基于全排列多边形法的生态县建设评价探析——以山西省长治县为例

李 芳,张 红,王 兵

(山西大学环境与资源学院,山西 太原 030006)

生态县是社会经济和生态环境协调发展,各个领域基本符合可持续发展要求的县级行政区域。挖掘县域内一切可以利用的资源潜力,建设一个经济发达、生态高效的产业,体制合理、社会和谐的文化,以及生态健康、景观适宜的环境,是生态县建设的最终目标。笔者以山西省长治县为例,以国家环保总局制订的《生态市、生态县建设指标》为参考标准,采用全排列多边形综合图示法对长治县生态县建设进行了综合评价,得到了较为客观的结果,为长治县生态县建设提供参考依据,同时也为以资源利用型为主的中小城市的生态建设提供参考。

1 研究区域概况

长治县位于山西省东南部,地理坐标东经112°57′07″～113°11′48″,北纬 35°51′56″～ 36°10′13″.县境域长约 36 km,宽约 14 km,总面积 483 km2.其中山地面积 115 km2,丘陵面积 265 km2,平川面积103 km2,地域狭窄,人口稠密。属温带大陆性气候,气候温和,春旱多风,夏热多雨,秋凉早霜,冬冷干燥。长治县的经济主要是依托丰富的煤炭资源,其经济发展速度在长治市整个地区位居前列。2008年,在长治市生态市建设的指导下,为了落实全面、协调、可持续发展的观念,启动了长治县生态县建设规划。

2 研究方法

2.1 DPSIR模型

20世纪 80年代末,由经济合作和发展组织(OECD)与联合国环境规划署(UNEP)共同提出了 PSR概念模型,即环境指标的压力(Pressure)—状态(State)—响应(Response)。 1993年,OECD在 PSR基础上提出了 DPSIR模型,即驱动力(Driving force)—压力(Pressure)—状态 (State)—影响 (Impact)—响应(Response)的模型。在 DPSIR概念模型中,驱动力是造成环境变化的潜在原因;压力是指人类活动对其紧邻环境产生的影响,是环境的直接压力因子,如:废物排放、基础设施建设等;状态是指环境在压力下所处的状况,如:污染水平、土地退化程度等;影响是指系统所处的状态对人类健康和社会经济结构产生的影响;响应过程表明人类在促进可持续发展进程中所采取的对策,如:提高资源利用效率、减少污染、增加投资等。

笔者在对长治县生态县建设的可持续发展进行研究时,采用 DPSIR模型的概念体系对生态县建设的评价指标进行了筛选。根据长治县的实际情况,笔者在国家颁布的 22项生态县建设指标的基础上,结合长治县现状,在经济发展指标体系中添加了城镇居民年人均可支配收入、第三产业占 GDP比例等指标。在环境保护指标体系中,由于长治县的水环境质量和噪声环境质量均达到了功能区的要求标准,所以,省略了这两项指标,建立了长治县生态县建设的评价指标体系,见表1.

表1 长治县生态县建设评价指标

2.2 全排列多边形综合图示法

设共有 n个指标(标准化后的值),以这些指标的上限值为半径构成一个中心 n边形,各指标值的连线构成一个不规则中心 n边形。这个不规则中心n边形的顶点是 n个指标的一个首尾相接的全排列,n个指标总共可以构成(n一 1)!/2个不同的不规则中心 n边形。综合指数定义为所有这些不规则多边形面积的均值与中心多边形面积的比值。

指标值标准化采用标准化函数:

式中:U——指标 X的上限;

L——指标 X的下限;

T——指标 X的阈值。

根据上面 3个条件,可得:

标准化函数 F(X)把位于区间[L,U]的指标值压缩到[-1,+1]区间,且压缩后的值改变了指标的增长速度。当指标值位于阈值以下时,标准化后指标增长速度逐渐降低;当指标值位于阈值以上时,标准化后指标增长速度逐渐增加,即指标由没有标准化以前的沿 X轴的线性增长变为标准化后的由快—慢—快的非线性增长。

则指标标准化的计算公式为:

利用 n个指标可以作出一个中心正 n边形,n边形的 n个顶点为 Si=1时的值。中心点为 Si=-1时的值。中心点到顶点的线段为各指标标准化值所在区间,而 Si=0(Xi=T)时构成的多边形为指标的临界区。临界区的内部区域表示各指标的标准化值在临界值以下,其值为负;外部区域表示各指标的标准化值在临界值以上,其值为正,如图1所示。从图1上既可以看出各单项指标的大小及其与最大、最小、临界值的差距和随时间的变化动态,又可以从各指标两两组成的 n(n-1)/2个三角形计算其综合指标值。

图1 全排列多边形示意图

n个指标可以构成的以多边形中心为顶点的不同的三角形个数为:n(n-1)/2,其面积之和为:

式中: Si——分项指标 i的值;

Si+1——第 i个指标到中心的长度(指标的标准化区间为[-1,+1])。

则(n-1)!/2个指标共有 n(n-1)!/2=n!/2个三角形,总面积为:

而相应的(n-1)!/2个规则中心多变形的面积为(多边形的边长为 2):

二者比值即为全排列多边形综合指数:

式中:S——综合指标。

本研究中 S分别指经济发展指标、环境保护指标、生态建设指标。同样可以将综合指标 S进行标准化,再计算以 S为次级指标的更上一级指标值,即可持续发展指标。

3 结果分析

采用全排列多边形综合图示法对长治县生态县建设现状(2008年)和发展不同阶段(2010年,2015年,2020年)的各项指标进行标准化处理,按照不同的规划阶段,从经济发展、生态建设、环境保护和可持续发展综合指标方面对长治县生态县建设进行评价。

3.1 经济发展评价

长治县不同阶段的经济发展评价结果见图2.

图2 长治县经济发展综合评价

从图2可以得出,农民年人均纯收入、城镇居民年人均可支配收入、第三产业占 GDP比例、环保投入占 GDP的比例、主要有机农产品及绿色产品比重这 5项指标将随着规划时段的推移逐渐增长,单位工业增加值新鲜水耗随着规划年限的推移逐渐降低。综合指数(多边形面积)随着规划时段的推移逐渐增长,表明在规划期内长治县的经济会朝着更高更好的方向发展。

从各项指标的发展来看,长治县的农民年均人均可支配收入在 2008年已经达到了较高水平,但是工业增加值新鲜水耗、环保投入占 GDP的比例、第三产业占 GDP比例以及主要农产品有机及绿色产品比重还处在较低水平。结合实际调查可知,长治县经济发展主要是依靠第二产业的迅速发展。因此,在规划期内,长治县应进一步发挥优势条件,加快经济发展速度的同时,提高第一产业和第三产业在经济发展中所占的比重,从而促使经济的增长模式多元化,进一步提高长治县经济的综合水平。

3.2 生态建设评价

长治县不同阶段的生态建设评价结果见图3.

图3 长治县生态建设综合评价

从图3可知,2008年长治县生态建设还处于一个较低水平,随着规划年限的推移,生态建设水平也在不断提高。由于 2010年与基准年间隔时间较短,发展呈增长趋势,但速度比较缓慢。到 2015年,增长的速度明显提高,综合指数(多边形面积)与 2008年相比大幅度提高,2020年生态建设的综合指数将达到国家生态县建设的指标要求。

从各项指标的发展来看,长治县 2008年的森林覆盖率指标存在着较大的差距。因此,在规划期内,长治县应加大植树造林力度,增加城市的绿化面积,响应国家退耕还林政策,提高森林覆盖率,从而达到国家生态县建设的指标要求;受保护地区面积与国土面积比例、城镇人均公共绿地面积这两项指标与国家生态县建设指标的要求也存在差距,随着规划年限的增加,这两项指标将会稳步增长,最终达到生态县建设的要求。

3.3 环境保护评价

长治县不同阶段的环境保护评价结果见图4.

图4 长治县环境保护综合评价

由图4可知,长治县的环境保护综合评价总体指数在 2008年相对较低。随着规划年限的推进,SO2与 COD将继续保持较低的排放量;而规模化畜禽养殖场粪便综合利用率、城镇生活垃圾无害化处理率、工业固体废物处置利用率将会继续保持较高的百分比;集中式水源水质达标率、城镇生活污水集中处理率、工业用水重复率、农村生活用能中新能源所占比例、秸秆综合利用率、农村卫生厕所普及率、农业灌溉水有效利用系数将会随着规划年限的不断增长而增长。到 2020年,环境保护评价的综合指数会达到国家关于生态县建设的指数要求。

从各项指标的发展来看,以 2008年为基准年,长治县的空气质量基本达到指标的要求,即 SO2和COD的排放强度基本良好,集中式水源地水质的达标率和城镇生活污水集中处理率基本达到了百分之百的要求。但是,在农村生活用能中新能源所占的比例、秸秆综合利用率和农村卫生厕所的普及率等方面与指标要求还存在较大的差距,长治县应加大这几方面的建设。到 2015年,基本实现农村新能源利用比例、秸秆综合利用率、城镇生活污水集中处理率和工业用水重复率达到国家生态县建设的要求。到 2020年,各项环境生态指标均要达到国家生态县建设的要求。

3.4 生态县建设综合指标评价

长治县生态县建设综合指标评价结果见图5.

图5 长治县生态建设综合指标评价

由图5可知,2008年,长治县生态县建设指标的综合指数处于较低水平,整体生态评价综合指数为 0.302 7;到 2010年,长治县的整体生态水平有所提高,综合指数值达到 0.323 3,比 2008年基准年的综合指数提高了 6.8%;到 2015年,长治县各项生态指标的综合指数会有大幅度的提高,特别是在生态建设方面,其整体生态综合指数值为 0.357 7,与2010年相比提高了 10.6%;到 2020年,也就是规划期末,各项指标在 2015年的基础上稳步发展,其发展规模与 2015年的发展模式基本呈相似三角形,各项指标在达标后向着更平稳、更好的方向发展,与2015年的综合指数值相比提高了 36.1%,其综合指数值达到了 0.486 7.

与大丰市相比,长治县的基础综合指数较高,但长治县在生态建设和环境保护方面发展较为缓慢,这与长治县和大丰市所处的地理位置及自然环境相关。长治县是典型的北方城市,具有明显的北方城市的气候特点和自然环境特点,由于含有丰富的煤炭资源,经济的主要支柱是对煤炭的开采和利用。所以,本研究在长治县综合指标的评价上与大丰市等典型的南方城市有所不同。

4 结论

生态县建设是一项具有创新性的系统工程,必须统一规划,分阶段、科学地制定目标,合理地安排各项建设任务,制定切实可行的保障措施。通过分析可知,长治县在生态县建设的进程中既存在有利因素,也存在亟需改善的不利因素,特别是经济增长方式的单一化和以粗犷型煤炭开采为主的经济增长模式。因此,在生态县建设的规划当中,要以生态建设和环境保护为主要的生态县建设项目,同时改善粗犷型增长的经济模式。

通过分析可以看出,长治县生态县建设体系目标明确,指标体系和规划值设置合理。研究结果表明,长治县的生态县建设在保持经济增长不变的情况下,应改变生产模式、改善生态环境、增加第一产业和第三产业在经济结构中的比重。

[1] 李 峰,刘旭升,胡 聃,等.城市可持续发展评价方法及其应用[J].生态学报,2007,27(11):4 793-4 802.

[2] 李 峰,刘旭升,胡 聃,等.生态市评价指标体系与方法——以江苏大丰市为例[J].应用生态学报,2007,18(9):2 006-2 012.

[3] 曹红军.浅评 DPSIR模型[J].环境科学与技术,2005,6(28):110-126.

[4] 仝 川.环境指标研究进展与分析[J].环境科学研究,2000,13(4):53-55.

[5] Allen Hammond.Environmental Indicators:A Systematic Approach to Measuring and Reporting on Environmental Policy Performances in the Context of Sustainable Development[M].Washington D C,USA:World Resource Institute,1995.

[6] Organization of Economic Cooperation and Development.OECD Core set of Indicators for Environmental Performance Review[M].Paris:Environmental Monograph No.83,OECD,1993.