基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的大連城市化進(jìn)程中生態(tài)承載力模擬預(yù)測(cè)

馬忠強(qiáng)，汪 林,

(1.大連海事大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116025；2.大連大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116622)

基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的大連城市化進(jìn)程中生態(tài)承載力模擬預(yù)測(cè)

馬忠強(qiáng)1，汪 林1,2

(1.大連海事大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116025；2.大連大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116622)

城市化進(jìn)程將導(dǎo)致城市生態(tài)承載力受到威脅。將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理運(yùn)用于大連城市化實(shí)施過(guò)程中的生態(tài)承載力預(yù)測(cè)，在分析城市化系統(tǒng)特征及其系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間復(fù)雜關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)仿真模型。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，大連市2015年和2020年水資源、土地、COD的生態(tài)承載力利用強(qiáng)度指數(shù)都大于1，尤其是COD，分別達(dá)到4.24和4.43；其次是水資源，分別為1.67和1.81；再次是土地，分別為1.15和1.75。2015年和2020年大連市生態(tài)承載力綜合指數(shù)分別達(dá)到了4.25和4.95，且遠(yuǎn)期開(kāi)發(fā)強(qiáng)度與生態(tài)承載力的矛盾將進(jìn)一步加劇。

城市化；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；生態(tài)承載力；利用強(qiáng)度

城市化是一種社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象，即社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段，推動(dòng)生產(chǎn)方式變革導(dǎo)致的由傳統(tǒng)落后的鄉(xiāng)村社會(huì)向現(xiàn)代先進(jìn)的城市社會(huì)轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。城市化的實(shí)施過(guò)程不僅帶來(lái)土地利用的變化，同時(shí)也會(huì)引起社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等諸多方面變化，導(dǎo)致生態(tài)承載力受到威脅。大連是遼寧省的重要沿海港口城市，近20年來(lái)，大連市城市化進(jìn)程迅速，但也對(duì)城市生態(tài)承載力構(gòu)成了不良影響。

未來(lái)10年是大連市城市化進(jìn)程的高峰階段，筆者按照系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理建立城市化系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)仿真模型，并運(yùn)用該模型對(duì)大連市城市化進(jìn)程中的生態(tài)承載力進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期為城市化進(jìn)程中有效的保護(hù)城市生態(tài)安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本理論

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)((System Dynamic，SD)是一種集系統(tǒng)論、控制論和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為一體的研究復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)發(fā)展行為的有效方法。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象主要是開(kāi)放的系統(tǒng)，是非線性、高層次、多變量、多重反饋、復(fù)雜時(shí)變的系統(tǒng)。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究目的是通過(guò)分析系統(tǒng)內(nèi)的因果反饋關(guān)系以及眾多因素對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)的影響，從中選出影響系統(tǒng)發(fā)展的主要因子，然后預(yù)測(cè)不同策略可能對(duì)資源、環(huán)境、生態(tài)構(gòu)成的影響，最終為決策者提供科學(xué)的決策依據(jù)[1-2]。

2 基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的城市化進(jìn)程中生態(tài)承載力預(yù)測(cè)模型的建立

2.1 模型建立的目的

城市化進(jìn)程是一個(gè)復(fù)雜的、非線性的、動(dòng)態(tài)多回路反饋的大系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)各要素間存在著非線性關(guān)系，因果關(guān)系復(fù)雜。城市化引起的區(qū)域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度突破生態(tài)承載力，就會(huì)導(dǎo)致區(qū)域資源環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)無(wú)法發(fā)揮正常的服務(wù)功能，甚至導(dǎo)致不可逆的損害。因此，區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必須滿足生態(tài)承載力約束。本文在分析大連城市化進(jìn)程系統(tǒng)特征及其系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間復(fù)雜關(guān)系的基礎(chǔ)上，按照系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理建立該地區(qū)生態(tài)承載力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型，運(yùn)用VENSIM-DSS軟件對(duì)其建模，對(duì)城市化進(jìn)程中的生態(tài)承載力進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬。

2.2 城市化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

城市化進(jìn)程是一個(gè)綜合系統(tǒng)，其各子系統(tǒng)之間關(guān)系密切，必須首先確定每個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部的構(gòu)成要素及相互聯(lián)系，以及各子系統(tǒng)之間的作用關(guān)系，才能為下一步模型設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)[3-4]。建立城市化進(jìn)程生態(tài)承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的主要目的是對(duì)城市化的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所造成環(huán)境開(kāi)發(fā)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。根據(jù)城市化的區(qū)域定位和要求，將整個(gè)系統(tǒng)分解成人口、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和環(huán)境四個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間相互作用，互為因果，構(gòu)成具有多重反饋的環(huán)路圖，如圖1所示。

圖1 城市化系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)反饋關(guān)系Fig.1 Feedback relationship of different subsystems of urbanization system

2.2.1 人口子系統(tǒng)模型

人口系統(tǒng)應(yīng)包括常住人口和流動(dòng)人口。這里將常住人口和流動(dòng)人口作為狀態(tài)變量，常住人口數(shù)量受機(jī)械增長(zhǎng)率的影響，流動(dòng)人口數(shù)量和遷入遷出率有關(guān)。總?cè)丝诤褪袇^(qū)面積的比值為人口密度。人口子系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 人口子系統(tǒng)流程Fig.2 Population subsystem flow of urbanization system

2.2.2 經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)模型

GDP總量是三個(gè)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的加和，與三個(gè)產(chǎn)業(yè)的分配比例有關(guān)，合理的三產(chǎn)比例能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值初值和增長(zhǎng)率影響著各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和三個(gè)產(chǎn)業(yè)的比例。固定資產(chǎn)的投資額與各產(chǎn)業(yè)的投資所占比例有關(guān)，如果各產(chǎn)業(yè)投資所占比例固定，那么經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展則會(huì)增加對(duì)各產(chǎn)業(yè)的資金投入。第三產(chǎn)業(yè)投入加大，將提高交通設(shè)施水平和運(yùn)輸能力，從而提高經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的整體水平。另外，經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)環(huán)保科技的投資也會(huì)加大，更有利于環(huán)境保護(hù)和環(huán)境質(zhì)量的改善。圖3為經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)流程圖。

圖3 經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)流程Fig.3 Economic subsystem flow of urbanization system

2.2.3 生態(tài)子系統(tǒng)

在生態(tài)子系統(tǒng)中，首先要分析土地利用類(lèi)型和生態(tài)承載力。然后再按生產(chǎn)性土地分別進(jìn)行生態(tài)承載潛力的模擬與分析。

2.2.4 環(huán)境子系統(tǒng)

環(huán)境子系統(tǒng)作為整個(gè)生態(tài)承載力的空間支撐，其質(zhì)量的好壞對(duì)城市化發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。構(gòu)成其他各個(gè)子系統(tǒng)賴(lài)以存在的基礎(chǔ)之一。人口子系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)又通過(guò)COD排放影響水體環(huán)境，通過(guò)SO2排放影響大氣環(huán)境。

圖4 生態(tài)子系統(tǒng)流程Fig.4 Ecological subsystem flow of urbanization system

圖5 環(huán)境子系統(tǒng)流程Fig.5 Environment subsystem flow of urbanization system

2.3 參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源及模型建立

為保證模型的合理性與準(zhǔn)確性，模型參數(shù)主要來(lái)源于大連市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上將借鑒大連市以及全國(guó)相關(guān)數(shù)據(jù)和有權(quán)威地位的研究成果作為補(bǔ)充和完善。

用VENSIM-DSS對(duì)系統(tǒng)歷史行為進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬(即擬合分析法)，確定系統(tǒng)模型中的未知參數(shù)。模型的預(yù)測(cè)范圍為2011～2020年，其中2011為模型的現(xiàn)狀年，步長(zhǎng)為1年。

在VENSIM軟件中，方程編寫(xiě)和調(diào)試與流程圖融為一體，方程的編寫(xiě)非常方便，軟件提供了一系列常用的函數(shù)，如DELAY3(I,T)、IF_THEN_ELSE(cond,X,Y)、INITIAL(A)、PULSE(A,B)、SMOOTH(X,T)等[5-7]。函數(shù)的變量直接用變量名表示，易于閱讀。該模型共有105個(gè)變量和方程，其中包括30個(gè)常量，16個(gè)狀態(tài)變量，24個(gè)速率變量和34個(gè)輔助變量。

3 生態(tài)承載力仿真模擬預(yù)測(cè)

3.1 城市人口發(fā)展分析

人口規(guī)模預(yù)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 大連市人口規(guī)模預(yù)測(cè)Table 1 Population prediction in Dalian 萬(wàn)人

3.2 城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展分析

大連市經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 大連市經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)測(cè)Table 2 Economic development forecast in Dalian

3.3 城市生態(tài)與環(huán)境發(fā)展?fàn)顟B(tài)分析

(1)土地利用強(qiáng)度

大連市土地利用程度預(yù)測(cè)結(jié)果如表3所示，未來(lái)大連市土地利用度呈逐步上升趨勢(shì)。2015年土地利用度為3.72，比上一年增加了8.3%。2020年土地利用度為4.08，比上一年增加了8.57%。

表3 大連市土地利用度預(yù)測(cè)Table 3 Land use degrees forecast in Dalian

(2)水資源需求量

大連市需水量預(yù)測(cè)結(jié)果如表4所示，未來(lái)大連市水資源需求總量將逐年上升。2015年全市總需水量由2011年的9.45億m3增加到10.8億m3，年均遞增2.5%；到2020年全區(qū)總需水量將增加到11.26億m3，與2015年相比，年均遞增2.85%。

表4 大連市水資源需求量預(yù)測(cè)Table 4 Water resource demand forecast in Dalian 億m3

(3)污染物排放量及其與環(huán)境容量相容性分析

①水污染物排放量預(yù)測(cè)及其與環(huán)境容量相容性

未來(lái)大連市COD排放預(yù)測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 大連市COD排放量預(yù)測(cè)?Table 5 COD emissions forecast in Dalian

在大連市未來(lái)的發(fā)展進(jìn)程中，各類(lèi)污染源的COD的排放量均有上升，以第三產(chǎn)業(yè)上升最為明顯。生活污水仍是主要的污染源，工業(yè)廢水比例相對(duì)下降，而第三產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展使COD排放量比例逐年上升。根據(jù)預(yù)測(cè)，大連市水環(huán)境COD環(huán)境容量為7 965.4 t/a。2015年和2020年大連市COD排放量分別為33 806 t和35 327 t，排放量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)環(huán)境容量。

②大氣污染物排放量預(yù)測(cè)及其與環(huán)境容量相容分析

未來(lái)大連市主要大氣污染物排放量預(yù)測(cè)結(jié)果如表6所示。

表6 大連市主要大氣污染物排放量預(yù)測(cè)Table 6 Forecast of Dalian major air pollutants emissions 104 t

SO2是當(dāng)前大連市大氣環(huán)境的主要污染源之一。為控制大氣污染，“十一五”時(shí)期大連市政府采取了能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、重點(diǎn)污染企業(yè)搬遷等多種措施，有效的控制了市內(nèi)的大氣污染。從預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，近期和遠(yuǎn)期大連市大氣污染物排放量將會(huì)繼續(xù)下降。

根據(jù)預(yù)測(cè)，大連市SO2環(huán)境容量為18.51萬(wàn)t/年；而2015年和2020年大連市SO2排放量分別為13.93萬(wàn)t和12.36萬(wàn)t，小于大氣環(huán)境容量，說(shuō)明大氣環(huán)境容量的利用還有很大優(yōu)化調(diào)控空間。

3.4 未來(lái)城市化進(jìn)程中城市生態(tài)承載力綜合分析

(1)城市生態(tài)承載力表征方法

生態(tài)承載力綜合分析的目的就在于確定區(qū)域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度是否與該地區(qū)生態(tài)承載力相協(xié)調(diào)。根據(jù)研究需要，選取有代表性的生態(tài)環(huán)境承載力指標(biāo)，對(duì)指標(biāo)值進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而評(píng)價(jià)區(qū)域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度與承載力的協(xié)調(diào)程度[8-9]。

生態(tài)承載力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)包括兩部分，一是環(huán)境承載力指標(biāo)，二是開(kāi)發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)。在本研究中，環(huán)境承載力指標(biāo)包括水資源供給能力、COD容量、SO2容量等，用表達(dá)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)反映規(guī)劃區(qū)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的水資源需求量、污染物排放量等，用表達(dá)。

首先，可以用區(qū)域生態(tài)承載力利用強(qiáng)度指數(shù)I來(lái)評(píng)價(jià)生態(tài)承載力，就是開(kāi)發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)和承載力指標(biāo)的比值。

然后利用生態(tài)承載力利用強(qiáng)度指數(shù)確定規(guī)劃區(qū)生態(tài)承載力綜合指數(shù)C，表達(dá)式見(jiàn)（2）式。

當(dāng)0≤C≤1時(shí)，區(qū)域開(kāi)發(fā)區(qū)強(qiáng)度沒(méi)有超過(guò)區(qū)域生態(tài)承載力，而且C越小，區(qū)域開(kāi)發(fā)潛力越大；當(dāng)C＞1時(shí)，區(qū)域的開(kāi)發(fā)區(qū)強(qiáng)度就超過(guò)了其生態(tài)承載力，將危及區(qū)域資源環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能的正常發(fā)揮，必須采取一定措施緩解開(kāi)發(fā)強(qiáng)度與生態(tài)承載力間的矛盾[11-13]。

(2)生態(tài)承載力綜合預(yù)測(cè)結(jié)果

利用生態(tài)承載力綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)未來(lái)大連城市生態(tài)承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表7所示。

表7 大連市生態(tài)承載力綜合分析參數(shù)及評(píng)價(jià)結(jié)果Table 7 Comprehensive analysis parameters and evaluation results of ecological carrying capacity in Dalian

4 結(jié) 論

利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建立城市化生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)仿真模型，對(duì)大連市未來(lái)城市化進(jìn)程中生態(tài)承載力進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)論如下：

(1)大連市2015年和2020年水資源、土地、COD的環(huán)境承載力利用強(qiáng)度值都將大于1，尤其是COD，分別達(dá)到4.24和4.43；其次是水資源，分別為1.67和1.81；再次是土地，分別為1.15和1.75，說(shuō)明未來(lái)城市化發(fā)展進(jìn)程中COD排放強(qiáng)度、水資源利用強(qiáng)度、土地利用強(qiáng)度都將超過(guò)相應(yīng)的環(huán)境承載力。

(2)2015年和2020年大連市生態(tài)承載力綜合指數(shù)分別達(dá)到了4.25和4.95，且遠(yuǎn)期開(kāi)發(fā)強(qiáng)度與環(huán)境承載力的矛盾將進(jìn)一步加劇。

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Simulation and prediction of ecological bearing capacity based on system dynamics in urbanization process of Dalian City

MA Zhong-qiang1, WANG Lin1,2
(1.College of Environmental Science and Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116025, Liaoning, China;2.College of Environmental and Chemistry Engineering, Dalian University, Dalian 116622, Liaoning, China)

Urbanization process will make threat to city ecological bearing capacity. According to system dynamics principle, the ecological bearing capacity dynamic simulation model has been constructed to predict the ecological carrying capacity during the urbanization process in Dalian. The model is constructed based on the detailed analysis to the systematic characteristics of urbanization process and the complex relationship between the factors in the urbanization system. The predicted results indicate that urbanization will strongly threaten the ecological environment. In 2015 and 2020, the usage degree index of water resource, land resource and COD are all greater than 1, beyond the regional ecological bearing capacity of Dalian city, especially COD, respectively 4.24 and 4.43, the next is water resources，respectively 1.67 and1.81, the last is land, respectively 1.15 and 1.75. In the year of 2015 and 2020, the ecological bearing capacity composite index of Dalian city will reach 4.25 and 4.95, and the contradictions between long-term exploitation intensity and ecological bearing capacity will deteriorate.

urbanization process; system dynamics; ecological bearing capacity; exploitation intensity

S719

A

1673-923X(2013)04-0070-06

2013-01-16

國(guó)家自然科學(xué)基金（40801228）

馬忠強(qiáng)(1976-)，男，遼寧遼陽(yáng)人，博士研究生，講師，主要從事城市規(guī)劃及環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究

[本文編校：吳 彬]

摘 要：以新疆建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師墾區(qū)為研究區(qū)，以多期遙感影像、氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)地試驗(yàn)監(jiān)測(cè)與調(diào)查，綜合運(yùn)用GIS技術(shù)和層次分析法，通過(guò)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建和風(fēng)蝕效應(yīng)評(píng)價(jià)模型修正，定量評(píng)價(jià)墾區(qū)水土保持生態(tài)效益。結(jié)果表明：從1976年到2010年，研究區(qū)沙地面積不斷下降，風(fēng)蝕模數(shù)具有整體減小的趨勢(shì)，水土保持生態(tài)效益不斷變高。水土保持生態(tài)效益的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)新疆南疆農(nóng)墾區(qū)水土流失治理和農(nóng)業(yè)規(guī)劃提供重要的參考。

關(guān)鍵詞：墾區(qū)水土保持生態(tài)效益；層次分析法；風(fēng)蝕模數(shù)；新疆阿克蘇

A 文章編號(hào)：1673-923X(2013)04-0076-06