趙鵬宇, 薛慧敏
(1.忻州師范學(xué)院 五臺山文化研究中心, 山西 忻州 034000; 2.忻州師范學(xué)院 地理系, 山西 忻州 034000)
生態(tài)安全預(yù)警是指在一定時(shí)空領(lǐng)域內(nèi),人類社會賴以生存的系統(tǒng)處于良性循環(huán),并能滿足該區(qū)域人類社會可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)。目前生態(tài)安全預(yù)警研究在不同尺度取得了一批重要實(shí)踐成果,為區(qū)域生態(tài)環(huán)境管理、決策提供科學(xué)的依據(jù)。區(qū)域生態(tài)安全評價(jià)是對人類活動影響而產(chǎn)生的對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)威脅狀態(tài)的評價(jià),其目的是通過研究區(qū)域生態(tài)安全狀況,為可持續(xù)發(fā)展提供參考,實(shí)施有效的生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng)管理。國外的預(yù)警理論源于1917年哈佛研究會的Peasons[1]首次運(yùn)用17項(xiàng)景氣指標(biāo)對美國經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢進(jìn)行研究,1975年全球環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)(GEMS)[2]建立,生態(tài)安全預(yù)警開始受到廣泛關(guān)注,以洪水、水土流失、土壤退化、山體滑坡監(jiān)測預(yù)警為主,新世紀(jì)以來主要集中在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評價(jià)[3]和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[4]兩方面。20世紀(jì)80年代我國主要側(cè)重于宏觀預(yù)警研究,內(nèi)容上以生態(tài)安全預(yù)警和可持續(xù)發(fā)展預(yù)警為主,且側(cè)重于區(qū)域水、土、能源等專題預(yù)警研究[5-12]。方法包括統(tǒng)計(jì)學(xué)評價(jià)、模型研究等。統(tǒng)計(jì)學(xué)評價(jià)包括層次分析法、因素分析法、綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法等。模型研究主要有數(shù)學(xué)模型、生態(tài)足跡模型、景觀生態(tài)模型、數(shù)字地形模型等。實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛的模型主要有兩類,一類是1994年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署和經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織等單位共同提出PSR模型(pressure-state-response, 壓力—狀態(tài)—響應(yīng)),隨后擴(kuò)展到DSR,DPSEEA,DPSR模型[13-14],這些模型從不同程度上考慮了人類活動對環(huán)境的壓力,自然資源質(zhì)與量的變化,以及人類對這些變化的響應(yīng),即采取相應(yīng)的減少、預(yù)防和緩解措施。另一類以人口、自然、經(jīng)濟(jì)、社會、資源、生態(tài)環(huán)境的部分或全部集合組成指標(biāo)體系[15-19],同時(shí)采用客觀賦權(quán)法、層次分析法、熵值法等確定權(quán)重計(jì)算預(yù)警值,評價(jià)生態(tài)安全等級。區(qū)域生態(tài)安全預(yù)警成果豐富但整體還處于不成熟階段,研究方法多采用單一靜態(tài)的預(yù)警方法,未能充分考慮生態(tài)安全的動態(tài)性,不能充分為政府決策提供依據(jù)。本文在梳理前人文獻(xiàn)基礎(chǔ)上,以上述PSR為基礎(chǔ)模型,從人口、資源、社會、環(huán)境、生態(tài)集合選取指標(biāo),試圖構(gòu)建一個(gè)更加合理完善的能源-生態(tài)復(fù)合區(qū)生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系,并將山西省忻州市14地市作為研究對象,分析該市新世紀(jì)以來2000—2018年生態(tài)安全預(yù)警值的時(shí)空演變趨勢,并提出相應(yīng)的對策,旨在為能源-生態(tài)復(fù)合區(qū)生提升生態(tài)安全、優(yōu)化生態(tài)環(huán)境提供理論指導(dǎo)與借鑒。
忻州市位于山西省北中部,總面積2.51×104km2,占山西省土地總面積的16%,土地資源中山地、丘陵與平原所占比例為53.5%,35.96%,10.54%。下轄1市,1區(qū),12縣。2018年全市人口為317.2萬人,自然增長率3.08‰,農(nóng)作物種植面積4.46×105hm2,糧食產(chǎn)量1.94×106t;全市一次能源生產(chǎn)折標(biāo)準(zhǔn)煤5.41×107t,二次能源生產(chǎn)折標(biāo)準(zhǔn)煤1.62×107t。國內(nèi)生產(chǎn)總值681.2億元。根據(jù)國家與山西省主體功能區(qū)劃,忻州市大部分區(qū)域?yàn)閲壹壔蚴〖壷攸c(diǎn)生態(tài)功能區(qū)。區(qū)域內(nèi)主要面臨的生態(tài)問題為水土流失、局部地區(qū)水資源短缺以及能源開采帶來的生態(tài)問題。隨著能源開采的增長、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速了區(qū)域生態(tài)危機(jī),同時(shí)退耕還林草工程的實(shí)施又緩和了局部危機(jī)程度[20-23]。為此,生態(tài)安全動態(tài)預(yù)警顯的尤為緊迫。
(1) 年鑒類。山西省經(jīng)濟(jì)與社會統(tǒng)計(jì)年鑒、忻州市統(tǒng)計(jì)年鑒(2010—2018年)、《走向富裕文明的忻州:忻州60 a發(fā)展回顧》、忻州水利志、忻州煤炭志、忻州農(nóng)田水利統(tǒng)計(jì)年鑒。
(2) 政府公報(bào)類。忻州市國民經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、忻州市環(huán)境狀況公報(bào)、忻州市水資源公報(bào)。
(3) 城市政府部門調(diào)研數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)搜索。
在數(shù)據(jù)的整理搜集過程中,由于所有變量都需要一個(gè)特定時(shí)間系列數(shù)據(jù)作為支持,可能會遇到某一年份的指標(biāo)因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)口徑和統(tǒng)計(jì)項(xiàng)發(fā)生變化而在年鑒中沒有統(tǒng)計(jì),主要采用以下辦法處理,一是根據(jù)已有基礎(chǔ)資料,使用插值法計(jì)算,二是通過換算統(tǒng)一單位口徑,以補(bǔ)充數(shù)據(jù)的完整性。
基于PSR概念模型,從人口、資源、社會、環(huán)境、生態(tài)角度建立指標(biāo)體系。系統(tǒng)壓力對應(yīng)人口、資源、社會經(jīng)濟(jì)、環(huán)境壓力。系統(tǒng)狀態(tài)對應(yīng)生態(tài)狀態(tài)與資源狀態(tài)。系統(tǒng)響應(yīng)對應(yīng)環(huán)境與社會響應(yīng)。指標(biāo)篩選堅(jiān)持科學(xué)性、目的性、代表性、可操作和實(shí)用性等原則,最終選取了21項(xiàng)指標(biāo),具體指標(biāo)的計(jì)算均是相對數(shù)。結(jié)果詳見表1。
表1 忻州市生態(tài)安全預(yù)警指標(biāo)體系
注:其中“+”代表正向指標(biāo),指標(biāo)值越大,生態(tài)安全狀況越好,“—”代表指標(biāo)指標(biāo),情況相反。
2.3.1 預(yù)警模型
(1) 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。預(yù)警方法采用熵值法,利用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對參評指標(biāo)進(jìn)行量化統(tǒng)一。
對于正向指標(biāo):
Xij′=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)
(1)
對于逆向指標(biāo):
Xij′=(Xjmax-Xij)/(Xjmax-Xjmin)
(2)
式中:Xij——i地區(qū)的第j個(gè)指標(biāo)值;Xij′——數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值;Xjmin——所有地區(qū)j指標(biāo)的最小值;Xjmax——所有地區(qū)中j指標(biāo)的最大值。
(2) 指標(biāo)信息熵值e和信息效用值d。第j項(xiàng)指標(biāo)的信息熵值ej為:
(3)
(4)
式中:K——常數(shù),與系統(tǒng)的地區(qū)數(shù)m有關(guān)。對于一個(gè)信息完全無序的系統(tǒng),有序度為零,其熵值最大,e=1,m個(gè)樣本處于完全無序分布狀態(tài)時(shí)K為:
K=1/lnm
(5)
某項(xiàng)指標(biāo)的信息效用價(jià)值取決于該指標(biāo)的信息熵ej與1之間的差值:
dj=1-ej
(6)
(3) 指標(biāo)權(quán)重。利用熵值法估算各指標(biāo)的權(quán)重,可以得到第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重為:
(7)
(4) 預(yù)警值計(jì)算。Xij的評價(jià)值fji為:
fij=Wj·Xij′
(8)
(5) 第i個(gè)地區(qū)的預(yù)警值:
(9)
2.3.2 判別標(biāo)準(zhǔn) 運(yùn)用熵值法得出的生態(tài)安全預(yù)警值實(shí)際上是各地區(qū)生態(tài)安全的一個(gè)綜合得分,其分值在0~1之間,分值越大表明該地區(qū)生態(tài)安全狀況越理想;分值越接近于0,表明生態(tài)安全警度越大。國內(nèi)生態(tài)安全預(yù)警評判標(biāo)準(zhǔn)劃分基本為2類,平均分段與不等分段。警度等級4至6級的均有。為了便于預(yù)警結(jié)果的歸類分析,與同類研究成果比較,在參考相關(guān)文獻(xiàn)[15-19]的基礎(chǔ)上,確定生態(tài)安全預(yù)警評判標(biāo)準(zhǔn)。將忻州市14縣市區(qū)生態(tài)安全預(yù)警評判標(biāo)準(zhǔn)劃分為了重警、中警、輕警、無警和理想5個(gè)等級(如圖1所示)。不同的預(yù)警值對應(yīng)不同級別的安全預(yù)警狀況。生態(tài)安全預(yù)警等級越高,說明區(qū)域的生態(tài)安全狀況越好;反之,說明區(qū)域的生態(tài)安全狀態(tài)越差。
圖1 研究區(qū)生態(tài)安全預(yù)警判別標(biāo)準(zhǔn)及指示燈
分析忻州市2018年生態(tài)安全警情,由圖2—3可知,全市14縣(市區(qū))綜合預(yù)警值介于0.356 2~0.587 0,平均值為0.491 2,預(yù)警等級處于中警至輕警范圍內(nèi)。其中忻府區(qū)、定襄、五臺、繁峙、靜樂5區(qū)縣警情為中警狀態(tài),其余7縣均為輕警狀態(tài),沒有無警或理想的區(qū)域。由此可見,忻州市整體生態(tài)安全并不樂觀。
圖2 忻州市2018年各縣子系統(tǒng)生態(tài)安全預(yù)警格局
圖3 忻州市2018年各縣生態(tài)安全預(yù)警格局
從系統(tǒng)壓力來看,預(yù)警值小于0.2的縣有忻府區(qū)、定襄、五臺、繁峙。預(yù)警值越小警情越重。上述4縣均處于滹沱河流域內(nèi),該區(qū)域自古人口稠密,約占全市人口的56.1%,人口密度高于全市區(qū)平均水平。地處忻定盆地腹地,滹沱河灌區(qū)為全省6大自流灌區(qū)之一,水資源消耗中約70%用于農(nóng)業(yè)灌溉,萬元GDP用水量達(dá)140 m3/萬元,高于全市平均水平94 m3/萬元。從全省生態(tài)功能區(qū)劃來看,該區(qū)域?yàn)殇镢愚r(nóng)業(yè)發(fā)展與城鎮(zhèn)聚集區(qū),人均GDP與GDP年均增長率相對較高,是全市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的區(qū)域。從環(huán)境壓力指數(shù)來看,忻州區(qū)、原平、定襄、代縣、繁峙萬元GDP廢污水排放量分別為7.24,5.42,3.73,6.48,7.90 m3/萬元,高于全市平均水平(全市為4.90),2018年原平與代縣SO2排放量分別為24 523 t和13 256 t,忻府區(qū)與原平氮氧化物排放量9 652和17 535 t,忻府區(qū)與原平煙粉塵排放量19 722和22 003 t,上述地區(qū)污染物排放量絕對數(shù)量位于全市區(qū)前列。由此可見,滹沱河區(qū)為全市生態(tài)安全壓力最大的區(qū)域。
從系統(tǒng)狀態(tài)來看,警情相對嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)槲迮_、靜樂、神池,系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)警值小于0.1。生態(tài)狀態(tài)要素表現(xiàn)為:靜樂、神池水土協(xié)調(diào)率指標(biāo)分別為2.55%和1.48%,兩縣農(nóng)業(yè)以旱作農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)為主,水澆地極少。五臺水土流失治理率為全市最低僅為37.21%,從人類干擾指數(shù)看,神池也最大值達(dá)到41.71%,神池以種植粗糧和旱作蔬菜為主,地勢平緩,形成了集中連片種植區(qū),面積達(dá)到6.07×104hm2。資源狀態(tài)要素表現(xiàn)為:神池糧食人均產(chǎn)量達(dá)到1 208 kg/人,全市相對較高。由此可見,上述3縣為全市生態(tài)安全狀態(tài)警情最大的區(qū)域。
從系統(tǒng)響應(yīng)來看,警情相對嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)樾酶畢^(qū)、五臺、代縣、繁峙、靜樂、寧武、河曲和保德縣。系統(tǒng)響應(yīng)預(yù)警值小于0.1。以環(huán)境響應(yīng)指數(shù)表現(xiàn)最為顯著,根據(jù)2018年忻州市環(huán)境保護(hù)狀況公報(bào)顯示,忻州城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)6.09,在山西省排名第4位,污染綜合指數(shù)介于4.11~7.26之間(指數(shù)越大污染越重)。雖環(huán)保投資率隨逐年上升,但與國內(nèi)平均水平相比整體投入偏低。系統(tǒng)響應(yīng)警情相對較大。
由圖4可知,2000—2018年忻州市生態(tài)安全預(yù)警值呈波動緩慢上升趨勢,整體上由預(yù)警值從0.4線下上升超過0.4,預(yù)警級別由中警下降到輕警,但社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展伴隨資源消耗與環(huán)境污染等問題依然存在。2018年預(yù)警等級中輕警縣達(dá)到10個(gè),中警有4個(gè),沒有無警、理想等級。全市整體生態(tài)安全警情趨于改善,但生態(tài)安全等級較低。
從時(shí)間序列來看,2000年忻州市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展開始進(jìn)入快速增長期,預(yù)警值界于0.25~0.48之間,其中代縣、靜樂、寧武、神池、五寨、偏關(guān)、河曲、保德等8縣達(dá)到中警等級。到了2005年預(yù)警值界于0.25~0.48之間,中警等級縣達(dá)到10個(gè),生態(tài)環(huán)境惡化趨勢空間范圍擴(kuò)大。2010年預(yù)警值范圍為0.32~0.45,中警等級縣達(dá)下降至8個(gè),隨著2013年煤碳能源市場的不景氣,全市煤炭市場黃金10 a開始結(jié)束,經(jīng)濟(jì)下行壓力增大,以及退耕還林草程15 a的實(shí)施。到2014年時(shí)生態(tài)安全預(yù)警值整體上升,界于0.35~0.51之間,中警等級的縣區(qū)縮小到4個(gè)。2018年預(yù)警值上限達(dá)到0.59,“十三五”末期,個(gè)別縣區(qū)很可能達(dá)到無警狀態(tài),整體上全市生態(tài)安全警情趨于降低。生態(tài)安全預(yù)警值的變化主要取決于系統(tǒng)壓力變化。而系統(tǒng)狀態(tài)、響應(yīng)較為穩(wěn)定。2000—2018年忻州市14縣經(jīng)濟(jì)有了長足發(fā)展,GDP年均增長、人均GDP有了很大提升。萬元GDP用水量、能耗、廢污水排放量、SO2排放量、氮氧化物排放量、煙粉塵排放量有所減少。響應(yīng)層的空氣綜合染污指數(shù)有所下降,環(huán)保投資率有所提升,生態(tài)環(huán)境有所改善。
圖4 忻州市生態(tài)安全預(yù)警值發(fā)展趨勢
忻州市是典型的能源—生態(tài)復(fù)合區(qū),以資源和生態(tài)承載力的文獻(xiàn)探討較多[20-24]。目前全市生態(tài)環(huán)境得到了階段性改善,但總體形式仍不容樂觀,且區(qū)域內(nèi)部差異明顯,為了更好地優(yōu)化全市14縣(區(qū))生態(tài)環(huán)境,將全市分為兩大區(qū)域,滹沱河流域6縣和黃河流域8縣,對不同的發(fā)展區(qū)域分別采取差異化的生態(tài)管理措施。
滹沱河流域6縣(區(qū))的忻府區(qū)、原平、定襄、五臺、代縣、繁峙應(yīng)采取合理的人口政策,優(yōu)化城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu),限制無節(jié)制的農(nóng)業(yè)用水,提升二、三產(chǎn)業(yè)用水與生態(tài)用水量;優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),持續(xù)降低經(jīng)濟(jì)發(fā)展能耗,重點(diǎn)治理三廢排放企業(yè),確保不越環(huán)保紅線;統(tǒng)籌土地資源的開發(fā)利用,積極開展土地整治,縮小人類干擾范圍,探尋生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的新思路;結(jié)合京津風(fēng)沙源治理工程,提升水土流失治理率,加大環(huán)水利保投資率,忻定盆地持續(xù)提升農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平。忻府區(qū)、原平兩個(gè)省級經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)要積極發(fā)展“飛地經(jīng)濟(jì)”,開拓發(fā)展新空間,在新技術(shù)引進(jìn)、新產(chǎn)業(yè)開發(fā)上當(dāng)好排頭兵。實(shí)施工業(yè)能效提升計(jì)劃,全面提高重點(diǎn)行業(yè)和重點(diǎn)用能企業(yè)的節(jié)能水平。堅(jiān)持最嚴(yán)格的節(jié)約用地制度,嚴(yán)格土地用途管制,推廣應(yīng)用節(jié)地技術(shù)和模式。建立健全用能權(quán)、用水權(quán)、排污權(quán)、碳排放權(quán)初始分配制度,建立預(yù)算管理制度、有償使用和交易制度,更多用市場手段實(shí)現(xiàn)雙控目標(biāo)。政策上,要調(diào)整完善縣域經(jīng)濟(jì)考核辦法,根據(jù)縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn),動態(tài)調(diào)整考核指標(biāo),不求面面俱到。約束性指標(biāo)必須考核,不折不扣完成。
五臺、代縣、繁峙集約高效利用資源。堅(jiān)決杜絕私挖亂采鐵礦資源,運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)對傳統(tǒng)開采方法進(jìn)行改造,發(fā)展綠色礦業(yè),提高礦產(chǎn)資源開采回采率、選礦回收率和綜合利用率,加強(qiáng)劣質(zhì)低階煤、低品位礦產(chǎn)資源和可替代資源的開發(fā)利用。
黃河流域8縣寧武、靜樂、神池、五寨、岢嵐、河曲、保德和偏關(guān)縣為國家級限制開發(fā)的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),要堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、適度發(fā)展原則,實(shí)行產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)入負(fù)面清單,落實(shí)生態(tài)紅線,增強(qiáng)生態(tài)服務(wù)功能,加強(qiáng)保護(hù),合理開發(fā),建設(shè)生態(tài)畜牧經(jīng)濟(jì)區(qū),繼續(xù)實(shí)施退耕還林,加大生態(tài)建設(shè)轉(zhuǎn)移支付力度。加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)以縣城和中心城鎮(zhèn)為依托的生態(tài)型社區(qū)建設(shè),發(fā)展不與生態(tài)保育主體功能相沖突的生態(tài)型產(chǎn)業(yè)發(fā)展,適度集聚人口。繼續(xù)加強(qiáng)生態(tài)建設(shè),最大限度地維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和完整性。
靜樂、寧武、河曲、保德為忻州市煤炭主產(chǎn)區(qū),統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系,注重生態(tài)恢復(fù)與重建,對采礦塌陷區(qū)和水土流失區(qū)進(jìn)行治理;推動煤炭等化石能源清潔高效利用,大力發(fā)展水能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等清潔能源,逐步提高非化石能源比重。加大煤層氣開發(fā)力度,開發(fā)利用好晉北唯一的河(曲)保(德)煤層氣,推廣煤層氣開發(fā)利用綠色低碳技術(shù),積極推進(jìn)先抽后采。嚴(yán)格控制高碳行業(yè)發(fā)展規(guī)模,加強(qiáng)高能耗行業(yè)能耗管控,加快推廣應(yīng)用低碳技術(shù),有效控制電力、化工、鋁工業(yè)等重點(diǎn)行業(yè)碳排放。對晉西北旱作農(nóng)業(yè)種植區(qū)神池、五寨、偏關(guān)、岢嵐生態(tài)安全警情相對較小,著重引進(jìn)先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù),提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)品附加值;結(jié)合退耕還林政策,減少人類的對土地干擾,提高生態(tài)用地面積;發(fā)展風(fēng)電能源,持續(xù)保持低環(huán)境壓力。
總體上,全市應(yīng)對已有生態(tài)功能區(qū)進(jìn)一步細(xì)化,建立快速有效的監(jiān)測體系,提升脆弱區(qū)的生態(tài)安全預(yù)警。
(1) 2014年忻州市14縣(市區(qū))綜合預(yù)警值介于0.356 2~0.587 0之間,平均值為0.491 2,預(yù)警等級處于中警至輕警范圍內(nèi)。其中忻府區(qū)、定襄、五臺、繁峙、靜樂5區(qū)縣警情為中警狀態(tài),其余7縣均為輕警狀態(tài),忻州市生態(tài)安全空間上呈現(xiàn)不均衡性,整體生態(tài)安全并不樂觀,生態(tài)安全等級較低。
(2) 2000—2018年忻州市生態(tài)安全預(yù)警值呈波動緩慢上升趨勢,警情為中警等級的縣減少,輕警等級的縣增加。警情趨于改善主要取決于系統(tǒng)壓力中的經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境壓力趨緩??諝饩C合染污指數(shù)有所下降,環(huán)保投資率有所提升,綜合環(huán)境管理能力提升,生態(tài)環(huán)境有所改善。
(3) 本研究僅對當(dāng)前的生態(tài)安全預(yù)警進(jìn)行討論,未對未來幾年進(jìn)行有效預(yù)測。在以后實(shí)證研究中可應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中的BP模型和徑向基函數(shù)模型對未來一段時(shí)間預(yù)測。