基于層次分析法的陜西省城市生態系統健康動態評價

馬行天,曹 涵

(西安石油大學經濟管理學院，西安 710000)

1 前 言

世界上許多城市都制定了可持續的城市發展計劃，以實現城市化進程，實現城市可持續發展的理想狀態(Shen等)[1]，可是實際結果并不理想，近年來隨著城市化進程不斷加快，經濟快速發展給生態環境造成了巨大的負擔和損害，帶來了一系列環境壓力大、生態機制功能衰退、能源耗竭等問題。生態城市是可持續發展理念在城市建設過程中的具體表現，如何促進城市生態系統的良性運轉和健康可持續發展是當前的主要任務(劉丹丹等)[2]。人們對生態環境的關注日益加強，對生態系統健康的研究也越來越深入，其中城市生態系統的評價成為當前學術界關注的熱點問題，城市生態系統(urban ecosystem)是一個由社會、經濟、制度和環境變量之間復雜的相互作用產生的動態生態空間(Albert)[3]。與自然生態系統相比，城市生態系統擁有物質和能源消耗高、污染大、自然資源少的特點，使其一直處于更加脆弱和不穩定的狀態(Jiang和Chen)[4]。眾多學者使用不同的方法結合國內的一些城市進行了相關研究，Su等[5]引入集對分析(SPA)來評估北京、大連、上海，武漢、廈門和廣州等城市生態系統健康水平；胡碧玉等[6]采用熵值法賦予指標權重，應用模糊數學方法構建評價模型，對川北城市生態系統狀態進行了研究；于洪良[7]運用TOPSIS方法對山東省東營市的生態系統健康評價進行實證研究；李夢婕等[8]運用主成分分析方法篩選城市生態系統健康評價指標，同時結合模糊數學理論構建城市生態系統評價模型，進而對南京市城市生態系統健康形勢進行動態評價；王智宇[9]基于能值分析和城市復合生態系統的理論和方法，從生態環境系統和社會經濟系統兩方面，對西安市的3個發展核心區2014年的基礎數據進行生態健康評價。

上述方法大多都是以某個城市或多個城市一年數據或多年數據為基礎，進行綜合評價或研究方法優化比較分析，缺少對省域層面整體城市生態系統健康動態發展的研究。城市生態系統健康評價是城市可持續發展以及城市生態文明建設的需要。在當今各種“城市病”頻發的背景下，研究城市生態系統健康水平，不僅有利于協調城市發展與城市生態系統健康之間的矛盾，而且對于指導城市建設規劃編制，監控城市生態環境的可持續發展具有重要的現實意義(劉培德和滕飛)[10]。故本文在已有研究的基礎上，采用層次分析法對陜西省2013～2017年城市生態系統健康狀況進行分析，從時間序列角度進行動態評價，根據研究結果提出相應改善城市生態健康水平的建議，以期為促進生態城市健康發展提供科學理論依據。

2 研究區域概況

陜西省位于中國西北部，地處東經105°29′～111°15′和北緯31°42′～39°35′之間，地勢特征明顯，北山和秦嶺把陜西分為三大自然區域：北部是陜北高原，中部是關中平原，南部是秦巴山區。全省總面積20.58萬km2，設10個省轄市，有4個縣級市。近年來，陜西省城鎮化水平迅速提升，城市人口的增加使城市生態環境面臨一系列問題。通過分析2013～2017年陜西省城市生態系統健康狀況，為陜西省省域層面的生態環境規劃建設提供理論依據。

3 研究方法

3.1 建立評價指標體系

城市生態系統是一個動態系統，需要通過一系列相關指標進行定期監測和評估。可持續性評估被視為幫助實現可持續城市生態系統轉變的重要工具，指標是通過產生定量值來提供關于環境狀態的信息的參數，可以用來作為管理環境、社會和經濟信息的動態衡量標準，以評估城市地區的可持續性(Moussiopoulos等；Dizdaroglu)[11-12]。城市生態系統健康評價研究的核心問題在于建立合適的評價指標體系，而目前關于城市生態健康指標的選取在學術界還未達成共識。由于對城市生態系統健康概念理解上的差異以及研究視角的不同，學者們提出了不同的評價指標體系。縱觀現有研究，主要存在三種構建指標體系的方式，其一是將城市生態系統分為環境、經濟、社會三個子系統(張曉琴和石培基；耿涌和王珺；胡碧玉；陶曉燕)[6,13～15]，其二是從自然、社會和經濟三個方面構建城市生態系統健康評價指標體系(劉麗麗等；張俊華等；伍陽等)[16～18]；其三是采用活力、組織結構、恢復力、維持生態系統服務功能、人類健康狀況等5大要素來構建城市生態系統健康的評價指標體系(師謙友；李雙江；景彩娥和張福平；郭銳利等；單海燕和楊君良；高彩玲等)[19～24]。考慮陜西省的實際情況和數據可獲得性，借鑒已有學者的研究，本文選擇學術界普遍認可的活力、組織力、恢復力、生態系統服務功能和人類健康狀況作為評價的5個主要要素，對每個要素提出相應的具體評價指標，從而構建出城市生態系統評價指標體系。(見表1)

3.2 評價方法

縱觀近年來國內外學者們對城市生態系統健康評價的研究，其評價方法主要有：基于熵值法確定指標權重,并應用模糊綜合評價法對城市生態系統健康狀況進行綜合評價(劉偉等；吳長年和魏婷；劉惠；Han等；劉玒玒等；秦趣等)[25～30]；采用突變理論標準量化底層評價指標，再根據相應的歸一化公式推求突變級數值，從而確定城市生態健康狀態(徐雪松等；呂爽等)[31-32]；基于主成分分析法確定指標的權重，運用模糊數學評價方法對城市的生態系統健康狀況進行評價分析(李夢婕等；官冬杰；Zeng等)[8,33-34]；使用能值分析方法評價城市生態系統健康(王智宇等；李恒等)[9,35]；除此之外，還有運用集對分析方法分析城市生態系統健康狀況(劉丹丹等，Su等)[2,36]，運用層次分析法對城市生態系統健康進行評價(李艷麗等；袁明鵬和嚴河；王艷等)[37～39]。可以看出用來評價城市生態系統健康的方法多種多樣，但由于研究視角不同采用的方法也有所差異，本文是要探究陜西省近幾年來整個城市生態系統發生的動態變化，所以主要采用層次分析法進行相關研究。

表1 城市生態系統評價指標Tab.1 Urban ecosystem evaluation index

層次分析法是一個將復雜的多目標決策問題作為一個系統，將目標分解，進而產生多個指標，通過定性指標模糊量化算出指標的權數，為決策提供依據的系統方法，整個過程體現了人們分解-判斷-綜合的思維特征。這一方法的核心是將決策者的經驗判斷給予量化，從而為決策者提供定量形式的決策依據，在目標結構復雜且缺乏必要數據的情況下更為實用(Saaty)[40]。在運用AHP方法進行評價或決策時，大體可分為四個步驟：

(1)分析評價系統中各基本要素之間的關系，建立系統的遞階層次結構。

(2)對同一層次的各元素關于上一層次中某一準則的重要性進行兩兩比較，建立各階層的判斷矩陣A。

式中,aij—要素i與要素j相比的重要性標度。

最大特征根λmax及一致性指標C.I.的計算一般需在求得重要度向量W0后進行。

式中，(AW)i表示向量AW的第i個分量。

進行一致性檢驗，查找相應的平均隨機一致性指標(Random Index，R.I.)，計算一致性比例(Consistency Ratio，C.R.)。

當C.R.小于1時，判斷矩陣才具有滿意的一致性，否則就需要對判斷矩陣進行調整。

(4) 計算各層要素對系統目的(總目標)的合成(總)權重，并對各備選方案排序。

3.3 數據來源

研究數據主要來源于2013～2017年《中國城市統計年鑒》的相關數據(見表2)。

表2 陜西省生態系統健康評價數據Tab.2 Shaanxi Province Ecosystem Health Assessment Data

4 城市生態系統的綜合評價

4.1 建立評價系統的遞階層次結構

根據已經確立的城市生態系統評價指標構建相對應的城市生態系統健康的遞階層次結構，如下圖所示：

圖 城市生態系統健康層次結構圖Fig. Urban ecosystem health hierarchy chart

4.2 計算相對重要度

進行層次分析的關鍵在于構建判斷矩陣，而在構建判斷矩陣之前，首先必須明確兩兩比較標度，美國運籌學家、匹茲堡大學教授T.L薩迪(T.L Saaty)選擇1～9之間的整數及其倒數作為標度，具體含義如表3所示。

根據城市生態系統健康的評價指標體系，首先評價最高層要素，即分析在活力、組織力、恢復力、生態系統服務功能和人群健康狀況等5個評價要素中，哪一個評價要素比較重要，設各評價要素的判斷矩陣如表4所示。

表3 判斷矩陣標度定義[41]Tab.3 Judgment matrix scale definition

表4 最高層判斷矩陣及相對重要度計算Tab.4 Top level judgment matrix and relative importance calculation

通過最高層次的分析，可得到各評價要素的權重系數，其計算方法可用方根法求出判斷矩陣的相應的特征向量，再對其進行歸一化處理得到歸一化相對重要度向量并進行一致性檢驗。計算結果表明被選城市綜合評價中，其評價要素的重要性的排序為：B1>B2>B3>B5>B4。進一步評價各個細分指標在不同的評價要素下的相對重要度，按 5個要素分別構建判斷矩陣，并計算出每個評價要素下各評價指標的相對重要度，處理過程如表5所示。

表5 五個要素各細分指標的判斷矩陣及相對重要度計算Tab.5 Judgment matrix and relative importance calculation of each sub-index of five elements

續表1

B3C10C11C12WiW0iC101311.4420.443C111/311/20.5500.169C121211.2600.388λmax = 3.019;C.R.= 0.018 < 0.1B4C13C14C15WiW0iC13121/210.311C141/211/20.6300.196C152211.5870.493λmax = 3.054;C.R.= 0.052 < 0.1B5C16C17C18WiW0iC161221.5870.501C171/2110.7940.251C181/2110.7940.251λmax = 3.001;C.R.= 0.001 < 0.1

C.R.代表一致性比例，λmax代表最大特征根。

4.3 計算總重要度

通過總重要度的計算，確定各評價指標對最高層總目標的合成(總)權值，并據此對各評價指標作出最終排序。影響城市生態系統健康的18項評價指標對城市生態系統健康影響程度排序如表6所示。

表6 評價指標對城市生態系統健康影響總排序Tab.6 Total ranking of impacts of evaluation indicators on urban ecosystem health

其中，Bi分別代表五個評價要素，Ci分別代表十八項具體指標。

由總重要度的計算可知,具體指標相對重要性順序為C1，C10，C16，C7，C2，C12，C15，C3，C5，C6，C17，C18，C13，C11，C4，C9，C14，C8。通過對具體指標相對重要性的分析，可以看出在城市生態系統健康的影響因素中，經濟水平對其影響最大，達到了15.3%；其次是廢水處理能力和健康服務，分別達到了8.4%和8.3%；社會結構、垃圾處理能力、居民生活便利程度、能源消耗等4項影響指標的所占比重不相上下，自然結構、文化水平、城市設施水平對其影響不大，均低于5%；相對來講，對城市生態系統健康影響最小的是經濟結構。

4.4 計算各年份的綜合評價值

計算和比較陜西省2013～2017年的綜合評價值。由于這18項指標的單位不同，且其中既有極大型指標又有極小型指標，所以在進行綜合評價之前，首先需要對原始數據進行標準化和無量綱化處理，這里采用Excel對數據進行標準化處理。極值處理法：

其中，Mj=max{xij}，mj=min(xij)對于指標為極小型的情況，上式變為：

經過轉換后的標準數據如表7所示。

表7 綜合評價值的計算Tab.7 Calculation of comprehensive evaluation values

各個年份的綜合評價值是其18項指標標準數據的權數和，從綜合評價值比較陜西省近年來城市生態系統健康程度來看，我們可以得到以下結論：①2013～2017年期間的綜合評價值呈顯著上升趨勢，其中2013年至2015年增長速度較快，2015年至2016年增長速度較為平緩，2016年至2017年又呈現快速增長，即總體而言每年的生態健康程度在不斷提高。②2017年的各評價指標中，人均地區生產總值、每萬人擁有城市衛生技術人員數、城鎮居民消費水平、供水綜合生產能力、電力消費量、城市綠地面積等指標相對于其他年份來說具有明顯的優勢，其中前兩項指標分別代表了經濟水平、健康服務，均是對城市生態系統健康產生較大影響的因素。③影響城市2017的限制指標相對于其他年份來說，主要是建成區綠化覆蓋率和生活垃圾清運量，兩項指標分別包含于城市生態系統健康的自然結構和垃圾處理能力之中，只要努力改善這兩項功能，對提高城市生態系統健康水平有很大幫助。

5 結 論

本文借鑒已有研究成果，根據活力、組織結構、恢復力、生態系統服務功能和人類健康狀況5個要素構建陜西省城市生態系統健康評價體系，從時間上分析陜西省城市生態系統健康狀況。研究結果表明，隨著時間推移，陜西省城市生態系統健康水平總體呈現顯著上升，但其中自然結構和垃圾處理能力等影響因素存在下降趨勢，成為目前制約該省城市生態健康的主要因素。針對研究結果，未來陜西省城市生態系統有較大的發展潛力和提升空間，生態系統的健康發展重點在于提高組織結構與恢復力，要想保持良好的健康發展水平，應進一步改善組織結構并加強恢復力功能建設。

·清潔生產·

DOI：10.14034/j.cnki.schj.2019.03.025