基于集对分析与可变模糊集的合肥市生态环境评价

李彩丹，闫晓明，张 洁，何成芳

(1.合肥学院，安徽 合肥 230601； 2.安徽省农业科学院 棉花研究所，安徽 合肥 230031)

基于集对分析与可变模糊集的合肥市生态环境评价

李彩丹1，闫晓明2*，张 洁1，何成芳2

(1.合肥学院，安徽 合肥 230601； 2.安徽省农业科学院 棉花研究所，安徽 合肥 230031)

通过对合肥市2010—2015年的生态环境数据进行调查，构建评价指标体系，运用集对分析与可变模糊集建立城市生态环境评价模型，确定权重，对合肥市生态环境健康状况进行评价。结果表明，合肥市2010—2015年的生态环境总体来说得到改善，但是形势仍然非常严峻，处于“临界状态”，有待于进一步改善。

城市生态环境； 环境评价； 集对分析模型； 可变模糊集模型； 熵权法

城市生态环境是根据城市的特点发展起来的，是人类社会、经济、文化以及周围环境的总称[1]。随着科学技术和工业化进程的迅速发展，城市生态环境问题日趋严重[2]，并影响到城市生态系统的服务功能和人类生产活动，引起人类社会的普遍关注，必须采取必要的生态管理措施使之恢复到健康状态[3]。

20世纪60—70年代，全球生态环境日趋恶化，人类社会的生存与发展面临巨大挑战。20世纪70年代末，Odum提出了生态系统健康这个概念[4]。Costanza提出由活力、组织力和恢复力构成的生态系统健康指数[5-8]，开创了生态系统健康评价指标综合化的先河。国内对于城市生态环境评价的调查研究起步较晚，主要是从组织结构、活力、服务功能、恢复力、人群健康5个方面建立指标体系[9]，运用层次分析法得到要素权重，带入基于模糊数学建立的评价模型得出各城市的健康水平，最终从整体和单要素2个方面对城市环境的健康水平进行比较。

城市生态环境评价的关键在于建立适宜的评级指标体系。然而国内外许多学者的研究都是从单方面进行横向或纵向评价，很少对评价指标系统做整体性评价。本文基于集对分析和可变模糊集评价模型，综合利用城市生态环境评价指标样本值与评价标准等级间各单指标联系度的评价信息，不仅对单指标进行评价与比较，还对评价指标系统做整体性评价，评价结果可为生态环境改善提供科学依据，同时也可为类似研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

合肥市，安徽省省会，位于安徽省中部，31°52′N，117°17′E，是安徽省的政治、经济、文化、科教、商贸、交通和信息中心[10]。合肥享有“三国故地、包拯家乡、淮军摇篮、科教基地、滨湖新城”之美誉，因东淝河与南淝河由此发源，故曰“合肥”，又因明清时为庐州府治所在，故别称“庐州”[11]。随着城市化进程的不断加快，合肥市的生态环境受到了严重的破坏，城市环境污染已经不是局部问题：耕地面积日益减少且严重退化；水体污染状况普遍存在，污水治理形势严峻；固体废物处理难度较大；有害气体排量日益增加；生态系统平衡被严重破坏……生态环境问题的处理已经迫在眉睫。

1.2 数据来源

本文以合肥市为研究对象。指标数据来源于《安徽省统计年鉴》《合肥市统计年鉴》《环境质量状况公报》《固体废物污染环境防治公报》，以及合肥市《国民经济和社会发展统计公报》、前瞻网等。

1.3 合肥市生态环境评价的指标体系和评价模型

1.3.1 指标体系构建

城市生态环境评价指标体系旨在评价由城市区域内的社会、经济、文化、环境及政治等因素相互作用而引起的人群生态环境健康状况、社会健康和社会福利状况，以及生态系统完整性的变化情况[12]。

本文从影响合肥市生态环境健康评价的根源出发，在遵循评价指标选取系统性、科学性、可操作性、前瞻性原则的基础上，根据国内外学者在城市生态系统健康评价方面的研究，以及合肥市社会、经济、生态环境的特征，选择城市的活力、组织结构、恢复力、服务功能、人群结构5大要素，再分别设定每个要素相对应的指标，具体地：活力包括人均GDP、GDP增长率、人均日生活用水量，组织结构包括森林覆盖率、建成区绿化覆盖率、高新科技产值占工业产值比重、第三产业比重、人口密度，恢复力包括城市污水处理率、工业固体废物利用率、环保投资占GDP比重，服务功能包括城市人均公共绿地、城市人均居住面积、城市人均道路面积，人群结构包括恩格尔系数、人口自然增长率、每万人高等学历人数，合计17个指标，构建合肥市生态环境健康评级指标体系(图1)。

图1 城市生态环境评级指标体系

1.3.2 集对分析与可变模糊集的评价模型

1)构建合肥市生态环境评价指标体系(图1)。

2)利用熵权法分析指标体系的权重[13]。

3)根据合肥市生态环境的社会属性和自然属性，将评价指标标准化。

4)利用集对分析计算合肥市生态环境评价样本与各评价等级的联系度。具体模型如下。

设样本的评价指标1,2,…，t1处于等级k中，则同一度α为：

(1)

上式中ωj为第j个指标归一化后的权重。

设样本的评价指标t1+1，t1+2，…，t2处于等级k相隔等级中，则对立度c为：

(2)

设样本的评价指标t1+1，t1+2，…，m处于等级k相邻等级中，则单指标的差异度bj=ωj，j=t2+1,t2+2,…，m，单指标差异度系数Ij为：

(3)

式(3)中：xj∈grad(k-1)表示指标值落入等级(k-1)中；xj∈grad(k+1)表示指标值落入等级(k+1)中，sk,j表示j指标k等级的值。

城市生态环境评价指标联系度u为：

(4)

式中a、b、c为联系度分量，J为对立度系数，恒为-1。

5)根据集对分析与可变模糊集模型的方法，以及具体操作步骤，将与等级k的联系度uk作为此评价等级的相对差异度[14]，利用下式计算隶属度υk：

υk=(1+uk)/2。

(5)

6)测算城市生态环境健康评价等级h[15]，计算公式如下：

(6)

1.4 合肥市生态环境评价等级确定

设合肥市生态环境评价对象空间集合A=(城市生态环境评价指标)，属性空间集合B=(城市生态环境评价标准)。m(1≤m≤5)代表一级系统，mq(1≤m≤5，1≤q≤5)代表第m个一级子系统下第q个指标。设Im代表城市生态环境一级子系统评价指标，Imq代表城市生态环境二级子系统评价指标，Imq的测量值为tmq。设评价等级为n级，则有评价集合C=(C1,C2,…,Cn)，其中C构成属性空间B的一个有序分各类，且存在集合C为递减序列集合。在以上假设的基础上进行计算，步骤如下。

1.4.1 二级评价指标n元联系度的确定

城市生态环境二级评价指标Imq的n元联系度为：

υmq=rmq1+rmq2i1+rmq3i2+…+rmq(n-1)in-2+rmqnJ。

(7)

式中，υmq代表二级评价指标Imq的n元联系度，rmqL∈[0,1](1≤m≤5，1≤q≤5，I≤L≤n)是城市生态环境二级评价指标Imq相对于Cl等级的联系度分量。

1.4.2 一级评价指标n元联系度的确定

城市生态环境一级评价标准Im的n元联系度为：

υm=rm1+rm2i1+rm3i2+…+rm(n-1)in-2+rmnJ。

(8)

1.4.3 总指标n元联系度的确定

城市生态环境总的指标n元联系度为：

υm=rm1+rm2i1+rm3i2+…+rm(n-1)in-2+rmnJ。

(9)

1.4.4 评价指标n元联系度主值的确定

设υm=rm1+rm2i1+rm3i2+…+rm(n-1)in-2+rmnJ为合肥市城市生态环境评价的n元联系度，由于υ∈[-1,1]，根据平均分配原则，可将υ∈[-1,1]区间n-1等分，当in-2，in-I,…,i2，i1从左至右依次取n-1个分点值及J=-1时，得到的城市生态环境评价n元联系度的值，称为n元联系度的主值，记作：

(10)

1.4.5 评价等级的确定

根据平均分配原则，按照可将城市生态环境评价的标准按照取值区间[-1,1]进行n等分，等分后从左至右每个区间依次分别对应C1,C2,…,Cn，一共n个等级，即：

本文将合肥市生态环境指标体系等级标准分为1～5级，取值区域分别为[-1,-0.6]、[-0.6,-0.2]、[-0.2,0.2]、[0.2,0.6]、[0.6,1]，分别对应于城市生态环境等级标准的不健康、较不健康、临界状态、较健康、健康5个级别。

2 结果与分析

2.1 评价指标体系构建

合肥市2010—2015年的生态环境评价指标数据如表1所示。

采用熵权法计算合肥市生态环境评价的指标权重系数，并对合肥市生态环境评价指标进行科学系统的评价分级，结果如表2所示。

2.2 合肥市生态环境评价等级划分

将2010—2015年合肥市生态环境评价指标的各数据按照生态环境评价标准分界点进行等级划分(表3)，计算隶属度υk，确定生态健康等级。结果如表4所示。

表1 合肥市2010—2015年生态环境评价指标数据

表2 合肥市生态环境评价的指标体系及权重

表3 合肥市2010—2015年生态环境评价指标数据

表4 合肥市生态环境评价等级划分

2010—2015年合肥市生态环境健康总指标联系度主值的排列结果为υ2015>υ2012>υ2013>υ2011>υ2014>υ2010，这表明合肥市生态环境状况在2011年和2012年得到了改善，而在2013年和2014年环境持续恶化，在2015年环境状况出现好转，总体呈现改善的趋势。

2010—2015年合肥市生态环境健康状况均处于临界状态。在2011年和2012年环境状况逐步好转，主要是由于：一方面，GDP增长快，带动了经济的快速发展；另一方面，城市污水处理率明显提高，环境问题得到改善。2013年和2014年由于合肥市GDP增长缓慢，工业、农业的发展产生了大量的废弃物，固体废弃物处理率降低、城市污水处理率明显降低，导致环境急剧恶化。2015年环境状况明显得到了改善，主要得益于新环保法于2015年1月1日起开始执行。新的环保法针对超标排放、非法偷排、逃避检测行为，制定了严格的惩罚制度。另外，伴随着对环保知识的大力宣传和大量的资金投入，以及新技术的研发，人们的环保意识大大提高，污染物产生量减少，环境治理水平提高，环境逐步改善。

3 小结

通过建立集对分析和可变模糊集模型，对合肥市2010—2015年生态环境健康状况进行综合评价。结果表明，合肥市生态环境状况整体不断改善，但2010—2015年均处于临界状态，生态环境形势依然非常严峻，有待于进一步改善。

[1] 张宇. 哈尔滨群力新区湿地公园对区域生态系统要素影响的研究[D]. 哈尔滨：东北林业大学, 2014.

[2] 冯璇. 山西省城市化与生态环境协调发展研究[D]. 太原：山西大学, 2013.

[3] 叶梦. 环太湖地区城镇生态健康评价与调控研究[D]. 苏州：苏州科技学院, 2008.

[4] ODUM E P, FINN J T, FRANZ E H. Perturbation theory and the subsidy-stress gradient[J]. Bioscience, 1979, 29(6):349-352.

[5] ROSE E P D, WILTON J W, SCHAEFFER L R. Accounting for pretest environment and selection in estimating breeding values for station-tested beef bulls[J]. Economic History Review, 1988, 66:635-639.

[6] SPIEGEL J M, BONET M, YASSI A, et al. Developing ecosystem health indicators in Centro Habana: a community-based approach[J]. Ecosystem Health, 2001, 7(1):15-26.

[7] MAGEAU M T, COSTANZA R, ULANOWICZ R E. Quantifying the trends expected in developing ecosystems[J]. Ecological Modelling, 1998, 112(1):1-22.

[8] COSTANZA R, NORTON B G, HASKELL B D. Ecosystem health: new goals for environmental management[M].Washington D C, US: Island Press, 1992.

[9] 赵帅. 城市生态系统健康评价模型及其应用[D]. 天津：天津大学, 2012.

[10] 杨敏和. 合肥市城市色彩景观的多样性和特征性研究[D]. 合肥：合肥工业大学, 2010.

[11] 童伟. 合肥会展旅游发展研究[D]. 合肥：安徽大学, 2010.

[12] 曹颖. 开封城市生态系统健康评价[D]. 开封：河南大学, 2011.

[13] 赵克勤. 集对分析及其初步应用[J]. 大自然探索, 1994(1):67-72.

[14] 宗刘良. 基于实测数据的深基坑变形可变模糊等级评价研究[D]. 大连：大连理工大学, 2014.

[15] 桑燕鸿, 陈新庚, 吴仁海,等. 城市生态系统健康综合评价[J]. 应用生态学报, 2006, 17(7):1280-1285.

2017-09-24

国家科技支撑计划(2012BAD14B13)；合肥学院研究生创新研究项目(2017CX04)

李彩丹(1993—)，女，河南南阳人，硕士研究生，从事固体废弃物处理与处置方面的研究工作，E-mail:2551439838@qq.com。

闫晓明(1963—)，男，安徽合肥人，研究员，学士，从事农业环境与农产品质量安全方面的研究工作，E-mail:582511625@qq.com。

文献著录格式：李彩丹，闫晓明，张洁，等. 基于集对分析与可变模糊集的合肥市生态环境评价[J].浙江农业科学，2017，58(12)：2116-2120.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171211

F062.2

A

0528-9017(2017)12-2116-05

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