(VORSP)[15]、壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)[16,17]、社會-經(jīng)濟(jì)-自然/生態(tài)環(huán)境(SEN)[11]、承載力-支持力-吸引力-延續(xù)力-發(fā)展力(CSAED)[7]、物質(zhì)流[18]等較成熟的評價框架,采用能值評價[19-21]、主成分分析[10,16,22]、熵權(quán)[23-27]、模糊綜合評價[1,10,22,26,28-31]、層次分析[31]、集對分析[1]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[32]、灰色關(guān)聯(lián)[25]、屬性理論[33]、灰色預(yù)測[27,28]、均方差[5,29]、分形理論[34]、突變級數(shù)[35]、模糊物元[36]、集對分析[37,38]等方法開展評價。其中,熵權(quán)法能較客觀地反映各個指標(biāo)所含真實信息量的大小,克服了以往評價方法上人為的主觀干擾,在確定指標(biāo)權(quán)重中有獨特優(yōu)勢;模糊綜合評價法能較好地解決模糊的、難以量化的問題,結(jié)果清晰,能把定性轉(zhuǎn)化為定量,是進(jìn)行生態(tài)評價的有力工具。然而,目前熵權(quán)法和模糊評價法相結(jié)合的評價研究較少,缺乏基于區(qū)域城市相對健康狀況的健康水平分級。本研究選取四川18個城市進(jìn)行城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價和比較,其實證分析將有助于診斷城市生態(tài)系統(tǒng)的破壞或退化程度,為服務(wù)城市生態(tài)系統(tǒng)管理提供決策參考極具現(xiàn)實意義。

2研究區(qū)和數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)位于四川省中東部、南部(圖1),面積為18.9萬 km2,占四川省面積的39.0%,包括四川盆地、川西南山地、大巴山等地形單位。大部屬亞熱帶濕潤氣候,季風(fēng)氣候明顯,西部邊緣在地形作用下,以垂直氣候帶為主。2010年末,研究區(qū)戶籍總?cè)丝诠? 326.4萬人,占全省人口的92.5%。市區(qū)面積32 665 m2,其中建成區(qū)1 340.7 m2,占全省的82.3%。2010年末地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)16 403.3億元,占全省的95.5%,形成14∶51∶35產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)格局。

本文采用的數(shù)據(jù)皆來源于2011年《四川統(tǒng)計年鑒》。由于數(shù)據(jù)的可得性和評價要素的屬性差異,部分?jǐn)?shù)據(jù)的范圍存在空間差異。

3研究方法

3.1　評價指標(biāo)體系構(gòu)建

評價指標(biāo)選取一般遵循科學(xué)性和簡便性兩大原則。城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)評價所選取的指標(biāo)應(yīng)能反映系統(tǒng)的綜合性、整體性,既要考慮自然,也要考慮人文因素;應(yīng)選取能表征城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平和變化的要素和因子;選取的指標(biāo)能在空間、時間等維度上進(jìn)行比較;所選指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)能通過調(diào)查、統(tǒng)計、遙感等手段獲得。

圖1　研究區(qū)范圍和城市位置

根據(jù)活力-組織力-恢復(fù)力(VOR)理論,結(jié)合城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的特征,構(gòu)建活力-組織結(jié)構(gòu)-恢復(fù)力-服務(wù)功能-人群健康(VORSP)評價模型?；盍χ赋鞘猩鷳B(tài)系統(tǒng)的活性、代謝力和生產(chǎn)力,用經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力、消費力、流動力來表示;組織結(jié)構(gòu)指城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由經(jīng)濟(jì)、社會、自然三大部分組成,可用經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、社會結(jié)構(gòu)和自然結(jié)構(gòu)來表示;恢復(fù)力是城市生態(tài)系統(tǒng)維持結(jié)構(gòu)、格局的能力,城市生態(tài)系統(tǒng)的自然分解者功能微乎其微,城市產(chǎn)生的大量廢物難以自然分解,主要靠廢物處理設(shè)施來處理,因此,可用城市廢物處理力;服務(wù)功能是指城市生態(tài)系統(tǒng)為人類生產(chǎn)、生活提供載體,城市的環(huán)境質(zhì)量的好壞及城市人群的生活便利程度直接影響著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的優(yōu)劣;采用人體健康和生活質(zhì)量來反應(yīng)人群的健康狀況。評價指標(biāo)體系由基準(zhǔn)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層組成(表1)。

表1　城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)、權(quán)重和分級標(biāo)準(zhǔn)

3.2　健康水平分級標(biāo)準(zhǔn)

將城市健康水平由好到差劃分為很健康、健康、臨界狀態(tài)(亞健康)、不健康和病態(tài)5級,分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ表示。以研究區(qū)同一指標(biāo)下各城市的平均、最好和最差水平為參考確定評價指標(biāo)的健康分級標(biāo)準(zhǔn)。以平均水平為臨界狀態(tài),很健康、健康(一般健康)是在亞健康的基礎(chǔ)上向好的方向浮動40%、20%,不健康、病態(tài)分別在亞健康的基礎(chǔ)上向差的方向浮動20%、40%,具體分級標(biāo)準(zhǔn)值見表1。

3.3　評價模型構(gòu)建

構(gòu)建評價模型是進(jìn)行評價的基礎(chǔ)和前提。一個合理城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型,既能夠反應(yīng)時間變化,也能夠進(jìn)行橫向比較。采用的評價模型為:

H=W×R

(1)

式中:H為評價結(jié)果,W為評價指標(biāo)對城市生態(tài)系統(tǒng)健康程度的權(quán)矩陣,R為城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)對各級健康標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度矩陣。

3.3.1評價指標(biāo)權(quán)重確定

各評價因子權(quán)重影響評價的結(jié)果和效果,合理的權(quán)重能客觀反應(yīng)實際情況,使評價達(dá)到目的。常用確定權(quán)重的方法有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法包括專家打分法和德爾菲法等?？陀^賦權(quán)法包括熵權(quán)法、主成分分析法等。采用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重,計算過程如下:

首先,對各城市評價指標(biāo)的判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理,歸一化處理公式如下:

(2)

式中:xi,max、xi, min分別為同指標(biāo)下不同城市的最大值、最小值,cij表示i城市的j指標(biāo)歸一化后的值,i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

其次,根據(jù)熵值理論,若n個城市樣本有m個評價指標(biāo),則城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)熵值計算公式為:

(3)

(4)

為使Infij有意義,根據(jù)健康評價的實際意義,當(dāng)fij=0時,可理解Infij為一個較大的數(shù)值,與Infij相乘趨向于0,故可認(rèn)為fij=0;但fij=1時,fij=0,這與熵反映的信息無序化程度相違背,故需對fij加以修正,修正后的公式如下:

(5)

最后,計算各評價要素指標(biāo)的熵權(quán)wj,公式為:

(7)

3.3.2隸屬函數(shù)建立

城市生態(tài)系統(tǒng)健康內(nèi)涵明確、外延模糊,是典型的模糊概念,因此,可根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價,即用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體的評價。

Cij表示i城市的j指標(biāo)的歸一化實際值。S表示健康分級標(biāo)準(zhǔn),共分5個等級,其中S1表示很健康,S2表示健康,S3表示亞健康,S4表示不健康,S5表示病態(tài)。隸屬度計算方法如下:

對正向指標(biāo):

當(dāng)Cij

當(dāng)Sj

當(dāng)Cij

對負(fù)向指標(biāo):

當(dāng)Cij>S1時,ri1=1,ri2=ri3=ri4=ri5=0;

當(dāng)Sj>Cij>Sj+1時,rij=(Sj+1-Cij)/(Sj+1-Sj),rij+1=(Cij-Sj)/(Sj+1-Sj),其他健康等級的隸屬度為0;當(dāng)Cij>S5時,ri5=1,ri1=ri2=ri3=ri4=0。

將各指標(biāo)實際值帶入隸屬函數(shù),計算隸屬度判斷矩陣:

(8)

最后,根據(jù)(1)式,模糊數(shù)學(xué)模型可表示如下:

(9)

式中:⊙表示有界積運算;w表示加權(quán)矩陣,w=(w1,w2,w3,L,wj);rij表示隸屬度。

4評價和分析

4.1　權(quán)重分析

將各項數(shù)據(jù)帶入熵權(quán)法公式,求得各指標(biāo)的權(quán)重值(表1)。從表1可累加出指標(biāo)體系基準(zhǔn)層和準(zhǔn)則層的權(quán)重,活力最大(30.30%),主要貢獻(xiàn)來自于生產(chǎn)力和流動力,二者都接近10%;其次是組織結(jié)構(gòu),占25.11%,主要是由社會結(jié)構(gòu)(13.53%)造成的;服務(wù)功能、人群健康分別占17.06%、16.76%;恢復(fù)力最小,僅為11.07%,體現(xiàn)了城市生態(tài)系統(tǒng)活性、代謝力、生產(chǎn)力及多樣性等所含信息量大,在綜合評價中所起作用理當(dāng)越大。

4.2　城際分析

通過模糊綜合數(shù)學(xué)法,求得各城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平隸屬度(圖2~4)。

從圖2(a)可以看出,成都、攀枝花處于很健康;德陽、綿陽、廣元、樂山、宜賓、資陽處于臨界狀態(tài),即亞健康水平;巴中處于病態(tài);其余城市不健康。

圖2　各城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況

為更好地突出各城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平的差異,將隸屬指數(shù)進(jìn)行合并比較。狹臨界狀態(tài):將很健康和健康的隸屬指數(shù)合并為Ⅰ-Ⅱ健康,將不健康和病態(tài)的隸屬指數(shù)并為Ⅳ-Ⅴ不健康,如圖2(b),可以看出,成都、攀枝花很健康,德陽、綿陽、樂山、宜賓城市亞健康,而其他城市屬于Ⅳ-Ⅴ不健康狀態(tài)。寬臨界狀態(tài)型:將一般健康、不健康和臨界狀態(tài)的隸屬指數(shù)合并為Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ臨界狀態(tài),如圖2(c),可以看出,成都屬于很健康,其他城市屬于Ⅳ-Ⅴ不健康狀態(tài)。

從上述分析可看出,成都城市生態(tài)系統(tǒng)很健康,領(lǐng)跑18城市;攀枝花、綿陽、德陽、宜賓、樂山也居前列;巴中極不健康。

4.3　區(qū)際分析

按慣例將研究區(qū)分為4個次級區(qū)域,分析研究區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平的地域差異。圖3表明,攀枝花地區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平最高,屬于很健康;成都經(jīng)濟(jì)區(qū)的城市處于健康水平;川南地區(qū)城市處于臨界狀態(tài);川東北地區(qū)城市處于不健康水平。

圖3　次區(qū)域城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況

從圖4看出,成都經(jīng)濟(jì)區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)很健康,組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力、服務(wù)功能和人群健康都健康,活力表現(xiàn)強勁。川南地區(qū)城市活力、組織結(jié)構(gòu)和人群健康處于臨界狀態(tài),恢復(fù)力、服務(wù)功能處于不健康,流動力、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、環(huán)境狀況不容樂觀。川東北地區(qū)城市活力處于病態(tài),組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力、人群健康處于不健康,服務(wù)功能處于臨界狀態(tài)。攀枝花地區(qū)城市活力和人群健康很健康,組織結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能健康,恢復(fù)力處于臨界狀態(tài),經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、流動力和環(huán)境狀況是主要瓶頸。

圖4　不同指標(biāo)層級下次區(qū)域城市生態(tài)系統(tǒng)分指標(biāo)健康狀況

圖2、圖4(e1)和(e2)表明,研究區(qū)18個城市總體處于亞健康水平,城市生態(tài)系統(tǒng)活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力和人群健康處于亞健康,服務(wù)功能處于健康水平。主要優(yōu)勢是具有很強經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力,服務(wù)功能良好;主要的劣勢是經(jīng)濟(jì)消費力、流動力不足造成的活力不強,以及經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不合理。

5結(jié)語

(1)熵權(quán)法與模糊數(shù)學(xué)法結(jié)合能有效避免評價指標(biāo)主觀性,結(jié)果清晰。根據(jù)研究區(qū)實際情況建立了城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系,采用改進(jìn)的熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重,能較客觀地反映各個指標(biāo)所含真實信息量的大小,克服了以往評價方法上人為主觀干擾,同時應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法建立了評價模型,使評價結(jié)構(gòu)更符合客觀實際,評價結(jié)果能基本反映區(qū)域城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況、地域差異和主要問題。

(2)研究結(jié)果表明:研究區(qū)域城市生態(tài)系統(tǒng)總體處于亞健康水平,健康水平城際差異大,成都為首,巴中為尾;健康水平區(qū)際差異大,成都經(jīng)濟(jì)區(qū)優(yōu)于川南地區(qū),川南地區(qū)好于川東北地區(qū)。主要優(yōu)勢是具有很強經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能良好;主要的劣勢是經(jīng)濟(jì)消費力、流動力不足造成的活力不強,以及經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不合理;健康水平地域差異的主要驅(qū)動力是城市生態(tài)系統(tǒng)的活力。縮小區(qū)域差異提高內(nèi)需能力,深化對外開放,優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu),是緩解區(qū)域差異、提升水平的可能出路。

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Assessment of Urban Ecosystem Health Based on Entropy Weight and Fuzzy

Mathematical Method

Xiang Liu

(CollegeofResourcesenvironmentandTourism,CapitalNormalUniversity,Beijing

100048,China)

Key words:UEH assessment;fuzzy mathematical method;entropy weight;spatial comparison