基于模糊数学和灰色理论的城市生态环境竞争力评价

发布时间：2016-06-27 21:00

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中国环境科学 2013,33(5)：945~951 China Environmental Science

基于模糊数学和灰色理论的城市生态环境竞争力评价

梁 伟 1,2*,张慧颖 1,朱孔来 2 (1.天津大学管理与经济学部,天津 300072；2.济南大学管理学院,山东 济南

250022)

摘要：在综合分析了国内外有关城市竞争力理论研究的基础上,对城市生态环境竞争力的概念和内涵进行了界定,构建了面向生态环境竞争力的评价体系,并以山东省17城市为例,采用灰色系统理论确定各指标的权重,利用模糊综合评价法对各市进行综合评价,研究结果表明,生态环境竞争力排名前三的地市为临沂(0.1894)、日照(0.1705)和烟台(0.1676),而德州(0.1191)、济南(0.1232)、枣庄(0.1274)、滨州(0.1285)和淄博(0.1289)表现相对较差,其他地市处于中游水平.分别从资源禀赋竞争力、污染物减量排放竞争力、环境治理竞争力和能耗竞争力4个子维度对典型城市进行分析,指出了存在的问题,并给出了相应的对策建议. 关键词：生态环境竞争力；灰色系统理论；模糊综合评价；山东

中图分类号：X24 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2013)05-0945-07

Comprehensive evaluation of urban eco-environment competitiveness based on fuzzy mathematics and gray theory. LIANG Wei1,2*, ZHANG Hui-ying1, ZHU Kong-lai2 (1.College of Management and Economics, Tianjin University, Tianjin 300072, China；2.School of Management, University of Jinan, Jinan 250022, China). China Environmental Science, 2013,33(5)：945~951

Abstract：On the basis of the comprehensive analysis of urban competitiveness at home and abroad, the concept of urban eco-environment competitiveness was defined and an evaluation index system to measure the urban eco-environment competitiveness was constructed. Grey system theory was used to calculate every indicator’s weight and analyze 17 cities of Shandong Province. Each of urban eco-environment competitiveness of these 17 cities was calculated using fuzzy comprehensive evaluation method. The result shows that the top three cities with eco-environment competitiveness were Linyi(0.1894), Rizhao(0.1705) and Yantai(0.1676), however, Dezhou(0.1191), Jinan(0.1232), Zaozhuang(0.1274), Binzhou(0.1285) and Zibo(0.1289) hade poor performances relatively and other cities were in the middle level. In-depth analysis was conducted from different angles, such as environmental resource competitiveness, waste discharge competitiveness, environmental governance competitiveness and energy consumption competitiveness. Finally, typical problems that emerge in the development of low-carbon economy were analyzed and targeted policy recommendations were given.

Key words：eco-environment competitiveness；grey system theory；fuzzy comprehensive evaluation；Shandong

城市作为现代经济发展过程中最重要的空间载体,提供了经济发展所需的各种资源,同时还需面对经济发展所带来的各种生态环境问题[1],对于城市来说,生态环境质量的高低直接关系到居民的健康和城市的可持续发展,城市生态环境已经成为城市竞争力的有机组成部分[2].

目前,关于生态环境的研究侧重于对生态环境质量进行综合评价以确定其可持续发展能力[3],当前采用较多的研究方法有综合指数评价法、条件价值法(CVM)、成本效益分析法(CBA)、生态系统服务价值法(ESV)以及对环境政策的研究等.不同的评价方法适用于不同的研究层面[4],对适合城市层面的可持续发展评价的常用方法进行对比分析,发现以上这些方法只是对生态环

收稿日期：2012-09-03

基金项目：山东省社会科学规划研究项目(09BJGJ17);全国统计科学研究计划项目(2010LC26);济南市哲学社会科学规划项目(12DJI03);济南大学科研基金(社会科学)(X1219) * , 讲师

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境质量或者可持续发展程度进行了度量,较少考虑生态环境对区域竞争力的影响.已有的关于环境与竞争力关系的研究主要侧重于环境政策对国家、地区或企业竞争力的影响,如Porter等[5]认为有效的环境政策将刺激企业的技术创新和管理创新,从而增强企业的竞争力,Babool等[6]研究了环境政策对企业国际竞争力的影响,但这些研究并没有把生态环境要素融入到区域竞争力的概念中来.

本文将首先阐明城市生态环境竞争力的概念,然后构建城市生态环境竞争力(EEC)评价指标体系,并以山东省17地市为研究对象,利用灰色系统理论和模糊综合评价法计算各地的生态环境竞争力,最后选择典型城市进行横向对比分析,指出各城市发展低碳经济存在的问题并针对各地的表现给出相应的对策建议. 1 城市生态环境竞争力的内涵界定

城市竞争力的研究源于国际竞争力和区域竞争力的研究,美国巴克内尔大学的Peter教授于20世纪80年代便开始致力于城市竞争力的研究,他认为城市竞争力是指城市创造财富、提高收入的能力[7].2002年,Begg将不同学者撰写的12篇有关城市竞争力的文章编辑成《城市竞争力:创建活力城市的政策》一书[8],从不同角度阐释了什么是城市竞争力,如何构建城市竞争力.国内对于

城市竞争力的研究始于20世纪90年代初期,目前,国内较有影响的研究是北京国际城市发展研究院的“城市价值链模型”和倪鹏飞[7]提出的“城市价值链弓弦模型”.倪鹏飞指出,城市竞争力是一个相对的概念,从价值收益的最终产出角度看,是指城市参与国内外贸易、投资、服务等竞争的能力,是城市提高增加值的能力,是提高居民生活水平的能力.从经济收益的要素投入角度看,是城市的资源争夺能力、动员能力、整合能力、转化能力.从竞争力作用的方向和过程上看,包括引进吸收能力、转化提升能力和输出扩张能力[7].

以上研究虽然考虑到了城市的可持续发展能力,评价指标也涉及到了一些生态环境指标,但是生态环境指标在整个评价体系中所占的权重过小,基于此,有学者提出应该提高生态环境指标所占权重,进而提出了区域生态环境竞争力的概念.李宗尧等[9]认为生态环境竞争力是对区域生态环境系统承受的压力、目前的状态、对区域开发活动的支撑能力以及人类的主动协调能力的综合表达,体现了生态环境的本底状态以及资源利用、保护和治理生态环境的能力.而鲁金萍等[10]则认为生态环境竞争力是指一个地区自然资源利用、生态环境治理及其对社会经济发展影响的能力,是区域竞争力的重要组成部分,它通过建立相关指标体系来评价地区间生态环境的优劣及区域可持续发展潜力的大小.

图1 城市竞争力模型

Fig.1 Model of urban competitiveness

,

5期 梁 伟等：基于模糊数学和灰色理论的城市生态环境竞争力评价 947

可能包括全部因子,只能从中选择最具代表性、最能反映系统本质特征的指标;(2)可行性:所选择的评价指标应易于通过统计资料整理或直接从科研和技术部门获得,对于那些虽然具有很强的代表性,但是数据无法获得的指标不得不舍弃;(3)适应性:选择的评价指标应该能用来对不同的地区进行评价;(4)敏感性:能分辨不同评价区域的生态环境质量差异.

依据以上原则并参考了其他学者的研究成

2 评价指标体系的构建及研究对象的选取

果我们构建的评价指标体系如表1所示.

表1 生态环境竞争力评价指标体系 山东省位于中国东部沿海,黄河下游,环抱着Table 1 Evaluation index system of eco-environment 渤海湾,与辽东半岛、朝鲜半岛、日本隔海相望,

competitiveness 特殊的地理位置,使山东省在全国经济格局中占

目标层 准则层 指标层 符号权重 有重要地位.随着长久以来粗放型经济的快速发

2

人均湿地面积(hm) A1 0.021

展,山东省的环境问题日益突出,生态环境问题已2

人均造林总面积(hm) A2 0.027

成为制约山东省经济、社会长远发展的重大问题.人均用水总量(m3) A3 0.031

因此,本文以山东省为研究对象,研究其主要城市资源禀赋竞人均水资源总量(m3) A4 0.030

争力(A) 人均公园绿地面积(m2) A5 0.032 生态环境竞争力发展现状. 发展的需要,城市生态环境竞争力还强调在环境

保护、环境治理、自然资源利用等方面实现经济增长与生态环境和谐发展的能力,以及对城市自身的吸引力、市场的争夺力和经济发展产生正面影响的能力,它是城市竞争力的有机组成部分,在某种程度上表征了城市可持续发展能力的大小.生态环境竞争力在整个城市竞争力模型中所处位置及其构成要素如图1所示.

(权重:0.281)

建成区绿化覆盖率(%) A6 0.041 建设用地占土地总面积比重(%)A7 0.028

2

3 基于灰色系统理论的指标权重求解

[11]

人均农用地(hm) A8 0.033

生

态环境竞争力

的研究对象是部分信息已

人均废水排放量(t) B1 0.031

知,部分信息未知的“贫信息”不确定性系统,灰色

人均化学需氧量排放量(t) B2 0.032

污染物减量关联度分析是灰色系统理论应用的主要方向之人均氨氮排放量(t) B3 0.030 排放竞争力

一,其主要思想是利用各方案与最优方案之间关人均二氧化硫排放量(t) B4 0.035

(B)

人均烟尘排放量(t) B5 0.034 联度的大小对评价对象进行比较、排序,其最大(权重:0.242)

人均工业粉尘排放量(t) B6 0.041

的特点是对样本量没有严格的要求,不要求服从0.039 人均废气排放量(m3) B7

任何分布[12].由于本研究的数据并不严格服从正人均施工项目本年完成投资额0.021

C1

(元) 态分布,同时也需要对结果进行排序,所以,非常

工业废水排放达标率(%) C2 0.050

适合采用该方法进行研究.

工业化学需氧量去除率(%) C3 0.043

环境治理竞3.1 权重计算的主要步骤 工业氨氮去除率(%) C4 0.041 争力(C)

(1)确定各单项指标的最优值,构建最优指标集 人均废气治理设施运行费用(元)C5 0.021

森林覆盖率(%) A9 0.038 灰色系统理论

(权重:0.346)

能耗竞争力

(D) (权重:0.103) 其他(E) (权重:0.028)

万元GDP取水量(m3/万元) D2 0.034 万元GDP电耗(kW?h/万元) D3 0.031

(2)计算关联系数?i(k)

根据灰色系统理论,采用关联分析法分别求

粉尘去除率(%) C8 0.046

第i个方案中第k个指标与第k个最优指标的固体废物综合利用率(%) C9 0.041

万元GDP能耗(tce/万元) D1 0.038 关联系数?i(k),即:

烟尘去除率(%) C7 0.051

二氧化硫去除率(%) C6 0.032

?i(k)?

**

minminCk?Cki??maxmaxCk?Ckii

*

C?C??maxmaxCk?Cki

i

k

k*k

i

k

ik

(1)

各市人口数(人) E1 0.028

指标的选取遵循(1)代表性:评价指标体系不

式中:???0,1?,一般取??0.5;Ck*是第k个指标的最优值进行归一化操作之后的数值;Cki是第k

948 中 国 环 境 科 学 33卷

个指标中除了Ck*之外的其他数值. (3)计算各指标的权重

5 山东省城市生态环境竞争力差异性分析

1m为了对17地市的“生态环境竞争力”有更直wk???i(k) (2)

mi?1观的了解,利用各地“生态环境竞争力”得分绘制

式中:k?1,2,...,n为指标的个数.将wk(k?1,2,?, 了图2,依据分值由低到高,各地颜色由浅变深,颜

n)做归一化处理,得到各指标最终权重: 色越深表明生态环境竞争力得分越高.

wk?

wk

?w

k?1

n

(3)

k

表2 山东省各市最终得分

Table 2 Final score of every city

城市 临沂 烟台 济宁 青岛 泰安 莱芜 潍坊 聊城 威海 东营 菏泽

资源禀赋污染物减量排环境治理竞争能耗竞争生态环境竞争力0.1864 0.1855 0.0850 0.1057 0.1389 0.1470 0.1024 0.1086 0.2313 0.1276 0.0942

放竞争力 0.2266 0.2081 0.2064 0.1995 0.2113 0.0597 0.1958 0.1795 0.1930 0.1048 0.2386 0.1166 0.1487 0.1209 0.1757 0.1452

力 0.2151 0.1599 0.2216 0.1900 0.1579 0.2601 0.1773 0.1880 0.0606 0.2076 0.1469 0.1823 0.1613 0.1884 0.1652 0.1284

力 0.0748 0.0929 0.0675 0.0967 0.0772 0.0254 0.0764 0.0443 0.1016 0.0914 0.0522 0.0709 0.0637 0.0749 0.0864 0.0638

竞争力 0.1894 0.1676 0.1577 0.1538 0.1532 0.1491 0.1455 0.1440 0.1437 0.1432 0.1406 0.1289 0.1285 0.1274 0.1232 0.1191

3.2 各指标权重计算结果

依照以上步骤计算得到第3层“指标层”各指标的权重,然后把第3层“指标层”各组的指标求和便可以得到第2层“准则层”中各组的权重.原始数据来源于《山东统计年鉴2010》[13]. 4 多层模糊综合评价

在已知各指标权重的情况下利用模糊综合评价法计算各准则层的竞争力及最终各市的生态环境竞争力.

4.1 构建模糊评判矩阵

日照 0.1746 0.1485 0.2277 0.0592 0.1705

设U??u1,u2,...,um?为各评价指标的集淄博 0.1061 滨州 0.1052 合,V??v1,v2,...,vn?为评判集,本文中指山东省17

枣庄 0.0875

地市,模糊关系用R表示,u与v所具有的模糊关

~济南 0.0508 u(系的程度记为Rui,vj)?rij??0,1?.首先分析因德州 0.1161 ~

素集中的某个单因素ui,从ui着眼该事物对评判 等级vj的隶属度为rij,这样就得出第i个因素ui

N

的单因素评判集为:ri?(ri1,ri2,...,rin).

这样,全部m个因素的评价集就构造出一个总的评判矩阵R,即每一个被评价对象确定了从~

U到V的模糊关系R?(rij)m?n[12],其中: rij表示~

因素ui能被评为vj的隶属度. 4.2 分层作综合评判

模糊合成的一般形式如式(4)所示: B?W?R (4)

~A?E

生态环境竞争力

高:0.1894

式中:W表示指标的权重向量;R为相应指标

~A?E

所对应的模糊评判矩阵中向量的集合,“?”为合成算子,本文采用的合成算子为M(?,?).采用自下而上的计算方法,先计算准则层的得分,再计算各地市最终得分.各地生态环境竞争力得分及各2低:0.1191

图2 山东省各市生态环境竞争力表现

Fig.2 Performance of eco-environment competitiveness

of every city

图2所示的各地生态环境竞争力是综合分

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