张掖市生态城市建设评价研究quedinggaijian

张掖市生态城市建设评价研究 张小君 1 徐中民1 2 钟方雷2 1 西北师范大学地理与环境科学学院 甘肃 兰州 730070 2 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所内陆河流域生态水文重点实验室 甘肃 兰州 730000 摘要 摘要 城市是一个社会 经济 自然复合系统 系统结构合理 功能高效和关系协调是城市 的总追求目标 生态城市能较好的体现这一目标要求 本文从城市生态系统的结构 功能 和协调度 3 方面构建了生态城市评价指标体系 包含 10 个二级指标 26 个三级指标 采 用熵值的赋权法和综合指数法计算了黑河流域中游张掖市 2002 2010 城市生态综合指数 并对 2011 2015 生态综合指数做了预测 结果表明 研究期间 2007 年生态化水平最低 综 合指数为 0 212 2010 年生态化水平最高 综合指数为 0 306 根据城市生态化水平分级表 张掖市生态化水平较低 城市结构和协调度得分较低 协调度得分相对较高 但呈下降趋 势 基础指标中人口自然增长率 万人高等学生数 大气质量 单位 GDP 能耗 工业用水 重复利用率 工业固体废物综合利用率 环保投资指数方面得分最低是导致其生态化水平 最低的主要原因 经预测 到 2015 年张掖市生态综合指数为 0 35 是 2007 年的 1 7 倍 生态化程度达到一般水平 从整体变化趋势看 张掖市的城市发展是朝着生态良好的方向 发展 结合研究结果 就张掖市建设和发展生态城市 提出政策建议 关键词 关键词 生态城市 指标体系 熵值法 张掖市 0 引言 自 1898 年英国 E 霍华德提出田园城市的概念后 引发了城市生态思想 1 之后 20 世纪 70 年代联合国教科文组织发起的 人与生物圈 计划中提出了生态城市的概念 2 比 较符合中国古代天人合一哲学思想 3 随着社会和科技的发展 生态城市理论与实践得到 了长足发展 如美国著名生态学家理查德 雷吉斯特提出了生态城市建设十项计划 4 原 苏联生态学家 N 扬若斯基认为 生态城市是物质 能量 信息高效利用 生态良性循环 的一种理想的栖地 5 国内的马世骏和王如松提出了社会 经济 自然复合生态系统理论 6 在此基础上提出了生态城市建设标准和生态控制论原理 7 生态城市超越了单层生态保护 含义 广泛融合了社会 经济 文化 历史等因素 向更加全面的方向发展 充分体现了 可持续发展的思想 8 进入 21 世纪 建设和发展生态城市成为未来城市发展的主攻方向 9 生态城市可以理解为 生态城市是以现代生态学的科学理论为指导 以科学系统的科学 调控为手段 追求城市社会 经济 自然综合体系统结构合理 功能高效和关系协调 物质 能量 信息高效利用的城镇型人类聚落地 10 11 甘肃省张掖市地处河西走廊中部 以 张国臂掖 以通西域 而得名 位于全国第二 大内陆河黑河中上游 是一座典型的绿洲城市 素有 塞上江南 和 金张掖 之称 近 年来 随着气候变迁 人口增长和经济社会的不断发展以及人类活动强度的增加 张掖市 出现了地下水位下降 雪线上升 森林萎缩 草原退化 土地盐渍化沙化 环境污染严重 等一系列城市生态环境问题 建设生态城市是张掖市必然的选择 本文从城市生态系统的 结构 功能和协调度三方面构建张掖市城市生态化评价指标体系 采用熵值法确定各项指 标的权值 运用生态综合指数对张掖市生态化水平进行综合评价 通过评价 可以揭示张 掖市生态城市建设绩效以及未来发展趋势 能反映城市发展过程中所面临的社会经济矛盾 和资源环境问题 可以分析其成因并据此提出有效的调控对策 从而为城市管理者和建设 者提供科学的决策依据 1 研究方法 1 1 指标体系构建 开展生态城市评价研究的首要条件是建立一套科学合理的指标体系 由于城市系统是 由自然子系统 经济子系统和社会子系统构成的综合体 各个子系统内部和子系统之间存 在着物流 能流和信息流的生态网络结构关系 如果城市生态化水平高 则表明城市系统 结构合理 功能高效和关系协调 因此 建立一个生态城市综合评价指标体系应包括结构 指标 功能指标和协调度指标 本文参照宋永昌 1999 和宋冬梅 2004 的生态城市评 价指标体系 12 13 并进行适当的修改 构建指标体系 表 1 1 2 评价标准的选择 本文制定生态城市评价标准的原则 1 参考国际标准值或国家标准值 2 参考 国内外良好城市的现状值 3 参考国内城市与区域的有关工作的指标值 如国家环境保 护模范城市验收标准等来类推确定其标准值 4 对那些目前统计数据不十分完整 但在 指标体系中又十分重要的指标 在缺乏有关指标统计数据前 暂用类似指标替代 据此 本文拟定生态城市评价表 表 1 表 1 生态城市指标体系及评价标准 Tab 1 Index system and standard of assessment for ecological city 系统层子系统层 一级指标 二级 指标 三级指标 单位 标准值依据 人口密度 人 km2 600参考昆明 珠海现状值 人口自然增长率 0 8参考国内先进城市水平值 人口 结构 万人高等学历数 人 万人 1180汉城现状值 人均道路面积 m2 人 28伦敦现状值 人均住房面积 m2 人 16东京现状值 基础 设施 万人病床数 床 万人 90国内领先城市现状值 大气质量 so2 t km2 15深圳现状值城市 环境环境噪声达标率 50国内城市最大值 人均公共绿地 m2 人 9 55参考陈叶红制定的标准 结构 城市 绿化绿地覆盖率 45深圳现状值 工业用水重复利用率 75根据国家生态市建设指标调整物质 还原工业固体废物综合利用率 80国家生态市建设指标 百人电话数 部 百人 76东京现状值资源 配置人均生活用水 L d 455参考东京 纽约 巴黎 香港 圣 保罗 汉城 台北七城市平均值 单位 GDP 能耗 吨标准煤 万元 1 4国家生态市建设指标 人均 GDP 元 25000国家生态市建设指标 城镇居民年人均可支配收入 元 18000国家生态市建设指标 功能 生产 效率 人均纯收入 元 8000国家生态市建设指标 人均保险率 元 2100广州现状值社会 保障失业率 1 2国际大城市就业最好年份的失业率 万人藏书量 万人 册 34000东京 汉城 莫斯科现状值城市 文明刑案发生率 件 万人 0 05外推值 生态综 合指数 协调度 可持第三产业占 GDP 比重 45国家生态市建设指标 城镇恩格尔系数 35参考刘则渊制定的标准 农村恩格尔系数 40国家生态市建设指标 续性 环保投资指数 2 5根据发达国家现状值外推 1 3 指标权重的计算 熵值法 确定指标权重的实质就是衡量各项指标对其总目标层的贡献程度大小 如何科学 合 理地确定指标权重直接影响着评价结果的可靠性和准确性 目前 确定权值的方法已由几 十种之多 为了克服人为的主观性 本文采用熵值法 以甘肃省张掖市为例 对其城市生 态化水平进行综合评价 熵是源于热力学的一个物理概念 后由申农 C E Shannon 引入信 息论 现已广泛运用于社会经济等领域相关问题的研究 在信息论中 熵是系统无序程度 的度量 信息则是系统有序程度的度量 两者绝对值相等 符号相反 某项指标的指标值 变异程度越大 熵值越小 该指标提供的信息量越大 该指标的权重也应越大 反之 某项 指标的指标值变异程度越小 熵值越大 该指标提供的信息量越小 该指标的权重也越小 14 15 因此 熵值法能够较为深刻地反映出指标信息熵权的效用价值 确定的指标权重具 有较高的可信度 其主要步骤为 16 1 数据标准化处理 由于各指标的量纲 数量级及指标的正负取向均有差异 需对初始 数据做正规化处理 对于正向指标 对于逆向 jjjijij xxxxxminmax min 指标 jjijjij xxxxxminmax max 2 计算第 i 年份第 j 项指标值的比重 m i ijijij xxy 1 3 计算指标信息熵 令 有 0 1 m i y ijj ij yke 1 ln m kln 1 j e 4 计算信息熵冗余度 jj ed 1 5 计算指标权重 n j jjj ddw 1 以上步骤公式中 表示第 i 年份 j 项评价指标的数值 和分别为 ij x j xmin j xmax 所有年份中第 j 项评价指标的最小值和最大值 m 为评价年数 n 为指标数 1 4 评价模型 本文以生态城市指标体系标准为依据 采用标准指数加权综合模型评价方 通过对各 级指标数值的计算和比较 评价分析城市的生态化程度 计算通式 1 ijjij n j iji xwsss 式中为一级或二级综合水平得分 为单项指标评价得分 为指标权重 为 i s ij s j w ij x 指标的标准化数值 2 张掖市生态城市建设水平综合测度 2 1 数据来源 指标数据来源于甘肃省张掖市统计局编制的 2002 2010 年度 张掖市统计年鉴 和甘 肃省张掖市甘州区统计局编制的 2002 2010 年度 甘州区统计年鉴 部分数据是整理计算 后的结果 个别年份数据的缺失采用相邻年份值插值法补齐 2 2 评价结果与分析 根据熵值法的计算步骤 对 2002 2010 年 26 项指标 234 个原始数据进行处理 计算出 相应值 表 用以评价分析张掖市生态化水平 表 2 生态城市评价体系各级指标的权重 Tab 2 Indexes weight of assessment system for ecological city 系统层一级指标 权重 二级指标 权重 三级指标 单位 信息熵效用值权重 人口密度 人 km2 0 80590 19410 1107 人口自然增长率 0 82960 17040 0971 人口结构 0 2919 万人高等学历数 人 万人 0 85240 14760 0841 人均道路面积 m2 人 0 71750 28250 1610 人均住房面积 m2 人 0 87970 12030 0686 基础设施 0 3454 万人病床数 床 万人 0 79690 20310 1158 大气质量 so2 t km2 0 87860 12140 0692城市环境 0 1265 环境噪声达标率 0 89940 10060 0573 人均公共绿地 m2 人 0 70970 29030 1655城市绿化 0 2361 绿地覆盖率 0 87610 12390 0707 结 构 0 4298 合计1 75421 工业用水重复利用率 0 94050 05950 0511物质还原 0 1346 工业固体废物综合利用率 0 90290 09710 0835 百人电话数 部 百人 0 94000 06000 0516资源配置 0 2990 人均生活用水 L d 0 71200 28800 2475 单位 GDP 能耗 吨标准煤 万元 0 78510 21490 1846 人均 GDP 元 0 84130 15870 1364 城镇居民年人均可支配收入 元 0 86430 13570 1166 生产效率 0 5664 人均纯收入 元 0 85010 14990 1288 功能 0 2852 合计1 16381 人均保险率 元 0 88130 11870 1021社会保障 0 2988 失业率 0 77130 22870 1967 万人藏书量 万人 册 0 75130 24870 2139 城市文明 0 2707 刑案发生率 件 万人 0 93390 06610 0569 第三产业占 GDP 比重 0 90100 09900 0851 生 态 综 合 指 数 协 调 度 0 2850 可持续性 0 4305 城镇恩格尔系数 0 87560 12440 1070 农村恩格尔系数 0 91740 08260 0710 环保投资指数 0 80540 19460 1673 合计1 1631 2 2 1 总体评价 宋永昌等根据各种综合指数的分组方法 设计了一个五级分级标准 见表 3 来评价 某一城市的生态化水平 本文参照该标准 对张掖市的生态化水平进行评价并说明 表 3 城市生态化水平分级表 Tab 3 Grade table of diffirent level of the ecological cities 等级指数值发展能力定性评价 0 75很高 0 5 0 75较高 0 35 0 5一般 0 25 0 35较低 0 2很差 由图 1 可以看出 比较 2002 2010 年各年度城市生态化指数值 可以得出张掖市城市 生态化水平从高到低时间排序为 2010 年 2003 年 2004 年 2009 年 2008 年 2005 年 2002 年 2006 年 2007 年 2007 年张掖市生态化水平最低 为 0 212 2010 张掖市生态化 水平最高 为 0 306 根据上述评价标准张掖市的生态化水平较低 据此可以认为 张掖市 的生态城市水平还处在较为落后的阶段 需要在城市生态建设上进一步加大力度 从生态 指数的变化趋势来看 研究期间张掖市生态化水平起伏较大 2002 年 2003 年呈上升趋势 期间 2003 2007 年大幅度下降 2007 年 2010 年快速提高 尽管 2002 年 2010 年张掖生态 综合指数局部发生变动较大 但是近年来的总体趋势是还是上升的 意味着张掖市的城市 发展是朝着生态良好的方向发展 从城市生态体统特征上看 城市生态系统结构 功能 协调度对城市生态综合指数的贡献度分别为 42 98 28 52 28 50 系统结构方面贡献 度最大 说明城市生态系统的结构对生态城城市建设至关重要 研究期间城市城市生态系 统结构 功能 协调度的平均指标指数值分别为 0 2296 0 2182 0 3272 其中贡献度最大 的系统结构指标指数值最小 可见 城市生态系统结构不合理是限制生态城市发展的主要 因子 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 0 4 0 45 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 年份 指标数值 综合指数 结构 功能 协调度 图 1 城市生态系统综合指数及其中各指标数值 Fig 1 urban ecological system synthesis value and Indicators value of urban ecological system 2 2 2 各级指标分析 城市生态系统结构方面 由图 2 可以看出 研究期间城市环境平均指数 基础设施平 均指数 城市绿化平均指数 人口结构平均指数 从变化趋势来看 基础设施指标和城市绿 化指标有所上升 但上升速度缓慢 人口结构指标指数值几乎没有变化 城市环境指标指 数值相对较高 但从 2002 年至 2010 年大致呈下降趋势 根据表 2 可以看出 基础设施对 城市生态系统的结构贡献最大 贡献度为 34 54 其次是人口结构 贡献度为 29 19 贡 献度最小的为城市环境 为 12 65 可见 人口结构和基础设施是导致城市生态系统结构 指数较低的主要原因 城市环境尽管贡献度最小 但也不容忽视 如张掖市 2010 年排放 so23 万吨 约是 2002 的 3 倍 城市绿化指数逐年提高 这与张掖市扩大公共绿地面积 提 高绿地覆盖率息息相关 如张掖市 2010 年人均公共绿地面积达到 15 07 平方米 约是 2002 年的 3 倍 有了明显的扩大 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 年份 指标数值 人口结构 基础设施 城市环境 城市绿化 图 2 城市生态系统结构中各指标数值 Fig 2 Indicators value of structure for urban ecological system 城市生态系统功能方面 由图 3 可以看出 研究期间张掖市城市生态系统的功能变化 趋势基本上与张掖市生态综合指数变化趋势一致 从 2002 年 2006 年 张掖市生态系统功 能明显降低 由图看出 2002 2006 年期间 生产效率指标指数 资源配置指标指数 物质 还原指标指数 其中生产效率指标对城市生态系统功能方面贡献度超过 50 生产效率的 大幅度下降是导致城市生态系统功能越发低效的主要因素 生产效率基础指标中 人均 GDP 人均纯收入 城镇居民年人均可支配收入和单位 GDP 能耗四项指标对生产效率的贡 献度均超过 10 其中单位 GDP 耗能指标贡献度最大 为 18 46 2002 2006 年间人均 GDP 人均纯收入 城镇居民年人均可支配收入大幅度增加 然而贡献度最大的单位 GDP 能耗大幅度上升是制约生产效率低下主要因子 甚至城市生态系统功能低效的主要限制因 子 单位 GDP 能耗由 2002 年的 0 78 上升到 2006 年的 2 15 说明张掖市的发展还处于高 能耗 高物耗阶段 从 2006 年 2010 年张掖市的城市生态系统功能明显趋于高效 资源配 置显著提升 生产效率明显提高 但是物质还原能力趋于稳定 研究期间物质还原能力综 合指数最高年份为 2005 年 指数值为 0 137 处于很差水平 如 2010 年工业用水重复利用 率为 67 56 工业固体废物综合利用率为 72 12 与国家生态城市建设标准值具有一定 距离 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 年份 指标数值 物质还原 资源配置 生产效率 图 3 城市生态系统功能中各指标数值 Fig 3 Indicators value of function for urban ecological system 城市生态系统协调性方面 张掖市生态系统协调度波动较大 由图 4 可以看出 研究 期间可持续性指数最大 城市文明指数最小 从变化趋势来看 城市文明指数几乎没有变 化 社会保障指数平缓上升 可持续性变化趋势与协调度指数值变化趋势完全一致 可见 可持续性是导致城市生态系统协调度起伏较大的主要因素 城市文明和社会保障是限制城 市生态系统协调度指数的主要因子 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 年份 指标数值 社会保障 城市文明 可持续性 图 4 城市生态系统协调度中各指标数值 Fig 4 Indicators value of harmonious degree for urban ecological system 2 3 张掖市生态综合指数短期预测 在以上计算结果的基础上 就张掖市生态城市建设水平做短期预测 预测不仅仅是对 未来的猜测 也是为决策服务 对张掖是生态城市建设水平进行预测 了解生态指数的未 来走向 是张掖市制定生态城市建设的重要决策支持 预测中用到了改进的灰色预测模型 GM 1 1 灰色系统理论以 部分信息已知 部分信息未知 的 小样本 贫信息 不确 定性系统为研究对象 它主要通过对 部分 已知信息的生成 开发 提取有价值的信息 实 现对系统运行规律的正确认识和有效控制 17 生态城市建设处在各种各样复杂的环境中 在不同时期 究竟哪些因素较多影响生态城市的建设 更多的是不确定的 是一个典型的 灰色系统 因而适宜采用灰色模型来预测生态城市建设水平变化趋势 运用灰色系统 GM 1 1 模型 对原始数据进行弱化处理后 利用浙江大学唐启义教授开发的 DPS 处理软 件 18 将张掖市 2002 2010 年生态综合指数进行预测分析得到 a 0 02854 u 0 22798 a 和 u 是模型里的待定参数 得到生态综合指数预测模型为 988 7 2407 8 1 02854 0 k ekX 用该模型对张掖市 2002 2010 年生态城市建设水平进行模拟拟合以及 2010 之后五年的 预测 运行结果见图 5 平均相对误差 0 003126 0 01 根据 GM 1 1 模型精度评价标 准 19 精度为一级 同时 由图 5 可以看出 2002 2010 年张掖市生态综合指数的模拟结 果具有很好的拟合度 表明此模型具有较好的预测精度 结果可信 根据预测情况 张掖 市在 2010 年之后的五年里 生态建设水平平缓上升 到 2015 年张掖生态综合指数接近 0 35 达到一般水平 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 0 4 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 年份 城市生态综合指数 实测值 预测值 图 5 张掖市生态化水平实测值与预测值 Fig 5 Actual values and forecast values of ecological cities in Zhangye 3 政策建议 根据以上现状评价和预测分析 并结合当地实际情况 对于提高张掖市生态城市建设 水平 有如下建议 1 提高生产效率 发展循环经济 发展循环经济是建设生态城市的重要途径 建立一个低能耗 少污染的经济体系 张 掖市是干旱地区的绿洲城市 生态环境脆弱 一旦环境遭到破坏 再想治理不仅恢复的周 期长 而且要花成倍的代价 因此应加大科技投入 积极推广环境保护新技术 新工艺 新设备等环保科技成果 通过建立生态工业体系 经工业排放的污染物进行二次利用 减 少污染物排放数量 提高资源 能源和废弃物的利用率 结合产业结构的合理调整 建设 清洁工厂 无公害农业 生态小区等 2 控制人口增长 提高人口素质 从城市生态系统结构方面来看 人口结构得分最低 张掖市目前实际人口承载力约 30 人 平方公里 是联合国 1997 年拟定标准的 4 倍之多 因而须贯彻落实计划生育政策 严格控制人口增长 维持适度的人口密度 使城市发展规模与环境容量相一致 除此之外 当地居民受教育程度普遍较低 万人高校学生数比例较低 应该加大人力资本投资 3 加强环境保护 基础设施建设 目前张掖市的城市基础设施明显提高 但与国家生态城市标准还存在一定的差距 大力 发展城市公交 鼓励使用清洁交通工具 还应加强医疗 卫生等服务性基础设施的建设 城市绿化也是制约张掖市生态建设的一个重要因素 绿化覆盖率仅为 40 94 仍低于国家标 准 因此需要继续扩展绿地系统来提高环境质量 城市内应增加公园绿地 公共绿地 专 用绿地 要做好黑河湿地的治理和绿化工作 发挥它所具有的重要生态价值 4 积极推行清洁生产 提高生态服务功能 从城市生态系统功能方面来看 物质还原能力较差 大力发展污染治理技术 采用集 中处理和分散处理相结合的方法处理城市污水 改进生产工艺 加强科学管理 实现资源 综合利用和循环利用 大力推广采用清洁生产工艺 减少污染物的排放 加强废物的回收 与利用 优化农业生产结构 加快生态农业建设 5 做好生态城市建设的保障机制 以城市生态学理论为指导 科学制定生态城市建设规划 并结合自己的实际情况 搞 生态城市特色建设 深化生态经济理念 进一步加大对各级官员 民众生态保护的宣传力 度 增加他们的参与意识 要通过各种宣传媒体 介绍生态城市以取得的成就和今后的发 展目标 发动全市人民来关心 支持生态建设 使各级领导都来重视生态建设工程 同时 还必须进行生态立法 对生态影响的行为进行硬性约束 这样才能保证生态城市建设顺利 进行 参考文献 1 王彦鑫 生态城市建设理论与实践 M 北京 中国致公出版社 2011 52 55 WANG Yanxin Construction 0n Eco city Theory and Evidence M Beijing 2 黄光宇 陈勇 生态城市理论与规划设计方法 M 北京 科学出版社 2003 3 Wang R S Ancient and Recent Ecological City Theory and Practice in China Village Wisdom Future Cities The Third International Ecocity and Ecovillage Conference edited by R Register and B Peeks Ecocity Builders Oakland CA USA 1996 56 58 4 Register R The Ecocity Movement Deep History Movement of Opportunity Village Wisdom Future Cities The Third International Ecocity and Ecovillage Conference Ecocity Builders Oakland CA USA 1996 26 29 5 景星蓉 张健 樊艳妮 生态城市及城市生态系统理论 J 城市问题 2004 6 20 23 6 马世骏 王如松 社会一经济一自然复合生态系统 J 生态学报 1984 4 1 2 9 Ma Shijun Wang Rusong THE SOCIAL 一 ECONOMIC 一 NATURAL COMPLEXE COSYSTEM J Acta Ecologica Sinica 1984 4 1 2 9 7 王如松 高效和谐 城市生态调控原则与方法 长沙 湖南教育出版社 1988 268 269 Wang R S High efficiency and harmonization principles and methods of city ecology regulation Changsha Hu nan Education Press 1988 268 269 8 陈涛 建设沈阳生态城 J 生态学杂志 2003 22 5 123 124 9 李团胜 刘哲民 2003 人居环境建设的景观生态学途径 以西安市为例 生态学杂志 22 4 121 124 Huang G Y Chen Y City ecologization and eco city Urban Environment Urban Ecology 1999 12 6 28 31 10 李宏文 城市生态化水平的评价方法探讨 J 生态学杂志 2003 22 1 66 68 LI Hongwen Ecological assessment for City J Chinese Journal of Ecology 2003 22 1 66 68 11 王发曾 我国生态城市建设的时代意义 科学理念和准则 J 地理科学进展 2006 25 2 17 25 WANG Fazeng