區(qū)域生態(tài)安全評價(jià)與預(yù)警研究

董會(huì)忠　吳朋　叢旭輝　殷秀清

摘要：運(yùn)用熵權(quán)正態(tài)云理論，建立了基于s-T-I模型的山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)安全預(yù)警模型，對山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)歷史時(shí)序（2004-2014年）及規(guī)劃年份（2017年）的生態(tài)安全進(jìn)行定量評估和預(yù)警。結(jié)果表明：2004～2014年區(qū)域生態(tài)環(huán)境從“較差狀態(tài)”到“一般狀態(tài)”再到“良好狀態(tài)”，總體呈逐漸好轉(zhuǎn)的態(tài)勢，但整體生態(tài)安全水平仍較低，均未達(dá)到“理想狀態(tài)”。2017年區(qū)域生態(tài)安全為“良好狀態(tài)”，且具有向“一般狀態(tài)”發(fā)展的趨勢，大氣污染、水污染、工業(yè)“三廢”等是影響區(qū)域生態(tài)安全的主要短板因素。

關(guān)鍵詞：正態(tài)云；區(qū)域生態(tài)安全；預(yù)警模型；山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)

DOI：IO.13956/j.ss.1001-8409.2016.09.13

中圖分類號：F062.2；F127

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-8409（2016）09-0056-06

區(qū)域生態(tài)安全是指在一定時(shí)空范圍內(nèi)，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在功能、結(jié)構(gòu)以及外在表現(xiàn)，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)與自然環(huán)境的雙重壓力及人類活動(dòng)積極響應(yīng)下，對社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定和人類健康發(fā)展所提供的生態(tài)支持和影響，使人類社會(huì)的健康、發(fā)展、生產(chǎn)和生活不受威脅的狀態(tài)。對生態(tài)安全的準(zhǔn)確識別有助于正確把握生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，為區(qū)域規(guī)劃提供科學(xué)的依據(jù)，對區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的持續(xù)健康發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義?，F(xiàn)階段，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展以及人口急劇膨脹，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)安全形勢嚴(yán)峻，生態(tài)問題凸顯，生態(tài)安全已經(jīng)成為政府和學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。目前國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)安全的研究主要有：概念界定、理論辨識、評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建、生態(tài)安全評價(jià)與預(yù)警、生態(tài)承載力分析以及對策探討等。作為生態(tài)安全研究的重點(diǎn)，生態(tài)安全預(yù)警是指對生態(tài)環(huán)境狀況的變化、資源開發(fā)的生態(tài)后果以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)同生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的預(yù)測、評價(jià)和警報(bào)，以實(shí)現(xiàn)對不良因素的改善與控制。生態(tài)安全預(yù)警的常見方法多集中在模糊物元評價(jià)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等。模糊物元評價(jià)法反映了評價(jià)對象安全界限的模糊性，刻畫出評價(jià)對象的實(shí)際情況，但該方法過度依賴極值的作用，造成信息損失較多，對指標(biāo)權(quán)重的確定也缺乏可靠性。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢在于無標(biāo)度求解方面，通過反復(fù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)，找到最小誤差對應(yīng)的網(wǎng)格參數(shù)，但會(huì)因?yàn)橛?xùn)練不足或過度訓(xùn)練，導(dǎo)致陷入局部最小。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)兼具信息論與控制論的優(yōu)點(diǎn)，在處理周期性與長期性問題方面具有相對優(yōu)勢，但該方法對同一問題建立的不同模型以及最終結(jié)果差異性顯著，缺乏可靠性。所以，現(xiàn)有的評價(jià)和預(yù)警模型在反映區(qū)域生態(tài)安全的多因素、多維度和動(dòng)態(tài)適應(yīng)性等方面存在一定的局限性。

熵權(quán)正態(tài)云模型作為一種新的區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警模型，能夠較好地克服上述方法存在的弊端，現(xiàn)已被應(yīng)用至土地資源評價(jià)、區(qū)域水資源承載力評價(jià)、企業(yè)安全管理等方面，目前還未將其應(yīng)用到區(qū)域生態(tài)安全研究中。本文將熵權(quán)正態(tài)云模型理論引入到區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警中，以解決生態(tài)預(yù)警研究中的隨機(jī)性與模糊性的問題。以山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)為例，基于“狀態(tài)-逼迫-免疫”（State-Threat-Immunity，STI）概念模型，構(gòu)建山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)預(yù)警指標(biāo)體系，對時(shí)間尺度（2004～2014年）下的生態(tài)安全水平進(jìn)行評價(jià)，并對該區(qū)域2017年的生態(tài)安全發(fā)展態(tài)勢預(yù)警。

1.研究區(qū)范圍

山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)主體區(qū)位于東經(jīng)118°0～122°42和北緯35°04～38°16'之間，包括山東全部海域和青島、東營、煙臺、濰坊、威海、日照6市以及濱州市的無棣、沾化2縣所屬陸域，海域面積15.95萬平方千米，陸域面積6.4萬平方千米，占山東省陸域面積的14%。山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)憑借其區(qū)位優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢發(fā)展成為山東地區(qū)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化水平最高、發(fā)展速度最快、經(jīng)濟(jì)外向性最高的區(qū)域。但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，耕地、能源、水資源和礦產(chǎn)等資源短缺，水環(huán)境、大氣環(huán)境污染嚴(yán)重，海水入侵等生態(tài)污染不斷加重，山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)安全系統(tǒng)亟需改善。

2.研究方法

2.1正態(tài)云模型理論

云模型通過語言值來表達(dá)定性概念與定量表示之間相互映射轉(zhuǎn)換，合理有效地將隨機(jī)性與模糊性結(jié)合在一起。作為云模型的基本模型之一，正態(tài)云模型具有廣泛的普適性，大量的自然和社會(huì)科學(xué)中定性概念的云期望曲線都近似屬于正態(tài)分布或半正態(tài)分布。

3.山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)安全預(yù)警

3.1研究尺度、數(shù)據(jù)來源

區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警主要分為歷史年份生態(tài)評價(jià)及未來年份生態(tài)趨勢研究。通過對山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)2004～2014年生態(tài)水平的分析，驗(yàn)證云模型在區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警中的有效性，其次運(yùn)用該模型對區(qū)域2017年的生態(tài)安全水平及發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行預(yù)警分析。

本文研究所使用數(shù)據(jù)主要來源于《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》（2004～2015年）、《山東省統(tǒng)計(jì)年鑒》（2004～2015年）、《山東省環(huán)境狀況公報(bào)》（2004～2015年），以及日照、青島、威海、東營、煙臺、濰坊和濱州市統(tǒng)計(jì)年鑒（2004～2015年）等。

3.2生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系

系統(tǒng)性分析現(xiàn)階段研究成果，結(jié)合山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)安全狀況與預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)的可得性，界定影響其生態(tài)水平的因素主要集中于區(qū)域生態(tài)狀態(tài)、安全逼迫程度、風(fēng)險(xiǎn)免疫3方面，并構(gòu)建了由22項(xiàng)預(yù)警指標(biāo)構(gòu)成的“狀態(tài)-逼迫-免疫”（State-Threat-Immunity，STI）概念模型。其中，藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)當(dāng)前所具有的水資源、耕地、林地等生態(tài)資源及大氣環(huán)境、水環(huán)境等環(huán)境狀態(tài)作為生態(tài)安全的狀態(tài)要素；資源過度使用所導(dǎo)致的資源消耗、環(huán)境破壞、生態(tài)污染等是逼迫區(qū)域生態(tài)安全水平轉(zhuǎn)變的主導(dǎo)隱患，劃分至生態(tài)安全的逼迫要素；以降低生態(tài)系統(tǒng)遭受風(fēng)險(xiǎn)為目的，利用資金投入、科技研發(fā)、廢棄物處理等渠道提升生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避能力的要素，作為生態(tài)安全的免疫要素。預(yù)警指標(biāo)分為正向與負(fù)向指標(biāo)2類（若指標(biāo)數(shù)值越大，區(qū)域生態(tài)安全水平越高、抵御生態(tài)破壞和恢復(fù)再生能力越強(qiáng)，則為正向指標(biāo)；相反，若指標(biāo)數(shù)值越大，區(qū)域生態(tài)安全狀況越差、承受的生態(tài)壓力越大，則為負(fù)向指標(biāo)）。結(jié)合STI概念模型，建立山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系，具體見表1。

3.3預(yù)警等級劃分

生態(tài)安全水平的直觀化體現(xiàn)需要以安全等級標(biāo)準(zhǔn)劃分為基礎(chǔ)。參考國家生態(tài)安全評估體系研究結(jié)果，本文把生態(tài)安全劃分為5個(gè)等級。從優(yōu)至劣對其排序分別為I（理想狀態(tài)）、Ⅱ（良好狀態(tài)）、ⅡI（一般狀態(tài)）、IV（較差狀態(tài)）、V（惡化狀態(tài)），各等級下的生態(tài)狀態(tài)具體涵義見表2。通過正態(tài)云理論，把生態(tài)安全分異概念集合{理想一良好一一般一較差一惡化}中的漸變關(guān)系從定性分析轉(zhuǎn)化為定量研究，明確藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)安全概念的層次關(guān)系。

3.4指標(biāo)閥值確定與正態(tài)云數(shù)字特征

3.4.1預(yù)警指標(biāo)閾值

構(gòu)建了半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系后，需確定預(yù)警指標(biāo)在不同安全等級下的閾值范圍，以對生態(tài)安全狀況定量分析。通過對國家關(guān)于生態(tài)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定以及地方、行業(yè)的環(huán)境本底標(biāo)準(zhǔn)分析，按照系統(tǒng)性、可操作性及地域性等原則，結(jié)合山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)2004～2014年歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)研究，劃分各預(yù)警指標(biāo)在不同安全等級下的閾值，見表1。

3.4.2正態(tài)云數(shù)字特征

按照式（2）至式（4），將各預(yù)警指標(biāo)在不同生態(tài)安全等級下的閾值區(qū)間通過正態(tài)云模型表示，以山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系中的生態(tài)環(huán)境狀態(tài)為例，得到其正態(tài)云標(biāo)準(zhǔn)（如表3）。

將各預(yù)警指標(biāo)的正態(tài)云標(biāo)準(zhǔn)數(shù)組代人正態(tài)云發(fā)生器，得到各預(yù)警指標(biāo)在不同安全等級下的正態(tài)云。以影響因素指標(biāo)——人口密度（c₁₁）為例，對其建立標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)云隸屬函數(shù)（如圖3）。

3.5計(jì)算及結(jié)果分析

3.5.1預(yù)警指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

采用客觀賦權(quán)法中的熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，以區(qū)域生態(tài)安全為總系統(tǒng)，各預(yù)警指標(biāo)為子系統(tǒng)，將子系統(tǒng)作為信息源，預(yù)警對象在各子系統(tǒng)下的取值作為各子系統(tǒng)可能的取值，若這些取值的概率確定，可由預(yù)警指標(biāo)構(gòu)成的判斷矩陣計(jì)算出指標(biāo)熵權(quán)。結(jié)合山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，綜合分析歸納后，得到預(yù)警指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)及其權(quán)重（見表1），熵權(quán)法在計(jì)算指標(biāo)權(quán)重過程中有效消除了人為因素干擾，使計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際。

根據(jù)表4評價(jià)結(jié)果可知，2014年山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)安全預(yù)警值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2004年生態(tài)安全預(yù)警值（φ2014（Ⅱ）=0.249>φ2004（Ⅱ）=0.170，表明2004～2014年該地區(qū)生態(tài)治理和保護(hù)成效顯著，生態(tài)安全問題得到合理解決。但從最終等級隸屬度來看，區(qū)域整體安全等級相對較低，均在“理想”狀態(tài)以下，該地區(qū)生態(tài)安全狀況仍不容樂觀。上述評價(jià)結(jié)果與山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)情況基本一致，表明基于熵權(quán)正態(tài)云模型的區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警具有較高的可靠性，能夠用于半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)未來年份的生態(tài)安全預(yù)警研究。

3.5.3 2017年生態(tài)安全預(yù)警

通過灰色模型（Grey Model）預(yù)測得到2017年山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)預(yù)警指標(biāo)值，并將其代人熵權(quán)正態(tài)云預(yù)警模型，得到該區(qū)域2017年的生態(tài)安全預(yù)警結(jié)果（見表5）。

4.結(jié)論

本文在總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)區(qū)域生態(tài)安全評價(jià)與預(yù)警的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于s-T-I模型的生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系，并將熵權(quán)正態(tài)云模型應(yīng)用于區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警中，對2004～2014年山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)安全水平進(jìn)行評價(jià)，得到該地區(qū)生態(tài)安全從“較差”狀態(tài)到“一般”狀態(tài)再到“良好”狀態(tài)，生態(tài)水平不斷好轉(zhuǎn)，有效控制了生態(tài)質(zhì)量的惡化。但從整體來看，該區(qū)域生態(tài)安全水平較低，仍處于“理想”狀態(tài)以下，研究結(jié)果與實(shí)際基本相符。其次，通過分析2017年山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)安全預(yù)警結(jié)果，可知該地區(qū)在2017年生態(tài)安全為“良好”狀態(tài)，同時(shí)有向“一般”狀態(tài)退化的趨勢。水資源短缺、大氣環(huán)境指數(shù)和水環(huán)境指數(shù)偏高、工業(yè)“三廢”排放量、人均耗能量較高是制約區(qū)域生態(tài)好轉(zhuǎn)的主要短板因素。因此，為促進(jìn)區(qū)域生態(tài)安全等級的不斷提升，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行排污總量和環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，完善生態(tài)環(huán)境的監(jiān)督執(zhí)法和監(jiān)測預(yù)警體系，健全生態(tài)服務(wù)功能；統(tǒng)籌土地資源的產(chǎn)業(yè)開發(fā)與保護(hù)，有效限制高耗水行業(yè)的發(fā)展，加大重點(diǎn)污染流域治理與工業(yè)治污的力度，加快推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)的構(gòu)建；按照資源化、減量化和再利用的原則，調(diào)整產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮科學(xué)技術(shù)優(yōu)勢，推進(jìn)可循環(huán)、高效能技術(shù)的研發(fā)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)集群綠色發(fā)展，形成集約發(fā)展、集聚發(fā)展、集中治污的可持續(xù)發(fā)展模式。