近年來,生態系統健康評價已成為國際生態領域的研究熱點[1].城市生態系統是一個整合生態–社會經濟–人類健康的復雜的巨系統,其健康不僅強調從生態學角度出發的生態系統結構合理、功能高效與完整,而且更加強調生態系統能維持對人類的服務功能,以及人類自身健康及社會經濟健康不受損害[2].城市生態系統健康評價研究的關鍵在于建立適宜的評價指標體系.Rapport等[3]提出以“生態系統危險癥狀(EDS)”作為生態系統非健康狀態的指標,Jerry等[4]采用驅動力-壓力-狀態-暴露-影響-相應模型(DPSEEA)探討了城市生態系統健康評價指標體系理論、方法的建立等問題.Costanza[5]從系統可持續性能力的角度,提出了活力、組織結構和恢復力3個描述系統狀態的指標.郭秀銳等[2]多數學者選擇活力、組織結構、恢復力、生態系統功能的維持、人群健康狀況作為城市生態系統健康評價的5個要素.顏文濤等[6]選擇自然、社會、經濟3個子系統構建評價指標體系.曾勇等[7]在城市土地利用類型基礎上,將城市生態系統分為生態用地、農業用地、生產-生活用地三大類子系統來構造指標體系框架.

在城市生態系統健康評價研究中,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,近幾年又涌現出了熵權模糊物元法、能值分析法、突變級數法、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據為基礎,進行綜合評價或研究方法優化比較分析,缺少對城市生態系統健康動態發展的研究.

基于以上研究成果和經驗,本研究選擇活力、組織結構、恢復力、服務功能、人群生活狀況5個要素建立城市生態系統健康評價指標體系,應用熵值法確定指標權重進行綜合評價研究,并根據灰理論研究模型,進行城市生態系統健康狀況的未來變化趨勢預測.

1方法

1.1指標體系

把城市生態系統看成一個有機體,選擇活力、組織結構、恢復力、服務功能、人群生活狀況作為城市生態系統健康評價的5大要素.選取經濟生產力、能源消費狀況、經濟結構、社會結構等12類評價指標,24項具體指標構建城市生態系統健康評價指標體系.詳細指標體系見表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、多目標的復雜決策過程,應用熵值法確定評價指標權重,能夠深刻反映出指標信息熵值的效用價值,其給出的指標權重值比專家調研法和層次分析法的可信度高[9].設綜合評價模型中需要評價某個城市m年的生態系統健康狀況,評價指標體系包括n個指標,于是得到評價系統的初始數據矩陣{}ijX=X(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n).

(1)數據標準化

假定*jx為指標j的理想值,對樣本評價指標進行歸一化處理,消除各指標值的量綱和統一各指標值的變化范圍.正向指標:*max'ijijjx=xx(1)負向指標:ijjijxxx*min'=(2)定義其標準化值:∑==miijijijyxx1''(0≤≤1ijy)(3)由此得數據的標準化矩陣:{}ijmnYy×=

(2)指標信息熵值e和信息效用值d根據熵的定義,第j項指標的信息熵值為:1lnmjijijieKyy==∑(4)式中:常數K與系統樣本數m有關.對于一個信息完全無序的系統,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時,1ijym=,此時1lnKm=.某項指標的信息效用值dj取決于該指標的信息熵ej與1的之間的差值:1jjd=e(5)(3)評價指標權重第j項指標的權重wj為:1njjjjwdd==∑(6)(4)樣本評價用第j項指標權重與標準化矩陣中第i個樣本第j項指標接近度'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個指標的權重;ijx'為第i個樣本中第j個指標的接近度;jijWx'*表示第i個樣本第j項指標評價值;Fki為第i個樣本的相應指數.k=1,2,3,4,5時分別表示第i個樣本的活力指數、組織結構指數、恢復力指數、服務功能指數、人群生活狀況指數;n為各指數所包含的指標數目.

1.3灰理論GM模型

灰色系統理論主要研究如何依據有限的灰色信息去預測系統的未來變化趨勢和決策.灰色動態模型(GM)是直接將時間序列轉化為微分方程,從而建立抽象系統的發展變化動態模型,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測模型[10-12].GM(1,1)的建模步驟如下[13]:(1)收集原始數列為(0)x,對(0)x作累加處理生成AGO(0)x,構造矩陣B,YN;(2)計算[]1()TTTNaBBBYau==，;(3)將求得的a代入響應函數(1)x(k+1)=(1)(1)eakuuxaa+;(4)對(1)x(k+1)求導還原成預測模型(0)x(k+1),并進行精度檢驗;(5)若檢驗結果可用,則可利用(0)x(k+1)模型進行預測;否則,需建立殘差模型對(1)x(k+1)進行修正.

2實例分析

2.1評價對象

以重慶城市生態系統為研究對象,原始數據來源于2006~2010年重慶市統計年鑒[14],根據評價指標的性質,參照相關文獻中評價指標很健康的狀態值和中國生態城市的建議值[15]確定各指標理想值*jx,應用式(1)~式(3)進行原始數據處理,得到標準化矩陣后,利用式(4)~式(6)進行各指標權重計算,結果如表1所示。

2.2評價結果

利用式(7)~式(8),建立熵權綜合評價模型,計算出重慶市2005~2009年各樣本評價值及各年份指數情況,人群生活狀況指數,從而得出重慶市近5a城市生態系統健康狀況走勢,如圖1、圖2所示.由圖1可見,2005~2009年重慶城市生態系統健康走勢是穩中有升,健康程度在不斷提高,結合圖2可以看出,重慶市城市活力指數和恢復力指數在2008年發生較大幅度提高,綜合比較,重慶城市服務功能指數和人群生活指數相對較低.究其原因有:(1)重慶直轄市成立后,經濟增長速度很快,但仍體現出粗放型特征,2007年以后,重慶著手轉變經濟增長方式,加快老工業基地調整改造,提升產業技術,降低了資源能源消耗和廢棄物的排放,具體表現為城市能源消費指數和物質循環利用指數的提高;(2)2007年,重慶市被確立為全國統籌城鄉綜合配套改革試驗區,以宜居、暢通、森林、平安和健康作為城市發展的目標,特別重視城區綠化環保工作和城市生活污水廢物的處理,大大提高了城市環境廢物處理指數;(3)森林工程的建設有助于城市自然結構保持良好發展狀態,以重工業發展的重慶在經濟結構調整方面還處于過渡期;(4)作為西部地區發展的經濟文化中心之一,重慶城區人口密度較大,在住房、交通等方面存在的問題較多,影響了城市環境質量狀況指數和生活便利程度指數,降低了服務功能要素指數.