基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全情景模擬及指標(biāo)閾值確定

張夢婕, 官冬杰,*, 蘇維詞

1 重慶交通大學(xué)， 河海學(xué)院, 重慶 400074 2 重慶師范大學(xué)， 地理與旅游學(xué)院, 重慶 400047 3 貴州科學(xué)院， 山地資源研究所, 貴陽 550001

基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全情景模擬及指標(biāo)閾值確定

張夢婕1, 官冬杰1,*, 蘇維詞2,3

1 重慶交通大學(xué)， 河海學(xué)院, 重慶 400074 2 重慶師范大學(xué)， 地理與旅游學(xué)院, 重慶 400047 3 貴州科學(xué)院， 山地資源研究所, 貴陽 550001

根據(jù)重慶三峽庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的特征，建立了經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、人口子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,并在此基礎(chǔ)上確定了其模型的主要參數(shù)和反饋關(guān)系，通過歷史值與仿真值的對比進(jìn)行了檢驗(yàn)。選擇了可持續(xù)發(fā)展型、資源衰竭型和自然狀態(tài)型3種情景進(jìn)行模擬最終確定其生態(tài)安全的指標(biāo)閾值，并將其確定的閾值應(yīng)用于生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)，得出重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全指標(biāo)的綜合得分，由此看出庫區(qū)生態(tài)安全呈逐年遞增的趨勢，但仍然處于較為敏感的時(shí)期，需要相關(guān)部門的配合，從而最終實(shí)現(xiàn)庫區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

重慶三峽庫區(qū); 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué); 生態(tài)安全; 閾值

生態(tài)安全是一門自然科學(xué)與社會科學(xué)的交叉學(xué)科。目前國際上尚無公認(rèn)的關(guān)于生態(tài)安全的定義[1-3]。生態(tài)安全，國外也稱環(huán)境安全，有廣義和狹義兩種解釋。前者以美國國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所提出的定義為代表：生態(tài)安全是指在人的生活、健康、安樂、基本權(quán)利、生活保障來源、必要資源、社會秩序和人類適應(yīng)環(huán)境變化的能力等方面不受威脅的狀態(tài)，包括自然生態(tài)安全、經(jīng)濟(jì)生態(tài)安全和社會生態(tài)安全，組成一個(gè)復(fù)合人工生態(tài)安全系統(tǒng)。狹義的生態(tài)安全是指自然和半自然生態(tài)系統(tǒng)的安全，即生態(tài)系統(tǒng)完整性和健康的整體水平反映[4-9]。隨著研究的不斷深入，科學(xué)家們越來越關(guān)注影響生態(tài)安全的具體因素，而且更加關(guān)注這些因素可能對生態(tài)系統(tǒng)和社會帶來的危害。1993年，美國著名環(huán)境學(xué)家Norman Myers指出生態(tài)安全是指地區(qū)的資源戰(zhàn)爭和全球的生態(tài)威脅而引起的環(huán)境退化，繼而所引起的經(jīng)濟(jì)和政治的不安全；Katrina S．Rogers認(rèn)為生態(tài)安全是指創(chuàng)造一種條件使得人類社會的自然環(huán)境在滿足人類需要的同時(shí)使自然存量不致減少；Kim認(rèn)為生態(tài)安全是由生態(tài)威脅，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等概念演變而來，人類則是生態(tài)安全的主要危害者[10]。

在國內(nèi)外生態(tài)安全的相關(guān)研究中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和生態(tài)健康評價(jià)的數(shù)目較多。目前，生態(tài)安全評價(jià)研究主要集中在三個(gè)方面：(1)評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建。經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OEDC)率先提出并發(fā)展了反映自然環(huán)境狀況指標(biāo)體系的“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(P-S-R)框架模型[4]，Don Fallis運(yùn)用PSR模型提出了認(rèn)知風(fēng)險(xiǎn)的評分規(guī)則[11]，李中才等以山東省長島縣為例，研究了生態(tài)狀態(tài)、響應(yīng)、壓力之間的作用關(guān)系，評價(jià)生態(tài)安全的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，推導(dǎo)出生態(tài)安全狀況不斷得到改善的必要條件[12]，孫翔等以PSR為概念框架構(gòu)建廈門景觀生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系，以揭示廈門市區(qū)域景觀生態(tài)安全的空間分布規(guī)律[13]。這些研究都是以PSR為模型構(gòu)建指標(biāo)體系，但缺乏相應(yīng)層次方面的改進(jìn)和創(chuàng)新性。(2)評價(jià)指標(biāo)值的確定。如Schacffcr．D．J和D．K．COX提出了生態(tài)系統(tǒng)功能閾值，認(rèn)為人類對環(huán)境資源開發(fā)利用和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展不能超過這一閾值[14]，Takuro Uehara提出生態(tài)經(jīng)濟(jì)閾值可能會在生態(tài)閾值之前[15]，李華以上海崇明島為例進(jìn)行生態(tài)安全指標(biāo)閾值的確定及應(yīng)用[16]。對于評價(jià)指標(biāo)閾值方面大多是參照國內(nèi)外已有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)值或直接依據(jù)現(xiàn)狀值進(jìn)行估算，這種方法簡單易行，但精準(zhǔn)度方面受到影響，而且各類參照標(biāo)準(zhǔn)本身的制定目的和適用性有別，標(biāo)準(zhǔn)值存在較大的差異，因此存在相應(yīng)的隨意性。(3)生態(tài)安全評價(jià)的方法。大多數(shù)的生態(tài)安全評價(jià)方法，主要選擇了對生態(tài)環(huán)境變化十分敏感的生物、物理和化學(xué)等方面的特征指標(biāo)，觀察監(jiān)測生態(tài)環(huán)境變化對它們的影響，以此來判斷生態(tài)是否安全。Karr應(yīng)用生物完整性指數(shù)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(tài)系統(tǒng)的安全狀況[17]。這種方法由于生態(tài)安全評估需要大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的支持，而且需要及時(shí)向政策制定者反饋評估結(jié)果，因此它需要系統(tǒng)、即時(shí)的提供真實(shí)的信息，所以還需要進(jìn)行不斷深化和探討。而目前我國生態(tài)安全的研究還處于初級階段，綜述性研究居多，對生態(tài)安全的定量描述較少。有關(guān)生態(tài)安全閾值的研究方法主要有模糊數(shù)學(xué)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[7,18-19]，但這些方法都是對生態(tài)安全閾值的靜態(tài)研究，缺乏動(dòng)態(tài)聯(lián)系。本文運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理，建立生態(tài)安全模型，從動(dòng)態(tài)的角度系統(tǒng)分析重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全各指標(biāo)閾值，從而為重慶三峽庫區(qū)的后續(xù)發(fā)展提供借鑒。

1 研究區(qū)域概況及評價(jià)模型構(gòu)建

1.1 研究區(qū)域概況

三峽庫區(qū)位于北緯28°31′—31°44′，東經(jīng)105°44′—111°39′之間，涉及湖北省和重慶市，總面積約7.9萬km2,總?cè)丝诩s2937萬人。三峽庫區(qū)地跨渝、鄂峽谷和川東低山丘陵區(qū)，背靠大巴山麓，南依云貴高原北緣。強(qiáng)烈的造山運(yùn)動(dòng)所引起的海陸變遷和江水下切，形成了獨(dú)特的峽谷地貌，同時(shí)也構(gòu)成了一個(gè)相對獨(dú)立的地理單元[20]。重慶三峽庫區(qū)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(qū)、涪陵區(qū)、渝中區(qū)、大渡口區(qū)、江北區(qū)、沙坪壩區(qū)、九龍坡區(qū)、渝北區(qū)、巴南區(qū)、長壽區(qū)、南岸區(qū)、北碚區(qū)、豐都縣、武隆縣、忠縣、開縣、云陽縣、奉節(jié)縣、巫山縣、巫溪縣、石柱縣、江津區(qū)等22個(gè)區(qū)、縣(自治縣)(圖1)。

圖1 重慶市三峽庫區(qū)行政區(qū)劃

三峽庫區(qū)的生態(tài)安全問題主要表現(xiàn)在兩方面：第一，自然生態(tài)安全問題：水土流失嚴(yán)重，庫區(qū)氣候、地形、土壤等條件使得該區(qū)水土流失嚴(yán)重，恢復(fù)能力差，對生態(tài)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(dǎo)致森林面積大量減少，不利于生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)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(tài)，使大量水生物種瀕臨滅絕；自然災(zāi)害頻繁，庫區(qū)復(fù)雜的地形、多變的氣候，以及植被覆蓋的大量減少導(dǎo)致該地區(qū)自然災(zāi)害頻繁。第二，社會生態(tài)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(shí)還有可能導(dǎo)致社會動(dòng)蕩；文物保護(hù)，文物是寶貴的歷史文化遺產(chǎn)，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(qū)人口超載，人地矛盾日益突出，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境日益惡化[21]。

1.2 生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)建立

目前對區(qū)域生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)還沒有達(dá)成共識，運(yùn)用較多的有：第一，PSR(壓力-狀態(tài)-響應(yīng))模型，是現(xiàn)在國內(nèi)外生態(tài)安全評價(jià)的常用方法。PSR模型能反映自然、經(jīng)濟(jì)和社會因素之間的關(guān)系，為生態(tài)安全指標(biāo)構(gòu)造提供了邏輯基礎(chǔ)；第二，DSR(驅(qū)動(dòng)力-狀態(tài)-響應(yīng))模型，這種模型的構(gòu)造與PSR模型類似，但側(cè)重于對生態(tài)安全原動(dòng)力的研究；第三，DPSEEA(驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-暴露-影響-響應(yīng))模型，這種模型是對PSR模型的一種擴(kuò)展，它更加細(xì)化了生態(tài)安全中各指標(biāo)之間的關(guān)系；第四， DPSIR(驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng))模型，它是在PSR和DSR結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展的模型，模型的優(yōu)點(diǎn)是可以更加清晰地反應(yīng)系統(tǒng)各指標(biāo)之間的因果關(guān)系，也可以綜合體現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會各因素之間的制約關(guān)系，從而更好地說明區(qū)域生態(tài)安全的驅(qū)動(dòng)力和壓力，所處的狀態(tài)以及導(dǎo)致的社會經(jīng)濟(jì)影響和人文響應(yīng)，得出的結(jié)果也就更符合實(shí)際情況，因此該模型綜合運(yùn)用于社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的各個(gè)方面[22]。

本研究在傳統(tǒng)DPSIR 模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，完善了驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響和響應(yīng)這5 類指標(biāo)因子。具體而言，改進(jìn)后的DPSIR模型驅(qū)動(dòng)力因子更多的強(qiáng)調(diào)造成環(huán)境變化的潛在原因，目的在于描述社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人口增長所帶來的生活方式的變化、生產(chǎn)和消費(fèi)模式的改變等。同時(shí)，改進(jìn)后的DPSIR 模型，不僅僅關(guān)注環(huán)境的直接壓力因子，更關(guān)注如何通過一定的因果關(guān)系模型來預(yù)測直接壓力因子可能對環(huán)境現(xiàn)狀造成的影響。此外，傳統(tǒng)模型更多關(guān)注的是狀態(tài)類因子，而改進(jìn)后的模型不僅注重在驅(qū)動(dòng)力和壓力下的系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)， 更關(guān)注狀態(tài)變化與生態(tài)狀況、人類活動(dòng)造成的環(huán)境影響之間的相互關(guān)系。改進(jìn)后的DPSIR 模型的5 類指標(biāo)完整地體現(xiàn)了生態(tài)安全的綜合情況，更能夠揭示潛在的社會經(jīng)濟(jì)“驅(qū)動(dòng)力”給區(qū)域生態(tài)安全造成“壓力”， 引起區(qū)域生態(tài)、環(huán)境的“狀態(tài)”改變，進(jìn)而“影響”人類活動(dòng)， 最終促使一系列“響應(yīng)”措施的產(chǎn)生這一完整因果鏈，從而為區(qū)域生態(tài)安全評價(jià)提供了較好的研究思路。基于此，本文提出適合區(qū)域生態(tài)安全評價(jià)的DPSIR 模型框架。根據(jù)區(qū)域的生態(tài)安全特征，驅(qū)動(dòng)力指數(shù)(D)主要體現(xiàn)在造成重慶三峽庫區(qū)環(huán)境變化的潛在原因，反映了其社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢，因此選取了人口增長率、城市化率和糧食產(chǎn)值3個(gè)指標(biāo)來反映導(dǎo)致環(huán)境變化的潛在原因；壓力指數(shù)(P)以反映庫區(qū)耕地質(zhì)量狀況和經(jīng)濟(jì)投資等方面的壓力為主要內(nèi)容，本文選擇了耕地產(chǎn)出率、生產(chǎn)性固定資產(chǎn)投資比和固定資產(chǎn)投資比作為指標(biāo)來表現(xiàn)對環(huán)境造成的影響；狀態(tài)指數(shù)(S)主要體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)方面的情況，以各產(chǎn)業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值的特征為主要內(nèi)容，本文選取了凈GDP、單位林地產(chǎn)值、輕工業(yè)固定資產(chǎn)投資率和重工業(yè)固定資產(chǎn)投資率4個(gè)指標(biāo)來表現(xiàn)該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r；影響指數(shù)(I)是指系統(tǒng)所處的狀態(tài)對社會經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的影響，以經(jīng)濟(jì)值和環(huán)境污染情況為主要內(nèi)容，研究選擇了環(huán)境污染量、森林覆蓋率和水土流失率3個(gè)指標(biāo)來反映區(qū)域生態(tài)安全的影響結(jié)果；響應(yīng)指數(shù)(R)主要指面對社會經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的影響，人類所采取的積極措施，以環(huán)境響應(yīng)為主要內(nèi)容，因此選取了單位污染環(huán)保投資和污染處理率來表現(xiàn)人類對生態(tài)環(huán)境變化的反映。以復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，綜合考慮重慶三峽庫區(qū)的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的各個(gè)方面，并且考慮其系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和可操作性，進(jìn)行具體指標(biāo)的選擇，最終建立重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

指標(biāo)權(quán)重的確定方法有[23]：(1)主成分分析法，主要用于有多個(gè)成分的目標(biāo)分析中，可以抓住該分析中影響目標(biāo)的最主要的成分，從而使得該分析重點(diǎn)突出，具有針對性，排除那些對目標(biāo)作用不大的成分，但因?yàn)橹皇亲饔糜趯δ繕?biāo)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(biāo)在一段時(shí)間內(nèi)的線性變化，可以更加直觀的表現(xiàn)出目標(biāo)的方向和趨勢，因此可以采取一定措施來增強(qiáng)或者改善某些元素，從而達(dá)到調(diào)高整體目標(biāo)的目的，其缺點(diǎn)是由于各元素對目標(biāo)具有相同的影響，所以分析的結(jié)果因此而沒有針對性，不能更有效的改善目標(biāo)；(3)層次分析法，主要用于有隸屬關(guān)系的指標(biāo)體系構(gòu)建中可以使分析更加有條理。該分析可分為目標(biāo)層、準(zhǔn)目標(biāo)層、指標(biāo)層等。層層構(gòu)建，分別得出所占權(quán)重，最后得出目標(biāo)層的綜合指數(shù)。本文采用的是AHP主客觀結(jié)合賦值法，能把復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維進(jìn)行層次化，將決策過程中的定性和定量因素有機(jī)結(jié)合起來，通過建立判斷矩陣、排序計(jì)算和一致性檢驗(yàn)后得到最終結(jié)果。其做法是首先通過分析各指標(biāo)的相互關(guān)系，建立遞階的評價(jià)指標(biāo)體系，然后邀請專家學(xué)者(增加專家的數(shù)量和領(lǐng)域)的對評價(jià)指標(biāo)打分，通過1—9 標(biāo)度法構(gòu)建兩兩比較判斷矩陣。最后計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重(表1)，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

表1 重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系

2 重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建及不同情景模擬

2.1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立及檢驗(yàn)

2.1.1 模型的建立

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是結(jié)構(gòu)的方法、功能的方法和歷史的方法的統(tǒng)一。它基于系統(tǒng)論，吸收了控制論、信息論的精髓，是一門綜合自然科學(xué)和社會科學(xué)的橫向?qū)W科。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)林生態(tài)、 區(qū)域經(jīng)濟(jì)、城市規(guī)劃、礦藏及其安全、軍事戰(zhàn)略、行政管理及公共安全、教育管理、社會保障等各個(gè)領(lǐng)域[24]。本文根據(jù)重慶三峽庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境特征，構(gòu)建模型結(jié)構(gòu)和反饋關(guān)系，系統(tǒng)由經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、人口子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng)組成；由于研究區(qū)域生態(tài)問題的復(fù)雜性，因此，在建立系統(tǒng)流程圖時(shí)，以反映庫區(qū)主要因果關(guān)系，選擇影響庫區(qū)生態(tài)安全的核心因子，最終確定參數(shù)；使用專業(yè)軟件VensimPLE建模，模型運(yùn)行時(shí)間為2000—2050年，仿真步長為1a，主要數(shù)據(jù)來源于《重慶市統(tǒng)計(jì)年鑒》，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的系統(tǒng)流程圖(圖2)，并確定其模型的主要方程式和反饋關(guān)系。

2.1.2 模型的檢驗(yàn)

本研究運(yùn)用相對誤差方法對所建立的SD模型的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，以GDP總量為例，檢驗(yàn)結(jié)果(表2)可以發(fā)現(xiàn)，2001—2007年的GDP仿真值和歷史值的相對誤差均在10%以內(nèi)，相對誤差的結(jié)果較為理想，因此認(rèn)為變量通過檢驗(yàn)。其他變量的歷史值也與此相似，通過歷史檢驗(yàn)。

圖2 重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型流程圖Fig.2 System Dynamics Model Flowchart of Three Gorges Reservoir Ecological Security

表2 GDP歷史檢驗(yàn)結(jié)果 (2001—2007年)

2.2 不同情景參數(shù)的設(shè)定及模擬

2.2.1 參數(shù)的設(shè)定

本研究中生態(tài)安全閾值的確定將是在考慮重慶三峽庫區(qū)未來發(fā)展趨勢和特征的基礎(chǔ)上，通過比較不同發(fā)展方案情景下SD模型的模擬結(jié)果，提出符合庫區(qū)發(fā)展的生態(tài)安全閾值，并進(jìn)行檢驗(yàn)。因此，確定合適的系統(tǒng)模擬方案，并根據(jù)需要選擇模擬參數(shù)是本文的重要任務(wù)之一。

為了更好的實(shí)現(xiàn)重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全的可持續(xù)發(fā)展，本文確定的3種模擬方案分別為自然狀態(tài)型、資源衰竭型和可持續(xù)發(fā)展型。根據(jù)不同的發(fā)展方案來確定模型的主要參數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)方案結(jié)果的客觀性，選擇的主要參數(shù)應(yīng)盡可能的遵循真實(shí)性原則。在這3種方案中自然狀態(tài)型為重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全指標(biāo)的現(xiàn)狀值，相關(guān)參數(shù)來自于2000—2010年《重慶市統(tǒng)計(jì)年鑒》；資源衰竭型表示區(qū)域生態(tài)安全依靠資源環(huán)境的損失來實(shí)現(xiàn)其發(fā)展的狀態(tài)，這種模擬方案參數(shù)主要取自于重慶市歷年規(guī)劃方案及統(tǒng)計(jì)年鑒中的指標(biāo)上線；可持續(xù)發(fā)展型表示區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相互協(xié)調(diào)發(fā)展的狀態(tài)，這種模擬方案的參數(shù)主要取自于重慶市歷年規(guī)劃方案及統(tǒng)計(jì)年鑒中的指標(biāo)下線。最終得到各方案模擬變量的參數(shù)值(表3)。通過這3種不同情景的設(shè)定來展示不同發(fā)展模式下，凈GDP和環(huán)境污染量的增長趨勢，從而為庫區(qū)發(fā)展提高可靠依據(jù)。

2.2.2 不同情景模擬結(jié)果分析

本文所建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中，變量凈GDP表示在社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境狀態(tài)模型下的國內(nèi)生產(chǎn)總值減去經(jīng)濟(jì)損失的值，環(huán)境污染量表示當(dāng)前環(huán)境中的實(shí)際污染量，這些都可用于作為評價(jià)方案適用性的主要參考依據(jù)。系統(tǒng)模擬出的2000—2050年的凈GDP、環(huán)境污染量的仿真值(圖3，圖4)。

表3 重慶三峽庫區(qū)發(fā)展規(guī)劃方案的主要參數(shù)值

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(xù)發(fā)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(tài)型則處于中間范圍。

圖3 各方案模擬的凈GDP結(jié)果

圖4 各方案模擬的環(huán)境污染量結(jié)果

由系統(tǒng)模擬出的各方案環(huán)境污染量的結(jié)果可以看出，可持續(xù)發(fā)展型的環(huán)境污染量最小，可使環(huán)境保持在較好的狀態(tài)，而資源衰竭型則環(huán)境污染量最大，將會對環(huán)境造成較大的影響。

在自然狀態(tài)型和資源衰竭型的發(fā)展模式下重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全水平未來的趨勢非常令人擔(dān)憂，經(jīng)濟(jì)損失量大，同時(shí)對環(huán)境也造成較大的影響(圖3，圖4)。但是可持續(xù)發(fā)展型的模式則相對較好，凈GDP發(fā)展上升趨勢明顯，環(huán)境污染量都較小，是符合生態(tài)安全水平的發(fā)展模式。因此，綜合這3種發(fā)展模式，作為生態(tài)安全評價(jià)和控制的參考標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的模擬結(jié)果，得到最終的生態(tài)安全閾值。

3 生態(tài)安全指標(biāo)閾值的確定及應(yīng)用

3.1 生態(tài)安全指標(biāo)閾值的確定

3.1.1 經(jīng)濟(jì)發(fā)展閾值

隨著三峽工程的推進(jìn)，重慶市三峽庫區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾日益尖銳。區(qū)內(nèi)第一產(chǎn)業(yè)比重大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，特別是郊區(qū)縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后，有8個(gè)縣屬于國家扶貧工作重點(diǎn)縣。巨大的經(jīng)濟(jì)壓力勢必導(dǎo)致對資源的過渡開發(fā)和利用。因此，庫區(qū)未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要方向不應(yīng)是追求經(jīng)濟(jì)增長的速度，而是實(shí)現(xiàn)庫區(qū)生態(tài)安全的可持續(xù)發(fā)展。本文在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬的基礎(chǔ)上認(rèn)為重慶三峽庫區(qū)未來幾十年固定資產(chǎn)投資比處在0.3—0.4之間較為合理。

3.1.2 環(huán)境保護(hù)閾值

提高污染處理率，加大單位污染環(huán)保投資是提高環(huán)境質(zhì)量的有效措施。參照模擬結(jié)果，認(rèn)為污染處理率、單位污染環(huán)保投資的較優(yōu)值應(yīng)為8—15、0.4—0.8。重慶市三峽庫區(qū)地質(zhì)疏松，自然植被少，水土流失嚴(yán)重，再加上三峽工程的修建，因此為保護(hù)庫區(qū)生態(tài)，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(chǔ)上認(rèn)為0.6—0.8和0.05—0.086之間能夠使庫區(qū)在保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，使生態(tài)安全得到有效的保護(hù)。

3.1.3 社會發(fā)展閾值

據(jù)重慶市統(tǒng)計(jì)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(nóng)村的地域結(jié)構(gòu)，農(nóng)業(yè)人口所占比重大，占庫區(qū)總?cè)丝诘?7.8%。狹窄的土地長期超負(fù)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(zhì)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(qū)水土流失。因此，本文認(rèn)為庫區(qū)人口增長率維持在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(yàn)證

將上述確定的各指標(biāo)閾值的下限值(表4)代入到SD模型中進(jìn)行模擬，通過觀察“凈GDP-GDP”的值，可以得到其驗(yàn)證結(jié)果如表5所示。從表5可以看出2008—2016年，“凈GDP-GDP”都是負(fù)值，但其數(shù)值在逐漸減小，說明環(huán)境污染所造成的經(jīng)濟(jì)損失在逐漸縮小，到了2017年開始出現(xiàn)正值，說明生態(tài)安全得到了有效的保護(hù)。因此，可以認(rèn)為總體驗(yàn)證結(jié)果比較適宜，所定的閾值基本上能夠代表重慶三峽庫區(qū)2050年前生態(tài)安全的主要特征。

表4 重慶市三峽庫區(qū)生態(tài)安全指標(biāo)閾值及現(xiàn)狀值的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

3.3 生態(tài)安全指標(biāo)閾值的應(yīng)用

3.3.1 生態(tài)安全指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化

由于各指標(biāo)的性質(zhì)不同，具有不同的單位，為了統(tǒng)一評價(jià)，有必要對評價(jià)因子進(jìn)行無量綱化處理。根據(jù)指標(biāo)的性質(zhì)，可以將其分為發(fā)展類指標(biāo)即越大越好和限制類指標(biāo)即越小越好兩類。

發(fā)展類指標(biāo)采用公式：

限制類指標(biāo)采用公式：

式中，xij為各項(xiàng)指標(biāo)的現(xiàn)狀值；Sij為各項(xiàng)指標(biāo)的閾值(下限值)；n為評價(jià)區(qū)域數(shù)；m為評價(jià)指標(biāo)數(shù)[17]。

運(yùn)用確定的指標(biāo)閾值對重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全指標(biāo)的現(xiàn)狀值(2007年)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，結(jié)果如表5。從表中可以看出11個(gè)指標(biāo)現(xiàn)有的情況參差不齊，且總體水平不高。其高中得分較高的是固定資產(chǎn)投資比，除此以外，污染處理率和單位污染環(huán)保投資也相對較高為0.8。單位林地產(chǎn)值、城市化率、人口增長率、森林覆蓋率為區(qū)域限制因子都在0.7以下，其他因子則處于0.7—0.8之間。

表5 生態(tài)安全閾值的驗(yàn)證結(jié)果

3.3.2 生態(tài)安全綜合評價(jià)

綜合指數(shù)法是指在確定一套合理的經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，對各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)個(gè)體指數(shù)加權(quán)平均，計(jì)算出經(jīng)濟(jì)效益綜合值，用以綜合評價(jià)經(jīng)濟(jì)效益的一種方法。根據(jù)綜合指數(shù)法進(jìn)行生態(tài)安全綜合評價(jià)，先將各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化，然后進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全綜合評價(jià)結(jié)果(表6)。從表中可以看出：(1)2001—2007年重慶三峽庫區(qū)的生態(tài)安全系數(shù)在逐漸升高，可見政府的環(huán)保政策和群眾的環(huán)境意識起了很大的作用，使得其指數(shù)得到有效的提高；(2) 2007年庫區(qū)生態(tài)安全綜合指數(shù)為0.595，說明現(xiàn)在庫區(qū)正處于敏感時(shí)期，現(xiàn)階段的指導(dǎo)措施將對未來發(fā)展起到關(guān)鍵作用，因此，政府部門應(yīng)當(dāng)做好防范措施，以確保實(shí)現(xiàn)庫區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

表6 2001—2007年重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全評價(jià)表

4 討論與結(jié)論

閾值代表一個(gè)臨界值，生態(tài)安全的閾值是指實(shí)現(xiàn)生態(tài)安全可持續(xù)發(fā)展的范圍。目前國內(nèi)還沒有計(jì)算生態(tài)安全閾值切實(shí)可行的模型和方法。如數(shù)字模型法、生態(tài)模型法、景觀模型法、數(shù)字地面模型法等，這些方法都不同程度的表現(xiàn)出其優(yōu)缺點(diǎn)。數(shù)字模型法主要體現(xiàn)生態(tài)安全評價(jià)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(tǒng)本質(zhì)。生態(tài)模型法表達(dá)簡明，易于理解，但過于強(qiáng)調(diào)社會經(jīng)濟(jì)對環(huán)境的影響而忽略其他環(huán)境影響因素的作用。景觀生態(tài)學(xué)的方法相對較新，也表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)倪m用性。數(shù)字地面模型法是RS與GIS相結(jié)合，采用柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，疊加容易，邏輯運(yùn)算簡單能夠?qū)崿F(xiàn)和完成上述幾種模型的評價(jià)運(yùn)算。本文采用的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法以反饋控制理論為基礎(chǔ)，建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，主要特點(diǎn)是能方便地處理非線性和時(shí)變現(xiàn)象,能作長期的、動(dòng)態(tài)的、戰(zhàn)略性的仿真分析與研究。

文章通過在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上確定生態(tài)安全指標(biāo)閾值。重慶三峽庫區(qū)是生態(tài)脆弱地區(qū)，由于三峽工程的修建，進(jìn)行了大量開發(fā)，生態(tài)系統(tǒng)遭到了不同程度的破壞。再加上大量的移民工程，給庫區(qū)生態(tài)安全帶來了巨大壓力。根據(jù)其特殊的地域特征，選取GDP總量、人口總量、環(huán)境污染量作為主要變量，糧食產(chǎn)出率、森林覆蓋率、水土流失率等指標(biāo)作為其重要的參數(shù)因子，選取水土流失面積、凈GDP、污染處理量等作為評價(jià)因子，最終建立了重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和生態(tài)安全指標(biāo)評價(jià)體系，并通過建立資源衰竭型、可持續(xù)發(fā)展型和自然狀態(tài)型3種不同的情景進(jìn)行模擬，從研究結(jié)果可以得出可持續(xù)發(fā)展型是符合庫區(qū)生態(tài)安全后續(xù)發(fā)展的優(yōu)化模式，可以實(shí)現(xiàn)凈GDP的良好增長并有效控制環(huán)境污染量，而其他兩種模式則不符合其發(fā)展要求。其模擬結(jié)果為最終確定其閾值范圍提供了重要的參考依據(jù)。最后還將確定的閾值范圍進(jìn)行了檢驗(yàn)，最終得出的結(jié)果符合庫區(qū)可持續(xù)發(fā)展的各項(xiàng)指標(biāo)，驗(yàn)證了閾值的可行性，即在其閾值范圍內(nèi)進(jìn)行的生態(tài)安全活動(dòng)可以有效實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展的要求。

本文運(yùn)用DPSIR模型構(gòu)建重慶三峽庫區(qū)的生態(tài)安全指標(biāo)體系，充分展示了區(qū)域生態(tài)安全指標(biāo)體系的優(yōu)點(diǎn)，但仍有一些問題需要進(jìn)一步分析和研究。如：對于模型中各個(gè)指數(shù)包含的指標(biāo)有不盡合理的地方且數(shù)量也較少，所能反映的問題有限，并且當(dāng)前的指標(biāo)體系偏重于評價(jià)功能，對政策的指導(dǎo)作用相對比較弱。然后運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型通過動(dòng)態(tài)模擬的方式進(jìn)行計(jì)算，由此確定其生態(tài)安全指標(biāo)的閾值并進(jìn)行了檢驗(yàn)，可以為相關(guān)研究提供借鑒，同時(shí)也為有關(guān)部門制定相關(guān)政策提供指導(dǎo)作用。但同時(shí)也有需要改進(jìn)的地方如模型的建立還需要完善，指標(biāo)體系及其權(quán)重的確定還需要進(jìn)一步研究，希望在以后的研究中有更大的提高。

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Scenarios simulation and indices thresholds determination of ecological security in three gorges reservoir based on system dynamics

ZHANG Mengjie1, GUAN Dongjie1,*, SU Weici2, 3

1SchoolofRiverandOceanEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China2InstituteofGeographyandTourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China3InstituteofMountainResources,GuizhouAcademyofSciences,Guiyang550001,China

Ecological security is an interdisciplinary of natural science and social science. There is still no an internationally accepted definition of ecological security at present. In this paper, ecological security model of Three Gorges Reservoir in Chongqing was established using system dynamics. Firstly, according to special geographical features of Three Gorges reservoir, an improved DPSIR model, which involves all aspects of society, economy and environment, was applied to establish an evaluation index system of ecological security. AHP method with objective and subjective combination characteristics was selected to endow these indices weight. Secondly, based on the ecosystem characteristics of Three Gorges reservoir, a system dynamics model containing economy, population, and environmental subsystems was developed. The model was set up using specialized software VensimPLE and data from “Chongqing Statistical Yearbook 2001—2007” for population, GDP, and the amount of environmental pollution. Main parameters and their mutual feedback relationships in the model were determined. GDP, the total population, the amount of environmental pollution were selected as the main variables; grain output ratio, forest coverage rate, soil erosion rates and other indicators were selected as the important factor parameters; the area of soil erosion, Net-GDP, pollution treatment rate were selected as the evaluation factors. Meanwhile, historical and simulated values were compared to verify this model. The comparison of results from calibration and observation shows that the model corresponds to observed behaviors, and the simulated values fit well with the observed data and changing trends. Moreover, 3 scenarios named sustainable development, resource exhaustion, and natural state were designed to simulate future change of ecological security. The simulation runs demonstrate that the sustainable development model accords with the patterns of social development. The ecological security levels of natural state model and resource exhaustion model in Chongqing Three Gorges Reservoir are very worrying, since economic losses and environmental impact are severe. But the ecological security level of sustainable development model is relatively good. Net-GDP shows a clear upward trend; the amount of environmental pollution is small. Thirdly, according to the simulation results, ecological security thresholds were got. The thresholds can basically represent the main features of Three Gorges Reservoir′s ecological security before 2050. The verification results can be got with the observation of "Net GDP-GDP" values. The overall verification results are appropriate. Then, the status quo of ecological security indicators (2007) was standardized using the determined thresholds. It turns out that the existing 11 indicators are uneven and the overall level is not high. These thresholds were applied into the assessment indices of ecological security for obtaining the comprehensive score of ecological security from 2001 to 2007. The results illustrate that the ecological security in the reservoir area has been emerging an increasing trend, but still in a relatively sensitive period. Consequently, to achieve the sustainable development of the reservoir area requires the cooperation of relevant departments. Finally, on the basis of system dynamics model, the paper determined ecological security index thresholds. Within the range of thresholds, the ecological security can effectively achieve its sustainable development.

Chongqing Three Gorges reservoir area; systems dynamics; ecological security; thresholds

國家青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41201546); 重慶市自然科學(xué)基金(csts2012jjA20010); 國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAJ25B09， 2011BAC02B02); 國家自然科學(xué)基金(41261038)

2013-11-12;

2014-09-09

10.5846/stxb201311122717

*通訊作者Corresponding author.E-mail: guandongjie_2000@163.com

張夢婕, 官冬杰, 蘇維詞.基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全情景模擬及指標(biāo)閾值確定.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(14):4880-4890.

Zhang M J, Guan D J, Su W C.Scenarios simulation and indices thresholds determination of ecological security in three gorges reservoir based on system dynamics.Acta Ecologica Sinica,2015,35(14):4880-4890.