模糊綜合評價法在生態(tài)安全預(yù)警評價中的應(yīng)用——以河北省圍場縣為例

沈洪艷，劉軍偉，曹志會，趙 月，王 冰

（1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省藥用分子化學(xué)重點實驗室，河北石家莊 050018）

模糊綜合評價法在生態(tài)安全預(yù)警評價中的應(yīng)用
——以河北省圍場縣為例

沈洪艷1，2，劉軍偉1，2，曹志會1，2，趙 月1，2，王 冰1，2

（1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省藥用分子化學(xué)重點實驗室，河北石家莊 050018）

基于2003－2012年圍場縣的經(jīng)濟、水環(huán)境、土地資源、自然資源等相關(guān)數(shù)據(jù)，運用P-S-R模型從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3方面構(gòu)建圍場縣生態(tài)安全預(yù)警指標體系，采用模糊評價法并結(jié)合預(yù)警指數(shù)和警度標準對2003－2012年圍場縣生態(tài)安全警情狀況進行分析。結(jié)果表明，2003－2012年圍場縣生態(tài)安全預(yù)警指數(shù)總體上呈波動上升態(tài)勢，預(yù)警指數(shù)由2003年的5.278 1上升到2012年的6.809 1，處于“輕警”狀態(tài)，趨于預(yù)警狀態(tài)。就壓力、狀態(tài)、響應(yīng)各子系統(tǒng)而言，2003－2012年圍場縣生態(tài)安全的壓力指標、狀態(tài)指標和響應(yīng)指標的預(yù)警指數(shù)呈上升趨勢，發(fā)展趨勢良好。

環(huán)境生態(tài)學(xué)；模糊綜合評價法；生態(tài)安全預(yù)警；圍場縣；P-S-R模型；預(yù)警指數(shù)；警度標準

沈洪艷，劉軍偉，曹志會，等.模糊綜合評價法在生態(tài)安全預(yù)警評價中的應(yīng)用［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報，2015，36（6）：644-651.

SHEN Hongyan，LIU Junwei，CAO Zhihui，et al.Application of fuzzy comprehensive evaluation to early-warning assessment of ecological security［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，36（6）：644-651.

隨著全球變化的不斷加速，生態(tài)安全已成為國內(nèi)外研究的熱點［1］。生態(tài)安全預(yù)警研究隨著生態(tài)安全研究的開展和深入應(yīng)運而生，是生態(tài)安全研究的主要內(nèi)容之一。預(yù)警一般是對危機與危險狀態(tài)的一種預(yù)前信息警報或警告。狹義的生態(tài)安全預(yù)警僅指對自然資源或生態(tài)安全可能出現(xiàn)的衰竭或危機而建立的報警，而廣義的生態(tài)安全預(yù)警則涵蓋生態(tài)安全維護和減少危機的全部過程，包括發(fā)現(xiàn)警情、分析警兆、尋找警源、判斷警度等［2］。目前，國外的相關(guān)研究主要建立在生態(tài)風(fēng)險評價、生態(tài)預(yù)報的基礎(chǔ)上，具有較為完整的概念體系和系統(tǒng)的操作方法［3］。中國生態(tài)安全預(yù)警研究主要集中在土地、農(nóng)業(yè)、水環(huán)境、重要區(qū)域的生態(tài)安全預(yù)警等問題的探討和研究上［4－7］。關(guān)于生態(tài)安全預(yù)警研究的模型方法較多，主要有綜合指數(shù)法、模糊綜合法、物元分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，有的學(xué)者還將幾種方法結(jié)合使用形成復(fù)合預(yù)警模型［8］。就重要區(qū)域的生態(tài)安全預(yù)警而言，研究內(nèi)容涉及行政區(qū)域預(yù)警、自然景區(qū)生態(tài)預(yù)警等方面，但是對于還處在探索階段的區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警研究，總體區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警的研究成果還比較少，因此有必要加強該領(lǐng)域的研究。

近年來，隨著圍場縣人口的增長和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，生態(tài)破壞和環(huán)境污染等問題日益凸顯，部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，局部地區(qū)植被覆蓋率低、土地沙化、水土流失嚴重，截止到2008年底，圍場縣水土流失面積為3 964 km2，占全縣總面積的42.99%，水土流失造成土地生產(chǎn)力下降、山洪和泥石流災(zāi)害多發(fā)和淤積河床及水庫等問題。圍場縣既是京津地區(qū)的重要沙塵源，又是京津地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，其生態(tài)環(huán)境的好壞，直接影響著京津地區(qū)的大氣環(huán)境和水源安全。因此，有必要探討圍場縣生態(tài)安全預(yù)警機制，定期對其生態(tài)安全現(xiàn)狀進行評估分析，以便進行預(yù)警報告。

1 研究區(qū)域概況

圍場縣是河北省最北端的塞外高原縣，地理坐標為東經(jīng)116°32′～118°14′，北緯41°35′～42°40′，總面積為9 220 km2，人口為53.6萬，是京津地區(qū)水源涵養(yǎng)功能區(qū)的重要區(qū)域。地勢西北高、東南低，地形起伏度為1 317 m。土壤類型主要有棕壤、褐土、黑土、灰色森林土、風(fēng)沙土。氣候類型復(fù)雜，屬寒溫帶—中溫帶，半濕潤—半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫為－1.4～4.7℃，多年平均降雨量為450～500 mm，近60年最大降雨量為684 mm，最小降雨量為237.2 mm。自2002年以來，圍場縣加快由農(nóng)業(yè)大縣向工業(yè)強縣的跨越，2011年實現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值39.9億元，較2001年增長17億元。此外，該縣生物資源多樣，礦產(chǎn)資源豐富。研究區(qū)域范圍見圖1。

圖1 研究區(qū)域范圍Fig.1 Scope of the study area

2 數(shù)據(jù)來源及評價方法

2.1 原始數(shù)據(jù)來源

本研究選取圍場縣2003－2012年共10年的經(jīng)濟、水環(huán)境、土地資源、自然資源等方面的相關(guān)數(shù)據(jù)進行評價。數(shù)據(jù)來源于河北經(jīng)濟年鑒、河北年鑒、河北水利統(tǒng)計年鑒、承德市統(tǒng)計資料、圍場縣年鑒、圍場縣國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報以及相關(guān)部門的調(diào)研數(shù)據(jù)。

2.2 指標體系

根據(jù)層次分析法原理和生態(tài)安全預(yù)警評價模型（P-S-R模型），依照科學(xué)性、代表性、實用性、可獲取性的原則，構(gòu)建圍場縣生態(tài)安全預(yù)警指標體系。本文將圍場縣生態(tài)安全預(yù)警體系劃分為目標層、準則層、要素層和指標層4個層次。目標層以圍場縣生態(tài)安全預(yù)警指數(shù)為目標，用來判斷圍場縣生態(tài)安全的總體水平。準則層包括壓力指標、狀態(tài)指標、響應(yīng)指標3個復(fù)合指標，其中壓力指標指的是人類活動對生態(tài)安全造成的直接壓力因子，選取人口自然增長率、GDP年增長率、水資源開發(fā)利用率、農(nóng)藥使用強度等因素從人口壓力、經(jīng)濟壓力、資源壓力、土地壓力4個方面構(gòu)建；狀態(tài)指標反映的是環(huán)境當(dāng)前的狀態(tài)或趨勢，選取降水量、人均水資源占有量、水土流失面積比例等因素從自然狀態(tài)、資源狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)3個方面進行構(gòu)建；響應(yīng)指標反映的是人類為了提高生態(tài)安全水平，防止生態(tài)環(huán)境惡化而采取的一系列積極的措施，選取環(huán)保投資占GDP的比例、水土流失治理率、工業(yè)廢水排放達標率等因素從社會經(jīng)濟響應(yīng)、環(huán)境響應(yīng)2方面進行構(gòu)建（見表1）。

表1 圍場縣生態(tài)安全預(yù)警評價指標體系及分級標準Tab.1 Eco-security assessment indicator system and grading standard for early-warning in Weichang County

2.3 權(quán)重

層次分析法（AHP）是由美國運籌學(xué)家SAATY在20世紀70年代提出的一種定性和定量相結(jié)合的決策分析方法。AHP是一種將決策者對復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維過程模型化、數(shù)量化的方法，運用這種方法，通過將復(fù)雜問題分解為若干層次和若干因素，在各因素之間進行比較和計算，可得出不同因素重要性程度的權(quán)重。AHP法不僅適用于存在不確定性和主觀信息的情況，還允許以合乎邏輯的方式運用經(jīng)驗、洞察力和直覺，能夠比較準確地衡量評價指標的相對重要性［9－13］。本文采用AHP確定指標權(quán)重（見表1），所有指標的權(quán)重值均已通過一致性檢驗。

2.4 分級標準

生態(tài)安全預(yù)警標準的選擇，要能反映生態(tài)安全的范圍和程度，本文根據(jù)圍場縣的實際情況，參照國際、國家、行業(yè)和地方性的標準，以及國內(nèi)其他區(qū)域相關(guān)研究的劃分標準［14－15］等綜合制訂預(yù)警評價指標分級標準（見表1）。

2.5 基于模糊綜合評價法的生態(tài)安全預(yù)警評價

利用模糊數(shù)學(xué)的概念和方法，建立圍場縣生態(tài)安全預(yù)警的評價標準與模型，根據(jù)所建立的生態(tài)安全預(yù)警指標體系，需按照如下步驟進行評價。

第1步：確定被評價對象的因子論域。

X＝｛x1，x2，x3，…，xn｝，n＝1，2，3，…，23，即判定因子構(gòu)成的指標體系。

第2步：確定評語論域。

V＝｛v1，v2，v3，…，vm），m＝1，2，3，4，5，該評語論域V＝｛重警，中警，輕警，預(yù)警，無警｝，它們由高到低反映了生態(tài)安全預(yù)警的程度。

第3步：在被評價對象的因子論域X與評語論域V之間進行單因子評價，建立模糊關(guān)系矩陣R，即

式中，rij表示因子論域X中第i個因素對應(yīng)于評語論域V中第j個等級vj的相對隸屬度。相對隸屬度（以下簡稱隸屬度）的計算是模糊數(shù)學(xué)方法的關(guān)鍵，其計算公式對效益型指標（指標值越大，生態(tài)安全程度越高）和成本型指標（指標值越大，生態(tài)安全程度越低）有所不同。

1）效益型指標隸屬度的計算公式

以第i項指標xi為例，si，j為第i項指標的j級生態(tài)安全標準，當(dāng)?shù)趇項指標xi的實際值小于其對應(yīng)的第1級標準（重警）時，它對“重警”的隸屬度為1，而對其他預(yù)警級別的隸屬度為0，即

當(dāng)?shù)趇項指標xi的實際值大于其對應(yīng)的第5級標準（無警）時，它對“無警”的隸屬度為1，而對其他預(yù)警級別的隸屬度為0，即xi＞si，j＋1時，

2）成本型指標隸屬度的計算方法

同效益型指標隸屬度的計算類似，以第i項指標xi為例，si，j為第i項指標的j級生態(tài)安全標準，即

第4步：模糊綜合評價模型。

基于模糊數(shù)學(xué)的生態(tài)安全評價模為

式中，B為生態(tài)安全水平評價結(jié)果，Wi為最終確定的指標體系中各指標的權(quán)重值。

第5步：計算各級別變量特征值H，即相應(yīng)指標層中各自指標的綜合指數(shù)值，計算公式為

式中，Bj為第4步中已確定的隸屬于第j等級的隸屬度值［16－20］。

2.6 生態(tài)安全預(yù)警等級標準

依據(jù)上述生態(tài)安全預(yù)警評價的指標體系和模型的計算結(jié)果，并結(jié)合生態(tài)領(lǐng)域10名專家的建議，得到生態(tài)安全預(yù)警程度級別劃分標準（見表2）。

表2 河北省圍場縣生態(tài)安全預(yù)警等級標準Tab.2 Ecological security early-warning grade standard of Weichang County in Hebei Province

3 結(jié)果與分析

3.1 綜合安全狀況預(yù)警分析

由圖2和表3可以看出，2003—2012年圍場縣生態(tài)安全綜合預(yù)警指數(shù)呈波動上升趨勢，從2003年的5.278 1上升到2012年的6.809 1，警度沒有變化，處于“輕警”狀態(tài)，但具有向“預(yù)警”變化的趨勢，表明圍場縣生態(tài)安全的綜合水平呈好轉(zhuǎn)態(tài)勢。2003—2007年，預(yù)警指數(shù)處于5.400左右，2008年以來，圍場縣在發(fā)展社會經(jīng)濟的同時，注重加大生態(tài)環(huán)境保護的力度，采取了深入推進節(jié)能減排、加強水土流失重點區(qū)域治理、增加環(huán)保投資、加快調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加強工業(yè)污染治理、推廣節(jié)水技術(shù)等措施，促進了圍場縣生態(tài)安全水平的不斷提升。但是，就當(dāng)前所處的生態(tài)安全預(yù)警級別來看，圍場縣生態(tài)安全警度處于“輕警”狀態(tài)，未達到“無警”狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境保護形勢仍比較嚴峻，水土流失、水資源短缺以及土壤污染等問題不容忽視，需進一步加大該縣生態(tài)環(huán)境保護的力度。

圖2 圍場縣生態(tài)安全預(yù)警指數(shù)發(fā)展趨勢Fig.2 Warning index development trend of ecological security in Weichang County

表3 圍場縣生態(tài)安全預(yù)警模糊綜合評價結(jié)果Tab.3 Fuzzy comprehensive assessment results of Weichang’s ecological security early-warning

3.2 壓力、狀態(tài)和響應(yīng)指標分析

3.2.1 壓力指標分析

由圖2和表4可以看出，2003—2012年，圍場縣生態(tài)安全壓力指標中預(yù)警指數(shù)呈緩慢波動上升趨勢，其中2003—2004年指數(shù)從7.146 3上升到7.293 4，2005—2007年預(yù)警指數(shù)基本處于6.8左右，2008—2012年預(yù)警指數(shù)從7.216 4上升到7.542 4，警度經(jīng)“預(yù)警”上升到“輕警”，再降到“預(yù)警”，該變化過程表明圍場縣所面臨的生態(tài)安全壓力不穩(wěn)定，易出現(xiàn)反復(fù)起跌的狀況，但整體上有所改善。人口自然增長率、土地墾殖指數(shù)、人均GDP、萬元GDP用水量、農(nóng)藥使用強度等指標的預(yù)警等級變化幅度較大，其中人均GDP、萬元GDP用水量、農(nóng)藥使用強度等指標在2003—2012年預(yù)警等級呈不同程度的上升趨勢，表明其對圍場縣生態(tài)安全壓力指標預(yù)警指數(shù)的上升有一定促進作用。人均GDP從2003年的3 790元提升到2012年的14 847元，表明社會經(jīng)濟發(fā)展水平不斷提升。萬元GDP用水量由2003年的189 m3下降到2012年的65 m3，農(nóng)藥使用強度由2003年的10.01 kg／hm2下降到2012年的5.21 kg／hm2，表明圍場縣通過采取相關(guān)措施在節(jié)約水資源、改良土壤污染方面取得了一定的積極效果。人口自然增長率、土地墾殖指數(shù)等指標的預(yù)警等級在2003—2012年呈下降趨勢，這些指標預(yù)警等級的下降在一定程度上阻礙了圍場縣生態(tài)安全壓力預(yù)警指數(shù)的上升，因此，圍場縣應(yīng)重視控制人口增長，并合理開發(fā)利用土地資源。

3.2.2 狀態(tài)指標分析

由圖2和表4可以看出，2003—2012年，圍場縣生態(tài)安全狀態(tài)指標中預(yù)警指數(shù)發(fā)展趨勢呈緩慢波動上升趨勢，呈“V”字形態(tài)勢，2007年處于最低點，僅為3.837 6，警度處于“中警”狀態(tài)。2003—2007年為迅速下降期，這期間城市化水平不斷提高，工業(yè)化發(fā)展加快，人口不斷增加，導(dǎo)致大量耕地被占，人均耕地面積從2003年的1.62畝（約0.108 hm2）下降到2012年的1.48畝（約0.099 hm2），加上干旱少雨，降雨量預(yù)警等級下降幅度較大，成為限制圍場縣生態(tài)安全水平提升的主要因素。2008—2012年為波動上升期，主要得益于人工造林、“三北”防護林建設(shè)等措施，森林覆蓋率從2008年的50.3%增加到2012年的56.7%，水土流失治理率也逐年升高，上述措施在一定程度上改善了圍場縣的生態(tài)安全現(xiàn)狀。

表4 圍場縣各子系統(tǒng)生態(tài)安全預(yù)警評價結(jié)果Tab.4 Ecological security early-warning assessment results of each subsystem in Weichang County

3.2.3 響應(yīng)指標分析

由圖2和表4可以看出，2003—2012年，圍場縣生態(tài)安全響應(yīng)指標中預(yù)警指數(shù)整體呈逐漸上升趨勢，從2003年的4.602 3上升到2012年的7.425 3，警度由“中警”下降到“預(yù)警”，發(fā)展趨勢良好。近年來，人們愈來愈認識到生態(tài)環(huán)境保護的重要性，面對生態(tài)環(huán)境保護的嚴峻形勢，圍場縣積極應(yīng)對，采取了大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和綠色經(jīng)濟、推廣低碳技術(shù)、著力改善沙化土地集中地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、加快完善生態(tài)補償機制、嚴格控制污染行業(yè)等一系列舉措，有效促進了全縣生態(tài)安全水平的提高。農(nóng)民年人均純收入從2003年的1 508元增加到2012年的3 887元；環(huán)境保護的力度逐步加大，各類污染物的治理水平明顯提升，工業(yè)廢水排放達標率從2003年的87%增加到2012年的100%。這些指標中預(yù)警等級的提高，帶動了全縣生態(tài)安全響應(yīng)指標預(yù)警指數(shù)的不斷上升。

4 討 論

1）基于P-S-R模型構(gòu)建了圍場縣生態(tài)安全預(yù)警評價指標體系，利用模糊綜合評價法對其生態(tài)安全預(yù)警狀況進行了評價，得到了圍場縣生態(tài)安全的發(fā)展趨勢，且與實際情況較為吻合，說明該方法作為生態(tài)安全預(yù)警評價的方法是有效的。

2）在基于模糊綜合評判法的生態(tài)安全預(yù)警評價過程中，分級標準的建立是關(guān)鍵一環(huán)。在參考大量研究成果、文獻的基礎(chǔ)上，結(jié)合評價區(qū)域的實際情況制訂各級指標的評價標準，難免受主觀因素的影響，考慮到圍場縣是京津地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)功能區(qū)，建立生態(tài)安全預(yù)警評價指標體系時，選取了大量反映經(jīng)濟、水環(huán)境和土地方面的指標，而工業(yè)污染等方面的指標選取較少；權(quán)重確定過程中，響應(yīng)類指標即人對生態(tài)環(huán)境的反饋作用被賦予了較大權(quán)重，受到了一定的主觀因素影響。以上問題在今后研究中有待進一步完善。

5 結(jié) 論

本文以河北省圍場縣為研究對象，基于模糊綜合評價法，利用經(jīng)濟、水環(huán)境、土地、自然環(huán)境等數(shù)據(jù)定量計算并評價了圍場縣的生態(tài)安全預(yù)警狀況，得到以下結(jié)論。

1）評價期間，圍場縣綜合生態(tài)安全警度一直處于“輕警”狀態(tài)，但預(yù)警指數(shù)總體上呈波動上升趨勢，特別是2008年后增長較快，2012年已達到6.809 1，接近“預(yù)警”狀態(tài)。

2）對壓力、狀態(tài)、響應(yīng)各子系統(tǒng)而言，評價期間，壓力指標預(yù)警指數(shù)在2005—2007這3年中均小于7，維持在6.8左右，警度處于“輕警”狀態(tài)，其他年份警度處于“預(yù)警”狀態(tài)；狀態(tài)指標預(yù)警指數(shù)增長緩慢，2003—2011年的警度處于“中警”狀態(tài)，2012年達到“預(yù)警”狀態(tài)；響應(yīng)指標預(yù)警指數(shù)逐年上升，警度由“中警”下降到“預(yù)警”，發(fā)展趨勢良好。

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Application of fuzzy comprehensive evaluation to early-warning assessment of ecological security：A case study in Weichang County of Hebei Province

SHEN Hongyan1，2，LIU Junwei1，2，CAO Zhihui1，2，ZHAO Yue1，2，WANG Bing1，2
（1.School of Environmental Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China；2.Hebei Province Key Laboratory of Medicinal Chemistry，Shijiazhuang，Hebei 050018，China）

Based on the data from 2003 to 2012 related to economy，water environment，land and natural resources of Weichang County，pressure-state-response model is used to construct an ecological security early-warning indicator system of Weichang County from three aspects-pressure，state and response.Fuzzy evaluation method combined with early-warning index and warning degree standard are applied to analyze the ecological security alarm conditions of Weichang County from 2003 to 2012.The results show that the ecological security warning index of Weichang County generally has a fluctuating upward trend from 2003 to 2012，and the value rises from 5.278 1 in 2003 to 6.809 1 in 2012，which means the county is in the"light warning"state，tending to the warning state.In terms of pressure，state，response subsystems，the early-warning index of pressure，state and response is on the rise from 2003 to 2012，which indicates a good development trend.

book=645,ebook=228

environmental ecology；fuzzy comprehensive evaluation；early-warning assessment of ecological security；Weichang County；pressure-state-response model（P-S-R model）；early-warning index；warning degree standard

X171.1

A

1008-1542（2015）06-0644-08

10.7535／hbkd.2015yx06015

2014-12-23；

2015-05-07；責(zé)任編輯：王海云

國家自然科學(xué)基金（41373096）；國家環(huán)保部公益課題（201509041-05）；河北省自然科學(xué)基金（B2014208068）；河北省藥用分子化學(xué)實驗室開放基金；河北省環(huán)保廳公益課題；河北省重點學(xué)科建設(shè)基金

沈洪艷（1971—），女，天津人，教授，博士，主要從事污染物環(huán)境行為及效應(yīng)方面的研究。

E-mail：shy0405＠sina.com