基于P-S-R-TOPSIS方法的青岛市海岸带生态安全评价研究

刘培德，徐洪雪

(山东财经大学管理科学与工程学院，山东济南 250014)

一、引 言

海岸带作为衔接陆地与海洋的桥梁，是地球表面最为活跃的自然区域，拥有很高的能量和生物生产力[1]。近年来，对海洋资源的过度开发和利用，引发了海平面上升、海洋资源退化、生物栖息地减少、污染加重、赤潮等一系列的环境问题，海岸带生态环境开始严重退化，海洋生态系统面临巨大危机[2]。因此，对海岸带生态安全进行科学有效的评价，进而实现近海区域综合安全和可持续发展，显得尤为重要[3]。

目前，国内外对海岸带生态安全做了大量研究。其中，肖乐斌[1]揭示了人类活动对海岸带产生的影响；Primavera[4]和Shu等[5]针对如何协调海水养殖与海岸带生态环境之间的关系提出了相应的建议；洪华生等[6]综述了影响我国海岸带生态环境变迁的10个重要的环境问题，并提出了应对海岸带生态环境退化的6种调控对策；Wei等[7]通过构建海岸带区域综合承载力评价指标体系，分析了南通海岸带对经济发展的影响；薛熊志等[2]采用压力—状态—响应(Pressure-State-Response)模型，即P-S-R模型，提出了海岸带生态安全指标体系的基本框架，对后续海岸带的研究提供了借鉴。为了进一步洞察我国海岸带生态安全状况，需要具体地对各个区域的海岸带生态安全进行科学地评价和分析。其中，林妍等[8]基于P-S-R模型，运用综合指数法对广西北部湾海岸带的生态安全进行评价研究，并提出了相应的建议；Li等[9]利用模糊综合方法，通过计算、分析和评价，得出深圳1997—2006年间生态安全动态变化的结果；张婧等[10]采用综合指数法和模糊评价法对胶州湾海岸带的生态系统安全进行评价，为海洋可持续发展战略提供有价值的参考；郑雯等[11]基于P-S-R框架和突变级数法，构建了闽南海岸带城市生态安全评价的模型，对研究区生态安全状况进行客观评价。

然而，上述文献使用综合指数法、模糊评价法和突变级数法对海岸带生态安全状况进行评价时，仍存在一定的缺陷。其中，综合指数法是对选取的生态安全指标进行加权求和，当近几年的海岸带生态系统评价指标数据波动过大时，综合指数法就不能提供清晰的解释；采用模糊评价法进行评价时，如果所选取的生态安全评价指标数目较多时，权向量W与模糊矩阵R不匹配，易造成评判失败，另外该方法需要通过层次分析法(Analytic Hierarchy Process)，即AHP法，确定权重，这使得评价的主观性明显，结果存在客观性不足的问题；采用突变级数法进行评价时不使用权重，客观性较强且定量程度高，虽然避免了其他方法主权设置权重的做法，但仍需从主观上对指标的重要性进行排序，使得评价结果仍具有一定的主观随意性。因此，需要采用一种新的方法来进一步对海岸带生态安全状况进行评价研究。

多属性决策方法[12-14]被广泛应用到经济、金融、行为分析等领域。其中，TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)评价方法是一种逼近于理想解的排序方法，通过定量测定评价对象到正负理想解的距离，来反映评价对象的优劣。刘鲁川、潘润秋、周迎雪和于洪良等[15-19]分别将TOPSIS方法应用到相关领域的评价研究中。本文将采用TOPSIS方法对海岸带生态系统进行评价分析。

在对海岸带生态安全进行评价时，如何确定指标体系的权重是首要解决的问题。以上基于TOPSIS方法的研究[16-17]中，都采用了熵权法来确定指标的权重。然而，通过熵权法确定的权重是利用评价方案的客观数据得到的客观权重，没有考虑到评价者的经验和知识的积累这些主观因素对结果的影响。因此，为了达到主客观统一，可以采用组合赋权法计算指标权重，确保计算的指标权重既体现主观信息又表现客观信息。

基于以上分析，目前对海岸带生态安全状况的评价研究中，主要存在两方面的问题，其一是计算的指标权重不能同时表达主客观信息，其二是评价方法存在缺陷。为了解决以上问题，本文将采用基于综合评价值最大的组合权重确定方法来获得指标权重，确保主客观信息的融合。此外，TOPSIS方法对海岸带生态安全评价指标数据无特殊要求，可以充分地利用原有的数据信息，与实际情况较为吻合。因此，本文将运用TOPSIS方法来避免综合指数法、模糊评价法和突变级数法对海岸带生态安全状况进行评价时存在的缺陷，进而获得更为准确的评价结果。

因此，本文基于P-S-R模型，建立青岛市海岸带生态安全综合评价指标体系，采用层次分析法和变异系数法分别来确定各项指标的主、客观权重，然后根据综合评价值最大的方法计算各项指标的组合权重。最后结合TOPSIS方法，通过比较各年份评价指标与正、负理想解的距离以及与负理想解的贴近度，对2010-2016年青岛市海岸带的生态安全状况进行综合评价，针对性地给出相应建议，为青岛市乃至山东半岛建立蓝色海洋经济提供一定的参考。

二、研究方法与数据来源

(一)评价指标体系的构建

20世纪80年代末，经济合作与发展组织(Organization for Economic Co-operation and Development，简称OECD)提出了对区域生态安全进行综合评价的P-S-R模型，该模型基于人类与自然环境的相互依存的关系模式，通过压力、指标和响应这三种类型的指标，来定量的评价区域生态安全。其中，压力指标表示人类生产生活行为对资源和环境所造成的压力；状态指标反映在人类生产生活行为下资源和环境的状态；响应指标表示人类对资源和环境的反馈所采取的措施。

本文以P-S-R模型框架为基础，对青岛市海岸带生态安全状况进行评价分析。综合考虑青岛市海岸带的经济发展、环境污染、资源利用以及政策保护情况，借鉴文献[20]对海岸带生态安全指标体系的研究，从人口、资源和环境三个角度考虑造成海岸带生态压力的评价指标，从气候、经济和海域环境三个角度考虑反映海岸带生态状况的评价指标，从压力调整和经济政策两个角度考虑反映人类采取对策的评价指标，最终确定了包含系统层、因素层和指标层三个层次共21个指标的的青岛市海岸带生态安全综合评价指标体系，见表1。其中，系统层包含反映海岸带生态安全状况的压力子系统、状态子系统和响应子系统；因素层包括影响压力、状态和响应三个子系统的具体因素；指标层则由反映各种因素变化的21个评价指标构成。

表1 青岛市海岸带生态安全综合评价指标体系

(二)指标规范化

由于指标之间一般存在着不可公度量性，即不同指标有不同的度量标准。具体来说，各指标的度量单位不同、量纲不同、数量级不同，另外指标又有效益型、成本型等不同的类型。一般来说，我们不能直接利用初始指标数据进行各方案的综合评价和排序，而是需要先对初始指标数据进行规范化，以消除各指标的量纲、单位、数量级以及指标类型的影响，再对方案进行综合评价和排序。现有m个评价方案，n个评价指标，aij表示第i个方案在第j个指标下的评价值，那么初始评价矩阵A可表示为[20-21]:

然后，对于效益型指标和成本型指标要做不同的规范化处理:

规范化后的评价矩阵B为:

具体到本文的实际案例来说，m为评价年份数，n为评价指标数，aij为第i个评价年份中第j项指标的实际值，minaij和maxaij分别为第j项指标数据的最小值和最大值，bij为第i个评价年份中第j项指标的标准值(m＝7，n＝21，i＝1，2，…，7，j＝1，2，…，21)。

(三)指标权重确定方法

在对青岛市海岸带2010—2016年七个年份的生态安全状况进行评价时，为了能够得到更加准确的评价结果，既要考虑到评价者的经验和知识的积累这些主观因素对结果的影响，又要充分利用不同评价年份下各项指标的客观数据。因此，合理地将主观权重和客观权重有机地组合起来是得到有效评价结果的前提。本文在用层次分析法确定指标主观权重，变异系数法确定指标客观权重之后，将采用基于综合评价值最大的方法来确定指标组合权重，通过寻求主客观统一来得到更加准确的评价结果。

1.层次分析法

首先，建立层次结构模型，将评价问题分成几个不同的层次结构，将上一层元素Rk作为准则(目标)，并支配下一层元素X1，X2，…，Xn，评价者需要在准则(目标)之下对不同指标的相对重要性程度加以量化，即让第i行的指标相对于其他各个指标进行两两比较，构造判别矩阵X＝(xij)n×n。那么，可以得到n个评价指标的两两比较矩阵[22]:

AHP采用萨蒂提出的1～9的离散尺度方法来构造判别矩阵，xij的标度取值如表2所示。

表2 两两指标之间的重要性等级及含义

其中，判别矩阵X＝(xij)n×n满足以下性质:

2.变异系数法

通过变异系数法确定评价指标客观权重的具体步骤如下所示[22]。

3.基于综合评价值最大的指标组合权重确定方法

显然，上述规划属于多目标规划，为了方便计算，可将其转化为求最大值的单目标规划，如下所示:

其中，m为评价年份数，n为评价指标数，bij为第i个评价年份中第j项指标的标准值。

然后，构造Lagrange乘子函数:

解此方程得到:

组合权重即为W＝α×ω＋β×λ。

本文研究所采用的数据来源于《青岛统计年鉴》(2011—2017)以及《青岛市海洋环境质量公报》(2010—2016)。首先，对初始指标数据进行规范化处理，得到标准型指标数据。其次，采用层次分析法来确定各项指标的主观权重，将海岸带生态安全为第一层次；压力、状态和响应子系统为第二层次；各项评价指标为第三层次；通过个人主观评定法对评价指标体系各层次指标间的相互重要程度给出判定，构造判别矩阵，求解最大特征根和特征向量，由此得出各指标的主观权重。然后，通过变异系数法进而求得各指标的客观权重。最后，基于综合评价值最大的组合权重确定方法，将主观权重和客观权重有机地组合起来，即可得到各项指标的组合权重，见表3。

表3 青岛市海岸带生态安全综合评价指标及其指标权重

续表3

(四)TOPSIS方法

首先，建立加权规范化矩阵Y:

其次，确定正理想解及负理想解，正理想解为各指标值达到最优的解，负理想解为各指标值达到最劣的解；分别以加权规范化矩阵Y中的最大值和最小值来代表正理想解V＋和负理想解V-，即:

最后，分别计算各年份评价指标与正理想解的贴近度和负理想解的贴近度:

为了方便起见，我们用各年份评价指标与负理想解的贴近度进行下面的分析。

三、评价结果及分析

(一)评价等级

文献[16]将山东省土地生态安全状况划为5个评判等级，即0～0.2不安全，0.2～0.4较不安全，0.4～0.6临界安全，0.6～0.8较安全，0.8～1安全；文献[8]将广西北部海岸带生态安全状况也划为5个评判等级，即0～0.2很不安全，0.2～0.4较不安全，0.4～0.6较安全，0.6～0.8安全，0.8～1很安全。参考上述评判标准，并结合青岛市海岸带的实际情况，以非等间距的方式依据贴近度将青岛市海岸带生态安全状况划为5个等级，见表4。

表4 海岸带生态安全评价等级

(二)评价结果

基于TOPSIS综合评价方法，可以得到2010—2016年青岛市各年份评价指标与正理想解的距离和负理想解的距离，以及与负理想解的贴近度，并结合表4中的海岸带生态安全评价等级，进而得到青岛市海岸带生态安全综合评价结果，见表5。

表5 2010—2016年青岛市各年份的、及

表5 2010—2016年青岛市各年份的、及

年份 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 d-i 0.1155 0.1103 0.1070 0.0882 0.1179 0.1259 0.1909 d＋i 0.1806 0.1738 0.1782 0.1752 0.1640 0.1676 0.10380.3901 0.3882 0.3752 0.3349 0.4182 0.4290 0.6478安全状况 较不安全 较不安全 较不安全 较不安全 较安全 较安全 安全C-i

从表4可以看出，2010—2016年青岛市海岸带生态安全状况总体上呈好转趋势。虽然，2010—2013年各年份评价指标与负理想解的距离以及与负理想解的贴近度呈逐渐减少的趋势，即不断接近负理想解，海岸带生态安全状况在逐渐变差；但是，从2013年以后，各年份评价指标与负理想解的距离以及与负理想解的贴近度呈持续上升的态势，即逐渐偏离负理想解，海岸生态安全状况又在逐渐变好。青岛市海岸带的生态安全指标由2010年的0.3901上升到2016年的0.6478，涨幅0.2577，海岸带生态安全状况也由较不安全状态提升到安全状态。

(三)结果分析

1.综合评价分析

根据表5中的、及的数值绘制成图1。图1是对海岸带生态安全综合评价结果的趋势分析，由各年份评价指标与正理想解的距离、与负理想解的距离、与负理想解的贴近度，以及，及的线性变化趋势具体体现。

基于图1可以看出，各年份评价指标与负理想解的距离和贴近度整体上逐渐增大，即逐渐远离负理想解；与正理想解的距离整体上逐渐减小，即逐渐靠近正理想解，这说明2010—2016年青岛市海岸带生态安全状况整体上呈上升趋势。并且，由图1中对的线性预测可知，从2010年之后，各年份评价指标的呈递增的变化趋势，呈递减的变化趋势，这也可以看出未来青岛市的海岸带生态安全状况将逐渐变好。

具体分析贴近度的变化，图1中显示2010—2013年这四年间，出现明显下降。出现这一结果，一方面是因为2010—2013年间，海洋捕捞量增长幅度较大，使得渔业占农林牧渔的比值由2010年的21.8%增长到2013年的24%，这导致了生态系统压力过大，影响了生态平衡；另一方面，2010—2013年间，工业COD排放量由2010年的7362.84吨上升到2013年的8286.19吨，废水排放量由2010年的40442.81万吨上升到2013年的47177.00万吨，而政府对污染治理的投入相较于2014年的76250.4万元来说，2010年到2013年仅分别投入了3109.20万元、10219万元、13301万元和21762万元，这也间接导致了生态环境的恶化。但是，从2014年开始，政府部门开始加大对生态系统的保护力度，对污染治理的投资提升到2016年的47411.20万元，各年份评价指标的明显增加，海岸带生态环境得到有效改善。

从整体上看贴近度的变化，在2010—2016这七年间，呈波动上升趋势，其数值由2010年的0.3901增加到2016年的0.6478，生态安全状况也由2010年的较不安全状态提升到2016年的安全状态。出现这一良好趋势的原因，一方面是青岛市政府在响应子系统中采取的各项措施起到了促进作用，尤其是推出的各项环境保护政策以及加大对污染治理项目的投资，在很大程度上降低了海岸带生态系统的压力指数；另一方面，青岛市积极转变经济发展方式，加快产业结构调整，第三产业产值占地区生产总值的比重逐年平稳增加，由2010年的46.4%上升到2016年的54.7%，这对生态环境的改善起了良好的促进作用。

图1 2010—2016年青岛市各年份的、及贴近度变化趋势

2.各子系统分析

为了更加深入地了解2010—2016年间青岛市海岸带的生态安全状况，将进一步分析各子系统的及来了解各子系统的动态变化趋势，具体见图2～图4。其中，图2反映的是各年份各子系统与负理想解的距离的变化趋势；图3是各年份各子系统与正理想解的距离的变化趋势；图4是各年份各子系统与负理想解的贴近度的变化趋势，以及对变化趋势的线性分析；图2～图4中的综合评价即为图1中对整个生态系统的综合评价结果。

(1)压力子系统分析

从图2、图3可以看出，2010—2016年压力子系统与负理想解的距离整体上呈波动增大趋势，与正理想解的距离整体上呈波动减少趋势，即逐渐远离负理想解，且逐渐靠近正理想解。根据图4中对压力子系统与负理想解的贴近度变化趋势的线性分析，从2010年之后，压力子系统的呈递增的变化趋势，这说明海岸带的生态压力整体上有所降低。

(2)状态子系统分析

通过图2～图4可以看出，2010—2016年状态子系统与负理想解的距离呈波动增大趋势，与正理想解的距离呈波动减少趋势。基于图4中对状态子系统与负理想解的贴近度变化趋势的线性分析，从2010年之后，状态子系统的贴近度呈递增的变化趋势，这说明海岸带生态状态整体上在逐渐变好。

(3)响应子系统分析

根据图2～图3可以看出，2010—2016年响应子系统与负理想解的距离呈波动增大趋势，与正理想解的距离呈波动减少趋势。在2010—2013年间，政府对生态环境保护的力度还比较小，使得压力和状态子系统的均处于下降趋势，生态系统安全等级也较低。从2013年以后，在生态系统仍存在一定压力的情况下，随着响应子系统的的的明显增加，状态子系统的的也开始明显回升，这说明响应子系统中环保政策和对策的实施，对状态的回转有积极的促进作用。

图2 青岛市海岸带生态安全各子系统变化趋势

图3 青岛市海岸带生态安全各子系统变化趋势

图4 青岛市海岸带生态安全各子系统C-i变化趋势

在这七年间，虽然响应子系统的增减变动较大，但是基于图4中对贴近度变化趋势的线性分析，响应子系统的呈递增的变化趋势。这说明政府部门开始意识到人与自然和谐共生的重要性，并且针对不同的环境问题，采取不同的应对措施，加大生态系统保护力度，控制各类污染物的排放量等。这在很大程度上缓解了海洋的压力，使得海洋生态系统的各项功能得以恢复，生态安全状况也在逐步变好。

综合来看，基于对各年份评价指标与负理想解的距离和贴近度,以及与正理想解的距离的分析，结果表明2010—2016年青岛市海岸带生态安全状况在逐渐好转，由2010年的较不安全状态提升到2016年的安全状态。其中，2010—2013年工业COD排放量、废水排放量、港口吞吐量以及捕捞量出现大幅度增加，压力和状态子系统的呈下降趋势，也就是说海岸带生态压力越来越大，生态环境出现一定程度的恶化。但是，从2013年以后，在生态系统仍存在一定压力的情况下，随着响应子系统的的显著增加，状态子系统的呈明显上升趋势，呈明显下降趋势，这说明政府对生态系统的保护措施状态的回转有显著影响，使得工业固废综合利用率、工业用水重复利用率越来越高，生态安全状况有了较大程度的好转。

四、结论与建议

本文基于P-S-R模型，选取了21个评价指标，运用AHP法、变异系数法、基于综合评价值最大的组合权重确定方法和TOPSIS方法对2010—2016年青岛市海岸带的生态安全状况进行评价。总体上来说，青岛市海岸带生态安全状况在逐渐好转，由2010年的较不安全状态提升到2016年的安全状态，但是生态体系仍需进一步优化。针对青岛市海岸带生态系统中存在的具体问题，我们提出以下建议。

(1)加强水污染技术的研发，提高再生水利用创新能力；实行限额捕捞制度，降低海洋产出压力。在2010—2013年间，各年份评价指标与负理想解的贴近度逐渐减小，也就是说海岸带生态环境出现较低程度的恶化，其中一个主要原因是工业COD排放量、废水排放量出现大幅度增加。工业COD排放量由2010年的7362.84吨上升到2013年的8286.19吨，废水排放量由2010年的40442.81万吨上升到2013年的47177.00万吨，两者排放总量过高，不利于环境质量的改善。为了缓解上述问题，需要相关部门不断加强对污水处理技术的研发和改进，相关企业严格遵守国家制定的废水排放标准，达标排放。另一个主要原因是捕捞强度过大，捕捞量虽然由2010年的264065吨缩减到2016年的262114吨，数值上出现小幅度下降，但是总体捕捞基数依旧过高，海洋生态系统压力并没有得到有效缓解。过度的捕捞，加重了海洋的负担，造成生态功能的退化。因此，政府部门应该实行捕捞限额制度，通过实地调研，确定本海域可捕捞量，保证海洋生态系统的可持续发展；实行“双控”制度，即控制渔船船数和功率，完成国家下达的减船指标。通过以上两种方式，把过大的捕捞产能降下来，把超过资源承受能力的捕捞产量降下来。同时，在减捕减船过程中，应加大对海上渔民的就业培训力度，拓宽就业渠道，切实解决减船渔民的后顾之忧。

(2)持续稳定地增加环保投资力度，促使海洋生态环境综合治理。从2013年以后，海岸带生态安全状况出现明显改善，这主要得益于政府对污染治理的投资力度，由2010年的3109.2万元上升到2016年的47411.20万元。因此，为了保证海洋生态环境的可持续发展，仍然要继续加强对海洋生态环境的治理和监管。具体来说，要着力抓好减少废气排放，坚持多污染物综合防治和区域流域联防联治，加大环保督查巡视，重点打击偷排偷放，伪造监测数据和不正常运行治污设施的违法行为；加大污染治理设施的投放量，对于企业防治污染所需资金，政府给予一定的支持，进而从源头上控制污染物的排放量。同时，加大宣传手段，扎实提高全民环保意识，让环境保护成为一种自觉的行动。

(3)进一步优化产业结构，巩固和提高第三产业在经济社会中的作用和地位。海岸带生态安全状况由2010年的较不安全状态提升到2016年的安全状态的另一个主要原因是第三产业产值占地区生产总值的比重逐年平稳增加，由2010年的46.4%上升到2016年的54.7%。由此可见，巩固和提高第三产业在经济社会中的作用和地位，可以使得青岛市在经济发展中具有较强的竞争力，同时缓解海洋产业在GDP中所占的比重。因此，政府应本着发展蓝色海洋经济的目标，加快海洋经济发展方式转变，培育壮大海洋战略性新兴产业，发展海洋服务业，推动海洋经济持续健康发展。

总之，政府部门应合理开发利用海洋资源，本着人与自然和谐共生的原则，树立生态观念、完善生态制度、维护生态安全、优化生态环境，不断完善海岸带生态系统的管理和保护机制。