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基于信息熵的漳州市生態(tài)水平評價

2012-12-23 06:31:04漳州市環(huán)境科學研究所梁素紅
海峽科學 2012年6期
關鍵詞:漳州市信息熵漳州

漳州市環(huán)境科學研究所 梁素紅

0 引言

自20世紀70 年代聯(lián)合國教科文組織發(fā)起的“人與生物圈(MAB)”計劃中首先提出生態(tài)城市以來[1],世界上不少國家開展了建設生態(tài)城市的實踐,并取得了一定成效。生態(tài)城市的理論也一直在不斷發(fā)展之中。關于生態(tài)市的定義,本文引用國家環(huán)保總局《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設指標(試行)》(環(huán)發(fā)[2003] 91 號)中的界定,即生態(tài)市是指社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展,各領域基本符合可持續(xù)發(fā)展要求的地市級行政區(qū)域.其主要標志是:生態(tài)環(huán)境良好并不斷趨向更高水平的平衡,環(huán)境污染基本消除,自然資源得到有效保護和合理利用;穩(wěn)定可靠的生態(tài)安全保障體系基本形成;環(huán)境保護法律、法規(guī)、制度得到有效貫徹執(zhí)行;以循環(huán)經(jīng)濟為特色的社會經(jīng)濟加速發(fā)展;人與自然和諧相處,生態(tài)文化有長足發(fā)展;城市、鄉(xiāng)村環(huán)境整潔優(yōu)美,人民生活水平全面提高。

國家環(huán)境保護總局于1995 年在全國開展生態(tài)示范區(qū)建設試點工作。福建省在2001 年提出了生態(tài)省建設的戰(zhàn)略構(gòu)想。2002 年8 月,福建被批準為全國生態(tài)省建設試點省份。2004 年11 月,福建省委、省政府批準《福建省生態(tài)省建設總體規(guī)劃綱要》。漳州早在2006 年就開始了生態(tài)市創(chuàng)建工作,根據(jù)福建生態(tài)省建設“十二五”規(guī)劃,漳州要在2015 年達到生態(tài)市建設標準,建成資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。目前,漳州市正在開展新一輪的生態(tài)市建設規(guī)劃修編工作,為適應創(chuàng)建生態(tài)市的要求,迫切需要建立與之相適應的生態(tài)市建設評價指標體系及方法,來引導漳州生態(tài)市建設規(guī)劃措施與實踐途徑的優(yōu)化和協(xié)調(diào)。

在有關生態(tài)市建設水平的研究中,學者在生態(tài)市建設的考核、評價指標和評價方法都進行了一些探索和研究[2~6]。本文引入信息熵,對漳州生態(tài)水平進行分析評價,從而辨識漳州市生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展狀態(tài)和健康水平,為漳州生態(tài)市建設提供科學依據(jù)。

1 評價指標體系

生態(tài)市評價指標體系要體現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)、過程和實力,反映城市經(jīng)濟社會、環(huán)境生態(tài)方面的建設情況。建立指標體系時遵守以下基本原則:完備性、客觀性、獨立性、可測性、數(shù)據(jù)可獲得性、動態(tài)性和相對穩(wěn)定性。

本文在《生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設指標(修訂稿)》(環(huán)發(fā)〔2007〕195 號)中生態(tài)市建設指標的3 大類、19 項指標的基礎上,按照漳州市的實際情況及數(shù)據(jù)的可獲得性,制定了漳州市生態(tài)市水平評價指標體系(帶*者為國家生態(tài)市建設指標),包括經(jīng)濟社會發(fā)展和環(huán)境生態(tài)2 類24 個指標,具體的指標體系及權(quán)重見表1,其中權(quán)重值由指標信息熵確定,數(shù)據(jù)來源于《漳州統(tǒng)計年鑒2003~2010》,計算公式見公式(3)。

表1 歸一化值后的漳州生態(tài)系統(tǒng)指標體系及其權(quán)重

2 城市生態(tài)水平評價模型

通過引入信息熵,采用基于信息熵的分析方法,獲得城市生態(tài)水平評價的年份信息熵和指標信息熵。采用年份信息熵計算城市系統(tǒng)的經(jīng)濟社會子系統(tǒng)和環(huán)境生態(tài)子系統(tǒng)各自的熵,從而可以分析漳州城市生態(tài)系統(tǒng)的有序以及復雜性;采用指標信息熵確定各個指標的權(quán)重,再結(jié)合各個指標的歸一化值,得到綜合評估得分值,作為評估城市可持續(xù)發(fā)展水平的指數(shù)值,確定系統(tǒng)的發(fā)展度和協(xié)調(diào)度,進而評估系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和健康程度。

2.1 信息熵在城市生態(tài)系統(tǒng)中的引入

城市生態(tài)系統(tǒng)是一個經(jīng)濟—社會—自然復合系統(tǒng),在外部擾動和內(nèi)部漲落的影響下發(fā)生演替和變化,完全符合耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的預定假設[6],并遵循耗散結(jié)構(gòu)的規(guī)律,通過研究信息熵(包括熵流和熵產(chǎn)生)能評判其有序發(fā)展情況。

申農(nóng)定義的熵為廣義熵或泛熵,可用來描述任何一種體系或物質(zhì)運動的混亂度和無序度。信息熵的引入,可以定量判斷城市生態(tài)系統(tǒng)的演化方向[6]。

根據(jù) Shannon 的信息熵計算方法,對于一個不確定性系統(tǒng),若用隨機變量X 表示其狀態(tài)特征,設x 的取值為X{x1,x2,…,xn}(n≥2),每一取值對應的概率為 P={ p1,p2,…,pn}( 0 ≤pi≤1,i=1,2,…,n ),且有∑pi=1,則該系統(tǒng)的信息熵為:

2.2 指標的無量綱化

各指標因子的數(shù)值是城市生態(tài)水平評價的基礎,這些指標有正有逆,數(shù)值有大有小,不便于比較,需要進行無量綱化處理,本文采用直線型處理方法,其計算公式為:

式中:xij——指標i 的原始值,j 為年份;Xij——指標i的歸一化值;max (xij)、min (xij)——指標i 的年份最大、最小值。

2.3 信息熵變計算

城市生態(tài)系統(tǒng)年份信息熵變的計算是針對一個年份的序列來進行的。對于n 個指標m 年進行評價,Xij(i 為指標,j為年份) 為原始數(shù)據(jù)的歸一化值,其年份信息熵為[7]:

2.4 模型指數(shù)計算

綜合發(fā)展度T 利用線性加權(quán)的方式計算;協(xié)調(diào)發(fā)展度D利用數(shù)學原理和離差分析原理計算[8]。

具體的計算步驟如下:

①權(quán)重計算

用信息熵來確定指標權(quán)重,根據(jù)客觀原始數(shù)據(jù)信息的聯(lián)系強度或各指標所提供的信息量來決定指標權(quán)重值,可以避免因經(jīng)驗賦值的差異,而使分析結(jié)果不穩(wěn)定。

若指標值差距大,則該指標在綜合評價中所起作用也就越大,反之就越小;若某項指標的指標值全部相等,則該指標在綜合評價中不起作用。某項指標的指標值離散程度越大,則Sj就越小,該指標所提供的信息量也就越大,故其權(quán)重也應越大;反之,指標間離散程度越小,信息熵就越大,其容納的信息量也相應越小,權(quán)重理應越小[7]。

②綜合發(fā)展度

發(fā)展度用T 表示,其數(shù)學模型為:

綜合發(fā)展度是環(huán)境生態(tài)與經(jīng)濟社會效益的綜合評價指數(shù),它反映環(huán)境與經(jīng)濟的整體效益或水平。

③協(xié)調(diào)發(fā)展度分析

用D 表示,其值在0~1,數(shù)學模型為:

協(xié)調(diào)發(fā)展度是度量系統(tǒng)要素之間協(xié)調(diào)狀況好壞程度的定量指標,可以評價環(huán)境生態(tài)與經(jīng)濟社會子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)發(fā)展水平的高低。

3 結(jié)果分析

3.1 信息熵分析

根據(jù)漳州市2002 年~2009 年的統(tǒng)計資料,利用公式(2) 和(3),計算漳州城市生態(tài)系統(tǒng)的各熵值于表2??梢钥闯?,2002 年~2009 年經(jīng)濟社會子系統(tǒng)熵、環(huán)境生態(tài)子系統(tǒng)熵總體上均呈現(xiàn)下降趨勢,但形式有所不同。經(jīng)濟社會子系統(tǒng)熵在2002~2008 年處于下降趨勢,只在2009 年比上年度略有上升,說明漳州市的經(jīng)濟保持著平穩(wěn)的增長;而生態(tài)功能熵的變化雖然總體趨勢良好,但較不穩(wěn)定,主要體現(xiàn)在2003 年、2008 年分別出現(xiàn)比上年度略為上升的現(xiàn)象,分析具體指標體系可知,2003 年主要因城市生活污水集中處理率低、城鎮(zhèn)人均公共綠地面積少及COD 排放強度大等原因所致,2008 年主要為環(huán)保投資占GDP 的比重較小、SO2排放強度較大所致。

表2 漳州生態(tài)系統(tǒng)熵值及生態(tài)水平計算結(jié)果

總體來說,漳州城市生態(tài)系統(tǒng)總熵變是向著健康、有序的方向發(fā)展。2003 年、2008 年因環(huán)境生態(tài)子系統(tǒng)熵的變化而引起熵值的略微上升,說明在城市系統(tǒng)發(fā)展過程中,環(huán)境生態(tài)功能因子起到至關重要的作用,它是系統(tǒng)活力、有序的保證。因此應通過對生態(tài)環(huán)境的控制,增強其對經(jīng)濟的輻射作用,提高經(jīng)濟發(fā)展的生態(tài)效率;同時要提升對自然資源使用的效率,維護系統(tǒng)的生態(tài)安全。

3.2 綜合發(fā)展水平分析

根據(jù)式(5) ~ (6) 計算綜合發(fā)展度、協(xié)調(diào)發(fā)展度,并根據(jù)文獻[9]中對協(xié)調(diào)發(fā)展等級的度量標準,對本文協(xié)調(diào)發(fā)展度計算結(jié)果進行劃分,得到漳州市2002 年~2009 年經(jīng)濟社會與環(huán)境生態(tài)兩個子系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展狀況的評價結(jié)果,如表2 所示。

2002 年~2009 年,漳州市的生態(tài)綜合發(fā)展水平一直處于上升狀態(tài),由2002 年的0.460 上升到2009 年的0.929;除了環(huán)境生態(tài)子系統(tǒng)的發(fā)展水平略有波動外,各子系統(tǒng)的發(fā)展水平也一直處于上升趨勢。

2002 年~2009 年,漳州市的社會經(jīng)濟系統(tǒng)與環(huán)境生態(tài)子系統(tǒng)之間都處于較協(xié)調(diào)的狀態(tài)。協(xié)調(diào)發(fā)展度由2002 年的0.658 上升到2009 年的0.959;協(xié)調(diào)類型由2002 年的初級轉(zhuǎn)化成2009 年的優(yōu)質(zhì)(其中在2004 年由初級轉(zhuǎn)化為中級,在2005 年由中級轉(zhuǎn)化成良好,在2008 年轉(zhuǎn)化成為優(yōu)質(zhì))。

4 結(jié)論

4.1 漳州市城市生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟社會子系統(tǒng)熵、環(huán)境生態(tài)子系統(tǒng)熵和城市生態(tài)系統(tǒng)總熵均呈現(xiàn)出下降趨勢,系統(tǒng)的有序度不斷增強,漳州城市生態(tài)的健康水平不斷提高。

4.2 漳州市環(huán)境生態(tài)與經(jīng)濟社會效益不斷提高,協(xié)調(diào)能力不斷增強,從2002 年開始,始終保持協(xié)調(diào)發(fā)展水平,并在2008年達到了優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展狀態(tài),可見漳州除了有良好的生態(tài)本底之外,在取得經(jīng)濟社會效益的同時,也更進一步加強對生態(tài)環(huán)境的保護,同時良好的生態(tài)環(huán)境反過來對經(jīng)濟起到很好的支撐作用。

4.3 耗散結(jié)構(gòu)和信息熵理論用于生態(tài)水平評價是可行的,得到結(jié)果能夠反映漳州市整體生態(tài)水平的發(fā)展狀況,與實際情況較為一致,對漳州生態(tài)市建設有一定的指導作用。

4.4 生態(tài)市指標體系是生態(tài)城市內(nèi)涵的定量化表征,在國家生態(tài)市建設指標體系的框架下,如何根據(jù)漳州市的實際情況進一步深化制定漳州生態(tài)市的指標體系,有待進一步研究。

5 建議

5.1 切實加大生態(tài)環(huán)境保護與建設的投入力度,將生態(tài)建設資金列入本級預算。

5.2 強化工業(yè)污染防治,積極采取結(jié)構(gòu)減排、工程減排、管理減排等措施,有效控制污染物排放總量。

5.3 深化城市環(huán)境綜合治理,擴建、增建城鎮(zhèn)污水處理廠,進一步完善配套污水管網(wǎng)及提升泵站,提高生活污水集中處理率。

5.4 扎實推進農(nóng)村環(huán)境連片綜合整治,切實抓好“以獎促治”、“以獎代補”政策全面落實,改善農(nóng)村人居環(huán)境,提升農(nóng)村生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

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