【摘要】： 城市生態(tài)系統(tǒng)是人類社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要載體,是與人類生產(chǎn)生活關(guān)系最為密切的系統(tǒng)。當(dāng)前,各種城市生態(tài)環(huán)境問題困擾著城市的發(fā)展,如何有效的控制城市生態(tài)環(huán)境惡化,走可持續(xù)發(fā)展的道路已經(jīng)成為城市發(fā)展的熱點(diǎn)問題。城市生態(tài)規(guī)劃作為促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要手段起著非常重要的作用,但由于城市生態(tài)系統(tǒng)本身的巨大與復(fù)雜,相關(guān)的規(guī)劃理論與方法還很不完善,特別是定量化的理論與方法更為缺乏。本文基于系統(tǒng)科學(xué)最新的理論研究成果(復(fù)雜性理論與不確定性理論相關(guān)成果),定性與定量相結(jié)合,對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)及其子系統(tǒng)進(jìn)行研究,為城市生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃、管理與決策提供基礎(chǔ)信息。 定性的分析表明,城市生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)開放的、遠(yuǎn)離平衡的復(fù)雜的巨系統(tǒng),是一個(gè)具有耗散結(jié)構(gòu)特性的系統(tǒng),運(yùn)用耗散結(jié)構(gòu)理論等復(fù)雜性相關(guān)理論對(duì)其進(jìn)行探討與研究有其必要性和合理性。本文提出了城市生態(tài)系統(tǒng)的熵的概念,并根據(jù)產(chǎn)生的原因,將城市生態(tài)系統(tǒng)的熵分為組分熵、結(jié)構(gòu)熵、功能熵、合時(shí)熵和環(huán)境熵5類,明確實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展必須增強(qiáng)城市生態(tài)系統(tǒng)的自組織能力,具體工作可從以下幾個(gè)方面展開:保持非平衡狀態(tài);增強(qiáng)與外界的交流;積極應(yīng)對(duì)變化;推動(dòng)動(dòng)態(tài)協(xié)作與選擇性地放大漲落。 定量化研究城市生態(tài)系統(tǒng)必須確定重要的系統(tǒng)變量。本文基于湖南省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),運(yùn)用K均值聚類法與系統(tǒng)聚類法對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行分類,并在分類的基礎(chǔ)上利用主成分分析法確定各分類的主成分。分析結(jié)果表明,指標(biāo)體系所包含的31項(xiàng)指標(biāo)可以被較為合理地分為5類,各分類的第一主成分所解釋的方差都接近或超過總方差的70%。在專家的指導(dǎo)下,結(jié)合實(shí)際,選取人均國內(nèi)生產(chǎn)總值、COD排放強(qiáng)度、城市水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、城市化水平與恩格爾系數(shù)5個(gè)指標(biāo)作為定量分析需要重點(diǎn)考慮的指標(biāo)。 河流子系統(tǒng)是城市生態(tài)系統(tǒng)重要的子系統(tǒng),本文在河流水質(zhì)領(lǐng)域展開了三個(gè)方面的研究:信息熵理論在河流二維水質(zhì)模型數(shù)值計(jì)算中的應(yīng)用、河流隨機(jī)水質(zhì)規(guī)劃與風(fēng)險(xiǎn)分析、底泥五氯酚污染動(dòng)力學(xué)模擬。(1)用不確定性的觀點(diǎn)考察了復(fù)雜河段污染物在有限單元法網(wǎng)格中的分布,引入污染物分布概率密度,在此基礎(chǔ)上提出了單元網(wǎng)格信息熵概念,并進(jìn)一步提出了利用最大信息熵原理對(duì)有限單元法的網(wǎng)格大小進(jìn)行優(yōu)化的準(zhǔn)則。在給定網(wǎng)格長度的條件下,結(jié)合河流水質(zhì)模型有限單元法理論,提出了單元網(wǎng)格最大信息熵優(yōu)化模型。在未知河流斷面流速場數(shù)據(jù)的條件下,結(jié)合河流單寬流量估算方法,可應(yīng)用此模型來優(yōu)化有限單元法的網(wǎng)格大小,從而避免了以往網(wǎng)格憑經(jīng)驗(yàn)劃分的隨意性和盲目性。在湘江衡陽河段應(yīng)用此模型,求得當(dāng)網(wǎng)絡(luò)長度為100m時(shí),最大網(wǎng)格寬度為16m,最優(yōu)網(wǎng)格寬度值為11m;最優(yōu)網(wǎng)格寬度值對(duì)河流流量Q的變化靈敏度小于0.2,對(duì)河流平均水深H的變化靈敏度平均小于1。(2)利用隨機(jī)變量處理水質(zhì)參數(shù)和污染負(fù)荷的波動(dòng),采用Monte Carlo模擬方法,完成了湘江隨機(jī)水質(zhì)模擬,并對(duì)傳統(tǒng)的排放口最優(yōu)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析;在此基礎(chǔ)上,考察了風(fēng)險(xiǎn)水平與最小污水處理費(fèi)用之間的變化關(guān)系。結(jié)果表明:由傳統(tǒng)的確定性模型進(jìn)行規(guī)劃,部分河段水質(zhì)超標(biāo)的概率大于0.4;污水處理費(fèi)用隨著風(fēng)險(xiǎn)水平的增加而降低,但變化曲線不是平滑的,而是在小范圍內(nèi)有所波動(dòng)。按照風(fēng)險(xiǎn)水平要求,決策人員根據(jù)模擬結(jié)果可得到比確定性規(guī)劃更可靠的決策方案。(3)針對(duì)8組不同的湖泊(河流)底泥物質(zhì)對(duì)五氯酚的吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),基于Matlab程序建立了相關(guān)吸附動(dòng)力學(xué)的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBFN)模型和自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)模型,并進(jìn)行了模擬與預(yù)測的對(duì)照研究。結(jié)果表明,雖然底泥的物理化學(xué)性質(zhì)略有差異,但8組底泥物質(zhì)對(duì)五氯酚的吸附過程遵循同樣的內(nèi)在規(guī)律。液相五氯酚濃度、可逆吸附量、不可逆吸附量對(duì)模型的訓(xùn)練與預(yù)測有相同程度的影響,在底泥五氯酚吸附動(dòng)力學(xué)模擬中,這三個(gè)因素都不可忽視。RBFN與ANFIS均能較好的模擬與預(yù)測吸附過程,比傳統(tǒng)的斐克第二定律更好的反映了系統(tǒng)內(nèi)部變化特征,尤其是RBFN具有更高的精度與容錯(cuò)能力,用來模擬與預(yù)測湖泊底泥物質(zhì)對(duì)五氯酚的吸附過程是完全可行的。 在人口子模型的研究上,基于美國人口分布的空間結(jié)構(gòu)模型,根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論自組織建模原理,考慮城市人口內(nèi)部不同區(qū)域人口變化分異特征,依據(jù)耗散結(jié)構(gòu)自組織過程建模思想,將城市區(qū)域人口之間的遷移耦合作用納入到城市人口模型中來,嘗試建立了城市區(qū)域人口動(dòng)態(tài)演化自組織模型,并對(duì)模型的解法及典型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了討論。在長沙市的實(shí)際應(yīng)用中,預(yù)測了長沙市未來百年九個(gè)區(qū)域人口動(dòng)態(tài)演化情景。未來幾十年內(nèi),全長沙市的人口將主要向城市中心的五個(gè)區(qū)集中,其中雨花區(qū)尤為突出,而開福區(qū)則相對(duì)來說吸引力稍弱。 基于人口分布動(dòng)態(tài)演化自組織模型,運(yùn)用耗散結(jié)構(gòu)理論的的建模思想,建立了城市生態(tài)系統(tǒng)耦合模型體系。該模型體系選取城市總?cè)丝?包括城市各分區(qū)人口)、產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、資源獲取量和排污量等作為控制變量,模型體系共包括人口發(fā)展模型、資源模型、工業(yè)模型、農(nóng)業(yè)模型、第三產(chǎn)業(yè)模型、資源分配模型和排污模型等7個(gè)子模型。在人口模型中,引入了決定人口流動(dòng)的吸引勢;而產(chǎn)業(yè)發(fā)展模型中,運(yùn)用動(dòng)態(tài)約束項(xiàng)描述各產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景。模型體系比較全面的反映了城市生態(tài)系統(tǒng)各子系統(tǒng)的變化,并且通過參數(shù)的耦合建立起各子模型之間的相互作用與聯(lián)系,構(gòu)成了整個(gè)城市生態(tài)系統(tǒng)耦合模型體系。存在的不足是:模型體系參數(shù)眾多,求解困難。比如各產(chǎn)業(yè)的內(nèi)稟最大產(chǎn)值的確定需根據(jù)實(shí)際情況來確定具體的函數(shù)形式,這使得模型在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)使用者的要求很高,而由眾多偏微分方程構(gòu)成的模型體系的求解對(duì)一般工程人員來說也是難以完成的。在進(jìn)一步的研究中,必須明確模型參數(shù)的確定方法,完成模型求解軟件的編寫,增強(qiáng)模型的適用性。經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮喕院?模型被應(yīng)用于湖南省城鎮(zhèn)生活垃圾總量的模擬與預(yù)測。模型考慮了不同類型人群的垃圾生產(chǎn)能力的差異,計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)曲線變化,較好的反映了實(shí)際變化情況。 在定義城市工業(yè)-環(huán)境系統(tǒng)超熵的基礎(chǔ)上,提出了城市工業(yè)-環(huán)境系統(tǒng)的超熵產(chǎn)生判據(jù)模型。在甘肅省白銀地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用表明,模型理論計(jì)算能較好地符合實(shí)際,考察時(shí)段內(nèi)白銀地區(qū)對(duì)環(huán)境污染治理的投入過少,使環(huán)境污染成為城市工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的大障礙。 以水資源-水環(huán)境系統(tǒng)作為城市生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化研究的示范對(duì)象,利用區(qū)間參數(shù)描述水資源-水環(huán)境系統(tǒng)中缺乏分布信息的不確定性變量,利用隨機(jī)參數(shù)描述水資源-水環(huán)境系統(tǒng)中具有隨機(jī)分布特性的變量,利用模糊隸屬度函數(shù)描述系統(tǒng)的可靠性信息,建立了水資源-水環(huán)境系統(tǒng)不確定兩階段優(yōu)化模型IFTSP模型。IFTSP模型不僅可以將第一階段決策納入第二階段規(guī)劃中來,而且可以提供其他模型不能提供的變量變化空間與系統(tǒng)可靠性信息。應(yīng)用模型于湖南省湘西自治州的水資源-水環(huán)境系統(tǒng)規(guī)劃,結(jié)果表明:湘西自治州當(dāng)前供水能力嚴(yán)重不足,即使在平水年,農(nóng)業(yè)用水依然存在很大的缺口。在未來的2010年,城市與工業(yè)用水配額可取其最大值,而農(nóng)業(yè)用水目標(biāo)只能取其最低值,整個(gè)系統(tǒng)供水缺口很大,系統(tǒng)凈收益在70.7億元至325.11億元之間,其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)可靠性在0.0493~0.9742間變化。如果流量水平已經(jīng)確定(即已經(jīng)確定是特旱年、干旱年或平水年),不同樂觀程度的決策者可以根據(jù)IFTSP模型計(jì)算出的系統(tǒng)最大收益與相對(duì)應(yīng)的可靠性進(jìn)行決策。 由于城市生態(tài)系統(tǒng)的巨大與復(fù)雜,本文還只能說是嘗試性的研究,雖然基本上構(gòu)建了城市生態(tài)系統(tǒng)及其主要子系統(tǒng)的分析、辨識(shí)、模擬、預(yù)測、評(píng)價(jià)與優(yōu)化的框架,但整個(gè)研究成果還不完善。比如在城市生態(tài)系統(tǒng)模型體系中還未能直接納入河流水質(zhì)問題,只考慮了排污模型,并且模型體系的參數(shù)確定與求解方法還沒有得到有效解決;在評(píng)價(jià)判據(jù)的研究中還只是提出了城市工業(yè)-環(huán)境系統(tǒng)的超熵產(chǎn)生判據(jù),還未能提出整個(gè)城市生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)判據(jù);在優(yōu)化模型體系中雖然能夠利用不確定性理論與方法處理相關(guān)的不確定性,但整個(gè)優(yōu)化模型體系還未能建立,本文的研究只是提出了與水資源-水環(huán)境系統(tǒng)的相關(guān)的管理決策支持模型系統(tǒng)。在以后的研究中,還需要進(jìn)一步的探討上述問題,才能建立更加完善的城市生態(tài)規(guī)劃系統(tǒng)分析方法體系。
【圖文】：

本文按照定性與定量相結(jié)合的思路，應(yīng)用耗散結(jié)構(gòu)理論與不確定性理論相關(guān)研究成果研究城市生態(tài)系統(tǒng)，旨在為城市生態(tài)規(guī)劃與管理提供決策支持理論與方法。本文研究的思路框架如圖 1.1 所示。論文第二章，首先根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論與協(xié)同學(xué)的有關(guān)概念、理論和方法，從宏觀的角度定性研究城市生態(tài)系統(tǒng)特征，指出城市可持續(xù)發(fā)展的未來方向；然后借助多元統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行分析與辨識(shí)，為系統(tǒng)定量化研究提供基礎(chǔ)信息。論文第三章，對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)之一——河流生態(tài)子系統(tǒng)進(jìn)行研究。根據(jù)當(dāng)前研究的熱點(diǎn)與實(shí)際工作的需要，主要工作從三個(gè)方面展開：運(yùn)用信息熵理論解決河流二維水質(zhì)模型有限單元法數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格的劃分問題；運(yùn)用隨機(jī)模擬與分析方法進(jìn)行河流隨機(jī)水質(zhì)規(guī)劃與風(fēng)險(xiǎn)分析；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)五氯酚污染底泥動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行模擬。論文第四章，在美國人口分布的空間結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，考慮城

基于復(fù)雜性與不確定性理論的城市生態(tài)規(guī)劃系統(tǒng)分析方法2.2.4 計(jì)算結(jié)果與討論由于原始數(shù)據(jù)的量級(jí)和量綱存在較大的差異，，我們?cè)谔幚砬笆紫扔脴O差正規(guī)劃方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖 2.2 為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)箱形圖。從圖中我們可以看出，除受保護(hù)地區(qū)占國土面積比例、基尼系數(shù)等少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)外，絕大多數(shù)指標(biāo)值的變化幅度較大，這與實(shí)際情況是相符的，因?yàn)樗x取的城市代表了湖南省不同發(fā)達(dá)程度的區(qū)域。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號(hào)】：X321

【引證文獻(xiàn)】

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2 馮雅倩;合肥市水環(huán)境管理決策支持系統(tǒng)研究[D];安徽農(nóng)業(yè)大學(xué);2009年

3 呂繼強(qiáng);基于不確定性理論的寶雞市水資源優(yōu)化配置與評(píng)價(jià)模型研究[D];西安理工大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2704173