基于信息熵的漳州市生态水平评价

漳州市环境科学研究所 梁素红

0 引言

自20世纪70 年代联合国教科文组织发起的“人与生物圈(MAB)”计划中首先提出生态城市以来[1]，世界上不少国家开展了建设生态城市的实践，并取得了一定成效。生态城市的理论也一直在不断发展之中。关于生态市的定义，本文引用国家环保总局《生态县、生态市、生态省建设指标(试行)》(环发[2003] 91 号)中的界定，即生态市是指社会经济和生态环境协调发展，各领域基本符合可持续发展要求的地市级行政区域.其主要标志是：生态环境良好并不断趋向更高水平的平衡，环境污染基本消除，自然资源得到有效保护和合理利用；稳定可靠的生态安全保障体系基本形成；环境保护法律、法规、制度得到有效贯彻执行；以循环经济为特色的社会经济加速发展；人与自然和谐相处，生态文化有长足发展；城市、乡村环境整洁优美，人民生活水平全面提高。

国家环境保护总局于1995 年在全国开展生态示范区建设试点工作。福建省在2001 年提出了生态省建设的战略构想。2002 年8 月，福建被批准为全国生态省建设试点省份。2004 年11 月，福建省委、省政府批准《福建省生态省建设总体规划纲要》。漳州早在2006 年就开始了生态市创建工作，根据福建生态省建设“十二五”规划，漳州要在2015 年达到生态市建设标准，建成资源节约型、环境友好型社会。目前，漳州市正在开展新一轮的生态市建设规划修编工作，为适应创建生态市的要求，迫切需要建立与之相适应的生态市建设评价指标体系及方法，来引导漳州生态市建设规划措施与实践途径的优化和协调。

在有关生态市建设水平的研究中，学者在生态市建设的考核、评价指标和评价方法都进行了一些探索和研究[2～6]。本文引入信息熵，对漳州生态水平进行分析评价，从而辨识漳州市生态系统的发展状态和健康水平，为漳州生态市建设提供科学依据。

1 评价指标体系

生态市评价指标体系要体现城市可持续发展的状态、过程和实力，反映城市经济社会、环境生态方面的建设情况。建立指标体系时遵守以下基本原则：完备性、客观性、独立性、可测性、数据可获得性、动态性和相对稳定性。

本文在《生态县、生态市、生态省建设指标（修订稿）》（环发〔2007〕195 号）中生态市建设指标的3 大类、19 项指标的基础上，按照漳州市的实际情况及数据的可获得性，制定了漳州市生态市水平评价指标体系(带*者为国家生态市建设指标)，包括经济社会发展和环境生态2 类24 个指标，具体的指标体系及权重见表1，其中权重值由指标信息熵确定，数据来源于《漳州统计年鉴2003～2010》,计算公式见公式(3)。

表1 归一化值后的漳州生态系统指标体系及其权重

2 城市生态水平评价模型

通过引入信息熵，采用基于信息熵的分析方法，获得城市生态水平评价的年份信息熵和指标信息熵。采用年份信息熵计算城市系统的经济社会子系统和环境生态子系统各自的熵，从而可以分析漳州城市生态系统的有序以及复杂性；采用指标信息熵确定各个指标的权重，再结合各个指标的归一化值，得到综合评估得分值，作为评估城市可持续发展水平的指数值，确定系统的发展度和协调度，进而评估系统的协调和健康程度。

2.1 信息熵在城市生态系统中的引入

城市生态系统是一个经济—社会—自然复合系统，在外部扰动和内部涨落的影响下发生演替和变化，完全符合耗散结构系统的预定假设[6]，并遵循耗散结构的规律，通过研究信息熵(包括熵流和熵产生)能评判其有序发展情况。

申农定义的熵为广义熵或泛熵，可用来描述任何一种体系或物质运动的混乱度和无序度。信息熵的引入，可以定量判断城市生态系统的演化方向[6]。

根据 Shannon 的信息熵计算方法，对于一个不确定性系统，若用随机变量X 表示其状态特征，设x 的取值为X{x1，x2，…，xn}(n≥2)，每一取值对应的概率为 P={ p1，p2，…，pn}( 0 ≤pi≤1，i=1，2，…，n )，且有∑pi=1，则该系统的信息熵为：

2.2 指标的无量纲化

各指标因子的数值是城市生态水平评价的基础，这些指标有正有逆，数值有大有小，不便于比较，需要进行无量纲化处理，本文采用直线型处理方法，其计算公式为：

式中：xij——指标i 的原始值，j 为年份；Xij——指标i的归一化值；max (xij)、min (xij)——指标i 的年份最大、最小值。

2.3 信息熵变计算

城市生态系统年份信息熵变的计算是针对一个年份的序列来进行的。对于n 个指标m 年进行评价，Xij(i 为指标，j为年份) 为原始数据的归一化值，其年份信息熵为[7]：

2.4 模型指数计算

综合发展度T 利用线性加权的方式计算；协调发展度D利用数学原理和离差分析原理计算[8]。

具体的计算步骤如下：

①权重计算

用信息熵来确定指标权重，根据客观原始数据信息的联系强度或各指标所提供的信息量来决定指标权重值，可以避免因经验赋值的差异，而使分析结果不稳定。

若指标值差距大，则该指标在综合评价中所起作用也就越大，反之就越小；若某项指标的指标值全部相等，则该指标在综合评价中不起作用。某项指标的指标值离散程度越大，则Sj就越小，该指标所提供的信息量也就越大，故其权重也应越大；反之，指标间离散程度越小，信息熵就越大，其容纳的信息量也相应越小，权重理应越小[7]。

②综合发展度

发展度用T 表示，其数学模型为：

综合发展度是环境生态与经济社会效益的综合评价指数，它反映环境与经济的整体效益或水平。

③协调发展度分析

用D 表示，其值在0～1，数学模型为：

协调发展度是度量系统要素之间协调状况好坏程度的定量指标，可以评价环境生态与经济社会子系统之间协调发展水平的高低。

3 结果分析

3.1 信息熵分析

根据漳州市2002 年～2009 年的统计资料，利用公式(2) 和(3)，计算漳州城市生态系统的各熵值于表2。可以看出，2002 年～2009 年经济社会子系统熵、环境生态子系统熵总体上均呈现下降趋势，但形式有所不同。经济社会子系统熵在2002～2008 年处于下降趋势，只在2009 年比上年度略有上升，说明漳州市的经济保持着平稳的增长；而生态功能熵的变化虽然总体趋势良好，但较不稳定，主要体现在2003 年、2008 年分别出现比上年度略为上升的现象，分析具体指标体系可知，2003 年主要因城市生活污水集中处理率低、城镇人均公共绿地面积少及COD 排放强度大等原因所致，2008 年主要为环保投资占GDP 的比重较小、SO2排放强度较大所致。

表2 漳州生态系统熵值及生态水平计算结果

总体来说，漳州城市生态系统总熵变是向着健康、有序的方向发展。2003 年、2008 年因环境生态子系统熵的变化而引起熵值的略微上升，说明在城市系统发展过程中，环境生态功能因子起到至关重要的作用，它是系统活力、有序的保证。因此应通过对生态环境的控制，增强其对经济的辐射作用，提高经济发展的生态效率；同时要提升对自然资源使用的效率，维护系统的生态安全。

3.2 综合发展水平分析

根据式(5) ～ (6) 计算综合发展度、协调发展度，并根据文献[9]中对协调发展等级的度量标准，对本文协调发展度计算结果进行划分，得到漳州市2002 年～2009 年经济社会与环境生态两个子系统协调发展状况的评价结果，如表2 所示。

2002 年～2009 年，漳州市的生态综合发展水平一直处于上升状态，由2002 年的0.460 上升到2009 年的0.929；除了环境生态子系统的发展水平略有波动外，各子系统的发展水平也一直处于上升趋势。

2002 年～2009 年，漳州市的社会经济系统与环境生态子系统之间都处于较协调的状态。协调发展度由2002 年的0.658 上升到2009 年的0.959；协调类型由2002 年的初级转化成2009 年的优质（其中在2004 年由初级转化为中级，在2005 年由中级转化成良好，在2008 年转化成为优质）。

4 结论

4.1 漳州市城市生态系统的经济社会子系统熵、环境生态子系统熵和城市生态系统总熵均呈现出下降趋势，系统的有序度不断增强，漳州城市生态的健康水平不断提高。

4.2 漳州市环境生态与经济社会效益不断提高，协调能力不断增强，从2002 年开始，始终保持协调发展水平，并在2008年达到了优质协调发展状态，可见漳州除了有良好的生态本底之外，在取得经济社会效益的同时，也更进一步加强对生态环境的保护，同时良好的生态环境反过来对经济起到很好的支撑作用。

4.3 耗散结构和信息熵理论用于生态水平评价是可行的，得到结果能够反映漳州市整体生态水平的发展状况，与实际情况较为一致，对漳州生态市建设有一定的指导作用。

4.4 生态市指标体系是生态城市内涵的定量化表征，在国家生态市建设指标体系的框架下，如何根据漳州市的实际情况进一步深化制定漳州生态市的指标体系，有待进一步研究。

5 建议

5.1 切实加大生态环境保护与建设的投入力度，将生态建设资金列入本级预算。

5.2 强化工业污染防治，积极采取结构减排、工程减排、管理减排等措施，有效控制污染物排放总量。

5.3 深化城市环境综合治理，扩建、增建城镇污水处理厂，进一步完善配套污水管网及提升泵站，提高生活污水集中处理率。

5.4 扎实推进农村环境连片综合整治，切实抓好“以奖促治”、“以奖代补”政策全面落实，改善农村人居环境，提升农村生态环境质量。

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