CN110135730A - 一种基于熵权法估算城市圈资源环境承载力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于熵权法估算城市圈资源环境承载力的方法，该方法包括以下步骤：1)构建城市圈资源环境承载力指标体系；2)对指标体系中各指标进行标准化处理；3)采用客观熵值法确定各项指标权重；4)评估承载力的情况，并对各指标进行模型评价。该方法以客观熵值法对评价指标进行权重分配，最后利用承载力模型对城市圈的空间和时间层面进行评价，具有更高的准确性和针对性，该方法对资源节约型、环境友好型社会发展起着推动作用，对基于生态文明理念的绿色发展有着重要的意义，也为城市圈内各个州市经济、资源和环境的协调发展关系判断提供科学的参考依据。

Description

一种基于熵权法估算城市圈资源环境承载力的方法

技术领域

本发明涉及一种城市圈资源环境承载力的估算方法，特别涉及利用熵权法指标赋权、模型构建及计算来实现资城市圈源环境承载力的估算方法，属于环境规划及管理领域。

背景技术

改革开放40周年来，我国经济增涨迅速，2018年国内生产总值同比增长6.6％，首次突破90万亿元人民币。与此同时，也产生了很严重的环境污染和资源紧张问题。这些问题的产生进一步导致了国内的生态环境的破坏、毫无节制的资源开发格局。在紧张而有限的资源条件下，城市的主体功能被大大限制，社会经济的发展被迫放缓甚至停止。因此，只有有效解决资源环境问题，才能顺利推动社会生态文明建设。资源环境承载力研究是我国当代生态环境发展的一个重要导向，也是发展和推进生态文明建设的重要切入口，为我国未来城市的建设提供更为明确的目标和方向。建立一种资源环境承载力的评价方法，对国家的环境保护评价具有重要的指导作用和科学的理论依据，即环境保护需要以社会经济可持续发展和合理的资源开发作为前提条件。

“承载力”起源于工程地质学领域，表示地基对建筑物的负重能力，而资源环境承载力是由“承载力”一词演变和引用而来的，同资源承载力和环境承载力有着紧密的内在关联，是集资源和环境要素于一体的综合承载力概念。其中，资源承载力指的是一个国家或地区在拥有一定的自然资源、智力和技术等条件下，能够满足人类活动所需要的一定物质生活水平下能够持续供养的人口数量。环境承载力是环境科学的一个概念，是指在某一时期、一定的环境状态下，某一地区的环境对人类的社会、经济活动所能支持的限度。资源环境承载力是指以可持续发展理念的基础上，在一定时期和一定区域范围内的资源环境能够稳定发展而所能支撑人类经济社会活动最大限度的能力。

关于资源环境承载力的评价方法研究，大多数授权的专利都是对区县的多要素多指标的评价。如专利号为ZL201610825489.5，名称为一种基于县域的资源环境承载力评价方法，具体公开根据预设的多指标综合评价值分级标准，确定县域资源环境承载力的预警等级。又如公开号为(CN104794350A)的专利申请公开了一种区域综合承载力评估系统及方法，具体公开一种从资源、生态和环境等多要素评估综合承载力的方法，并在空间和时间维度上有效解决区域发展的空间选择即区域、功能、产业和发展的数量调控即阈值、规模、速度等问题。由研究现状可以看出，当前关于资源环境承载力的专利仅从单一区县层面进行研究，缺乏对城市圈多个市级层面的对比研究，也并未运用指标赋权的计算方法和相应模型。

目前，一些城市圈存在水土流失、水污染、空气污染和耕地、湖泊面积减少等一系列生态文明问题，因此，构建评价指标体系并系统客观的对承载力进行分析，具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是在于提供一种基于熵权法估算城市圈资源环境承载力的方法，该方法将生态文明理念融入于资源环境承载力之中，与特色社会主义的发展内涵结合起来，以客观熵值法对评价指标进行权重分配，最后利用承载力模型对城市圈的空间和时间层面进行评价，具有更高的准确性和针对性，该方法对资源节约型、环境友好型社会发展起着推动作用，对基于生态文明理念的绿色发展有着重要的意义，也为城市圈内各个州市经济、资源和环境的协调发展关系判断提供科学的参考依据。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于熵权法估算城市圈资源环境承载力的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)构建城市圈资源环境承载力指标体系；

2)对指标体系中各指标进行标准化处理；

3)采用客观熵值法确定各项指标权重；

4)评估承载力的情况，并对各指标进行模型评价。

优选的方案，所述指标体系由目标层、5个准则层及指标层构成。

较优选的方案，所述目标层为资源环境承载力评价系统(B)。

较优选的方案，所述5个准则层由生态环境压力指标(P1)、经济发展压力指标(P2)、自然资源支撑指标(H1)、环境保护支撑指标(H2)、社会和谐支撑指标(H3)构成。

较优选的方案，所述指标层由10个压力指标和12个支撑力指标构成。

优选的方案，采用归一法对各指标进行无量纲化处理。

较优选的方案，各指标中，正指标无量纲处理按以下公式： 逆指标无量纲处理按以下公式：

式中，

x′_ij为原始值的无量纲化值，表示第i个城市的第j项指标标准化后的值(i＝1，2...，n；j＝1，2，...，m)；

max{x_1j，x_2j，x_3j，...，x_nj}和min{x_1j，x_2j，x3_j，...，x_nj}分别表示原始指标的最大值和最小值。

优选的方案，采用客观熵值法确定指标权重的过程为：

a)在第j项指标下，第i个样本所占的比重：

b)计算第j项指标熵值：式中，k＝1/ln(n)＞0.满足e_j≥0；

c)计算各项指标权重：

优选的方案，评估承载力的情况，并对各指标进行模型评价过程为：

压力指数：

支撑力指数：

资源环境承载力指数(B)：

以压力指数和支撑力指数的比值表示资源环境承载力指数，以比值为1作为满载的临界值；若B＜1时，表明资源环境压力指数值未超过支撑力指数值，城市处于可载的状态；若B＞1时，表明超载状态。

较优选的方案，以0.5个单位B为一个区间范围进行划分，设计出资源环境承载力指数的综合评价标准：当0＜B≤0.50时，说明承载盈余，评价为好；当0.50＜B＜1时，说明承载适宜，评价为较好；当B＝1时，说明满载，评价为资源紧张；当1＜B≤1.5时，说明轻度超载，评价为较差；当1.5＜B时，说明严重超载，评价为差。

本发明提供的一种基于熵权法估算城市圈资源环境承载力的方法，包括以下具体步骤：

步骤1：资源环境承载力指标体系的构建：

确定评价指标，并构建城市圈资源环境承载力指标体系，该指标体系分为三层。其中，目标层是资源环境承载力评价系统(B)，5个准则层分别由生态环境压力指标(P1)、经济发展压力指标(P2)、自然资源支撑指标(H1)、环境保护支撑指标(H2)、社会和谐支撑指标(H3)构成，指标层由10个压力指标和12个支撑力指标构成。

步骤2：指标的标准化处理：

选取的各个指标原始数据的大小以及量纲和单位不相同，需要对指标进行标准化处理，本发明采用归一化的方法进行指标的无量纲化处理。由于正指标和逆指标数值在评价体系中代表的含义不一样，正指标数值越大越好，逆指标反之。因此，正逆指标分别采用不同的方法进行处理。具体方法如下：

正指标无量纲处理：

逆指标无量纲处理：

式中，x′_ij为原始值的无量纲化值，表示第i个城市的第j项指标标准化后的值(i＝1，2...，n；j＝1，2，...，m)；max(x_1j，x2_j，x3_j，...，x_nj}和min{x_1j，x_2j，x_3j，...，x_nj}分别表示原始指标的最大值和最小值。

步骤3：客观熵值法对指标权重的确定

a)在第j项指标下，第i个样本所占的比重：

b)计算第j项指标熵值：

式中，k＝1/ln(n)>0.满足e_j≥0；

c)计算各项指标权重：

步骤4：模型及算法：

经过熵权法确定指标权重后需要评估承载力的情况，对指标进行模型评价。

压力指数：

支撑力指数：

资源环境承载力指数(B)：

本发明以压力指数和支撑力指数的比值表示资源环境承载力指数，以比值为1作为满载的临界值；若B<1时，表明资源环境压力指数值未超过支撑力指数值，城市处于可载的状态；同理，B>1表明超载状态。

根据城市圈资源环境承载力指数值的具体情况，以0.5为一个区间范围进行划分，可设计出符合该区域的资源环境承载力指数的综合评价标准，见表1所示。

表1城市圈资源环境承载力指数值(B)评价标准

相对现有技术，本发明技术方案带来的有益效果

(1)本发明采用客观熵权法进行指标权重赋值，主要是根据原始数据之间的关系来确定权重，可以避免因主观随意性导致指标权重偏差，从而影响估算效果。

(2)本发明将生态文明理念融入于资源环境承载力之中，与特色社会主义的发展内涵结合起来。资源环境承载力能为生态文明建设评价提供数据支撑以及作为制定考核制度依据；生态文明建设是对复合区域资源环境承载力估算的检验。

(3)本发明角度新颖、针对性强，以城市圈当地的主要问题及成因展开研究，综合选取多个指标进行综合评价，利用以往多年的数据对城市圈的各个州市进行时间和空间层面的对比分析，评价系统完善，具有更高的准确性和针对性。

(4)本发明对资源节约型、环境友好型社会发展起着推动作用，对基于生态文明理念的绿色发展有着重要的意义，也为城市圈内各个州市经济、资源和环境的协调发展关系判断提供科学的参考依据。

附图说明

图1为基于熵权法的城市圈资源环境承载力估算方法的总体技术线路图；

图2为武汉城市圈地理位置图；

图3为2010-2017年武汉城市圈资源环境承载力指数变化情况；

图4为2010-2017年武汉城市圈资源环境承载力综合指数变化情况。

具体实施方式

以下实施例旨在进一步详细说明本发明内容，而不是限制本发明权利要求的保护范围。

下面以“2010-2017年武汉城市圈资源环境承载力评价”为具体实例，如图2～4所示，本发明以武汉城市圈为研究对象，运用熵权法对涉及到的资源环境承载力进行研究分析。本发明中的城市圈资源环境承载力评估系统及方法的具体实施步骤如下：

步骤1资源环境承载力指标体系的构建

确定评价指标，并构建武汉城市圈资源环境承载力指标体系，该指标体系分为三层。其中，目标层是资源环境承载力评价系统(B)，5个准则层分别由生态环境压力指标(P1)、经济发展压力指标(P2)、自然资源支撑指标(H1)、环境保护支撑指标(H2)、社会和谐支撑指标(H3)构成，指标层由10个压力指标和12个支撑力指标构成。具体详情见表2所示。

表2武汉城市圈资源环境承载力指标体系

表2武汉城市圈资源环境承载力指标体系(续表)

步骤2指标的标准化处理

选取的各个指标原始数据的大小以及量纲和单位不相同，需要对指标进行标准化处理，本文采用归一化的方法进行指标的无量纲化处理。由于正指标和逆指标在评价体系中代表的含义不一样，正指标数值越大越好，逆指标反之。因此，正逆指标分别采用不同的方法进行处理。具体方法如下：

正指标无量纲处理：

逆指标无量纲处理：

式中，x′_ij为原始值的无量纲化值，表示第i个城市的第j项指标标准化后的值(i＝1，2...，n；j＝1，2，...，m)；max{x_1j，x_2j，x_3j，...，x_nj}和min{x_1j，x2_j，x3_j，...，x_nj}分别表示原始指标的最大值和最小值。

步骤3客观熵值法对指标权重的确定

d)在第j项指标下，第i个样本所占的比重：

e)计算第j项指标熵值：

式中，k＝1/ln(n)＞0.满足e_j≥0；

f)计算各项指标权重：

步骤4模型及算法

经过熵权法确定指标权重后需要评估承载力的情况，对指标进行模型估算。压力指数：

支撑力指数：

资源环境承载力指数(B)：

本文以压力指数和支撑力指数的比值表示资源环境承载力指数，以比值为1作为满载的临界值。若B＜1时，表明资源环境压力指数值未超过支撑力指数值，城市处于可载的状态；同理，B＞1表明超载状态。

根据城市圈资源环境承载力指数值的具体情况，可设计出符合该区域的资源环境承载力指数的综合评价标准，见表1所示。

表1城市圈资源环境承载力指数值(B)评价标准

武汉城市圈，又称武汉经济圈，是指以中部最大城市武汉为中心，以中心城市辐射带动周围的黄石、鄂州、黄冈、孝感、咸宁、仙桃、潜江、天门等8个大中型城市，形成经济资源共享、互惠互利的环状经济区域，覆盖区域为100km半径范围内，其中黄石为副中心城市。武汉经济圈占地面积约为58052km²，仅仅只占有湖北省内的31.2％的土地，却拥有一半以上的常住居民。2017年武汉城市圈为湖北省创造了60％左右的GDP，是湖北省经济效益最高，占比最重的地域。本发明研究区范围如图2。

本发明的数据主要来源于武汉城市圈的9个州市相关统计年鉴(2010--2017)、湖北省环境质量状况公告(2010--2017)、中国城市建设统计年鉴(2010-2017)、湖北省水资源公报(2010--2017)以及中国城市建设统计年鉴(2010--2017)等文件。

将获取到的数据进行指标标准化，消除指标量纲和单位的影响。囿于篇幅所限，本文以2017年指标处理后的情况为例，结果如表3所示。

表3 2017年武汉城市圈资源环境承载力指标标准化数据

根据客观熵值法可以计算得到2010-2017年武汉城市圈各项指标的权重，压力指标和支撑力指标分别见表4、表5所示。

表4 2010-2017年武汉城市圈压力指标(P)权重计算结果

表5 2010-2017年武汉城市圈支撑力指标(H)权重计算结果

结合文章前面压力指标(P)和支撑力指标(H)的计算结果，根据相应公式可以换算出压力指数、支撑力指数和承载力指数计算结果。本发明利用Excel软件的内置函数(SUMPRODUCT函数)进行乘积求和，经过整理2010-2017年各项数据并计算，将最终结果汇总如下表6所示。

表6 2010-2017年武汉城市圈各个州市的资源环境承载力值(B)计算结果

根据表1的评价标准划分，可以对武汉城市圈的资源环境承载力进行预警分析。具体详情见图3。

根据图3所示，2010-2017年武汉城市圈的资源环境承载力变化情况，我们可以看出武汉市和鄂州市的资源环境承载力指数基本处于预警线之上，指数值居高不下，资源环境承受的压力巨大，基本处于超载的状态，资源环境承载情况不容乐观。与之对应的是黄冈和咸宁的资源环境承载力指数基本处于0.8左右及以下，说明黄冈与咸宁的资源环境承载情况较好。天门市资源环境承载力指数由2010年1.34开始下降，到2015年处于0.7以下，情况较好，但是2015年到2017年略有上升，情况有变差的趋势。孝感市资源环境承载力指数所有年份中除两个年份外基本情况都是处于预警线左右，波动不大，如果任由经济发展将会使得资源环境处于超载状态，因此在发展经济时也要加大对资源环境的保护力度。潜江市资源环境承载力指数从2010年开始到2016年基本处于缓慢上升状态，说明潜江市资源环境质量需要改善。仙桃市在2010-2017年中有4年处于资源环境超载的状态，且有逐渐上升的趋势。据相关文献统计，2013-2015年仙桃市在枯水期和平水期的水质污染十分严重，近七成的水体属于劣Ⅴ类。黄石市的情况也基本上处于稳步上升，产业结构不合理，单位产值GDP能耗量大，资源环境压力指数大。

本发明根据相应的图3和表6可知，武汉市所有年份都处于超载状态，其中有6年属于严重超载，究其原因从城市规模来看，武汉市属于大型城市，人口密集程度高，经济发达程度遥遥领先其他8个城市。2017年武汉市人口密度为1271人每平方公里，城镇人均可支配收入高及地区GDP总量大，城镇居民消费能力强，对资源环境的压力大。从生态环境来看，武汉市也拥有其他大型城市的城市病，空气优良天数占全年比重低、人均水资源拥有量严重不足、人均耕地面积特别少，无形之中减少了资源环境的支撑力指标指数。鄂州市所有年份也属于超载状态，大部分年份是轻度超载，主要是人口密度较高，而经济发达程度低导致第三产业占比偏低、城镇居民恩格尔系数高。仙桃市、潜江市和黄石市等地区属于轻度超载和承载适宜的情况交替进行，主要存在经济结构不合理的情况，第三产业占GDP比重偏低、教育经费支出偏少，单位GDP能耗和单位GDP排污量偏多等问题，但同时存在人口密度较低、噪音量偏低和一般固废利用率较高等现象。天门市、咸宁市、孝感市和黄冈市等地区的资源环境承载力情况较好，主要以承载适宜为主。主要资源环境承载力指数优势在于人口密度较低、居民消费购买力较低、教育经费支出较高等方面，但仍存在一些不足，固定资产投资比重较高和单位GDP水耗较高的压力指标值。

为了让武汉城市圈资源环境承载力情况更为直观易懂，特采用熵值法将各个州市的资源环境指标权重，然后逐年综合出武汉城市圈整体资源环境承载力，详情见图4所示。从资源环境综合指数来看，2010-2016年间处于0.8到1的区间范围波动状态，基本情况处于承载适宜的状态，但是2016年到2017年处于上升状态。结合图3，可以看出除潜江市资源环境承载力指数呈下降态势以及孝感市处于平稳状态，其余各个州市具有不同程度的上升，说明武汉城市圈内作为全省最为发达的区域，经济发展压力较大，生态文明建设面对着较为严峻的考验。虽然城市圈综合指数有缓慢上升的幅度，但是我们仍有信心发展绿色生态建设，将生态文明建设考核纳入城市圈内作为重要考核绩效，坚持可持续发展道路，让资源环境承载力指数值重新回归可承载的状态。

Claims (8)

1.一种基于熵权法估算城市圈资源环境承载力的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)构建城市圈资源环境承载力指标体系；

2)对指标体系中各指标进行标准化处理；

3)采用客观熵值法确定各项指标权重；

4)评估承载力的情况，并对各指标进行模型评价。

2.根据权利要求1所述的一种基于熵权法估算城市圈资源环境承载力的方法，其特征在于：所述指标体系由目标层、5个准则层及指标层构成。

3.根据权利要求2所述的一种基于熵权法估算城市圈资源环境承载力的方法，其特征在于：

所述目标层为资源环境承载力评价系统B；

所述5个准则层由生态环境压力指标P1、经济发展压力指标P2、自然资源支撑指标H1、环境保护支撑指标H2、社会和谐支撑指标H3构成；

所述指标层由10个压力指标和12个支撑力指标构成。

4.根据权利要求1所述的一种基于熵权法估算城市圈资源环境承载力的方法，其特征在于：采用归一法对各指标进行无量纲化处理。

5.根据权利要求4所述的一种基于熵权法估算城市圈资源环境承载力的方法，其特征在于：各指标中，

正指标无量纲处理按以下公式：

逆指标无量纲处理按以下公式：

式中，

x′_ij为原始值的无量纲化值，表示第i个城市的第j项指标标准化后的值(i＝1,2…,n；j＝1,2,…,m)；

max{x_1j,x_2j,x_3j,…,x_nj}和min{x_1j,x_2j,x_3j,…,x_nj}分别表示原始指标的最大值和最小值。

6.根据权利要求1所述的一种基于熵权法估算城市圈资源环境承载力的方法，其特征在于：采用客观熵值法确定指标权重的过程为：

a)在第j项指标下，第i个样本所占的比重:

b)计算第j项指标熵值：式中，k＝1/ln(n)>0.满足e_j≥0；

c)计算各项指标权重：

7.根据权利要求1所述的一种基于熵权法估算城市圈资源环境承载力的方法，其特征在于：评估承载力的情况，并对各指标进行模型评价过程为：

压力指数：

支撑力指数：

资源环境承载力指数(B)：

以压力指数和支撑力指数的比值表示资源环境承载力指数，以比值为1作为满载的临界值；若B<1时，表明资源环境压力指数值未超过支撑力指数值，城市处于可载的状态；若B>1时，表明超载状态。

8.根据权利要求7所述的一种基于熵权法估算城市圈资源环境承载力的方法，其特征在于：以0.5个单位B为一个区间范围进行划分，设计出资源环境承载力指数的综合评价标准：

当0<B≦0.50时，说明承载盈余，评价为好；

当0.50<B<1时，说明承载适宜，评价为较好；

当B＝1时，说明满载，评价为资源紧张；

当1<B≦1.5时，说明轻度超载，评价为较差；

当1.5<B时，说明严重超载，评价为差。