城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的動態(tài)耦合模型

城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的動態(tài)耦合模型

通過中國西部偉大開發(fā)戰(zhàn)略和城市化戰(zhàn)略的實施，城市化進程是減少生態(tài)壓力、克服生態(tài)脆弱劣勢和有效利用資源的必然選擇。這也是全面建設小康社會的唯一途徑。然而現(xiàn)實的城市化與生態(tài)環(huán)境之間存在著各種矛盾與脅迫,并且這種現(xiàn)象已經(jīng)引起了國內(nèi)外眾多學者的充分關(guān)注。國外如Dae-SikKim等人運用GIS和RS手段來研究漢城快速城市化地區(qū)的空間擴展特征及其生態(tài)響應;JeffreyD.Kline從生態(tài)學的角度,對俄勒岡州和華盛頓西部地區(qū)城市化引起的土地利用與土地覆被變化的生態(tài)意義進行了評價;RuthMeinzen-Dick分析了水資源對城市發(fā)展的約束與限制作用;MaryTiffen研究了水資源約束下的撒哈拉沙漠以南的非洲國家城市化發(fā)展模式;B.A.Portnov通過對巴勒斯坦南部的內(nèi)蓋夫地區(qū)城市化進程的研究,認為城市化可以更有效地緩解生態(tài)環(huán)境壓力。國內(nèi)如方創(chuàng)琳教授指出隨著城市化進程的加快,城市化作為一種重要的形式,正在對周圍生態(tài)環(huán)境造成現(xiàn)實的或潛在的威脅;黃金川博士認為城市化與生態(tài)環(huán)境之間存在交互脅迫關(guān)系,兩者的交互耦合規(guī)律為一雙指數(shù)曲線;鄭宇等認為城市集聚經(jīng)濟與水土資源生態(tài)閾值之間存在互動互饋機制,城市化進程促使水土資源由粗放向集約利用方式轉(zhuǎn)變;車秀珍等人認為快速的城市化進程必將與土地、水及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生沖突,日益緊缺的資源條件以及發(fā)展中產(chǎn)生的環(huán)境問題已成為中國城市發(fā)展的制約因素,危及城市的可持續(xù)發(fā)展。胡廷蘭等認為城市是由社會、經(jīng)濟和自然3個子系統(tǒng)構(gòu)成的復合生態(tài)系統(tǒng),城市的發(fā)展需要憑借城市生態(tài)支持系統(tǒng)的支撐。這些研究主要是從定性的角度來分析城市化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系,如何定量地揭示干旱區(qū)城市化與生態(tài)環(huán)境間的交互脅迫機制,對推進干旱區(qū)城市化進程,促進可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。本文在分析城市化與生態(tài)環(huán)境相互關(guān)系的基礎上,運用系統(tǒng)科學理論建立了城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的動態(tài)耦合模型,并以河西走廊為例,對干旱區(qū)城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的動態(tài)耦合規(guī)律進行了實證研究。1城市化過程的階段性特征城市化是一個社會、經(jīng)濟、文化等多種因素綜合發(fā)展的過程,不僅表現(xiàn)為人口向城市的集中,農(nóng)業(yè)人口向非農(nóng)業(yè)人口的轉(zhuǎn)換,還表現(xiàn)為城市數(shù)目的增加和城市地域范圍的不斷推進和擴展;不僅表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)活動向非農(nóng)業(yè)活動的轉(zhuǎn)換、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和升級,還表現(xiàn)為城市生活方式、價值觀念、城市文化等向農(nóng)村地區(qū)的滲透、影響、擴散和傳播等?；谶@種認識,再結(jié)合城市化的表現(xiàn)形式和內(nèi)涵,將城市化過程歸納為4個層面:人口城市化、空間城市化、經(jīng)濟城市化和社會城市化。人口城市化主要表現(xiàn)為人口向城市的集中和農(nóng)業(yè)人口向非農(nóng)業(yè)人口的轉(zhuǎn)換。在這一過程中,城市化地區(qū)的人口密度不斷增大,人們的消費水平不斷提高,資源消耗加速增長,這使得生態(tài)環(huán)境壓力大增,人均資源占有量劇減,但同時由于集聚效應,又使得人均產(chǎn)出率大大增加?？臻g城市化主要表現(xiàn)為城市數(shù)目的增加和城市地域范圍的不斷推進和擴展。在這一過程中,城市用地不斷擴大,必然導致土地資源的日益緊張。經(jīng)濟城市化主要表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)活動向非農(nóng)業(yè)活動的轉(zhuǎn)換,以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變與升級。在這一過程中,由于產(chǎn)業(yè)的集聚,能源消費結(jié)構(gòu)的變化使得資源緊張,環(huán)境壓力大增,但同時城市的經(jīng)濟總量得到提升,并且也改變了城鄉(xiāng)分離式的資源配置模式,為污染物集中控制和治理提供了方便和可能。社會城市化主要表現(xiàn)為城市生活方式、價值觀念、城市文明等向農(nóng)村地區(qū)的滲透、擴散和傳播。它是城市化過程的較高層次,能夠改變?nèi)藗兊乃枷牒陀^念,從而影響資源消耗狀況與環(huán)境保護效果。此外,城市化還會帶來光污染、噪聲污染,以及交通堵塞、住房擁擠等一系列生活環(huán)境問題。這說明城市化過程對城市化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一些影響,但同時,城市化過程的任何一個層面又都受到生態(tài)環(huán)境不同程度的限制和約束,這種限制和約束伴隨著城市化過程的每一個階段。如果說人口的集中、用地的擴展、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、文明的擴散等構(gòu)成城市化發(fā)展過程中的發(fā)展圈,那么生物環(huán)境、大氣環(huán)境、水環(huán)境、土壤環(huán)境等等就形成了城市化發(fā)展過程中的限制圈,如圖1所示。整個城市化過程就是城市化的各個層面與生態(tài)環(huán)境綜合協(xié)調(diào)、交互脅迫的發(fā)展過程,其實質(zhì)就是上述發(fā)展圈與限制圈相互作用、相互脅迫,由低級協(xié)調(diào)共生向高級協(xié)調(diào)發(fā)展的螺旋式上升的過程。2水的地球化學測量模型在明確城市化與生態(tài)環(huán)境相互脅迫與演進機理的基礎上,借助于系統(tǒng)論中系統(tǒng)演化的思想來建立二者之間的動態(tài)耦合模型,分析由城市化和生態(tài)環(huán)境所組成的復合系統(tǒng)的動態(tài)演變及耦合狀態(tài)。城市化與生態(tài)環(huán)境的變化過程都是一種非線性過程,其演化方程可以表示為:dx(t)dt=f(x1,x2,??xn)；i=1,2,??n；f為xi的非線性函數(shù)。(1)dx(t)dt=f(x1,x2,??xn)；i=1,2,??n；f為xi的非線性函數(shù)。(1)由于非線性系統(tǒng)運動的穩(wěn)定性取決于一次近似系統(tǒng)特征根的性質(zhì),因此在保證運動穩(wěn)定性的前提下,將其在原點附近按泰勒級數(shù)展開,并略去高次項ε(x1,x2,…,xn)可以得到上述非線性系統(tǒng)的近似表達:dx(t)dt=∑i=1naixi,i=1,2,??n(2)dx(t)dt=∑i=1naixi,i=1,2,??n(2)根據(jù)這種思想,可以建立城市化與生態(tài)環(huán)境變化過程的一般函數(shù)為:f(U)=∑j=1najxj,j=1,2,??n?(3)f(RE)=∑i=1nbiyi,i=1,2,??n?(4)f(U)=∑j=1najxj,j=1,2,??n?(3)f(RE)=∑i=1nbiyi,i=1,2,??n?(4)式中,x,y為兩系統(tǒng)的元素;a,b為各元素的權(quán)重。鑒于城市化與生態(tài)環(huán)境二者間的交互脅迫關(guān)系,可以把它們作為一個復合系統(tǒng)來考慮,顯然f(RE)與f(U)是這一復合系統(tǒng)的主導部分,按照一般系統(tǒng)理論,該復合系統(tǒng)的演化方程可以表示為:A=df(RE)dt=α1f(RE)+α2f(U),VA=dAdt(5)B=df(U)dt=β1f(RE)+β2f(U),VB=dBdt(6)A=df(RE)dt=α1f(RE)+α2f(U),VA=dAdt(5)B=df(U)dt=β1f(RE)+β2f(U),VB=dBdt(6)式中,A,B為受自身與外來影響下城市化子系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的演化狀態(tài)。VA,VB分別為二子系統(tǒng)在受自身與外界條件影響下的演化速度。在整個復合系統(tǒng)中,A與B是相互影響的,任何一個子系統(tǒng)的變化都將導致整個系統(tǒng)的變化。整個系統(tǒng)的演化速度V可以看作是VA與VB的函數(shù),所以就有V=f(VA,VB),這樣就可以以VA與VB為控制變量,通過分析V的變化來研究整個系統(tǒng)以及兩個子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)耦合關(guān)系。由于整個系統(tǒng)的演化滿足組合S型發(fā)展機制,可以假定城市化過程與生態(tài)環(huán)境的動態(tài)協(xié)合關(guān)系呈現(xiàn)周期性的變化,這樣在每個周期內(nèi),由于V的變化是VA與VB引起的,可以把VA與VB的演化軌跡投影在一個二維平面(VA,VB)中來分析V,這樣V的變化軌跡為坐標系中的一橢圓,如圖2A所示。由圖可知,V與VB的夾角α滿足tgα=VA/VB,則:α=arctg(VA/VB)(7)α=arctg(VA/VB)(7)可以把α稱作為耦合度,根據(jù)α的取值,就可以確定整個系統(tǒng)的演化狀態(tài)以及城市化過程與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的耦合程度。顯然,在一個演化周期內(nèi),整個系統(tǒng)將經(jīng)歷低級協(xié)調(diào)共生(Ⅰ)、協(xié)調(diào)發(fā)展(Ⅱ)、極限發(fā)展(Ⅲ)、螺旋式上升(Ⅳ)4個階段(圖2A)。由圖2可知:(1)當-90°<α≤0°時,系統(tǒng)處于低級協(xié)調(diào)共生階段。這一時期城市化進程緩慢,并且基本不受生態(tài)環(huán)境的限制和約束,城市化對生態(tài)環(huán)境的影響也幾乎為零。(2)當0°<α≤90°時,系統(tǒng)處于協(xié)調(diào)發(fā)展階段,為城市化低速發(fā)展期。城市化過程已經(jīng)開始顯現(xiàn)出對生態(tài)環(huán)境的脅迫作用,生態(tài)環(huán)境對城市化過程的約束與限制也日漸突出,二者之間的矛盾開始顯露,但尚不突出。(3)當90°<α≤180°時,系統(tǒng)處于極限發(fā)展階段,為城市化高速發(fā)展期。由于城市化的快速推進,經(jīng)濟社會的發(fā)展對資源的索取和環(huán)境的破壞日益加劇,城市化過程與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾由激化到日益突出,并愈演愈烈,約束城市化進程的限制圈也相應越來越小,資源與生態(tài)環(huán)境危機進入潛伏期。在這一階段,系統(tǒng)的演進有兩個方向:一是城市化與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾不可調(diào)節(jié),當生態(tài)環(huán)境的惡化超越極限閾值時,整個系統(tǒng)解體崩潰,出現(xiàn)文明的倒退。由于這種情況超越了人類心理承受的極限和社會發(fā)展的規(guī)律,因此只存在理論上的可能,現(xiàn)實生活中一般不會發(fā)生。另一個方向是人類采取各種工程的、經(jīng)濟的、生物的、技術(shù)的和法律的措施,來緩解城市化與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾,力求使發(fā)展圈與限制圈之間保持一個相對最佳的距離。經(jīng)過人類不斷的調(diào)節(jié)和控制,以及整個系統(tǒng)內(nèi)部諸要素的不斷調(diào)整優(yōu)化,城市化與生態(tài)環(huán)境關(guān)系的不斷磨合,二者的協(xié)調(diào)耦合關(guān)系不斷向良性發(fā)展,最終達到城市化與生態(tài)環(huán)境的高級協(xié)調(diào)共生,如圖2B所示。(4)當-180°<α≤-90°時,系統(tǒng)處于螺旋式上升階段。城市化與生態(tài)環(huán)境之間的交互脅迫關(guān)系重組,并由相互脅迫轉(zhuǎn)化為相互促進的關(guān)系,整個系統(tǒng)最終達到城市化與生態(tài)環(huán)境高級協(xié)調(diào)共生的發(fā)展狀態(tài)。4分析濱河走廊城市化與環(huán)境效應協(xié)調(diào)發(fā)展的合作趨勢4.1評價指標體系的建立為了準確評價城市化水平及生態(tài)環(huán)境,在設置評價指標體系時,按照簡明科學性原則、系統(tǒng)整體性原則、層次性原則和可比、可量、可行性原則,結(jié)合河西走廊實際情況,最后形成了由人口城市化、空間城市化、經(jīng)濟城市化和社會城市化等4個一級指標,非農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诒戎?中心城鎮(zhèn)人口規(guī)模等10個二級指標所構(gòu)成的評價河西走廊城市化水平的指標體系;由資源條件要素,生態(tài)條件要素,生態(tài)壓力要素和生態(tài)威脅要素共4個一級指標,人均水資源總量,人均耕地面積等14個二級指標組成的評價河西走廊生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)的指標體系(見表1)。4.2各年度指標權(quán)重的變換對于上述指標體系中,可由統(tǒng)計年鑒直接查得或通過間接計算可得的數(shù)據(jù),一般采用絕對數(shù)賦值,數(shù)據(jù)主要來源于1985～2003年甘肅年鑒及河西走廊各城市年鑒;對于部分無法直接得到的數(shù)據(jù),則在對指標分析后,借鑒已有的數(shù)據(jù),采用替代方法近似反映來對指標賦值。為了消除數(shù)據(jù)的數(shù)量級以及量綱的不同而造成的影響,需要對數(shù)據(jù)進行標準化處理,我們選擇極差標準化的方法,公式為:Aij=Xij?min(xi)max(xi)?min(xi)(8)Aij=Xij-min(xi)max(xi)-min(xi)(8)式中,i為年份;j為指標序號;x為指標數(shù)據(jù)。為統(tǒng)一指標的變化方向,需要對一些指標進行變向處理,變向處理的公式為:aij=1-Aij,這樣處理后,數(shù)據(jù)的數(shù)值范圍在[0～1]之間。各指標的權(quán)重的賦值,采用德爾菲法(Delphi)來確定(見表1),經(jīng)過加權(quán)求和,得出河西走廊各年城市化水平與生態(tài)環(huán)境的綜合指標值(表2)。兩者的演化態(tài)勢如圖3、圖4所示。可見,1985年以來,河西走廊城市化進程在曲折發(fā)展中呈現(xiàn)出明顯升高的趨勢;生態(tài)環(huán)境狀況變化波動較大,但總體趨勢為下降。在1985～1990年間,城市化緩慢上升,而生態(tài)環(huán)境狀況下降;在1990～1993年間,城市化快速發(fā)展,而生態(tài)環(huán)境曲折波動;在1993～1998年間,城市化發(fā)展速度又放緩,而生態(tài)環(huán)境先惡化后好轉(zhuǎn);在1999年以后,城市化又快速發(fā)展,而生態(tài)環(huán)境不斷惡化。以上情況說明,河西走廊的生態(tài)環(huán)境狀況對城市化的響應較為明顯,但相對于城市化進程,生態(tài)環(huán)境的響應過程具有一定的滯后性。分別將二曲線進行非線性擬合,并采用公式(5)、(6)計算,得到:VA=dA/dt=?3E?06x5+1.5E?04x4?0.0024x3+0.0152x2?0.0268x?0.0174(9)VB=dB/dt=0.0209x0.4137(10)VA=dA/dt=-3E-06x5+1.5E-04x4-0.0024x3+0.0152x2-0.0268x-0.0174(9)VB=dB/dt=0.0209x0.4137(10)采用公式(7)可求得1985～2003年間的VA、VB、tgα和α值,如表3所示。4.3城市與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)耦合狀態(tài)惡化為了更清楚的反映河西走廊城市化與生態(tài)環(huán)境動態(tài)耦合的演化態(tài)勢,根據(jù)表3繪出城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的動態(tài)耦合演化曲線,如圖5。由圖可知,1985～2003年間河西走廊城市化與生態(tài)環(huán)境動態(tài)耦合的演化過程可以分為兩個階段:在1985～1987年間,城市化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)耦合度處于第四象限,說明整個協(xié)調(diào)發(fā)展系統(tǒng)處于低級協(xié)調(diào)共生區(qū)。在這一時期,城市化水平緩慢提升,而生態(tài)環(huán)境狀況不斷下降,二者的協(xié)調(diào)耦合狀態(tài)不斷惡化,表現(xiàn)為α值幾乎直線上升。在1988～2003年間,城市化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)耦合度處于第一象限,說明整個協(xié)調(diào)發(fā)展系統(tǒng)處于協(xié)調(diào)發(fā)展區(qū)。在這一階段又可以分為兩個時期,即1988～1994年協(xié)調(diào)耦合度的緩慢變化時期和1994～2003年協(xié)調(diào)耦合度的快速變化時期。由于前一階段城市化對生態(tài)環(huán)境的脅迫作用,導致生態(tài)環(huán)境對城市化的反饋作用開始顯現(xiàn)。隨著生態(tài)的投入的增加,生態(tài)環(huán)境開始好轉(zhuǎn),因此城市化與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)耦合狀態(tài)緩慢變化,表現(xiàn)為1988～1994年間α值幾乎不變。由于城市化與生態(tài)環(huán)境的矛盾逐漸緩和,生態(tài)環(huán)境對城市化的約束作用逐漸減小,城市化開始快速發(fā)展。由于城市化的快