基于RS/GIS與GM(1,1)模型的長沙市城市生態安全評估與預測

艾媛巧，朱紅梅，譚雪蘭

(湖南農業大學 資源環境學院，湖南 長沙 410000)

0 引言

當前我國城市擴張與社會經濟發展同生態環境保護之間的矛盾是不可回避的現實問題。城市的發展、擴張與生態環境之間的相互關系十分復雜，城市發展取得重大成就時，難免對生態環境產生脅迫效應，而嚴峻的生態安全形勢又會反過來制約城市的發展[1]。在城市發展與生態環境保護之間如何找到一個平衡點，走和諧可持續的發展道路已成為政府高度重視的政治命題，也成為了學者們研究的熱點課題。現有國內外研究主要有以下幾個特點：(1)研究內容大部分集中在2個方面：一是探索城市化與生態環境之間存在的耦合關系[1-2]，二是揭示城市擴張對某種生態現象或資源的影響[3-5]。(2)研究方法多樣且涉及多個領域，包括灰色關聯度分析、主成分分析、BP神經網絡、生態足跡等方法[2,6-8]，另外，“3S”技術也逐步被引入到生態安全研究中來[9]。(3)研究區域主要集中在大城市、特大城市及城市群，流域、海岸帶、干旱地區及生態脆弱地區[1-2,10-15]，鮮有涉及區縣級的研究。(4)針對城市生態安全預測的研究不多，學者們更關注土地尤其是耕地生態安全的預測[16-19]。

鑒于此，本文將關注點放在中部地區的二線城市，以長沙市為研究區域，收集整理相關數據，定量評價長沙市城市生態安全，分析2009～2015年長沙市城市擴展的主要方向，并針對擴展方向上具有代表性的城市區域芙蓉區做進一步的生態安全評價，探索較小尺度的城市擴展與生態安全之間的聯系，最后對長沙市未來5年的生態安全等級進行預測，以期為實現城市擴張與生態環境保護之間的持續協調發展提供科學支撐。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區概況

長沙市地處湖南省東部偏北，湘江下游和長瀏盆地西緣。2016年底長沙市市區面積2150.90 km2，其中建成區面積從解放初期僅6.7 km2增大到374.64 km2，市區常住人口764.52萬，城鎮化率為75.99%，地區生產總值9356.91億元。長沙市是長江以南重要的中心城市之一，國家“兩型社會”建設綜合配套改革試驗區，全國性綜合交通樞紐。近10年來，長沙市地區生產總值實現連年增長，各方面發展均領先于湖南省其他各縣市，與之相伴隨的是資源的消耗和工業污染的蔓延。2007～2016年間，長沙市市區全年用電量由63.73億千瓦時增加至175.99億千瓦時，增加了約2.8倍；工業廢氣排放量一度從293.35億標m3增加到1021.98億標m3；固體廢棄物產生量從107.3萬t增加到141.3萬t，峰值曾達到183.6萬t。因此，對長沙市近年來的生態安全狀況變化情況進行評估與預測具有必要性和現實意義。

1.2 數據來源

以長沙市為研究區域，在城市空間數據方面，搜集了長沙市2009年9月及2015年9月的2期TM影像數據，并以長沙市1∶5萬的地形圖為基準，運用MapGIS 6.7軟件進行遙感圖像預處理[20]。

生態安全評價研究的各指標原始數據主要來源于2008～2017年《長沙統計年鑒》、2007～2016年《長沙市國民經濟和社會發展統計公報》以及2009～2015年《芙蓉區國民經濟和社會發展統計公報》。

2 研究方法

2.1 等扇分析法

在ArcGIS 9.3軟件中，本研究以長沙市火車站為中心(坐標為：x=28°11′50″，y=113°00′34″)，以適當長度為半徑，從北偏東11.25°為起點，將主城區劃分為16個扇形區域，研究不同時段各個扇區的擴展強度和方向，并以雷達圖進行表現[20]。

2.2 構建指標體系

P-S-R(壓力-狀態-響應)模型，是環境質量評價與生態安全評價中常用的一種模型。遵循科學性、動態性、數據可獲得性等原則，參考已有相關研究成果[2,21-22]，并結合長沙市實際情況，著重考慮城市擴張、社會經濟發展與生態環境保護3個方面的因素，選取20個指標構建了長沙市生態安全評價指標體系(表1)，選取11個指標構建了長沙市芙蓉區生態安全評價指標體系(表2)。

2.3 指標標準化

對指標數據進行標準化處理，可解決各指標量綱不統一導致的指標之間及指標內部的不可比性的問題。本研究采用極值法計算：

正向指標：

(1)

逆向指標：

(2)

式中：xij表示第i年第j項指標的變量值；minj(xij)和maxj(xij)分別表示第j項指標數列的最小值和最大值；Yij表示第i年第j項指標的變量值的標準化值。

2.4 生態安全值的計算

權重表征的是各指標的相對重要程度。本研究采用熵值法進行指標權重賦值，熵值法作為一種客觀賦權法，可盡量避免主觀因素對賦權結果帶來的偏差[16]。

主要計算過程如下：

計算第i年第j項指標值的比重：

(3)

計算第j項指標的信息熵ej：

(4)

式中：k=1/lnm，m為總評價年數；如果Zij為0則用0.00001代替計算。

計算第j項指標的權重wj：

(5)

式中：dj=1-ej表示信息熵冗余度；n為總指標數。

在確定指標權重的基礎上，計算第i年的生態安全值Si：

(6)

生態安全等級一般可劃分為5個等級[21,23](表3)。

表1 長沙市生態安全“壓力-狀態-響應”評價指標體系

表2 芙蓉區生態安全“壓力-狀態-響應”評價指標體系

表3 生態安全等級劃分

2.5 GM(1,1)模型

引入灰色預測模型對長沙市2017～2021年的城市生態安全值進行預測。灰色預測模型的核心是GM(1,1)模型，用于對既含已知信息又含未知信息的系統進行預測。無偏GM(1,1)模型是傳統GM(1,1)模型的演化成果，較之傳統GM(1,1)模型僅適用于原始數據序列按指數規律變化的情況，無偏GM(1,1)模型的適用范圍更廣。本文基于無偏GM(1,1)模型，在Matlab軟件的支持下，通過編程計算預測值，并通過后驗差對模型進行精度檢驗，其精度檢驗等級見表4[8,16-19]。

3 結果與分析

3.1 長沙市生態安全評估

根據公式(1)～公式(6)對長沙市2007～2016年生態安全評價指標數據進行處理，并依據生態安全等級劃分表(表3)對結果進行劃分，結果見表5。

表4 GM(1,1)模型精度檢驗標準

表5 長沙市生態安全等級劃分(2007～2016年)

表5顯示，2007～2016年長沙市生態安全長期處于一般安全狀態，部分年份出現回落現象，總體呈波動上升趨勢。

長沙市生態安全狀況的變化大致可以從3個階段分析。第一階段，一般安全狀態初期階段(2007～2010年)。長沙市生態安全初步進入一般安全狀態，生態安全值在0.4這一節點起伏，尚不穩定，期間，2008年一度降至0.275，生態安全狀態回落至較不安全階段，隨后2年逐步回升。造成這一回落狀態的原因主要包括：一是2007年底長沙市獲批成為國家“兩型社會”綜合配套改革試驗區，截至2008年底，各項社會事業皆處于起步階段，對于社會經濟和生態環境如何實現均衡發展尚在摸索。二是2008年長沙市行政區劃調整，長沙市政府加快城市建設，新增建成區面積61.55 km2，長沙市建成區面積由2007年底的181.23 km2增加至242.78 km2。建成區面積增加速度過快，超出該時段生態環境承載能力，又與該時段城市生態建設工作進度不相適應，是導致2008年長沙市生態安全狀態大幅度回落的最主要原因。

第二階段，一般安全狀態穩定階段(2011～2013年)。這一階段長沙市生態安全狀況明顯改善，生態安全值在0.56以上，呈平穩上升趨勢，這得益于長沙市政府在生態建設與推進“兩型社會”的建設和改革方面采取的一系列積極措施。一是加強綠心保護，推進沿江風光帶及濕地公園建設，完善、落實森林生態補償機制。長沙市人均城市園林綠地面積實現連年增長，截至2013年底已達13.31 m2/人，森林覆蓋率達53.48%。二是實施環境經濟政策。推行階梯水價、電價、氣價，排污權交易政策逐漸落到實處，實現能源消費總量、單位GDP能耗連年下降[24]。城區開征生活垃圾處理費，專款用于城市生活垃圾無害化、資源化處理。2011年長沙市生活垃圾無害處理量較2010年有一個較大的增長，隨后2年長沙市生活垃圾無害處理量均保持在160萬t以上。

第三階段，較安全狀態初期階段(2014～2016年)。經過上一階段生態環境保護建設工作的大量累積，長沙市于2014年進入生態較安全狀態初期階段，2015年生態安全值小幅度下降至0.597，生態安全狀態回落至一般安全狀態后期階段，隨后一年生態安全值回升至0.676。這一階段長沙市生態環境狀況整體呈現好轉趨勢，期間出現生態安全值的小幅度回落，在長沙市城市生態安全剛進入較安全狀態初期階段時，尚在情理之中，但究其根源仍是建成區面積的增加速度超出城市生態環境保護與建設工作的承受能力。2016年長沙市生態安全狀態的回升與當地政府著力于生態環境建設工作密不可分。“三年造綠大行動”成果初顯，新增綠化面積3.45萬hm2，2016年長沙市建成區綠化覆蓋率近40%[25]，人均城市園林綠地面積達14.62 m2/人。湘江、瀏陽河流域治理卓有成效，實現湘江城區段百余個排污口全截污，出境斷面水質100%達標[25]。工業粉塵排放量逐年下降，在2016年達到過去10年內最低值僅0.69萬t，生活垃圾無害化處理量達10年內最高值為215萬t。

綜合來看，2007～2016年長沙市生態安全由一般安全狀態向較安全狀態轉變，長沙市建成區擴張、社會經濟發展能逐漸與生態環境的承載能力相適應，走協調發展的道路。個別年份出現的生態安全值回落的情況顯示，當城市建成區面積擴張的速度過快，超出城市生態保護與建設能力時，將不可避免地對城市生態安全產生脅迫效應，并出現一系列負面效果。

3.2 長沙市城市空間擴展方向

為進一步研究長沙市城市用地擴張對城市生態安全的影響，首先對研究區域的城市空間擴展方向進行分析。由圖1可知，2009～2015年長沙市城市空間主要向東南、西和東3個方向擴展，呈現多樣化的態勢。3個方向分別大致對應長沙市的雨花區、岳麓區及芙蓉區，從研究區域實際情況及指標數據可獲取性等多方面考慮，選取芙蓉區為例，對其生態安全狀況進行評價，探索城市空間擴展與城市生態安全之間的聯系。

圖1 長沙市城市空間各方位擴張強度雷達圖(2009～2015年)

3.3 芙蓉區生態安全評價

芙蓉區是長沙市的東部窗口，轄13個街道、1個正縣級單位——長沙高新技術產業開發區隆平高科技園，人流、物流、資金流、信息流高度密集，主要經濟指標長期領跑全省、領先中部。2015年底，全區總面積42.68 km2，地區生產總值1033.25億元，戶籍總人口為403073人。

依據公式(1)～公式(6)對芙蓉區2009～2015年生態安全評價指標原始數據進行處理，并依據生態安全等級劃分表(表3)對結果進行劃分，結果見表6。

由表6可知，2009～2015年芙蓉區由生態較不安全狀態向生態較安全狀態轉變，且較長時間處于一般安全狀態，部分年際間生態安全值有小幅度波動，整體呈曲折上升趨勢。對比來看，芙蓉區的生態安全變化趨勢大體上與長沙市整體的生態安全變化趨勢相似，但每一階段轉變的具體時間稍滯后于長沙市整體的進度，其變化大致也可以分為3個階段。第一階段為2009～2010年，處于較不安全狀態，且生態安全值呈下降趨勢，在2010年達到研究時段內的最低值0.365。第二階段為2011～2014年，生態安全等級提升至一般安全狀態，生態安全值經過上一階段的下降后進入一個快速上升的時期，并在2012年達到一個高峰值0.590，隨后一年有小幅下降，2014年回升至0.561。第三階段為2015年，生態安全等級進入較安全狀態，生態安全值較上一階段有較大增長，達到0.645。總體來看，2009～2015年芙蓉區的城市生態安全狀況在逐步改善，雖然過程中存在生態安全值下降的情況，但并不影響其整體上升的趨勢。對芙蓉區2009～2015年的城市生態安全評價的結果顯示，長沙市城市空間朝東方向的擴展，并未對該區域城市生態安全造成很大的威脅，該區域城市空間擴張與生態安全保護達到了一定的均衡狀態，兩者能實現協同發展。

表6 芙蓉區生態安全等級劃分(2009～2015年)

3.4 長沙市生態安全預測

在Matlab軟件中運行無偏GM(1,1)模型，預測長沙市2007～2021年城市生態安全狀況，得到預測公式為:X(1)(t+1)=4.8944e0.075229t-4.4814，預測模型的方差比C=0.4248，小誤差概率P=0.8000，都處在GM(1,1)模型精度檢驗“合格”標準內，表明該模型可以比較準確地預測出長沙市未來的城市生態安全狀況(表7、圖2)。

由圖2可知，2007～2016年長沙市生態安全評價值曲線與預測值曲線基本吻合，結合表7可知，2017～2021年長沙市生態安全等級呈平穩上升趨勢，生態安全值由0.753增長至1.017，預測在2018年長沙市進入生態安全狀態，此后幾年逐漸穩定在這一狀態。說明盡管未來幾年長沙市城市空間的擴展與社會經濟的發展以及人類活動會給生態環境造成一定程度的威脅，但政府也將在生態安全保護方面加大力度，人們的環保理念也將不斷深化，最終城市擴展、社會經濟發展與生態安全之間能形成勢力均衡狀態，實現和諧共存，不僅城市能夠繼續發展，生態安全也將得到保障。

表7 長沙市生態安全值預測(2017～2021年)

圖2 長沙市生態安全狀況及預測

4 結論

(1)對長沙市2007～2016年生態安全評價的結果顯示，該時間段該區域生態安全有較長一段時期保持在一般安全狀態，整體呈波動上升趨勢，2016年已穩定在較安全狀態。其變化的3個階段大致可以概括為一般安全狀態初期階段、一般安全狀態穩定階段及較安全狀態初期階段。

(2)2009～2015年長沙市城市空間擴展呈現多樣化的格局，主要集中在東南、西和東3個方向。

(3)針對位于長沙市內東方向的芙蓉區的生態安全評價結果顯示，其生態安全狀態變化方向同長沙市整體的變化相似，總體呈現曲折上升趨勢，但其具體變化階段稍滯后于長沙市整體的進度。

(4)長沙市未來5年的生態安全值將由0.753增長至1.017，期間保持平穩增長，并于2018年進入生態安全狀態。

(5)長沙市生態安全等級的總體上升趨勢表明，長沙市城市的擴張和社會經濟的發展逐漸與生態環境保護的力度相同步，走可持續發展的道路。而其生態安全狀態轉變過程中表現出的曲折性與波動性則顯示，當城市擴張的速度超出城市生態環境的承載能力時，則有可能出現生態安全值的下降或生態安全狀態的回落。總的來說，當城市的管理者與建設者尋找到城市發展與生態環境保護之間的平衡點時，便能實現城市更好的發展，也能實現生態更好的保護。