基于綜合評價模型的生態保護建設研究

陳懷廣,劉志文,孫新澤,李 想

山東建筑大學 理學院,山東 濟南 250101

由于氣候變化、生物多樣性的喪失和環境污染,人類正在使地球成為一個支離破碎、越來越不適宜居住的星球。為了實現2030年可持續發展目標和21世紀中葉碳中和的目標,人們必須使用更加科學的手段、作出更大膽的決策,在保護人與自然的活動中持續創新[1-4]。于德永等[5]研究了揭示聯合國可持續發展目標(SDGs)框架下中國可持續發展的水平、時空格局和影響因素,提出了向可持續發展轉型和過渡的調控策略。

近年來,我國賽罕壩林場從沙漠中恢復,現已成為具有穩定防沙功能的環保綠色農場。研究塞罕壩對北京生態環境的影響,有助于將塞罕壩的優勢推廣到全國乃至世界。要想全面反映出生態建設帶來的影響僅用幾個指標是不足的,也說明不了問題,而是需要反映各方面若干個指標來評價[6-10]。針對本文中塞罕壩生態保護建設的評價模型中,采用多指標綜合評價方法,即從兩大方面選取指標:一是直接從環境的角度選取多個指標,例如森林覆蓋率、涵養水源和二氧化碳吸收量;二是從對城市的效益方面選取多個指標,例如城市的能見度、降水量和風速。本文綜合考量選取地區的主要的環境因素的特點,依據數據自身的特點從備選庫中動態挑選出適合區域特征的指標,從而真正實現了客觀選取指標,差異化評價不同區域的目標,建立適合各地區的指標體系[11-12]。

根據現有的指標體系建立了基于熵權法的TOPSIS評價模型。TOPSIS評價模型在設計權重時主觀性較強,此外不確定指標的選取個數為多少適宜,當指標或者方案層數量較多時,兩兩比較得出的判斷矩陣和一致矩陣可能會出現較大的差異。熵權法[13-15]是一種客觀賦權法,避免了人為因素帶來的偏差,相對主觀賦值法,精度較高客觀性更強,但是忽略了指標本身重要程度。為解決這些問題,本文提出利用熵權法確定指標權重,帶入TOPSIS評價模型[16-20]。此外為了驗證指標選取個數的準確性,以及解決熵權法忽略了指標本身重要程度的問題,建立基于層次分析法[21-23]的TOPSIS評價模型,根據兩個模型實驗結果客觀化評價模型的準確性。選取北京地區作為典型樣區,建立模型篩選指標,構建了適合地區特點的指標體系,分析顯示:北京地區受塞罕壩生態建設的影響,環境水平較生態保護建設之前明顯提高,抗沙能力明顯增強,浮塵、霧霾天氣出現次數明顯下降。

為了研究全國生態狀況,建立了基于主成分分析法的數學模型。主成分分析方法是一種多元統計分析方法,它可以簡化數據結構,綜合數據信息,因而得到廣泛的應用。但主成分分析法應用的必要前提是各變量之間不能相互獨立,如果原變量之間相互獨立,主成分就是原變量本身,應用這種分析方法就沒有意義[24-31]?；诖?本文指標的選取存在關聯性滿足主成分分析法的要求,同時綜合考慮各省經濟、人口、土地面積等情況,采用主成分分析法對各省進行打分評價,以閾值為評分標準,評分標準低于閾值的省份,建立生態保護區。本文就塞罕壩生態保護區進行研究,塞罕壩位于河北省,閾值的確定根據河北省打分情況確定。各省生態保護區的建設按照河北省的生態保護建設比重進行建設。

1 綜合評價模型的提出與建立

為充分考慮賽罕壩林區對環境的影響,需要從塞罕壩林區的建立對其當地環境變化的影響和對其周邊省市環境變化影響兩個角度出發,確立了評價指標體系。由于各個城市與塞罕壩的距離不同,進而對周邊環境的影響程度不同,這要求以距離為權重對各個城市的指標進行加權平均得到最后的綜合指標。通過收集的各個指標的數據發現,塞罕壩當地及其周邊城市的環境質量在不斷改善。在得到以時間為維度的數據下,建立綜合評價模型,對各個年份的環境質量進行打分,定量分析得到生態區的建立對環境改善起到了重要作用。

1.1 評價指標的選擇

1.1.1 塞罕壩生態環境影響評價指標的選擇

塞罕壩對環境的影響可歸結為兩個方面:一方面是塞罕壩的建立對其當地環境的影響,另一方面是其建立對周邊城市的影響。一級指標為對當地環境的影響(自身改善力)、對周邊城市環境的影響(功能輻射力),對于前者,選取了二級指標森林覆蓋率、涵養水量、二氧化碳吸收量3個,如圖1所示。對于后者,我們以北京(A1)、承德(A2)、赤峰(A3)、張家口(A4)4個城市為例,選取能見度、降水量以及風速3個二級指標。

圖1 賽罕壩環境影響指標

考慮到城市之間距離不同受塞罕壩影響程度不同,將城市與塞罕壩之間的距離作為權重,北京(A1)、承德(A2)、赤峰(A3)、張家口(A4)4個城市為例,選取能見度、降水量以及風速為城市指標(i=4、5、6)。

ωAj為某城市的距離權重,Aij為某指標的權重。

1.1.2 塞罕壩生態的恢復對北京抗沙塵暴能力的指標選取

選取揚塵次數、浮塵次數、沙塵暴次數3個指標來反映塞罕壩對北京抗沙塵暴能力的影響,3個指標的數據越小,證明抗沙暴能力越強,塞罕壩的建立對其抗沙塵暴能力的影響越顯著。

對上述指標體系運用基于熵權法的TOPSIS綜合評價模型與基于層次分析法的TOPSIS綜合評價模型,通過主觀與客觀相結合的方法,對揚塵次數、浮塵次數、沙塵暴次數3個指標計算綜合評價指數。

fi=(f1,f2,…,fm),i=1,2,…,m。 (2)

1.1.3 全國生態環境指標的選取

現計劃將塞罕壩生態保護區推廣到全國地區,收集全國各地區的二氧化硫平均濃度、二氧化氮平均濃度、可吸入顆粒物年平均濃度、工業二氧化硫排放量、工業氮氧化物排放量、工業顆粒物排放量、平均溫度、平均相對濕度、森林覆蓋率、地表水資源量、單位面積內的地表水資源、各省單位面積內年降水量作為生態保護區的指標,如圖2所示。

圖2 國家生態環境評價指標體系

1.2 基于熵權法的TOPSIS環境狀況綜合評價模型

熵權法是一種客觀確定權重的方法,指標的方差越小,隱含的信息也越少,所占的權重也越小,即通過數據的本身獲得指標的權重。

由于賽罕壩環境影響指標體系中的指標都是效益型指標,無需進行正則化處理,為消除數據的量綱和數量級的影響,對數據進行標準化處理。

對數據矩陣:

X1=(xij)60×3,

X2=(xij)42×3, (3)

其中X1、X2為兩個一級指標下各指標對應的數據矩陣。

進行標準化處理,得到標準化后的指標數據矩陣Z,其中

計算對應數據矩陣的概率矩陣P:

為了度量數據所包含信息量的大小,我們引入信息熵的概念,信息熵越大,數據所包含的信息越少

第j個指標的權重為

將熵權法得到的各指標權重帶入TOPSIS評價模型。

對指標中的數據進行標準化處理,得到規范化決策矩陣,即

其中i表示年份,j表示指標個數。

根據熵權法的權重向量,構造加權規范矩陣C,則

評價體系中的指標都為效益性指標,計算其正理想解與負理想解,公式如下:

最后的到各環境評價指標的綜合評價指數

1.3 基于層次分析法的TOPSIS環境狀況綜合評價模型

AHP是對定性問題進行定量分析的一種簡便、靈活而又實用的多準則決策方法。它的特點是把復雜問題中的各種因素通過劃分為相互聯系的有序層次,使之條理化,根據對一定客觀現實的主觀判斷結構,把專家意見和分析者的客觀判斷結果直接而有效地結合起來,將一層次元素兩兩比較的重要性進行定量描述。如圖3所示,建立層次分析結構圖。第一層為目標層,即選擇塞罕壩的建立對生態環境影響的關鍵指標;第二層為準則層,包括自身改善力、功能輻射力;第三層為方案層,包括P1、P2、P3、P4、P5、P6六個影響指標。

圖3 AHP結構圖

對結構圖中的各層建立兩兩判斷矩陣,求得各指標權重ω={ω1,ω2,ω3,ω4,ω5,ω6},圖4為層次分析算法流程。將由層次分析法得到的各指標權重,帶入到TOPSIS評價模型當中進行計算,這里TOPSIS評價模型的使用與上述基于熵權法的TOPSIS評價模型中使用相同。

圖4 算法流程圖

1.4 基于主成分分析法的數學模型

主成分分析(principal components analysis,PCA)也稱為主分量分析,是一種通過降維來簡化數據結構的方法:如何把多個指數化為少數的幾個綜合指標,而這幾個綜合指標的變化可以反映多個指標的大部分信息。主成分分析的目的是從原始的多個變量取若干個線性組合,盡可能多地保留原始數據中的信息。

由于國家生態環境指標的選取不光為效益型指標,還有成本性指標,首先進行正則化處理,為消除數據的量綱和數量級的影響,對數據進行標準化處理。處理方法如下:

計算出相關系數矩陣R=(rij)5×5,并計算出特征值和特征向量:

式中:rii=1;rij=rji,rij為第i個指標與第j個指標的相關系數。

矩陣的R的特征值λ1>λ2>…>λ12>0,及對應的標準化特征向量μ1,μ2,…,μ12,其中μj=[μ1,μ2,…,μ12j]T,由特征向量組成12個新的指標變量:

式中:y1為第1主成分;y2為第2主成分;…;y12為第12主成分。

選擇p(p≤12)個主成分,計算綜合評價值,這里我們選定河北省的綜合評價值為評價標準,由模型分析其他省份綜合評價值小于河北省,則需要建立生態保護區。

綜合評價值:

式中bj為第j個主成分的信息貢獻率,根據綜合得分可以進行評估。

通過綜合評分選出分數小于河北省的都建立生態保護區,并且我們已知塞罕壩生態保護區的面積為93 hm2,塞罕壩林場的年固碳量為747 kt,生態保護區的建立需要統計各省的土地面積、經濟狀況因素,經查資料知河北生態保護地面積為200 km2,通過熵權法,計算出兩類指標的權數(G1,G2)進行打分k,從計算出建立的各個生態保護區的面積L和固碳量O。

式中:Bi某省經濟占所選省份經濟比,Ai某省面積占所選省份面積比,n生態保護區面積與固碳量之比,i為所選省份。

2 數據的收集與結果的分析

2.1 基于熵權法的TOPSIS評價模型結果

通過對往年的統計年鑒和文獻的收集與整理,搜集了塞罕壩從1962年至2021年間在評價指標體系下P1、P2、P33個指標的數據,通過對該數據的可視化圖5可看出,3組指標在1962至2021年之間呈上升趨勢,初步反映塞罕壩當地的生態環境逐年得到改善,體現出塞罕壩的建立對生態環境起到了顯著作用。

圖5 塞罕壩生態環境變化圖

利用MTALAB軟件,運用熵權法對數據矩陣data進行求解,得到在該方法下求得的6個指標的權重,如表1。

表1 熵權法計算得到6項指標的權重

在自身改善力下的涵養水量與二氧化碳吸收量兩個指標權重較大,說明兩者更能反映塞罕壩的建立對其當地環境的影響程度,而在功能輻射力中,綜合可見度指數占比較大,達85%,塞罕壩對周邊城市環境的影響程度主要由該指標反映。

將熵權法計算得到6項指標的權重代入TOPSIS算法中,運用MATLAB軟件求解出反映生態環境質量的綜合評價指數并將數據可視化(得分越高,對環境越有益),如圖6、圖7所示。

圖6 自身改善力得分圖

對結果進行分析,以1994年為界,塞罕壩當地的生態環境得到明顯提高(見圖6),周邊城市的環境改善不明顯(見圖7),分析可能隨著工業科技的發展,工業水平大大提高,工業排污量也大大提高,也可能與地形地貌、城市當地環境問題有關,塞罕壩的調節功能有限。

2.2 基于層次分析法的TOPSIS評價模型結果

在主觀賦權中,運用層次分析法,構造判斷矩陣M-C,C1-P,C2-P如表2、表3、表4所示。

表2 M-C判斷矩陣

表3 C1-P判斷矩陣

表4 C2-P判斷矩陣

將3個判斷矩陣求得的權重以及一致性檢驗指標CRj編入表5。

表5 層次分析法權重計算結果

CRj值均<0.1,都通過了一致性檢驗。各指標占比與熵權法結果一致,保證了數據的真實性。

將層次分析法計算得到6項指標的權重代入TOPSIS算法中,運用MATLAB軟件求解出反映生態環境質量的綜合評價指數并將數據可視化,(得分越高,對環境越有益)如圖8和圖9所示。

圖8 自身改善力得分圖

通過對基于層次分析法的TOPSIS評價模型結果分析,對基于熵權法的TOPSIS評價模型結果進行比對分析,基于層次分析法的TOPSIS評價模型結果各指標占比與熵權法結果一致,保證了數據的真實性,反映了我們模型建立的準確性。

2.3 數據處理與結果分析

運用熵權法和層次分析法確定揚塵次數、浮塵次數、沙塵暴次數3個指標的為權重ω1=[0.326,0.225,0.449],ω2=[0.401,0.196,0.403],代入到TOPSIS算法中算的綜合評價指數中,并將數據進行可視化(得分越高,反映了塞罕壩生態的恢復對北京抗沙塵暴能力發揮越大作用),如圖10和圖11所示。

以1994年為界,將1994年前后的綜合評價指數求平均值,在基于熵權法的TOPSIS模型下,均值分別為0.707 3、0.880 5,在基于層次分析法的TOPSIS模型下,均值分別為0.678 8、0.880 0,可直觀的反映出塞罕壩林場的建立對北京的抗沙塵暴起到了顯著作用。

2.4 建立生態保護區地區的實驗處理與結果分析

利用主成分分析法,分析主成分,將數據標準化處理,然后對各個地區的環境相關信息進行打分,同時選定河北省的綜合評價分數作為評分標準,選出建立生態保護區的地區。需要建立保護區的地區打分情況如表6所示。

因塞罕壩生態保護區位于河北省,選定河北省的得分為閾值,其他地區得分低于閾值的則需要建立生態區。由表6可得出建立生態保護區的地區:北京、天津、山西、內蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、山東、河南、西藏、甘肅、青海、寧夏、新疆。然后計算各自的權重,并通過河北省塞罕壩生態保護區的面積和固碳量計算出各生態保護區的面積及其對國家碳中和的影響,如表7所示。該方式為國家碳中和貢獻2 602×104t。

表7 各省應建立生態保護區面積以及碳封存量估計

3 結 論

針對綜合評價模型的生態保護建設,以塞罕壩生態恢復的影響為例,得出以下結論:

(1)根據塞罕壩生態環境數據,森林覆蓋率、涵養水源等6個指標,建立基于熵權法的TOPSIS評價模型,分析塞罕壩生態環境保護區修復前后,對當地環境的影響,以及對周邊城市的影響。以1994年為界限,該模型結果顯示1994年前后綜合環境指數平均分分別為0.047 5、0.458 0。1994年以后的平均得分為0.458 0,較1994年之前的0.047 5得分大大提高,反映了近年塞罕壩當地生態水平的大幅度改善;以北京生態狀況為例,研究塞罕壩生態的恢復對周邊城市抗沙能力的分析,對揚塵次數、浮塵次數、沙塵暴次數3個指標計算綜合評價指數。結果顯示1994年前后北京抗沙塵暴得分別為0.707 3、0.880 5,1994年后得分0.880 5較1994年前的得分0.707 3也有提升,反映了塞罕壩生態對城市周邊抗沙能力的提高?？傮w來看反映了塞罕壩生態的恢復對環境的改善。

(2)為了檢驗實驗結果的準確性,使用相同的的環境實驗數據,選取相同的環境指標,建立基于層次分析法的TOPSIS評價模型。結果顯示,以1994年為界限,基于層次分析法的TOPSIS評價模型結果中1994年前后綜合環境指數平均分分別為0.067 4、0.445 1。生態恢復后生態評分與結論(1)中基于熵權法的TOPSIS評價模型的結果基本吻合。同時由基于層次分析法的TOPSIS評價模型得到的北京抗沙能力結果,1994年前后北京抗沙塵暴得分別為0.678 8、0.870 0,1994年后得分0.870 0較1994年前的得分0.678 8有提升,與結論(1)吻合。從而證明了實驗結果的準確性。

(3)分析了所有省份的環境相關數據,并通過主成分分析對所有省份的指標進行評分。以河北省指標得分為評價標準。得分低于河北省的省份需要建立生態保護區:山西、內蒙古、遼寧等收集上述省份的經濟和土地面積,使用熵權法計算各自的權重,并通過河北省塞罕壩生態保護區的面積和固碳量計算出各生態保護區的面積及其對國家碳中和的影響,為國家碳中和貢獻2 602×104t。