CN101908197A - 一种城市生态系统的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境科学研究领域，是一种综合、系统分析和评价城市生态系统的方法。针对现有技术方法无法对城市生态系统内部结构和功能进行有效的分析评价，并且无法避免主观性和离散性的问题，整合了城市复合生态系统理论、物质流核算、生态网络分析及数理统计模拟分析等现有技术，发明了一种对城市生态系统进行模拟、评价、分析的方法，包括系统界定、生态网络模型构建、结构和功能分析等几项内容。此方法适用于城市生态系统结构和功能的分析，并对城市生态系统的运行状况进行综合评价，并能推广于其他的复杂系统，如产业系统、消费系统，能源、水等单要素系统等。
Description
所属领域
本发明属于环境科学研究领域，是一种综合、系统分析和评价城市生态系统的方法，尤其适用于城市生态系统结构和功能的分析，并对城市生态系统的运行状况进行综合评价。
背景技术
在我国快速城市化的大背景下，各种城市生态环境问题已经成为阻碍城市持续发展的主要因素之一，并且经济和人口的快速增长还将进一步引发这些问题。由于问题本身的复杂性，其解决方法涉及到多学科的参与、交叉和综合，而各学科也从多种不同角度提出了针对问题的不同侧面的解决方法。其中，从系统论的角度出发，将城市视为一个复合生态系统，对城市生态系统进行综合、系统的分析和评价，是加强城市科学管理、实现城市可持续发展的基础。
目前广泛使用的分析评价方法包括城市生态系统健康评价、城市生态承载力评价、城市可持续发展水平评价、生态足迹核算、服务功能核算等，无一不是将城市生态系统作为一个黑箱系统，分析与评价方法所涉及的内容和结论也均是针对系统整体的状态和属性，并未涉及系统内部的运行规律以及组分间的作用关系，这导致评价结果无法显示产生问题的症结所在，从而无法直接指导问题的解决。并且，当前对城市生态系统的研究所采用的诸多表征指标，特别是作为标准由国家颁布的生态市评价指标体系，相互之间都是离散的关系，所使用的综合指数，也是通过各离散指标的独立评分得出，其结果缺乏真正的系统性，同时也不能完全避免指标选择过程、评分过程、权重确定过程中的主观因素。如申请号为200510119029.2的名为区域农业可持续发展能力动态评价系统，公开号为CN1979540的发明专利，强调区位差异，针对性强，但仍然采用了人为选取的离散指标来进行评价，仍不能避免评价的主观干扰；申请号为200610118742.x的名为基于遥感影像的城市基础生态环境时空分析评价方法，公开号为CN1959714的发明专利，申请号为200710130861.1的名为一种利用地理信息系统与遥感技术进行生态功能区划的方法，公开号为CN101114277的发明专利，都采用了遥感和GIS技术来表达城市环境的时空差异，减少了空间分异评价的主观干扰，但其只能表征以土地利用类型为基础的城市表象特征，并未涉及系统内部的其他情况，无法说明这些变化的机理；申请号为200810232258.9的名为基于粗糙-RBF神经网络的环境质量评价方法，公开号为CN101430309的发明专利，在评价过程中改善了局部性、准确性等问题，但仍然是将城市生态系统视为黑箱的整体评价，无法从系统内部特征说明问题产生的机理。国外在此领域内的发明专利则更倾向于对城市生态系统本身的设计。如申请号、公开号为CN2001100541920010224，名为一种应用于城市社区的生态环境保护系统的发明专利，申请号WO2007CN01274 20070418，公开号为CN20061098661 20060711，名为一种节约能源和土地的无障碍城市生态系统的发明专利，申请号、公开号为CN20061035826 20060608，名为城市社区规划和建筑设计的发明专利等，从多角度针对城市中的环境污染、交通堵塞、土地紧张等问题提出了具体的解决方案，偏重实用性和操作性，而少有从理论和机理的高度对城市生态系统的结构和功能进行分析的方法。
这些现有技术方法的不足，限制了对日益繁杂的城市生态环境问题的进一步研究。而实现城市生态系统的黑箱白化，往往由于对城市生态系统内在作用机制研究的不深入而受到很大的限制，而这又需要加强城市生态系统结构、功能和物质能量转换过程的研究，以此来建立和完善城市生态系统的模型，进而为城市的综合管理服务。
发明内容
本发明针对现有技术方法无法对城市生态系统内部的结构和功能进行有效分析评价的问题，整合了城市复合生态系统理论、物质流核算、生态网络分析及数理统计模拟分析等现有技术，设计了一种对城市生态系统进行模拟、评价、分析的方法，包括系统界定、生态网络模型构建、结构和功能分析等几项内容。
本发明的特征首先在于采用了基于物质能量转换过程的核算方法对城市生态系统的内部特征进行评价。为了明确城市生态系统中各组分之于系统的结构属性以及各组分之间的相互关系，本发明将城市视为一个复合生态系统，基于物质流核算法对系统各组分间的物质、能量转换进行核算。基于物质能量转换过 程的核算方法同时还避免了评价内容的离散性，核算根据连续的过程建立组分与组分间、组分与系统间的关系表达，分析过程中所产生的中间结果和最终的评价结果，都具有连续性和系统性。
本发明的特征还在于利用生态网络方法对城市生态系统进行特征分析，以系统组分为节点，以其相互之间的物质能量转换关系为路径，分析系统的结构、功能，并由此分析得出系统各组分间的关系以及各组分在系统中的地位，并最终通过系统循环指数、共生指数等反映系统整体的运行状况。所涉及的分析评价结果都来自网络系统的固有性质，不含主观因素。针对原有方法普遍存在的主观干扰问题，本发明采用生态网络分析方法，不仅将城市生态系统抽象为生态网络模型的过程完全依据实际存在的物质能量流动关系，并且生态网络分析方法本身是一种完全客观的方法，抽象为网络模型之后的分析计算过程是基于网络系统本身的固有特性，因此分析过程能有效避免主观因素的影响。
本发明的目的在于提供一套方法，客观和系统地对城市生态系统内部特征进行分析和评价，以解决现有研究手段的不足。与现有研究方法相比，本发明具有如下优点：
(1)评价结果反映内容丰富。本发明能够分析城市生态系统的内在特征，不仅能清晰显示系统的基本结构，还能分析各组分间的制衡关系以及各组分对系统总体的贡献或影响。
(2)客观性强。本发明在计算过程中完全依据实际存在的物质能量流动关系和网络系统本身的固有特性，不涉及主观因素。
(3)系统性强。本发明的分析结果不通过离散指标或离散指标的加权获得，而是基于物质能量流动过程，提供了一种连续性强的评价指标，能够综合表达城市生态系统的系统特征。
(4)具有在其他复杂系统中的应用价值。本发明所提供的方法同样适用于其他的复杂系统，如产业系统、消费系统，能源、水等单要素系统等。
附图说明
下面结合附图和实施案例对本发明进行进一步的说明。
图1是城市生态系统界定示意图。
图2是城市生态系统生态网络模型示例。
图3是城市生态网络模型中不同路径长度的说明。
图4是实施案例1中各城市生态系统能源利用结构图。其中：组分1为能源开采部门；组分2为能源转换部门；组分3为工业部门；组分4为生活部门；组分5为能源回收部门。图中所示的数据是各组分在城市系统中所占比例。
具体实施方式
如图1所示对城市生态系统进行界定。以所划分的系统组分作为生态网络模型的网络节点，以组分间的物质、能量交换关系为网络路径，以物质流核算得出的物质流量作为网络流量，建立网络模型。图2显示了城市生态系统生态网络模型构建结果。表1、表2列举了模型中各节点之间的物质、能量交换的核算项目。
表1各组分间物质流动关系
| 输出端 | 外部区域 | 内部环境 | 动脉产业 | 家庭 | 静脉产业 | |
| 输入端 | f输入/输出 | O | E | A | H | V |
| 外部区域 | O | - | foe | foa | - | - |
| 内部环境 | E | feo | - | fea | feh | - |
| 动脉产业 | A | fao | fae | - | fah | fav |
| 家庭 | H | fho | - | fha | - | fhv |
| 静脉产业 | V | fvo | - | fva | fvh | - |
表2各组分间物质流动关系含义及核算项目
| 代码 | 含义 | 主要核算内容 |
| feo | 系统外部对系统的补给以及从外部 进入系统的污染物 | 外部输入水资源中未直接利用而是存在于环境中的部分，河流上游带来的污 染水体等 |
| fao | 外部原材料和能源输入 | 外部矿产、能源等供给 |
| fho | 外部消费品输入 | 外部纺织品、农产品等供给 |
| fvo | 外部废弃物在本地的资源化 | 静脉产业处理外部废弃物的量 |
| foe | 污染物的越境转移 | 河流流出断面水体污染物含量 |
| fae | 内部原材料和能源 | 内部矿产、能源等供给 |
| foa | 供应外部的产品 | 产品输出 |
| fea | 排入系统内环境的污染物 | 动脉产业污染物排放量、农业面源污染排放量 |
| fha | 供内部消费的产品 | 动脉产业产品消费量 |
| fva | 污染物的处理 | 静脉产业的处理量 |
| feh | 直接排入系统内环境的污染物 | 生活污染物排放量 |
| fah | 可以直接被回收再利用的废弃物 | - |
| fvh | 污染物的处理 | 静脉产业的处理量 |
| fav | 处理后循环利用的物质 | 污水回用量、固体废弃物综合利用量 |
| fhv | 处理后供直接消费的物质 | 用于洗车、园林灌溉的中水 |
在上述步骤的基础上，采用网络路径分析方法研究路径长度与路径数量、路径可达性的变化关系，从而进行城市生态系统的结构分析。如图3所示，即为生态网络模型的节点路径，当路径长度为1时，即从分室1→2，存在直接路径；当路径长度k＞2时，即为分室之间通过间接路径进行物质能量的交换传递。根据直接和间接路径建立联结矩阵，采用数理统计方法研究路径长度与路径数量的关系，并通过综合联结矩阵中路径的数量分布明确系统构组分间的路径可达性。利用实际的综合流量矩阵，求出各节点对系统的贡献率或权重，从而反映各组分在系统中所处的地位和作用。将这些结果与自然生态系统中各组分的地位进行对比，从而反映城市生态系统的健康程度、系统稳定程度等。利用网络有效利用矩阵中正负号分布、数量比值，确定城市生态系统各组分间的作用方式、共生状况，最后揭示出固有网络结构中复杂的生态关系，从而进行城市生态系统的功能分析。各种可能的关系如表3所示。在此基础上，建立城市生态系统共生指数，反映综合有效利用符号矩阵中正负号数量的比值，如果矩阵的正向符号数量大于负向符号数量，说明网络各节点之间存在着一种正向的相互作用关系，系统是一个共生系统。
表3生态网络模型中各组分关系的不同可能
实施案例1
选择四个典型城市，分析其能源利用系统，其各组分对系统的贡献率情况如下图所示。从生产消费关系来看，城市四的生产者权重比较大，反映其能源供应能力比较强；从初级消费者权重来看，最大的是城市二，说明其在能源转换产业中的投入较多；从高级消费者权重来看，最高的是城市一，反映其能源需求水平较高；从还原者权重来看，最大的是城市四，反映其能源利用系统的自我调节能力比较强。城市一、二、三呈现出不规则的“倒金字塔”结构，而城市四呈现出不规则的“金字塔”结构，这与能源转换部门在整个系统中所占比重有很大关系。为实现城市生态系统能源结构优化应促进“倒金字塔”结构向“金字塔”结构的转变。
实施案例2
选择四个典型城市，分析其外部区域、本地环境、工业、农业、家庭五个系统组分间的物质能量流动关系，确定城生态系统各组分间的作用方式、共生状况，最后揭示出城市生态系统固有网络结构中复杂的生态关系(表4)。结果表明，四个城市在网络结构相同的情况下，共生指数显著不同，城市一的共生指数优于城市三，远高于城市二和城市四，究其原因是系统组分间掠夺、控制、竞争和共生等生态关系的分布差异。例如：城市一本地环境与外部区域的生态关系为(-，+)，反映其城市发展对外部区域资源的掠夺；农业部门、工业部门与本地环境的生态关系分别为(+，-)，反映了城市农业和工业生产是以牲牺环境为代价的；家庭部门与本地环境的生态关系为(-，+)，反映了城市居民生活是控制在环境承载力阈限以内的；农业部门、工业部门、家庭部门与外部区域间的生态关系分别为(+，-)、(+，-)和(+，-)，反映了城市为满足高密度居民生活需要对外部区域农产品、工业产品的掠夺，以及城市对外来人口的过度吸引；工业部门与农业部门间的生态关系为(+，-)，反映了表明了工业生产的发展是以牺牲农业发展为代价，对农业的反哺力度明显不足； 家庭部门与农业部门、工业部门的生态关系分别为(-，+)、(-，+)，表明了家庭部门在大量投入劳务的情况下，产业部门的产品仍无法满足家庭生活的需要。而城市四则与之略有不同，主要表现在本地环境与外部区域、农业部门与外部区域间的关系分别是(+，-)和(-，+)，反映其外部区域控制着本地资源和农产品，导致了资源、农产品的大量输出。
表4直接作用符号矩阵和间接作用符号矩阵
Claims (1)
1.一种城市生态系统的分析方法：其特征在于将城市复合生态系统理论、物质流核算、生态网络分析融合在城市生态系统的分析和评价之中，通过建立城市生态系统的生态网络模型，将城市生态系统划分为内部环境、外部区域、动脉产业、静脉产业和家庭消费等组分，并通过城市生态系统内部各组分对系统整体的贡献率确定城市生态系统的营养级，以及各组分间的竞争、共生、捕食、控制、寄生等关系。
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