基于系统动力学的大连城市化进程中生态承载力模拟预测

马忠强，汪 林,

(1.大连海事大学 环境科学与工程学院，辽宁 大连 116025；2.大连大学 环境与化学工程学院，辽宁 大连 116622)

基于系统动力学的大连城市化进程中生态承载力模拟预测

马忠强1，汪 林1,2

(1.大连海事大学 环境科学与工程学院，辽宁 大连 116025；2.大连大学 环境与化学工程学院，辽宁 大连 116622)

城市化进程将导致城市生态承载力受到威胁。将系统动力学原理运用于大连城市化实施过程中的生态承载力预测，在分析城市化系统特征及其系统内部各因素之间复杂关系的基础上，建立系统动力学生态承载力动态仿真模型。根据预测结果，大连市2015年和2020年水资源、土地、COD的生态承载力利用强度指数都大于1，尤其是COD，分别达到4.24和4.43；其次是水资源，分别为1.67和1.81；再次是土地，分别为1.15和1.75。2015年和2020年大连市生态承载力综合指数分别达到了4.25和4.95，且远期开发强度与生态承载力的矛盾将进一步加剧。

城市化；系统动力学；生态承载力；利用强度

城市化是一种社会经济现象，即社会生产力发展到一定阶段，推动生产方式变革导致的由传统落后的乡村社会向现代先进的城市社会转变的现象。城市化的实施过程不仅带来土地利用的变化，同时也会引起社会、经济、环境等诸多方面变化，导致生态承载力受到威胁。大连是辽宁省的重要沿海港口城市，近20年来，大连市城市化进程迅速，但也对城市生态承载力构成了不良影响。

未来10年是大连市城市化进程的高峰阶段，笔者按照系统动力学原理建立城市化系统动力学生态承载力动态仿真模型，并运用该模型对大连市城市化进程中的生态承载力进行预测，以期为城市化进程中有效的保护城市生态安全提供科学依据。

1 系统动力学基本理论

系统动力学((System Dynamic，SD)是一种集系统论、控制论和计算机仿真技术为一体的研究复杂系统动态发展行为的有效方法。系统动力学的研究对象主要是开放的系统，是非线性、高层次、多变量、多重反馈、复杂时变的系统。系统动力学的研究目的是通过分析系统内的因果反馈关系以及众多因素对系统目标的影响，从中选出影响系统发展的主要因子，然后预测不同策略可能对资源、环境、生态构成的影响，最终为决策者提供科学的决策依据[1-2]。

2 基于系统动力学的城市化进程中生态承载力预测模型的建立

2.1 模型建立的目的

城市化进程是一个复杂的、非线性的、动态多回路反馈的大系统，系统内各要素间存在着非线性关系，因果关系复杂。城市化引起的区域开发强度突破生态承载力，就会导致区域资源环境与生态系统无法发挥正常的服务功能，甚至导致不可逆的损害。因此，区域社会经济发展必须满足生态承载力约束。本文在分析大连城市化进程系统特征及其系统内部各因素之间复杂关系的基础上，按照系统动力学原理建立该地区生态承载力系统动态仿真模型，运用VENSIM-DSS软件对其建模，对城市化进程中的生态承载力进行预测模拟。

2.2 城市化系统结构分析

城市化进程是一个综合系统，其各子系统之间关系密切，必须首先确定每个子系统内部的构成要素及相互联系，以及各子系统之间的作用关系，才能为下一步模型设计奠定基础[3-4]。建立城市化进程生态承载力系统动力学模型的主要目的是对城市化的社会经济发展所造成环境开发强度进行预测和评价。根据城市化的区域定位和要求，将整个系统分解成人口、经济、生态和环境四个子系统，子系统之间相互作用，互为因果，构成具有多重反馈的环路图，如图1所示。

图1 城市化系统内各子系统反馈关系Fig.1 Feedback relationship of different subsystems of urbanization system

2.2.1 人口子系统模型

人口系统应包括常住人口和流动人口。这里将常住人口和流动人口作为状态变量，常住人口数量受机械增长率的影响，流动人口数量和迁入迁出率有关。总人口和市区面积的比值为人口密度。人口子系统流程图见图2。

图2 人口子系统流程Fig.2 Population subsystem flow of urbanization system

2.2.2 经济子系统模型

GDP总量是三个产业产值的加和，与三个产业的分配比例有关，合理的三产比例能促进经济健康发展。各产业产值初值和增长率影响着各产业产值和三个产业的比例。固定资产的投资额与各产业的投资所占比例有关，如果各产业投资所占比例固定，那么经济系统的发展则会增加对各产业的资金投入。第三产业投入加大，将提高交通设施水平和运输能力，从而提高经济系统的整体水平。另外，经济发展对环保科技的投资也会加大，更有利于环境保护和环境质量的改善。图3为经济子系统流程图。

图3 经济子系统流程Fig.3 Economic subsystem flow of urbanization system

2.2.3 生态子系统

在生态子系统中，首先要分析土地利用类型和生态承载力。然后再按生产性土地分别进行生态承载潜力的模拟与分析。

2.2.4 环境子系统

环境子系统作为整个生态承载力的空间支撑，其质量的好坏对城市化发展具有至关重要的作用。构成其他各个子系统赖以存在的基础之一。人口子系统和经济子系统又通过COD排放影响水体环境，通过SO2排放影响大气环境。

图4 生态子系统流程Fig.4 Ecological subsystem flow of urbanization system

图5 环境子系统流程Fig.5 Environment subsystem flow of urbanization system

2.3 参数数据来源及模型建立

为保证模型的合理性与准确性，模型参数主要来源于大连市统计数据，在此基础上将借鉴大连市以及全国相关数据和有权威地位的研究成果作为补充和完善。

用VENSIM-DSS对系统历史行为进行计算机模拟(即拟合分析法)，确定系统模型中的未知参数。模型的预测范围为2011～2020年，其中2011为模型的现状年，步长为1年。

在VENSIM软件中，方程编写和调试与流程图融为一体，方程的编写非常方便，软件提供了一系列常用的函数，如DELAY3(I,T)、IF_THEN_ELSE(cond,X,Y)、INITIAL(A)、PULSE(A,B)、SMOOTH(X,T)等[5-7]。函数的变量直接用变量名表示，易于阅读。该模型共有105个变量和方程，其中包括30个常量，16个状态变量，24个速率变量和34个辅助变量。

3 生态承载力仿真模拟预测

3.1 城市人口发展分析

人口规模预测结果如表1所示。

表1 大连市人口规模预测Table 1 Population prediction in Dalian 万人

3.2 城市经济发展分析

大连市经济发展预测结果如表2所示。

表2 大连市经济发展预测Table 2 Economic development forecast in Dalian

3.3 城市生态与环境发展状态分析

(1)土地利用强度

大连市土地利用程度预测结果如表3所示，未来大连市土地利用度呈逐步上升趋势。2015年土地利用度为3.72，比上一年增加了8.3%。2020年土地利用度为4.08，比上一年增加了8.57%。

表3 大连市土地利用度预测Table 3 Land use degrees forecast in Dalian

(2)水资源需求量

大连市需水量预测结果如表4所示，未来大连市水资源需求总量将逐年上升。2015年全市总需水量由2011年的9.45亿m3增加到10.8亿m3，年均递增2.5%；到2020年全区总需水量将增加到11.26亿m3，与2015年相比，年均递增2.85%。

表4 大连市水资源需求量预测Table 4 Water resource demand forecast in Dalian 亿m3

(3)污染物排放量及其与环境容量相容性分析

①水污染物排放量预测及其与环境容量相容性

未来大连市COD排放预测结果如表5所示。

表5 大连市COD排放量预测†Table 5 COD emissions forecast in Dalian

在大连市未来的发展进程中，各类污染源的COD的排放量均有上升，以第三产业上升最为明显。生活污水仍是主要的污染源，工业废水比例相对下降，而第三产业的迅速发展使COD排放量比例逐年上升。根据预测，大连市水环境COD环境容量为7 965.4 t/a。2015年和2020年大连市COD排放量分别为33 806 t和35 327 t，排放量将远远超过环境容量。

②大气污染物排放量预测及其与环境容量相容分析

未来大连市主要大气污染物排放量预测结果如表6所示。

表6 大连市主要大气污染物排放量预测Table 6 Forecast of Dalian major air pollutants emissions 104 t

SO2是当前大连市大气环境的主要污染源之一。为控制大气污染，“十一五”时期大连市政府采取了能源结构调整、重点污染企业搬迁等多种措施，有效的控制了市内的大气污染。从预测结果来看，近期和远期大连市大气污染物排放量将会继续下降。

根据预测，大连市SO2环境容量为18.51万t/年；而2015年和2020年大连市SO2排放量分别为13.93万t和12.36万t，小于大气环境容量，说明大气环境容量的利用还有很大优化调控空间。

3.4 未来城市化进程中城市生态承载力综合分析

(1)城市生态承载力表征方法

生态承载力综合分析的目的就在于确定区域开发强度是否与该地区生态承载力相协调。根据研究需要，选取有代表性的生态环境承载力指标，对指标值进行综合分析，进而评价区域开发强度与承载力的协调程度[8-9]。

生态承载力综合评价指标包括两部分，一是环境承载力指标，二是开发强度指标。在本研究中，环境承载力指标包括水资源供给能力、COD容量、SO2容量等，用表达。社会经济开发强度指标反映规划区开发强度的水资源需求量、污染物排放量等，用表达。

首先，可以用区域生态承载力利用强度指数I来评价生态承载力，就是开发强度指标和承载力指标的比值。

然后利用生态承载力利用强度指数确定规划区生态承载力综合指数C，表达式见（2）式。

当0≤C≤1时，区域开发区强度没有超过区域生态承载力，而且C越小，区域开发潜力越大；当C＞1时，区域的开发区强度就超过了其生态承载力，将危及区域资源环境与生态系统的服务功能的正常发挥，必须采取一定措施缓解开发强度与生态承载力间的矛盾[11-13]。

(2)生态承载力综合预测结果

利用生态承载力综合评价方法对未来大连城市生态承载力进行评价，结果如表7所示。

表7 大连市生态承载力综合分析参数及评价结果Table 7 Comprehensive analysis parameters and evaluation results of ecological carrying capacity in Dalian

4 结 论

利用系统动力学建立城市化生态承载力动态仿真模型，对大连市未来城市化进程中生态承载力进行预测，结论如下：

(1)大连市2015年和2020年水资源、土地、COD的环境承载力利用强度值都将大于1，尤其是COD，分别达到4.24和4.43；其次是水资源，分别为1.67和1.81；再次是土地，分别为1.15和1.75，说明未来城市化发展进程中COD排放强度、水资源利用强度、土地利用强度都将超过相应的环境承载力。

(2)2015年和2020年大连市生态承载力综合指数分别达到了4.25和4.95，且远期开发强度与环境承载力的矛盾将进一步加剧。

[1] 高 鹭,张宏业.生态承载力的国内外研究进展[J].中国人口.资源与环境,2007,(2): 19-26.

[2] 许联芳,杨勋林,王克林,等.生态承载力研究进展[J].生态环境,2006,(5): 1111-1116.

[3] 曹淑艳,谢高地.表达生态承载力的生态足迹模型演变[J].应用生态学报,2007,(6): 1365-1372.

[4] 高 鹭,张宏业.生态承载力的国内外研究进展[J].中国人口、资源与环境,2007,17(2):19-26.

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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

国家自然科学基金（40801228）

马忠强(1976-)，男，辽宁辽阳人，博士研究生，讲师，主要从事城市规划及环境影响评价研究

[本文编校：吴 彬]

摘 要：以新疆建设兵团农一师垦区为研究区，以多期遥感影像、气象数据为基础，结合实地试验监测与调查，综合运用GIS技术和层次分析法，通过评价指标体系构建和风蚀效应评价模型修正，定量评价垦区水土保持生态效益。结果表明：从1976年到2010年，研究区沙地面积不断下降，风蚀模数具有整体减小的趋势，水土保持生态效益不断变高。水土保持生态效益的评价指标体系及评价结果对新疆南疆农垦区水土流失治理和农业规划提供重要的参考。

关键词：垦区水土保持生态效益；层次分析法；风蚀模数；新疆阿克苏

A 文章编号：1673-923X(2013)04-0076-06