一種基于熵值法和灰色預測模型的城市土地生態(tài)安全評價新方法
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作者：張毅
目前，相關(guān)學者對城市土地生態(tài)安全進行了研究。Feslm、Dumanski、John等學者從土地持續(xù)利用的角度，對區(qū)域土地生態(tài)安全進行評價研究。李明月等運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡方法對廣州市城市土地生態(tài)安全進行了評價；孫奇奇等運用主成分分析法對哈爾濱市土地生態(tài)安全狀況進行評價；劉慶等將熵值理論和模糊數(shù)學理論相結(jié)合對長株潭城市群的土地生態(tài)安全動態(tài)評價研究；蒙吉軍等基于土地利用變化對鄂爾多斯市土地生態(tài)安全進行了研究；張小虎等基于三角模型對河南省城市土地生態(tài)安全進行區(qū)域差異分析。上述研究豐富了城市土地生態(tài)安全評價研究。本研究從資源環(huán)境協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟可行性和社會可接受性3個方面構(gòu)建城市土地生態(tài)安全評價指標體系，對信陽市2006-2012年的土地生態(tài)安全狀況進行評價，并對信陽市2013-2016年的土地生態(tài)狀況進行了預測，旨在為城市土地的健康合理利用提供參考。
1研究方法
1.1研究區(qū)概況
信陽市處于東經(jīng)114。01'-114°06'，北緯31046'-31052'，地勢南高北低，崗川相間。截止到2012年末信陽市國內(nèi)生產(chǎn)總值為1 276.8億元，社會消費品零售總額實現(xiàn)512億元。建成區(qū)面積從2006年的46 km2增加到2012年的73 km2，年均增加4.5km2。2012年信陽市工業(yè)廢水排放量達2 903萬t，S02排放量達4.2萬t。由于城鎮(zhèn)、工業(yè)、交通水利等基礎設施建設，對其城市土地生態(tài)安全產(chǎn)生深刻影響。
文中研究數(shù)據(jù)來源于2007-2013年河南省統(tǒng)計年鑒、2007-2013年信陽市統(tǒng)計年鑒。
1.2城市土地生態(tài)安全評價指標體系的構(gòu)建
評價指標體系是城市土地生態(tài)安全評價的基礎，指標的選取要能夠反映出城市土地的生態(tài)狀況。參照國內(nèi)外相關(guān)研究，在層次性、完整性、科學性和可比性的基礎上，針對信陽市城市土地利用特點，并且考慮數(shù)據(jù)可得性的前提下，建立了以城市土地生態(tài)安全為評價目標，以資源環(huán)境協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟可行性和社會可接受性為評價準則，選取城市污水處理率、城市化水平等22個指標構(gòu)建信陽市城市土地生態(tài)安全評價指標體系（表1）。
1.3指標數(shù)據(jù)標準化
選取的指標既有對城市土地生態(tài)安全起正作用的指標，又有負作用的指標，因此采用極差標準化法．對不同類型的指標計算公式如下：
式(1)中：Ci第J項指標的第f個指標值的標準化，X為評估指標的原始值，Xmin為該項指標的最小值，Xmax為該項指標的最大值。
1.4評價指標權(quán)重的確定
采用客觀賦權(quán)法中的熵值法來確定指標的權(quán)重。熵值法是利用指標的固有信息來判別指標的效用價值，在一定程度上避免了主觀因素帶來的偏差。計算如下：
(l)各指標所占比重
式(2)中：Yij=l +Ct，Pij為第f個評估指標占該項指標的比重，n為該項指標的個數(shù)。
(2)求熵值
式(3)中：k=l/lnn。
(3)計算權(quán)重
式(4)中：ωij=1-eij，m為參評指標種類的個數(shù)。
1.5綜合分值的計算
城市土地生態(tài)安全綜合分值的計算公式為：
式(5)中：S為城市土地生態(tài)安全的綜合分值，m為準則層的數(shù)量，W為準則層的權(quán)重，n為指標層數(shù)量，W為評價指標的權(quán)重，Ct為評價指標標準化分值。
根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)標準和相關(guān)參考文獻[15]，并結(jié)合信陽市城市土地狀況及特點，按等間距分類方式將信陽市城市土地生態(tài)安全分為5個等級（表2）。
1.6城市土地生態(tài)安全障礙診斷
識別城市土地生態(tài)安全的障礙因素，以便于有針對性的對城市土地利用行為與政策進行調(diào)整，引入因子貢獻度、指標偏離度和障礙度。計算公式為：
式(6)、(7)中，Pt為指標偏離度，即單項指標因素評估值與l00%之差；W，為因子貢獻度，即單向因素對總體目標的權(quán)重；At為障礙度。
1.7灰色預測模型
采用灰色預測模型對信陽市2013-2016年土地生態(tài)安全狀況進行預測，它是由鄧聚龍在1982年提出，用來解決灰色系統(tǒng)分析、建模、預測、決策和控制的理論，運用不完全的、少量的信息，建立數(shù)學模型并進行預測的一種預測方法�；疑A測模型GM(l，1)具體的建模步驟為：
(1)有原始數(shù)據(jù)形成一個數(shù)列x(o)，把數(shù)列各項數(shù)據(jù)依次累加，得到一個新的數(shù)列x(1)。
(2)對于數(shù)列x(l)，建立GM(l，1)模型
式(8)中，a,b為辨識參數(shù)，二者可以通過最小二乘法擬合得到。
(3)構(gòu)造矩陣B，y
(4)預測模型為
(5)進行精度檢驗，一般地，灰色預測模型GM(1，1)表示一階的，一個變量的微分方程預測模型，預測公式的精度檢驗可以通過方差比C和小殘差概率P的值來判斷(表3)。
2信陽市城市土地生態(tài)安全評價
2.1信陽市城市土地生態(tài)安全評價結(jié)果與分析
根據(jù)公式(1)對指標數(shù)據(jù)進行標準化處理，運用熵值法確定指標權(quán)重，根據(jù)公式(5)計算信陽市2006-2012年城市土地生態(tài)安全指數(shù)。
由圖1可以看出，信陽市城市土地生態(tài)安全狀態(tài)，2006-2008年為Ⅱ級，處于不安全狀態(tài)；2009年為Ⅲ級，處于一般安全狀態(tài)；2010-2012年為Ⅳ級，處于較為安全狀態(tài)。總體來說，信陽市城市土地生態(tài)安全狀態(tài)由2006年的不安全狀態(tài)發(fā)展到2012年的較為安全狀態(tài)，呈逐漸上升趨勢。具體來看，在資源環(huán)境協(xié)調(diào)性方面，分數(shù)由0.271 3上升到0.657 6，呈增長態(tài)勢，這得益于信陽市綠地面積的逐年增加，建成區(qū)綠化覆蓋率的逐步提高；在2008年達到最低點，原因是2008年的城市污水處理率低，對水體產(chǎn)生了污染；隨后2008-2010年有所增長，并在2009年達到一個高峰值，這一階段工業(yè)固體廢棄物綜合利用率不斷增加，并且保持在一個較高的水平，得益于政府加強了環(huán)境治理，提高了環(huán)境質(zhì)量；2011-2012年有所下降，原因是工業(yè)用地面積比例逐步擴大，對信陽市城市土地生態(tài)狀況造成了一定的負面影響。從經(jīng)濟可行性方面來看，2006-2012年信陽市經(jīng)濟可行性呈上升態(tài)勢，這是由于城市化水平的不斷提高、經(jīng)濟的高速發(fā)展帶來的GDP的增長以及第三產(chǎn)業(yè)比重的加大。在2007年和2010年出現(xiàn)了降低，原因是這一階段第二產(chǎn)業(yè)占GDP的比重較大。居民就業(yè)率的逐年提高、人均建設面積和人均公共綠地面積的逐年增加使信陽市社會可接受性在2006-2012年穩(wěn)步上升。盡管資源環(huán)境協(xié)調(diào)性和經(jīng)濟可行性子系統(tǒng)有所波動，但信陽市城市土地生態(tài)安全水平處于上升趨勢，城市土地的總體質(zhì)量在不斷提高。
2.2信陽市城市土地生態(tài)安全障礙因素診斷
根據(jù)公式(6)和(7)診斷信陽市城市土地生態(tài)安全障礙度，將各年障礙度按照大小順序排列，即可得每年影響城市土地生態(tài)安全的障礙因素主次關(guān)系。按照障礙度Bi≥4.0%的標準篩選，可得信陽市城市土地生態(tài)安全障礙因素診斷結(jié)果，具體見表4和表5。
由表5和表6可知，2006-2012年信陽市城市土地生態(tài)安全的障礙因素主要有，人口密度高；建設用地擴張，人均占有的建設用地比例大；工業(yè)用地粗放，工業(yè)用地面積比例大；綠地面積小，人均公共面積小，建成區(qū)綠化覆蓋率小，生態(tài)環(huán)境有待改善；城鄉(xiāng)收入差距大，農(nóng)民生活水平不高；工業(yè)廢水排放量高。2012年與2006年比，障礙因素減少的有，綠地面積、人均公共綠地面積、人口密度、糧食總產(chǎn)量，這說明這7年信陽市注重了生態(tài)環(huán)境的改善，提高了糧食總產(chǎn)量，土地的集約利用程度也有所提高，但是第二產(chǎn)業(yè)占GDP比重、工業(yè)用地面積比重、城市化水平、人均GDP、城鄉(xiāng)收入比卻成了2012年影響信陽市城市土地生態(tài)安全的主要障礙因素，一味的發(fā)展工業(yè)，提高GDP，忽略了對城市土地生態(tài)環(huán)境的保護，對城市土地的生態(tài)安全產(chǎn)生了一定的負面影響。
2.3模型預測結(jié)果
以表4中的城市土地生態(tài)安全指數(shù)值作為原始數(shù)據(jù)，構(gòu)成原始數(shù)列，對原始數(shù)列作一次累加處理，得到新的數(shù)列x(1)，并構(gòu)造矩陣B，y，根據(jù)公式(9)，求得a=[-0.158 9，0.276 4]丁，將a帶人預測模型公式得到：
根據(jù)GM(1，1)模型的建立思路，預測信陽市2006-2012年城市土地生態(tài)安全狀況，預測模型的平均相對誤差百分比為1.245 6%，不超過5%，說明預測模型的精度高，其次，預測模型的方差比為C=0.314 6．小殘差概率為P=1.0000，都處在預測模型精度檢驗等級為“優(yōu)”的范圍內(nèi)，所以所建的預測模型效果很好。運用GM(1，1)預測模型對信陽市2013-2016年城市土地生態(tài)安全狀況進行預測計算，結(jié)果如圖2所示。GM(l，1)預測模型適合短期內(nèi)系統(tǒng)變動關(guān)聯(lián)度預測，在預測結(jié)果上有較強的規(guī)律性，由圖2可以看出2006-2012年信陽市城市土地生態(tài)安全指數(shù)曲線與預測指數(shù)曲線基本吻合，2013 -2016年信陽市城市土地生態(tài)安全狀況呈穩(wěn)步上升趨勢，年均增長率為5.05%。
3結(jié)論與建議
(l)信陽市城市土地生態(tài)安全狀態(tài)自2006年以來經(jīng)歷了不安全、一般安全和較為安全3個階段，2012年達到較為安全狀態(tài)，呈穩(wěn)步上升的趨勢，資源環(huán)境協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟可行性和社會可接受性三指數(shù)值均向有利方向變化。資源環(huán)境協(xié)調(diào)性指數(shù)快速增長，由2006年的0.271 3增加到2012年的0.657 6；經(jīng)濟可行性指數(shù)由2006年的0.492 7到2012年0.560 7，總體呈增加態(tài)勢，但在2007年和2010年稍有波動；社會可接受性指數(shù)自2006年保持快速穩(wěn)步增長，到2012年增加到0.891 6。從2013-2016年信陽市城市土地生態(tài)安全預測指數(shù)來看，今后幾年信陽市城市土地生態(tài)安全狀況處于良好狀態(tài)。
(2)研究發(fā)現(xiàn)，人口密度高、工業(yè)廢水排放量高、人均占有的建設用地比例大、綠地面積小以及工業(yè)用地比例大成為目前信陽市城市土地生態(tài)安全的制約因素。因此，要提高信陽市城市土地生態(tài)安全等級，資源環(huán)境方面尤其值得關(guān)注，應嚴格控制工業(yè)廢氣、廢水和固體廢棄物的排放，加大對“三廢”的處理力度，同時擴大城市綠地面積，提高城市建成區(qū)綠化覆蓋率，逐步改善城市環(huán)境。此外，應根據(jù)信陽市的地域特色，結(jié)合各產(chǎn)業(yè)的特點，合理安排產(chǎn)業(yè)用地，優(yōu)化第一產(chǎn)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高糧食的產(chǎn)量，同時大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，促進經(jīng)濟發(fā)展。大力發(fā)展對生態(tài)環(huán)境影響小的產(chǎn)業(yè)，在保證經(jīng)濟發(fā)展的同時，保護好生態(tài)環(huán)境，提高城市的土地生態(tài)安全等級。
(3)以熵值法和灰色模型預測為基礎對信陽市城市土地生態(tài)狀況進行動態(tài)評價，可以得到更客觀、更全面的評價結(jié)果，熵值法能夠避免在一定程度上主觀因素帶來的偏差，灰色預測模型對數(shù)據(jù)量的要求較小，具有較強的實用性，把熵值法和灰色預測模型相結(jié)合對城市土地生態(tài)安全狀況進行評價，有利于提高城市土地生態(tài)安全狀況。
4摘要：城市土地生態(tài)安全事關(guān)城市經(jīng)濟社會的持續(xù)、健康發(fā)展。以信陽市為例，從資源環(huán)境協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟可行性和社會可接受性3個方面構(gòu)建城市土地生態(tài)安全評價指標體系。采用熵值法與灰色預測模型模型相結(jié)合的方法定量分析了2006-2012年信陽市城市土地生態(tài)安全狀況，并對信陽市201:3-2016年的土地牛態(tài)狀況進行了預測，構(gòu)建障礙度模型診斷識別信陽市城市土地生態(tài)安全的主要障礙因素。研究表明：(1 )2006-2012年信陽市城市土地生態(tài)安全指數(shù)總體呈增加態(tài)勢，由2006年的不安全等級發(fā)展到2012年的較為安全等級；(2)資源環(huán)境協(xié)調(diào)性指數(shù)和社會可按受性指數(shù)快速增加，經(jīng)濟可行性則呈現(xiàn)波動增長；(3)人口密度高、工業(yè)用地比重大、人均建設用地大、城鄉(xiāng)收入差距大等因素阻礙了信陽市城市土地生態(tài)安全水平的進一步提升；(4)2013-2016年信陽市城市土地生態(tài)安全狀況呈現(xiàn)穩(wěn)步上升趨勢，年均增長率為5.05%。
