基于数学模型的泰安市生态环境质量综合评价

范萍,刘静

基于数学模型的泰安市生态环境质量综合评价

范萍,刘静

泰山职业技术学院, 山东 泰安 271000

生态环境是人类生存和发展的基础。我们从环境保护、自然环境、经济发展、社会环境的角度，选取了28个单项指标，构建了泰安市生态环境质量评价指标体系。运用层次分析模型确定各项指标权重，并应用模糊综合评判模型分析2010~2016年间的生态环境质量现状。结果表明：七年来，泰安市生态环境质量综合评价等级值由1.7973到1.2636，生态环境质量等级由“良好”变“优秀”，自2013年以来始终处于“优秀”等级，评价结果符合泰安市的实际情况. 该研究为泰安市生态环境建设的可持续发展提供科学依据，为其他城市生态环境质量评价提供一定的参考。

生态环境质量评估; 层次分析模型; 模糊综合评判模型

党的十九大报告提出，坚持节约资源和保护环境的基本国策，像对待生命一样对待生态环境，实行最严格的生态环境保护制度，形成绿色发展和生活方式，为人民创造良好生产生活环境，为全球生态安全作出贡献。生态环境由于人类的密集活动引起了城市环境污染与自然环境退化等严重问题，因此社会发展与环境保护之间的和谐关系成为城市发展急需解决的环境问题。城市生态环境是一个复合生态系统，各层次子系统与各要素之间相互联系，形成了多层次、多因子构成的综合性很强的统一体[1]。因此，泰安市生态环境质量评价要根据研究目的，在分析城市生态环境现况及问题基础上，借鉴国内学者研究生态环境质量的相关文献，构建了合适的指标体系与评价标准，运用合理的评价方法，对城市生态环境质量的优劣情况进行了定性与定量相结合的分析与评价，以综合治理环境污染，促进城市生态系统良性循环，以优化城市发展与环境保护的关系，为泰安市的生态环境发展走上可持续道路提供有效依据。

1 评价指标体系

生态环境系统复杂，因子众多，只有选择合理的评价指标因子，才能建立起层次分明的指标体系，以保证评价研究结果的有效性。本文依据国家环境保护总局《生态县、生态市、生态省建设指标(修订稿)》，并且参考了李博等[2]提出的沈阳市生态环境指标体系，李加林[3]对沿海城市生态环境质量评价，陈淑清等[4]建立的滨州市环境指标体系的研究成果。根据指标选取的科学性、可比性、独立性、层次性与可获得性五个原则，以复合生态系统理论为基础，建立了泰安市生态环境综合评价指标体系，该体系包括三个递阶的层次结构：第一层为目标层，为泰安市生态环境；第二层为准则层，包括环境保护、自然环境、经济发展和社会环境四个质量因素，它们共同决定着泰安市生态环境质量的优劣；第三层为指标层，是表述准则层可直接获得的统计指标，共计28个指标（表1）。

表 1 泰安市生态环境评价指标、评价标准及2016年实际指标值

2 指标评价标准

由于生态环境质量概念模糊，因此需要一定的标准作参考。确定指标标准值的原则是：有标准的指标，应采用国际或国家规定标准；无标准的指标，首先参考国内外城市的现状值，其次依据现有的定量分析理论，最后参考现有的文献资料来确定标准值。本文依据《国家环境保护模范城市考核指标及其实施细则》中的环境保护模范城市考核指标及生态市评价标准，参考国家及大量文献的标准[5-8]，同时结合泰安市的实际情况，将指标的评价标准分为五个等级，分别用I、II、III、IV、V来表示优、良、一般、差和较差。28个指标的评价标准如表1所示。

3 评价方法

3.1 层次分析法

层次分析法由美国运筹学家Saaty教授提出，是定量与定性分析相结合解决复杂生态系统评价决策分析的通用方法，是利用一定标度来客观量化人的主观判断[9]。由于层次分析法在综合评价中比较客观，因此广泛应用于区域生态环境质量评价等方面。层次分析法确定各项指标权重的步骤如下：

3.1.2 层次单排序利用方根法求解判断矩阵;计算判断矩阵的特征根和特征向量，可得权重值。

3.1.3 检验判断矩阵的一致性计算一致性指标和一致性比例。

泰安市2010~2016年生态环境指标的实际数据主要来源于《山东省统计年鉴》，《泰安市统计年鉴》，《泰安市国民经济和社会发展统计公报》，《泰安市环境状况公报》等，个别数据采用城市指标均值或结合泰安市历年数据推算得出。如表1最后一列所示的即为泰安市2016年实际指标数值。标准层权重见对应指标下方。

3.2 模糊综合评判法

模糊综合评价法建立在模糊数学原理上的一种多级评判模式，模糊集理论由美国控制论专家Zadeh LA创立。我国学者汪培庄根据此理论提出了模糊评价法，该法特别适合处理各种难以用精确数学方法描述的复杂系统问题。主要思路是：通过构造等级模糊子集，将被评事物的模糊指标量化；通过建立隶属函数，确定出每个评价因子对评价标准等级的隶属度；再运用综合数学模型得出评价等级结果[11]。

4 实证分析

本文运用层次分析模型与模糊综合评判模型对城市的生态环境质量进行综合评价，由于模糊综合评判模型的使用需要设置指标权重，权重反映了各因子对评价对象特性的贡献度，只有对每一评价指标给以合理的权重值，才能保证评价结果的准确性与客观性，而权重设置的方法不能过分单一、主观，应考虑学术界科学方法和泰安发展的实际，因此首先采用层次分析法确定指标权重；然后运用模糊综合评判模型研究2010~2016年之间泰安市生态环境质量等级及环境质量变化情况。

4.1 层次分析模型确定指标权重

结合3.1中的三个步骤，根据表1建立的指标体系，首先综合多位专家意见与泰安市环境的实际情况，结合数据资料，量化各指标因子之间的重要程度，加以平衡后得出判断矩阵[2,12-14]；然后利用方根法计算矩阵的最大特征根,再分别计算与的值，检验结果均满足<0.1，则判断矩阵接近于完全一致性。上述运算过程结合Matlab软件完成，限于论文篇幅，不再赘述具体运算过程，计算得出准则层与指标层各评价因子的权重值的结果如表1所示。

4.2 模糊综合评判模型分析生态环境质量现状

4.2.1 确立评判等级本文的因素集是泰安市生态环境质量，分为环境保护因素1，自然环境因素2，经济发展环境因素3，社会环境因素4，即={1,2,3,4}。

四个因素子集分别为：1={11,12,13,…,17}，2={21,22,23,…,26}，3={31,32,33,…,37}，4={41,42,43,…,48}。

决策评判集合={优，良，一般，差，较差}。

4.2.2 根据评价标准确定隶属函数首先建立隶属函数，就是通过函数运算来确定每个因子对评价等级的隶属程度。由于评价指标与生态环境质量状况变化可分为正向和逆向两种关系，正向指标是当指标数值越大，生态环境质量越好，反之则是逆向指标。

（1）正向指标的隶属函数：

（2）负向指标的隶属函数：

其中：为各指标的实际值，1，2，3，4，5分别表示生态环境各指标的评价标准的质量等级I、II、III、IV、V；英文小写字母a，b，c，d，e，f表示公式的编号。

根据表1中的评价标准和泰安市2016年生态环境指标的实际数据，构造的模糊评价矩阵分别用1，2，3，4表示。

4.2.4 单因素评价利用层次分析模型确定出的指标层各评价因子的权重值结果，将指标层对准则层指标的评价作为第一级评价。如表1所示，指标层X对准则层X(=1,2,3,4)的权重分别为：

1={0.114 0.121 0.157 0.123 0.124 0.181 0.181}；2={0.282 0.041 0.101 0.175 0.330 0.071}；3={0.141 0.094 0.099 0.099 0.128 0.194 0.245}；4={0.195 0.192 0.083 0.083 0.137 0.106 0.119 0.085}

第一级评价计算公式：A=W·R(=1,2,3,4)；代入上面的数据计算得：

同理可得：2=2·2={0.282 0.3102 0.3274 0.0761 0.0043}；3=3·3={0.5032 0.1906 0.613 0 0.245}；4=4·4={0.422 0 0.2794 0.1252 0.1768}

因此

4.2.5 综合评价层次分析模型确定出的准则层各评价因子的权重值，将准则层对目标层的评价作为第二级评价。如表1所示，准则层X(=1,2,3,4)对目标层的权重为：={0.3241 0.3457 0.2789 0.0513}。

（1）第二级评价的计算公式：=·={12345}；代入上面的数据计算得：

因此加权平均法计算得出泰安市2016年生态环境质量的评判等级值为1.2636，等级为“优秀”。同样的计算方法，可得到泰安市2010-2016年生态环境质量评价结果，如表2所示；并且根据表2作出了综合评价及准则层的四个分指标的时间序列趋势图，如图1所示。

表 2 泰安市2010-2016年生态环境质量评价结果

图 1 泰安市2010~2016年生态环境质量评价趋势分布

由图1及表2可看出泰安市2010-2016年生态环境质量综合评价等级值在1.7983与1.2583之间，呈逐年减小的趋势；质量等级由“良好”变为“优秀”；2010年，该城市的综合评价等级值最大，为1.7973，接近于II级，属于“良好”水平；2013年等级值为1.4634，基本界于“良好”与“优秀”之间，略偏向于“优秀”水平，2013年以来环境质量始终处于“优秀”等级，2015和2016年则基本持平。表明泰安市的生态环境质量总体较好，主要原因是近年来政府不断加大对环境整治力度，着力治理环境污染，取得了有效成果；这与环境保护指标七年来处于 “优秀”等级的分析结果是相一致的，符合泰安市实际情况。因此，采用层次分析模型设置权重，模糊综合评价模型计算得到的评价结果具有一定的科学合理性。

结合图1与表2，从准则层来看，对于自然环境指标，2010-2016年基本处于“良好”水平，等级值在2.8004与2.1362之间，呈逐年减小的趋势；其中市森林覆盖率、地表水水质达标率、年降水量、城市区域环境噪声平均值等指标数值级别偏低；经济发展指标由前四年的“一般”转为 “良好”水平，其中第三产业占GDP比重与环保投资占GDP比重均较低；社会环境指标由前两年的“一般”逐渐向“良好”水平发展，城市人口密度，城镇登记的失业率，恩格尔系数等指标数值级别较低。由此看出，泰安市的自然、经济、社会的发展仍不够协调，之间仍存在一定差距，环境投资较少，经济发展不均衡,在以后的生态环境建设与保护工作中要充分考虑经济发展、社会稳定与保护自然生态环境的协调关系、环境投资的可持续性等方面加强措施。

总之，泰安市生态环境建设取得了很好的成效，2016年泰山区、新泰市已获得“省级生态区市”命名，肥城市通过省级验收待命名，全市建成省级以上生态乡镇65个(其中国家级22个)、生态村2081个。泰安市环保工作继续“生态优先、污控前置、绿色发展”的城市开发建设原则，将按照“136”的总体思路进行：即围绕“环境质量持续改善，并保持在全省前列”的目标，开展“蓝天行动”、“碧水行动”和“净土行动”三大行动，强化六项措施，推动环保系统法治政府建设迈上新台阶。以保证泰安市较好的生态环境质量水平保持可持续发展。

5 结语

本文选择层次分析与模糊综合评判两种模型的综合运用对泰安市的生态环境进行有效的评价研究，其中层次分析模型定量确定了各项评价指标的权重，通过模糊综合评判模型计算出了泰安市2010-2016年这七年间的生态环境质量等级值及对应的质量现状，科学性强，可信度高。并且进一步分析四个分指标的变化情况，很好地说明了城市生态环境质量在时间序列上的动态变化，具有一定的科学合理性。应用综合评价模型判断确定生态环境质量优劣情况，既明确了泰安市生态环境质量现状，又发现了生态环境中的主要问题，为改善生态环境质量现状，为制定城市生态建设与环境保护的决策提供了科学依据。该模型不仅可以实现泰安与山东其它城市生态环境的比较，而且为其他城市生态环境质量评价提供一定的参考，因此，本文的生态环境质量评价具有非常重要的现实意义。

[1] 周华荣.新疆生态环境质量评价指标体系研究[J].中国环境科学,2000,20(2):150-153

[2] 李博,宋亚楠,杨冰冰,等.沈阳市生态环境质量评价研究[J].沈阳师范大学学报(自然科学版),2009,27(3):373-377

[3] 李加林.沿海城市生态环境质量动态评价系统研究—以宁波市为例[J].宁波大学学报(理工版),2008,21(2):263-268

[4] 陈淑清,李吉英,马雪莹.滨州市生态环境质量综合评价研究[J].环境科学与管理,2016,41(6):171-174

[5] 冯璇,严俊霞,薛占金,等.山西省生态环境质量评价研究[J].安徽农业科学,2012,40(29):14448-14452

[6] 朱蕾,葛骁,郭海宁,等.基于熵权的扬州市生态环境质量模糊综合评价研究[J].环境科学与管理,2013,38(7):161-166

[7] 许效天,霍林,杨跃伟,等.漯河市城市生态环境质量定量评价[J].中国环境监测,2008,24(10):88-91

[8] 顾成林,李雪铭.基于模糊综合评价法的城市生态环境质量综合评价-以大连市为例[J].环境科学与管理,2012,37(3):172-179

[9] 卓倩,杨文卿,钱庆荣,等.层次分析法在福州市大气环境质量评价中的应用[J].福建师范大学学报(自然科学 版),2012,28(1):60-65

[10] 赵焕臣,许树柏.层次分析法:一种简易的新决策方法[M].北京:科学出版社,1986

[11] 张跃.模糊数学方法及其应用[M].北京:煤炭工业出版社,1992

[12] 喻良,伊武军.层次分析法在城市生态环境质量评价中的应用[J].四川环境,2002,21(4):38-40

[13] 李恺.层次分析法在生态环境综合评价中的应用[J].环境科学与技术,2009,32(2):183-185

[14] 李崧,邱微,赵庆良,等.层次分析法应用于黑龙江省生态环境质量评价研究[J].环境科学,2006,27(5):1031-1034

Comprehensive Evaluation of Ecological Environment Quality in Taian Based on Mathematical Model

FAN Ping, LIU Jing

271000,

Ecological environment is the foundation of human existence and development. We selected 28 individual indexes from the point of view of environmental protection, natural environment, economic development and social environment, and constructed the evaluation index system of ecological environment quality in Tai’an. The analytic hierarchy process (ahp) model was used to determine the weight of each index, and the fuzzy comprehensive evaluation model was used to analyze the current situation of ecological environment quality from 2010 to 2016. The results show that the value of the environmental evaluation index converts from 1.7973 to 1.2636, while the rank converts from "good" to "excellent". The rank remains at the excellent level since 2013, which conforms to the reality in Tai’an. In the past seven years, the comprehensive evaluation grade of ecological environment quality in Tai’an has changed from 1.7973 to 1.2636, and the grade of ecological environment quality has changed from "good" to "excellent". The evaluation results are in line with the actual situation of Tai’an. The study provides scientific basis for the sustainable development of the eco-environment construction in Tai’an, and provides some reference for the environmental quality evaluation of other cities.

Ecological environment quality assessment; analytic hierarchy; fuzzy comprehensive evaluation model

O29

A

1000-2324(2019)04-0587-06

2019-01-25

2019-03-07

范萍(1967-),女,副教授,主要从事数学教学及其应用研究. E-mail:fp1208@163.com