基于模糊數(shù)學(xué)模型的城市生態(tài)系統(tǒng)健康動(dòng)態(tài)變化評(píng)價(jià)

官冬杰, 蘇 印, 何政春

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院, 重慶 400074)

基于模糊數(shù)學(xué)模型的城市生態(tài)系統(tǒng)健康動(dòng)態(tài)變化評(píng)價(jià)

官冬杰, 蘇 印, 何政春

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院, 重慶 400074)

城市生態(tài)系統(tǒng)健康與否關(guān)系到城市的可持續(xù)發(fā)展，開(kāi)展城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究可為制訂城市規(guī)劃、生態(tài)和環(huán)境保護(hù)規(guī)劃提供科學(xué)的依據(jù)。以重慶市為例，選取城市生態(tài)系統(tǒng)活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力、服務(wù)功能和動(dòng)態(tài)變化5個(gè)方面，作為城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系。基于主成分分析法確定指標(biāo)的權(quán)重，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法對(duì)重慶市2004—2011年的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，另外，為了反映重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康的優(yōu)劣程度，選取上海、青島和成都2011年的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況與重慶作橫向?qū)Ρ仍u(píng)價(jià)。結(jié)果表明：重慶市2004—2011年生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈逐年良性發(fā)展態(tài)勢(shì)；在2011年城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況對(duì)比評(píng)價(jià)中，上海最優(yōu)，成都其次，重慶第三，青島相對(duì)最差。最后，提出了改善城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平的建議。

生態(tài)系統(tǒng); 健康; 主成分分析法; 模糊數(shù)學(xué); 重慶市

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出，人類(lèi)賴(lài)以生存和生產(chǎn)的生態(tài)環(huán)境不斷惡化，資源日益枯竭，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，維系經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類(lèi)健康乃至全社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境容量急劇縮減。近年來(lái)，生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)已成為國(guó)際生態(tài)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-3]，20世紀(jì)80年代后期以Schaeffer和Rapport為代表的生態(tài)學(xué)家對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的概念重新定義[4-5]，Schaeffer等認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)的功能在沒(méi)有超過(guò)臨界值的時(shí)候，生態(tài)系統(tǒng)健康一直在朝前發(fā)展，在這里臨界值定義為當(dāng)超過(guò)時(shí)會(huì)增加維持生態(tài)系統(tǒng)的不利風(fēng)險(xiǎn)的任何條件或狀態(tài)。Rapport等在1998年將生態(tài)系統(tǒng)健康的概念總結(jié)為“以符合適宜的目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義的一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)、條件或表現(xiàn)”。因?yàn)檫@些概念趨于強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)學(xué)方面，很多學(xué)者認(rèn)為這些概念不夠完善[6-7]，更全面的是把人類(lèi)健康也包括進(jìn)來(lái)，也就是生態(tài)系統(tǒng)健康應(yīng)該包含兩方面內(nèi)涵：滿(mǎn)足人類(lèi)社會(huì)合理要求的能力和生態(tài)系統(tǒng)本身自我維持與更新的能力[8]。此外，還有專(zhuān)家對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的概念和內(nèi)涵作出了不同的解釋[9-10]。可見(jiàn)目前關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)健康概念還沒(méi)有達(dá)成共識(shí)，應(yīng)該需要進(jìn)一步修改和完善。盡管如此，學(xué)者們認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)健康的概念所涵蓋的研究問(wèn)題和領(lǐng)域的價(jià)值是無(wú)可置疑的，在生態(tài)系統(tǒng)管理實(shí)踐中是無(wú)法回避的。要使生態(tài)系統(tǒng)健康的概念具有現(xiàn)實(shí)意義，唯有通過(guò)對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行有效可靠的、可操作的、可廣泛推廣的，并能為決策者提供指導(dǎo)信息的健康評(píng)價(jià)來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。決定評(píng)價(jià)是否成功的關(guān)鍵是如何選擇適宜的評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)外關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)健康的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有三類(lèi)：第一類(lèi)考慮生態(tài)系統(tǒng)自身特點(diǎn)的指標(biāo)體系[11]；第二類(lèi)考慮生態(tài)環(huán)境的指標(biāo)體系[12]；第三類(lèi)考慮人類(lèi)活動(dòng)的指標(biāo)體系[13]。隨著人們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能認(rèn)識(shí)的逐漸深入和對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)始關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)健康和生態(tài)系統(tǒng)管理這一生態(tài)學(xué)新領(lǐng)域的研究，并逐步成為熱點(diǎn)問(wèn)題[14-21]。城市生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)整合生態(tài)—社會(huì)經(jīng)濟(jì)—人類(lèi)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(duì)人類(lèi)的服務(wù)功能，以及人類(lèi)自身健康及社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康不受損害。城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究的關(guān)鍵在于建立適宜的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，所以，本研究將以重慶市為例，通過(guò)對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，建立一套能反映地域特色的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，然后選用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，為了找出重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康的不足和優(yōu)勢(shì)，本研究嘗試選取其他城市作為參照，進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，期望為重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

重慶市位于中國(guó)內(nèi)陸西南部、長(zhǎng)江上游地區(qū)，地跨東經(jīng)105°11′—110°11′、北緯28°10′—32°13′的青藏高原與長(zhǎng)江中下游平原的過(guò)渡地帶。主城區(qū)人口795萬(wàn)，面積約為5 495 km2。重慶市的人口密度1998—2003年是呈上升趨勢(shì)，2003年以后，開(kāi)始緩慢下降，但2006年又有明顯的回升。日照總時(shí)數(shù)1 000～1 200 h，冬暖夏熱，無(wú)霜期長(zhǎng)、雨量充沛、常年降雨量1 000～1 450 mm。年平均氣溫在18℃左右，屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。重慶氣候溫和多霧，素有“霧都”之稱(chēng)，是長(zhǎng)江上游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和金融中心及航運(yùn)、政治、文化、教育、科技等中心。“西部大開(kāi)發(fā)”、“三峽工程建設(shè)”給重慶的城市發(fā)展帶來(lái)了前所未有的契機(jī)，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市化進(jìn)程的加快，重慶市的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出，主要包括廢水排放量大，處理率低，水質(zhì)污染突出；大氣污染嚴(yán)重，酸雨頻率增加；地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)；植被破壞嚴(yán)重，人均綠地少，水土流失加劇。因此，評(píng)價(jià)重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，探討城市生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，預(yù)測(cè)未來(lái)城市生態(tài)健康發(fā)展趨勢(shì)，可以為重慶市城市建設(shè)管理及城市的可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)應(yīng)包含的指標(biāo)并沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一的共識(shí)。目前較普遍的看法是通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)的活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的維持、管理選擇、外部輸入減少、對(duì)鄰近系統(tǒng)的影響及人類(lèi)健康影響8個(gè)方面來(lái)衡量生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[22-23]，這主要是針對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)提出的，作者將其引申到城市生態(tài)系統(tǒng)中，由于城市生態(tài)系統(tǒng)是一種高度人工化的自然—社會(huì)—經(jīng)濟(jì)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，主要從影響城市生態(tài)系統(tǒng)健康的自然和人文因子的角度出發(fā)，在遵循評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇原則的基礎(chǔ)上，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(píng)價(jià)的5個(gè)要素，構(gòu)建一套相對(duì)完整的城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。一是從城市生態(tài)系統(tǒng)健康活力、結(jié)構(gòu)和功能完整性出發(fā)，構(gòu)建活力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；二是從城市生態(tài)系統(tǒng)的自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)結(jié)構(gòu)方面出發(fā)，構(gòu)建組織結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；三是從城市生態(tài)系統(tǒng)的對(duì)抗自然和人為干擾的能力以及可持續(xù)性利用能力出發(fā)，構(gòu)建恢復(fù)力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；四是從城市生態(tài)系統(tǒng)對(duì)社會(huì)生活的便利程度出發(fā)，構(gòu)建服務(wù)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。五是在考慮影響城市生態(tài)系統(tǒng)變化自然因素的基礎(chǔ)上，著重從人群健康和人類(lèi)素質(zhì)方面選擇系列因素構(gòu)建動(dòng)態(tài)變化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的確定

健康是一種相對(duì)概念，絕對(duì)的健康標(biāo)準(zhǔn)也是不存在的[24-25]，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，更多地應(yīng)著力于探討區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的時(shí)間動(dòng)態(tài)與空間差異，而非人為判定某時(shí)某地生態(tài)系統(tǒng)的健康與否，從而保障研究的客觀性。因此，為便于更直觀表現(xiàn)城市生態(tài)健康狀況，本文針對(duì)活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力、服務(wù)功能和動(dòng)態(tài)變化5個(gè)要素中共20個(gè)指標(biāo)，作出對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，將城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為5個(gè)等級(jí)：病態(tài)、不健康、亞健康、健康、很健康。

各指標(biāo)的具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值參照國(guó)家城市考核指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)城市建設(shè)最佳值或較好值，國(guó)內(nèi)城市發(fā)展現(xiàn)狀，國(guó)家環(huán)保總局頒布的生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)(試行)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際大都市的平均值，中等發(fā)達(dá)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)值作為很健康的標(biāo)準(zhǔn)值，以全國(guó)最低值為病態(tài)的限定值，在前者基礎(chǔ)上向下浮動(dòng)20%作為健康和亞健康的標(biāo)準(zhǔn)值，在后者基礎(chǔ)上向上浮動(dòng)20%作為不健康和亞健康的標(biāo)準(zhǔn)值，前后兩次確定的亞健康標(biāo)準(zhǔn)值相互調(diào)整得到最終值[26-27](表2)。

表1 重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

注：數(shù)據(jù)來(lái)源于重慶市2004—2011年統(tǒng)計(jì)年鑒。

表2 重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

在城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中，因評(píng)價(jià)指標(biāo)的目的不同而對(duì)指標(biāo)集中某項(xiàng)的重視程度不同，或因某項(xiàng)指標(biāo)的影響程度不同而在評(píng)價(jià)時(shí)給予不同的重視，因此在評(píng)價(jià)的過(guò)程中應(yīng)對(duì)各個(gè)指標(biāo)賦予不同的權(quán)重。目前關(guān)于指標(biāo)權(quán)重的確定方法很多，本文利用主成分分析法來(lái)確定重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康權(quán)重，其步驟為：① 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；② 求出樣本的相關(guān)系數(shù)矩陣；③ 計(jì)算其特征值、主成分的貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率；④ 求出主成分荷載，確定主成分個(gè)數(shù)，最后，將主成分載荷矩陣和貢獻(xiàn)率相乘，得到城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重(表3)，其具體操作可借助SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

表3 重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.4 評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

模糊數(shù)學(xué)是研究和處理模糊性現(xiàn)象的一種數(shù)學(xué)理論和方法。很顯然，城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的好壞是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)值而言的，很難對(duì)某生態(tài)系統(tǒng)是健康的或不健康的作出明確的結(jié)論，健康與否只是一個(gè)相對(duì)概念。因此，城市生態(tài)系統(tǒng)健康與否可以作為一個(gè)模糊問(wèn)題來(lái)處理。模糊數(shù)學(xué)方法(Fuzzy Mathematics)的基本思想是應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，根據(jù)被評(píng)價(jià)對(duì)象本身存在的性態(tài)或隸屬上的亦此亦彼性，從數(shù)量上對(duì)其所屬成分都給以刻畫(huà)和描述。因此，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的概念和方法建立的城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型比傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法能夠更符合實(shí)際地描述現(xiàn)實(shí)情況。

本文應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法擬定的城市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型Z=W·U，式中Z為城市生態(tài)系統(tǒng)健康診斷結(jié)果，W為5個(gè)健康評(píng)價(jià)要素(活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力、服務(wù)功能、動(dòng)態(tài)變化)對(duì)總體健康程度的權(quán)重矩陣，W=(W1,W2,W3,W4,W5)；U為各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)要素對(duì)各級(jí)健康標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度矩陣:

(1)

式中：Umn——第m個(gè)健康評(píng)價(jià)要素對(duì)第n級(jí)健康標(biāo)準(zhǔn)的隸屬矩陣，m=5,n=5。相對(duì)隸屬度的計(jì)算主要分正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)兩種計(jì)算方法，等級(jí)健康標(biāo)準(zhǔn)值取范圍的平均值。對(duì)正向指標(biāo)計(jì)算公式為：當(dāng)xi≥ri,5時(shí)，Ui,5=1,Ui,1=Ui,2=Ui,3=Ui,4=0

(2)

(3)

當(dāng)xi≤ri,j時(shí)，Ui,1=1，Ui,2=Ui,3=Ui,4=Ui,5=0

(4)

對(duì)負(fù)向指標(biāo)其計(jì)算公式為：當(dāng)xi≥ri,1時(shí)，Ui,1=1，Ui,2=Ui,3=Ui,4=Ui,5=0

(5)

(6)

當(dāng)xi≤ri,5時(shí)，Ui,5=1,Ui,1=Ui,2=Ui,3=Ui,4=0

(7)

式中：Uij——第i個(gè)指標(biāo)對(duì)第j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)隸屬度；wi——第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；xi——第i個(gè)指標(biāo)的現(xiàn)狀值；ri,j——第i指標(biāo)的第j級(jí)健康標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)1≤I≤2時(shí)，Uij組成矩陣U1j；當(dāng)3≤i≤9時(shí)，Uij組成矩陣U2j；當(dāng)10≤i≤12時(shí)，Uij組成矩陣U3j；當(dāng)13≤i≤16時(shí)，Uij組成矩陣U4j；當(dāng)17≤i≤20時(shí)，Uij組成矩陣U5j。

3 結(jié)果與分析

3.1 重慶市與不同城市生態(tài)系統(tǒng)對(duì)比分析

通過(guò)橫向?qū)Ρ炔煌鞘型荒甑纳鷳B(tài)系統(tǒng)，分析各城市生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，得出重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康的優(yōu)劣程度。本文通過(guò)查詢(xún)上海、青島、成都和重慶4個(gè)城市2011年的年鑒構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)現(xiàn)狀值(表4)。

表4 2011年上海、青島、成都和重慶評(píng)價(jià)指標(biāo)體系現(xiàn)狀值

注：數(shù)據(jù)通過(guò)查詢(xún)上海、青島、成都和重慶4個(gè)城市2011年的年鑒獲得。

將指標(biāo)代入(式1—7)計(jì)算出評(píng)價(jià)指標(biāo)5個(gè)要素層的健康隸屬度，模糊綜合結(jié)果分析最常用的方法是最大隸屬度法，但其存在一定的局限性，當(dāng)評(píng)判對(duì)象對(duì)不同等級(jí)的隸屬度相差不大時(shí)，可能會(huì)得到不合理的評(píng)價(jià)結(jié)果。在此采用加權(quán)平均原則求隸屬等級(jí)的方法對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量進(jìn)行分析，以避免用最大隸屬度原則所帶來(lái)的局限性。公式如下：

(8)

式中：B*——隸屬度；j——健康等級(jí)，k=2，目的是控制較大的Uj所起的作用。

根據(jù)公式(8)，按照加權(quán)平均原則，B*<1.5為病態(tài)，1.5 ≤B*<2.5為不健康，2.5 ≤B*<3.5為亞健康，3.5 ≤B*<4.5為健康，B*≥4.5為很健康，進(jìn)而分別得出上海、青島、成都、重慶4個(gè)城市的活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力、服務(wù)功能和動(dòng)態(tài)變化5個(gè)要素的隸屬度特征值B*(圖1)。

從圖1中可以看出，在2011年重慶活力子系統(tǒng)比其他三個(gè)城市都差，處于亞健康狀態(tài)，其主要原因是重慶市人均GDP比其他三個(gè)城市都低；而上海活力子系統(tǒng)最強(qiáng)，處于很健康狀態(tài)，因?yàn)槠淙司鵊DP在全國(guó)居首；成都處于健康狀態(tài)；青島也處于亞健康狀態(tài)。重慶組織結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和上海、青島都處于亞健康狀態(tài)；成都處于健康狀態(tài)，成都組織結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)比其他三個(gè)城市好的原因主要是其財(cái)政收入占GDP的比重最高，雖然成都的組織結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)最強(qiáng)，但彼此間的差距不大。重慶市恢復(fù)力子系統(tǒng)最低，青島第三，成都第二，但都處于亞健康狀態(tài)；上海恢復(fù)力子系統(tǒng)最高，處于很健康狀態(tài)；上海恢復(fù)力子系統(tǒng)比青島、成都和重慶好的原因是前兩個(gè)城市的工業(yè)固廢綜合利用率和工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率比后兩個(gè)城市高，而且工業(yè)二氧化硫排放量較后兩個(gè)城市低。重慶、上海、青島和成都服務(wù)功能子系統(tǒng)都處于亞健康狀態(tài)；主要是由于4個(gè)城市的人均綠地面積與人均住宅面積以及人均道路面積比較低。重慶、上海、青島和成都動(dòng)態(tài)變化系統(tǒng)處于很健康狀態(tài)；其原因主要是這4個(gè)城市的人口自然增長(zhǎng)率較低，而每萬(wàn)人在校大學(xué)生人數(shù)比較高。

圖1 2011年上海、青島、成都和重慶五要素隸屬度特征值

為了對(duì)上海、青島、成都和重慶生態(tài)系統(tǒng)健康整體狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用評(píng)價(jià)模型Z=W·U，分別得出城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的隸屬度值如圖2所示。

圖2 2011年上海、青島、成都和重慶生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)

按照加權(quán)平均健康等級(jí)原則，2011年各城市的綜合健康等級(jí)次序?yàn)椋荷虾?成都>重慶>青島(圖2)。重慶、上海和成都都處于健康狀態(tài)，只有青島處于亞健康狀態(tài)。其原因是重慶自然組織結(jié)構(gòu)方面的森林覆蓋率低于成都，城市綠化率不如上海和成都；在恢復(fù)力方面工業(yè)固廢氣廢的利用率和排放達(dá)標(biāo)率也比上海、成都低；而成都在經(jīng)濟(jì)水平和恢復(fù)力系統(tǒng)方面略低于上海；青島市比其他三個(gè)城市健康狀況差的原因主要有：財(cái)政收入占GDP比重較小、工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率較低。

3.2 重慶市各年份生態(tài)系統(tǒng)對(duì)比分析

利用SPSS主成分分析法計(jì)算得到指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重，再運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法計(jì)算隸屬度，最后按照加權(quán)平均原則，就可以得出重慶市2004—2011年活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力、服務(wù)功能和動(dòng)態(tài)變化5大要素隸屬度特征值B*。重慶市活力要素和組織結(jié)構(gòu)要素都是2004—2005年處于不健康狀態(tài)；2006—2009年處于亞健康狀態(tài)；2010—2011年處于健康狀態(tài)，有向很健康狀態(tài)發(fā)展的趨勢(shì)(圖3)。

圖3 重慶市2004-2011年五大要素特征值

在具體評(píng)價(jià)指標(biāo)中，人均GDP、進(jìn)出口總值和建成區(qū)綠化覆蓋率明顯上升，而城市人口平均每戶(hù)就業(yè)率和失業(yè)率的波動(dòng)最大，在今后發(fā)展中，應(yīng)努力提供更多的就業(yè)崗位，同時(shí)注意分散城市中心的人口壓力。2004—2011年重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康的恢復(fù)力要素和服務(wù)功能要素由前四年的不健康狀態(tài)逐漸過(guò)渡到后三年的亞健康狀態(tài)，具體是由于人均住宅面積、人均道路面積、人均公共綠地面積、用水普及率在不斷的提升。重慶市動(dòng)態(tài)變化要素2004—2006年處于亞健康狀態(tài)；2007—2009年處于健康狀態(tài)；2010—2011年處于很健康狀態(tài)，并且趨于穩(wěn)定。究其原因是萬(wàn)人在校大學(xué)生人數(shù)在逐年遞增而人群健康狀況在不斷的波動(dòng)，人群健康狀況成為重要的脅迫因子，要保持在很健康的穩(wěn)定狀態(tài)，就要保證人群健康的穩(wěn)定。

利用權(quán)矩陣綜合評(píng)價(jià)及加權(quán)平均原則，對(duì)重慶市2004—2011年的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況總體趨勢(shì)。

由圖4可以看出，2004—2005年重慶市生態(tài)系統(tǒng)綜合健康狀態(tài)變化不是很大，都處于不健康狀態(tài)；2006—2009年健康狀況發(fā)展有所上升，處于亞健康狀態(tài)；2010—2011年健康狀態(tài)變化上升，處于健康狀態(tài)。總的來(lái)說(shuō)，重慶市生態(tài)系統(tǒng)在不斷的改善，狀態(tài)一直往好處發(fā)展。這歸功于重慶市走了集中型和分散型城市化相結(jié)合的道路，依托現(xiàn)有中心城市，因地制宜，走大中小城市協(xié)調(diào)發(fā)展之路，在城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)中，注意當(dāng)?shù)厣镔Y源的保護(hù)，有效控制有害的外來(lái)物種，強(qiáng)化政府職能建設(shè)，在進(jìn)一步發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，積極采取轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，控制污染源和高效利用能源與資源等措施以保護(hù)生態(tài)環(huán)境。并且特別考慮人口發(fā)展與環(huán)境容量的關(guān)系，注意生物安全、環(huán)境安全、資源安全、食物安全、人類(lèi)安全和生態(tài)系統(tǒng)等生態(tài)安全問(wèn)題。

圖4 2004-2011年重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié) 論

本文將生態(tài)系統(tǒng)健康的理論運(yùn)用于城市生態(tài)系統(tǒng)健康研究，從自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)方面構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用主成分分析法確定指標(biāo)權(quán)重，建立了模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，并將其運(yùn)用到對(duì)重慶、上海、青島和成都的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中，得到了下列結(jié)論：

(1) 重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康2004—2011年發(fā)生了很大變化，2004—2005年重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況處于不健康狀態(tài)；2006—2009年處于亞健康狀態(tài)；2010—2011年處于健康狀態(tài)，并且有向很健康狀態(tài)發(fā)展的趨勢(shì)；

(2) 重慶與上海、青島和成都2011年的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況橫向?qū)Ρ戎校貞c、上海和成都都處于健康狀態(tài)，只有青島處于亞健康狀態(tài)。但總排序重慶位于第三，上海第一，成都次之，青島相對(duì)最差；

(3) 在2004—2011年影響重慶生態(tài)系統(tǒng)健康的因素當(dāng)中，有利因素是恢復(fù)力子系統(tǒng)和服務(wù)功能子系統(tǒng)，不利因素是組織結(jié)構(gòu)當(dāng)中的社會(huì)結(jié)構(gòu)；

(4) 和另外三個(gè)城市生態(tài)系統(tǒng)健康對(duì)比中，對(duì)重慶有利的因素是服務(wù)功能，不利因素是活力、恢復(fù)力和動(dòng)態(tài)變化；

(5) 未來(lái)重慶市生態(tài)系統(tǒng)要想保持良好的健康發(fā)展水平，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)服務(wù)功能建設(shè)，增加人均道路面積和綠地面積，提高居民生活出行便利條件。重點(diǎn)是改善恢復(fù)力、活力和動(dòng)態(tài)變化，提高廢氣廢渣的排放達(dá)標(biāo)率和利用率、降低萬(wàn)元GDP能耗、加大力度吸引高層次人才。

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DynamicEvaluationonUrbanEcosystemHealthBasedonFuzzyMathematicsModel

GUAN Dong-jie, SU Yin, HE Zheng-chun

(SchoolofRiver&OceanEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

The health of urban ecosystem is related to the sustainable development of cities. The study of the urban ecosystem health assessment could provide the criterion for formulating schedules about the urban development and the protection of ecological environment. We took the vigor of urban ecological system, organization structure, restoring force, service function and dynamic change as the healthy criterion for the urban ecological system and applied the criterion to Chongqing City. This paper ensured the weight factor of the criterion, and adapted fuzzy mathematical evaluation method to analyze the ecological system health condition of Chongqing City from 2004 to 2011 by using principal component analysis. On the other hand, in order to identify how well the ecosystem of Chongqing City is, in corresponding, we chose other three cities, Chengdu, Shanghai and Qingdao to compare their ecosystem health condition in 2011 with Chongqing. The comparison result showed that Chongqing′s ecosystem health condition was growing better yearly from 2004 to 2011; in 2011, at the evaluation of these four cities′ ecosystem health condition, Shanghai is the best, followed by Chengdu and Chongqing, Qingdao City is relatively the worst. At last, this paper gave some suggestions for how to improve the urban ecosystem health condition.

ecosystem; health; principal component analysis (PCA); fuzzy mathematics; Chongqing City

2013-11-14

：2013-12-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(41201546,41261038);重慶市自然科學(xué)基金(cstc2012jjA20010);國(guó)家十二五科技支撐計(jì)劃專(zhuān)題(2011BAC02B02);國(guó)家十二五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAJ25B09)

官冬杰(1980—),女,黑龍江省富錦人,教授,工學(xué)博士,主要從事生態(tài)環(huán)境及土地利用。E-mail:guandongjie_2000@163.com

X171

：A

：1005-3409(2014)05-0150-07