基于熵值法的城市生态安全评价环境学毕业论文

基于熵值法的城市生态安全评价目 录1 引 言12 基于熵值法的城市生态安全评价模型12.1 指标体系构建的原则12.2 构建指标体系22.3 确定指标权重32.4 构建评价模型53 平顶山市生态安全评价63.1 评价过程的计算63.1.1 评价指标权重的计算63.1.2 平顶山市生态安全综合指数的计算63.2 评价结果分析63.2.1 建立生态安全评价标准63.2.2 评价结果分析74 结论与对策9参考文献11致 谢121 引 言近几十年来，世界人口的急剧增长、资源的高强度开发和社会经济的快速发展，致使人地矛盾日渐突出，生态环境逐渐恶化，生态安全问题层出不穷。环境污染、生物入侵、自然灾害等逐渐成为了人们关注的焦点，生态安全问题已成为21世纪人类面临的诸多挑战中的一个主要内容。改善生态环境、提高生态系统的服务功能、建立国家生态安全体系以实现可持续发展，已成为各国政府的共识。目前关于生态安全概念，基本上存在着广义和狭义两种理解，广义的生态安全是指在人的生活、健康、安乐、基本权利、生活保障来源、必要资源、社会秩序和人类适应环境变化的能力等方面不受威胁的状态，包括自然、经济和社会所组成一个复合人工生态安全系统；狭义的生态安全是指自然和半自然生态系统的安全，即生态系统完整性和健康的整体水平反映1。平顶山市作为河南省和我国重要的能源工业基地，它在支撑和促进我国国民经济和社会发展过程中，做出了突出的贡献，与此同时，煤炭资源的不合理开发和利用也给这个城市造成了严重的环境污染和生态破坏，比如土地塌陷、大气污染、煤矸石占地和自燃、水体污染等，严重影响了区域的生态环境和居民的生存环境，人口、资源、环境和发展之间的矛盾非常突出，生态环境非常脆弱，如何改善生态环境，实现可持续发展是平顶山市目前面临的一个重要课题。国内外对生态安全的评价已由最初定性的简单描述发展为现今的定量判断，评价方法主要有数学模型法2、生态模型法3、景观分析法4及数字地面模型法5等，本文将信息论中的熵值理论引入到权重的计算中，建立基于熵值法的城市生态安全评价模型，对平顶山市过去十年的生态安全进行评价，一方面对平顶山市的生态环境重建，提高居民的生活质量，确保经济、社会、环境三大效率的良性循环，促进平顶山市的可持续发展有着重要的意义；另一方面可以有效避免评价标准不确定性带来的影响，在煤炭资源型城市生态安全评价的方法与实践方面做一些有益的、新的探索和尝试。2 基于熵值法的城市生态安全评价模型2.1 指标体系构建的原则要使城市生态安全评价结果具体化和定量化并且全面、准确、和科学地反映城市生态安全状况，就必须遵循一定原则来构建指标体系6。（1）科学性原则要通过科学的方法来建立指标体系，只有科学的指标体系才能进行科学的评价，也才能科学的反映生态安全状况。（2）规范性原则生态安全评价指标体系是一个由多项指标构成的体系，由于这些指标的性质和特点不尽相同，这就需要对各项指标进行分类和规范化处理，使各类指标的涵义、范围、量纲和计算方法等具有统一性，而且要在较长时间内保持不变，以保证生态安全评价指标的准确性和可比性。（3）可行性原则指标体系必须根据生态安全内涵的要求来设置，根据具体的生态安全内容来确定相应的指标体系，在进行生态安全评价时具有可行性。（4）层次性原则根据评价需要将指标体系分解为若干层次结构，使指标体系合理、清晰。（5）动态性和稳定性原则指标对时间、空间或系统结构的变化应具有一定的灵敏度，同时又保持指标在一定时期内的稳定性。（6）完备性和独立性原则能全面反映城市生态各个方面的特征和状况，各指标间相互独立或相关性小，避免包容和重叠，力求简而精。 2.2 构建指标体系基于PSR概念模型，通过对平顶山市这一煤炭资源型城市现状的调查和分析，同时根据对生态安全的内涵与生态环境要素的理解，并考虑到目前有关安全评价的各种方法7、811，本文在剔除了差别较大的指标，保留了侧重于生态环境方面的指标后，选取了针对平顶山市生态安全评价的指标体系，共27个指标，其中压力指标7个，状态指标10个，响应指标10个。（见表1）表1城市生态安全评价指标体系指标体系正/负性压力指标人口密度（人/km2）-0.040675人口自然增长率（）-0.032386城市人均居住面积（平方米/人）+0.015726城市人均水资源量（亿立方米/十万人）+0.022094工业废气排放量（亿标立方米）-0.038451工业废水排放量（万吨）-0.045342工业废渣排放量（万吨）-0.060057状态指标二氧化硫平均浓度（mg/km3）-0.056802二氧化氮平均浓度（mg/km3）-0.028754降尘平均浓度（吨/ km2）-0.024706区域环境噪声平均值（dB(A)）-0.061414建成区绿化覆盖率（%）+0.076506人均公共绿地面积（公顷）+0.041749工业废水排放达标率（%）+0.01298工业粉尘回收率（%）+0.015658固体废弃物综合利用率（%）+0.031271城市煤气普及率（%）+0.030682反应指标第三产业比重（%）+0.034339城市地表水质量（%）+0.039124全年环境质量优良天数（天）+0.048553全年造林面积（千公顷）+0.037236居民消费价格总指数（CPI）（100）+0.031809商品零售价格指数（100）-0.026207恩格尔系数（%）-0.014976城镇居民消费水平指数（100）-0.040421城镇居民人均可支配收入（元）+0.046619每千人拥有卫生机构床位（张）+0.0454622.3 确定指标权重熵是由物理学引入信息论的概念，是系统有序程度的一个度量，如果指标的信息熵越小，该指标提供的信息量越大，在综合评价中所起作用越大，权重就越高。按照熵思想，人们在决策中获得信息的多少和质量，是决策精度和可靠性大小的决定因素，而熵就是一个理想的尺度12。作为客观综合定权法，熵值法主要是根据各指标传递给决策者的信息量大小来确定权重。它能准确反映城市生态安全评价指标所含的信息量，可解决城市生态安全评价各指标信息量大、准确性低的问题。现平顶山市有m年的统计数据，每一年中反映平顶山市生态安全评价指标有n个，设为矩阵：（i=1，m j=1，n）式中，是第j年的第i个指标上的统计值、为消除指标间不同量纲、数量级的影响，计算统一化，需要对进行标准化。但是所选取的指标有正有负，所谓正项指标是指指标值越大，越有利于城市生态安全；反之，负项指标越大，越不利于城市生态安全。（如表1）因此在进行标准化之前需要首先对所有指标进行正项化处理。其处理方法如下13：对于正项型的指标： （1） 对于负项型指标： （2）式中，是处理后的数据，是原始统计数据，为m年某指标统计数据中的最大值，为m年某指标统计数据中的最小值，n为指标个数。通过数据的正项化处理后，就可以对各个指标进行标准化处理了，本文采用线性标准化处理，具体方法如下： （3）式中，是标准化后的数据，设标准化矩阵为。对标准化后的统计数据可计算各指标的信息熵。第i个指标的信息熵可定义为： （4）式中，与样本数m有关，其中，。若=0，则可取其为0.000001代替计算。在指标熵值确定后就可以根据下式来确定第i个指标上的熵权： (5)由此可见，当各被评价对象在指标上的值相差越大 ，其熵值越小 ，而熵权越大 ，说明该指标向决策者提供的有用信息越多。从信息角度考虑，它代表该指标在该问题中提供有用信息量的多寡。当评价对象确定以后，再根据熵权对评价指标进行调整、增减，以利于做出更精确、可靠的评价14。2.4 构建评价模型国内外学者对于生态安全的评价多采用的有综合评价法、灰色关联度评价法、生态足迹评价法、模糊综合评价法等15。本文将采用综合评价法，根据所选取的PSR评价指标体系，利用综合指数的计算方法，来定量的评价平顶山市的生态安全。目前该方法已在环境污染综合评价、生态环境质量评价等领域得到广泛应用 ，其具体评价模型为: (6)式中，为综合评价指数，为第i个指标的权重值，为其无量纲化值，n为评价指标个数15。运用综合评价法时，最关键的是指标权重的确定。目前主要确定指标权重的方法有层次分析法、主成分分析法、专家打分法和熵值法等等。由于主观确定权重的方法会随着主观者的阅历、观点以及所处的环境等因素的影响，所以任意性和主观性较强。再者，城市生态系统是一个经济-社会-环境的复合生态系统，成分复杂，指标繁多，因此，人为给出的指标权重就不能真实的表达研究区域的真实情况。故本文将采用熵值法来确定评价指标的权重。在对平顶山市进行生态安全评价时，着重考虑了统计值相差较大的指标，除去了指标间差异性不大的指标。在计算出各个指标权重之后，将他们代入综合评价法，这样就可以得到较为准确的的综合评价结果。因此，应用熵值法对城市生态系统进行生态安全评价不仅可以对繁多的评价指标进行适当的选取，以得到最能反映城市生态安全状况的指标，同时还可以得到各评价指标的客观权重，从而最大程度保证了生态安全评价结果的准确性和客观性。3 平顶山市生态安全评价3.1 评价过程的计算3.1.1 评价指标权重的计算根据所构建的评价指标体系，以20002009年平顶山市十年的统计年鉴、环境质量公报以及平顶山市环境保护局的监测数据为基本数据来获取所需27个指标的统计数据。并建立原始数据矩阵，根据公式（3）对其进行标准化，将标准化结果代入公式（4）进行各指标信息熵，最后将代入公式（5）得到各指标的熵权。各评价指标权重见表1。3.1.2 平顶山市生态安全综合指数的计算采用综合评价模型，将代入公式（6）即可得到平顶山市生态安全综合评价值表2。表2 生态安全综合指数及各分指数评价值1999200020012002200320042005200620072008综合指数0.08590.08250.07800.08290.08630.08680.10320.11810.13150.1343压力指数0.03090.02740.02550.02840.03230.02570.02900.01900.01610.0098状态指数0.02610.03100.02990.02080.02450.03530.03750.05280.06230.0603反应指数0.02890.02410.02250.03380.02950.02580.03670.04630.05310.0642安全等级3.2 评价结果分析3.2.1 建立生态安全评价标准评价标准的设定，是要构建一套衡量生态环境质量的定量参考体系。它决定着人们对区域生态环境状况的认识和价值取向。由于评价指标标准的地域性、复杂性与动态性，目前国内外尚无统一公认的城市生态安全评价标准。本文通过分析和借鉴国家和行业规定的标准、研究区生态环境背景值或本底值、类比标准、国际或国内相关文献中的相关研究成果1620，结合城市生态安全综合评价指数的计算公式，可以得出城市生态安全的取值在00.20之间，计算的结果越接近0.20，城市生态越安全；结果越接近0，城市生态越不安全。实际进行城市生态安全评价时，具体的判别可参照表3的标准进行。表3 生态安全评价标准等级综合指数所处状态00.03极不安全状态0.030.06不安全状态0.060.10临界状态0.100.15较安全状态0.150.20安全状态对应表3的生态安全等级标准，可以得出19992008年各年所处的生态安全等级，如表2，19992004年平顶山市的生态安全一直处于第个等级，即临界状态；2005、2006、2007、2008年的生态安全处于第等级，即较安全状态。3.2.2 评价结果分析由表3及图1可以看出，平顶山市生态安全评价综合指数总体上从1999年以来呈现上升趋势并趋于稳定状态。大致上可以分为三个阶段：19992004年上升缓慢，20052007年生态安全上升速度加快，到2008年后上升的速度又降了下来。平顶山市是典型的煤炭资源型城市，19992004年之间，平顶山市主要依靠煤炭发展的煤炭工业、煤化工工业、煤电力工业等，废气、废水、废渣的排放量相对较多，对环境的污染相当严重，因此生态安全综合指数维持在临界状态。在2005年以后，由于国家政策的调整，生态省、市的建设使得平顶山市抓住了生态发展的机遇，大力发展循环生态经济，注意到了对城市生态环境的改善，开始进行国家园林城市和国家卫生城市的创建工作，努力做到环境、社会、经济协调发展，使得生态安全综合指数达到了较安全状态。但是从表2和图1平顶山市生态安全综合指数来看，2005年以后一直呈上升趋势，2007-2008上升的趋势开始变缓，这说明平顶山市在生态城市建设的前两三年效果明显，生态安全指数有较大提高，但是平顶山随着城市人口不断增多，城市化水平的不断提高，城市规模的不断扩大，同时还存在着产业结构不合理，第二产业比重较大；资源浪费严重，管理滞后；空气污染严重，工业废水、废渣排放量仍然很大；社会福利保障体系不完善，城市宜居性较差等，制约着平顶山市的社会经济和环境的协调发展，在2008年城市生态安全上升指数开始变缓，因此在以后的发展过程中仍然需要在产业结构调整、生态保护、环境治理、人居环境方面做出更大的努力。图1平顶山市历年生态安全综合指数及PSR分项指数压力指数是指人类经济社会活动引起的资源环境及社会的压力因素；状态指数是指资源环境及社会经济当前所处的状态和趋势；响应指数是指人类在环境、社会经济活动中的主观能动性的反映21。平顶山市经济社会发展给自然资源和环境带来压力，使生态环境退化、自然资源耗费，同时资源优化利用和环境保护措施对这些压力和状态又产生响应。结合PSR各分项指数，可以更好的分析生态安全评价因子的贡献率和影响平顶山市生态安全的因素。压力指数前期呈现上升趋势，说明人口增长和工业污染问题一直是制约平顶山市生态安全建设的主要因素，但是从2005年以后，由于平顶山市按照“布局更集中、产业更集群、要素更集聚、资源更集约”的要求，大力建设生态园区、生态走廊、循环经济工业园，全面发展循环经济和生态城市建设，从而降低了压力指数，缓解了环境压力。但是工业用水量的增加使得城市人均水资源量逐渐减少，在下一步的发展中应该提高水资源的利用效率。状态指数总体上呈现上升趋势，显示了平顶山市自然资源和生态环境具有较高的承载力，丰富的资源为平顶山市生态安全提供了有力支持。生态城市建设使人居环境得到改观。人均公共绿地面积和建成区绿化覆盖率、工业废水排放达标率、工业粉尘回收率、固体废弃物综合利用率等指标一直呈增长态势，说明平顶山市在这十年间，注意了经济、社会、环境、生态的协调发展，从而维持了很好的发展状态。反应指数大致上呈现上升趋势，但是前期较缓慢，在2005年以后上升速率加快，这充分反映了平顶山市所进行的资源优化、环境保护、产业调整、经济转型对经济社会发展起到了很好的作用。第三产业比重的增加、全年环境质量优良天数的增多、恩格尔系数的减小等都印证了这一点。但是原始数据看，CPI居高不下，各项指数的指标值保持在较高的水平，说明平顶山市在进一步提高生态安全水平上遇到了瓶颈，因此必须寻找更加有效的措施。4 结论与对策本文在对平顶山市自然、经济、社会方面全面分析的基础上，应用PSR模型，对平顶山市生态安全现状进行了分析评价。研究表明：平顶山市生态安全总体上处于上升趋势。状态指数在生态安全建设中贡献较大，平顶山市丰富的自然资源和生态环境建设成果为此提供了保证；压力指数由大变小，反应指数增长稳定。当前平顶山市生态安全水平虽然呈现上升态势，但上升趋势变缓。这说明平顶山市需要加快生态安全建设的步伐，促进生态环境和社会经济良性发展，将生态安全保持在一个较合理的水平。在现有的生态安全环境承载力范围内，以建设环境友好型和资源节约型社会为契机，平顶山市应该加强城市生态安全研究，为未来的城市可持续发展提供依据。结合相关研究成果，提出一些建议：转变经济发展方式，调整产业结构，发展新兴产业。比如大力发展旅游业，开发旅游产业优势；注重工业生态园区的规划建设，培育高精尖产业；加快公共服务产业的发展，促进就业等。加大环境污染综合治理。平顶山市应加强对高污染企业的治理，推行清洁生产，发展循环经济；加大环境治理投入，提高污染治理率；加大环保宣传，工业污染和生活污染控制相结合。实施生态环境重建。注重低山丘陵水土流失的治理，采煤塌陷区的生态恢复，大力发展生态农业等。优化土地利用结构。保护耕地资源，提高土地利用率，治理废弃土地，合理控制城市扩张等。改善城市环境，加大绿地公园的建设。比如加大住宅区绿地、健身场所绿地的建设。当前，城市生活压力增大，城市生态环境又得不到根本改善，远途旅游不能满足城市居民休憩的需求，城市郊区短距离旅游需求巨大。平顶山市周边有丰富的丘陵景观，可以建设环城市游憩带。建设和谐城市、生态城市，提高城市宜居性。完善基础设施和社会保障体系，加强公共交通和生活设施的建设，提升商贸服务业水平，优化城市空间结构，改善人居环境，建设宜居城市。参考文献1 肖笃宁,陈文波等.论生态安全的基本概念和研究内容J.应用生态学,2002,13(3):354358.2 姜启源,谢金星,叶俊.数学模型(第三版)M.北京:高等教育出版社.2008 .3 S.E.Jrgensen(丹麦).生态模型法原理M.上海:上海翻译出版公司.1990.4 陈星,周成虎.生态安全:国内外研究综述J.地理科学进展,2005,24(6):277283.5 沙从术,耿宏锁,赵传慧.数字地面模型的构建和应用J.河南科技.2006.6 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谢四年的大学生活转瞬即逝，在毕业论文付梓之际，我在此向三年来所有关心、支持、帮助和爱护我的老师、同学及家人表示深深的感谢。本文是在指导老师的悉心指导下完成的，从论文的选题、开题设计、数据的收集和处理直至成文，每一个环节都渗透着指导老师的心血和辛勤的汗水。在论文完成之际，谨向她致以最衷心的感谢和崇高的敬意。在对我的论文指导中，老师给予了启发和指导，培养了我独立思考问题、解决问题的能力，这将使我以后的学习和工作受益匪浅。在论文完成之际，再次向迪老师表达我最诚挚的敬意和最衷心的感谢。感谢在大学学习期间的各位任课老师，是你们渊博的知识搭起了本论文的写作骨架，也是你们传授的知识使学生得以顺利完成论文的设计和撰写.感谢环境与地理科学系和图书馆部分老师所给予的关心和帮助，你们是学生安心学习、工作的大后方。在此，特别地感谢您们！由衷地感谢我的家人，正是有了他们的关爱和理解，我才能顺利的完成学业。他们给予我的无私而真挚的爱，我将会永远铭记在心！大学毕业是人生一个阶段的结束，但更是另一个阶段新的起点，今后的路还很长。我要带着恩师的重托、带着亲人的理解和支持，踏上新的征程。最后，再次感谢曾经关心过我的所有老师、同学、朋友以及家人!12