資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價及預(yù)警問題研究

索貴彬，王　哲

(河北地質(zhì)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050031)

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資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價及預(yù)警問題研究

索貴彬，王哲

(河北地質(zhì)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050031)

資源型城市在為中國的工業(yè)化進(jìn)程做出了巨大貢獻(xiàn)的同時，城市的生態(tài)系統(tǒng)健康也出現(xiàn)了許多問題，對城市生態(tài)系統(tǒng)的地理環(huán)境和生物種群造成很大影響，甚至造成一些資源型城市生態(tài)系統(tǒng)的失衡和崩潰。論文以突變理論和城市生態(tài)系統(tǒng)健康理論為依據(jù)，首先建立了資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系，然后基于突變理論，構(gòu)建了資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康的突變模型，并以邯鄲市為例，進(jìn)行了實證分析。以期對資源型城市的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)其出現(xiàn)較大擾動時進(jìn)行預(yù)警，以保證資源型城市的生態(tài)系統(tǒng)健康，為實現(xiàn)資源型城市的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

資源型城市；生態(tài)系統(tǒng)健康；突變論

一、引言

資源型城市是重要的城市類型，一般指依托于礦產(chǎn)資源、森林資源等自然資源，并以資源的開采和初加工為支柱產(chǎn)業(yè)的具有專業(yè)性職能的城市[1]。資源型城市在我國城市總量上占有很大的比重，對我國的工業(yè)化進(jìn)程甚至國家安全都做出了巨大貢獻(xiàn)。但是，資源型城市在為經(jīng)濟高速增長提供資源和能源保障的同時，城市的生態(tài)系統(tǒng)健康也出現(xiàn)了許多問題。資源型城市的資源開采不僅造成地表沉陷，而且開采產(chǎn)生的“三廢”給城市的地下水、土壤及大氣也造成嚴(yán)重污染，一些資源枯竭型城市地下采空，導(dǎo)致采空塌陷區(qū)山體開裂、崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對城市生態(tài)系統(tǒng)的地理環(huán)境和生物種群造成很大影響，甚至造成資源型城市自然子系統(tǒng)的失衡[2]，進(jìn)而觸發(fā)城市經(jīng)濟子系統(tǒng)和社會子系統(tǒng)的失衡，直至影響到資源型城市整個生態(tài)系統(tǒng)的失衡甚至崩潰。因此，對資源型城市的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況應(yīng)進(jìn)行密切監(jiān)測，當(dāng)其出現(xiàn)較大擾動時進(jìn)行預(yù)警，以便于城市相關(guān)部門采用相應(yīng)預(yù)案和措施及時應(yīng)對，保證資源型城市的生態(tài)系統(tǒng)健康，實現(xiàn)資源型城市的可持續(xù)發(fā)展。

影響資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康的因素很多，且具有突發(fā)性、危害性、耦合性、衍生性、傳導(dǎo)變異性和極大的不確定性等特征，其全過程的演化機制和發(fā)展規(guī)律無法確定，是一種非常態(tài)，因此，基于常態(tài)事件風(fēng)險評估的模型方法往往失效。從國內(nèi)外研究文獻(xiàn)來看，基于突變理論的風(fēng)險評估模型方法，可以有效地解決這一問題。

本文以突變理論和城市生態(tài)系統(tǒng)健康理論為依據(jù)，首先建立了資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系，然后基于突變理論，建構(gòu)資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康的突變模型，并以邯鄲市為例進(jìn)行實證分析，以期為保證資源型城市的生態(tài)系統(tǒng)健康、實現(xiàn)資源型城市的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

二、相關(guān)理論

(一)突變理論及突變級數(shù)法

突變理論是21世紀(jì)60年代末，由法國數(shù)學(xué)家R.Thom創(chuàng)立的，以拓?fù)鋵W(xué)、奇點和分歧理論為基礎(chǔ)，研究由于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而產(chǎn)生突變現(xiàn)象的數(shù)學(xué)分支。突變理論通過對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析，來說明和預(yù)測形態(tài)變化的發(fā)生。突變理論以系統(tǒng)的勢函數(shù)為研究對象，勢函數(shù)V=V(x,u)，其中x、u分別為系統(tǒng)的狀態(tài)變量和控制變量。突變理論把狀態(tài)曲面的奇點集映射到控制空間，得到狀態(tài)變量在控制空間的軌跡-分叉集。處于分叉集中的控制變量值會使勢函數(shù)發(fā)生突變。當(dāng)狀態(tài)變量為1維時，勢函數(shù)及其分叉集方程[3]見表1。

表1突變模型相關(guān)公式

突變模型控制變量勢函數(shù)分叉集歸一公式折疊突變1V(x)=x3+u1xu1=-3x2xu1=u1尖點突變2V(x)=14x4+12u1x2+u2xu1=-6x2,u2=8x3xu1=u1,Xu2=3u2燕尾突變3V(x)=15x5+13u1x3+12u2x2+u3xu1=-6x2,u2=8x3,u3=-3xxu1=u1,xu2=3u2,xu3=4u3蝴蝶突變4V(x)=16x6+14u1x4+13u2x3+12u3x2+u4xu1=-10x2,u2=20x3,u3=-15x2,u4=4x5xu1=u1,xu2=3u2,xu3=4u3,xu4=5u4

突變級數(shù)法的基本原理是基于落在分叉集內(nèi)控制變量的取值會使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生突變的性質(zhì)來構(gòu)建評價模型。構(gòu)建評價模型時，首先根據(jù)對應(yīng)的尖點模型分叉集方程，通過隸屬度值求得系統(tǒng)發(fā)生突變時的狀態(tài)變量的值。然后利用歸一公式把控制變量統(tǒng)一化為狀態(tài)變量表示的質(zhì)態(tài)[4]。一般地，根據(jù)各控制變量對狀態(tài)變量影響的方向，對評估要遵循“互補”與“非互補”原則?！盎パa”原則指系統(tǒng)諸控制變量間存在明顯的關(guān)聯(lián)作用，應(yīng)取諸控制變量相應(yīng)的突變級數(shù)值的均值作為總突變隸屬函數(shù)值?！胺腔パa”原則適用于系統(tǒng)諸控制變量對狀態(tài)變量的影響不能互補時的情況，又存在以下2種具體情況：(1)如果是正向指標(biāo)，取諸控制變量相應(yīng)的突變級數(shù)值中的最小值作為突變總隸屬函數(shù)值。(2)如果是逆向指標(biāo)，取諸控制變量相應(yīng)的突變級數(shù)值中的最大值作為突變總隸屬函數(shù)值[5]。

(二)城市生態(tài)系統(tǒng)健康理論

生態(tài)系統(tǒng)健康研究是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一個嶄新領(lǐng)域。生態(tài)系統(tǒng)健康概念的前提是把生態(tài)系統(tǒng)看作是一個完整的有機體。學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)同“健康”是生態(tài)系統(tǒng)最佳狀態(tài)的一種評價方式，保持城市生態(tài)系統(tǒng)健康是發(fā)揮城市生態(tài)系統(tǒng)正常功能的最基本條件。1992年，世界衛(wèi)生組織提出了“健康城市”的概念，并定義為：健康城市是由健康的人群、健康的環(huán)境和健康的社會有機結(jié)合發(fā)展的一個整體。Raport等將生態(tài)系統(tǒng)健康定義為“以符合適宜的目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)來定義一個生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)、條件或表現(xiàn)”[6]。相應(yīng)的城市生態(tài)系統(tǒng)健康則可定義為“符合一定城市發(fā)展目標(biāo)的城市生態(tài)系統(tǒng)”。目前對于生態(tài)系統(tǒng)健康的概念，比較公認(rèn)的是通過活力、組織結(jié)構(gòu)和恢復(fù)力3個特征進(jìn)行定義。而城市生態(tài)系統(tǒng)作為一個以人為核心的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，已經(jīng)演化為一種高度人工化的自然-經(jīng)濟-社會復(fù)合的生態(tài)系統(tǒng)。它更加強調(diào)生態(tài)系統(tǒng)能維持對人類的服務(wù)功能以及人類自身健康及社會經(jīng)濟健康不受損害[7]，其健康狀態(tài)還需要考慮城市中人群健康狀況以及城市生態(tài)系統(tǒng)為人類提供服務(wù)功能的水平。因此，常選擇生態(tài)系統(tǒng)活力、組織機構(gòu)、恢復(fù)力、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、人群健康狀況作為城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價的5個要素[8]。

三、基于突變理論的資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型構(gòu)建

(一)資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系構(gòu)建

資源型城市生態(tài)系統(tǒng)是由社會子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)和自然子系統(tǒng)通過生態(tài)流、生態(tài)場在一定時空尺度上耦合形成的復(fù)合系統(tǒng)。資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康具有動態(tài)性、相關(guān)性和脆弱累積性。資源型城市因其產(chǎn)業(yè)的特殊性，資源干擾的不斷累積，各種生態(tài)矛盾往往會在某些特定發(fā)展階段集中爆發(fā)，當(dāng)累積達(dá)到一定程度或系統(tǒng)某一要素產(chǎn)生的重大干擾超過系統(tǒng)臨界值之后，就會導(dǎo)致資源型城市整個生態(tài)系統(tǒng)的失穩(wěn)甚至崩潰?；诖?，本文在建立資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系時，首先考慮資源型城市的產(chǎn)業(yè)特殊性以及自然子系統(tǒng)受人類干擾程度比較大、其生態(tài)系統(tǒng)相對脆弱的特點，評價中增加了環(huán)境保護(hù)活力和環(huán)境質(zhì)量狀況等指標(biāo)；其次，考慮到各個子指標(biāo)內(nèi)涵的獨立性和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的可獲得性以及可比性，將生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力子指標(biāo)并入到活力子指標(biāo)。同時，在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能子指標(biāo)中加入了文化衛(wèi)生二級指標(biāo)，以反映生態(tài)系統(tǒng)對人類的服務(wù)功能。最終建立資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系如表2 所示。

表2資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系

評價要素評價指標(biāo)二級指標(biāo)活力(U1)組織結(jié)構(gòu)(U2)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能(U3)經(jīng)濟發(fā)展活力(U11)人均GDP(元/人)地均GDP(萬元/平方千米)能源彈性系數(shù)(噸標(biāo)煤/萬元)水資源彈性系數(shù)(m3/萬元)社會進(jìn)步活力(U12)人均科學(xué)支出(元/人)人均教育支出(元/人)環(huán)境保護(hù)活力(U13)礦區(qū)土地治理面積比例(%)工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率(%)固體廢棄物利用率(%)環(huán)境設(shè)施投資占GDP比重(%)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)(U21)三產(chǎn)比重(%)高新技術(shù)產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)值比重(%)社會結(jié)構(gòu)(U22)人口密度(人/平方千米)人口自然增長率(‰)自然結(jié)構(gòu)(U23)森林覆蓋率(%)環(huán)境質(zhì)量狀況(U31)生態(tài)突發(fā)事件(個)空氣質(zhì)量綜合指數(shù)人均綠地面積(平方米/人)生活便利程度(U32)人均道路面積(平方米/人)人均公共汽車(輛/萬人)文化衛(wèi)生狀況(U33)高校教師比例(人/萬人)人均圖書(冊/百人)互聯(lián)網(wǎng)用戶比例(戶/萬人)每萬人病床數(shù)(張/萬人)

(二)確定資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價的突變模型

根據(jù)突變理論，如果一個系統(tǒng)僅有一個指標(biāo)，則該系統(tǒng)可視為折疊突變系統(tǒng)；如果可以分解為2個子指標(biāo)，則該系統(tǒng)可視為尖點突變系統(tǒng)；如果可分解為3個子指標(biāo)，則該系統(tǒng)可視為燕尾突變系統(tǒng)；如果一個系統(tǒng)能分解為4個子指標(biāo)，則該系統(tǒng)可視為蝴蝶突變系統(tǒng)。同時考慮各子系統(tǒng)之間的“互補性”與“非互補性”原則，本文最終確定資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價的突變模型如表3所示。

(三)評價等級劃分

對資源型城市的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評價，評價值在0～1之間，本文將其劃分為5個區(qū)間，分別對應(yīng)于病態(tài)、不健康、亞健康、健康和很健康5個等級。

表3資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價突變模型

系統(tǒng)名稱控制變量個數(shù)控制變量間關(guān)系突變類型U3互補互補燕尾突變U13非互補非互補燕尾突變U23互補互補燕尾突變U33非互補非互補燕尾突變U114互補互補蝴蝶突變U122互補互補尖點突變U134非互補非互補蝴蝶突變U212互補互補尖點突變U222互補互補尖點突變U231—折疊突變U313非互補非互補燕尾突變U322互補互補尖點突變U334互補互補蝴蝶突變

(四)評價步驟

首先建立資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系和遞階突變模型，然后將經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后的原始數(shù)據(jù)帶入對應(yīng)的突變模型歸一公式中，計算各級狀態(tài)變量相對隸屬度，最后根據(jù)“互補”與“非互補”原則，求得總突變隸屬函數(shù)值，即資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。

四、以邯鄲市為例的實證分析

邯鄲市是河北省南部的一座典型的資源型城市，擁有豐富的煤炭資源和鐵礦石資源，是全國著名的煤和高品位的鐵礦石產(chǎn)區(qū)。隨著礦產(chǎn)資源儲量的不斷下降，邯鄲市的經(jīng)濟得到快速發(fā)展，同時，邯鄲市的空氣質(zhì)量下降，生態(tài)事件頻發(fā)，城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況不斷惡化。本文按照以上步驟，采用突變理論對邯鄲市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評價，評價結(jié)果如表4所示。從表4 可以看出，邯鄲市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況以2009年為轉(zhuǎn)折點，由不健康變轉(zhuǎn)為亞健康，這得益于邯鄲市長期以來狠抓節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)，以綠色技術(shù)和工藝來改造傳統(tǒng)的煤炭和鋼鐵產(chǎn)業(yè)，大力開展工礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和治理工作，通過這些舉措，提高了城市的活力指數(shù)。同時，邯鄲市加大供水、供電和交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高了城市的服務(wù)功能指數(shù)。但邯鄲市的組織機構(gòu)指數(shù)卻表現(xiàn)不佳，三產(chǎn)比重和高新技術(shù)產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)值比重增長緩慢。邯鄲市總體健康狀況不容樂觀，應(yīng)引起有關(guān)部門重視。

表4邯鄲市2005年—2014年城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價和預(yù)警等級判斷

年份活力指數(shù)組織機構(gòu)指數(shù)服務(wù)功能指數(shù)城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況指數(shù)健康等級風(fēng)險預(yù)警等級20140.570.330.850.58Ⅲ級亞健康中度風(fēng)險中度警報20130.580.310.830.57Ⅲ級亞健康中度風(fēng)險中度警報20120.560.330.820.57Ⅲ級亞健康中度風(fēng)險中度警報20110.540.320.800.55Ⅲ級亞健康中度風(fēng)險中度警報20100.650.210.860.57Ⅲ級亞健康中度風(fēng)險中度警報20090.690.410.660.59Ⅲ級亞健康中度風(fēng)險中度警報20080.630.300.410.45Ⅱ級不健康重度風(fēng)險重度警報20070.260.600.250.37Ⅱ級不健康重度風(fēng)險重度警報20060.120.590.130.28Ⅱ級不健康重度風(fēng)險重度警報20050.030.750.040.28Ⅱ級不健康重度風(fēng)險重度警報

五、結(jié)論

突變級數(shù)法具有一般性，可用于不同區(qū)域、不同時間尺度快速城市化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價。本文以突變理論和城市生態(tài)系統(tǒng)健康理論為依據(jù)，構(gòu)建了資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康的突變模型，并以邯鄲市為例，進(jìn)行了實證分析。由于資源型城市的特殊性，城市經(jīng)濟對資源產(chǎn)業(yè)的依賴性以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)影響的潛在性、長期性、漸變性和突發(fā)性，對資源型城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的評價應(yīng)采取定性和定量評價相結(jié)合的方法進(jìn)行，要充分利用專家及相關(guān)人員的智慧和經(jīng)驗，同時借助于信息系統(tǒng)加強對城市資源、環(huán)境、社會和經(jīng)濟等方面的監(jiān)測，以盡可能準(zhǔn)確地對資源型城市的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行分析、監(jiān)測和預(yù)警，為實現(xiàn)資源型城市的可持續(xù)發(fā)展提供幫助。

〔1〕 邱松．東北地區(qū)資源枯竭型城市經(jīng)濟轉(zhuǎn)型效果研究[D].長春：吉林大學(xué)，2011.

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〔3〕THOMR.Catastrophe Theory[M]//THOMR.StructuralStabilityandMorphogenesis.Benjamin:ReadingMass,1972:19-26.

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(責(zé)任編輯周吉光)

ResearchontheEvaluationandEarlyWarningofEcologicalSystemHealthofResource-basedCity

SUOGui-bin,WANGZhe

(HebeiGEOUniversity,Shijiazhuang,Hebei050031)

Resource-basedcitieshavemadeasignificantcontributioninourcountry'sindustrializationprocess,atthesametime,thecity'secosystemhealthhavebeenmanyproblems.Resource-basedcitieshavegreatimpactongeographyandbiologicalpopulationsofthecity'secosystem,andevencauseimbalancesandcollapseofsomeresource-basedurbanecologysystem.Inthispaper,catastrophetheoryandthetheoryofcityecosystemhealthisbased,firstestablishedtheevaluationindexsystemofresource-basedcityecosystemhealth,andthenbasedoncatastrophetheorytoconstructresource-basedcityecosystemhealthcatastrophemodel,andinthecityofHandancase,theempiricalanalysis.Tomonitorfortheresource-basedcitiesecosystemhealth,andwhenitappearedalargedisturbanceearlywarningtoensurethatresource-basedcitiesecosystemhealth,inordertoachievethesustainabledevelopmentofresource-basedcitiestoprovideareference.

resource-basedcity;ecologicalsystemhealth;catastrophetheory

10.13937/j.cnki.sjzjjxyxb.2016.03.011

2016-03-09

河北省高等學(xué)校人文社會科學(xué)研究重點項目(SD161062);河北省科技計劃項目(164576110D)；河北省社會科學(xué)發(fā)展研究課題(2015031221，215031233)；河北省重點學(xué)科“技術(shù)經(jīng)濟及管理”資助。

索貴彬(1968—)，男，河北磁縣人，博士后，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域：科學(xué)技術(shù)社會，資源型城市可持續(xù)發(fā)展。

F062.1

A

1007-6875(2016)03-0058-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.13937/j.cnki.sjzjjxyxb.2016.03.011.html網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-06-2015：30