城市生态安全评价方法研究— — 以北京市为例

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  城市生态安全评价方法研究— — 以北京市为例

1 引 言
    安全通常是指一个国家或地区的社会和政局稳定，没有战争，个体或系统不受侵害和破坏的状态近些年来一些学者倡导并延伸了安全的涵义．使其从政治和军事领域转向了生态环境领域。1989年，国际应用系统分析研究所提出了建立优化的全球生态安全检测系统的设想，并从保障人类安康状态的角度指出生态安全(ecological security)的涵义，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。而Katrina S．Rogers从人类和自然两个角度阐述了生态安全的涵义，他认为生态安全是指一个社会的物理环境能够在满足居住者需要的同时，又不削弱其自然储量的状态。“生态安全”概念的提出正是将环境退化比拟为一种威胁社会和国家安全的“入侵者”，而这种“入侵者”不同于其它安全的入侵者，它是我们自身创造的，但我们应象应对其它入侵者一样积极采取措施进行防御，保障我们良好安定的生存状态。目前生态安全的研究主要集中在国家和区域尺度上，且集中于单一或横向比较(各地区之间生态安全现状的比较)，对城市生态安全的研究较少 ，而城市生态安全却是一个国家或区域生态安全的基础和核心。一般而言，城市生态系统相对于自然生态系统具有高能耗物耗、高环境污染、低自然资源储备的特点，具有一定的脆弱性和不稳定性。因此，如何加强城市生态环境建设及其自身全方位的基础能力建设，维护城市生态环境安全，对于城市、区域和国家的可持续发展具有极其重要的意义。本文分析并借鉴了区域生态安全的评价方法，以北京市为例，探求维护城市生态安全的关键性生态环境要素，并通过对城市生态安全诊断指标的综合分析，从时间尺度上评价城市生态安全的现状和趋势，为城市生态安全的
管理提供科学的依据和指导。
2 城市生态安全评价方法与步骤
2．1 城市生态安全评价的模型框架
   目前国内外生态评价的模型框架通常有经济合作发展组织(Organization for Economic Co-operationand Development)提出的PSR模型(Pressure—State—Resloonse；压力一状态一响应，1994)和DSR模型(Driv—ing forceState．Response；驱动力一状态一响应，1996)、Corvalan和他的同事提出的DPSEEA模型(Drivingforce-Pressure．State—Exposure—Effect—Action；驱动力一压力 状态一暴露一影响一响应，1996)L J、EEA(Euro—pean Environment Agency，欧洲环境署，1998)提出的DPSIR模型(Driving force—Pressure—State—Impact—Response；驱动力一压力一状态一影响一响应)等。这些模型均不同程度的考虑了人类活动对环境的压力，自然资源的质和量的变化，以及人们对这些变化的响应，即采取的减少、预防和缓解自然环境不理想变化的措施。现以PSR模型为例构建城市生态安全的评价模型框架(图1)。

   其中，压力定义为① 由人类引起的结果；②人类对自然界不恰当的响应；③不采取行动。在城市生态安全的评价中主要指标有人口、能源和交通等。状态定义为① 压力的表现；② 响应的有效性。主要指标有大气、水、土壤和生物多样性等。响应定义为① 目标为压力和状态；② 适当的响应减少压力。主要指标有新技术和投资等。
2．2 北京城市生态安全的关键性生态环境要素分析
影响城市生态安全的主要因素有大气、水、土壤和生物多样性，对于北京而言主要集中于前两个因子。① 大气。世界卫生组织1998年对53个国家272个大城市的大气总悬浮颗粒物、SO2、氮氧化物等3种污染物浓度进行测定，北京被列为全球十大污染城市，排位第3位。北京的大气污染属于典型煤烟型污染和汽车尾气污染结合的复合型污染，主要原因有北京的地理环境三面环山，污染空气难以扩散；经常出现逆温和静风天气；煤炭消费量大，煤烟污染重；机动车保有量增加过快，尾气污染日益严重；气候干燥、建筑施工量大面广，粉尘污染严重。②水。水量方面，北京市附近没有大的河流和湖泊人均仅为世界人均的1／30和全国人均的1／7。40年来水资源形势不断恶化，70年代以来大量开采地下水，2000年较1960年，地下水位下降12．17 m，储量累计减少6．231×10 m 。水质方面，全市污水处理率45％(2002年)，加之农药、化肥过量施用，使地下水、河流、湖泊和水库严重污染，下游河道多为超五类水体。基本没有生物存活。1997年官厅水库因上游污染严重已经被迫退出饮用供水系统。水自然灾害方面：1949年北京先后出现3次水危机，20世纪60年代中期依靠开挖京密引水渠缓解，70年代中期依靠大量打井超采地下水勉强度过，80年代初期连续5年干旱，依靠压缩1．333×10 hm 灌溉面积和把密云水库作为北京市地专用水源而度过。90年代北京地区地相对多雨期过后，已进入又一相对干旱期，水资源紧缺更加严峻。
2．3 北京城市生态安全评价的指标体系
    根据上述的PSR模型框架和北京城市生态安全的关键性生态环境要素分析，提出北京城市生态安全评价的指标体系(表1)，共30个指标，其中压力指标8个，状态指标13个，响应指标9个。
2．4 城市生态安全评价方法
   尽管生态安全提出的时间只有十余年的时间，但是已经有许多学者对生态安全评价方法进行了研究，主要的方法有综合指数法、景观分析法It01、模型模拟法(如BACHMAP模型、ECOLECON模型以及基于GIS的DISPATCH模型)等。其中综合指数法是应用最多的方法，本文以此方法为例对北京城市生态安全状态进行分析。赋权方法采用客观赋值法一熵值法，熵值法求得的指标权重代表了该指标在指标体系中变化的相对速率，城市生态安全综指数用来表述评价对象现状与目标的符合程度和向目标接近的速度，指数越接近1，就越安全，越接近0，就越不安全。

2．4．1 数据标准化一线性插值法(Interval stan—dardization) 评价某城市m 年的城市生态安全状况，评价指标体系包括 个指标。
效益型指标(数值越大越好的指标，如城市污水处理率％)标准化方法：
y=(x-xmin)/(xmax-xmin)
   式中xmax为该项指标的最大值，xmin 为该项指标的最小值。
成本型指标(数值越小越好的指标，如Iv类以上水井占监测井总数％)标准化方法：
Y = 1-y
标准化后的数据矩阵为Y = {y }mXn
2．4．2 指标权重对于某项指标，指标值间的差距越大，表明该指标在综合评价中所起的作用越大，如果差异为零，表明该指标在综合评价中不起作用。据此原理，根据信息熵计算各指标的权重。
2．4．3 综合评价指标的确定 城市生态安全综合评价指数si为：
s =Σwjyij
2．4．4 城市生态安全判定
    由于采用线性插值的标准化方法，使评价指标值分散在0～1，而非集中在某阈值内，为综合指数的量化分级提供了条件，但是由于某些参评因子没有科学的标准值，如人口数量和密度等，因此很难计算出城市生态安全的标准值，而人为设定安全标准不免偏颇，所以本文采用趋势法对北京城市生态安全的现状加以评价。
3 北京城市生态安全评价
    从评价结果看(图2)，1996～2002年城市生态安全综合指数依次为0．47、0．40、0．49、0．57、0．56、0．59和0．51，呈现出稳定的状态，7年的平均值为0．51。其中1997年值比1996年降低了0．07，主要原因为1996年为偏丰水年(28％保证率)，水资源总量为7．099×10 m3，而1997年为偏枯水年(80％保证率)。降水量仅为3．075×10 m3，使水量安全受到很大影响。2002年城市生态安全指数下降的原因主要是空气污染恶化，河流、湖泊和水库的达标率下降，而环境投资占GDP的比值又比2001年下降了0．78％。由以上分析可知1997年下降的原因偏自然因素，而2002年下降的原因偏人为因素，因此北京市的生态安全质量需增加人为调控的措施，减少由于人为因素的影响而导致城市生态安全下降态势的发生。

    根据各指标与城市生态综合指数相关性分析(图3)，结果表明与城市生态安全综合指数相关系数较高的因子有s1-s02日平均浓度超标倍数、S7一苯并芘日平均浓度超标倍数、r3-环境投资占GDP的比值、r9-城市居民炊事气化率，其相关系数分别为0．84、0．83、0．75和0．77。

    根据上述评价结果，可以看出北京城市生态安全状态目前虽然处于中稳定状态，但急需加强调控措施，维护和提高城市生态安全状态。具体的对策和建议如下：①调整能源结构，使用清洁能源如天然气、电力和地热替代煤炭，继续推广使用低硫优质煤和燃煤锅炉改造计划；② 加强上路汽车环保标志管理，继续推行公交优先战略，完善道路交通体系；③加强扬尘污染治理和工地管理，城近郊区所有煤堆、渣堆、灰堆、土堆和料堆必须全部覆盖；④ 调整北京的产业结构，防治工业污染，对北京重要污染源严格监测和管理；⑤加强密云、怀柔水库上游及周边地区的水土流失治理和涵养林建设，严格查处污染水源的违法行为，保护地下水源地，加强污染防治工程和污水整治工程，增建污水处理厂，提高城市污水处理率，继续强化全市节水工作，提高水价，启动再生水处理厂建设工程；⑥继续推广城市生活垃圾分类收集处理，提高生活垃圾无害化处理率和城市垃圾综合处理场的处理质量，加快危险废物(包括医疗垃圾)集中处理工程；⑦进一步优化养殖业布局，推动农村面源污染治理，减少化肥农药施用量，推广有机肥和“留茬免耕”等农田压尘技术，发展有机食品、绿色食品和食用农产品安全生产体系，提高小城镇污染防治能力；⑧加快三道绿色生态屏障建设，提高全市林木覆盖率和城市绿化覆盖率；⑨加强市、区县政府和各单位的环保目标责任制，加强立法，完善环境执法程序和违法行为的查处，积极推广全民环境保护和节水教育；⑩加强城市环保基础设施建设，逐步提高环境投资占GDP的比值。
4 结语
因为数据一致性和可获得性的原域，本文仅以7年时间段作为时间序列研究北京城市生态安全现状与趋势，如果有可能增加时间长度进行深入研究，就可能更加客观的研究北京城市生态安全的演变，也可以为其安全等级的判定提供科学的依据。城市生态安全的评价具有动态性和相对性，处于不同时期的不同城市其评价指标体系和标准不同，如1996～2002年，北京城市生态安全评价中的状态指标s02日平均浓度超标倍数依据的标准为1996年1月国家颁布的<环境空气质量标准>(GB3095—96)中的二级标准中年平均60 g·m-3。
   而随着时间的推移和北京空气质量的改善，其评价标准也会相应改变。而且不同城市的关键性生态环境要素不同，其构建的指标体系也不同。
以PSR、DSR、DPSIR、DPSEEA模型研究城市生态系统健康简单直接，可以为城市生态系统管理提供依据，但是由于此方法更强调人类因素，忽视了自然界的灾害因素(如地震、洪水等)，而且它更强调线性关系，却忽视了在现实世界中实际存在的复杂性(一对多、多对一和多对多的关系)问题，因此需要加以调整。
   目前城市生态安全评价中存在的最大问题是安全级别标准的科学判定，对于某些指标，可以依据相关科学研究成果确立其安全级别的最高值和最低值，但是还有大量的指标仍然需要多学科的深入研究。
在城市生态安全的评价过程中，可以依据景观生态学的方法，充分利用地理信息系统技术和遥感影响数据以空间的形式表达评价结果，并可对其影响因子进行动态监测和动态评价，进行生态安全的预测与预警分析，构建起城市生态安全评价、预测和预警的完整体系。
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