全 文 ：第 26卷第 8期
2006年 8月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vo1．26，No．8
Aug．，2006
突变级数法在生态适宜度评价中的应用
— — 以镇江新区为例
陈云峰 ，孙殿义 ，陆根法
(1．南京大学环境学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室，南京 210093；2．中国科学院办公厅，北京 l00864)
摘要：《开发区区域环境影响评价技术导则》(HJ／~ 3)已将生态适宜度评价列为区域环境影响评价的主要内容，并明确提出了
三级指标集成的框架要求，但并未推荐具体的技术方法。在当前的环评工作实际中，出现了多种生态适宜度的评价技术，如排
列成比较技术、层次分析、模糊评价法等，然而这些方法却普遍存在着权重分配过程中的主观性问题。而对于生态适宜度评价
这类多指标集成的问题 ，无论采用何种技术方法，只有减少权重赋值的主观性才能体现评价结论的科学性。鉴于此，推荐了一
种新型的生态适宜度评 价方法—— 突变级数法。通过镇 江新 区环评 的具体 案例分析 ，突变级数法表 现出在生态适 宜度评 价方
面较好的适用性。更为重要 的是 ，通过对前述 3种方法的数理分析对 比 ，突变级 数法表 现出主营 以下两方 面的比较优 势 ：首先
该法不使用权重 ，只需按指标 间的内在逻辑关系对指标 的重要程度进行 排序 ，很大限度地避免 了人 为制 定权 重的主观性 ；同时，
作为定性与定量相结合的技术方法，突变级数法不仅可以对各地块是否适合其利用类型做出评价，还可以运用模型计算出各个
地块生态适宜度的具体 数值 ，对不 同地块的生态适宜性程度进行定 量 的对 比。诚 然 ，应 该客观地 指出 ，在按指标 的重要程 度排
序过程、以及评价指标的量化分级过程中，突变级数法仍然不能完全避免人为主观性 ，这也需要今后继续探索整合其他技术方
法 ，加 以进一步完善 。
关键词 ：突变级数法 ；生态适宜度评价
文章编号 ：1000．0933(2oo6)08—2587．07 中图分类号 ：X171 文献标识码 ：A
Application of catastrophe progression method in ecological suitability assessment：A
case study on Zhenjiang new area
CHEN Yun．Feng。，SUN Dian．Yi ，LU Gen—Fa。‘ (1
．s￡d耙研 6D ，y P0f n Control。nd Res。[wce$Reuse，School of Environment，
Nanfing University，Nanfing 210093，China；2．General魄 ofChinese Academy ofSciences，Belting 100864，China)．Acta Ecologica Sinica，2O06，26(8)：
2587—2593．
Abstract：Ecological suitability assessment has been listed as a important part of content in regional environmental impact
assessment according to (HJ／~ 3)，which
only requires to set up three—hierarchy indicators system but without appo inted approaches to integrate these indicators．In current
practice，several approaches have been attempted to apply，such as arranging and comparison technology，analytic hierarchy
process and fussy evaluation．However，due to the subjectivity in weight evaluation，these approaches are afraid of the objectivity
of their results．Catastrophe progression method is an approach dealing with multiple indicators integration，which is suitable for
the complex system decision because of its simpleness and objectiveness．With a case study on Zhenjiang New Area，the basic
principle for catastrophe progression method and its applying steps in ecological suitability assessment are introduced in this paper．
The case study shows the applicability of catastrophe progression method in ecological suitability assessment． What is more
impo rtant，through analyzing and contrasting the mathematical essence of the three above—mentioned approaches， catastrophe
progression method demonstrates obvious comparative advantages of two following respects mainly：on one hand，it does not use
收稿 日期 ：2005．12．Ol；修订 日期 ：2006．06．26
作者简介：陈云峰(1969～)，男，安徽合肥人，博士生，从事环境数值仿真研究．
*通讯作者 Corresponding author E-mail：lugf@nju．edu．cn．
Received date：2005-12-01；Accepted date：2006-06-26
Biography：CHEN Yun-Feng。Ph．D．candidate，mainly engaged in environmental numerical simulation
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any weight，only need to arrange indicators in an order of important degree according to the inherent logic relationship among
indicators，this avoids making the subjectivity of the artifcial weight evaluation in very large limit；on the other hand，as a
technological approach that combine qualitative analysis and quantitative analysis together，catastrophe progression method is not
only suitable to judge whether a piece of land is suitable for its using paterns，but also provide models to calculate out the concrete
number value of ecological suitability，and help to cary on the quantitative contrast of ecological suitability among diferent pieces
of land．However，what should be pointed out objectively is，in the course of arranging indicators in the order of important degree
and hierarchizing indicators，the artificial subjectivity in catastrophe progression method can’t be avoided completely，SO it would
be necessary to combine other technological approaches to improve the future application of catastrophe progression method in
ecological suitability assessment．
Key words：catastrophe progression method；ecological suitability assessment
土地利用的生态适宜度评价是从生态学的视角 ，分析区域开发的有利条件，明确生态环境的制约因素 ，从
而寻求最佳的土地利用方式和合理的规划方案 。生态适宜度评价 目前 已被广泛应用 于区域开发建设规划和
区域开发环境影响评价，国家环保总局2003年 8月 1 Ft颁布实施的《开发区区域环境影响评价技术导则》(HI／
T2003)也将生态适宜度评价列为区域环境影响评价的主要内容 。
《导则》提出了生态适宜度评价的技术方法框架 ，即采用三级指标体系 ，选择对土地利用 目标影响最大的
一 组因素作为评价指标。在各单项指标评分 的基础上，通过指标加权 ，对各种土地利用 方式进行综合评价 。
但对于多级指标集成过程中如何对权重赋值，并没有做出明确的规定，因此在实际的评价工作中，出现的各类
方法如排列成 比较技术⋯、层次分析 、模糊评价法 等不一而足，而这些方法普遍存在着权重分配过程 中主
观性强 、定量化程度差等问题 。
本文以镇江新区规划环评为例 ，提出的突变级数法是一种基于突变理论 的多指标集成技术 ，它无需人为
的确定权重 ，只须把握各评价指标 间的主次关系。该方法运用简单 ，又较为客观，特别适用于内部机理未知的
复杂大系统的多 目标决策问题 。目前 ，突变级数法已经被广泛应用到许多领域 ，但是用于土地利用的生态适
宜度评价，尚未见报道。
1 镇江新区概况
镇江新区为省级经济开发区，是镇江市“一城两翼”城 市格局 的东翼 ，北邻长江 ，南接沪宁高速和沪宁铁
路，具有突出的区位优势 。新 区分为丁卯和大港两个片区，规划建成 以国际化学 工业 园、机电工业 园、高新技
术产业园、出口加工区 、中心商贸区等“3园 2区”为主体的镇江市社会经济发展重要增长极 ，总体布局见图 1。
2 突变理论与突变级数法
突变级数法 的理论基础 是 系统新 三论之 一的突变理 论。突 变理论是 由法 国数学 家勒 内．托姆 (Rene
Thom)于 1972年创立的，是利用动态系统的拓扑理论来构造 自然现象与社会活动中不连续变化现象的数学模
型，并以此描述和预测事物连续性 中断的质变过程，是 目前唯一研究 由渐变引起 突变的系统理论。突变模型
的研究对象是系统的势函数。势函数是描述系统的控制变量与状态变量之问的相对关系、相对位置的函数。
托姆已证明 ，当控制变量不超过 4个 ，则势 函数最多只有 7种突变形式(表 1)。
突变模型中应用较多的是尖点突变和燕尾突变，这里不加推导地给出这 2种模 型的分叉集 ，分叉集是使
势 函数发生突变的控制变量的取值 ：
尖点突变 c1=一6x ，C2：8x
燕尾突变 n=一lOx ，b=20x ，C=一15 ，d=4x
突变级数法的基本原理就是利用落在分叉集内的控制变量的取值会使系统的状态发生突变这一性质来
构建评价模型。
以尖点突变模型为例 ，决定系统状态的控制变量有两个 ：C。和 C：。C。是导致 系统突变的主要 因子，C：是
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8期 陈云峰 等 ：突变级数法 在生态适宜度评价 中的应用 2589
图 1 镇江新区总体布局
Fig．1 The overal layout of Zhenjiang new area
高新技术产业园 Hi—Tech industry park；国际化学工业 园 International chemical industry park；机电科技工业园 Mechano—electronic science&industry
park；出 口加工区 Export processing zone；中心商 贸区 Center commerce and trade zone；江心 洲生态 旅游 区 Central shoal ecotoufism zone；焦 山景区
Mount Jiaoshan landscaped area；禹山风景区 Mount Yushan landscaped area；横 山风景区 Mount Hengshan landscaped area；圃山风景区 Mount Chuishan
landscaped area；长江 Yangtze River；扬中 Yangzhong
导致系统突变的次要因子 ，当 c 和 c 满足分叉集方程时 ，系统状态将发生突变，即从一种质态跳跃 到另一种
质态 。构建评价模型时 ，当某个上级 (把它看作系统状态变量 )包含两个下级指标时，即重要指标 c 和次要
指标 c ，根据分叉集方程就可以利用 c。和 c 的值求得 系统发生突变时的状态变量值 ，即上级指标值 。同
理 ，当上级评价指标可以分解成 3个、4个下级指标时，对各个子指标按重要程度进行排序 ，可 以分别运用燕
尾突变模型和蝴蝶突变模型计算上级指标值。
表 1 突变形式及其势函数
Table 1 Optimization functions of the 7 basic catastrophe models
利用分又集方程是不能直接进行分析评价的，因为状态变量与控制变量的取值范 围不统一，也不能 同模
糊隶属数的 0～1的取值范 围一致。因此 ，必须把各突变模型 中状态变量 、控制变量的取值范 围限制在 0～1，
即归一化。对分叉集进行变换 、推导 ，得 ：
l l
尖点突变模型归一公式 。=c ， =c
l l l
燕尾突变模型归一公式 。=c ， =c ， =c
归一公式把系统内诸控制变量的不同质态化为同一质态 ，即把控制变量统一化为状态变量表示 的质态。
多个控制变量在利用归一公式计算后将分别得到多个状态变量值 ，最终的值可采用“大 中取小”的原则或取平
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生 态 学 报 26卷
均值。假若系统的诸控制变量之间不可相互弥补不足，则从诸控制变量对应的 值中，即 。， ， ，中选取最
小的一个作为整个系统的 值，即为“大中取小”，因为只有这样才能满足分又集方程而发生质变。而当系统
的各个控制变量之间可以相互补充其不足时，则取 ，， ， 的平均值。
综上 ，突变级数法的评价步骤如下 ：
(1)建立多级评价指标体系，并对各级指标按重要程度进行排序。如果一个指标所对应的下级指标有 2
个 ，可视为以该指标为状态变量 、2个下级指标为控制变量的尖点突变系统。同理 ，如果一个指标有 3个下级
指标，该系统可视为燕尾突变系统。如果一个指标有 4个下级指标，该系统可视为蝴蝶突变系统。如果一个
指标的下一层指标个数多于 4个，就需要利用主成分分析法对指标进行合并 ，使合并后的指标个数不超过 4
个。
(2)利用突变模型的归一公式，并依照“大中取小”或“互补”原则求得各级状态变量值，最顶级状态变量即
是最终评价指标——生态适宜度 ，计算时只需知道最底层指标的原始数据即可 。
3 镇江新区土地利用的生态适宜度评价
3．1 划分评价单元
目前土地利用的生态适宜度评价大多采用 网格法 ，将评价区域划分成 m×n个网格 ，针对每个 网格逐个
进行计算和评价。网格法适合于大尺度的区域评价 ，尤其是 方便于在 GIS平台上 的操作 ，但也存在 网格 的划
分与实际地块边界不吻合的缺陷。为增强评价结论的针对性 ，本次评价单元按实际的规划地块进行划分。根
据镇江新区总规 ，大港片区被划分为 79个地块 ，丁卯片区被划分为 l5个地块。
3．2 构建评价指标体系
采用特尔斐法 ，即专家意见法确定评价指标体系。请若干专家在彼此隔离的情况下分别填写镇江新区生
态适宜度评价指标体系调查表，回收汇总后，把统计结果返回给各位专家陈述理由或做修改后再次给出评价
指标体系。如此反复，直至专家意见逐步收敛，基本趋于一致(表 2、表3)。
表 2 工业用地生态 适宜度评 价指标体 系
Table 2 Ecological suitability assessment indicator system for industrial land
3．3 评价指标的量化分级
根据专家意见，三级指标的评分分为4级：很适宜、适宜、基本适宜、不适宜，对应地给评价指标赋值，分别
为：3、2、1、0(表 4)。一级指标也分为 4级 ：很适宜 、适宜 、基本适宜、不适宜(表 5)。
3．4 数据预处理
为了解决模型参数的量纲统一问题，需要对各指标数据做无量纲化处理，使各数据在消除量纲后的取值
区间限制在 0～1内。
(1)对越大越好型指标 ：
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8期 陈云峰 等：突变级数法在生态适宜度评价中的应用 2591
风向敏感度 C6 Wind direction
环境质量 B4 Environmental sensitivity
quality 噪声扰民度 C7 Noise interference
level
大气污染的敏感程度 Sensitivity to air polution
居住用地的声环境质量 Acoustical environment
of residential land
"fi~ Ecolo gical
雌
suita
艏
bility 功 能 适 宜 度 综合功能 配套 性 C
omple
⋯
ment co
文
mp
教
letB Function Cs Comprehensive ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ：．= ： ’。 二=
of comln。rcial and suitability funeti。“。 。 。 tability
culture a『ld educati0n。me cal treatment，etc．
绿化与景观B6 绿地覆盖率 c9 percen age。f
A⋯ n a landsca
。
绿地占地百分 比 Greening land to total land ratio
包括植被多样性、水质、视频、视觉质量等因素
Including vegetation multiplicity，water quality，vision
frequ ency，vision quality，etc
环境质量
Environmental
qu ality
风向敏感度
Wind direction 婺
⋯ residential land industrial lan d ed industrial land
噪声扰民度 居住用地的声环境质 量
N0ise interference Ac0ustical environment of <50dB 50—55dB 55—60dB >60dB
level residential land
l ogical suitability Function 筹Comprehnsive三 ⋯岬 Mai艏nly e
绿化与景观 绿地覆盖率
Aforestation percentage of
and landscape greenery coverag e
环 境 协 调 性
BI Environ—
mental compat—
ibilitv
工业用地生态适
宜度 Ecological 基础设施 B2
suitability of Infrastructure
industrial land
土地开发 条
件 B L丑nd
development
conditions
景观 良好性
Landscape goodness
绿地 占地 百分 比 Green‘>30％ 20％ 30％
ing lan d to total lan d ratio 。
包括植被多样 性 、水质 、
视频、视觉质量等因素
? ing 。getatio⋯n “ ‘优Exeelent 良Fin。
pncny’ water quaa~ty Vl‘
sion frequency， vision
quality，ete．
境 极 差⋯⋯用矗 大气环影响度块大气环境影响的程度 一⋯ ⋯ ⋯：— ：’ c
l Ai 。“ r0n兀m⋯on—t The impac d。 。。 。 in．
e
Th
is
e
in
l
d
e
u
e
s
w
t
ard
I
sid rial s e is a cultural
impact degree dustrial lan d on 。““d air lan d land 。
距供热管 网距离
C，Distance away
from heating pipe
network
距排污管 网距离
C3 Distance away
from sewag e pipe
network
用 地指数
Cd LaIld useindica-
enVlronment
开发 区基础设施 的建 设
情 况 The pr。 。 in the <0
．5km
constro CtlOn ol lnlrastro c。
15％ 一20％ 15％
一 般 Average 较差 Not good
下 风 向 为 居
下风向为生态景 住 、商业用地
观用地 The The leeward
leeward side iS side iS commer—
ecological an d cial
landscape lan d and residential
】and
<0．5km 0．5— 1km 1—1．5km > 1．5km
土地利用状况等级 u与
土地条件等级 L的比值
<0．5 0．5 1．0
Land use degree to land
condition degree ratio
土地 条件 C5 Land地形坡度(。) 0 2 2 8 8 16 >16
conditions slope gradient
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2592 生 态 学 报 26卷
(2)对越小越好型指标 ： 二
一
mi
3．5 指标集成
指标逐级集成的突变级数法见图2、图3。
AI
圈 圈
C2 Cs G Cs
图 2 工业用地生态适 宜度评价的突变级数法
Fig．2 Catastrophe progression method for the ecological suitability
assessment of industrial land
图3 商贸及居住用地生态适宜度评价的突变级数法
Fig．3 Catastrophe progression me~od for the ecological suitability
assessment of commercial an d residential land
3．6 评价结论
大港 的 79地块 中，很适宜 47块 ，适宜 16块 ，基本适宜 14块 ，不适宜 2块 ，总体情况较好。生态适宜度较
高地块集 中在生态用地周边及各园区腹地 ，偏低地块集 中在中心商贸区与东部造纸化工区 、机电工业园的交
界处。丁卯的 15个地块中 ，很适宜 1O块 ，适宜 5块 ，无基本适宜和不适宜地块 ，总体情况优 于大港。生态适
宜度较高地块集中在生态用地周边 以及各 园区腹地，略低地块集中在中心商贸区与工业园区交界处 。
4 讨 论
对于生态适宜度评价这类多指标集成 的问题 ，无论采用何种技术方法 ，只有减少权重赋值的主观性才能
体现评价结论的客观性和科学性。以下就 目前运用较多 的排列成 比较技术 、层次分析法 、模糊评价法等方法
进行技术路线方面的对 比分析。
(1)排列成比较技术的规则是首先将评价因子按重要程度从小到大排序，其次确定后一个因子对前一个
因子的重要程度 ，用倍数 表示，并令第一个因子的重要程度 为 r =1。 值确定后按下列公式计算各评价
因子的权重 ：
f，
W = — = 1，2，⋯ ，n
∑
J= i
Ul： 1，Ul= r。× r。
一 l × r 2 × ⋯ × 1
由此可知，排列成 比较技术在权重计算 中，需要逐个确定后一个因子对前一个因子的重要程度 ，即 h 主
观性较强 。
(2)针对镇江新区土地利用的生态适宜度评价 ，采用层次分析法进行了对 比评价(图 4)，得 到了与本文一
致性的结论 。
层次分析法较排列成比较技术，在权重赋值方面减少了主观性，但同时层次分析法是定性的评价技术，对
于既有定性指标又有定量指标的问题，往往表现的定量不足。在本文的案例研究 中，只能得出一个地块适合
用作什么类型 ，无法对不同地块 的适宜性程度进行对比。
(3)模糊评价法是通过建立隶属函数，把绝对的属于或不属于“非此即彼”扩展为更加灵活的渐变关系 ，解
啻～
一递∞一，
塞 E一型二盛一
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8期 陈云峰 等：突变级数法在生态适宜度评价中的应用 2593
图4 层次分析法的递阶层次结构
Fig．4 The progressive hierarchical structure of anal c hierarchy process
决了多指标评价 中的一刀切问题 。但模糊评价法也属于定性的评价技术 ，也无法对 比不 同地块间的生态适宜
性程度。此外，模糊评价法主要适用于单级的多指标评价，难以应用于《导则》要求的三级指标体系的多级指
标评价。
综上所述 ，通过对 目前运用较多的排列成 比较技术 、层次分析法 、模糊评价法等方法 的数理分析 ，突变级
数法的比较优势主要体现在以下两个方面 ：
(1)客观性较强 突变级数法不使用权重 ，只需按指标间的内在逻辑关系对其重要程度进行排序 ，很大限
度地避免了人为赋权的主观性 。
(2)定量化程度较高 作为定性与定量相结合的技术方法 ，突变级数法不仅可 以对各地块是否适合其利
用类型做出评价 ，还可以运用模 型计算出各个地块生态适宜度的具体数值 ，对不同地块的生态适宜性程度进
行定量的对比。
诚然 ，这里需要客观地指出，在按指标重要程度排序的过程、以及评价指标量化分级 的过程 中，突变级数
法仍然不能完全避免人为主观性 ，这也需要今后继续探索整合其他技术方法 ，加 以进一步完善。
5 结论
《开发区区域环境影响评价技术导则》(I-LIlT2003)已将生态适宜度评价列为 区域环境影响评价的主要内
容 ，并明确提出了三级指标集成 的技术要求。在镇江新 区环评 的案例分析中，突变级数法表现出在生态适宜
度评价方面较好 的适用性 。通过与 目前运用较多的排列成 比较技术 、层次分析法 、模糊评价法等方法的数理
对比，突变级数法更是体现出客观性较强、定量化程度较高的比较优势 ，应于进一步完善后加 以推广。
References：
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