基于熵权物元分析法的城市生态安全水平动态评价——以武汉市为例

■ 李德胜/吕 炎/胡学东

（中国地质大学（武汉）公共管理学院，湖北 武汉 430074）

基于熵权物元分析法的城市生态安全水平动态评价
——以武汉市为例

■ 李德胜/吕 炎/胡学东

（中国地质大学（武汉）公共管理学院，湖北 武汉 430074）

以武汉市为研究对象，利用压力——状态——响应概念模型，构建城市生态安全评价指标体系，采用熵权法确定权重，运用物元分析法对武汉市生态安全水平进行了分析和评价，反映武汉市2006-2013年的生态安全水平动态变化情况。结果表明：2006-2013年武汉市城市生态安全水平经历了从“比较安全”跃升为“理想安全”的变化过程，总体状况趋于良好；武汉市生态安全水平并不稳定，城市生态系统仍受到多个不利因素的胁迫，若不及时加以限制，生态安全等级有滑落的风险；基于熵权物元模型的评价方法，不仅能够得到综合质量信息，还能揭示单指标的变化趋势，得出的生态安全评价结果较为切合实际，为今后针对性地进行城市生态建设和维护提供参考。

城市生态安全；动态变化；熵权法；物元分析；武汉

0 引言

城市生态系统具有脆弱性和不稳定性的特点，城市生态问题不仅影响生态环境本身，还容易削弱城市的社会功能[1，2]。城市生态安全是指城市生态系统的结构和功能完整性得以维持和稳定，能够满足城市持续生存和发展需求的一种状况，它是一个国家或地区生态安全的重要基础和核心。开展城市生态安全的多角度研究，能够及时了解城市生态安全水平的现状和变化趋势，为城市经济社会的可持续发展提供理论依据。

生态安全评价是生态安全问题研究的基础与核心，众多学者在评价指标体系构建、评价方法、等级划分等方面进行了有益的研究[3-5]。以往的研究较多采用简单的综合指数评价法，该方法的缺点在于容易遗漏指标之间的评价信息[6]。其他常用的生态安全评价方法还有模糊综合评价法[7]、物元分析法[8]、灰色关联度法[9]、能值分析法[10]等，还有部分学者尝试景观生态模型和数字地面模型的方法[11]。城市生态安全具有很强的不确定性和模糊性，其水平高低无法直接进行判断。在进行生态安全评价这类具有模糊性的研究中，物元分析法更具优势，它通过物元变换可解决各指标间的不相容问题，有效弥补模糊数学评价方法中容易遗漏单指标分异信息的缺点，提高评价结果的客观性和科学性[12]。

以武汉市为例，从压力、状态、响应三方面构建城市生态安全评价指标体系，综合运用熵权法和物元分析法对城市生态安全水平进行评价，客观全面反映武汉市城市生态安全状况，探求城市生态系统的可持续性状态，以期为城市生态安全评价的方法拓展和未来的城市生态文明建设提供参考。

1 城市生态安全评价的物元分析方法

物元分析法是一种可拓数学方法，由我国学者蔡文教授提出，在多因子评价中有很强的适用性，它不仅能够对城市生态安全综合水平进行评价，还可以对单项指标的安全等级进行评定，有利于针对性地分析问题和提出对策。利用物元分析理论构建城市生态安全评价物元模型的基本步骤如下（详细步骤参见参考文献[13，14]，本文从略）：

(1)确定城市生态安全物元。以有序三元组R=(M，c，v)描述城市生态安全物元，M为城市生态安全，即物元，c和v分别代表城市生态安全特征及其量值。

(2)确定城市生态安全的经典域和节域。分别构建城市生态安全的经典域物元矩阵Rj和节域物元矩阵Rp，经典域为Vji，节域为Vpi，且VjiVpi。

(3)确定城市生态安全待评物元，用Mx表示。

(4)确定城市生态安全指标关联函数和关联度。关联函数用代数的方式表示，以使不相容问题能被定量化。

(5)待评对象综合关联度的计算和等级确定。

待评对象Mx的综合关联度利用式（1）进行确定：

式（1）中：Kj(Mx)为待评对象关于等级j的综合关联度；kj(vi)为指标vi关于评价等级j的单指标关联度；wi为各指标的权重。

指标权重选择客观赋值的熵权法[15]进行确定：

通过以上步骤，可测算出各指标关联度及待评对象的综合关联度，借此判定城市生态安全的等级。若kji=max[kj(vi)]，j∈(1，2，…，m)，则判定指标i属于安全等级j；若Kjx=max[Kj(Mx)]，j∈(1，2，…，m)，则判定待评对象Mx属于安全等级j。关联度K(x)的取值范围为（-∞，+∞），它的大小表征了待评对象Mx隶属于某一等级的程度：当K(x)≤-1时，表示Mx不符合某等级标准的要求，且不具备转化的条件；当-1≤K(x) ≤0时，表示Mx不符合某等级标准的要求，但具备转化的条件，且数值越大，潜力越大；当0≤K(x)≤1时，表示Mx符合某等级标准的要求，且数值越大，符合程度越高；当K(x)≥1时，表示Mx超过某等级标准，且数值越大，超出程度越高。

2 城市生态安全评价指标体系的构建及物元评价经典域的确定

2.1 指标体系的构建

在界定城市生态安全概念的基础上，依据指标数据的可得性和评价方法的可操作性，采用压力（Pressure)-状态(State)-响应(Response)模型[16，17]构建城市生态安全指标体系，将影响城市生态安全的因素归纳为压力、状态和响应三个方面，共选用反映城市生态安全特征的24个评价指标，构建包含目标层（A）、要素层（B）、指标层（C）三个层次的城市生态安全评价指标体系（表1）。

2.2 城市生态安全物元评价经典域的确定

依据城市生态安全水平的可拓性，将其划分为4个等级，分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，定性描述为：M01=＜理想安全＞，M02=＜较安全＞，M03=＜临界安全＞，M04=＜不安全＞。经典域的确定主要参考以下标准：环境保护部《生态县、生态市、生态省建设指标（修订稿）》的标准值、国际通行标准值、全国平均水平、国内其他区域相关研究标准值[4，18，19]。武汉市城市生态安全评价的经典域复合矩阵Rj和节域矩阵Rp分别如下：

3 城市生态安全评价研究实例

3.1 研究区概况及数据来源

武汉市位于江汉平原东部，是湖北省政治、经济、文化中心，也是我国中部地区的中心城市。近年来武汉市国民经济保持平稳快速增长势头，但在经历快速城市化的同时，也面临着雾霾严重、水质恶化、人地矛盾紧张、城市生态功能退化等问题，城市生态安全水平日益受到威胁。

本文基础数据主要来源于研究年份（2006-2013年）的《湖北统计年鉴》《武汉统计年鉴》《中国城市统计年鉴》，以及相关年份的武汉市环境状况公报和武汉市水资源公报。

表1 武汉城市生态安全评价指标体系和权重

3.2 评价结果与分析

将待评物元输入到物元模型中，即可输出得到相应的计算结果。限于篇幅，以2006年的C1指标（人口密度）为例，介绍该模型的计算方法。将待评物元v1=964输入相应关联函数式中，得到该指标对应各等级的关联度分别为：K1(v1)=-0.316、K2(v1)=0.285、K3(v1)=-0.924、K4(v1)=-0.794，可判定武汉市该指标属于Ⅱ级，即处于“较安全”水平。同理可得其他指标的相应数值（表2）。在此基础上，将各指标对应的各等级的关联度和各指标的权重输入综合关联度函数计算公式，求得所有指标的综合关联度，分别为K1(p2006)=-0.406、K2(p2006)=-0.131、K3(p2006)=-0.215、K4(p2006)=-0.361，可判定武汉市2006年的城市生态安全等级为Ⅱ级，即处于“较安全”水平。同理可求得武汉市其他年份的城市生态安全等级（表3）。

结果显示，2006-2009年武汉市城市生态安全等级为Ⅱ级，即“较安全”水平，2010-2013年武汉市城市生态安全等级为Ⅰ级，即“理想安全”水平，城市生态安全水平整体上呈现跃升的趋势。-1≤ K2(p2009)＜K2(p2006)＜K2(p2008)＜K2(p2007)≤0，说明2006-2009年武汉市生态安全水平虽然可以被认定为“较安全”，但并不完全符合Ⅱ级标准的要求，更具备转化为Ⅱ级的条件；-1≤K1(p2010)＜K1(p2011)＜K1(p2012)≤0，说明2010-2012年武汉市生态安全水平虽然可以被认定为“理想安全”，但并不完全符合Ⅰ级标准的要求，更具备转化为Ⅰ级标准的条件；0≤K1(p2013)≤1，说明2013年武汉市生态安全水平符合Ⅰ级标准的要求，但数值较小，符合程度并不稳定。以上分析表明，自2006年以来，武汉市加快武汉城市圈一体化进程，并适时提出建设全国环保模范城市的举措，对武汉市城市生态安全水平的提高起到了积极的作用，但当前城市生态安全状况并不稳定，需要进一步巩固。

表2 武汉市2006年-2013年城市生态安全指标关联度

表3 武汉市2006年-2013年城市生态安全综合关联度

从单个指标来看，COD排放强度、人均GDP、城市生活污水集中处理率、生活垃圾无害化处理率等指标在2013年的等级水平比2006年有较大的提高，这些指标对武汉市城市生态安全水平的提升有重要贡献。而人口自然增长率、人均耕地、人均水资源量、空气质量优良率等指标的等级水平自2006年以后呈下降趋势，或维持在较低水平，成为制约武汉市城市生态安全水平提升的重要因素。需要特别指出的是，武汉市水资源总量丰富，但人均水资源量严重不足，2006年人均水资源量仅为255m，到2013年上升到401m，但仍远远低于国际公认的缺水警戒线，不足全国人均水资源量的1/4，成为制约武汉市生态安全水平的重要因素。此外，空气质量优良率过低是制约武汉市生态安全水平的又一重要因素，2006年武汉市空气质量优良率为74.8%，到2013年下降为43.8%，环境空气质量的陡降凸显了近年来武汉市城区雾霾加重的事实，对城市生态安全的压力不断加大。

4 结论与讨论

生态安全是一个动态变化的过程，结合生态安全现状和变化趋势的城市生态安全评价，更有利于反映生态安全的全面状况，增强生态建设决策的预见性。运用熵权物元分析法对武汉市2006-2013年间城市生态安全水平进行评估，该方法将关联函数从[0，1]闭区间拓展到(-∞，+∞)整个实数轴，极大地扩展了研究范围，运用该方法不仅能得到各年份的综合评价结果，还可以对各个参评因子进行量化处理，揭示各个单指标的分异信息，评价结果较为切合实际。

研究结果表明，武汉市2006-2013年城市生态安全水平，整体上呈现从“比较安全”向“理想安全”跃升的趋势，生态安全状况有了明显改善，这主要得益于武汉市在此期间大力发展经济，GDP总量大幅增加，并加大了城市环境整治的力度，严格控制工业“三废”的排放强度，人文响应比较及时。但武汉市生态安全水平仍显示出不稳定的状态，生态系统受到多重不利因素的胁迫：人地矛盾突出、环境空气质量不佳、土地与水资源压力过大等。在未来的城市发展中，武汉市应针对存在的问题，采取相应的调控措施，改善生态环境质量，提高土地利用效率，优化产业结构，努力维护和提高城市生态安全水平，实现武汉城市经济、社会和环境的协调发展。

不同的评价方法得出的评价结果可能大不相同，生态安全是一个涉及经济、社会、环境等多因素的动态演变过程，在当前没有统一的评价指标体系和分级标准的情况下，任何一种评价方法和评价模型都难以避免受到主观因素的影响，评价结果远不能做到绝对的全面、客观。因此，如何建立一套科学规范的指标体系和评价标准，需要多学科的理论和实践上的进一步研究。

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Dynamic Assessment of Urban Ecological Security Level on the Basis of Entropy Weight and Matter Element Model—Taking the Case of Wuhan

LI Desheng, LYU Yan, HU Xuedong
(School of Public Administration and Policy, China University of Geosciences, Wuhan Hubei 430074)

Regarding Wuhan as a research object, on the basis of Pressure-State-Response Model, this paper establishes an evaluation index system for urban ecologic security. Through determining weight by entropy-weighing method, and analyzing and evaluating ecological security level of Wuhan by the matter element analysis method; the dynamic changes of ecological security level between 2006 and 2013 in Wuhan has been ref l ected. The results show that: the city of Wuhan has undergone a change process from 2006 to 2013. This change process is from “relatively safe” up to “ideal security”; and general situation is tending towards good. However, we must have a keen awareness of the fact that ecological security level of Wuhan has yet to be considered stable, and urban ecosystems have been forced by multiple adverse factors. In the light of this, this paper points out that by using evaluation method based on entropy weight and matter element model, we can not only get comprehensive quality information, but also reveal the change trend of single index. In this way, we can get more realistic result of ecological security evaluation, which will provide reference for urban ecological construction and maintenance in the future.

urban ecological security; dynamic change; entropy method; matter element analysis; Wuhan

F062.2；F062.1

A

1672-6995（2015）10-0061-05

2015-08-06；

2015-08-28

李德胜（1987-），男，江西省赣州市人，中国地质大学（武汉）公共管理学院博士研究生，研究方向：城乡土地利用与评价、土地生态。