基于土壤环境承载力的郑州市经济发展模式研究

计 琳，赵 林，方东明

（天津大学环境科学与工程学院，天津 300072）

郑州市位于黄土丘陵与黄淮海平原的过渡带，土壤类型多样。由于郑州处于东引西进、城市化进程快速发展的地区，城市化引发的土壤质量和环境问题十分突出[1]。经济建设的快速发展，客观上造成土壤生态环境压力日益增大，污染程度渐趋加重。为缓解人地关系日益紧张的尖锐矛盾，寻求一条既能保障郑州市经济发展对土地的需求又能使土壤环境承载力得到提高的有效途径[2]是迫在眉睫的任务。系统动力学是一门基于系统论、控制论、信息论和计算机仿真技术的新兴学科,用于研究与规划复杂系统的未来行为和相应的长期战略决策，具有独特的优点[3]。利用系统动力学的理论和方法,建立郑州市土壤环境承载力的系统动力学模型（SD模型），通过对郑州市城市社会经济系统的详细考察和分析，提出多种优化配置方案，并对每个方案的动态变化趋势进行比较分析,找出最优化发展方案，从而为郑州市产业结构优化提供科学的决策依据。

1 模型设计

1.1 系统辨识

系统包括人口、经济、环境共3个子系统。人口子系统，主要研究人口增长动态机制以及城市人口结构。以总人口作为人口子系统的水平变量，其存量主要由自然增长率（出生率－死亡率）、净迁入率决定。

经济子系统，主要研究城市各产业发展速度，经济总量的动态变化。分别以第一产业产值、第二产业产值作为水平变量，GDP作为辅助变量，变量GDP与变量第二产业产值通过变量第二产业产值比重联系起来。

环境子系统，主要研究废水排放总量、工业烟尘排放总量以及固废排放总量。

1.2 系统流程图设计

根据对系统整体分析，识别出描述系统特征的状态变量、速率变量和辅助变量，按照系统动力学流程图的画法规则，逐渐增添模型细节，得出系统的流程图如图1。

图1 人口-经济-环境耦合的系统动力学流程图

根据人口、经济、环境耦合的系统结构特点，并考虑到主要变量数据变化的稳定性及变量间依存的特征，在借鉴相关文献及国家标准的基础上，参数的处理方法主要概括为三大类：第一类，对于已有参考模式且稳定性较强的单变量的参数确定，采用历史统计资料做算术平均、趋势外推及经验值法。这一类变量主要有：出生率（0.009 4）、死亡率（0.004 6）、第一产业增长率（0.08）、第二产业增长率（0.20）等；第二类，对于变量间的关系不明显或数据不完全的参数采用表函数的方式确定，变量间的关系是非线性的，这类参数主要有城镇化率、人均生活污水排放量、人均生活垃圾排放量、工业废水排放量、工业固体废物排放量等；第三类，变量间的关系可以用函数表达式表示，这类变量之间存在比较明显的函数关系，或者采用常用的方法进行模拟，求得其中的函数关系表达式，例如本研究中总人口=出生人口+死亡人口+迁移人口，城镇人口=总人口×城镇化率等。

2 土壤环境承载力SD模型情景分析

2.1 设定情景模式

通过对郑州市城市社会经济系统的详细考察和分析，设定了4种发展情景。情景一，假定郑州市按照现有发展模式发展；情景二，将大规模人口集聚反映到模型中；情景三，将较低规模人口集聚、产业结构调整反映到模型中；情景四，将较低规模人口集聚、较低经济增长速度、产业结构调整以及环境治理反映到模型中。主要参数如表1所示。

表1 4种发展情景主要参数设置 （%）

2.2 情景模拟对比分析

2.2.1 人口子系统 通过调节（人口）净迁入率来控制人口集聚规模。模拟结果如图2所示,总人口仿真计算结果如表2所示。依情景二，2020、2030年郑州市人口将分别超过1 000万和1 500万。

2.2.2 经济子系统 图3是在不同的第二产业增长率及第二产业产值比重的条件下，人均GDP随时间变化图。依情景四，2020、2030年郑州市人均GDP将分别达到15万元和66万元。

表2 总人口仿真计算结果 （万人）

图2 不同情景下总人口的模拟

2.2.3 环境子系统 图4是不同情景下，生活垃圾和生活污水排放量模拟值。依情景一，2020、2030年郑州市生活污水排放量将分别达到36 894万m3和67 833万m3，分别为2008年生活污水排放量（27 374万m3）的1.35倍和2.48倍。

图3 不同情景下人均GDP的模拟

4种情景下郑州市土壤环境承载状态评价如图5所示。情景一与情景二对比显示，新增集聚人口会对土壤环境产生较大压力，如产生更多的生活垃圾，排放更多的生活污水等，从而导致土壤环境承载力的下降。情景二与情景三对比显示，调整产业结构，降低工业产值比重有助于改善这种状况（人口增加导致土壤环境承载力下降）。情景四与情景一对比显示，进一步采取改善措施，如降低第二产业增长率，提高工业固废综合利用率等将会抵消新增集聚人口对土壤环境承载力产生的不利影响。

图4 不同情景下的生活垃圾与生活污水排放量模拟

图5 不同情景下郑州市土壤环境承载力

3 结论

通过对比分析认为情景4为最优化方案，即聚集较低人口规模，将人口净迁入率控制在1.5%左右，适度降低第二产业增长率，优化产业结构，同时提高城市生活垃圾和污水处理率，提高工业固废综合利用率，加大环境治理力度，2020年以后空气质量达标率将达到92%以上。2020、2030年郑州市人均GDP将分别达到15万元和66万元，生态环境明显改善，人与社会、环境和谐发展。在土壤环境承载力保持良好的发展趋势下，经济和社会持续、健康发展。

[1]孙志英.城市化对土壤质量演变的影响研究——以郑州市为例[D].郑州：河南农业大学，2004.

[2]王 倩.中原城市群土地综合承载力研究[D].开封：河南大学，2009.

[3]喻理飞.人为干扰与喀斯特森林群落退化及评价研究[J].应用生态学报，2002，13（5）：529-532.