近年來,生態(tài)系統(tǒng)健康評價已成為國際生態(tài)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1].城市生態(tài)系統(tǒng)是一個整合生態(tài)–社會經(jīng)濟(jì)–人類健康的復(fù)雜的巨系統(tǒng),其健康不僅強(qiáng)調(diào)從生態(tài)學(xué)角度出發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、功能高效與完整,而且更加強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)能維持對人類的服務(wù)功能,以及人類自身健康及社會經(jīng)濟(jì)健康不受損害[2].城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究的關(guān)鍵在于建立適宜的評價指標(biāo)體系.Rapport等[3]提出以“生態(tài)系統(tǒng)危險癥狀(EDS)”作為生態(tài)系統(tǒng)非健康狀態(tài)的指標(biāo),Jerry等[4]采用驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-暴露-影響-相應(yīng)模型(DPSEEA)探討了城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系理論、方法的建立等問題.Costanza[5]從系統(tǒng)可持續(xù)性能力的角度,提出了活力、組織結(jié)構(gòu)和恢復(fù)力3個描述系統(tǒng)狀態(tài)的指標(biāo).郭秀銳等[2]多數(shù)學(xué)者選擇活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力、生態(tài)系統(tǒng)功能的維持、人群健康狀況作為城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價的5個要素.顏文濤等[6]選擇自然、社會、經(jīng)濟(jì)3個子系統(tǒng)構(gòu)建評價指標(biāo)體系.曾勇等[7]在城市土地利用類型基礎(chǔ)上,將城市生態(tài)系統(tǒng)分為生態(tài)用地、農(nóng)業(yè)用地、生產(chǎn)-生活用地三大類子系統(tǒng)來構(gòu)造指標(biāo)體系框架.

在城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究中,除模糊綜合評價法、層次分析法、主成分投影法、集對分析法等主要評價方法外,近幾年又涌現(xiàn)出了熵權(quán)模糊物元法、能值分析法、突變級數(shù)法、投影尋蹤法等.上述方法都是以某個城市或多個城市一年或多年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),進(jìn)行綜合評價或研究方法優(yōu)化比較分析,缺少對城市生態(tài)系統(tǒng)健康動態(tài)發(fā)展的研究.

基于以上研究成果和經(jīng)驗(yàn),本研究選擇活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力、服務(wù)功能、人群生活狀況5個要素建立城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系,應(yīng)用熵值法確定指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行綜合評價研究,并根據(jù)灰理論研究模型,進(jìn)行城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的未來變化趨勢預(yù)測.

1方法

1.1指標(biāo)體系

把城市生態(tài)系統(tǒng)看成一個有機(jī)體,選擇活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力、服務(wù)功能、人群生活狀況作為城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價的5大要素.選取經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力、能源消費(fèi)狀況、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、社會結(jié)構(gòu)等12類評價指標(biāo),24項(xiàng)具體指標(biāo)構(gòu)建城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系.詳細(xì)指標(biāo)體系見表1.

1.2熵值法綜合評價

熵指的是無序性、紊亂性.在信息系統(tǒng)中的信息熵是信息無序度的度量,信息熵越大,信息的無序度越高,其信息的效用值越小;反之,信息熵越小,信息的無序度越低,其信息的效用值越大[8].綜合評價是一個多屬性、多層次、多目標(biāo)的復(fù)雜決策過程,應(yīng)用熵值法確定評價指標(biāo)權(quán)重,能夠深刻反映出指標(biāo)信息熵值的效用價值,其給出的指標(biāo)權(quán)重值比專家調(diào)研法和層次分析法的可信度高[9].設(shè)綜合評價模型中需要評價某個城市m年的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,評價指標(biāo)體系包括n個指標(biāo),于是得到評價系統(tǒng)的初始數(shù)據(jù)矩陣{}ijX=X(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n).

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

假定*jx為指標(biāo)j的理想值,對樣本評價指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理,消除各指標(biāo)值的量綱和統(tǒng)一各指標(biāo)值的變化范圍.正向指標(biāo):*max'ijijjx=xx(1)負(fù)向指標(biāo):ijjijxxx*min'=(2)定義其標(biāo)準(zhǔn)化值:∑==miijijijyxx1''(0≤≤1ijy)(3)由此得數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣:{}ijmnYy×=

(2)指標(biāo)信息熵值e和信息效用值d根據(jù)熵的定義,第j項(xiàng)指標(biāo)的信息熵值為:1lnmjijijieKyy==∑(4)式中:常數(shù)K與系統(tǒng)樣本數(shù)m有關(guān).對于一個信息完全無序的系統(tǒng),有序度為零,其熵值最大,e=1,m個樣本處于完全無序分布狀態(tài)時,1ijym=,此時1lnKm=.某項(xiàng)指標(biāo)的信息效用值dj取決于該指標(biāo)的信息熵ej與1的之間的差值:1jjd=e(5)(3)評價指標(biāo)權(quán)重第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重wj為:1njjjjwdd==∑(6)(4)樣本評價用第j項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重與標(biāo)準(zhǔn)化矩陣中第i個樣本第j項(xiàng)指標(biāo)接近度'ijx的乘積之和作為樣本評價值if,即:*1'nijijjfWx==∑(7)*1'nkijijjFWx==∑(8)式中:Wj為第j個指標(biāo)的權(quán)重;ijx'為第i個樣本中第j個指標(biāo)的接近度;jijWx'*表示第i個樣本第j項(xiàng)指標(biāo)評價值;Fki為第i個樣本的相應(yīng)指數(shù).k=1,2,3,4,5時分別表示第i個樣本的活力指數(shù)、組織結(jié)構(gòu)指數(shù)、恢復(fù)力指數(shù)、服務(wù)功能指數(shù)、人群生活狀況指數(shù);n為各指數(shù)所包含的指標(biāo)數(shù)目.

1.3灰理論GM模型

灰色系統(tǒng)理論主要研究如何依據(jù)有限的灰色信息去預(yù)測系統(tǒng)的未來變化趨勢和決策.灰色動態(tài)模型(GM)是直接將時間序列轉(zhuǎn)化為微分方程,從而建立抽象系統(tǒng)的發(fā)展變化動態(tài)模型,GM(1,1)即表示含有1個變量的1階微分方程,它是灰理論中最常用的預(yù)測模型[10-12].GM(1,1)的建模步驟如下[13]:(1)收集原始數(shù)列為(0)x,對(0)x作累加處理生成AGO(0)x,構(gòu)造矩陣B,YN;(2)計算[]1()TTTNaBBBYau==，;(3)將求得的a代入響應(yīng)函數(shù)(1)x(k+1)=(1)(1)eakuuxaa+;(4)對(1)x(k+1)求導(dǎo)還原成預(yù)測模型(0)x(k+1),并進(jìn)行精度檢驗(yàn);(5)若檢驗(yàn)結(jié)果可用,則可利用(0)x(k+1)模型進(jìn)行預(yù)測;否則,需建立殘差模型對(1)x(k+1)進(jìn)行修正.

2實(shí)例分析

2.1評價對象

以重慶城市生態(tài)系統(tǒng)為研究對象,原始數(shù)據(jù)來源于2006~2010年重慶市統(tǒng)計年鑒[14],根據(jù)評價指標(biāo)的性質(zhì),參照相關(guān)文獻(xiàn)中評價指標(biāo)很健康的狀態(tài)值和中國生態(tài)城市的建議值[15]確定各指標(biāo)理想值*jx,應(yīng)用式(1)~式(3)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理,得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣后,利用式(4)~式(6)進(jìn)行各指標(biāo)權(quán)重計算,結(jié)果如表1所示。

2.2評價結(jié)果

利用式(7)~式(8),建立熵權(quán)綜合評價模型,計算出重慶市2005~2009年各樣本評價值及各年份指數(shù)情況,人群生活狀況指數(shù),從而得出重慶市近5a城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況走勢,如圖1、圖2所示.由圖1可見,2005~2009年重慶城市生態(tài)系統(tǒng)健康走勢是穩(wěn)中有升,健康程度在不斷提高,結(jié)合圖2可以看出,重慶市城市活力指數(shù)和恢復(fù)力指數(shù)在2008年發(fā)生較大幅度提高,綜合比較,重慶城市服務(wù)功能指數(shù)和人群生活指數(shù)相對較低.究其原因有:(1)重慶直轄市成立后,經(jīng)濟(jì)增長速度很快,但仍體現(xiàn)出粗放型特征,2007年以后,重慶著手轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式,加快老工業(yè)基地調(diào)整改造,提升產(chǎn)業(yè)技術(shù),降低了資源能源消耗和廢棄物的排放,具體表現(xiàn)為城市能源消費(fèi)指數(shù)和物質(zhì)循環(huán)利用指數(shù)的提高;(2)2007年,重慶市被確立為全國統(tǒng)籌城鄉(xiāng)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū),以宜居、暢通、森林、平安和健康作為城市發(fā)展的目標(biāo),特別重視城區(qū)綠化環(huán)保工作和城市生活污水廢物的處理,大大提高了城市環(huán)境廢物處理指數(shù);(3)森林工程的建設(shè)有助于城市自然結(jié)構(gòu)保持良好發(fā)展?fàn)顟B(tài),以重工業(yè)發(fā)展的重慶在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整方面還處于過渡期;(4)作為西部地區(qū)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)文化中心之一,重慶城區(qū)人口密度較大,在住房、交通等方面存在的問題較多,影響了城市環(huán)境質(zhì)量狀況指數(shù)和生活便利程度指數(shù),降低了服務(wù)功能要素指數(shù).