CN107679703A - 一种海岸带生态安全评价方法 - Google Patents

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乔治
张文亮
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Abstract

本发明公开了一种海岸带生态安全评价方法，包括以下步骤：一、基于海洋健康指数和城市生态安全的海岸带生态安全评价指标筛选；二、基于PSR模型构建海岸带生态安全评价指标体系；三、指标数据收集及无量纲化；四、层次分析法确定评价指标的主观权重；五、熵值法确定评价指标的客观权重；六、确定各指标综合权重；七、海岸带生态安全指数计算及评价。本发明的评价方法能够良好的反映快速的城市化和工业化以及大规模的人类开发活动背景下，海岸带生态环境的安全状况及其承受的主要压力因子，能够为今后海岸带区域的生态环境保护与管理提供一定理论依据。

Description

一种海岸带生态安全评价方法
技术领域
本发明涉及海岸带生态安全技术领域，具体是一种海岸带生态安全评价方法。
背景技术
海岸带作为海洋系统与陆地系统相连接、复合与交叉的地理单元，是物质、能量、信息交换最频繁、最集中的区域，不仅为人类提供了生产和生活的空间，更成为各国经济发展、海洋开发的基地以及对外贸易和文化交流的纽带，具有十分重要的经济、社会、政治价值。随着经济高速发展，城市化进程加快，人类对海岸带的开发强度越来越大，海岸带不仅暴露于风暴潮、地面沉降等风险下，更面临着来自人类大规模高强度的开发活动而引起的如滨海湿地丧失、渔业资源退化、近海水域富营养化等一系列生态环境问题，使得人海关系矛盾加剧，威胁着海岸带的生态安全。
生态安全是指在自然或人类干扰作用下，自然、近自然生态系统为人类社会经济发展提供必要生态系统产品与服务的同时又不至于受到损害，保持自身生态系统健康的一种状态。近年来，学者们从生态区域及城市、土地及景观格局等方面，采用指标体系法、生态足迹法、系统动力学模型、模糊综合评价法以及网络模型法等方法，在国家陆域、省级范围或流域层面展开了一些实证研究，取得了一定研究成果，但针对人口压力大且经济活跃的海岸带区域的生态安全评价研究较少，且未形成全面有效的评价体系方法，缺乏对生态安全状况动态变化的了解。
发明内容
为了解决现有技术中的不足及其存在的问题，本发明提供一种海岸带生态安全评价方法，解决现有技术中针对人口压力大且经济活跃的海岸带区域的生态安全评价研究缺少全面有效的评价体系的问题。
本发明的技术方案如下：
一种海岸带生态安全评价方法，包括以下步骤：(1)基于海洋健康指数和城市生态安全的海岸带生态安全评价指标筛选；(2)基于PSR模型构建海岸带生态安全评价指标体系；(3)指标数据收集及无量纲化；(4)层次分析法确定评价指标的主观权重；(5)熵值法确定评价指标的客观权重；(6)确定各指标综合权重；(7)海岸带生态安全指数计算及评价。
所述步骤(1)，包括适用于海岸带生态安全评价的最优指标40项，内容涉及海洋健康指数与城市生态安全。
所述步骤(2)，将步骤(1)筛选出的40项指标按照PSR模型构建具有3个子系统15个因素层的海岸带生态安全评价指标体系，所述3个子系统包括压力、状态和响应子系统。所述压力子系统包括人口、经济、资源、环境、旅游5个因素层，其中人口压力包括人口密度和人口自然增长率2个因素，经济压力包括海洋产业占GDP比值、港口货物吞吐量和万元GDP能耗3个因素，资源压力包括围填海面积、海洋捕捞产量、人均日生活用水量和城市开发强度4个因素，环境压力包括工业固体废物产生量、污水排放量、化肥施用强度、海水养殖面积、直排入海废水量、海平面变化和工业废气排放量7个因素，旅游压力包括旅游游客人数1个因素。所述状态子系统包括大气状况、水域环境、生物多样性、生态系统服务功能、生计状态5个因素层，其中大气状况包括年均降水量和环境空气质量2个因素，水域环境包括清洁海域面积和近海海域功能区水质达标率2个因素，生物多样性包括生物多样性指数1个因素，生态系统服务功能包括建成区绿化覆盖率和人均水资源量2个因素，生计状态包括就业率和人均可支配收入两个因素。所述响应子系统包括压力调整、经济政策、状态修复与保护、科研教育和社会5个因素层，其中压力调整包括工业固体废物综合利用率、生活垃圾无害化处理率和污水处理率3个因素，经济政策包括环保验收落实环保投资、城市基础设施投资比重和工业污染治理投资3个因素，状态修复与保护包括海滨观测站台数、近岸海域监测站个数、自然保护区面积和当年造林面积4个因素，科研教育包括研究与试验发展经费(R&D)支出、海洋科研机构从业人员和海洋专业研究生人数3个因素，社会作用包括刊播环保新闻稿数量1个因素。
所述步骤(3)，收集各指标具体数据，建立原始数据矩阵：
X＝[Xij]m×n，
式中，X为原始数据矩阵，Xij为指标原始数据值，m为年份数，n为指标数；
并按照极差法对各指标原始数据进行无量纲化处理：
当评价指标为正向指标时：
当评价指标为负向指标时：
式中，bij为标准化值，Xij为原始数据值，maxXij、minXij分别为该项指标的最大值和最小值。
所述步骤(4)方法如下，首先根据向专家发放的意见问卷回收结果，建立起各层次因素之间的相对重要性判断矩阵Qij，进而计算判断矩阵的一致性，若所得矩阵一致性小于等于0.1，则相对重要性判断矩阵合理；若所得矩阵一致性大于0.1，则需要重新构造判断矩阵直至合格，进一步求出合格的判断矩阵的特征向量即为指标权重值WAj。
所述步骤(5)方法如下：
计算第i年第j项指标的比重fij：
式中，fij为指标比重，bij为各指标标准化值，m为年份数；
计算指标信息熵Hj：
式中，Hj为指标信息熵，fij为指标比重，m为年份数；
计算指标权重WBj：
式中，WBj为指标权重，Hj为指标信息熵，n为指标数。
所述步骤(6)中综合权重Wj为(4)中层次分析法计算的权重WAj与(5)中熵值法计算的权重WBj的综合：
式中，Wj为指标综合权重，WAj为指标主观权重，WBj为指标客观权重。
所述步骤(7)中海岸带生态安全指数按照下述公式进行计算，并将其安全状态划分为5级：
式中，ESI为海岸带生态安全指数，Wj为评价指标综合权重，bij为各指标标准化值，n为指标数。
本发明的有益效果为：本发明首先基于海陆统筹管理，将海洋健康指数与城市生态安全研究相结合以筛选出较为全面适用的海岸带生态安全评价指标，并基于PSR模型建立了包含3个子系统、15个因素层的评价指标体系。其次，本发明在计算指标权重时，综合了在主观上具有代表性的层次分析法和在客观上具有代表性的熵值法，在基于层次分析法和熵值法得到各指标权重的基础上再进行综合加权，充分发挥两种方法的主客观优势。本发明能够良好的反映快速的城市化和工业化以及大规模的人类开发活动背景下，海岸带生态环境的安全状况及其动态演变过程，为今后海岸带区域的生态环境保护与管理提供一定理论依据。
附图说明
图1是本发明的海岸带生态安全评价流程图；
图2是本发明的评价指标体系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
本发明的海岸带生态安全评价方法，通过下述技术方案实现：
(1)基于海洋健康指数和城市生态安全的海岸带生态安全评价指标筛选
海洋健康指数是一个评估海洋为人类提供福祉的能力及其可持续性的综合指标，具有科学性和严谨性，它共包含10个目标：食物供给、非商业捕捞、天然产品、碳汇、生计、旅游与度假、清洁的水、生物多样性、地区归属感以及海岸带保护。城市生态安全评价则从陆地角度考虑了城市生态安全涉及的各个方面，包括自然、社会、经济等。本发明从海陆统筹管理的角度出发，结合海洋健康指数和城市生态安全研究内容，同时参考相关研究文献以及考虑到指标的可获取性，最终选取适用于海岸带生态安全评价的最优指标40项。
(2)基于PSR模型构建海岸带生态安全评价指标体系
将(1)中筛选出的40项指标按照PSR模型建立具有3个子系统15个因素层的海岸带生态安全评价指标体系，所述3个子系统包括压力、状态和响应子系统；所述压力子系统包括人口、经济、资源、环境、旅游5个因素层；所述状态子系统包括大气状况、水域环境、生物多样性、生态系统服务功能、生计状态5个因素层；所述响应子系统包括压力调整、经济政策、状态修复与保护、科研教育和社会5个因素层，指标体系详见图2。
(3)指标数据收集及无量纲化
收集各指标具体数据，建立原始数据矩阵：
X＝[Xij]m×n，
式中，X为原始数据矩阵，Xij为指标原始数据值，m为年份数，n为指标数；
并按照极差法对各指标原始数据进行无量纲化处理：
当评价指标为正向指标时：
当评价指标为负向指标时：
式中，bij为标准化值，X ij为原始数据值，maxXij、minXij分别为该项指标的最大值和最小值。
(4)层次分析法确定评价指标的主观权重
首先根据向专家发放的意见问卷回收结果，建立起各层次因素之间的相对重要性判断矩阵Qij，其中Qij按照指标i对于指标j的相对重要性程度划分为9级，其取值意义见表1
表1判断矩阵Qij元素的取值意义
进而计算判断矩阵的一致性，计算公式如下：
式中，CR是一致性比率，λmax为判断矩阵最大特征值，q为判断矩阵阶数，RI是随机一致性指标，其取值见表2
表2 RI取值
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
RI 0 0 0.58 0.9 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45 1.49 1.51
若所得一致性比率CR≤0.1，则相对重要性判断矩阵合理；若CR>0.1，则需要重新构造判断矩阵直至合格，进一步求出合格的判断矩阵的特征向量即为指标权重值WAj。
(5)熵值法确定评价指标的客观权重
熵值的大小可以反映其承载信息量的多少，熵值越大说明系统越无序，该指标携带的信息量少，其权重也较小；熵值越小说明系统越有序，携带的信息越大，其权重也应较大。其权重具体计算方法如下：
计算第i年第j项指标的比重fij：
式中，fij为指标比重，bij为各指标标准化值，m为年份数；
计算指标信息熵Hj：
式中，Hj为指标信息熵，fij为指标比重，m为年份数；
计算指标权重WBj：
式中，WBj为指标权重，Hj为指标信息熵，n为指标数。
(6)确定各指标综合权重
将上述(4)中层次分析法计算的主观权重WAj与(5)中熵值法计算的客观权重WBj加权平均来计算指标综合权重Wj：
式中，Wj为指标综合权重，WAj为指标主观权重，WBj为指标客观权重。
(7)海岸带生态安全指数计算及评价
海岸带生态安全指数按照下述公式进行计算：
式中，ESI为海岸带生态安全指数，Wj为评价指标综合权重，bij为各指标标准化值，n为指标数。生态安全指数越大，表明生态系统安全度越高。本发明将生态安全指数划分为5个等级，见表3。
表3海岸带生态安全指数分级标准
生态安全状态 恶劣 较差 预警 良好 理想
指标范围 [0,0.2] (0.2,0.4] (0.4,0.6] (0.6,0.8] (0.8,1]
实施例1
下面给出一个实际应用例子，来具体说明如何应用本发明进行海岸带生态安全评价。
天津是立足于海岸带发展的代表性城市，系环渤海地区经济发展的重要支撑城市，人类开发活动强烈，生态环境问题突出，本发明选取天津市作为应用案例，对其连续10年间的海岸带生态安全状况进行评价。
根据图2建立的海岸带生态安全评价指标体系，收集天津市各指标数据并进行无量纲化，并采用层次分析法和熵值法对各指标求权重，计算结果见表4。
表4天津市海岸带生态安全评价指标权重
对天津市10年间海岸带生态安全指数进行计算并分级，所得结果见表5。天津市海岸带生态安全指数整体上呈现下降趋势，2010年生态安全处于较差状态，其余年份均处于预警状态。总体来看，天津市生态安全状况还有待进一步提升。高强度、大范围的人类活动对天津市海岸带生态系统造成的各方面的压力还在不断增强，海岸带生态安全受到威胁，其中围填海工程、海洋捕捞和直排入海废水是天津市海岸带承受的主要压力因子。
表5天津市海岸带生态安全指数及分级
年份 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
ESI 0.5772 0.54 0.5375 0.5375 0.4548 0.399 0.4389 0.4558 0.4361 0.4914
级别 预警 预警 预警 预警 预警 较差 预警 预警 预警 预警
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海岸带生态安全评价方法，其特征在于，所述生态安全评价方法包括以下步骤：(1)基于海洋健康指数和城市生态安全的海岸带生态安全评价指标筛选；(2)基于PSR模型构建海岸带生态安全评价指标体系；(3)指标数据收集及无量纲化；(4)层次分析法确定评价指标的主观权重；(5)熵值法确定评价指标的客观权重；(6)确定各指标综合权重；(7)海岸带生态安全指数计算及评价。
2.根据权利要求1所述的一种海岸带生态安全评价方法，其特征在于，所述步骤(1)中，包括适用于海岸带生态安全评价的最优指标40项，内容涉及海洋健康指数与城市生态安全。
3.根据权利要求1所述的一种海岸带生态安全评价方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将步骤(1)中筛选出的40项指标按照PSR模型构建具有3个子系统15个因素层的海岸带生态安全评价指标体系，所述3个子系统包括压力、状态和响应子系统；所述压力子系统包括人口、经济、资源、环境、旅游5个因素层，其中人口压力包括人口密度和人口自然增长率2个因素，经济压力包括海洋产业占GDP比值、港口货物吞吐量和万元GDP能耗3个因素，资源压力包括围填海面积、海洋捕捞产量、人均日生活用水量和城市开发强度4个因素，环境压力包括工业固体废物产生量、污水排放量、化肥施用强度、海水养殖面积、直排入海废水量、海平面变化和工业废气排放量7个因素，旅游压力包括旅游游客人数1个因素。
4.根据权利要求3所述的一种海岸带生态安全评价方法，其特征在于，所述状态子系统包括大气状况、水域环境、生物多样性、生态系统服务功能、生计状态5个因素层，其中大气状况包括年均降水量和环境空气质量2个因素，水域环境包括清洁海域面积和近海海域功能区水质达标率2个因素，生物多样性包括生物多样性指数1个因素，生态系统服务功能包括建成区绿化覆盖率和人均水资源量2个因素，生计状态包括就业率和人均可支配收入两个因素。
5.根据权利要求3所述的一种海岸带生态安全评价方法，其特征在于，所述响应子系统包括压力调整、经济政策、状态修复与保护、科研教育和社会5个因素层，其中压力调整包括工业固体废物综合利用率、生活垃圾无害化处理率和污水处理率3个因素，经济政策包括环保验收落实环保投资、城市基础设施投资比重和工业污染治理投资3个因素，状态修复与保护包括海滨观测站台数、近岸海域监测站个数、自然保护区面积和当年造林面积4个因素，科研教育包括研究与试验发展经费支出、海洋科研机构从业人员和海洋专业研究生人数3个因素，社会作用包括刊播环保新闻稿数量1个因素。
6.根据权利要求1所述的一种海岸带生态安全评价方法，其特征在于，所述步骤(3)中，收集各指标具体数据，建立原始数据矩阵：
X＝[Xij]m×n，
式中，X为原始数据矩阵，Xij为指标原始数据值，m为年份数，n为指标数；
并按照极差法对各指标原始数据进行无量纲化处理：
当评价指标为正向指标时：
当评价指标为负向指标时：
式中，bij为标准化值，Xij为原始数据值，maxXij、minXij分别为该项指标的最大值和最小值。
7.根据权利要求1所述的一种海岸带生态安全评价方法，其特征在于，所述步骤(4)是指，首先根据向专家发放的意见问卷回收结果，建立起各层次因素之间的相对重要性判断矩阵Qij，进而计算判断矩阵的一致性，若所得矩阵一致性小于等于0.1，则相对重要性判断矩阵合理；若所得矩阵一致性大于0.1，则需要重新构造判断矩阵直至合格，进一步求出合格的判断矩阵的特征向量即为指标权重值WAj。
8.根据权利要求1所述的一种海岸带生态安全评价方法，其特征在于，所述步骤(5)是指：
计算第i年第j项指标的比重fij：
<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>b</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi> </munderover> <msub> <mi>b</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
式中，fij为指标比重，bij为各指标标准化值，m为年份数；
计算指标信息熵Hj：
<mrow> <msub> <mi>H</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>ln</mi> <mi> </mi> <mi>m</mi> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <munderover> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi> </munderover> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mi>ln</mi> <mi> </mi> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中，Hj为指标信息熵，fij为指标比重，m为年份数；
计算指标权重WBj：
<mrow> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>B</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <munderover> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>H</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
式中，WBj为指标权重，Hj为指标信息熵，n为指标数。
9.根据权利要求1所述的一种海岸带生态安全评价方法，其特征在于，所述步骤(6)中综合权重Wj为步骤(4)中层次分析法计算的权重WAj与步骤(5)中熵值法计算的权重WBj的综合：
<mrow> <msub> <mi>W</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>B</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>
式中，Wj为指标综合权重，WAj为指标主观权重，WBj为指标客观权重。
10.根据权利要求1所述的一种海岸带生态安全评价方法，其特征在于，所述步骤(7)中海岸带生态安全指数按照下述公式进行计算，并将其安全状态划分为5级：
<mrow> <mi>E</mi> <mi>S</mi> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>W</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>b</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow>
式中，ESI为海岸带生态安全指数，Wj为评价指标综合权重，bij为各指标标准化值，n为指标数。
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