基于集對(duì)分析與可變模糊集的合肥市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)

李彩丹，閆曉明，張 潔，何成芳

(1.合肥學(xué)院，安徽 合肥 230601； 2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 棉花研究所，安徽 合肥 230031)

基于集對(duì)分析與可變模糊集的合肥市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)

李彩丹1，閆曉明2*，張 潔1，何成芳2

(1.合肥學(xué)院，安徽 合肥 230601； 2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 棉花研究所，安徽 合肥 230031)

通過(guò)對(duì)合肥市2010—2015年的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用集對(duì)分析與可變模糊集建立城市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)模型，確定權(quán)重，對(duì)合肥市生態(tài)環(huán)境健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，合肥市2010—2015年的生態(tài)環(huán)境總體來(lái)說(shuō)得到改善，但是形勢(shì)仍然非常嚴(yán)峻，處于“臨界狀態(tài)”，有待于進(jìn)一步改善。

城市生態(tài)環(huán)境； 環(huán)境評(píng)價(jià)； 集對(duì)分析模型； 可變模糊集模型； 熵權(quán)法

城市生態(tài)環(huán)境是根據(jù)城市的特點(diǎn)發(fā)展起來(lái)的，是人類(lèi)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化以及周?chē)h(huán)境的總稱(chēng)[1]。隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)化進(jìn)程的迅速發(fā)展，城市生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重[2]，并影響到城市生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能和人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)，引起人類(lèi)社會(huì)的普遍關(guān)注，必須采取必要的生態(tài)管理措施使之恢復(fù)到健康狀態(tài)[3]。

20世紀(jì)60—70年代，全球生態(tài)環(huán)境日趨惡化，人類(lèi)社會(huì)的生存與發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。20世紀(jì)70年代末，Odum提出了生態(tài)系統(tǒng)健康這個(gè)概念[4]。Costanza提出由活力、組織力和恢復(fù)力構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)[5-8]，開(kāi)創(chuàng)了生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合化的先河。國(guó)內(nèi)對(duì)于城市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的調(diào)查研究起步較晚，主要是從組織結(jié)構(gòu)、活力、服務(wù)功能、恢復(fù)力、人群健康5個(gè)方面建立指標(biāo)體系[9]，運(yùn)用層次分析法得到要素權(quán)重，帶入基于模糊數(shù)學(xué)建立的評(píng)價(jià)模型得出各城市的健康水平，最終從整體和單要素2個(gè)方面對(duì)城市環(huán)境的健康水平進(jìn)行比較。

城市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的關(guān)鍵在于建立適宜的評(píng)級(jí)指標(biāo)體系。然而國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的研究都是從單方面進(jìn)行橫向或縱向評(píng)價(jià)，很少對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)做整體性評(píng)價(jià)。本文基于集對(duì)分析和可變模糊集評(píng)價(jià)模型，綜合利用城市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本值與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)間各單指標(biāo)聯(lián)系度的評(píng)價(jià)信息，不僅對(duì)單指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)與比較，還對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)做整體性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果可為生態(tài)環(huán)境改善提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也可為類(lèi)似研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

合肥市，安徽省省會(huì)，位于安徽省中部，31°52′N(xiāo)，117°17′E，是安徽省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科教、商貿(mào)、交通和信息中心[10]。合肥享有“三國(guó)故地、包拯家鄉(xiāng)、淮軍搖籃、科教基地、濱湖新城”之美譽(yù)，因東淝河與南淝河由此發(fā)源，故曰“合肥”，又因明清時(shí)為廬州府治所在，故別稱(chēng)“廬州”[11]。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，合肥市的生態(tài)環(huán)境受到了嚴(yán)重的破壞，城市環(huán)境污染已經(jīng)不是局部問(wèn)題：耕地面積日益減少且嚴(yán)重退化；水體污染狀況普遍存在，污水治理形勢(shì)嚴(yán)峻；固體廢物處理難度較大；有害氣體排量日益增加；生態(tài)系統(tǒng)平衡被嚴(yán)重破壞……生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的處理已經(jīng)迫在眉睫。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文以合肥市為研究對(duì)象。指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源于《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》《合肥市統(tǒng)計(jì)年鑒》《環(huán)境質(zhì)量狀況公報(bào)》《固體廢物污染環(huán)境防治公報(bào)》，以及合肥市《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》、前瞻網(wǎng)等。

1.3 合肥市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型

1.3.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

城市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系旨在評(píng)價(jià)由城市區(qū)域內(nèi)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化、環(huán)境及政治等因素相互作用而引起的人群生態(tài)環(huán)境健康狀況、社會(huì)健康和社會(huì)福利狀況，以及生態(tài)系統(tǒng)完整性的變化情況[12]。

本文從影響合肥市生態(tài)環(huán)境健康評(píng)價(jià)的根源出發(fā)，在遵循評(píng)價(jià)指標(biāo)選取系統(tǒng)性、科學(xué)性、可操作性、前瞻性原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方面的研究，以及合肥市社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的特征，選擇城市的活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力、服務(wù)功能、人群結(jié)構(gòu)5大要素，再分別設(shè)定每個(gè)要素相對(duì)應(yīng)的指標(biāo)，具體地：活力包括人均GDP、GDP增長(zhǎng)率、人均日生活用水量，組織結(jié)構(gòu)包括森林覆蓋率、建成區(qū)綠化覆蓋率、高新科技產(chǎn)值占工業(yè)產(chǎn)值比重、第三產(chǎn)業(yè)比重、人口密度，恢復(fù)力包括城市污水處理率、工業(yè)固體廢物利用率、環(huán)保投資占GDP比重，服務(wù)功能包括城市人均公共綠地、城市人均居住面積、城市人均道路面積，人群結(jié)構(gòu)包括恩格爾系數(shù)、人口自然增長(zhǎng)率、每萬(wàn)人高等學(xué)歷人數(shù)，合計(jì)17個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建合肥市生態(tài)環(huán)境健康評(píng)級(jí)指標(biāo)體系(圖1)。

圖1 城市生態(tài)環(huán)境評(píng)級(jí)指標(biāo)體系

1.3.2 集對(duì)分析與可變模糊集的評(píng)價(jià)模型

1)構(gòu)建合肥市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖1)。

2)利用熵權(quán)法分析指標(biāo)體系的權(quán)重[13]。

3)根據(jù)合肥市生態(tài)環(huán)境的社會(huì)屬性和自然屬性，將評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化。

4)利用集對(duì)分析計(jì)算合肥市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)樣本與各評(píng)價(jià)等級(jí)的聯(lián)系度。具體模型如下。

設(shè)樣本的評(píng)價(jià)指標(biāo)1,2,…，t1處于等級(jí)k中，則同一度α為：

(1)

上式中ωj為第j個(gè)指標(biāo)歸一化后的權(quán)重。

設(shè)樣本的評(píng)價(jià)指標(biāo)t1+1，t1+2，…，t2處于等級(jí)k相隔等級(jí)中，則對(duì)立度c為：

(2)

設(shè)樣本的評(píng)價(jià)指標(biāo)t1+1，t1+2，…，m處于等級(jí)k相鄰等級(jí)中，則單指標(biāo)的差異度bj=ωj，j=t2+1,t2+2,…，m，單指標(biāo)差異度系數(shù)Ij為：

(3)

式(3)中：xj∈grad(k-1)表示指標(biāo)值落入等級(jí)(k-1)中；xj∈grad(k+1)表示指標(biāo)值落入等級(jí)(k+1)中，sk,j表示j指標(biāo)k等級(jí)的值。

城市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)聯(lián)系度u為：

(4)

式中a、b、c為聯(lián)系度分量，J為對(duì)立度系數(shù)，恒為-1。

5)根據(jù)集對(duì)分析與可變模糊集模型的方法，以及具體操作步驟，將與等級(jí)k的聯(lián)系度uk作為此評(píng)價(jià)等級(jí)的相對(duì)差異度[14]，利用下式計(jì)算隸屬度υk：

υk=(1+uk)/2。

(5)

6)測(cè)算城市生態(tài)環(huán)境健康評(píng)價(jià)等級(jí)h[15]，計(jì)算公式如下：

(6)

1.4 合肥市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)確定

設(shè)合肥市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)對(duì)象空間集合A=(城市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo))，屬性空間集合B=(城市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn))。m(1≤m≤5)代表一級(jí)系統(tǒng)，mq(1≤m≤5，1≤q≤5)代表第m個(gè)一級(jí)子系統(tǒng)下第q個(gè)指標(biāo)。設(shè)Im代表城市生態(tài)環(huán)境一級(jí)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，Imq代表城市生態(tài)環(huán)境二級(jí)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，Imq的測(cè)量值為tmq。設(shè)評(píng)價(jià)等級(jí)為n級(jí)，則有評(píng)價(jià)集合C=(C1,C2,…,Cn)，其中C構(gòu)成屬性空間B的一個(gè)有序分各類(lèi)，且存在集合C為遞減序列集合。在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，步驟如下。

1.4.1 二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)n元聯(lián)系度的確定

城市生態(tài)環(huán)境二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)Imq的n元聯(lián)系度為：

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

(7)

式中，υmq代表二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)Imq的n元聯(lián)系度，rmqL∈[0,1](1≤m≤5，1≤q≤5，I≤L≤n)是城市生態(tài)環(huán)境二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)Imq相對(duì)于Cl等級(jí)的聯(lián)系度分量。

1.4.2 一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)n元聯(lián)系度的確定

城市生態(tài)環(huán)境一級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Im的n元聯(lián)系度為：

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

(8)

1.4.3 總指標(biāo)n元聯(lián)系度的確定

城市生態(tài)環(huán)境總的指標(biāo)n元聯(lián)系度為：

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

(9)

1.4.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)n元聯(lián)系度主值的確定

設(shè)υm=rm1+rm2i1+rm3i2+…+rm(n-1)in-2+rmnJ為合肥市城市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的n元聯(lián)系度，由于υ∈[-1,1]，根據(jù)平均分配原則，可將υ∈[-1,1]區(qū)間n-1等分，當(dāng)in-2，in-I,…,i2，i1從左至右依次取n-1個(gè)分點(diǎn)值及J=-1時(shí)，得到的城市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)n元聯(lián)系度的值，稱(chēng)為n元聯(lián)系度的主值，記作：

(10)

1.4.5 評(píng)價(jià)等級(jí)的確定

根據(jù)平均分配原則，按照可將城市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)按照取值區(qū)間[-1,1]進(jìn)行n等分，等分后從左至右每個(gè)區(qū)間依次分別對(duì)應(yīng)C1,C2,…,Cn，一共n個(gè)等級(jí)，即：

本文將合肥市生態(tài)環(huán)境指標(biāo)體系等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分為1～5級(jí)，取值區(qū)域分別為[-1,-0.6]、[-0.6,-0.2]、[-0.2,0.2]、[0.2,0.6]、[0.6,1]，分別對(duì)應(yīng)于城市生態(tài)環(huán)境等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的不健康、較不健康、臨界狀態(tài)、較健康、健康5個(gè)級(jí)別。

2 結(jié)果與分析

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

合肥市2010—2015年的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示。

采用熵權(quán)法計(jì)算合肥市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，并對(duì)合肥市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)分級(jí)，結(jié)果如表2所示。

2.2 合肥市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

將2010—2015年合肥市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的各數(shù)據(jù)按照生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分界點(diǎn)進(jìn)行等級(jí)劃分(表3)，計(jì)算隸屬度υk，確定生態(tài)健康等級(jí)。結(jié)果如表4所示。

表1 合肥市2010—2015年生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

表2 合肥市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系及權(quán)重

表3 合肥市2010—2015年生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

表4 合肥市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

2010—2015年合肥市生態(tài)環(huán)境健康總指標(biāo)聯(lián)系度主值的排列結(jié)果為υ2015>υ2012>υ2013>υ2011>υ2014>υ2010，這表明合肥市生態(tài)環(huán)境狀況在2011年和2012年得到了改善，而在2013年和2014年環(huán)境持續(xù)惡化，在2015年環(huán)境狀況出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，總體呈現(xiàn)改善的趨勢(shì)。

2010—2015年合肥市生態(tài)環(huán)境健康狀況均處于臨界狀態(tài)。在2011年和2012年環(huán)境狀況逐步好轉(zhuǎn)，主要是由于：一方面，GDP增長(zhǎng)快，帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展；另一方面，城市污水處理率明顯提高，環(huán)境問(wèn)題得到改善。2013年和2014年由于合肥市GDP增長(zhǎng)緩慢，工業(yè)、農(nóng)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了大量的廢棄物，固體廢棄物處理率降低、城市污水處理率明顯降低，導(dǎo)致環(huán)境急劇惡化。2015年環(huán)境狀況明顯得到了改善，主要得益于新環(huán)保法于2015年1月1日起開(kāi)始執(zhí)行。新的環(huán)保法針對(duì)超標(biāo)排放、非法偷排、逃避檢測(cè)行為，制定了嚴(yán)格的懲罰制度。另外，伴隨著對(duì)環(huán)保知識(shí)的大力宣傳和大量的資金投入，以及新技術(shù)的研發(fā)，人們的環(huán)保意識(shí)大大提高，污染物產(chǎn)生量減少，環(huán)境治理水平提高，環(huán)境逐步改善。

3 小結(jié)

通過(guò)建立集對(duì)分析和可變模糊集模型，對(duì)合肥市2010—2015年生態(tài)環(huán)境健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，合肥市生態(tài)環(huán)境狀況整體不斷改善，但2010—2015年均處于臨界狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境形勢(shì)依然非常嚴(yán)峻，有待于進(jìn)一步改善。

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2017-09-24

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAD14B13)；合肥學(xué)院研究生創(chuàng)新研究項(xiàng)目(2017CX04)

李彩丹(1993—)，女，河南南陽(yáng)人，碩士研究生，從事固體廢棄物處理與處置方面的研究工作，E-mail:2551439838@qq.com。

閆曉明(1963—)，男，安徽合肥人，研究員，學(xué)士，從事農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全方面的研究工作，E-mail:582511625@qq.com。

文獻(xiàn)著錄格式：李彩丹，閆曉明，張潔，等. 基于集對(duì)分析與可變模糊集的合肥市生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(12)：2116-2120.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171211

F062.2

A

0528-9017(2017)12-2116-05

高 峻)