區域生態安全評價與預警研究

董會忠　吳朋　叢旭輝　殷秀清

摘要：運用熵權正態云理論，建立了基于s-T-I模型的山東半島藍色經濟區生態安全預警模型，對山東半島藍色經濟區歷史時序（2004-2014年）及規劃年份（2017年）的生態安全進行定量評估和預警。結果表明：2004～2014年區域生態環境從“較差狀態”到“一般狀態”再到“良好狀態”，總體呈逐漸好轉的態勢，但整體生態安全水平仍較低，均未達到“理想狀態”。2017年區域生態安全為“良好狀態”，且具有向“一般狀態”發展的趨勢，大氣污染、水污染、工業“三廢”等是影響區域生態安全的主要短板因素。

關鍵詞：正態云；區域生態安全；預警模型；山東半島藍色經濟區

DOI：IO.13956/j.ss.1001-8409.2016.09.13

中圖分類號：F062.2；F127

文獻標識碼：A

文章編號：1001-8409（2016）09-0056-06

區域生態安全是指在一定時空范圍內，區域生態系統的內在功能、結構以及外在表現，在社會經濟與自然環境的雙重壓力及人類活動積極響應下，對社會經濟穩定和人類健康發展所提供的生態支持和影響，使人類社會的健康、發展、生產和生活不受威脅的狀態。對生態安全的準確識別有助于正確把握生態系統的健康狀況，為區域規劃提供科學的依據，對區域社會、經濟以及生態環境系統的持續健康發展具有重要指導意義。現階段，隨著經濟社會快速發展以及人口急劇膨脹，導致區域生態安全形勢嚴峻，生態問題凸顯，生態安全已經成為政府和學術界關注的熱點。目前國內外學者對生態安全的研究主要有：概念界定、理論辨識、評價指標體系的構建、生態安全評價與預警、生態承載力分析以及對策探討等。作為生態安全研究的重點，生態安全預警是指對生態環境狀況的變化、資源開發的生態后果以及社會經濟同生態環境協調發展的預測、評價和警報，以實現對不良因素的改善與控制。生態安全預警的常見方法多集中在模糊物元評價、人工神經網絡、系統動力學等。模糊物元評價法反映了評價對象安全界限的模糊性，刻畫出評價對象的實際情況，但該方法過度依賴極值的作用，造成信息損失較多，對指標權重的確定也缺乏可靠性。人工神經網絡的優勢在于無標度求解方面，通過反復訓練學習，找到最小誤差對應的網格參數，但會因為訓練不足或過度訓練，導致陷入局部最小。系統動力學兼具信息論與控制論的優點，在處理周期性與長期性問題方面具有相對優勢，但該方法對同一問題建立的不同模型以及最終結果差異性顯著，缺乏可靠性。所以，現有的評價和預警模型在反映區域生態安全的多因素、多維度和動態適應性等方面存在一定的局限性。

熵權正態云模型作為一種新的區域生態安全預警模型，能夠較好地克服上述方法存在的弊端，現已被應用至土地資源評價、區域水資源承載力評價、企業安全管理等方面，目前還未將其應用到區域生態安全研究中。本文將熵權正態云模型理論引入到區域生態安全預警中，以解決生態預警研究中的隨機性與模糊性的問題。以山東半島藍色經濟區為例，基于“狀態-逼迫-免疫”（State-Threat-Immunity，STI）概念模型，構建山東半島藍色經濟區預警指標體系，對時間尺度（2004～2014年）下的生態安全水平進行評價，并對該區域2017年的生態安全發展態勢預警。

1.研究區范圍

山東半島藍色經濟區主體區位于東經118°0～122°42和北緯35°04～38°16'之間，包括山東全部海域和青島、東營、煙臺、濰坊、威海、日照6市以及濱州市的無棣、沾化2縣所屬陸域，海域面積15.95萬平方千米，陸域面積6.4萬平方千米，占山東省陸域面積的14%。山東半島藍色經濟區憑借其區位優勢和產業優勢發展成為山東地區工業化和城鎮化水平最高、發展速度最快、經濟外向性最高的區域。但隨著社會經濟的高速發展，耕地、能源、水資源和礦產等資源短缺，水環境、大氣環境污染嚴重，海水入侵等生態污染不斷加重，山東半島藍色經濟區生態安全系統亟需改善。

2.研究方法

2.1正態云模型理論

云模型通過語言值來表達定性概念與定量表示之間相互映射轉換，合理有效地將隨機性與模糊性結合在一起。作為云模型的基本模型之一，正態云模型具有廣泛的普適性，大量的自然和社會科學中定性概念的云期望曲線都近似屬于正態分布或半正態分布。

3.山東半島藍色經濟區生態安全預警

3.1研究尺度、數據來源

區域生態安全預警主要分為歷史年份生態評價及未來年份生態趨勢研究。通過對山東半島藍色經濟區2004～2014年生態水平的分析，驗證云模型在區域生態安全預警中的有效性，其次運用該模型對區域2017年的生態安全水平及發展態勢進行預警分析。

本文研究所使用數據主要來源于《中國統計年鑒》（2004～2015年）、《山東省統計年鑒》（2004～2015年）、《山東省環境狀況公報》（2004～2015年），以及日照、青島、威海、東營、煙臺、濰坊和濱州市統計年鑒（2004～2015年）等。

3.2生態安全預警指標體系

系統性分析現階段研究成果，結合山東半島藍色經濟區生態安全狀況與預警指標數據的可得性，界定影響其生態水平的因素主要集中于區域生態狀態、安全逼迫程度、風險免疫3方面，并構建了由22項預警指標構成的“狀態-逼迫-免疫”（State-Threat-Immunity，STI）概念模型。其中，藍色經濟區當前所具有的水資源、耕地、林地等生態資源及大氣環境、水環境等環境狀態作為生態安全的狀態要素；資源過度使用所導致的資源消耗、環境破壞、生態污染等是逼迫區域生態安全水平轉變的主導隱患，劃分至生態安全的逼迫要素；以降低生態系統遭受風險為目的，利用資金投入、科技研發、廢棄物處理等渠道提升生態風險規避能力的要素，作為生態安全的免疫要素。預警指標分為正向與負向指標2類（若指標數值越大，區域生態安全水平越高、抵御生態破壞和恢復再生能力越強，則為正向指標；相反，若指標數值越大，區域生態安全狀況越差、承受的生態壓力越大，則為負向指標）。結合STI概念模型，建立山東半島藍色經濟區生態安全預警指標體系，具體見表1。

3.3預警等級劃分

生態安全水平的直觀化體現需要以安全等級標準劃分為基礎。參考國家生態安全評估體系研究結果，本文把生態安全劃分為5個等級。從優至劣對其排序分別為I（理想狀態）、Ⅱ（良好狀態）、ⅡI（一般狀態）、IV（較差狀態）、V（惡化狀態），各等級下的生態狀態具體涵義見表2。通過正態云理論，把生態安全分異概念集合{理想一良好一一般一較差一惡化}中的漸變關系從定性分析轉化為定量研究，明確藍色經濟區生態安全概念的層次關系。

3.4指標閥值確定與正態云數字特征

3.4.1預警指標閾值

構建了半島藍色經濟區生態安全預警指標體系后，需確定預警指標在不同安全等級下的閾值范圍，以對生態安全狀況定量分析。通過對國家關于生態質量標準的規定以及地方、行業的環境本底標準分析，按照系統性、可操作性及地域性等原則，結合山東半島藍色經濟區2004～2014年歷史數據統計研究，劃分各預警指標在不同安全等級下的閾值，見表1。

3.4.2正態云數字特征

按照式（2）至式（4），將各預警指標在不同生態安全等級下的閾值區間通過正態云模型表示，以山東半島藍色經濟區生態安全預警指標體系中的生態環境狀態為例，得到其正態云標準（如表3）。

將各預警指標的正態云標準數組代人正態云發生器，得到各預警指標在不同安全等級下的正態云。以影響因素指標——人口密度（c₁₁）為例，對其建立標準正態云隸屬函數（如圖3）。

3.5計算及結果分析

3.5.1預警指標權重計算

采用客觀賦權法中的熵權法確定指標權重，以區域生態安全為總系統，各預警指標為子系統，將子系統作為信息源，預警對象在各子系統下的取值作為各子系統可能的取值，若這些取值的概率確定，可由預警指標構成的判斷矩陣計算出指標熵權。結合山東半島藍色經濟區生態環境現狀，綜合分析歸納后，得到預警指標標準及其權重（見表1），熵權法在計算指標權重過程中有效消除了人為因素干擾，使計算結果更加符合實際。

根據表4評價結果可知，2014年山東半島藍色經濟區生態安全預警值要遠遠大于2004年生態安全預警值（φ2014（Ⅱ）=0.249>φ2004（Ⅱ）=0.170，表明2004～2014年該地區生態治理和保護成效顯著，生態安全問題得到合理解決。但從最終等級隸屬度來看，區域整體安全等級相對較低，均在“理想”狀態以下，該地區生態安全狀況仍不容樂觀。上述評價結果與山東半島藍色經濟區情況基本一致，表明基于熵權正態云模型的區域生態安全預警具有較高的可靠性，能夠用于半島藍色經濟區未來年份的生態安全預警研究。

3.5.3 2017年生態安全預警

通過灰色模型（Grey Model）預測得到2017年山東半島藍色經濟區預警指標值，并將其代人熵權正態云預警模型，得到該區域2017年的生態安全預警結果（見表5）。

4.結論

本文在總結國內外相關區域生態安全評價與預警的基礎上，構建了基于s-T-I模型的生態安全預警指標體系，并將熵權正態云模型應用于區域生態安全預警中，對2004～2014年山東半島藍色經濟區生態安全水平進行評價，得到該地區生態安全從“較差”狀態到“一般”狀態再到“良好”狀態，生態水平不斷好轉，有效控制了生態質量的惡化。但從整體來看，該區域生態安全水平較低，仍處于“理想”狀態以下，研究結果與實際基本相符。其次，通過分析2017年山東半島藍色經濟區生態安全預警結果，可知該地區在2017年生態安全為“良好”狀態，同時有向“一般”狀態退化的趨勢。水資源短缺、大氣環境指數和水環境指數偏高、工業“三廢”排放量、人均耗能量較高是制約區域生態好轉的主要短板因素。因此，為促進區域生態安全等級的不斷提升，應嚴格執行排污總量和環境保護標準，完善生態環境的監督執法和監測預警體系，健全生態服務功能；統籌土地資源的產業開發與保護，有效限制高耗水行業的發展，加大重點污染流域治理與工業治污的力度，加快推進節水型社會的構建；按照資源化、減量化和再利用的原則，調整產業經濟結構，充分發揮科學技術優勢，推進可循環、高效能技術的研發，促進產業集群綠色發展，形成集約發展、集聚發展、集中治污的可持續發展模式。