河北省城市生态安全评价研究

张蕾

【摘要】为了对城市生态安全进行研究，以河北省5个市为研究对象，根据压力-状态-响应（P-S-R）模型，构建了城市生态安全评价指标体系，采用模糊综合评价法及主成分分析法对5个城市以及河北省2010年至2014年的生态安全情况进行了分析与评价。结果表明：石家庄市和保定市的安全状态好于其他城市；2010年至2014年生态安全状况不断好转，呈不断上升趋势。

【关键词】城市生态安全；指标体系；评价

城市化是人类社会经济和文化发展的产物，是社会发展的趋势和文明的标志。但是，随着城市的发展，特别是随着粗放型城市经济的发展，城市生态环境却遭到破坏，并出现综合性的“城市病”。城市生态环境问题，不仅影响着居民的生存，也严重地制约了城市社会经济的发展。因此，城市生态安全是人类生存和发展的一个重大课题，已成为社会安全及城市安全研究方面的一个重要分支。

一、城市生态安全评价指标体系

生态安全评价指标体系构建，联合国经济合作开发署（Organization for Economic Co-operation and Development）建立了压力—状态—响应（Pressure-State-Responses）框架模型。在P-S-R框架内，某一类环境问题，可以由3个不同但又相互联系的指标类型来表达：压力指标反映人类活动给环境造成的负荷；状态指标表征环境质量、自然资源与生态系统的状况；响应指标表征人类面临环境问题所采取的对策与措施。P-S-R概念模型从人类与环境系统的相互作用与影响出发，对环境指标进行组织分类，具有较强的系统性。根据科学性、目的性、实用性三原则以及P-S-R模型，将城市生态安全评价指标体系分为3个子体系。

1、生态系统压力

X1人口密度、X2人口自然增长率、X3人均GDP、X4人均住房面积、X5人均铺装道路面积、X6人均水资源占有量、X7人均耕地面积占有量、X8万元SO2排放强度。

2、生态系统状态

X9建成区绿化覆盖率、X10空气质量好于二级天数、X11可吸入颗粒值、X12人均绿地面积、X13城市居民恩格尔系数。

3、生態系统响应

X14全市居民人均可支配收入、X15工业固体废物处置利用率、X16工业废水排放达标率、X17城市生活污水集中处理率、X18城市生活垃圾无公害处理率、X19第三产业占GDP比值、X20万人在校大学生数。

二、城市生态安全评价方法

1、数据来源

指标数据的来源有：中国环境统计年鉴、中国城市统计年鉴、河北省经济年鉴、石家庄年鉴、唐山年鉴、保定年鉴、张家口年鉴、邯郸年鉴，并查阅了相关的报道以及河北省环境保护厅的数据资料。

2、指标的分级标准

考虑到本研究中的指标体系以地级市为评价对象，在参考了相关指标的平均值和最低值时主要采用了国家环保总局公布的2005年47个全国环境保护重点城市考察结果的数据。

3、指标权重的确定

指标权重表示各个评价指标之间相对的重要性，指标权重的分配直接影响到综合的评价结果。一般，原始数据不同，确定指标权重的方法可以分为主管赋权法和客观赋权两类。客观赋权根据评价对象的指标值和标准值运用统计方法计算而获得的全权数不依赖人的主观判断，其客观性强，常用方法有主成分分析法、熵权法、离差法、均方差决策法等。本研究采用精度较好的均方差决策法，基本过程如下：

（1）评价指标的标准化处理

通常评价指标有“效益型”和“成本型”两大类，“效益型”指标是指属性值越大越好的指标，“成本型”指标是属性值越小越好的指标。利用极差法对这两类指标进行标准化处理。

对于效益型指标，有：（2-1）

对于成本型指标有：（2-2）

式中Xij和jij分别为第评价对象第项指标的原始值和标准值，Xjmax和Xjmin分别为第j项指标的最大值和最小值。

（2）指标权系数均方差决策求解

反映随机变量离散程度最重要的而且最常用的指标是该随机变量的均方差（也叫标准差）。均方差决策法用各评价指标为随机变量，各评价对象的标准化指标值为该随机变量的取值。首先，要求出这些随机变量的均方差，然后将这些均方差归一化，得到的结果即为各指标的权系数。计算步骤为：

求第j项指标的均值：（2-3）

求第j项指标的均方差：（2-4）

求第j项的指标权系数：（2-5）

4、模糊综合评价法的原理与算法

模糊综合评价是基于多种因素影响，根据被评价对象在性态或类属上的亦此亦彼性，应用模糊关系合成的原理，通过运用模糊数学工具对某事物做出刻画和综合评价。由于安全与否是一个相对模糊的概念，故城市生态安全能够作为一个模糊问题来处理。因此可用模糊数学的概念和方法，建立城市生态安全模糊评判的理论与模型。城市生态安全模糊综合评价过程为：设计评价参数对评定等级的隶属函数；建立评价参数与评定等级间的模糊关系；进行模糊矩阵的复合运算；计算级别变量特征值，其公式为：

（2-6）

式中，H为级别变量特征值，bj表示隶属于第j等级的隶属度。

5、主成分分析的原理与算法

主成分分析法是在主成分分析的基础上经改进后的多指标决策和评价方法，其原理是对所选指标经无量纲化（归一化处理）和加权处理的基础上，通过正交变换把原有的m个指标转换成彼此正交的m个综合指标，消除指标间相互干扰的重叠信息，再利用各主成分构造一个理想决策对象，以n个评价对象相应的评价向量在该理想决策对象方向上的投影，作为一维的综合评价指标，并根据样本矩阵的投影值的结果排序和比较分析。评价样本矩阵的投影值计算公式为：（2-7）

式中，Di为各评价样本矩阵的投影值，正交决策矩阵，为理想决策对象。

三、评价结果与分析

1、指标分级标准及权重

2、模糊综合评价法对河北省城市生态安全的评价结果

按照城市生态安全指标的5个分级标准，分别设计各指标的理想安全、较安全、临界安全、较不安全、极不安全等隶属函数；将5个城市的20个指标数据代入各参数对各级标准的隶属函数公式中，求出各评价参数对于5个评定等级的隶属度；构成模糊关系矩阵R；根据公式（2-6），得到模糊综合评价结果见表2。

我们可以看出以上五个案例城市生态安全状况进行排序：保定市>邯郸市>石家庄市>张家口市>唐山市，其中保定市和邯郸市的生态安全状况远远好于其他城市；其中保定处于临界安全，而石家庄、邯郸、张家口、唐山的生态安全状况均不理想。

得到河北省2010至2014年五年的生态安全评价结果如表3。

根据模糊综合评价法可以得出河北省五年来生态安全状况总体平稳，处于较安全状态，而其级别特征值逐年增高又说明了2010至2014年间河北省生态安全状况不断好转，呈不断上升趋势，2014年河北省城市生态安全状况最好。

3、主成分分析法对河北省城市生态安全的评价结果

为消除数量级和量纲不同带来的影响，采用级差变换法对评价矩阵的指标数据值进行归一化处理；根據权重值（表1）对规范化矩阵进行加权处理，得到赋权决策矩阵；计算矩阵的特征值和对应的单位特征向量；构造理想决策对象；最后根据公式（2-7），最终会得到五个城市生态安全水平由高到低依次为：石家庄6.30、唐山5.36、张家口3.90、保定3.67、邯郸2.36。主成分分析法只能对城市生态安全进行排序，但是不能得出生态安全等级。

通过主成分分析法，得到2010年至2014年河北省五年的生态安全综合评分值分别为-0.95，-0.30，-0.09，0.62，0.71。其中2010年评分值最低，而2014年评分值最高，期间呈逐步上升状态，说明生态安全状况逐年好转，其结果与模糊综合评价方法结果一致。

四、结论

1、本文根据P-S-R框架从生态系统压力、生态系统状况、生态系统响应3个方面构建了一个3层次的城市生态安全评价指标体系。

2、运用模糊综合评价法和主成分分析法对河北省5个城市进行生态安全评价，得到石家庄市和保定市的生态安全状况好于唐山市、张家口市以及邯郸市。

3、河北省2010年至2014年生态安全状况不断好转，呈不断上升趋势。

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