資源型城市生態系統健康評價及預警問題研究

索貴彬，王　哲

(河北地質大學 管理科學與工程學院，河北 石家莊 050031)

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資源型城市生態系統健康評價及預警問題研究

索貴彬，王哲

(河北地質大學 管理科學與工程學院，河北 石家莊 050031)

資源型城市在為中國的工業化進程做出了巨大貢獻的同時，城市的生態系統健康也出現了許多問題，對城市生態系統的地理環境和生物種群造成很大影響，甚至造成一些資源型城市生態系統的失衡和崩潰。論文以突變理論和城市生態系統健康理論為依據，首先建立了資源型城市生態系統健康評價指標體系，然后基于突變理論，構建了資源型城市生態系統健康的突變模型，并以邯鄲市為例，進行了實證分析。以期對資源型城市的生態系統健康狀況進行監測，當其出現較大擾動時進行預警，以保證資源型城市的生態系統健康，為實現資源型城市的可持續發展提供參考。

資源型城市；生態系統健康；突變論

一、引言

資源型城市是重要的城市類型，一般指依托于礦產資源、森林資源等自然資源，并以資源的開采和初加工為支柱產業的具有專業性職能的城市[1]。資源型城市在我國城市總量上占有很大的比重，對我國的工業化進程甚至國家安全都做出了巨大貢獻。但是，資源型城市在為經濟高速增長提供資源和能源保障的同時，城市的生態系統健康也出現了許多問題。資源型城市的資源開采不僅造成地表沉陷，而且開采產生的“三廢”給城市的地下水、土壤及大氣也造成嚴重污染，一些資源枯竭型城市地下采空，導致采空塌陷區山體開裂、崩塌、滑坡、泥石流等地質災害頻發，對城市生態系統的地理環境和生物種群造成很大影響，甚至造成資源型城市自然子系統的失衡[2]，進而觸發城市經濟子系統和社會子系統的失衡，直至影響到資源型城市整個生態系統的失衡甚至崩潰。因此，對資源型城市的生態系統健康狀況應進行密切監測，當其出現較大擾動時進行預警，以便于城市相關部門采用相應預案和措施及時應對，保證資源型城市的生態系統健康，實現資源型城市的可持續發展。

影響資源型城市生態系統健康的因素很多，且具有突發性、危害性、耦合性、衍生性、傳導變異性和極大的不確定性等特征，其全過程的演化機制和發展規律無法確定，是一種非常態，因此，基于常態事件風險評估的模型方法往往失效。從國內外研究文獻來看，基于突變理論的風險評估模型方法，可以有效地解決這一問題。

本文以突變理論和城市生態系統健康理論為依據，首先建立了資源型城市生態系統健康評價指標體系，然后基于突變理論，建構資源型城市生態系統健康的突變模型，并以邯鄲市為例進行實證分析，以期為保證資源型城市的生態系統健康、實現資源型城市的可持續發展提供參考。

二、相關理論

(一)突變理論及突變級數法

突變理論是21世紀60年代末，由法國數學家R.Thom創立的，以拓撲學、奇點和分歧理論為基礎，研究由于結構不穩定而產生突變現象的數學分支。突變理論通過對結構穩定性的分析，來說明和預測形態變化的發生。突變理論以系統的勢函數為研究對象，勢函數V=V(x,u)，其中x、u分別為系統的狀態變量和控制變量。突變理論把狀態曲面的奇點集映射到控制空間，得到狀態變量在控制空間的軌跡-分叉集。處于分叉集中的控制變量值會使勢函數發生突變。當狀態變量為1維時，勢函數及其分叉集方程[3]見表1。

表1突變模型相關公式

突變模型控制變量勢函數分叉集歸一公式折疊突變1V(x)=x3+u1xu1=-3x2xu1=u1尖點突變2V(x)=14x4+12u1x2+u2xu1=-6x2,u2=8x3xu1=u1,Xu2=3u2燕尾突變3V(x)=15x5+13u1x3+12u2x2+u3xu1=-6x2,u2=8x3,u3=-3xxu1=u1,xu2=3u2,xu3=4u3蝴蝶突變4V(x)=16x6+14u1x4+13u2x3+12u3x2+u4xu1=-10x2,u2=20x3,u3=-15x2,u4=4x5xu1=u1,xu2=3u2,xu3=4u3,xu4=5u4

突變級數法的基本原理是基于落在分叉集內控制變量的取值會使系統狀態發生突變的性質來構建評價模型。構建評價模型時，首先根據對應的尖點模型分叉集方程，通過隸屬度值求得系統發生突變時的狀態變量的值。然后利用歸一公式把控制變量統一化為狀態變量表示的質態[4]。一般地，根據各控制變量對狀態變量影響的方向，對評估要遵循“互補”與“非互補”原則。“互補”原則指系統諸控制變量間存在明顯的關聯作用，應取諸控制變量相應的突變級數值的均值作為總突變隸屬函數值。“非互補”原則適用于系統諸控制變量對狀態變量的影響不能互補時的情況，又存在以下2種具體情況：(1)如果是正向指標，取諸控制變量相應的突變級數值中的最小值作為突變總隸屬函數值。(2)如果是逆向指標，取諸控制變量相應的突變級數值中的最大值作為突變總隸屬函數值[5]。

(二)城市生態系統健康理論

生態系統健康研究是20世紀90年代出現的一個嶄新領域。生態系統健康概念的前提是把生態系統看作是一個完整的有機體。學術界普遍認同“健康”是生態系統最佳狀態的一種評價方式，保持城市生態系統健康是發揮城市生態系統正常功能的最基本條件。1992年，世界衛生組織提出了“健康城市”的概念，并定義為：健康城市是由健康的人群、健康的環境和健康的社會有機結合發展的一個整體。Raport等將生態系統健康定義為“以符合適宜的目標為標準來定義一個生態系統的狀態、條件或表現”[6]。相應的城市生態系統健康則可定義為“符合一定城市發展目標的城市生態系統”。目前對于生態系統健康的概念，比較公認的是通過活力、組織結構和恢復力3個特征進行定義。而城市生態系統作為一個以人為核心的復合生態系統，已經演化為一種高度人工化的自然-經濟-社會復合的生態系統。它更加強調生態系統能維持對人類的服務功能以及人類自身健康及社會經濟健康不受損害[7]，其健康狀態還需要考慮城市中人群健康狀況以及城市生態系統為人類提供服務功能的水平。因此，常選擇生態系統活力、組織機構、恢復力、生態系統服務功能、人群健康狀況作為城市生態系統健康評價的5個要素[8]。

三、基于突變理論的資源型城市生態系統健康評價模型構建

(一)資源型城市生態系統健康評價指標體系構建

資源型城市生態系統是由社會子系統、經濟子系統和自然子系統通過生態流、生態場在一定時空尺度上耦合形成的復合系統。資源型城市生態系統健康具有動態性、相關性和脆弱累積性。資源型城市因其產業的特殊性，資源干擾的不斷累積，各種生態矛盾往往會在某些特定發展階段集中爆發，當累積達到一定程度或系統某一要素產生的重大干擾超過系統臨界值之后，就會導致資源型城市整個生態系統的失穩甚至崩潰。基于此，本文在建立資源型城市生態系統健康評價指標體系時，首先考慮資源型城市的產業特殊性以及自然子系統受人類干擾程度比較大、其生態系統相對脆弱的特點，評價中增加了環境保護活力和環境質量狀況等指標；其次，考慮到各個子指標內涵的獨立性和統計數據的可獲得性以及可比性，將生態系統恢復力子指標并入到活力子指標。同時，在生態系統服務功能子指標中加入了文化衛生二級指標，以反映生態系統對人類的服務功能。最終建立資源型城市生態系統健康評價指標體系如表2 所示。

表2資源型城市生態系統健康評價指標體系

評價要素評價指標二級指標活力(U1)組織結構(U2)生態系統服務功能(U3)經濟發展活力(U11)人均GDP(元/人)地均GDP(萬元/平方千米)能源彈性系數(噸標煤/萬元)水資源彈性系數(m3/萬元)社會進步活力(U12)人均科學支出(元/人)人均教育支出(元/人)環境保護活力(U13)礦區土地治理面積比例(%)工業廢水排放達標率(%)固體廢棄物利用率(%)環境設施投資占GDP比重(%)經濟結構(U21)三產比重(%)高新技術產值占工業總產值比重(%)社會結構(U22)人口密度(人/平方千米)人口自然增長率(‰)自然結構(U23)森林覆蓋率(%)環境質量狀況(U31)生態突發事件(個)空氣質量綜合指數人均綠地面積(平方米/人)生活便利程度(U32)人均道路面積(平方米/人)人均公共汽車(輛/萬人)文化衛生狀況(U33)高校教師比例(人/萬人)人均圖書(冊/百人)互聯網用戶比例(戶/萬人)每萬人病床數(張/萬人)

(二)確定資源型城市生態系統健康評價的突變模型

根據突變理論，如果一個系統僅有一個指標，則該系統可視為折疊突變系統；如果可以分解為2個子指標，則該系統可視為尖點突變系統；如果可分解為3個子指標，則該系統可視為燕尾突變系統；如果一個系統能分解為4個子指標，則該系統可視為蝴蝶突變系統。同時考慮各子系統之間的“互補性”與“非互補性”原則，本文最終確定資源型城市生態系統健康評價的突變模型如表3所示。

(三)評價等級劃分

對資源型城市的生態系統健康狀況進行評價，評價值在0～1之間，本文將其劃分為5個區間，分別對應于病態、不健康、亞健康、健康和很健康5個等級。

表3資源型城市生態系統健康評價突變模型

系統名稱控制變量個數控制變量間關系突變類型U3互補互補燕尾突變U13非互補非互補燕尾突變U23互補互補燕尾突變U33非互補非互補燕尾突變U114互補互補蝴蝶突變U122互補互補尖點突變U134非互補非互補蝴蝶突變U212互補互補尖點突變U222互補互補尖點突變U231—折疊突變U313非互補非互補燕尾突變U322互補互補尖點突變U334互補互補蝴蝶突變

(四)評價步驟

首先建立資源型城市生態系統健康評價指標體系和遞階突變模型，然后將經過標準化處理后的原始數據帶入對應的突變模型歸一公式中，計算各級狀態變量相對隸屬度，最后根據“互補”與“非互補”原則，求得總突變隸屬函數值，即資源型城市生態系統健康狀況。

四、以邯鄲市為例的實證分析

邯鄲市是河北省南部的一座典型的資源型城市，擁有豐富的煤炭資源和鐵礦石資源，是全國著名的煤和高品位的鐵礦石產區。隨著礦產資源儲量的不斷下降，邯鄲市的經濟得到快速發展，同時，邯鄲市的空氣質量下降，生態事件頻發，城市生態系統健康狀況不斷惡化。本文按照以上步驟，采用突變理論對邯鄲市生態系統健康狀況進行評價，評價結果如表4所示。從表4 可以看出，邯鄲市生態系統健康狀況以2009年為轉折點，由不健康變轉為亞健康，這得益于邯鄲市長期以來狠抓節能減排和清潔生產，以綠色技術和工藝來改造傳統的煤炭和鋼鐵產業，大力開展工礦區的生態環境恢復和治理工作，通過這些舉措，提高了城市的活力指數。同時，邯鄲市加大供水、供電和交通等基礎設施建設，提高了城市的服務功能指數。但邯鄲市的組織機構指數卻表現不佳，三產比重和高新技術產值占工業總產值比重增長緩慢。邯鄲市總體健康狀況不容樂觀，應引起有關部門重視。

表4邯鄲市2005年—2014年城市生態系統健康狀況評價和預警等級判斷

年份活力指數組織機構指數服務功能指數城市生態系統健康狀況指數健康等級風險預警等級20140.570.330.850.58Ⅲ級亞健康中度風險中度警報20130.580.310.830.57Ⅲ級亞健康中度風險中度警報20120.560.330.820.57Ⅲ級亞健康中度風險中度警報20110.540.320.800.55Ⅲ級亞健康中度風險中度警報20100.650.210.860.57Ⅲ級亞健康中度風險中度警報20090.690.410.660.59Ⅲ級亞健康中度風險中度警報20080.630.300.410.45Ⅱ級不健康重度風險重度警報20070.260.600.250.37Ⅱ級不健康重度風險重度警報20060.120.590.130.28Ⅱ級不健康重度風險重度警報20050.030.750.040.28Ⅱ級不健康重度風險重度警報

五、結論

突變級數法具有一般性，可用于不同區域、不同時間尺度快速城市化地區生態系統健康評價。本文以突變理論和城市生態系統健康理論為依據，構建了資源型城市生態系統健康的突變模型，并以邯鄲市為例，進行了實證分析。由于資源型城市的特殊性，城市經濟對資源產業的依賴性以及相關產業對區域生態系統影響的潛在性、長期性、漸變性和突發性，對資源型城市生態系統健康狀況的評價應采取定性和定量評價相結合的方法進行，要充分利用專家及相關人員的智慧和經驗，同時借助于信息系統加強對城市資源、環境、社會和經濟等方面的監測，以盡可能準確地對資源型城市的生態系統健康狀況進行分析、監測和預警，為實現資源型城市的可持續發展提供幫助。

〔1〕 邱松．東北地區資源枯竭型城市經濟轉型效果研究[D].長春：吉林大學，2011.

〔2〕 李照修．略論資源枯竭型城市的生態文明建設[J].學術園地，2013(1)：21-22.

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

〔4〕 魏婷，朱曉東，李楊帆．基于突變級數法的廈門城市生態系統健康評價[J].生態學報，2008(10)：6312-6320.

〔5〕 陳秋玲，張青，肖璐．基于突變模型的突發事件視野下城市安全評估[J].管理學報，2010(6)：891-895.

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

〔7〕 郭秀銳，楊居榮，毛顯強．2002城市生態系統健康評價初探[J].中國環境科學，2002(6)：525-529.

〔8〕 楊志峰， 徐琳瑜．城市生態規劃學[M]．北京：北京師范大學出版社，2008:97-101.

(責任編輯周吉光)

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

河北省高等學校人文社會科學研究重點項目(SD161062);河北省科技計劃項目(164576110D)；河北省社會科學發展研究課題(2015031221，215031233)；河北省重點學科“技術經濟及管理”資助。

索貴彬(1968—)，男，河北磁縣人，博士后，教授，碩士生導師，主要研究領域：科學技術社會，資源型城市可持續發展。

F062.1

A

1007-6875(2016)03-0058-05

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.13937/j.cnki.sjzjjxyxb.2016.03.011.html網絡出版時間：2016-06-2015：30