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城市生态系统健康评价

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摘要:

在总结城市生态系统的属性并分析其健康内涵的基础上,通过频度统计法,建立评价指标体系。采用海明贴近度,建立模糊物元模型,对河南省第一批水生态文明城市建设试点郑州、洛阳、许昌2000年-2013年间城市生态系统的健康水平进行评价,分析影响城市生态系统健康发展的各要素,结果表明:郑州、洛阳和许昌整体的城市生态系统健康水平呈上升趋势,但健康改善程度并不显著,且部分指标有恶化趋势;相同时期内,城市生态系统的健康水平排序由高到低依次为郑州、洛阳、许昌,但其增长速率则为许昌最快、郑州最慢;各城市不同要素之间的健康程度差别较大,且不同城市各要素之间的协调性较低。因此,未来应针对健康程度较差的要素重点发展,提高各要素之间的协调性,进一步提高城市生态系统整体的健康水平。

关键词:

城市生态系统健康;模糊物元;海明贴近度;熵权;水生态文明建设

现阶段全球很多区域的城市生态系统都面临着机能失调所带来的压力,城市生态系统的再生能力与恢复能力也正面临着资源耗竭和污染排放的考验。随之而来,人们开始担心巨大人口压力下城市生态系统的承载能力,并思考居住在什么样的城市才可获得高品质的生活。城市生态系统是由自然、经济、社会三个子系统构成的三维复合系统[4]。为满足其自身的健康情况应包含三方面的内涵:(1)满足社会发展合理需求的能力,以维持城市结构(组织结构)、功能(活力);(2)生态系统本身维持与恢复的能力(恢复力);(3)受人类活动影响显著,保证城市人群健康(人群健康)以及生活质量(服务功能)。另外,Spiegel等采用“驱动力-压力-状态-暴漏-影响”机制探讨城市生态系统健康水平,评估中心城市社区改善人类生活质量和健康的一系列干预措施的效率和效果。还有很多学者采用不同的方法构建评价模型,分析具体城市生态系统健康的水平。因此,在水生态文明理念发展的今天,评价城市生态系统健康水平,能够为未来城市健康发展,尤其是水生态文明城市建设的方向与重点提供一定的参考和支撑。鉴于城市的本底特征以及发展情况,本文选取河南省第一批水生态文明城市建设试点郑州、洛阳、许昌三个城市为研究区,首先根据频度统计法构建城市生态系统健康评价指标体系,其次利用熵权法计算各城市具体指标的权重,然后构建基于海明贴近度的模糊物元模型,分别计算三个城市2000年-2013年的健康指数,最后根据评价结果分析城市生态系统健康水平的发展趋势及不同要素的健康程度,对城市未来发展具有一定的指导意义。

1评价指标体系与数据来源

1.1指标体系构建采取频度统计法构建评价指标体系[8]。在中国学术期刊中搜索论文题目中包含“城市生态系统健康”的论文,选择引用率最高的5篇文献[9-13](依次编号为B1、B2、……、B5)和发表日期最新的5篇文献[14-18](依次编号为R1、R2、……、R5),共10篇。统计出文献中选择的评价城市生态系统健康的具体指标共124个,其中5篇以上文献共同使用的指标个数为18个,见表1。文献中的指标,都是学者们凭借各自的经验判断,遵循若干原则,采取一定的方法并对指标设计合理性进行相关检测和解释后选取的。因此,这18个指标是有意义的、合理的。按照文献B3、B5、R1、R4,将城市生态系统分为三个子系统(三分法),即:自然子系统、社会子系统、经济子系统。按照文献B1、R2、R3、R5,将影响城市生态系统健康的主要要素分为5类(五分法),即:活力、组织结构、恢复力、服务功能、人群健康。

1.2数据来源评价指标A1、A3、A16的原始数据来源于2000年-2013年《河南省环境统计年报》、《郑州市环境质量状况公报》、《洛阳市环境质量状况公报》、《许昌市环境质量状况公报》;其余评价指标的原始数据来源于2001年-2014年《河南省统计年鉴》,但《河南省统计年鉴》中缺少指标A8的2006年-2010年原始数据和指标A10的2000年-2004年原始数据,其依靠已有数据趋势分析估算得到。

2评价方法

2.1权重计算本文选取河南省第一批水生态文明城市建设试点郑州、洛阳和许昌(分别用α、β、γ表示)为研究区,根据各自指标体系的数据序列,采用熵权法分别计算各城市的指标权重。具体步骤如下。

2.2健康指数计算

2.2.1模糊物元和复合物元以城市生态系统健康评价为目标,构建物元R=(N,c,v)。其中,N为待评价事物,本文研究区为郑州、洛阳、许昌,取3;c为评价指标,m个;v为指标值,因具有模糊性,得到m维模糊物元。在此,选取2000年-2013年共14个样本的数据,与m维模糊物元组合,得到复合物元Rmn如下。

2.2.2从优隶属度根据从优隶属度原则,计算从优隶属度矩阵。

2.2.3贴近度和综合评价采用贴近度来表示被评价样本与标准样本之间的接近程度,贴近度数值越大表示被评价样本与标准样本越接近[20]。考虑到城市生态系统健康评价的综合性以及各贴近度的分辨能力,在此采用海明贴近度进行计算,以此作为城市生态系统的健康指数,其值越大,表明城市生态系统健康水平越高。由此,得到各城市各年份城市生态系统健康指数,表示各城市生态系统的健康水平。

3结果与讨论

3.1计算过程与结果根据上述评价方法,计算各城市各年份城市生态系统健康指数,具体计算步骤如下。(1)权重计算,计算结果见表1。a.根据公式(1),结合各指标的原始数据,针对郑州、洛阳、许昌3个待评价对象,分别构建其判断矩阵xα、xβ、xγ。b.针对每一个判断矩阵分别计算。根据式(2)、式(3),作各指标的标准化处理;再根据式(4),作各指标的归一化处理;将计算结果代入式(5)、式(6),计算各指标的熵值和权重,得到不同评价对象指标体系的权重值。(2)健康指数计算,计算结果见表2。a.根据公式(7),分别对3个待评价对象各自的14个待评价样本建立相应的复合物元Rmn。b.根据式(8)、式(9),计算各指标的从优隶属度,将Rmn改写为模糊量值形式,得到复合模糊物元Rmn′。c.根据上述从优隶属度计算过程中确定的各指标最优值,构建标准模糊物元,见公式(11)。同样方法计算得到其标准模糊物元Rm0′。d.根据公式(13),计算各样本的海明贴近度,以此构造基于海明贴近度的复合模糊物元RH和综合复合模糊物元RH′,即得到基于海明贴近度的生态系统健康评价值(健康指数)。(3)各要素贡献值计算。将各要素所包含指标的权重相加,得到不同要素的权重值,以此计算得到不同要素对城市生态系统健康水平的贡献值,结果见表3。

3.2逐年总体健康水平评价结果及分析根据各城市生态系统健康指数的计算结果,绘制时间变化趋势图,见图1。结合表2和图1,分析结果如下。(1)郑州、洛阳和许昌整体的城市生态系统健康水平呈上升趋势,表明生态状况与经济、社会发展的协调性在不断加强。但是该变化趋势并不明显,主要因为部分指标(第三产业占GDP比例、单位GDP能耗、城市生活垃圾无公害化处理率等)有恶化趋势。其中三个城市共42个评价样本中,2013年郑州市城市生态系统健康水平最好,健康指数为0.7519;2000年许昌市城市生态系统健康水平最差,健康指数仅为0.3827。(2)相同时期内,城市生态系统的健康水平由高到低依次为郑州、洛阳、许昌,但健康水平的增长速率则为许昌最快、郑州最慢。对于2013年和2000年,郑州市的健康指数分别为0.7519和0.5161,洛阳市分别为0.6305和0.4324,许昌市分别为0.6001和0.3827;从2000年-2013年,上述三个城市健康指数增长倍数分别为1.457、1.458、1.568。

3.3逐年各要素评价结果及分析(1)以城市为分析对象,结合计算结果(表3)和各要素变化趋势图(图2),分析结果如下。a.基于三分法,对于自然子系统,郑州的健康水平明显优于洛阳,洛阳也明显优于许昌;对于社会子系统,郑州的健康水平明显优于其余两市,而洛阳和许昌的健康水平几乎相同;对于经济子系统,郑州的健康水平略高于洛阳,而两者又明显高于许昌。根据上述对城市三个子系统健康水平的阐述,分析未来各城市针对三个系统的发展方向和重点。以许昌市为例,许昌的城市生态系统健康水平未来还需要在自然系统和经济系统上加大努力,社会系统需保持稳步提升。b.基于五分法,对于城市活力情况,郑州的健康水平明显优于其余两市,洛阳和许昌的健康水平几乎相同,但许昌的健康水平要略高于洛阳;对于城市组织结构情况,郑州的健康水平明显优于洛阳,洛阳也明显优于许昌;对于城市恢复力情况,郑州和洛阳的健康水平几乎相同,且明显高于许昌,另外其中有8年的评价结果都为洛阳城市最高;对于城市人群健康情况,洛阳的健康水平明显高于其余2市,而郑州和许昌的健康水平几乎相同,且其中有8年的评价结果都为郑州城市最低;对于城市服务功能情况,郑州和许昌的健康水平几乎相同,且都明显优于洛阳。根据上述对城市五个主要要素健康水平的阐述,分析未来各城市针对五个要素的发展方向和重点。以许昌市为例,许昌的城市生态系统健康水平在服务功能方面需要继续保持,活力、人群健康方面需要稳步提升,而组织结构、恢复力方面则需要加大努力。(2)以各要素为分析对象,结合城市生态系统各要素健康指数雷达图(图3),分析结果如下。a.基于三分法,从雷达图显示的三角形形状可以看出,各城市社会系统的健康水平要高于经济系统的健康水平,进而高于自然系统的健康水平。其中,洛阳城市生态系统的三个子系统最为协调,郑州最不协调。说明未来城市发展要更加注重经济、社会、自然三者的协调发展,在保持社会系统健康发展的前提下,促进经济系统的稳步提升,并加大保护自然系统,确保自然系统的完整性。b.基于五分法,从雷达图显示的五边形形状可以看出,各城市组织结构情况的健康水平最高,服务功能、活力情况次之,人群健康、恢复力情况最差。其中,许昌五个要素之间的关系最为协调,洛阳最不协调。说明未来城市发展要更加注重五个要素的协调发展,在保证组织结构合理的前提下,促进服务功能、活力方面的稳步提升,提高人群健康,加大自然环境的恢复程度。

4结论

采用频率统计法构建城市生态系统健康评价指标体系,并科学地量化各城市具体指标的权重,选择基于海明贴近度的模糊物元模型进行评价,有效避免指标体系构建的主观性以及评价标准值难以确定的问题,增加了研究结果的客观准确程度。通过对河南省第一批水生态文明城市建设试点各个时期的城市生态系统健康水平进行评价,发现在评价期内郑州、洛阳、许昌三市的生态系统健康水平均呈上升状态,但改善的程度并不足够明显,且部分指标有恶化趋势,说明影响城市生态系统健康水平的威胁并未得到根本性缓解。另外,各评价要素之间的健康程度差别较大,且不同城市各要素之间的协调程度不够好,表明未来应针对健康程度较差的要素重点发展,提高城市生态系统健康各要素之间的协调性。

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作者:宋梦林 左其亭 赵钟楠 邱冰 单位:郑州大学 水利与环境学院 郑州大学 水科学研究中心 水利部 水利水电规划设计总院

城市生态系统健康评价责任编辑:杨雪    阅读:人次