范萍,劉靜

基于數(shù)學(xué)模型的泰安市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價

范萍,劉靜

泰山職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 山東 泰安 271000

生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。我們從環(huán)境保護、自然環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展、社會環(huán)境的角度，選取了28個單項指標(biāo)，構(gòu)建了泰安市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系。運用層次分析模型確定各項指標(biāo)權(quán)重，并應(yīng)用模糊綜合評判模型分析2010~2016年間的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀。結(jié)果表明：七年來，泰安市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價等級值由1.7973到1.2636，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級由“良好”變“優(yōu)秀”，自2013年以來始終處于“優(yōu)秀”等級，評價結(jié)果符合泰安市的實際情況. 該研究為泰安市生態(tài)環(huán)境建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，為其他城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價提供一定的參考。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評估; 層次分析模型; 模糊綜合評判模型

黨的十九大報告提出，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，像對待生命一樣對待生態(tài)環(huán)境，實行最嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護制度，形成綠色發(fā)展和生活方式，為人民創(chuàng)造良好生產(chǎn)生活環(huán)境，為全球生態(tài)安全作出貢獻。生態(tài)環(huán)境由于人類的密集活動引起了城市環(huán)境污染與自然環(huán)境退化等嚴(yán)重問題，因此社會發(fā)展與環(huán)境保護之間的和諧關(guān)系成為城市發(fā)展急需解決的環(huán)境問題。城市生態(tài)環(huán)境是一個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，各層次子系統(tǒng)與各要素之間相互聯(lián)系，形成了多層次、多因子構(gòu)成的綜合性很強的統(tǒng)一體[1]。因此，泰安市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價要根據(jù)研究目的，在分析城市生態(tài)環(huán)境現(xiàn)況及問題基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)學(xué)者研究生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的相關(guān)文獻，構(gòu)建了合適的指標(biāo)體系與評價標(biāo)準(zhǔn)，運用合理的評價方法，對城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣情況進行了定性與定量相結(jié)合的分析與評價，以綜合治理環(huán)境污染，促進城市生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，以優(yōu)化城市發(fā)展與環(huán)境保護的關(guān)系，為泰安市的生態(tài)環(huán)境發(fā)展走上可持續(xù)道路提供有效依據(jù)。

1 評價指標(biāo)體系

生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)復(fù)雜，因子眾多，只有選擇合理的評價指標(biāo)因子，才能建立起層次分明的指標(biāo)體系，以保證評價研究結(jié)果的有效性。本文依據(jù)國家環(huán)境保護總局《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)(修訂稿)》，并且參考了李博等[2]提出的沈陽市生態(tài)環(huán)境指標(biāo)體系，李加林[3]對沿海城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價，陳淑清等[4]建立的濱州市環(huán)境指標(biāo)體系的研究成果。根據(jù)指標(biāo)選取的科學(xué)性、可比性、獨立性、層次性與可獲得性五個原則，以復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，建立了泰安市生態(tài)環(huán)境綜合評價指標(biāo)體系，該體系包括三個遞階的層次結(jié)構(gòu)：第一層為目標(biāo)層，為泰安市生態(tài)環(huán)境；第二層為準(zhǔn)則層，包括環(huán)境保護、自然環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展和社會環(huán)境四個質(zhì)量因素，它們共同決定著泰安市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣；第三層為指標(biāo)層，是表述準(zhǔn)則層可直接獲得的統(tǒng)計指標(biāo)，共計28個指標(biāo)（表1）。

表 1 泰安市生態(tài)環(huán)境評價指標(biāo)、評價標(biāo)準(zhǔn)及2016年實際指標(biāo)值

2 指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)

由于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量概念模糊，因此需要一定的標(biāo)準(zhǔn)作參考。確定指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的原則是：有標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)，應(yīng)采用國際或國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)；無標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)，首先參考國內(nèi)外城市的現(xiàn)狀值，其次依據(jù)現(xiàn)有的定量分析理論，最后參考現(xiàn)有的文獻資料來確定標(biāo)準(zhǔn)值。本文依據(jù)《國家環(huán)境保護模范城市考核指標(biāo)及其實施細(xì)則》中的環(huán)境保護模范城市考核指標(biāo)及生態(tài)市評價標(biāo)準(zhǔn)，參考國家及大量文獻的標(biāo)準(zhǔn)[5-8]，同時結(jié)合泰安市的實際情況，將指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)分為五個等級，分別用I、II、III、IV、V來表示優(yōu)、良、一般、差和較差。28個指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

3 評價方法

3.1 層次分析法

層次分析法由美國運籌學(xué)家Saaty教授提出，是定量與定性分析相結(jié)合解決復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)評價決策分析的通用方法，是利用一定標(biāo)度來客觀量化人的主觀判斷[9]。由于層次分析法在綜合評價中比較客觀，因此廣泛應(yīng)用于區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價等方面。層次分析法確定各項指標(biāo)權(quán)重的步驟如下：

3.1.2 層次單排序利用方根法求解判斷矩陣;計算判斷矩陣的特征根和特征向量，可得權(quán)重值。

3.1.3 檢驗判斷矩陣的一致性計算一致性指標(biāo)和一致性比例。

泰安市2010~2016年生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的實際數(shù)據(jù)主要來源于《山東省統(tǒng)計年鑒》，《泰安市統(tǒng)計年鑒》，《泰安市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，《泰安市環(huán)境狀況公報》等，個別數(shù)據(jù)采用城市指標(biāo)均值或結(jié)合泰安市歷年數(shù)據(jù)推算得出。如表1最后一列所示的即為泰安市2016年實際指標(biāo)數(shù)值。標(biāo)準(zhǔn)層權(quán)重見對應(yīng)指標(biāo)下方。

3.2 模糊綜合評判法

模糊綜合評價法建立在模糊數(shù)學(xué)原理上的一種多級評判模式，模糊集理論由美國控制論專家Zadeh LA創(chuàng)立。我國學(xué)者汪培莊根據(jù)此理論提出了模糊評價法，該法特別適合處理各種難以用精確數(shù)學(xué)方法描述的復(fù)雜系統(tǒng)問題。主要思路是：通過構(gòu)造等級模糊子集，將被評事物的模糊指標(biāo)量化；通過建立隸屬函數(shù)，確定出每個評價因子對評價標(biāo)準(zhǔn)等級的隸屬度；再運用綜合數(shù)學(xué)模型得出評價等級結(jié)果[11]。

4 實證分析

本文運用層次分析模型與模糊綜合評判模型對城市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行綜合評價，由于模糊綜合評判模型的使用需要設(shè)置指標(biāo)權(quán)重，權(quán)重反映了各因子對評價對象特性的貢獻度，只有對每一評價指標(biāo)給以合理的權(quán)重值，才能保證評價結(jié)果的準(zhǔn)確性與客觀性，而權(quán)重設(shè)置的方法不能過分單一、主觀，應(yīng)考慮學(xué)術(shù)界科學(xué)方法和泰安發(fā)展的實際，因此首先采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重；然后運用模糊綜合評判模型研究2010~2016年之間泰安市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級及環(huán)境質(zhì)量變化情況。

4.1 層次分析模型確定指標(biāo)權(quán)重

結(jié)合3.1中的三個步驟，根據(jù)表1建立的指標(biāo)體系，首先綜合多位專家意見與泰安市環(huán)境的實際情況，結(jié)合數(shù)據(jù)資料，量化各指標(biāo)因子之間的重要程度，加以平衡后得出判斷矩陣[2,12-14]；然后利用方根法計算矩陣的最大特征根,再分別計算與的值，檢驗結(jié)果均滿足<0.1，則判斷矩陣接近于完全一致性。上述運算過程結(jié)合Matlab軟件完成，限于論文篇幅，不再贅述具體運算過程，計算得出準(zhǔn)則層與指標(biāo)層各評價因子的權(quán)重值的結(jié)果如表1所示。

4.2 模糊綜合評判模型分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀

4.2.1 確立評判等級本文的因素集是泰安市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，分為環(huán)境保護因素1，自然環(huán)境因素2，經(jīng)濟發(fā)展環(huán)境因素3，社會環(huán)境因素4，即={1,2,3,4}。

四個因素子集分別為：1={11,12,13,…,17}，2={21,22,23,…,26}，3={31,32,33,…,37}，4={41,42,43,…,48}。

決策評判集合={優(yōu)，良，一般，差，較差}。

4.2.2 根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)確定隸屬函數(shù)首先建立隸屬函數(shù)，就是通過函數(shù)運算來確定每個因子對評價等級的隸屬程度。由于評價指標(biāo)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況變化可分為正向和逆向兩種關(guān)系，正向指標(biāo)是當(dāng)指標(biāo)數(shù)值越大，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好，反之則是逆向指標(biāo)。

（1）正向指標(biāo)的隸屬函數(shù)：

（2）負(fù)向指標(biāo)的隸屬函數(shù)：

其中：為各指標(biāo)的實際值，1，2，3，4，5分別表示生態(tài)環(huán)境各指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量等級I、II、III、IV、V；英文小寫字母a，b，c，d，e，f表示公式的編號。

根據(jù)表1中的評價標(biāo)準(zhǔn)和泰安市2016年生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的實際數(shù)據(jù)，構(gòu)造的模糊評價矩陣分別用1，2，3，4表示。

4.2.4 單因素評價利用層次分析模型確定出的指標(biāo)層各評價因子的權(quán)重值結(jié)果，將指標(biāo)層對準(zhǔn)則層指標(biāo)的評價作為第一級評價。如表1所示，指標(biāo)層X對準(zhǔn)則層X(=1,2,3,4)的權(quán)重分別為：

1={0.114 0.121 0.157 0.123 0.124 0.181 0.181}；2={0.282 0.041 0.101 0.175 0.330 0.071}；3={0.141 0.094 0.099 0.099 0.128 0.194 0.245}；4={0.195 0.192 0.083 0.083 0.137 0.106 0.119 0.085}

第一級評價計算公式：A=W·R(=1,2,3,4)；代入上面的數(shù)據(jù)計算得：

同理可得：2=2·2={0.282 0.3102 0.3274 0.0761 0.0043}；3=3·3={0.5032 0.1906 0.613 0 0.245}；4=4·4={0.422 0 0.2794 0.1252 0.1768}

因此

4.2.5 綜合評價層次分析模型確定出的準(zhǔn)則層各評價因子的權(quán)重值，將準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的評價作為第二級評價。如表1所示，準(zhǔn)則層X(=1,2,3,4)對目標(biāo)層的權(quán)重為：={0.3241 0.3457 0.2789 0.0513}。

（1）第二級評價的計算公式：=·={12345}；代入上面的數(shù)據(jù)計算得：

因此加權(quán)平均法計算得出泰安市2016年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評判等級值為1.2636，等級為“優(yōu)秀”。同樣的計算方法，可得到泰安市2010-2016年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果，如表2所示；并且根據(jù)表2作出了綜合評價及準(zhǔn)則層的四個分指標(biāo)的時間序列趨勢圖，如圖1所示。

表 2 泰安市2010-2016年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果

圖 1 泰安市2010~2016年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價趨勢分布

由圖1及表2可看出泰安市2010-2016年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價等級值在1.7983與1.2583之間，呈逐年減小的趨勢；質(zhì)量等級由“良好”變?yōu)椤皟?yōu)秀”；2010年，該城市的綜合評價等級值最大，為1.7973，接近于II級，屬于“良好”水平；2013年等級值為1.4634，基本界于“良好”與“優(yōu)秀”之間，略偏向于“優(yōu)秀”水平，2013年以來環(huán)境質(zhì)量始終處于“優(yōu)秀”等級，2015和2016年則基本持平。表明泰安市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體較好，主要原因是近年來政府不斷加大對環(huán)境整治力度，著力治理環(huán)境污染，取得了有效成果；這與環(huán)境保護指標(biāo)七年來處于 “優(yōu)秀”等級的分析結(jié)果是相一致的，符合泰安市實際情況。因此，采用層次分析模型設(shè)置權(quán)重，模糊綜合評價模型計算得到的評價結(jié)果具有一定的科學(xué)合理性。

結(jié)合圖1與表2，從準(zhǔn)則層來看，對于自然環(huán)境指標(biāo)，2010-2016年基本處于“良好”水平，等級值在2.8004與2.1362之間，呈逐年減小的趨勢；其中市森林覆蓋率、地表水水質(zhì)達標(biāo)率、年降水量、城市區(qū)域環(huán)境噪聲平均值等指標(biāo)數(shù)值級別偏低；經(jīng)濟發(fā)展指標(biāo)由前四年的“一般”轉(zhuǎn)為 “良好”水平，其中第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重與環(huán)保投資占GDP比重均較低；社會環(huán)境指標(biāo)由前兩年的“一般”逐漸向“良好”水平發(fā)展，城市人口密度，城鎮(zhèn)登記的失業(yè)率，恩格爾系數(shù)等指標(biāo)數(shù)值級別較低。由此看出，泰安市的自然、經(jīng)濟、社會的發(fā)展仍不夠協(xié)調(diào)，之間仍存在一定差距，環(huán)境投資較少，經(jīng)濟發(fā)展不均衡,在以后的生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護工作中要充分考慮經(jīng)濟發(fā)展、社會穩(wěn)定與保護自然生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系、環(huán)境投資的可持續(xù)性等方面加強措施。

總之，泰安市生態(tài)環(huán)境建設(shè)取得了很好的成效，2016年泰山區(qū)、新泰市已獲得“省級生態(tài)區(qū)市”命名，肥城市通過省級驗收待命名，全市建成省級以上生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)65個(其中國家級22個)、生態(tài)村2081個。泰安市環(huán)保工作繼續(xù)“生態(tài)優(yōu)先、污控前置、綠色發(fā)展”的城市開發(fā)建設(shè)原則，將按照“136”的總體思路進行：即圍繞“環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善，并保持在全省前列”的目標(biāo)，開展“藍(lán)天行動”、“碧水行動”和“凈土行動”三大行動，強化六項措施，推動環(huán)保系統(tǒng)法治政府建設(shè)邁上新臺階。以保證泰安市較好的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平保持可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)語

本文選擇層次分析與模糊綜合評判兩種模型的綜合運用對泰安市的生態(tài)環(huán)境進行有效的評價研究，其中層次分析模型定量確定了各項評價指標(biāo)的權(quán)重，通過模糊綜合評判模型計算出了泰安市2010-2016年這七年間的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級值及對應(yīng)的質(zhì)量現(xiàn)狀，科學(xué)性強，可信度高。并且進一步分析四個分指標(biāo)的變化情況，很好地說明了城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在時間序列上的動態(tài)變化，具有一定的科學(xué)合理性。應(yīng)用綜合評價模型判斷確定生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣情況，既明確了泰安市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，又發(fā)現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境中的主要問題，為改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，為制定城市生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護的決策提供了科學(xué)依據(jù)。該模型不僅可以實現(xiàn)泰安與山東其它城市生態(tài)環(huán)境的比較，而且為其他城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價提供一定的參考，因此，本文的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價具有非常重要的現(xiàn)實意義。

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Comprehensive Evaluation of Ecological Environment Quality in Taian Based on Mathematical Model

FAN Ping, LIU Jing

271000,

Ecological environment is the foundation of human existence and development. We selected 28 individual indexes from the point of view of environmental protection, natural environment, economic development and social environment, and constructed the evaluation index system of ecological environment quality in Tai’an. The analytic hierarchy process (ahp) model was used to determine the weight of each index, and the fuzzy comprehensive evaluation model was used to analyze the current situation of ecological environment quality from 2010 to 2016. The results show that the value of the environmental evaluation index converts from 1.7973 to 1.2636, while the rank converts from "good" to "excellent". The rank remains at the excellent level since 2013, which conforms to the reality in Tai’an. In the past seven years, the comprehensive evaluation grade of ecological environment quality in Tai’an has changed from 1.7973 to 1.2636, and the grade of ecological environment quality has changed from "good" to "excellent". The evaluation results are in line with the actual situation of Tai’an. The study provides scientific basis for the sustainable development of the eco-environment construction in Tai’an, and provides some reference for the environmental quality evaluation of other cities.

Ecological environment quality assessment; analytic hierarchy; fuzzy comprehensive evaluation model

O29

A

1000-2324(2019)04-0587-06

2019-01-25

2019-03-07

范萍(1967-),女,副教授,主要從事數(shù)學(xué)教學(xué)及其應(yīng)用研究. E-mail:fp1208@163.com