發布時間：2022-03-24所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：根據重慶三峽庫區生態系統的特征，建立了經濟子系統、人口子系統和環境子系統的系統動力學模型，并在此基礎上確定了其模型的主要參數和反饋關系，通過歷史值與仿真值的對比進行了檢驗。選擇了可持續發展型、資源衰竭型和自然狀態型3 種情景進行模擬最終確定其生
摘要：根據重慶三峽庫區生態系統的特征，建立了經濟子系統、人口子系統和環境子系統的系統動力學模型，并在此基礎上確定了其模型的主要參數和反饋關系，通過歷史值與仿真值的對比進行了檢驗。選擇了可持續發展型、資源衰竭型和自然狀態型3 種情景進行模擬最終確定其生態安全的指標閾值，并將其確定的閾值應用于生態安全評價指標，得出重慶三峽庫區生態安全指標的綜合得分，由此看出庫區生態安全呈逐年遞增的趨勢，但仍然處于較為敏感的時期，需要相關部門的配合，從而最終實現庫區的可持續發展。
關鍵詞：重慶三峽庫區;系統動力學;生態安全;閾值
生態安全是一門自然科學與社會科學的交叉學科。目前國際上尚無公認的關于生態安全的定義¨’3J。生態安全，國外也稱環境安全，有廣義和狹義兩種解釋。前者以美國國際應用系統分析研究所提出的定義為代表：生態安全是指在人的生活、健康、安樂、基本權利、生活保障來源、必要資源、社會秩序和人類適應環境變化的能力等方面不受威脅的狀態，包括自然生態安全、經濟生態安全和社會生態安全，組成一個復合人工生態安全系統。狹義的生態安全是指自然和半自然生態系統的安全，即生態系統完整性和健康的整體水平反映H。9]。隨著研究的不斷深入，科學家們越來越關注影響生態安全的具體因素，而且更加關注這些因素可能對生態系統和社會帶來的危害。1993年，美國著名環境學家Norman Myers指出生態安全是指地區的資源戰爭和全球的生態威脅而引起的環境退化，繼而所引起的經濟和政治的不安全;Katrina S.Rogers認為生態安全是指創造一種條件使得人類社會的自然環境在滿足人類需要的同時使自然存量不致減少;Kim認為生態安全是由生態威脅，生態風險等概念演變而來，人類則是生態安全的主要危害者¨0|。
在國內外生態安全的相關研究中生態風險評價和生態健康評價的數目較多。目前，生態安全評價研究主要集中在三個方面：(1)評價指標體系構建。經濟合作與發展組織(OEDC)率先提出并發展了反映自然環境狀況指標體系的“壓力一狀態.響應”(P—S-R)框架模型Ho，Don Fallis運用PSR模型提出了認知風險的評分規則¨川，李中才等以山東省長島縣為例，研究了生態狀態、響應、壓力之間的作用關系，評價生態安全的現狀和發展趨勢，推導出生態安全狀況不斷得到改善的必要條件¨2|，孫翔等以PSR為概念框架構建廈門景觀生態安全評價指標體系，以揭示廈門市區域景觀生態安全的空間分布規律¨3|。這些研究都是以PSR為模型構建指標體系，但缺乏相應層次方面的改進和創新性。(2)評價指標值的確定。如Schacffcr.D.J和D.K.COX提出了生態系統功能閾值，認為人類對環境資源開發利用和社會經濟發展不能超過這一閾值014]，Takuro Uehara提出生態經濟閾值可能會在生態閾值之前¨5|，李華以上海崇明島為例進行生態安全指標閾值的確定及應用¨6|。對于評價指標閾值方面大多是參照國內外已有的相關標準值或直接依據現狀值進行估算，這種方法簡單易行，但精準度方面受到影響，而且各類參照標準本身的制定目的和適用性有別，標準值存在較大的差異，因此存在相應的隨意性。(3)生態安全評價的方法。大多數的生態安全評價方法，主要選擇了對生態環境變化十分敏感的生物、物理和化學等方面的特征指標，觀察監測生態環境變化對它們的影響，以此來判斷生態是否安全。Karr應用生物完整性指數對魚類類群的組成與分布、種多樣性以及耐受種、敏感種、固有種等多方面分析了水體生態系統的安全狀況ⅢJ。這種方法由于生態安全評估需要大量的實時數據的支持，而且需要及時向政策制定者反饋評估結果，因此它需要系統、即時的提供真實的信息，所以還需要進行不斷深化和探討。而目前我國生態安全的研究還處于初級階段，綜述性研究居多，對生態安全的定量描述較少。有關生態安全閾值的研究方法主要有模糊數學法、神經網絡法等"’隋。19|，但這些方法都是對生態安全閾值的靜態研究，缺乏動態聯系。本文運用系統動力學原理，建立生態安全模型，從動態的角度系統分析重慶三峽庫區生態安全各指標閾值，從而為重慶三峽庫區的后續發展提供借鑒。
1研究區域概況及評價模型構建
1.1研究區域概況
三峽庫區位于北緯28。31’一31044’，東經105。44’一111。39’之間，涉及湖北省和重慶市，總面積約7.9萬 km2，總人口約2937萬人。三峽庫區地跨渝、鄂峽谷和川東低山丘陵區，背靠大巴山麓，南依云貴高原北緣。強烈的造山運動所引起的海陸變遷和江水下切，形成了獨特的峽谷地貌，同時也構成了一個相對獨立的地理單元嵋…。重慶三峽庫區位于長江上游下段，東起巫山縣、西至江津市、南起武隆縣、北至開縣，包括萬州區、涪陵區、渝中區、大渡口區、江北區、沙坪壩區、九龍坡區、渝北區、巴南區、長壽區、南岸區、北碚區、豐都縣、武隆縣、忠縣、開縣、云陽縣、奉節縣、巫山縣、巫溪縣、石柱縣、江津區等22個區、縣(自治縣)(圖1)。
三峽庫區的生態安全問題主要表現在兩方面：第一，自然生態安全問題：水土流失嚴重，庫區氣候、地形、土壤等條件使得該區水土流失嚴重，恢復能力差，對生態安全的影響較大;森林面積銳減，水庫的修建占用大量森林面積導致森林面積大量減少，不利于生態環境的可持續發展;生物物種減少，三峽水庫的修建擾亂了水生生物的生存狀態，使大量水生物種瀕臨滅絕;自然災害頻繁，庫區復雜的地形、多變的氣候，以及植被覆蓋的大量減少導致該地區自然災害頻繁。第二，社會生態安全問題：三峽移民，三峽水庫的修建需要占用大量的土地，因此帶來的移民問題不可小覷，不僅影響到水庫的修建同時還有可能導致社會動蕩;文物保護，文物是寶貴的歷史文化遺產，而水庫的修建使得大量文物古跡遭到破壞;人地矛盾，該地區人口超載，人地矛盾日益突出，導致生態環境日益惡化口“。
1.2生態安全評價指標建立
目前對區域生態安全評價指標還沒有達成共識，運用較多的有：第一，PSR(壓力.狀態.響應)模型，是現在國內外生態安全評價的常用方法。PSR模型能反映自然、經濟和社會因素之間的關系，為生態安全指標構造提供了邏輯基礎;第二，DSR(驅動力-狀態一響應)模型，這種模型的構造與PSR模型類似，但側重于對生態安全原動力的研究;第三，DPSEEA(驅動力一壓力一狀態-暴露-影響-響應)模型，這種模型是對PSR模型的一種擴展，它更加細化了生態安全中各指標之間的關系;第四，DPSIR(驅動力.壓力.狀態.影響.響應)模型，它是在PSR和DSR結合的基礎上發展的模型，模型的優點是可以更加清晰地反應系統各指標之間的因果關系，也可以綜合體現環境、經濟、社會各因素之間的制約關系，從而更好地說明區域生態安全的驅動力和壓力，所處的狀態以及導致的社會經濟影響和人文響應，得出的結果也就更符合實際情況，因此該模型綜合運用于社會經濟可持續發展的各個方面舊1。
本研究在傳統DPSIR模型的基礎上進行了改進，完善了驅動力、壓力、狀態、影響和響應這5類指標因子。具體而言，改進后的DPSIR模型驅動力因子更多的強調造成環境變化的潛在原因，目的在于描述社會經濟發展及人口增長所帶來的生活方式的變化、生產和消費模式的改變等。同時，改進后的DPSIR模型，不僅僅關注環境的直接壓力因子，更關注如何通過一定的因果關系模型來預測直接壓力因子可能對環境現狀造成的影響。此外，傳統模型更多關注的是狀態類因子，而改進后的模型不僅注重在驅動力和壓力下的系統現實表現，更關注狀態變化與生態狀況、人類活動造成的環境影響之間的相互關系。改進后的DPSIR模型的5類指標完整地體現了生態安全的綜合情況，更能夠揭示潛在的社會經濟“驅動力”給區域生態安全造成“壓力”，引起區域生態、環境的“狀態”改變，進而“影響”人類活動，最終促使一系列“響應”措施的產生這一完整因果鏈，從而為區域生態安全評價提供了較好的研究思路。基于此，本文提出適合區域生態安全評價的DPSIR模型框架。根據區域的生態安全特征，驅動力指數(D)主要體現在造成重慶三峽庫區環境變化的潛在原因，反映了其社會經濟發展的趨勢，因此選取了人El增長率、城市化率和糧食產值3個指標來反映導致環境變化的潛在原因;壓力指數(P)以反映庫區耕地質量狀況和經濟投資等方面的壓力為主要內容，本文選擇了耕地產出率、生產性固定資產投資比和固定資產投資比作為指標來表現對環境造成的影響;狀態指數(s)主要體現經濟方面的情況，以各產業國內生產總值的特征為主要內容，本文選取了凈GDP、單位林地產值、輕工業固定資產投資率和重工業固定資產投資率4個指標來表現該區域的經濟發展狀況;影響指數(I)是指系統所處的狀態對社會經濟和環境的影響，以經濟值和環境污染情況為主要內容，研究選擇了環境污染量、森林覆蓋率和水土流失率3個指標來反映區域生態安全的影響結果;響應指數(R)主要指面對社會經濟和環境的影響，人類所采取的積極措施，以環境響應為主要內容，因此選取了單位污染環保投資和污染處理率來表現人類對生態環境變化的反映。以復合生態系統理論為基礎，綜合考慮重慶三峽庫區的社會、經濟和環境的各個方面，并且考慮其系統的協調性和可操作性，進行具體指標的選擇，最終建立重慶三峽庫區生態安全評價指標體系 (表1)。
指標權重的確定方法有舊]：(1)主成分分析法，主要用于有多個成分的目標分析中，可以抓住該分析中影響目標的最主要的成分，從而使得該分析重點突出，具有針對性，排除那些對目標作用不大的成分，但因為只是作用于對目標影響較大的成分，因此難免會忽略一些成分，從而使的分析的全面性不夠;(2)多元線性回歸分析：主要作用于該目標在一段時間內的線性變化，可以更加直觀的表現出目標的方向和趨勢，因此可以采取一定措施來增強或者改善某些元素，從而達到調高整體目標的目的，其缺點是由于各元素對目標具有相同的影響，所以分析的結果因此而沒有針對性，不能更有效的改善目標;(3)層次分析法，主要用于有隸屬關系的指標體系構建中可以使分析更加有條理。該分析可分為目標層、準目標層、指標層等。層層構建，分別得出所占權重，最后得出目標層的綜合指數。本文采用的是AHP主客觀結合賦值法，能把復雜系統的決策思維進行層次化，將決策過程中的定性和定量因素有機結合起來，通過建立判斷矩陣、排序計算和一致性檢驗后得到最終結果。其做法是首先通過分析各指標的相互關系，建立遞階的評價指標體系，然后邀請專家學者(增加專家的數量和領域)的對評價指標打分，通過1—9標度法構建兩兩比較判斷矩陣。最后計算各指標的權重(表 1)，并進行一致性檢驗。
2重慶三峽庫區生態安全系統動力學模型構建及不同情景模擬
2.1系統動力學模型的建立及檢驗
2.1.1模型的建立
系統動力學，系統動力學是結構的方法、功能的方法和歷史的方法的統一。它基于系統論，吸收了控制論、信息論的精髓，是一門綜合自然科學和社會科學的橫向學科。現已廣泛應用于農林生態、區域經濟、城市規劃、礦藏及其安全、軍事戰略、行政管理及公共安全、教育管理、社會保障等各個領域Ⅲ]。本文根據重慶三峽庫區的生態環境特征，構建模型結構和反饋關系，系統由經濟子系統、人口子系統和環境子系統組成;由于研究區域生態問題的復雜性，因此，在建立系統流程圖時，以反映庫區主要因果關系，選擇影響庫區生態安全的核心因子，最終確定參數;使用專業軟件VensimPLE建模，模型運行時間為2000--2050年，仿真步長為1a，主要數據來源于《重慶市統計年鑒》，建立系統動力學模型的系統流程圖(圖2)，并確定其模型的主要方程式和反饋關系。
2.1.2模型的檢驗
本研究運用相對誤差方法對所建立的SD模型的運行結果進行檢驗，以GDP總量為例，檢驗結果(表2)可以發現，2001--2007年的GDP仿真值和歷史值的相對誤差均在10%以內，相對誤差的結果較為理想，因此認為變量通過檢驗。其他變量的歷史值也與此相似，通過歷史檢驗。
2.2不同情景參數的設定及模擬
2.2.1參數的設定
本研究中生態安全閾值的確定將是在考慮重慶三峽庫區未來發展趨勢和特征的基礎上，通過比較不同發展方案情景下sD模型的模擬結果，提出符合庫區發展的生態安全閾值，并進行檢驗。因此，確定合適的系統模擬方案，并根據需要選擇模擬參數是本文的重要任務之一。
為了更好的實現重慶三峽庫區生態安全的可持續發展，本文確定的3種模擬方案分別為自然狀態型、資源衰竭型和可持續發展型。根據不同的發展方案來確定模型的主要參數，為了實現方案結果的客觀性，選擇的主要參數應盡可能的遵循真實性原則。在這3種方案中自然狀態型為重慶三峽庫區生態安全指標的現狀值，相關參數來自于2000--2010年《重慶市統計年鑒》;資源衰竭型表示區域生態安全依靠資源環境的損失來實現其發展的狀態，這種模擬方案參數主要取自于重慶市歷年規劃方案及統計年鑒中的指標上線;可持續發展型表示區域生態環境狀況與經濟發展相互協調發展的狀態，這種模擬方案的參數主要取自于重慶市歷年規劃方案及統計年鑒中的指標下線。最終得到各方案模擬變量的參數值(表3)。通過這3種不同情景的設定來展示不同發展模式下，凈GDP和環境污染量的增長趨勢，從而為庫區發展提高可靠依據。
2.2.2不同情景模擬結果分析
本文所建立的系統動力學模型中，變量凈GDP表示在社會、經濟和環境狀態模型下的國內生產總值減去經濟損失的值，環境污染量表示當前環境中的實際污染量，這些都可用于作為評價方案適用性的主要參考依據。系統模擬出的2000--2050年的凈GDP、環境污染量的仿真值(圖3，圖4)。
從圖中可以看出，各方案凈GDP的趨勢是呈上升的，其中可持續發展型的凈GDP上升空間最大，資源衰竭型的凈GDP上升趨勢最小，自然狀態型則處于中間范圍。
由系統模擬出的各方案環境污染量的結果可以看出，可持續發展型的環境污染量最小，可使環境保持在較好的狀態，而資源衰竭型則環境污染量最大，將會對環境造成較大的影響。
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在自然狀態型和資源衰竭型的發展模式下重慶三峽庫區生態安全水平未來的趨勢非常令人擔憂，經濟損失量大，同時對環境也造成較大的影響(圖3，圖4)。但是可持續發展型的模式則相對較好，凈GDP發展上升趨勢明顯，環境污染量都較小，是符合生態安全水平的發展模式。因此，綜合這3種發展模式，作為生態安全評價和控制的參考標準，同時根據系統的模擬結果，得到最終的生態安全閾值。
3生態安全指標閾值的確定及應用
3.1生態安全指標閾值的確定
3.1.1經濟發展閾值
隨著三峽工程的推進，重慶市三峽庫區經濟發展矛盾日益尖銳。區內第一產業比重大，經濟發展不平衡，特別是郊區縣經濟發展落后，有8個縣屬于國家扶貧工作重點縣。巨大的經濟壓力勢必導致對資源的過渡開發和利用。因此，庫區未來經濟發展的主要方向不應是追求經濟增長的速度，而是實現庫區生態安全的可持續發展。本文在系統動力學模擬的基礎上認為重慶三峽庫區未來幾十年固定資產投資比處在0.3—o.4之間較為合理。
3.1.2環境保護閾值
提高污染處理率，加大單位污染環保投資是提高環境質量的有效措施。參照模擬結果，認為污染處理率、單位污染環保投資的較優值應為8—15、O.4—0.8。重慶市三峽庫區地質疏松，自然植被少，水土流失嚴重，再加上三峽工程的修建，因此為保護庫區生態，森林覆蓋率和水土流失率的大小顯的尤為重要。本文在模擬的基礎上認為0.6—0.8和0.05—0.086之間能夠使庫區在保持經濟發展的同時，使生態安全得到有效的保護。
3.1.3社會發展閾值
據重慶市統計年鑒，1997--2005年間，超過全市人口年平均增長率。作為典型的大城市大農村的地域結構，農業人121所占比重大，占庫區總人口的67.8%。狹窄的土地長期超負荷地承載密集的人口，人與糧食的矛盾日益突出，人多耕地少且耕地質量差，可供開墾的后備耕地資源十分有限，大面積的毀林毀草開荒，加劇了三峽重慶庫區水土流失。因此，本文認為庫區人121增長率維持在0.005—0.007之間較為合適，城市化率則處于0.65—0.8之間較為合適。
3.2閾值的驗證
將上述確定的各指標閾值的下限值(表4)代人到SD模型中進行模擬，通過觀察“凈GDP—GDP”的值，可以得到其驗證結果如表5所示。從表5可以看出2008--2016年，“凈GDP-GDP”都是負值，但其數值在逐漸減小，說明環境污染所造成的經濟損失在逐漸縮小，到了2017年開始出現正值，說明生態安全得到了有效的保護。因此，n--1172認為總體驗證結果比較適宜，所定的閾值基本上能夠代表重慶三峽庫區2050年前生態安全的主要特征。
3.3生態安全指標閾值的應用
3.3.1生態安全指標的標準化
由于各指標的性質不同，具有不同的單位，為了統一評價，有必要對評價因子進行無量綱化處理。根據指標的性質，可以將其分為發展類指標即越大越好和限制類指標即越小越好兩類。
3.3.2生態安全綜合評價
綜合指數法是指在確定一套合理的經濟效益指標體系的基礎上，對各項經濟效益指標個體指數加權平均，計算出經濟效益綜合值，用以綜合評價經濟效益的一種方法。根據綜合指數法進行生態安全綜合評價，先將各指標標準化，然后進行加權計算，得到重慶三峽庫區生態安全綜合評價結果(表6)。從表中可以看出： (1)2001--2007年重慶三峽庫區的生態安全系數在逐漸升高，可見政府的環保政策和群眾的環境意識起了很大的作用，使得其指數得到有效的提高;(2)2007年庫區生態安全綜合指數為0.595，說明現在庫區正處于敏感時期，現階段的指導措施將對未來發展起到關鍵作用，因此，政府部門應當做好防范措施，以確保實現庫區的可持續發展。
4討論與結論
閾值代表一個臨界值，生態安全的閾值是指實現生態安全可持續發展的范圍。目前國內還沒有計算生態安全閾值切實可行的模型和方法。如數字模型法、生態模型法、景觀模型法、數字地面模型法等，這些方法都不同程度的表現出其優缺點。數字模型法主要體現生態安全評價的綜合性，整體性和層次性，但易將問題簡單化，難以反映系統本質。生態模型法表達簡明，易于理解，但過于強調社會經濟對環境的影響而忽略其他環境影響因素的作用。景觀生態學的方法相對較新，也表現出相當的適用性。數字地面模型法是RS與GIS相結合，采用柵格數據結構，疊加容易，邏輯運算簡單能夠實現和完成上述幾種模型的評價運算。本文采用的系統動力學方法以反饋控制理論為基礎，建立系統動態模型，主要特點是能方便地處理非線性和時變現象，能作長期的、動態的、戰略性的仿真分析與研究。
文章通過在系統動力學模型的基礎上確定生態安全指標閾值。重慶三峽庫區是生態脆弱地區，由于三峽工程的修建，進行了大量開發，生態系統遭到了不同程度的破壞。再加上大量的移民工程，給庫區生態安全帶來了巨大壓力。根據其特殊的地域特征，選取GDP總量、人口總量、環境污染量作為主要變量，糧食產出率、森林覆蓋率、水土流失率等指標作為其重要的參數因子，選取水土流失面積、凈GDP、污染處理量等作為評價因子，最終建立了重慶三峽庫區生態安全系統動力學模型和生態安全指標評價體系，并通過建立資源衰竭型、可持續發展型和自然狀態型3種不同的情景進行模擬，從研究結果可以得出可持續發展型是符合庫區生態安全后續發展的優化模式，可以實現凈GDP的良好增長并有效控制環境污染量，而其他兩種模式則不符合其發展要求。其模擬結果為最終確定其閾值范圍提供了重要的參考依據。最后還將確定的閾值范圍進行了檢驗，最終得出的結果符合庫區可持續發展的各項指標，驗證了閾值的可行性，即在其閾值范圍內進行的生態安全活動可以有效實現其可持續發展的要求。
本文運用DPSIR模型構建重慶三峽庫區的生態安全指標體系，充分展示了區域生態安全指標體系的優點，但仍有一些問題需要進一步分析和研究。如：對于模型中各個指數包含的指標有不盡合理的地方且數量也較少，所能反映的問題有限，并且當前的指標體系偏重于評價功能，對政策的指導作用相對比較弱。然后運用系統動力學模型通過動態模擬的方式進行計算，由此確定其生態安全指標的閾值并進行了檢驗，可以為相關研究提供借鑒，同時也為有關部門制定相關政策提供指導作用。但同時也有需要改進的地方如模型的建立還需要完善，指標體系及其權重的確定還需要進一步研究，希望在以后的研究中有更大的提高。——論文作者：張夢婕1，官冬杰1’+，蘇維詞2’3
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