專(zhuān)利名稱(chēng)：一種城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和人口的迅速增長(zhǎng)，世界城市化的進(jìn)程在不 斷加快，尤其是發(fā)展中國(guó)家的城市化進(jìn)程更是日新月異。如何在城市發(fā)展進(jìn)程中堅(jiān)持可持 續(xù)發(fā)展的原則，把城市人口、資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)與城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，促進(jìn)城市的全 面發(fā)展，是現(xiàn)代城市發(fā)展所面臨的迫切問(wèn)題，實(shí)施生態(tài)城市規(guī)劃建設(shè)正是探索城市生態(tài)可 持續(xù)發(fā)展的一種有效途徑。同時(shí)，城市規(guī)模、結(jié)構(gòu)和功能受自然條件的限制，使得城市生態(tài) 建設(shè)必須充分考慮自然特征和環(huán)境承載能力，并以此作為實(shí)施城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃的 ■石出。生態(tài)足跡方法作為一種生態(tài)承載力的量化方法，在城市生態(tài)相關(guān)研究中得到廣泛 應(yīng)用。目前該方法主要應(yīng)用于靜態(tài)核算，但該方法一方面只能識(shí)別和分析研究區(qū)域時(shí)間點(diǎn) 上的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，不能預(yù)測(cè)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)；另一方面，從獲得相應(yīng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)到生態(tài)足 跡核算并根據(jù)分析結(jié)果給予決策者適當(dāng)?shù)恼呓ㄗh，這一過(guò)程有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間延遲，不能 有效地調(diào)控城市生態(tài)規(guī)劃方案和策略。而生態(tài)承載力的動(dòng)態(tài)分析研究尚處于起步階段，生 態(tài)足跡動(dòng)態(tài)方法雖能夠預(yù)測(cè)未來(lái)變化趨勢(shì)，但仍存在預(yù)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確和預(yù)測(cè)時(shí)間區(qū)間短等 不足。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法，以解決預(yù)測(cè)結(jié)果 不準(zhǔn)確和預(yù)測(cè)時(shí)間區(qū)間短等不足的問(wèn)題。( 二 )技術(shù)方案—種城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法，利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立生態(tài)足跡與 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的耦合動(dòng)態(tài)分析模型，根據(jù)所述動(dòng)態(tài)分析模型分析城市發(fā)展驅(qū)動(dòng)要素與生態(tài)足 跡的響應(yīng)關(guān)系，預(yù)測(cè)城市生態(tài)足跡變化趨勢(shì)，具體包括以下步驟Sl 運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)要素的動(dòng)態(tài)過(guò)程和作用關(guān)系，包 括經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程、人口增長(zhǎng)、遷移過(guò)程及人口 _經(jīng)濟(jì)要素的相互作用過(guò)程；S2:通過(guò)構(gòu)造子模塊來(lái)建立所述驅(qū)動(dòng)要素同生物資源供需的響應(yīng)關(guān)系，包括能源 需求系統(tǒng)模塊，生物資源消費(fèi)模塊，生物生產(chǎn)性土地面積變化模塊和生物生產(chǎn)能力模塊；S3 采用生態(tài)足跡綜合核算法進(jìn)行生態(tài)足跡核算，包括核算生態(tài)足跡賬戶(hù)及各賬 戶(hù)成分；S4:以可行性和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)不同的生態(tài)調(diào)控情景對(duì)城市可持續(xù) 發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)控優(yōu)化。其中，所述步驟Sl中的城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)要素包括人口經(jīng)濟(jì)、自然資源稟賦條件、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、技術(shù)變革和社會(huì)政策體系調(diào)控。其中，所述步驟S2中的生物資源消費(fèi)模塊中生物資源消費(fèi)生態(tài)足跡計(jì)算公式如 下 其中F。，F(xiàn)p, Ff分別表示由于生物資源消費(fèi)對(duì)耕地，草原和水域所產(chǎn)生的生態(tài)足 跡。C'。，C"。分別對(duì)糧食和蔬果的直接消費(fèi)量，c^c^cf分別為次級(jí)肉類(lèi)產(chǎn)品，初級(jí)畜 牧類(lèi)肉制品和初級(jí)魚(yú)類(lèi)肉制品的消費(fèi)量，\飼料轉(zhuǎn)換因子，β偶爾消費(fèi)食品所攜帶的耕地 生態(tài)足跡所對(duì)應(yīng)縮放比例，Cn非食用糧食消費(fèi)，Yc, Y'。，Yp, Yf分別為糧食、蔬果、畜牧類(lèi)肉 制品及魚(yú)類(lèi)制品的產(chǎn)量。其中，所述步驟S2中的生物生產(chǎn)性土地面積變化模塊中土地覆蓋未來(lái)變化趨勢(shì) 預(yù)測(cè)公式為ρ (η) = ρ(0) · ρ (η)P (η) =Pn其中，ρ(η)表示第η年時(shí)各土地類(lèi)型覆蓋面積分布，ρ(0)為基年各土地類(lèi)型覆蓋 面積分布，P(η)為η步馬爾科夫轉(zhuǎn)移概率矩陣，P為一步轉(zhuǎn)移概率矩陣。(三)有益效果本發(fā)明具有如下有益效果1、在傳統(tǒng)生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)分析基礎(chǔ)上，引入了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)思想，補(bǔ)充了內(nèi)生的系統(tǒng) 建模過(guò)程，模擬城市生態(tài)承載力的動(dòng)態(tài)變化；2、能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)城市發(fā)展過(guò)程中生態(tài)承載力的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)；3、能利用預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合情景分析方法反向調(diào)控規(guī)劃方案優(yōu)化城市生態(tài)發(fā)展。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和生態(tài) 足跡耦合模型構(gòu)建過(guò)程圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法建立的人口 _經(jīng)濟(jì)子系 統(tǒng)模塊框架圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法建立的能源需求系統(tǒng) 模塊框架圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法建立的消費(fèi)食品所攜 帶的耕地生態(tài)足跡模塊框架圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法建立的生物生產(chǎn)性土 地面積變化模塊框架圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法建立的生物生產(chǎn)能力 模塊框架圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法在對(duì)某城市分析中在 常規(guī)發(fā)展情景下的模擬結(jié)果(a)案例地區(qū)土地利用類(lèi)型變化趨勢(shì)，(b)影響生態(tài)足跡變化 的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)要素變化趨勢(shì)，(c)生態(tài)足跡和生態(tài)承載力變化趨勢(shì)，(d)各組分生態(tài)足跡變化趨勢(shì)；圖8是根據(jù)本發(fā)明的城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法對(duì)圖7中案例分析的實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法，結(jié)合附圖和實(shí)施例說(shuō)明如下。本發(fā)明將通過(guò)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和生態(tài)足跡的耦合模型，建立動(dòng)態(tài)分析框架，從動(dòng) 態(tài)角度預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)城市生態(tài)承載力，并利用預(yù)測(cè)結(jié)果反向調(diào)控城市生態(tài)規(guī)劃方案，給出科學(xué) 的政策建議，實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生顯著的環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。其 中，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)作為一種能夠理解復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)流，信息流和干預(yù)措施之間運(yùn)行和作 用過(guò)程的交叉綜合學(xué)科，被廣泛應(yīng)用于模擬經(jīng)濟(jì)環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)。生態(tài)足跡被定義為在現(xiàn)有 技術(shù)條件下，按空間面積計(jì)量的支持一個(gè)特定地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和人口的物質(zhì)、能源消費(fèi)和廢棄 物處理所要求的生物生產(chǎn)性地域空間。該時(shí)空尺度下生物生產(chǎn)性土地供給，即生態(tài)承載力。 生態(tài)足跡核算體系通過(guò)比較該時(shí)空尺度下生態(tài)足跡與生態(tài)承載力，衡量區(qū)域內(nèi)資源利用強(qiáng) 度與生態(tài)支持系統(tǒng)的協(xié)調(diào)程度，以及可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。本發(fā)明利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立生態(tài)足跡與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合動(dòng)態(tài)分析模型，根據(jù) 所述耦合動(dòng)態(tài)分析模型分析城市發(fā)展驅(qū)動(dòng)要素和生態(tài)足跡響應(yīng)關(guān)系，預(yù)測(cè)城市生態(tài)足跡變 化趨勢(shì)。本發(fā)明將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的動(dòng)態(tài)模擬思想植入傳統(tǒng)生態(tài)承載力各分析體系，構(gòu)建生態(tài) 足跡動(dòng)態(tài)分析模型，通過(guò)此模型，可分析調(diào)控城市發(fā)展驅(qū)動(dòng)要素和生態(tài)足跡響應(yīng)關(guān)系，從動(dòng) 態(tài)的角度預(yù)測(cè)未來(lái)城市承載力發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)對(duì)未來(lái)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)結(jié)果，反向調(diào)控城市生態(tài) 規(guī)劃方案，以實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)壓力的減少和可持續(xù)發(fā)展能力提高優(yōu)化。具體包括以下步驟，如 圖1所示步驟Si，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)要素的動(dòng)態(tài)過(guò)程和作用關(guān) 系，包括經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程、人口增長(zhǎng)、遷移過(guò)程及人口-經(jīng)濟(jì)要素的相互作用過(guò)程。所述城市 社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)要素包括人口經(jīng)濟(jì)、自然資源稟賦條件、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、技術(shù)變革和社會(huì)政 策體系調(diào)控。如圖2所示，為人口-經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)模塊框架圖，由帶長(zhǎng)條形方塊的箭頭連接的系統(tǒng) 要素反映宏觀(guān)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)過(guò)程，由帶圓點(diǎn)的箭頭連接的系統(tǒng)要素模擬人口規(guī)模變化過(guò)程，人 口 _經(jīng)濟(jì)相互作用關(guān)系用帶菱形的箭頭表示，三個(gè)帶方塊箭頭表示柯布_道格拉斯生產(chǎn)函 數(shù)關(guān)系，帶三角的箭頭將人口 _經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力和個(gè)體消費(fèi)行為聯(lián)系為一個(gè)整體。整個(gè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)機(jī)理大致可以描述為基于柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)，初期資本儲(chǔ) 量(CS)，連同勞動(dòng)力(L)及能源投入(E)，推動(dòng)地區(qū)生產(chǎn)總值(GRP)增加。地區(qū)生產(chǎn)總值在 扣除掉凈出口(TR)之后，剩余部分作為地區(qū)總支出(GRE)?；诰用竦倪呺H消費(fèi)傾向(ο) 和地區(qū)總支出，計(jì)算居民最終消費(fèi)水平(FC)，剩余部分作為固定資本支出(FCE)用于投資 (I)。作為一個(gè)閉合回路，投資又將注入到當(dāng)?shù)刭Y本儲(chǔ)量中，用于下一時(shí)期的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。模擬人口驅(qū)動(dòng)力構(gòu)成了人口-經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的另一組成部分，本模型將該地區(qū)人口 總量(Population)視為水平變量，人口出生(Birth)和死亡(Death)視為過(guò)程變量用于改 變?nèi)丝诳偭?，同時(shí)人口出生和死亡表示為人口總量和出生率(Birth Rate)/死亡率(Death Rate)的函數(shù)相乘關(guān)系。特別地，出生率由標(biāo)準(zhǔn)出生率(Birth rate normal)和出生率乘數(shù)因子(Birth rate multipliers)決定，而出生率乘數(shù)因子則采用表函數(shù)表示為出生率和影 響因子的非線(xiàn)性關(guān)系，影響因子包括食物消費(fèi)水平(Food consumption level)，生育政策 (Family policy)。死亡率采用同樣的處理方法，但影響因子補(bǔ)充考慮了空氣環(huán)境質(zhì)量所產(chǎn) 生的人群健康影響，同時(shí)將空氣環(huán)境質(zhì)量(Air quality)處理成能源使用所排放的空氣污 染物(Pollutants emissions)的反函數(shù)關(guān)系，用以將人口-經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和能源使用子系統(tǒng) 聯(lián)系起來(lái)構(gòu)成系統(tǒng)分析框架。為了聯(lián)系人口和經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)，本模型首先模擬了人口遷移流動(dòng)(Migration flows)，假設(shè)人口遷移率(Immigrations rate)由當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)前景(Employment Prospect) 所決定，而就業(yè)前景受勞動(dòng)力供需關(guān)系影響，即等于勞動(dòng)力需求(Labor demand)和勞 動(dòng)力潛在供給(Employment potential)之差。勞動(dòng)力潛在供給等于地區(qū)人口總量 (Population)和潛在供給比率(Employment potential ratio)的乘積，以反映該地區(qū)所能 利用的潛在最大人力資源。勞動(dòng)力需求則處理為資本儲(chǔ)量(Capital stock)和資本-勞動(dòng) 比率(Capital-labor ratio)的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而作為聯(lián)系經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的必要組成部分。作為人 口-經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)聯(lián)系的一個(gè)作用途徑，地區(qū)人口總量(Population)和勞動(dòng)力參與率(Labor force participation)禾只決定了勞云力力 人(Labor force input)，并通過(guò)柯布—道 格拉斯生產(chǎn)函數(shù)確定地區(qū)生產(chǎn)總值(Gross regional product) 0以上建模過(guò)程完成了人 口-經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)框架的構(gòu)建。考慮到各種新能源技術(shù)(比如地?zé)?、風(fēng)能及核能)在大部分城市能源使用結(jié)構(gòu)中 所占比例很小，或由于成本問(wèn)題沒(méi)有在經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中得到普遍使用，故本發(fā)明在能源生態(tài)足 跡計(jì)算中只考慮化石能源(Fossil energy carrier)使用所產(chǎn)生的環(huán)境影響，比如化石燃 料、電力及生物能。本發(fā)明構(gòu)建的能源需求系統(tǒng)模塊從經(jīng)濟(jì)體系各個(gè)產(chǎn)業(yè)部門(mén)研究能源經(jīng) 濟(jì)的相互作用關(guān)系(Energy-economic interactions)，即包括工業(yè)生產(chǎn)，商業(yè)服務(wù)，交通運(yùn) 輸和家庭生活用能四個(gè)部分。同時(shí)，本發(fā)明的分析框架又試圖將這四個(gè)產(chǎn)業(yè)部門(mén)的能源使 用和人口 _經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力聯(lián)系耦合起來(lái)。步驟S2，通過(guò)構(gòu)造子模塊來(lái)建立所述驅(qū)動(dòng)要素同生物資源供需的響應(yīng)關(guān)系，包括 能源需求系統(tǒng)模塊，生物資源消費(fèi)模塊，生物生產(chǎn)性土地面積變化模塊和生物生產(chǎn)能力模 塊。采用計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)方法建立上述模塊。如圖3所示，為能源需求系統(tǒng)模塊框架圖。其中，帶方塊的箭頭連接的系統(tǒng)要素表 示工業(yè)生產(chǎn)用能，帶圓點(diǎn)的箭頭表示商業(yè)部門(mén)用能，帶菱形的箭頭表示交通運(yùn)輸部門(mén)用能， 帶三角的箭頭表示家庭生活用能，虛線(xiàn)箭頭表示各部門(mén)總能耗，所述總能耗將作為生產(chǎn)要 素反饋?zhàn)饔糜诘貐^(qū)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。本發(fā)明將模擬生物資源消費(fèi)情況(包括農(nóng)作物，動(dòng)物食品，林產(chǎn)品)對(duì)生物生產(chǎn)性 土地(包括耕地，草地，林地，水域)所形成的生態(tài)足跡?？紤]到建立模型的復(fù)雜性和實(shí)用 性，以及某些成分對(duì)生態(tài)足跡貢獻(xiàn)甚微的情況，本發(fā)明將該部分簡(jiǎn)化為食品消費(fèi)所對(duì)應(yīng)的 生態(tài)足跡。消費(fèi)食品所攜帶的生態(tài)足跡模塊如圖4所示。在框架的第一層采用擴(kuò)展線(xiàn)性支 出系統(tǒng)建立食品消費(fèi)總量同個(gè)人收入、食品價(jià)格及人口總量的相關(guān)關(guān)系，用這三個(gè)要素的 動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)來(lái)反映食品消費(fèi)水平的預(yù)測(cè)結(jié)果?？蚣艿牡诙訉⑷忸?lèi)制品區(qū)分為初級(jí)肉類(lèi) 產(chǎn)品(直接使用牧草喂養(yǎng)生產(chǎn)的肉制品)和次級(jí)肉類(lèi)產(chǎn)品(通過(guò)谷類(lèi)制品加工成飼料，再 通過(guò)飼料喂養(yǎng)生產(chǎn)的肉制品)，即假設(shè)畜牧類(lèi)肉制品生產(chǎn)一部分通過(guò)傳統(tǒng)的牧場(chǎng)養(yǎng)殖，另一
6部分通過(guò)耕地生產(chǎn)糧食作物，再由糧食作物加工成動(dòng)物飼料進(jìn)行間接喂養(yǎng)，即產(chǎn)出單位重 量的次級(jí)肉類(lèi)產(chǎn)品所需要喂養(yǎng)的谷類(lèi)原料?？蚣艿牡谌龑?，生物資源消費(fèi)生態(tài)足跡可以通 過(guò)以下公式計(jì)算 式中F。，F(xiàn)p, Ff分別表示由于生物資源消費(fèi)對(duì)耕地，草原和水域所產(chǎn)生的生態(tài)足 跡。C'。，C"。分別對(duì)糧食和蔬果的直接消費(fèi)量，C^C=,Cf分別為次級(jí)肉類(lèi)產(chǎn)品，初級(jí)畜 牧類(lèi)肉制品和初級(jí)魚(yú)類(lèi)肉制品的消費(fèi)量，bm料轉(zhuǎn)換因子，β偶爾消費(fèi)食品所攜帶的耕地生 態(tài)足跡所對(duì)應(yīng)縮放比例，Cn非食用糧食消費(fèi)，Yc, Y'。，Yp, Yf分別為糧食、蔬果、畜牧類(lèi)肉制 品及魚(yú)類(lèi)制品的產(chǎn)量。根據(jù)生態(tài)足跡原理和方法，生態(tài)承載力由生物生產(chǎn)性土地面積和生物生產(chǎn)能力決 定。土地利用變化模塊(馬爾科夫模型)如圖5所示，其中，長(zhǎng)方形水平變量表示六種土地 利用類(lèi)型的覆蓋面積，雙線(xiàn)箭頭表示各土地利用類(lèi)型之間轉(zhuǎn)移面積，細(xì)箭頭表示各土地利 用類(lèi)型之間轉(zhuǎn)移概率。土地覆蓋未來(lái)變化趨勢(shì)通過(guò)基年土地覆蓋面積和各土地類(lèi)型間轉(zhuǎn)移 概率進(jìn)行預(yù)測(cè)，表述為數(shù)學(xué)公式為ρ (η) =ρ (0) · P (η)(2)P(η) = Pn式中ρ(η)表示第η年時(shí)各土地類(lèi)型覆蓋面積分布，ρ (0)為基年各土地類(lèi)型覆蓋 面積分布，P (η)為η步馬爾科夫轉(zhuǎn)移概率矩陣，其等于一步轉(zhuǎn)移概率矩陣P的η次方，一步 轉(zhuǎn)移概率矩陣P的構(gòu)造基于年際間各土地利用類(lèi)型之間轉(zhuǎn)移概率的平均值計(jì)算。本發(fā)明中生物生產(chǎn)性土地主要研究耕地、草原、林地及養(yǎng)殖水域。耕地生產(chǎn)能力模 塊如圖6所示，其中，長(zhǎng)方形水平變量表示耕地糧食產(chǎn)量，尖括號(hào)中變量表示影響糧食產(chǎn)量 變化的驅(qū)動(dòng)因素。草原，林地及養(yǎng)殖水域的產(chǎn)量基于歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采用回歸分析進(jìn)行預(yù)測(cè)。步驟S3，采用生態(tài)足跡綜合核算法進(jìn)行生態(tài)足跡核算，包括核算生態(tài)足跡賬戶(hù)及 各成分。依照生態(tài)足跡計(jì)算原理，在生態(tài)足跡子系統(tǒng)中，計(jì)算工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)服務(wù)、交通運(yùn) 輸、家庭生活四部分消費(fèi)行為產(chǎn)生的化石能源使用生態(tài)足跡，計(jì)算食品消費(fèi)行為產(chǎn)生的生 物資源消費(fèi)足跡。在生態(tài)承載力子系統(tǒng)中，根據(jù)土地利用變化模型模擬結(jié)果提取出生物生 產(chǎn)性土地變化數(shù)據(jù)，根據(jù)耕地生產(chǎn)能力模型和案例城市的草原、林地及養(yǎng)殖水域產(chǎn)量的歷 史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算生物生產(chǎn)能力，依照生態(tài)足跡計(jì)算原理計(jì)算出生態(tài)承載力。并將生態(tài)足跡 劃分為6個(gè)生態(tài)足跡組分，分別給出其模擬結(jié)果，即耕地生態(tài)足跡，草原生態(tài)足跡，森林生 態(tài)足跡，水域生態(tài)足跡，建筑用地生態(tài)足跡，能源生態(tài)足跡。步驟S4,以政策可行性和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)不同的生態(tài)調(diào)控情景對(duì)城 市可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)控優(yōu)化，以期實(shí)現(xiàn)減少生態(tài)壓力，提升可持續(xù)發(fā)展能力的調(diào)控目 標(biāo)。通過(guò)情景分析來(lái)考察系統(tǒng)要素變化趨勢(shì)和可持續(xù)發(fā)展能力調(diào)控過(guò)程，分析方法采用的 預(yù)想型情景分析，即首先預(yù)想規(guī)劃期末可持續(xù)發(fā)展能力的最終狀態(tài)，再利用模型建立的因 果關(guān)系，形成各種政策措施組合來(lái)調(diào)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)要素以實(shí)現(xiàn)預(yù)想的各種可持續(xù)發(fā)展能力狀 態(tài)。將可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(sustainability target)和政策可行性(policy feasibility) 作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)不同的情景模式，利用前述模型方法模擬不同情景。
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城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法原理如下本發(fā)明中所述的城市生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)分析框架的系統(tǒng)邊界為城市行政地區(qū)邊界， 時(shí)間跨度以可獲得的數(shù)據(jù)資料為依據(jù)決定，優(yōu)選為25年左右，模擬精度為一年的時(shí)間步 長(zhǎng)，使用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件VensimPLE 5. 4b構(gòu)建。分為人口-經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、生態(tài)足跡子系統(tǒng)、 生態(tài)承載力子系統(tǒng)。其中人口-經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)模型為人口-經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)服務(wù)；生態(tài)足跡子系統(tǒng)從化石 能源使用、生物資源消費(fèi)、建筑用地的生態(tài)足跡三個(gè)方面計(jì)算生態(tài)足跡，其模型框架分別 如圖3、4和5所示，并將前面已經(jīng)模擬的系統(tǒng)要素人口規(guī)模(population)、交通周轉(zhuǎn)量 (transportation turnover)、工業(yè)生產(chǎn)值(industrial production output)禾口電；Of吏用 (electricity use)作為驅(qū)動(dòng)要素計(jì)算建筑用地生態(tài)足跡；生態(tài)承載力子系統(tǒng)中，利用馬 爾科夫模型來(lái)模擬土地利用的變化趨勢(shì)，從模型分析結(jié)果中提取出生物生產(chǎn)性土地變化數(shù) 據(jù)，從耕地、草原、林地及養(yǎng)殖水域計(jì)算生物生產(chǎn)能力。利用所構(gòu)建的城市生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)分析框架進(jìn)行不同城市生態(tài)規(guī)劃方案的預(yù)測(cè) 和分析，模擬系統(tǒng)主要驅(qū)動(dòng)要素和生態(tài)足跡的變化趨勢(shì)。同時(shí)設(shè)定不同規(guī)劃情景，模擬在不 同規(guī)劃方案下城市生態(tài)承載力的動(dòng)態(tài)變化特征，以期實(shí)現(xiàn)減少生態(tài)壓力，提升可持續(xù)發(fā)展 能力的調(diào)控目標(biāo)。在重慶市某地區(qū)對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明了該方法的可行性。重慶市某區(qū)在城市快速發(fā)展過(guò)程中面臨能源需求加劇、消費(fèi)壓力增大、土地供需 矛盾等壓力，使得生態(tài)資源系統(tǒng)的支持能力保障不足，也成為制約城市系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的 瓶頸。將本發(fā)明所提出的城市生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)分析方法應(yīng)用于該區(qū)，模擬其主要系統(tǒng)驅(qū)動(dòng) 要素和生態(tài)足跡變化趨勢(shì)。模擬結(jié)果如圖7所示，該區(qū)在常規(guī)發(fā)展情景(指未進(jìn)行生態(tài)調(diào) 控政策干預(yù)下，按原有模式發(fā)展的情景)下將保持快速城市化和工業(yè)化進(jìn)程，規(guī)劃期內(nèi)生 態(tài)足跡將從1997年的1. 04公頃/人迅速增加至2020年的2. 40公頃/人，年均增長(zhǎng)0. 06 公頃/人，而同時(shí)期的生態(tài)承載力僅從0. 62公頃/人增加至0. 79公頃/人，年均增長(zhǎng)僅為 0. 007公頃/人。生態(tài)足跡年均增長(zhǎng)幅度是生態(tài)承載力年均增長(zhǎng)幅度的10倍大小，這說(shuō)明 該地區(qū)在這一時(shí)期對(duì)生態(tài)資源的需求規(guī)模和增長(zhǎng)趨勢(shì)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生態(tài)資源供給能力，對(duì)地 區(qū)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展能力產(chǎn)生不利影響。根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)_生態(tài)足跡耦合模型構(gòu)建的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系，組合各驅(qū)動(dòng)要素，包 括人口規(guī)模、消費(fèi)水平、生態(tài)足跡強(qiáng)度、土地利用類(lèi)型及生物生產(chǎn)能力設(shè)計(jì)四種規(guī)劃方案情 景調(diào)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)要素的動(dòng)態(tài)變化特征，使其實(shí)現(xiàn)生態(tài)赤字不斷減少，提升城市可持續(xù)發(fā)展 能力。情景一，利用生態(tài)足跡為調(diào)控指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)2020年生態(tài)赤字為零；情景二，則將調(diào)控目 標(biāo)設(shè)定為2020年生態(tài)赤字保持在2005年的水平；情景三，以扣除能源足跡成分的生態(tài)足跡 作為調(diào)控指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)2020年生態(tài)赤字為零；情景四，使用與情景三中相同的調(diào)控指標(biāo)，但調(diào) 控目標(biāo)設(shè)定為2020年生態(tài)赤字保持在2005年的水平。模擬結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，利用生態(tài)足跡為調(diào)控指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)2020年生態(tài)赤字為零對(duì)降低生態(tài)赤字 的效果最為顯著，體現(xiàn)了強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展性，同時(shí)以扣除能源足跡成分的生態(tài)足跡作為調(diào)控 指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)2020年生態(tài)赤字保持在2005年的水平，在實(shí)現(xiàn)生態(tài)赤字降低的基礎(chǔ)上，對(duì)該地 區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)干預(yù)力度最小，體現(xiàn)了規(guī)劃方案可行性。以上實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專(zhuān)利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
一種城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法，其特征在于，利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立生態(tài)足跡與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的耦合動(dòng)態(tài)分析模型，根據(jù)所述動(dòng)態(tài)分析模型分析城市發(fā)展驅(qū)動(dòng)要素與生態(tài)足跡的響應(yīng)關(guān)系，預(yù)測(cè)城市生態(tài)足跡變化趨勢(shì)，具體包括以下步驟S1運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)要素的動(dòng)態(tài)過(guò)程和作用關(guān)系，包括經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程、人口增長(zhǎng)、遷移過(guò)程及人口 經(jīng)濟(jì)要素的相互作用過(guò)程；S2通過(guò)構(gòu)造子模塊來(lái)建立所述驅(qū)動(dòng)要素同生物資源供需的響應(yīng)關(guān)系，包括能源需求系統(tǒng)模塊，生物資源消費(fèi)模塊，生物生產(chǎn)性土地面積變化模塊和生物生產(chǎn)能力模塊；S3采用生態(tài)足跡綜合核算法進(jìn)行生態(tài)足跡核算，包括核算生態(tài)足跡賬戶(hù)及各賬戶(hù)成分；S4以可行性和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)不同的生態(tài)調(diào)控情景對(duì)城市可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)控優(yōu)化。
2.如權(quán)利要求1所述的城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法，其特征在于，所述步驟 Sl中的城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)要素包括人口經(jīng)濟(jì)、自然資源稟賦條件、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、技術(shù)變 革和社會(huì)政策體系調(diào)控。
3.如權(quán)利要求2所述的城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法，其特征在于，所述步驟 S2中的生物資源消費(fèi)模塊中生物資源消費(fèi)生態(tài)足跡計(jì)算公式如下 其中F。，F(xiàn)p, Ff分別表示由于生物資源消費(fèi)對(duì)耕地，草原和水域所產(chǎn)生的生態(tài)足跡。 C'。，C"。分別對(duì)糧食和蔬果的直接消費(fèi)量，(=, ’,Cf分別為次級(jí)肉類(lèi)產(chǎn)品，初級(jí)畜牧類(lèi) 肉制品和初級(jí)魚(yú)類(lèi)肉制品的消費(fèi)量，\飼料轉(zhuǎn)換因子，β偶爾消費(fèi)食品所攜帶的耕地生態(tài) 足跡所對(duì)應(yīng)縮放比例，Cn非食用糧食消費(fèi)，Yc, Y'。，Yp, Yf分別為糧食、蔬果、畜牧類(lèi)肉制品 及魚(yú)類(lèi)制品的產(chǎn)量。
4.如權(quán)利要求2所述的城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法，其特征在于，所述步驟 S2中的生物生產(chǎn)性土地面積變化模塊中土地覆蓋未來(lái)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)公式為P (η) = ρ(0) · P (η)P (η) = Pn其中，Ρ(η)表示第η年時(shí)各土地類(lèi)型覆蓋面積分布，P(O)為基年各土地類(lèi)型覆蓋面積 分布，P(η)為η步馬爾科夫轉(zhuǎn)移概率矩陣，P為一步轉(zhuǎn)移概率矩陣。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種城市生態(tài)系統(tǒng)承載力的動(dòng)態(tài)分析方法，包括運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)要素的動(dòng)態(tài)過(guò)程和作用關(guān)系；通過(guò)構(gòu)造子模塊來(lái)建立所述驅(qū)動(dòng)要素同生物資源供需的響應(yīng)關(guān)系；采用生態(tài)足跡綜合核算法進(jìn)行生態(tài)足跡核算；以可行性和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)不同的生態(tài)調(diào)控情景對(duì)城市可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)控優(yōu)化。本發(fā)明在傳統(tǒng)生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)分析基礎(chǔ)上，引入了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)思想，補(bǔ)充了內(nèi)生的系統(tǒng)建模過(guò)程，模擬城市生態(tài)承載力的動(dòng)態(tài)變化；能夠預(yù)測(cè)城市發(fā)展過(guò)程中生態(tài)承載力的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)；能夠利用預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合情景分析方法反向調(diào)控規(guī)劃方案優(yōu)化城市生態(tài)發(fā)展。
文檔編號(hào)G06Q50/00GK101901462SQ20101022243
公開(kāi)日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者徐琳瑜, 楊志峰, 舒心, 靳瑋 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)