基于信息熵方法的城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究*

易琪媛，張延飛，丁木華

(東華理工大學(xué) a.地球科學(xué)學(xué)院；b.理學(xué)院；c.江西生態(tài)文明建設(shè)制度研究院，江西 南昌 330013)

0 引言

城市化發(fā)展促使人口、產(chǎn)業(yè)向城市集聚，推動了社會進(jìn)步，創(chuàng)造了巨大經(jīng)濟(jì)效益，但同時也影響了人類社會與生態(tài)環(huán)境之間的平衡關(guān)系，出現(xiàn)了環(huán)境污染、資源短缺、人口膨脹等負(fù)面現(xiàn)象。城市區(qū)域顯現(xiàn)的各種生態(tài)危機，不但阻礙了城市居民生活水平的提升，更影響了城市生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。所以，針對城市生態(tài)系統(tǒng)健康問題開展相關(guān)研究，探索城市可持續(xù)發(fā)展的方法和途徑，對有效防止各類城市生態(tài)危機的發(fā)生和促進(jìn)城市生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

城市生態(tài)系統(tǒng)是一個由自然、社會、經(jīng)濟(jì)組成的復(fù)合系統(tǒng)。城市生態(tài)系統(tǒng)健康研究始于Hutton和Leopold提出的“自然健康”“土地健康”概念。世界衛(wèi)生組織(World Health Organization，WHO)認(rèn)為健康的城市是一個持續(xù)發(fā)掘自然與社會環(huán)境并拓寬社會資源，使人類能夠在相互幫助中享受生命、充分發(fā)揮自身潛能的城市。Colin[1]認(rèn)為城市生態(tài)系統(tǒng)健康不僅表示由自然環(huán)境與人工環(huán)境構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)的完整、健康，還應(yīng)包括社會環(huán)境健康及城市人群的健康。Hancock[2]認(rèn)為健康的城市生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)包括城市的自然環(huán)境質(zhì)量、適宜的人居環(huán)境、城市居民的健康狀況、城市其他生物的健康情況、廣義自然生態(tài)系統(tǒng)受城市生態(tài)系統(tǒng)影響情況、城市社會福利狀況等6方面要素。從21世紀(jì)開始，國內(nèi)開始重視對城市生態(tài)系統(tǒng)健康的研究，主要體現(xiàn)在評價指標(biāo)體系構(gòu)建、評價方法選擇等。指標(biāo)體系構(gòu)建上，郭秀銳、陳克龍等[3,4]選擇系統(tǒng)活力-組織結(jié)構(gòu)-恢復(fù)力-服務(wù)功能-人群健康，曾勇、李嘉琪等[5,6]選擇壓力-狀態(tài)-響應(yīng)，鄒君等[7]選擇驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)等模型用來構(gòu)建城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系。評價方法上，有能值分析法[8]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[9]、屬性綜合評價法[10,11]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法[12]、分形理論方法[13]、物元可拓模型法[14]、微生物完整性指數(shù)法[15]等。以上研究框架主要研究以一個或多個因素對城市生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，研究對象主要集中于單個城市或獨立多個城市，研究尺度主要單一時間或空間的角度，缺乏從多要素、具有相同生態(tài)功能城市群、時間和空間多角度進(jìn)行綜合評價的相關(guān)研究。

環(huán)鄱陽湖城市群是以我國第一大淡水湖(鄱陽湖)為核心，由環(huán)繞鄱陽湖的10個城市組成，是國家生態(tài)文明建設(shè)實驗區(qū)、長江中游城市群之一。中國經(jīng)濟(jì)最有活力、城市化率最高的地區(qū)之一。城市群生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展將加速區(qū)域整體生態(tài)文明建設(shè)水平的提升，尤其對于城市群的自然景觀和環(huán)境狀況變化尤為顯著。基于此，以環(huán)鄱陽湖城市群為例，結(jié)合城市發(fā)展的社會經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境、資源稟賦等條件，構(gòu)建城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系，分析 2010—2017年環(huán)鄱陽湖城市群城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況和空間格局演變趨勢，為實現(xiàn)城市群可持續(xù)發(fā)展、城市規(guī)劃與管理、城市生態(tài)綠色一體化發(fā)展提供新的研究框架和理論與決策參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

環(huán)鄱陽湖生態(tài)城市群是國家長江中游城市群中三個主體城市群之一，是江西積極參考國家“一帶一路”倡議、推進(jìn)長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)的重要載體。城市群范圍主要包括南昌、九江、景德鎮(zhèn)、上饒、鷹潭、宜春、新余、萍鄉(xiāng)等地級市全部行政轄區(qū)和撫州市轄區(qū)、東鄉(xiāng)縣、金溪縣、崇仁縣，吉安市的新干縣、峽江縣，區(qū)域面積為10.13萬km2，占江西總面積的55.3%。2019年常駐人口3828.69萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)到1935.75億元，分別占全省的63%和70%。是江西省最發(fā)達(dá)的區(qū)域、長江中游城市群之一、中國經(jīng)濟(jì)最有活力、城市化率最高的地區(qū)之一，是全國城市群建設(shè)的先行者，致力于打造成為中部崛起的核心增長極。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究引用的數(shù)據(jù)來源于《江西省統(tǒng)計年鑒(2011—2018)》《中國城市統(tǒng)計年鑒(2011—2018)》等統(tǒng)計年鑒。萬人擁有醫(yī)院床位數(shù)、萬人擁有大學(xué)生人數(shù)、萬人擁有醫(yī)生數(shù)、萬人擁有公交車數(shù)等數(shù)據(jù)來源于相關(guān)政府報告或整理分析得出。原始數(shù)據(jù)采用極差變換法進(jìn)行無量綱化預(yù)處理。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系

表1 環(huán)鄱陽湖城市群城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系及分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2 評價標(biāo)準(zhǔn)及等級劃分

依據(jù)國家生態(tài)文明建設(shè)和國家對城市健康的相關(guān)要求，借鑒前人研究成果將城市生態(tài)系統(tǒng)健康標(biāo)準(zhǔn)劃分為 5 個等級: 健康、較健康、亞健康、不健康、病態(tài)。參考《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)》等對評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行限定值的確定。以相關(guān)文獻(xiàn)中對生態(tài)城市的建議值作為健康的標(biāo)準(zhǔn)值，以全國最低值為病態(tài)的限定值，在前者基礎(chǔ)上向下浮動20%作為較健康和臨界狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)值，在后者基礎(chǔ)上向上浮動20%作為不健康和臨界狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)值，把前后兩次確定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)整得到最終分級標(biāo)準(zhǔn)[16]，見表1。

通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)分析，城市生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)可按均等分進(jìn)行分級評價[16]，見表2。

表2 環(huán)鄱陽湖城市群生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價分級標(biāo)準(zhǔn)

2.3 信息熵綜合評價

“熵”概念源于熱力學(xué)，度量系統(tǒng)的無序程度和數(shù)據(jù)所提供的有效信息，信息熵越小，信息的有效性越強，系統(tǒng)中指標(biāo)所占的權(quán)重越大；反之，信息熵越大，權(quán)重就越小[17]。本研究采用信息熵法確認(rèn)權(quán)重，計算如下：

(1)標(biāo)準(zhǔn)化樣本平移修正計算。

設(shè)Yij是原始數(shù)據(jù)xij標(biāo)準(zhǔn)化后的值，則

(1)

Pij為標(biāo)準(zhǔn)化樣本數(shù)據(jù),Yij平移后的特征比重。

(2)指標(biāo)的信息熵計算。

1. the feeling of 2. autumn harvest 3. celebrated 4. Black Friday 5. celebrated with 6. the celebration 7. Turkey 8. loving, caring, sharing

(2)

其中，K=1/ln(m)，0≤ej≤1。

(3)指標(biāo)的權(quán)重計算。

(3)

其中，dj=1-ej。

(4)綜合指數(shù)計算。

設(shè)E為城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況矩陣，W為其評價要素的權(quán)重矩陣，R為各生態(tài)系統(tǒng)健康評價要素對各級健康標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度矩陣。其中，隸屬度值介于[0,1]之間，越接近 1，說明隸屬度越好。對于隸屬度矩陣R。

(4)

其中，Ri1+Ri2+…+Rim=1,i=1,2,…,n.

根據(jù)相對健康隸屬度矩陣和各指標(biāo)權(quán)重，城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況矩陣E有：

E=W*R=(E1,E2,…,Em)

(5)

其中，(E1,E2,…,Em)為城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價分級標(biāo)準(zhǔn)中健康級別的隸屬度。

城市生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)為：

(6)

其中，HLj表示健康綜合指數(shù)，Eij表示第i個健康等級的隸屬度j值，Pi表示第i個健康等級的分值。

3 結(jié)果與分析

3.1 指標(biāo)權(quán)重計算及變化分析

以環(huán)鄱陽湖城市群2010-2017年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用極差變換法進(jìn)行無量綱化處理，再根據(jù)式(1)(2)(3)計算各年度城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系準(zhǔn)則層、指標(biāo)層的權(quán)重。2010—2017年城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價影響因素準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重變化如圖1所示。

圖1 城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價影響因素準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重變化

從圖1可知，2010-2017年，系統(tǒng)活力較為穩(wěn)定，無顯著變化；組織結(jié)構(gòu)呈逐年上升趨勢，于2017年達(dá)到峰值并與服務(wù)功能所占權(quán)重相當(dāng)；恢復(fù)力所占權(quán)重最小，且無顯著變化；服務(wù)功能在2012年達(dá)到峰值后逐漸下降，并與除恢復(fù)力外的其他準(zhǔn)則層呈穩(wěn)定趨勢；人群健康除2010年稍微偏高外，其他年份呈現(xiàn)穩(wěn)定上升狀態(tài)?？傮w上，準(zhǔn)則層權(quán)重呈現(xiàn)“一高一低，總體趨衡”的變化趨勢，說明環(huán)鄱陽湖城市群近年來，除恢復(fù)力受其他準(zhǔn)則層因素影響較小外，其他準(zhǔn)則層呈總體趨衡狀態(tài)，體現(xiàn)了環(huán)鄱陽湖城市群的經(jīng)濟(jì)、社會、資源、環(huán)境逐漸趨于協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.2生態(tài)系統(tǒng)健康分析

以環(huán)鄱陽湖城市群2010-2017年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)式(4)(5)(6)計算環(huán)鄱陽湖城市群10個城市的生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)，計算結(jié)果見表3。

表3 環(huán)鄱陽湖城市群城市生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)

從表3可知，環(huán)鄱陽湖城市群城市生態(tài)系統(tǒng)的總體健康水平處于上升狀態(tài)。主要因為環(huán)鄱陽湖城市群是親湖性、生態(tài)性的現(xiàn)代城市群，具有優(yōu)質(zhì)淡水湖、生物多樣性淡水湖的特色，環(huán)湖周邊具有豐富的生態(tài)旅游資源，環(huán)湖中心城市具有南昌濱湖生態(tài)英雄城、九江港口生態(tài)旅游城、景德鎮(zhèn)園林生態(tài)陶瓷城、鷹潭山水生態(tài)銅業(yè)城等生態(tài)特色突出，主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)各異的生態(tài)型城市支撐，形成了以湖為紐帶、以生態(tài)為特色的城市群。作為江西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的區(qū)域，也是全國內(nèi)陸開放型經(jīng)濟(jì)實驗區(qū)，對外開放程度較高，發(fā)展逐年加快。中共黨的十八大以后，生態(tài)理念的逐漸深入，環(huán)保政策加快施行，政府部門對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，提升了整體區(qū)域城市生態(tài)健康水平，使城市生態(tài)系統(tǒng)健康得到了進(jìn)一步的改善和加強。

從圖2可知，南昌市作為江西省會城市在8年的發(fā)展中較為突出，從亞健康轉(zhuǎn)變?yōu)檩^健康狀態(tài)，其余9個城市也處于穩(wěn)定上升狀態(tài)。從各要素來看，活力要素從2016年的亞健康狀態(tài)過渡到了較健康狀態(tài)。主要原因是城市人均GDP、人均可支配收入、實際利用外資額等指標(biāo)呈現(xiàn)持續(xù)增長，城市生態(tài)系統(tǒng)的活力得到彰顯；組織結(jié)構(gòu)要素一直處于較健康狀態(tài)，且2014年以來增長較為明顯。主要體現(xiàn)在政府發(fā)揮積極作用，通過政策調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，使第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員占從業(yè)人員比例指標(biāo)逐年遞增，對生態(tài)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生積極影響；恢復(fù)力要素從2016年的較健康轉(zhuǎn)為很健康狀態(tài)，主要由于城市工業(yè)固體廢物綜合利用率、污水集中處理率的持續(xù)穩(wěn)定增長和工業(yè)二氧化硫排放量的逐年遞減，且三項指標(biāo)均達(dá)到了很健康狀態(tài)；服務(wù)功能要素均處于亞健康狀態(tài)，主要是城市人均道路面積、每萬人擁有醫(yī)生人數(shù)、萬人擁有公交車數(shù)雖在逐年遞增，但與新型城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，尤其是城鎮(zhèn)人口的快速增長極不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致社會服務(wù)難以及時滿足功能需求；人群健康要素最后處于較健康狀態(tài)，主要是因為隨著城市化發(fā)展，居民開始注重身體健康及文化素養(yǎng)的提高，城市人口素質(zhì)整體提升，醫(yī)療衛(wèi)生條件得到大幅度改善等原因，人民生活福祉不斷提高，人群健康要素趨于良好發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

圖2 環(huán)鄱陽湖城市群城市生態(tài)系統(tǒng)健康變化趨勢

3.3 空間格局變化分析

選取2010和2017年的數(shù)據(jù)，分析并研究環(huán)鄱陽湖城市群空間格局的健康狀況，并用Arcgis軟件將計算結(jié)果進(jìn)行可視化處理，圖3所示。

圖3 環(huán)鄱陽湖城市群生態(tài)系統(tǒng)健康空間格局演變情況

由圖3可知，環(huán)鄱陽湖城市群城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況總體呈“以南昌市為中心向外聚集輻射”的空間格局分布。2010年：南昌市、景德鎮(zhèn)市、九江市、新余市、撫州市、萍鄉(xiāng)市6市為亞健康狀態(tài)，鷹潭市、宜春市、上饒市、吉安市4市為不健康狀態(tài)，其健康水平處于[0.3728，0.5930]之間。2017年：南昌市為較健康狀態(tài)，景德鎮(zhèn)市、九江市、新余市、撫州市、萍鄉(xiāng)市、鷹潭市、宜春市、上饒市、吉安市9市為亞健康狀態(tài)，其健康水平處于[0.4906，0.7491]之間。從空間格局分布來看，研究區(qū)域城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平總體呈提升狀態(tài)，向著健康發(fā)展方向演變。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)準(zhǔn)則層的權(quán)重變化分析，總體呈現(xiàn)“一高一低，總體趨衡”的變換趨勢，恢復(fù)力對城市群生態(tài)系統(tǒng)健康的影響較小，而組織結(jié)構(gòu)、服務(wù)功能以及人群健康要素影響逐漸上升，最后與系統(tǒng)活力四個要素逐漸相當(dāng)，順應(yīng)了城市生態(tài)系統(tǒng)與城市經(jīng)濟(jì)、社會、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的要求。

(2)環(huán)鄱陽湖城市群城市生態(tài)系統(tǒng)健康總體呈上升狀態(tài)，主要是環(huán)鄱陽湖城市群發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略后，環(huán)鄱陽湖城市群一體化發(fā)展得到相應(yīng)政策的保障實施。在新型城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程中，城市生態(tài)系統(tǒng)得到科學(xué)管理與保護(hù)，從而使得城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)得到了穩(wěn)定的提升。

(3)從各生態(tài)要素來看，活力、恢復(fù)力和人群健康要素對促進(jìn)城市生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展有著積極的作用。而組織結(jié)構(gòu)和服務(wù)功能要素受政府因素影響較大，在加強城市生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的同時，需要及時調(diào)整方針政策，加大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方式去促進(jìn)城市生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展。

(4)從城市群的空間格局來看，環(huán)鄱陽湖城市群城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況總體呈現(xiàn)“以南昌市為中心向外聚集輻射”的空間格局分布。從2010年呈現(xiàn)贛中部區(qū)域健康狀態(tài)良好，而兩端區(qū)域健康狀態(tài)較差現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化為2017年呈現(xiàn)以南昌市為中心的四周輻射帶動整體健康狀態(tài)向較好的趨勢發(fā)展。