馮寶平,吳 東,梁 行

(河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

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基于GA-PPE模型的南京濱江風光帶生態(tài)建設綜合評價

馮寶平,吳 東,梁 行

(河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

為科學評價南京濱江風光帶生態(tài)建設效果,選取了生態(tài)功能完善、生態(tài)環(huán)境保護和生態(tài)能源節(jié)約3個方面10項評價指標,采用投影尋蹤等級評價模型(PPE),利用遺傳算法(GA)優(yōu)化最佳投影方向,根據(jù)最佳投影函數(shù)值進行其等級評價。評價結(jié)果表明：南京濱江風光帶一期建設過程中,河西片建設效果屬于Ⅰ級,生態(tài)建設效果較好;下關區(qū)、江浦區(qū)和浦口新區(qū)為Ⅱ級,需要在濕地率、廢污水排放達標率、綠化覆蓋率、水質(zhì)達標率、可再生能源利用率等方面進一步配套完善。

生態(tài)建設;指標體系;投影尋蹤;濱江風光帶;南京市

城市濱水區(qū)是城市水域與陸地共同構(gòu)成的一種獨特的城市環(huán)境。由于特殊的地理位置和良好的自然資源,城市濱水區(qū)通過合理地開發(fā)建設,不僅是宣傳城市形象的重要窗口,而且可以承擔一定的生態(tài)平衡、景觀環(huán)境和休閑娛樂功能。近年來,城市濱水區(qū)開發(fā)建設成為濱水城市建設的重點項目。南京基于“擁江發(fā)展、跨江發(fā)展”的發(fā)展戰(zhàn)略和打造世界級濱水旅游區(qū)的總體目標,積極建設58 km濱江風光帶,于2014年8月南京青奧會前完成基本建設,目前正在進行相關續(xù)建和配套工作。國內(nèi)外眾多學者從濱水區(qū)的規(guī)劃、設計、功能等方面進行了大量研究,并越來越多地考慮濱水區(qū)生態(tài)環(huán)境問題[1-3]。Da等[4]采用比例二元語義法,從生態(tài)、社會以及文脈三方面對城市濱水區(qū)功能進行了評價。Karen等[5]將生態(tài)學與碼頭、海堤設計相結(jié)合來減輕濱水建設對環(huán)境的破壞,恢復城市濱水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能。王江萍[6]從生態(tài)學角度探討了濱水區(qū)景觀規(guī)劃的設計原則,以及建設過程中應注意的具體問題。朱佩娟等[7]從復合生態(tài)系統(tǒng)角度出發(fā),提出了濱水區(qū)景觀資源優(yōu)化思路,探討了濱水區(qū)景觀規(guī)劃設計的途徑。相關研究為城市濱水區(qū)建設提供了很好的指導。目前對城市濱水區(qū)建設生態(tài)環(huán)境影響的評價研究較少,如何遵循生態(tài)設計理念,科學評價城市濱水空間建設狀況成為城市濱水區(qū)建設需要研究的課題之一。

本文采用基于遺傳算法(genetic algorithm,GA)的投影尋蹤等級評價(projection pursuit grade evaluation,PPE)模型(GA-PPE模型),通過遺傳算法優(yōu)化PPE模型的投影方向,將多個評價指標綜合成一個綜合指標,對南京濱江風光帶一期生態(tài)建設效果進行綜合評價,避免了人為賦權(quán)的干擾和評價指標較多、指標權(quán)重難以確定等問題,評價準確易行,可以科學評價濱江風光帶生態(tài)建設效果,為后期續(xù)建、配套提供決策依據(jù)。

1 生態(tài)建設綜合評價指標體系

依據(jù)全面性、代表性、可操作性和層次性等原則,將濱江帶生態(tài)建設效果分為生態(tài)功能完善、生態(tài)環(huán)境保護和生態(tài)能源節(jié)約3個準則,分別反映了濱江帶建設的生態(tài)服務功能、對周圍生態(tài)環(huán)境的保護和改善情況以及對資源的節(jié)約利用情況。采用頻度統(tǒng)計法,對相關指標進行統(tǒng)計分析和初步篩選,初步確定評價指標，并采用專家咨詢的方法,對評價指標作出決策,建立如表1所示的南京濱江風光帶生態(tài)建設評價指標體系,各項指標從優(yōu)到劣依次分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個等級。

表1 濱江風光帶生態(tài)建設綜合評價指標及等級劃分

生態(tài)功能完善準則選取綠化覆蓋率C1、濕地率C2和植物配置合理度C33項指標。綠化覆蓋率指草坪、喬灌木等綠化植物的垂直投影面積占區(qū)域面積的比值[8-9]。根據(jù)《南京市城市總體規(guī)劃(2011—2020)》,南京市建成區(qū)綠化覆蓋率現(xiàn)狀為44.38%,2020年達到50%;CJJ 48—92《公園設計規(guī)范》規(guī)定,綜合性公園綠化用地面積應不小于陸地面積的70%。濕地率指濕地面積占區(qū)域面積的比值[10-11],城市濕地能夠調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候,是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。按照LY/T 1755—2008《國家濕地公園建設規(guī)范》,國家濕地公園濕地面積應占總面積的60%以上;根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒2014》,2014年全國濕地面積占轄區(qū)面積比例為5.56%,江蘇省為27.51%。植物配置合理度指植物群落景觀評價值,包括景觀個體要素(形態(tài)、色彩、線條、質(zhì)地)和景觀配置要素(比例尺度、協(xié)調(diào)對比、對稱平衡、多樣統(tǒng)一、韻律節(jié)奏)兩個方面,采用專家打分確定[12-13]。合理的植物群落對實現(xiàn)人與環(huán)境和諧相處,保護生物多樣性具有重要意義。

生態(tài)環(huán)境保護準則選取空氣質(zhì)量狀況指數(shù)C4、環(huán)境噪聲排放值C5、水質(zhì)達標率C6和廢污水排放達標率C74項指標?？諝赓|(zhì)量狀況指數(shù)采用一段時間內(nèi)空氣質(zhì)量指數(shù)的平均值[14-15],該值越大空氣質(zhì)量狀況越差。HJ633—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》將空氣污染指數(shù)分為0～50、51～100、101～150、151～200、201～300和大于300共6檔。環(huán)境噪聲排放值采用一段時間內(nèi)環(huán)境噪聲監(jiān)測均值[16],根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒2013》,2013年南京市的環(huán)境噪聲等效聲級為54.0 dB(A計權(quán)，下同);參照GB3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標準》中2類功能區(qū)的規(guī)定,設定相應的分級標準。水質(zhì)達標率指所屬水功能區(qū)水質(zhì)達標的數(shù)據(jù)個數(shù)(或河長、面積)占水功能評價總數(shù)據(jù)個數(shù)(或總河長、總面積)的比例[17]。按照《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》,到2015年重要江河湖泊水功能區(qū)水質(zhì)達標率提高到60%,2020年和2030年分別提高到80%和95%以上。廢污水排放達標率指達到排放標準的廢污水排放量占廢污水排放總量的比值[18],濱江風光帶產(chǎn)生廢污水的達標率直接關系到長江水源地水質(zhì)狀況,參考《南京市城市總體規(guī)劃(2011—2020)》確定其指標分級。

生態(tài)能源節(jié)約準則選取可再生能源利用率C8、再生水利用率C9和綠色建筑比例C103項指標?？稍偕茉蠢寐手缚稍偕茉凑伎偰茉聪牧康谋戎礫16]。目前我國可再生能源利用率不足10%[19],根據(jù)《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》[20],到2020年可再生能源年利用量在能源消費中的比例力爭達到15%;今后二三十年將是人類從化石能源為主時代向清潔低碳、可持續(xù)能源過渡的關鍵時期,2035年可再生能源利用率將達到30%[21]。再生水利用率采用再生水利用量占污水處理總量的比例。根據(jù)《“十二五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設施建設規(guī)劃》,2010年我國城鎮(zhèn)再生水利用率小于10%, 2015年城鎮(zhèn)再生水利用率達15%;根據(jù)《南京市城市總體規(guī)劃(2011—2020)》,提倡城市污水再生水作為綠化、河湖景觀、道路澆灑、建筑沖廁、工業(yè)用水等,污水再生利用率不低于20%。綠色建筑比例指節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材、能夠提供健康舒適且與自然和諧共生的建筑[22-23]占總建筑數(shù)量的比例。新生態(tài)城建設要求新建建筑的80%必須為綠色建筑,既有城市升級為生態(tài)城的必須有50%以上為綠色建筑;根據(jù)國務院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)的《綠色建筑行動方案》,2015年城鎮(zhèn)新建建筑中綠色建筑比例達20%。

2 GA-PPE模型

投影尋蹤等級評價的基本思想是把高維數(shù)據(jù)投影到低維子空間上,計算能反映高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征的投影值,根據(jù)該投影值分析高維數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征,達到分析高維數(shù)據(jù)的目的,廣泛應用于多因素綜合評價問題[24-25]。GA-PPE模型建模步驟如下:

b. 指標標準化。分別采用式(1)和式(2)對正向指標和負向指標進行標準化處理,標準化后的指標值xij為

(1)

(2)

c. 線性投影。投影指從不同角度觀察數(shù)據(jù),尋找能夠最大程度反映數(shù)據(jù)特征和最能充分挖掘數(shù)據(jù)信息的最優(yōu)觀察角度。本研究選用線性投影將高維數(shù)據(jù)投影到一維線性空間,把p維數(shù)據(jù)綜合成以單位長度向量a=(a1,a2,…,ap)為投影方向的投影值zi,即

(3)

d. 構(gòu)造投影指標函數(shù)。投影尋蹤等級評價的根本任務就是建立評價指標{xij|i=1,2,…,n;j=1,2,…,p}與評價等級{yi|i=1,2,…,n}間的數(shù)學關系,即把p維數(shù)據(jù){xij|j=1,2,…,p}綜合成以單位向量a=(a1,a2,…,ap)為投影方向的投影值zi。在綜合投影時,投影值zi要盡可能多的攜帶{xij|j=1,2,…,p}的變異信息,所以zi的標準差Sz要盡可能最大,同時zi與yi的相關系數(shù)的絕對值|Rzy|也要盡可能大。投影指標函數(shù)Q(a)構(gòu)造如下[28-29]:

Q(a)=Sz|Rzy|

(4)

式中Ez、Ey分別為zi與yi的均值。

e. 優(yōu)化投影指標函數(shù)。投影指標函數(shù)Q(a)隨投影方向a的變化而變化,不同的投影方向反映不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征,最佳投影方向就是最大可能暴露高維數(shù)據(jù)某類特征結(jié)構(gòu)的投影方向,可以通過求解Q(a)最大化問題來計算最佳投影方向。數(shù)學模型為[30]:

目標函數(shù)maxQ(a)=Sz|Rzy|

(5)

(6)

f. 遺傳算法求解。式(5)(6)是以P維向量a為優(yōu)化變量的復雜優(yōu)化問題,常規(guī)方法編程過程復雜且計算量大,在應用時往往受到限制,容易陷入局部最優(yōu)。遺傳算法是模擬自然界中的生物在遺傳進化過程形成的一種自適應全局優(yōu)化概率搜索算法,它提供了一種求解復雜系統(tǒng)優(yōu)化問題的模式,對問題的求解有很強的魯棒性、自適應性、隱含并行性和全局優(yōu)化性,其應用范圍幾乎已滲透到從工程到社會科學的諸多領域。本文采用遺傳算法優(yōu)化投影指標函數(shù),設定種群大小20,最大繁殖代數(shù)50,交叉率0.7,變異率0.01,求解最佳投影方向向量a。

3 南京濱江風光帶生態(tài)建設綜合評價

3.1 GA-PPE模型的精度分析

根據(jù)生態(tài)建設綜合評價指標分級標準,在每個等級內(nèi)隨機、均勻地生成5個評價樣本,共20個樣本。按式(1)(2)對樣本進行標準化處理,再按式(3)～(6)計算投影特征向量a和投影指標函數(shù)值Q(a)。經(jīng)計算,求得最大投影指標函數(shù)值Q(a)為0.746 9,最佳投影方向向量a=(0.238,0.362,0.276,0.376,0.279,0.359,0.269, 0.347,0.331,0.293)。將最佳投影方向向量a代入式(3),求得最佳投影值zi,見表2。

將表2中的最佳投影值zi與評價等級yi用二次多項式擬合,結(jié)果見式(7)。將最佳投影值zi代入到式(7),得到各個評價樣本對應的評價等級計算值Yi,見表2。

表2 生態(tài)建設評價等級與模型計算對比結(jié)果

yi=-0.101 1zi2-1.149 5zi+4.822 7 (R2=0.992)

(7)

將評價等級計算值Yi與原評價等級yi進行誤差分析,絕對誤差落在[0,0.1]、[0,0.2]和[0,0.3]區(qū)間的百分比分別為70%、90%和100%,平均絕對誤差和相對誤差分別為0.080 4和3.94%,因此GA-PPE模型的精度較高,可以用Yi描述生態(tài)建設實際評價等級。

表3 不同片區(qū)評價指標值及評價等級

3.2 南京濱江風光帶生態(tài)建設評價

根據(jù)《南京市濱江岸線和沿岸管理條例(草案)》,南京濱江風光帶規(guī)劃范圍包括南京市長江南岸(三橋至二橋)、長江北岸(三橋至大橋)、江心洲南岸,分8個特色片區(qū),岸線總長58 km,規(guī)劃總面積17.3 km2。目前河西、下關、江浦和浦口新城四個片區(qū)一期建設已基本完工,二期建設需進一步完善沿線服務配套設施。選取這4個片區(qū)進行生態(tài)建設綜合評價,指標數(shù)據(jù)來源于濱江風光帶建設總指揮部、各分區(qū)指揮部以及南京市環(huán)保局。其中生態(tài)環(huán)境保護指標采用實時變化數(shù)據(jù),空氣質(zhì)量狀況指數(shù)、環(huán)境噪聲排放值、水質(zhì)達標率和廢污水排放達標率4項指標采用2015年3—9月7個月監(jiān)測的平均值。4個片區(qū)評價指標值及GA-PPE模型評價結(jié)果見表3。

由最佳投影方向可知,空氣質(zhì)量狀況指數(shù)、濕地率、水質(zhì)達標率、可再生能源利用率、再生水利用率、綠色建筑比例、環(huán)境噪聲排放值、植物配置合理度、廢污水排放達標率、綠化覆蓋率對生態(tài)建設綜合評價的影響程度逐漸減小。根據(jù)4個片區(qū)評價等級可知,河西片區(qū)屬于Ⅰ級,下關、江浦和浦口新區(qū)3個片區(qū)為Ⅱ級,其中河西片以地標、龍頭和活力為主題建設,以期成為南京濱江風光帶的代表性區(qū)域,其生態(tài)建設評價等級最高,較好地完成了生態(tài)建設目標。下關、江浦和浦口新區(qū)3個片區(qū)評價等級略低,生態(tài)建設有待完善的地方,下關片區(qū)主要影響指標包括濕地率、廢污水排放達標率,江浦片區(qū)主要影響指標包括綠化覆蓋率、水質(zhì)達標率,浦口新區(qū)主要影響指標為可再生能源利用率。總體上,各片區(qū)評價等級較高,說明南京濱江風光帶生態(tài)建設效果整體較好,與游人的實際感受相符。

4 結(jié) 語

在對生態(tài)保護和濱水區(qū)建設研究的基礎上,南京濱江風光帶生態(tài)建設綜合評價選取生態(tài)功能完善、生態(tài)環(huán)境保護和生態(tài)能源節(jié)約3個方面10個評價指標,通過PPE模型將生態(tài)建設綜合評價的多維問題轉(zhuǎn)化為單維問題,利用GA優(yōu)化最佳投影方向,用最佳投影值計算評價等級。GA-PPE評價模型避免了人為主觀確定權(quán)重的弊端,評價過程沒有人為干擾,對于高維數(shù)據(jù)的綜合評判、排序、尋優(yōu)具有較好的效果,可以很好地進行相關領域的評價研究。

分析表明,空氣質(zhì)量狀況指數(shù)、濕地率、水質(zhì)達標率、可再生能源利用率是濱江帶建設過程中的關鍵建設指標。南京濱江風光帶一期工程中,河西片區(qū)整合岸線資源,保留天然濕地,通過對自然資源的保護,構(gòu)建現(xiàn)代化濱江新岸線,為市民提供了零距離親水之地,其生態(tài)建設評價等級為Ⅰ級;下關片區(qū)以民國歷史風情為特色,江浦片區(qū)以科技創(chuàng)新為特色,浦口新區(qū)以展現(xiàn)國際都市為特色,3個片區(qū)生態(tài)資源保留相對較少,生態(tài)環(huán)境保護較河西片區(qū)略差,其生態(tài)建設評價等級為Ⅱ級。4個片區(qū)的評價結(jié)果均與實際建設情況相符,表明該評價模型評價準確可靠。下關、江浦和浦口新區(qū)3個片區(qū)在生態(tài)建設方面仍有待提升的地方,應在二期建設過程中,針對濕地率、廢污水排放達標率、綠化覆蓋率、水質(zhì)達標率、可再生能源利用率這些指標進行配套完善,進一步提升生態(tài)建設效果。

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Comprehensive assessment of ecological construction of Nanjing Waterfront based on GA-PPE model

//FENG Baoping, WU Dong, LIANG Xing

(CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

With consideration of three principles, ecological functional perfection, ecological environmental protection, and ecological energy saving, an assessment index system including ten indices was established to evaluate the effects of ecological construction of the Nanjing Waterfront. Based on the projection pursuit evaluation model (PPE), which uses the genetic algorithm (GA) to optimize the projection direction, the values of the optimal projection function were adopted for grade assessment. The results show that, during the first construction period of the Nanjing Waterfront, the Hexi area falls into grade Ⅰ, with a perfect ecological effect, and the Xiaguan District, Jiangpu District, and Pukou New District fall into grade Ⅱ, and the following indices should be improved: the wetland coverage ratio, the percentage of discharged wastewater reaching the standard, the green coverage ratio, the percentage of water reaching the water quality standard, and the renewable energy utilization rate.

ecological construction; index system; projection pursuit; waterfront; Nanjing City

10.3880/j.issn.1006-7647.2016.06.006

馮寶平(1976—),女,副教授,博士,主要從事水土資源規(guī)劃與管理研究。E-mail:fengbaoping@hhu.edu.cn

X826

A

1006-7647(2016)06-0029-06

2015-10-18 編輯：鄭孝宇)