基于熵權物元模型的資源型城市脆弱性評價

崔海寧, 王 芳, 湯 峰

(1.河北瑞嘉土地規劃咨詢有限公司, 河北 廊坊 065000;2.滄州市地產開發服務中心, 河北 滄州 061001; 3.河北農業大學 國土資源學院, 河北 保定 071001)

資源型城市是因自然資源開采和加工而興起的一類城市。近年來，資源型城市因經濟結構失衡、大量貧困和失業人口、生態環境嚴重破壞[1]，并引發自然環境、經濟、社會脆弱性問題而受到廣泛關注[2-5]。城市脆弱性作為研究城市人地系統和諧發展的新視角和資源型城市健康持續發展的重要途徑[6-7]，對保障倡導城市安全發展具有重要的指導意義。城市脆弱性研究目前主要集中在概念、分析框架[6-7]、影響因素[8-9]、評價[10-11]、規避建議[12-14]等方面。城市脆弱性概念及內涵經歷了由一元到多元、由簡單到復雜的過程[2]，涵蓋了風險、暴露性、敏感性、適應性或恢復力等多種概念[8-11]。如從災害[2]和氣候變化[16]視角進行定義，也有從生態[8]、社會[17]和經濟[18]等視角進行界定，但無法全面體現城市作為環境—經濟—社會綜合體的脆弱性特征[5,19]，整合多視角的概念逐步成為共識[2,11]。評價是城市脆弱性研究的基礎性環節，通過對城市脆弱性的程度識別可為降低城市脆弱性水平提供參考[19]，通常是在指標體系構建基礎上結合不同數學方法綜合成脆弱度指數并判斷城市脆弱性程度。常見評價模型包括綜合指數法[5]，集對分析法(SPA)[20-21]、函數模型法[17]、數據包絡分析(DEA)[22]、能值法[15]、情景分析[23]等，取得了很好效果，但需要借助人為進行城市脆弱性指數的等級劃分[24]，主觀性強且無法識別單指標的狀態水平，易忽視指標間的分異信息[25]，同時這些模型可評價出評價對象的脆弱性等級，但無法反映出評價對象向某個等級轉化的中間狀態。作為全國首批資源型城市轉型發展示范區之一，河北省唐山市的城市脆弱性具有代表性和典型性。因此，本研究通過構建表征城市綜合脆弱性的評價指標體系，嘗試構建基于物元分析的城市脆弱性評價模型，測度唐山市2000—2014年城市脆弱性的演變狀況，為提高唐山和類似資源型城市可持續發展能力提供科學依據。

1 研究區概況和數據來源

唐山市作為河北省經濟和城市化發展的快速地區，是一座“依煤而建，因鋼而興”的資源型城市，是北方重要的能源、原材料生產基地和全國三大鐵礦集中區之一[26]。區域綜合經濟實力整體較強，地區和人均GDP均位居全省前列，但經濟結構高度單一且超重型化，工業產值占全市GDP 的80%以上，整體產業鏈條短，礦產資源的長期“群采”也破壞了區域生態環境和自然景觀，形成了較大規模的采空區和采煤塌陷地，還排放了大量工業廢棄物排、大量SO2，粉塵、煙塵等工業廢氣，影響了環境質量。

研究數據主要涉及2001—2015年的人口、社會、經濟、資源、環境狀況等，其中人口、經濟、城市建設、資源利用等數據主要來自于城市統計年鑒、河北省和唐山市社會經濟統計年鑒，以及相應年份唐山國民經濟和社會發展統計公報(中國統計信息網http:∥www.tjcn.org/)。廢污水排放量、固體廢棄物排放等數據來源于《唐山市環境狀況公報》。評價中采用的GDP為統一折算到2000年現價GDP。對于缺失的個別年份數據采用滑動平均法或趨勢外推法獲得。數據處理和評價在Excel和Matlab 7.0平臺支持下完成。

2 研究方法

2.1 物元分析原理和方法

物元模型是一種解決不相容的復雜問題的方法，適用于多因子綜合評價。城市是一個復雜系統，城市脆弱性評價指標涉及到眾多指標且單項指標評價具有不相容性，所以構建城市脆弱性評價物元模型具有一定可行性。通過關聯函數分析決策對象各子系統間的矛盾性，在等級確定上結合客觀標準先對評價指標的經典域進行區間界定，然后通過脆弱性單指標的關聯函數獲得單指標狀態，再進行多指標綜合，從而提高了等級判定的客觀性和科學性。將物元分析理論與方法應用到城市脆弱性評價中，基本步驟為：

(1) 構建城市脆弱性評價物元。城市脆弱性物元R=(Q，C，V)，由城市脆弱性對象Q及其特征向量C(評價指標)和特征量值v(評價指標值)共同構成。其中，對象Q有n個特征向量c1，c2，…，cn。

(2) 確定脆弱性經典域、節域物元矩陣。城市脆弱性狀態的經典物元矩陣可表達為：Roij=(Qoj，ci，voij)。其中Roij為經典域物元；Qoj為所劃分城市脆弱性程度的第j個評價等級；ci為特征向量(i=1,2,3,…,n)，經典域voij為第i特征向量對應等級j的量值范圍(aoij，boij)。經典域符合物元矩陣可表達為：

(1)

節域物元矩陣表示為：

(2)

式中：Rp——節域物元；vpi——節域物元關于i特征Ci的量值范圍(api,bpi)。

(3) 確定關聯函數和關聯度。城市脆弱性評價指標關聯函數K(x)的定義為：

(3)

式中：K(ci)j——第i項指標相應于第j個脆弱性等級的關聯度。

(4)

式中：ρij(vi,Voij)——點vi特征向量Ci的量值，與對應特征向量有限區間Voij=[aoij,boij]的距離；ρpi(vi,Vpi)——點vi特征向量Ci的量值，與對應特征向量有限節域(有限區間)Vpi=[api,bpi]的距離，|Voij|=|boij-aoij|；Voij，Vpi——待評價城市脆弱物元的指標值、經典域物元和節域物元的量值范圍。

(4) 計算綜合關聯度和評價等級。待評價物元Qx(x=1,2,3,…,m)是關于等級j的綜合關聯度Kj(Qx)。根據得到的指標關聯函數K(x)和指標權重，采用綜合指標法構建城市脆弱性評價模型為：

(5)

式中:ωvi——指標權重值。采用熵值法確定權重，由于該方法比較常見，不再贅述。

若Kij=max[K(ci)j]，則待評價對象第i個指標屬于城市脆弱性等級j級；若Kjx=max[Kj(Qx)]，則待評對象Tx屬于脆弱性標準等級j級。Kjx值越大表明評價對象在對應的等級中越穩定，反之則表明評價對象有向僅次于該等級k值的等級轉化的趨勢，兩等級的值越接近，轉化的可能越大。若Kjx≤0，表明城市脆弱性水平在設定標準等級之外，并向最大k值對應等級轉化。

2.2 脆弱性評價指標體系構建

本研究認為城市脆弱性是指城市資源環境、經濟、社會系統在面對內外部自然要素和人為要素干擾因素的作用下，表現出高度敏感并缺乏應對能力，并導致城市結構和功能易受到損害的屬性[19]。可從城市對資源環境、社會和經濟維度的敏感性和適應力角度構建城市脆弱性評價指標體系。敏感性越小，而應對能力越強則城市脆弱性越小，參考已有相關文獻研究，遵循科學性、靈敏性、相關性、可操作性與可靠性等原則，建立了唐山城市脆弱性評價指標體系(表1)。

2.3 脆弱性警度的確定

依據城市脆弱性的可拓性，在借鑒相關預警研究[31]的基礎上，結合唐山市發展現狀與研究目標，將城市脆弱性指數劃分為5個等級，定性描述為無警(Ⅰ)、輕警(Ⅱ)、中警(Ⅲ)、重警(Ⅳ)、巨警(Ⅴ)。評價經典域的確定則主要依據以下幾點原則進行： ①參考已有國家或國際標準的指標值； ②參照相關指標的全國平均水平以及所處省份的經濟社會發展平均水平； ③依據現有的環境與社會、經濟協調發展的理論，力求定量化作為標準值； ④參考相關文獻[32]制定。依據以上原則，確定各個指標經典域的取值范圍(表2)。

3 唐山市城市脆弱性評價結果分析

3.1 物元分析評價

按照構造的物元模型公式(1)—(4)，以唐山市2000—2014年各指標數據為對象，得到不同時期指標脆弱性級別的關聯度。為更好識別城市脆弱性狀況，分別從敏感性和應對能力進行分析。

3.1.1 城市脆弱敏感性預警狀況分析 由于篇幅有限，本文僅以2000年C1指標(工業廢水排放強度)為例介紹各參數意義。將2000年C1指標原始數據代入相應的公式后，得出其相應的評價等級的關聯分別為：K(C1)1=-0.189，K(C1)2=0.392，K(C1)3=-0.131，K(C1)4=-0.348，K(C1)5=-0.478，可判定2000年唐山市該指標屬于級別Ⅳ 級，即屬于“重警”水平。同理可得到年份各個指標的相關數值和等級(表3—4)。

由敏感性系統各項指標的物元分析結果表3可以看出，指標工業廢水排放強度、二氧化硫排放強度、單位GDP碳排放、城鎮居民人均可支配收入、城鎮人均居住面積、城鄉收入平衡指數等因素在研究期間預警等級呈現不同程度的下降趨勢，對降低唐山城市脆弱的敏感性具有促進作用。工業廢水排放強度、二氧化硫排放強度、單位GDP碳排放分別由2000年的21.96,28.93和8.1 t/104元降低到2014年的5.01,4.42和2.75 t/104元，表明城市在綠色生產、提高能源利用率方面取得良好效果。城鎮居民人均可支配收入6 802元提升至2014年的28 891元，城鎮人均居住面積由2000年的20 m2/人上升至2014年的28.07 m2/人，表明城市經濟發展實力和人均生活保障水平不斷提高。但人均耕地面積、地方財政自給率、城鄉平衡指數、資源密集型產業就業比重、第三產業增加值比重、產業結構多樣化指數等指標在研究期間基本處于警度較高狀態，一定程度上阻礙了城市脆弱的敏感性降低。

表1 唐山市城市脆弱性評價預警指標體系

注：資源密集型產業就業比重C9:為從事采掘業和制造業人口占就總業人口比重；外貿依存度C10:表征區域對外貿易活動對經濟發展的影響和依賴，外貿依存度=進出口總額/GDP；產業結構多樣化指數C13：表征城市產業結構多樣化狀況，一般來說指數值越大表明產業結構越合理。計算公式為:W=∑|Ii-Ii-1|其中，Ii為第i(i=1，2，3)次產業的增加值占GDP的比重；城鄉收入平衡指數C17：表明城鄉收入差距。城鄉收入平衡指數=農民人均純收入/城鎮居民人均可支配收入。

表2 唐山城市脆弱性評價預警指標經典域范圍

3.1.2 城市脆弱應對能力預警狀況分析 由脆弱性應對能力單個指標的物元分析結果可知(表4)，應對能力指標中的萬元GDP綜合能耗、萬元GDP水耗、萬元GDP建設用地占用、污水處理廠集中處理率、人均地方財政收入、人均GDP、固定資產投資密度、百人擁有移動電話數、國際互聯網用戶數、建成區供水管道密度、排水管網密度和人均城市道路面積等指標在研究期間預警等級呈不同程度的增強趨勢，表明這些因素對城市脆弱性應對能力的提高具有促進作用。由表4可知，萬元GDP綜合能耗由2000年的3.94標準煤/萬元下降至2014年的1.4標準煤/萬元，萬元GDP水耗和電耗、地耗則分別下降了22.74 m3/萬元、479.11 kW·h/萬元、28.28 k/萬元，反映出唐山在節約利用能源、提高資源利用效率方面效果較顯著，一定程度緩解了城市資源脆弱性。建成區綠化覆蓋率、人均公園綠地面積分別提高了7.84%和4.38，這與唐山實施植物物種多樣性保護、道路綠化、特色景觀和采沉區生態改造等專項行動有關，生態建設得到改善。污水處理、工業固體廢棄物綜合利用率分別提高了48.5%，35.32%，生活垃圾無害化處理率在2010年達到100%，單位GDP碳排放量由2000年的8.1 t/萬元下降到2014年的2.75 t/萬元。此外，城市人均道路面積、每萬人擁有公共汽車數量、建成區供水管道和排水管道密度分別提高了6.55 m3，0.43萬輛、1.55，3.39 km/km2。表明唐山市配套設施和城市現代化水平較高。百人擁有移動電話數和擁有國際互聯網戶數分別增長了170.9和20.09人，萬人普通中學在校生學生數和萬人擁有醫生數、城鎮人均居住面積也在研究期間呈現上升趨勢，表明唐山在城市基礎設施建設、信息化建設以及生活、醫療等保障方面得到改善。但萬元GDP電耗、工業固體廢棄物綜合利用率、科技支出占地方財政支出比重、第三產業從業人員比重等仍處于中警狀態，影響了脆弱性的應對能力提升。

表3 唐山城市脆弱性評價敏感性指標關聯度與等級

表4 唐山城市脆弱預警應對能力指標關聯度與等級

3.2 城市脆弱性評價狀況總體分析

結合公式(5)計算綜合關聯度，并判定城市脆弱性的警度等級(圖1)。研究期間唐山城市脆弱性安全警度由“向巨警轉化”狀態降低為“向無警轉化”狀態，表明城市脆弱性總體正逐步降低，呈日益好轉的趨勢，并呈現出4個階段。2000—2003年，城市脆弱性不完全符合“巨警”的標準，但具備“向巨警轉化”的條件；2004—2006年，城市脆弱性不完全符合“重警”的標準，但具備“向重警轉化”的條件，表明城市脆弱性程度較高，“重警”等級不穩定。2007年唐山市制定實施資源型城市轉型戰略以來，城市脆弱性狀況明顯得到改善。2007—2011年，唐山市城市脆弱性不完全符合“中警”和“輕警”的標準，但具備“向中警轉化”和“向輕警轉化”的條件，2012—2014年，城市脆弱性不完全符合“無警”的標準，但具備“向無警轉化”的條件。

研究采用熵權物元模型進行城市脆弱性評價，不僅可對每個參評指標所處的等級狀況進行判定，且結果可以體現城市脆弱性所處的狀態和向某個脆弱性等級轉化的中間狀態。從實際評價結果來看，與已有關于唐山脆弱性的研究結果基本一致[34]。已有研究結果顯示唐山城市脆弱性由2000年的“重警”降低至“輕警”，本研究中則是“向巨警轉化”狀態降低為“向無警轉化”狀態，評價的警情等級略有差異。這可能是與已有研究的指標體系和評價方法有所差異，多指標綜合評價法強調對綜合質量的分析，物元分析模型更強調對影響因子的分析，關聯函數可提示更多的分異信息，體現不同時期評價指標在城市脆弱性評價預警中的差異作用，可有效地克服城市脆弱性評價概念的模糊性和單項指標評價結果的不相容性，避免了主觀判斷的不確定性，結果可信度較高，揭示出更豐富的信息量。

圖1 唐山市2000-2014年城市脆弱性狀況預警等級

4 結 論

(1) 基于敏感性—應對能力框架，本研究從資源環境、經濟和社會維度構建了城市脆弱性評價預警指標體系，結合物元分析評價模型對唐山市綜合脆弱性進行了評價。結果表明:2000—2014年間唐山在資源環境、經濟和社會發展方面采取了多項舉措降低城市的脆弱性，取得了一定成效，城市脆弱性狀況趨于良好。脆弱性警情等級演變分為4個階段：2000—2003年的“向巨警轉化”狀態，2004—2006年為“向重警轉化”狀態，2007—2011年為“向中警轉化”和“向輕警轉化”的疊加期，2012—2014年為“向無警轉化”狀態。

(2) 物元分析結果表明，當前制約唐山市脆弱性提高的主要因素是人均耕地面積、地方財政自給率、城鄉平衡指數、資源密集型產業就業比重、第三產業增加值比重、產業結構多樣化指數、萬元GDP電耗、工業固體廢棄物綜合利用率、科技支出占地方財政支出比重、第三產業從業人員等。這種結果表明城市處于礦產資源的大規模開采階段，高能源消耗、高污染排放的根本矛盾仍然存在，第二產業占GDP的比重始終居高不下，采礦業的工業總產值占工業總產值的比重達到14%，資源型產業的就業人口比重一直處在50%以上，城市對人才與資金的吸引力不夠，產業結構的調整速度緩慢[30,33]，仍制約著區域可持續性發展。

(3) 根據研究所得到出的城市脆弱性狀況演變路徑和物元分析得到的障礙因子，提出如下建議： ①以成為全國首批資源型城市轉型發展示范區為契機，依托區域資源優勢來延伸產業鏈條，推進傳統產業的升級和生態化改造，以更好地發揮資源和經濟效益； ②積極主動承接京津產業轉移，充分利用北京、天津各類科技智力資源，尤其是人才的引進，培育壯大戰略性新興產業； ③鞏固城市基礎設施建設水平，進一步保護耕地資源，開展工礦廢棄地整治補充耕地，促進人地關系協調發展。

(4) 物元分析方法要求必須設定脆弱性評價的經典域和節域，而目前研究僅涉及到標準等級值，不是一個域。此外，對突發性自然災害等影響城市脆弱性的因素未進行考慮，今后在脆弱性評價指標體系構建、經典域和節域等方面還需要深入研究。