资源型城市生态系统健康评价及预警问题研究

索贵彬，王　哲

(河北地质大学 管理科学与工程学院，河北 石家庄 050031)



资源型城市生态系统健康评价及预警问题研究

索贵彬，王哲

(河北地质大学 管理科学与工程学院，河北 石家庄 050031)

资源型城市在为中国的工业化进程做出了巨大贡献的同时，城市的生态系统健康也出现了许多问题，对城市生态系统的地理环境和生物种群造成很大影响，甚至造成一些资源型城市生态系统的失衡和崩溃。论文以突变理论和城市生态系统健康理论为依据，首先建立了资源型城市生态系统健康评价指标体系，然后基于突变理论，构建了资源型城市生态系统健康的突变模型，并以邯郸市为例，进行了实证分析。以期对资源型城市的生态系统健康状况进行监测，当其出现较大扰动时进行预警，以保证资源型城市的生态系统健康，为实现资源型城市的可持续发展提供参考。

资源型城市；生态系统健康；突变论

一、引言

资源型城市是重要的城市类型，一般指依托于矿产资源、森林资源等自然资源，并以资源的开采和初加工为支柱产业的具有专业性职能的城市[1]。资源型城市在我国城市总量上占有很大的比重，对我国的工业化进程甚至国家安全都做出了巨大贡献。但是，资源型城市在为经济高速增长提供资源和能源保障的同时，城市的生态系统健康也出现了许多问题。资源型城市的资源开采不仅造成地表沉陷，而且开采产生的“三废”给城市的地下水、土壤及大气也造成严重污染，一些资源枯竭型城市地下采空，导致采空塌陷区山体开裂、崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害频发，对城市生态系统的地理环境和生物种群造成很大影响，甚至造成资源型城市自然子系统的失衡[2]，进而触发城市经济子系统和社会子系统的失衡，直至影响到资源型城市整个生态系统的失衡甚至崩溃。因此，对资源型城市的生态系统健康状况应进行密切监测，当其出现较大扰动时进行预警，以便于城市相关部门采用相应预案和措施及时应对，保证资源型城市的生态系统健康，实现资源型城市的可持续发展。

影响资源型城市生态系统健康的因素很多，且具有突发性、危害性、耦合性、衍生性、传导变异性和极大的不确定性等特征，其全过程的演化机制和发展规律无法确定，是一种非常态，因此，基于常态事件风险评估的模型方法往往失效。从国内外研究文献来看，基于突变理论的风险评估模型方法，可以有效地解决这一问题。

本文以突变理论和城市生态系统健康理论为依据，首先建立了资源型城市生态系统健康评价指标体系，然后基于突变理论，建构资源型城市生态系统健康的突变模型，并以邯郸市为例进行实证分析，以期为保证资源型城市的生态系统健康、实现资源型城市的可持续发展提供参考。

二、相关理论

(一)突变理论及突变级数法

突变理论是21世纪60年代末，由法国数学家R.Thom创立的，以拓扑学、奇点和分歧理论为基础，研究由于结构不稳定而产生突变现象的数学分支。突变理论通过对结构稳定性的分析，来说明和预测形态变化的发生。突变理论以系统的势函数为研究对象，势函数V=V(x,u)，其中x、u分别为系统的状态变量和控制变量。突变理论把状态曲面的奇点集映射到控制空间，得到状态变量在控制空间的轨迹-分叉集。处于分叉集中的控制变量值会使势函数发生突变。当状态变量为1维时，势函数及其分叉集方程[3]见表1。

表1突变模型相关公式

突变模型控制变量势函数分叉集归一公式折叠突变1V(x)=x3+u1xu1=-3x2xu1=u1尖点突变2V(x)=14x4+12u1x2+u2xu1=-6x2,u2=8x3xu1=u1,Xu2=3u2燕尾突变3V(x)=15x5+13u1x3+12u2x2+u3xu1=-6x2,u2=8x3,u3=-3xxu1=u1,xu2=3u2,xu3=4u3蝴蝶突变4V(x)=16x6+14u1x4+13u2x3+12u3x2+u4xu1=-10x2,u2=20x3,u3=-15x2,u4=4x5xu1=u1,xu2=3u2,xu3=4u3,xu4=5u4

突变级数法的基本原理是基于落在分叉集内控制变量的取值会使系统状态发生突变的性质来构建评价模型。构建评价模型时，首先根据对应的尖点模型分叉集方程，通过隶属度值求得系统发生突变时的状态变量的值。然后利用归一公式把控制变量统一化为状态变量表示的质态[4]。一般地，根据各控制变量对状态变量影响的方向，对评估要遵循“互补”与“非互补”原则。“互补”原则指系统诸控制变量间存在明显的关联作用，应取诸控制变量相应的突变级数值的均值作为总突变隶属函数值。“非互补”原则适用于系统诸控制变量对状态变量的影响不能互补时的情况，又存在以下2种具体情况：(1)如果是正向指标，取诸控制变量相应的突变级数值中的最小值作为突变总隶属函数值。(2)如果是逆向指标，取诸控制变量相应的突变级数值中的最大值作为突变总隶属函数值[5]。

(二)城市生态系统健康理论

生态系统健康研究是20世纪90年代出现的一个崭新领域。生态系统健康概念的前提是把生态系统看作是一个完整的有机体。学术界普遍认同“健康”是生态系统最佳状态的一种评价方式，保持城市生态系统健康是发挥城市生态系统正常功能的最基本条件。1992年，世界卫生组织提出了“健康城市”的概念，并定义为：健康城市是由健康的人群、健康的环境和健康的社会有机结合发展的一个整体。Raport等将生态系统健康定义为“以符合适宜的目标为标准来定义一个生态系统的状态、条件或表现”[6]。相应的城市生态系统健康则可定义为“符合一定城市发展目标的城市生态系统”。目前对于生态系统健康的概念，比较公认的是通过活力、组织结构和恢复力3个特征进行定义。而城市生态系统作为一个以人为核心的复合生态系统，已经演化为一种高度人工化的自然-经济-社会复合的生态系统。它更加强调生态系统能维持对人类的服务功能以及人类自身健康及社会经济健康不受损害[7]，其健康状态还需要考虑城市中人群健康状况以及城市生态系统为人类提供服务功能的水平。因此，常选择生态系统活力、组织机构、恢复力、生态系统服务功能、人群健康状况作为城市生态系统健康评价的5个要素[8]。

三、基于突变理论的资源型城市生态系统健康评价模型构建

(一)资源型城市生态系统健康评价指标体系构建

资源型城市生态系统是由社会子系统、经济子系统和自然子系统通过生态流、生态场在一定时空尺度上耦合形成的复合系统。资源型城市生态系统健康具有动态性、相关性和脆弱累积性。资源型城市因其产业的特殊性，资源干扰的不断累积，各种生态矛盾往往会在某些特定发展阶段集中爆发，当累积达到一定程度或系统某一要素产生的重大干扰超过系统临界值之后，就会导致资源型城市整个生态系统的失稳甚至崩溃。基于此，本文在建立资源型城市生态系统健康评价指标体系时，首先考虑资源型城市的产业特殊性以及自然子系统受人类干扰程度比较大、其生态系统相对脆弱的特点，评价中增加了环境保护活力和环境质量状况等指标；其次，考虑到各个子指标内涵的独立性和统计数据的可获得性以及可比性，将生态系统恢复力子指标并入到活力子指标。同时，在生态系统服务功能子指标中加入了文化卫生二级指标，以反映生态系统对人类的服务功能。最终建立资源型城市生态系统健康评价指标体系如表2 所示。

表2资源型城市生态系统健康评价指标体系

评价要素评价指标二级指标活力(U1)组织结构(U2)生态系统服务功能(U3)经济发展活力(U11)人均GDP(元/人)地均GDP(万元/平方千米)能源弹性系数(吨标煤/万元)水资源弹性系数(m3/万元)社会进步活力(U12)人均科学支出(元/人)人均教育支出(元/人)环境保护活力(U13)矿区土地治理面积比例(%)工业废水排放达标率(%)固体废弃物利用率(%)环境设施投资占GDP比重(%)经济结构(U21)三产比重(%)高新技术产值占工业总产值比重(%)社会结构(U22)人口密度(人/平方千米)人口自然增长率(‰)自然结构(U23)森林覆盖率(%)环境质量状况(U31)生态突发事件(个)空气质量综合指数人均绿地面积(平方米/人)生活便利程度(U32)人均道路面积(平方米/人)人均公共汽车(辆/万人)文化卫生状况(U33)高校教师比例(人/万人)人均图书(册/百人)互联网用户比例(户/万人)每万人病床数(张/万人)

(二)确定资源型城市生态系统健康评价的突变模型

根据突变理论，如果一个系统仅有一个指标，则该系统可视为折叠突变系统；如果可以分解为2个子指标，则该系统可视为尖点突变系统；如果可分解为3个子指标，则该系统可视为燕尾突变系统；如果一个系统能分解为4个子指标，则该系统可视为蝴蝶突变系统。同时考虑各子系统之间的“互补性”与“非互补性”原则，本文最终确定资源型城市生态系统健康评价的突变模型如表3所示。

(三)评价等级划分

对资源型城市的生态系统健康状况进行评价，评价值在0～1之间，本文将其划分为5个区间，分别对应于病态、不健康、亚健康、健康和很健康5个等级。

表3资源型城市生态系统健康评价突变模型

系统名称控制变量个数控制变量间关系突变类型U3互补互补燕尾突变U13非互补非互补燕尾突变U23互补互补燕尾突变U33非互补非互补燕尾突变U114互补互补蝴蝶突变U122互补互补尖点突变U134非互补非互补蝴蝶突变U212互补互补尖点突变U222互补互补尖点突变U231—折叠突变U313非互补非互补燕尾突变U322互补互补尖点突变U334互补互补蝴蝶突变

(四)评价步骤

首先建立资源型城市生态系统健康评价指标体系和递阶突变模型，然后将经过标准化处理后的原始数据带入对应的突变模型归一公式中，计算各级状态变量相对隶属度，最后根据“互补”与“非互补”原则，求得总突变隶属函数值，即资源型城市生态系统健康状况。

四、以邯郸市为例的实证分析

邯郸市是河北省南部的一座典型的资源型城市，拥有丰富的煤炭资源和铁矿石资源，是全国著名的煤和高品位的铁矿石产区。随着矿产资源储量的不断下降，邯郸市的经济得到快速发展，同时，邯郸市的空气质量下降，生态事件频发，城市生态系统健康状况不断恶化。本文按照以上步骤，采用突变理论对邯郸市生态系统健康状况进行评价，评价结果如表4所示。从表4 可以看出，邯郸市生态系统健康状况以2009年为转折点，由不健康变转为亚健康，这得益于邯郸市长期以来狠抓节能减排和清洁生产，以绿色技术和工艺来改造传统的煤炭和钢铁产业，大力开展工矿区的生态环境恢复和治理工作，通过这些举措，提高了城市的活力指数。同时，邯郸市加大供水、供电和交通等基础设施建设，提高了城市的服务功能指数。但邯郸市的组织机构指数却表现不佳，三产比重和高新技术产值占工业总产值比重增长缓慢。邯郸市总体健康状况不容乐观，应引起有关部门重视。

表4邯郸市2005年—2014年城市生态系统健康状况评价和预警等级判断

年份活力指数组织机构指数服务功能指数城市生态系统健康状况指数健康等级风险预警等级20140.570.330.850.58Ⅲ级亚健康中度风险中度警报20130.580.310.830.57Ⅲ级亚健康中度风险中度警报20120.560.330.820.57Ⅲ级亚健康中度风险中度警报20110.540.320.800.55Ⅲ级亚健康中度风险中度警报20100.650.210.860.57Ⅲ级亚健康中度风险中度警报20090.690.410.660.59Ⅲ级亚健康中度风险中度警报20080.630.300.410.45Ⅱ级不健康重度风险重度警报20070.260.600.250.37Ⅱ级不健康重度风险重度警报20060.120.590.130.28Ⅱ级不健康重度风险重度警报20050.030.750.040.28Ⅱ级不健康重度风险重度警报

五、结论

突变级数法具有一般性，可用于不同区域、不同时间尺度快速城市化地区生态系统健康评价。本文以突变理论和城市生态系统健康理论为依据，构建了资源型城市生态系统健康的突变模型，并以邯郸市为例，进行了实证分析。由于资源型城市的特殊性，城市经济对资源产业的依赖性以及相关产业对区域生态系统影响的潜在性、长期性、渐变性和突发性，对资源型城市生态系统健康状况的评价应采取定性和定量评价相结合的方法进行，要充分利用专家及相关人员的智慧和经验，同时借助于信息系统加强对城市资源、环境、社会和经济等方面的监测，以尽可能准确地对资源型城市的生态系统健康状况进行分析、监测和预警，为实现资源型城市的可持续发展提供帮助。

〔1〕 邱松．东北地区资源枯竭型城市经济转型效果研究[D].长春：吉林大学，2011.

〔2〕 李照修．略论资源枯竭型城市的生态文明建设[J].学术园地，2013(1)：21-22.

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

〔4〕 魏婷，朱晓东，李杨帆．基于突变级数法的厦门城市生态系统健康评价[J].生态学报，2008(10)：6312-6320.

〔5〕 陈秋玲，张青，肖璐．基于突变模型的突发事件视野下城市安全评估[J].管理学报，2010(6)：891-895.

〔6〕RAPPORTDJ,BOHMG，BUCKINGHAMD,etal.Ecosystemhealth:theconcept,theISEH,andtheimportanttasksahead[J].Ecosystem Health,1999(5):82-90.

〔7〕 郭秀锐，杨居荣，毛显强．2002城市生态系统健康评价初探[J].中国环境科学，2002(6)：525-529.

〔8〕 杨志峰， 徐琳瑜．城市生态规划学[M]．北京：北京师范大学出版社，2008:97-101.

(责任编辑周吉光)

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

河北省高等学校人文社会科学研究重点项目(SD161062);河北省科技计划项目(164576110D)；河北省社会科学发展研究课题(2015031221，215031233)；河北省重点学科“技术经济及管理”资助。

索贵彬(1968—)，男，河北磁县人，博士后，教授，硕士生导师，主要研究领域：科学技术社会，资源型城市可持续发展。

F062.1

A

1007-6875(2016)03-0058-05

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.13937/j.cnki.sjzjjxyxb.2016.03.011.html网络出版时间：2016-06-2015：30