基于综合评价模型的生态保护建设研究

陈怀广,刘志文,孙新泽,李 想

山东建筑大学 理学院,山东 济南 250101

由于气候变化、生物多样性的丧失和环境污染,人类正在使地球成为一个支离破碎、越来越不适宜居住的星球。为了实现2030年可持续发展目标和21世纪中叶碳中和的目标,人们必须使用更加科学的手段、作出更大胆的决策,在保护人与自然的活动中持续创新[1-4]。于德永等[5]研究了揭示联合国可持续发展目标(SDGs)框架下中国可持续发展的水平、时空格局和影响因素,提出了向可持续发展转型和过渡的调控策略。

近年来,我国赛罕坝林场从沙漠中恢复,现已成为具有稳定防沙功能的环保绿色农场。研究塞罕坝对北京生态环境的影响,有助于将塞罕坝的优势推广到全国乃至世界。要想全面反映出生态建设带来的影响仅用几个指标是不足的,也说明不了问题,而是需要反映各方面若干个指标来评价[6-10]。针对本文中塞罕坝生态保护建设的评价模型中,采用多指标综合评价方法,即从两大方面选取指标:一是直接从环境的角度选取多个指标,例如森林覆盖率、涵养水源和二氧化碳吸收量;二是从对城市的效益方面选取多个指标,例如城市的能见度、降水量和风速。本文综合考量选取地区的主要的环境因素的特点,依据数据自身的特点从备选库中动态挑选出适合区域特征的指标,从而真正实现了客观选取指标,差异化评价不同区域的目标,建立适合各地区的指标体系[11-12]。

根据现有的指标体系建立了基于熵权法的TOPSIS评价模型。TOPSIS评价模型在设计权重时主观性较强,此外不确定指标的选取个数为多少适宜,当指标或者方案层数量较多时,两两比较得出的判断矩阵和一致矩阵可能会出现较大的差异。熵权法[13-15]是一种客观赋权法,避免了人为因素带来的偏差,相对主观赋值法,精度较高客观性更强,但是忽略了指标本身重要程度。为解决这些问题,本文提出利用熵权法确定指标权重,带入TOPSIS评价模型[16-20]。此外为了验证指标选取个数的准确性,以及解决熵权法忽略了指标本身重要程度的问题,建立基于层次分析法[21-23]的TOPSIS评价模型,根据两个模型实验结果客观化评价模型的准确性。选取北京地区作为典型样区,建立模型筛选指标,构建了适合地区特点的指标体系,分析显示:北京地区受塞罕坝生态建设的影响,环境水平较生态保护建设之前明显提高,抗沙能力明显增强,浮尘、雾霾天气出现次数明显下降。

为了研究全国生态状况,建立了基于主成分分析法的数学模型。主成分分析方法是一种多元统计分析方法,它可以简化数据结构,综合数据信息,因而得到广泛的应用。但主成分分析法应用的必要前提是各变量之间不能相互独立,如果原变量之间相互独立,主成分就是原变量本身,应用这种分析方法就没有意义[24-31]。基于此,本文指标的选取存在关联性满足主成分分析法的要求,同时综合考虑各省经济、人口、土地面积等情况,采用主成分分析法对各省进行打分评价,以阈值为评分标准,评分标准低于阈值的省份,建立生态保护区。本文就塞罕坝生态保护区进行研究,塞罕坝位于河北省,阈值的确定根据河北省打分情况确定。各省生态保护区的建设按照河北省的生态保护建设比重进行建设。

1 综合评价模型的提出与建立

为充分考虑赛罕坝林区对环境的影响,需要从塞罕坝林区的建立对其当地环境变化的影响和对其周边省市环境变化影响两个角度出发,确立了评价指标体系。由于各个城市与塞罕坝的距离不同,进而对周边环境的影响程度不同,这要求以距离为权重对各个城市的指标进行加权平均得到最后的综合指标。通过收集的各个指标的数据发现,塞罕坝当地及其周边城市的环境质量在不断改善。在得到以时间为维度的数据下,建立综合评价模型,对各个年份的环境质量进行打分,定量分析得到生态区的建立对环境改善起到了重要作用。

1.1 评价指标的选择

1.1.1 塞罕坝生态环境影响评价指标的选择

塞罕坝对环境的影响可归结为两个方面:一方面是塞罕坝的建立对其当地环境的影响,另一方面是其建立对周边城市的影响。一级指标为对当地环境的影响(自身改善力)、对周边城市环境的影响(功能辐射力),对于前者,选取了二级指标森林覆盖率、涵养水量、二氧化碳吸收量3个,如图1所示。对于后者,我们以北京(A1)、承德(A2)、赤峰(A3)、张家口(A4)4个城市为例,选取能见度、降水量以及风速3个二级指标。

图1 赛罕坝环境影响指标

考虑到城市之间距离不同受塞罕坝影响程度不同,将城市与塞罕坝之间的距离作为权重,北京(A1)、承德(A2)、赤峰(A3)、张家口(A4)4个城市为例,选取能见度、降水量以及风速为城市指标(i=4、5、6)。

ωAj为某城市的距离权重,Aij为某指标的权重。

1.1.2 塞罕坝生态的恢复对北京抗沙尘暴能力的指标选取

选取扬尘次数、浮尘次数、沙尘暴次数3个指标来反映塞罕坝对北京抗沙尘暴能力的影响,3个指标的数据越小,证明抗沙暴能力越强,塞罕坝的建立对其抗沙尘暴能力的影响越显著。

对上述指标体系运用基于熵权法的TOPSIS综合评价模型与基于层次分析法的TOPSIS综合评价模型,通过主观与客观相结合的方法,对扬尘次数、浮尘次数、沙尘暴次数3个指标计算综合评价指数。

fi=(f1,f2,…,fm),i=1,2,…,m。 (2)

1.1.3 全国生态环境指标的选取

现计划将塞罕坝生态保护区推广到全国地区,收集全国各地区的二氧化硫平均浓度、二氧化氮平均浓度、可吸入颗粒物年平均浓度、工业二氧化硫排放量、工业氮氧化物排放量、工业颗粒物排放量、平均温度、平均相对湿度、森林覆盖率、地表水资源量、单位面积内的地表水资源、各省单位面积内年降水量作为生态保护区的指标,如图2所示。

图2 国家生态环境评价指标体系

1.2 基于熵权法的TOPSIS环境状况综合评价模型

熵权法是一种客观确定权重的方法,指标的方差越小,隐含的信息也越少,所占的权重也越小,即通过数据的本身获得指标的权重。

由于赛罕坝环境影响指标体系中的指标都是效益型指标,无需进行正则化处理,为消除数据的量纲和数量级的影响,对数据进行标准化处理。

对数据矩阵:

X1=(xij)60×3,

X2=(xij)42×3, (3)

其中X1、X2为两个一级指标下各指标对应的数据矩阵。

进行标准化处理,得到标准化后的指标数据矩阵Z,其中

计算对应数据矩阵的概率矩阵P:

为了度量数据所包含信息量的大小,我们引入信息熵的概念,信息熵越大,数据所包含的信息越少

第j个指标的权重为

将熵权法得到的各指标权重带入TOPSIS评价模型。

对指标中的数据进行标准化处理,得到规范化决策矩阵,即

其中i表示年份,j表示指标个数。

根据熵权法的权重向量,构造加权规范矩阵C,则

评价体系中的指标都为效益性指标,计算其正理想解与负理想解,公式如下:

最后的到各环境评价指标的综合评价指数

1.3 基于层次分析法的TOPSIS环境状况综合评价模型

AHP是对定性问题进行定量分析的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法。它的特点是把复杂问题中的各种因素通过划分为相互联系的有序层次,使之条理化,根据对一定客观现实的主观判断结构,把专家意见和分析者的客观判断结果直接而有效地结合起来,将一层次元素两两比较的重要性进行定量描述。如图3所示,建立层次分析结构图。第一层为目标层,即选择塞罕坝的建立对生态环境影响的关键指标;第二层为准则层,包括自身改善力、功能辐射力;第三层为方案层,包括P1、P2、P3、P4、P5、P6六个影响指标。

图3 AHP结构图

对结构图中的各层建立两两判断矩阵,求得各指标权重ω={ω1,ω2,ω3,ω4,ω5,ω6},图4为层次分析算法流程。将由层次分析法得到的各指标权重,带入到TOPSIS评价模型当中进行计算,这里TOPSIS评价模型的使用与上述基于熵权法的TOPSIS评价模型中使用相同。

图4 算法流程图

1.4 基于主成分分析法的数学模型

主成分分析(principal components analysis,PCA)也称为主分量分析,是一种通过降维来简化数据结构的方法:如何把多个指数化为少数的几个综合指标,而这几个综合指标的变化可以反映多个指标的大部分信息。主成分分析的目的是从原始的多个变量取若干个线性组合,尽可能多地保留原始数据中的信息。

由于国家生态环境指标的选取不光为效益型指标,还有成本性指标,首先进行正则化处理,为消除数据的量纲和数量级的影响,对数据进行标准化处理。处理方法如下:

计算出相关系数矩阵R=(rij)5×5,并计算出特征值和特征向量:

式中:rii=1;rij=rji,rij为第i个指标与第j个指标的相关系数。

矩阵的R的特征值λ1>λ2>…>λ12>0,及对应的标准化特征向量μ1,μ2,…,μ12,其中μj=[μ1,μ2,…,μ12j]T,由特征向量组成12个新的指标变量:

式中:y1为第1主成分;y2为第2主成分;…;y12为第12主成分。

选择p(p≤12)个主成分,计算综合评价值,这里我们选定河北省的综合评价值为评价标准,由模型分析其他省份综合评价值小于河北省,则需要建立生态保护区。

综合评价值:

式中bj为第j个主成分的信息贡献率,根据综合得分可以进行评估。

通过综合评分选出分数小于河北省的都建立生态保护区,并且我们已知塞罕坝生态保护区的面积为93 hm2,塞罕坝林场的年固碳量为747 kt,生态保护区的建立需要统计各省的土地面积、经济状况因素,经查资料知河北生态保护地面积为200 km2,通过熵权法,计算出两类指标的权数(G1,G2)进行打分k,从计算出建立的各个生态保护区的面积L和固碳量O。

式中:Bi某省经济占所选省份经济比,Ai某省面积占所选省份面积比,n生态保护区面积与固碳量之比,i为所选省份。

2 数据的收集与结果的分析

2.1 基于熵权法的TOPSIS评价模型结果

通过对往年的统计年鉴和文献的收集与整理,搜集了塞罕坝从1962年至2021年间在评价指标体系下P1、P2、P33个指标的数据,通过对该数据的可视化图5可看出,3组指标在1962至2021年之间呈上升趋势,初步反映塞罕坝当地的生态环境逐年得到改善,体现出塞罕坝的建立对生态环境起到了显著作用。

图5 塞罕坝生态环境变化图

利用MTALAB软件,运用熵权法对数据矩阵data进行求解,得到在该方法下求得的6个指标的权重,如表1。

表1 熵权法计算得到6项指标的权重

在自身改善力下的涵养水量与二氧化碳吸收量两个指标权重较大,说明两者更能反映塞罕坝的建立对其当地环境的影响程度,而在功能辐射力中,综合可见度指数占比较大,达85%,塞罕坝对周边城市环境的影响程度主要由该指标反映。

将熵权法计算得到6项指标的权重代入TOPSIS算法中,运用MATLAB软件求解出反映生态环境质量的综合评价指数并将数据可视化(得分越高,对环境越有益),如图6、图7所示。

图6 自身改善力得分图

对结果进行分析,以1994年为界,塞罕坝当地的生态环境得到明显提高(见图6),周边城市的环境改善不明显(见图7),分析可能随着工业科技的发展,工业水平大大提高,工业排污量也大大提高,也可能与地形地貌、城市当地环境问题有关,塞罕坝的调节功能有限。

2.2 基于层次分析法的TOPSIS评价模型结果

在主观赋权中,运用层次分析法,构造判断矩阵M-C,C1-P,C2-P如表2、表3、表4所示。

表2 M-C判断矩阵

表3 C1-P判断矩阵

表4 C2-P判断矩阵

将3个判断矩阵求得的权重以及一致性检验指标CRj编入表5。

表5 层次分析法权重计算结果

CRj值均<0.1,都通过了一致性检验。各指标占比与熵权法结果一致,保证了数据的真实性。

将层次分析法计算得到6项指标的权重代入TOPSIS算法中,运用MATLAB软件求解出反映生态环境质量的综合评价指数并将数据可视化,(得分越高,对环境越有益)如图8和图9所示。

图8 自身改善力得分图

通过对基于层次分析法的TOPSIS评价模型结果分析,对基于熵权法的TOPSIS评价模型结果进行比对分析,基于层次分析法的TOPSIS评价模型结果各指标占比与熵权法结果一致,保证了数据的真实性,反映了我们模型建立的准确性。

2.3 数据处理与结果分析

运用熵权法和层次分析法确定扬尘次数、浮尘次数、沙尘暴次数3个指标的为权重ω1=[0.326,0.225,0.449],ω2=[0.401,0.196,0.403],代入到TOPSIS算法中算的综合评价指数中,并将数据进行可视化(得分越高,反映了塞罕坝生态的恢复对北京抗沙尘暴能力发挥越大作用),如图10和图11所示。

以1994年为界,将1994年前后的综合评价指数求平均值,在基于熵权法的TOPSIS模型下,均值分别为0.707 3、0.880 5,在基于层次分析法的TOPSIS模型下,均值分别为0.678 8、0.880 0,可直观的反映出塞罕坝林场的建立对北京的抗沙尘暴起到了显著作用。

2.4 建立生态保护区地区的实验处理与结果分析

利用主成分分析法,分析主成分,将数据标准化处理,然后对各个地区的环境相关信息进行打分,同时选定河北省的综合评价分数作为评分标准,选出建立生态保护区的地区。需要建立保护区的地区打分情况如表6所示。

因塞罕坝生态保护区位于河北省,选定河北省的得分为阈值,其他地区得分低于阈值的则需要建立生态区。由表6可得出建立生态保护区的地区:北京、天津、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、山东、河南、西藏、甘肃、青海、宁夏、新疆。然后计算各自的权重,并通过河北省塞罕坝生态保护区的面积和固碳量计算出各生态保护区的面积及其对国家碳中和的影响,如表7所示。该方式为国家碳中和贡献2 602×104t。

表7 各省应建立生态保护区面积以及碳封存量估计

3 结 论

针对综合评价模型的生态保护建设,以塞罕坝生态恢复的影响为例,得出以下结论:

(1)根据塞罕坝生态环境数据,森林覆盖率、涵养水源等6个指标,建立基于熵权法的TOPSIS评价模型,分析塞罕坝生态环境保护区修复前后,对当地环境的影响,以及对周边城市的影响。以1994年为界限,该模型结果显示1994年前后综合环境指数平均分分别为0.047 5、0.458 0。1994年以后的平均得分为0.458 0,较1994年之前的0.047 5得分大大提高,反映了近年塞罕坝当地生态水平的大幅度改善;以北京生态状况为例,研究塞罕坝生态的恢复对周边城市抗沙能力的分析,对扬尘次数、浮尘次数、沙尘暴次数3个指标计算综合评价指数。结果显示1994年前后北京抗沙尘暴得分别为0.707 3、0.880 5,1994年后得分0.880 5较1994年前的得分0.707 3也有提升,反映了塞罕坝生态对城市周边抗沙能力的提高。总体来看反映了塞罕坝生态的恢复对环境的改善。

(2)为了检验实验结果的准确性,使用相同的的环境实验数据,选取相同的环境指标,建立基于层次分析法的TOPSIS评价模型。结果显示,以1994年为界限,基于层次分析法的TOPSIS评价模型结果中1994年前后综合环境指数平均分分别为0.067 4、0.445 1。生态恢复后生态评分与结论(1)中基于熵权法的TOPSIS评价模型的结果基本吻合。同时由基于层次分析法的TOPSIS评价模型得到的北京抗沙能力结果,1994年前后北京抗沙尘暴得分别为0.678 8、0.870 0,1994年后得分0.870 0较1994年前的得分0.678 8有提升,与结论(1)吻合。从而证明了实验结果的准确性。

(3)分析了所有省份的环境相关数据,并通过主成分分析对所有省份的指标进行评分。以河北省指标得分为评价标准。得分低于河北省的省份需要建立生态保护区:山西、内蒙古、辽宁等收集上述省份的经济和土地面积,使用熵权法计算各自的权重,并通过河北省塞罕坝生态保护区的面积和固碳量计算出各生态保护区的面积及其对国家碳中和的影响,为国家碳中和贡献2 602×104t。