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基于熵權(quán)可拓決策模型的生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)
——以中部六省為例

2018-10-23 01:59:40張興賢
關(guān)鍵詞:六省物元關(guān)聯(lián)度

張興賢

(銅陵學(xué)院 建筑工程學(xué)院,安徽 銅陵 244061)

生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的主要物質(zhì)來(lái)源,它承受著人類活動(dòng)產(chǎn)生的廢棄物和各種作用結(jié)果。良好的生態(tài)環(huán)境是人類發(fā)展最重要的前提,同時(shí)也是人類賴以生存、社會(huì)得以安定的基本條件[1]?!秶?guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要(草案)》提出,以提高環(huán)境質(zhì)量為核心,以解決生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域突出問(wèn)題為重點(diǎn),加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度,提高資源利用效率,為人民提供更多優(yōu)質(zhì)生態(tài)產(chǎn)品,協(xié)同推進(jìn)人民富裕、國(guó)家富強(qiáng)、中國(guó)美麗。這是“十三五”規(guī)劃綱要首次提出了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體改善的目標(biāo)??梢?jiàn),生態(tài)環(huán)境的提高和改善對(duì)人類生存和發(fā)展的重要作用。鑒于此,本文基于生態(tài)環(huán)境承載力的影響因素,運(yùn)用可拓學(xué)理論和信息熵理論,構(gòu)建基于熵權(quán)可拓決策的生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型,并結(jié)合中部六省2014年的生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,以期為相關(guān)部門決策提供理論依據(jù)。

一、生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

(一)物元的定義

把由事物N,特征C及N關(guān)于C的量值V構(gòu)成的有序三元組R=(事物,特征,量值)=(N,C,V)作為描述物的基本單元,N,C,V三者稱為物元R的三要素[2],基本物元可以表示為:

(1)

表1 中部六省生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和權(quán)重

(二)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

構(gòu)建科學(xué)有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系有助于進(jìn)行生態(tài)環(huán)境承載力的評(píng)價(jià)。目前,關(guān)于生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)的模型很多。本文綜合以往文獻(xiàn),采用P-S-R模型(即壓力(Pressure)——狀態(tài)(State)——響應(yīng)(Response)來(lái)構(gòu)建中部六省生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。該模型理論框架基于因果關(guān)系,即生態(tài)環(huán)境受到人類活動(dòng)的影響而產(chǎn)生一定的壓力進(jìn)而發(fā)生一定的變化,而人類社會(huì)應(yīng)當(dāng)就生態(tài)環(huán)境的變化做出相應(yīng)的反應(yīng),使其恢復(fù)免遭進(jìn)一步的破壞。目前,P-S-R模型在眾多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[3-16]。本文遵循科學(xué)性、代表性、客觀性、可行性等原則,結(jié)合中部六省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀和自然環(huán)境稟賦,以P-S-R模型為基礎(chǔ),參照相關(guān)技術(shù)規(guī)范和指標(biāo)體系,綜合生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)相關(guān)文獻(xiàn),結(jié)合物元可拓理論,從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三個(gè)維度構(gòu)建了包括城市人口密度等7個(gè)指標(biāo)(C1-C7)、人均水資源量等8個(gè)指標(biāo)(C8-C15)和城市污水處理率等5個(gè)指標(biāo)(C16-C20)在內(nèi)的中部六省生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,如表1所示。

二、基于熵權(quán)可拓決策的生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型

(一)確定物元經(jīng)典域、節(jié)域、待評(píng)物元

為了更好的體現(xiàn)生態(tài)環(huán)境承載力,在參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,將本文生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)分為4級(jí),即:Ⅰ級(jí)(優(yōu))、Ⅱ級(jí)(良)、Ⅲ級(jí)(中)和Ⅳ級(jí)(差),將評(píng)價(jià)問(wèn)題定量地描述為:Np={優(yōu)→良→中→差},N01={Ⅰ級(jí)},N02={Ⅱ級(jí)},N03={Ⅲ級(jí)},N04={Ⅳ級(jí)},且N01,N02,N03,N04∈Np,對(duì)于?p∈Np判斷屬于Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ,并計(jì)算關(guān)聯(lián)程度。

1.構(gòu)建指標(biāo)經(jīng)典域和節(jié)域。根據(jù)可拓理論,中部六省生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的經(jīng)典域表示為:

(2)

其中,Roj表示一個(gè)物元,N0j表示所劃分的j個(gè)等級(jí),Ci表示N0j的特征,Vi=(a0jn,b0jn)表示N0j關(guān)于Ci的量值范圍,即各等級(jí)關(guān)于對(duì)應(yīng)特征所取的數(shù)值范圍(即經(jīng)典域)。

通過(guò)典域構(gòu)造相應(yīng)的節(jié)域Rp:

(3)

其中,Np為評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境承載力等級(jí)類別的全體,Vpi為指標(biāo)Np關(guān)于Ci的量值范圍,即為Np的節(jié)域。因此,節(jié)域即為評(píng)價(jià)指標(biāo)所有等級(jí)級(jí)別對(duì)應(yīng)的經(jīng)典域的集合。

關(guān)于待判物元,可以將待評(píng)生態(tài)環(huán)境承載力影響因素的作用參數(shù)用物元表示,記為:

(4)

其中,p表示生態(tài)環(huán)境承載力的等級(jí)水平,xi為p關(guān)于ci的量值,即為待評(píng)生態(tài)環(huán)境承載力影響因素的具體數(shù)值。

2. 確定物元經(jīng)典域、節(jié)域臨界值[17]。生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型構(gòu)建的關(guān)鍵在于節(jié)域物元和經(jīng)典域物元的確立。本文擬將生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)等級(jí)分為4級(jí),即需要確定4個(gè)經(jīng)典域,共5個(gè)臨界值,擬以2013年為基準(zhǔn)年,將2013年各個(gè)指標(biāo)的最小和最大值作為前后兩個(gè)臨界值。由于每個(gè)生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)有6個(gè)指標(biāo)值,通過(guò)將2014年各個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)從大到小進(jìn)行排列,對(duì)前兩項(xiàng)、中間兩項(xiàng)和最后兩項(xiàng)分別取算術(shù)平均數(shù),將其作為中間三個(gè)臨界值(計(jì)算過(guò)程略)。得到生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型的4個(gè)經(jīng)典域和節(jié)域,如下頁(yè)表2所示。

3.關(guān)聯(lián)度計(jì)算及距離的確定。根據(jù)可拓理論中關(guān)聯(lián)函數(shù)的定義,中部六省生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的第i個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)關(guān)于第j個(gè)類別等級(jí)的關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法為:

(1)首次評(píng)價(jià)。首先對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象p用非滿足不可的特征Ck的量值Vik評(píng)價(jià)。若Vik?Vjk,則p不滿足“非滿足不可的條件”,不予評(píng)價(jià);否則,進(jìn)入下一個(gè)步驟。

(2)關(guān)聯(lián)度及距離的計(jì)算。計(jì)算待判對(duì)象p與N0j的單項(xiàng)指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)Kj(Vi):

(5)

(6)

(7)

4.生態(tài)環(huán)境承載力可拓綜合評(píng)價(jià)。Km(Vi)=maxKj(Vi),m∈{1,2,…,j}.

(8)

若(5)式成立,則Vi∈N0m,若Km(Vi)≤0,則Vi?N0m。在計(jì)算Kj(Vi)的基礎(chǔ)上,得出p與多項(xiàng)指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度Kj(V):

(9)

Km(V)=maxKj(V),j∈{1,2,3,4},m∈{1,2,…,j}.

(10)

若(9)式成立,則判定待判對(duì)象p∈N0m。

(三)熵權(quán)法賦值

信息熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的度量,熵值取權(quán)法的優(yōu)勢(shì)在于,它是通過(guò)判斷各個(gè)因素的變化劇烈程度來(lái)決定該因素在最終目標(biāo)中所占的權(quán)重[18]。在信息論中,定義信息熵如下:

(11)

熵值法評(píng)價(jià)的步驟是:

(12)

(13)

表2 中部六省生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型經(jīng)典域和節(jié)域臨界值

(14)

(15)

三、基于熵權(quán)可拓決策的生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型應(yīng)用與分析

依據(jù)表1的中部六省生態(tài)環(huán)境承載力指標(biāo)體系和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),運(yùn)用熵權(quán)可拓決策模型對(duì)中部六省生態(tài)環(huán)境承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。本文的原始數(shù)據(jù)主要源于:《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》(2014-2015)、《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》(2014-2015年),以及各省的統(tǒng)計(jì)年鑒和統(tǒng)計(jì)公報(bào)(2014-2015)等。

(一)權(quán)系數(shù)與生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)計(jì)算

根據(jù)公式(11)~(15),計(jì)算生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)系數(shù),見(jiàn)表1。利用公式(5)~(8)計(jì)算山西省2014年各指標(biāo)與生態(tài)環(huán)境承載力等級(jí)的關(guān)聯(lián)度,結(jié)果見(jiàn)表3。同理可計(jì)算其他五省生態(tài)環(huán)境承載力指標(biāo)與生態(tài)環(huán)境承載力等級(jí)的關(guān)聯(lián)度。結(jié)合表中的數(shù)據(jù),利用公式(10)計(jì)算2014年中部六省的生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)值,如表4所示。

(二)評(píng)價(jià)結(jié)果分析

表3 山西省2014年生態(tài)環(huán)境承載力指標(biāo)與承載力等級(jí)的關(guān)聯(lián)度

表4 中部六省2014年生態(tài)環(huán)境承載力等級(jí)評(píng)價(jià)值

1.單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度分析。由表3可以看出生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型各單項(xiàng)指標(biāo)的等級(jí)情況,其中承載力等級(jí)為Ⅰ級(jí)的有C11和C19;等級(jí)為Ⅱ級(jí)的有C9和C20;等級(jí)為Ⅲ級(jí)的有C1、C2、C8、C10、C13、C15、C16和C17;等級(jí)為Ⅳ級(jí)的有C3、C4、C5、C6、C7、C12、C14和C18。生態(tài)環(huán)境承載力等級(jí)處于良(Ⅱ級(jí))及以上狀態(tài)的指標(biāo)只有4項(xiàng),其中年平均氣溫和環(huán)保投入占GDP比值的等級(jí)最高,同理可以分析其他五省單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度。

2.多指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度。由表4可以看出中部六省2014年生態(tài)環(huán)境承載力等級(jí)情況,其中安徽和湖北等級(jí)為優(yōu),江西等級(jí)為中,山西、河南和湖南的等級(jí)為差。還可以看出安徽、湖北和湖南的Km(V)值較大,因此生態(tài)環(huán)境承載力狀態(tài)沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì),而山西、江西和河南的各等級(jí)的Km(Vi)值接近鄰,因此生態(tài)環(huán)境承載力狀態(tài)有提升(如山西和河南)或下降(如江西)的趨勢(shì)。

本文將信息熵理論與物元可拓理論進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,構(gòu)建基于熵權(quán)可拓決策的生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型,對(duì)生態(tài)環(huán)境承載力狀況的監(jiān)測(cè)和分析提供新的思路。第一,P-S-R模型能較好的反映壓力、狀態(tài)和響應(yīng)三者之間的因果關(guān)系,為生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立提供一個(gè)基本理論框架。第二,本文構(gòu)建的生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的權(quán)重是結(jié)合信息熵的基本原理,利用待評(píng)物元的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到,避免了以往研究中指標(biāo)權(quán)重的確定容易受主觀因素影響的情況發(fā)生,提高了賦權(quán)的精度和效度。同時(shí),該模型還具有一定的可擴(kuò)充性和靈活性,既能對(duì)生態(tài)環(huán)境承載力進(jìn)行單指標(biāo)評(píng)價(jià),又能同時(shí)對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。第三,本文采用的確定經(jīng)典域物元和節(jié)域物元臨界值的方法能有效的克服主觀性和片面性,且該模型能定量給出生態(tài)環(huán)境承載力所處的等級(jí)狀態(tài)以及變化趨勢(shì),為政府部門的決策與管理提供理論依據(jù)。

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