湖泊生態(tài)承載力研究
中國(guó)污水處理工程網(wǎng) 時(shí)間：2016-7-2 9:18:05
污水處理技術(shù) | 匯聚全球環(huán)保力量，降低企業(yè)治污成本
1 引言
隨著人口和經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，伴隨產(chǎn)生了環(huán)境污染、生態(tài)破壞和資源枯竭等一系列環(huán)境問(wèn)題，且無(wú)節(jié)制擴(kuò)張影響著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，制約區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展.可持續(xù)發(fā)展是國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的選擇，而生態(tài)承載力正是可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)和研究的核心之一，因此，相關(guān)研究倍受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注.承載力的概念源于力學(xué)，1921年，Park和Burgess首次將承載力引入人類生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，以描述一定的基礎(chǔ)資源所能支持的某種個(gè)體存在數(shù)量的最高極限.隨著人類活動(dòng)范圍的拓展，承載力的內(nèi)涵逐漸從環(huán)境或資源承載力擴(kuò)展到生態(tài)承載力，生態(tài)承載力代表生態(tài)系統(tǒng)的整體水平特征，描述了包括人類在內(nèi)的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的資源與環(huán)境的可持續(xù)供給與容納能力，強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的完整性、協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性，以尋求其動(dòng)態(tài)平衡臨界點(diǎn).但由于生態(tài)系統(tǒng)的高度復(fù)雜性和非線性，如何定量評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)模擬生態(tài)承載力成為目前研究的難點(diǎn)與重點(diǎn).
目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)生態(tài)承載力的評(píng)價(jià)方法主要有植被凈第一性生產(chǎn)力法、生態(tài)足跡法、供需平衡法(王中根等，1999)、綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法等.其中，植被凈第一性生產(chǎn)力法、生態(tài)足跡法、供需平衡法簡(jiǎn)化了生態(tài)過(guò)程，難以體現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的非線性特征和動(dòng)態(tài)機(jī)制，具有很大的局限性.綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法雖然可以體現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的特征，但需要計(jì)算大量數(shù)據(jù)，精度依賴于人的判斷，因而應(yīng)用受到很大限制.許多生態(tài)承載力評(píng)價(jià)研究中權(quán)重的確定主要依賴專家經(jīng)驗(yàn)，帶有強(qiáng)烈的主觀性，而且不能揭示生態(tài)承載力的作用機(jī)理和動(dòng)態(tài)演化，難以有效預(yù)測(cè)生態(tài)承載力的發(fā)展，具有很大的局限性.因此，本文擬以復(fù)雜系統(tǒng)觀點(diǎn)構(gòu)建生態(tài)承載力評(píng)價(jià)方法，引入信息熵來(lái)描述生態(tài)承載力，建立各組元耦合的信息結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)最大信息熵原理(MIEP)導(dǎo)出描述生態(tài)承載力的評(píng)價(jià)參數(shù)ξ及其演化動(dòng)力學(xué)方程，構(gòu)建一個(gè)新的生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型.該評(píng)價(jià)方法更加注重復(fù)雜系統(tǒng)的耦合性和魯棒性，可以克服上述傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法的不足，從本質(zhì)上反映生態(tài)承載力的發(fā)展演化，使生態(tài)承載力的研究進(jìn)一步向動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)邁進(jìn).
作為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)區(qū)，洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展一直是各界的關(guān)注焦點(diǎn).因此，本文依據(jù)生態(tài)承載力的內(nèi)涵建立洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)MIEP推導(dǎo)其生態(tài)承載力演化的動(dòng)力學(xué)方程，揭示其生態(tài)承載力的動(dòng)態(tài)演化，以更加科學(xué)地評(píng)價(jià)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)承載力狀況，為管理決策者提供一定的依據(jù)與指導(dǎo)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義.
2 基于信息熵的生態(tài)承載力評(píng)價(jià)模型(The evaluation model of ECC based on MIEP) 2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，包含著復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)及社會(huì)結(jié)構(gòu)，評(píng)價(jià)指標(biāo)不僅要描述區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)，還要能反映整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征(Repetti et al.，2006).
表 1(Table 1)
表 1 生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
根據(jù)生態(tài)承載力的內(nèi)涵，生態(tài)承載力可從壓力層和支持層兩方面描述，其中，支持層包括生態(tài)彈性、資源承載和人類支持(Li et al.，2011).人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境造成一定的壓力，環(huán)境狀態(tài)隨之發(fā)生變化，從而促使人類社會(huì)針對(duì)環(huán)境變化做出反應(yīng)，以防止環(huán)境惡化.參考“生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設(shè)指標(biāo)(經(jīng)修訂)”和各類文獻(xiàn)，考慮洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的具體情況，根據(jù)廣泛性、代表性、層次性、合理性和真實(shí)性的指標(biāo)構(gòu)建原則，從目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個(gè)層次，構(gòu)建出生態(tài)承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.其中，自然指標(biāo)年平均氣溫(C1)和年降水量(C2)，根據(jù)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的近年來(lái)溫度高于多年平均值、溫室效應(yīng)、枯水期長(zhǎng)和趨勢(shì)性缺水等具體情況，確定此階段C1對(duì)生態(tài)承載力為負(fù)影響，C2為正影響.
2.2 生態(tài)承載力評(píng)價(jià)模型
目前，熵理論在承載力評(píng)價(jià)方面主要用于熵權(quán)的獲得，避免了人為主觀性，評(píng)價(jià)準(zhǔn)確、直觀、方便(趙軍凱等，2009;孫京姐等，2010)，但還沒(méi)有形成對(duì)生態(tài)承載力發(fā)展演化的動(dòng)態(tài)描述.對(duì)于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)這樣的有機(jī)復(fù)雜整體，其內(nèi)在與外界及內(nèi)在相互的物質(zhì)能量流動(dòng)構(gòu)成了動(dòng)態(tài)的信息流動(dòng)圖像，這種“流”載于結(jié)點(diǎn)之間的連接上，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和自然環(huán)境可以看作該系統(tǒng)的結(jié)點(diǎn)，它們之間復(fù)雜的相互作用決定了其生態(tài)承載力狀況.作為一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng)，其遵循最大信息熵原理(MIEP)，即在給定約束下使廣義信息熵最大的分布是最可能出現(xiàn)的分布，一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的復(fù)雜開(kāi)放系統(tǒng)總是尋找一種優(yōu)化過(guò)程使得系統(tǒng)在給定的約束下從外界獲得最大的廣義信息熵(Jaynes，1957;Chai et al.，2002).MIEP模型在各復(fù)雜系統(tǒng)的成功應(yīng)用為下文描述生態(tài)承載力奠定了基礎(chǔ)(韋海英等，2007;Du et al.，2014).因此，結(jié)合生態(tài)承載力的內(nèi)涵，可構(gòu)建一個(gè)以評(píng)價(jià)指標(biāo)為結(jié)點(diǎn)(xi)的信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖 1)，該網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間及節(jié)點(diǎn)和外部環(huán)境之間不斷進(jìn)行相互作用，這種相互作用可以描述為組元x1，x2，…，xn的耦合關(guān)系，x1~xn間所有可能的耦合關(guān)聯(lián)“信息”的匯合即為廣義信息流或廣義信息熵，設(shè)向量x=(x1，x2，…，xn)，類比于經(jīng)典信息熵(Haken，2006)，系統(tǒng)在t時(shí)刻的廣義信息熵SJ為：
式中，ρ(x，t)為概率測(cè)度.
圖 1 生態(tài)承載力的信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖
生態(tài)承載力的演化必然受到多種因素的約束，這種約束條件可以轉(zhuǎn)化成組元之間應(yīng)滿足的守恒關(guān)系，可一般化的用x1，x2，…，xn的形式表示為：
根據(jù)MIEP，在約束條件(2)下信息熵SJ最大化，即利用Lagrange乘算法使式(1)在式(2)下取極值，由泰勒展開(kāi)式得：
式中，系數(shù)σ為由Lagrange優(yōu)化決定的參數(shù).由此可推出動(dòng)力學(xué)演化方程：
式中，F(xiàn)k和Sk反映指標(biāo)或組元間的相互作用，aki表示組元xi間的連接權(quán)值，ξk(同ξ)是xi的宏觀組合模式的結(jié)構(gòu)參量，ξ值代表生態(tài)承載力水平，若指標(biāo)數(shù)據(jù)xi都是正向的，則ξ值越大，生態(tài)承載力越高.
該模型提供了一種描述世界萬(wàn)象的新方法，這樣的“有生于無(wú)”的過(guò)程通過(guò)方程(4)這個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn).一個(gè)特征值λk對(duì)應(yīng)著一個(gè)可能的宏觀結(jié)構(gòu)模式ξk，λk>0的情況對(duì)應(yīng)著活躍的組合模式，將在競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程中獲勝進(jìn)而決定生態(tài)承載力的宏觀結(jié)構(gòu)，λk<0的情況對(duì)應(yīng)著不活躍的組合模式，在競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中被淘汰.由此揭示生態(tài)承載力結(jié)構(gòu)模式的變化特征，這樣我們就建立了基于信息熵的生態(tài)承載力評(píng)價(jià)模型.
自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SOM)是一個(gè)與生態(tài)承載力等價(jià)的動(dòng)力系統(tǒng)，每個(gè)神經(jīng)元相當(dāng)于一個(gè)元胞，神經(jīng)元之間存在復(fù)雜的相互作用.將生態(tài)承載力的指標(biāo)組元映射到SOM網(wǎng)絡(luò)中，激發(fā)某個(gè)神經(jīng)元產(chǎn)生了權(quán)值aki，式(1)中的信息會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)繼續(xù)激發(fā)新的神經(jīng)元，以此迭代可以呈現(xiàn)出生態(tài)承載力的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，同時(shí)完成式(4)的求解.在這樣的復(fù)雜系統(tǒng)中需要力所能及地考慮所有聯(lián)系，因此，需要利用MATLAB得到其演化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和生態(tài)承載力的表征值ξ.
3 洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)承載力評(píng)價(jià)
3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與計(jì)算
本文的研究區(qū)域包括洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的常德、益陽(yáng)、岳陽(yáng)3個(gè)中心城市及長(zhǎng)沙望城區(qū)共25個(gè)縣(市、區(qū))，對(duì)其2008—2012年生態(tài)承載力進(jìn)行分析，其中，社會(huì)經(jīng)濟(jì)與資源環(huán)境類指標(biāo)的數(shù)據(jù)來(lái)源于2008—2012年各地的《統(tǒng)計(jì)年鑒》、《國(guó)民經(jīng)濟(jì)與發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》、《環(huán)境狀況公報(bào)》和《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》等，土壤與土地類指標(biāo)數(shù)據(jù)由其他論文和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)綜合得到.
評(píng)價(jià)指標(biāo)中涉及的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)包括人均GDP、萬(wàn)元GDP能耗和萬(wàn)元GDP水耗.考慮到經(jīng)濟(jì)發(fā)展中價(jià)格變化的影響，以現(xiàn)價(jià)人均GDP、居民消費(fèi)水平絕對(duì)額和保險(xiǎn)福利費(fèi)用不能直接對(duì)比，故先將上述經(jīng)濟(jì)數(shù)值折算成2008年不變價(jià)，然后利用不變價(jià)的經(jīng)濟(jì)數(shù)值進(jìn)行比較.并且由于原數(shù)據(jù)受單位和數(shù)量級(jí)的影響，指標(biāo)耦合的差異性較大，故需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化，從而保持原始數(shù)據(jù)的一致性，在消除量綱、數(shù)量級(jí)影響的同時(shí)，保留各指標(biāo)的變異程度.對(duì)生態(tài)城市建設(shè)有負(fù)影響的逆向指標(biāo)先取倒數(shù)使其正向化，然后采取式(6)所示極值法進(jìn)行歸一化處理后，在馮綮一(2010)開(kāi)發(fā)的MFP模擬程序包的基礎(chǔ)上進(jìn)行程序的編寫(xiě)，借助MATLAB進(jìn)行計(jì)算.
式中，i=1，2，…，m;Ci，max為該指標(biāo)最大值.
3.2 結(jié)果與分析 3.2.1 洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)承載力綜合評(píng)價(jià)
將指標(biāo)層的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，采用3×4網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行400步演化模擬，計(jì)算洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2008—2012年的ξ值(ξ1~ξ5)，結(jié)果如圖 2所示.在演化過(guò)程中，指標(biāo)組元相互關(guān)聯(lián)、耦合，不斷進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)和自組織作用，從而產(chǎn)生反映其生態(tài)承載力水平的獲勝模式，獲得了每一組給定x1，x2，…，xn數(shù)據(jù)下的ξ值.可以看出，前150步模擬ξ值波動(dòng)較大，之后逐漸趨于穩(wěn)定，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的模式結(jié)構(gòu)，此時(shí)的ξ值可代表生態(tài)承載力水平.
圖 2 2008—2012年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)演化過(guò)程
將模擬得到的表征生態(tài)承載力水平的每一組給定x1，x2，…，xn數(shù)據(jù)下的ξ值整理后作折線圖，從圖 3以看出，洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2008—2012年期間生態(tài)承載力呈總體上升的趨勢(shì)，其中，2008年和2009年兩年生態(tài)承載力水平基本一致，2009—2010年呈現(xiàn)較明顯的上升，而2010—2011年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，2011—2012年生態(tài)承載力水平大幅度提高.說(shuō)明近年來(lái)對(duì)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的生態(tài)承載力建設(shè)效果顯著，該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)組元間的耦合關(guān)系越來(lái)越緊密.但2011年生態(tài)承載力水平的異常情況需要進(jìn)一步模擬分析，從而為該地區(qū)下一步的規(guī)劃建設(shè)提出針對(duì)性的建議.
圖 3 洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)承載力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果
3.2.2 生態(tài)承載力準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)研究
為了深入了解洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)承載力發(fā)展?fàn)顩r，根據(jù)其各方面的發(fā)展?fàn)顟B(tài)提出針對(duì)性的對(duì)策建議，提高生態(tài)承載力水平，可以基于準(zhǔn)則層進(jìn)行分析.將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)依次代入SOM網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分類分析模擬，借助MATLAB，分別演化出能夠反映該地區(qū)生態(tài)彈性(B1)、資源環(huán)境承載力(B2)、環(huán)境壓力(B3)和人類潛力(B4)的指標(biāo)特征值，從而得到洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)在這4個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)(圖 4).
圖 4 洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2008—2012年準(zhǔn)則層指標(biāo)發(fā)展趨勢(shì)
洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)彈性(B1)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)分兩個(gè)階段：2008—2009年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，2009—2012年呈穩(wěn)步上升趨勢(shì).可見(jiàn)前期對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的利用和改造忽略了生態(tài)彈性方面的發(fā)展，導(dǎo)致生態(tài)系
統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力下降.2009年以后政府開(kāi)始認(rèn)識(shí)到生態(tài)彈性對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)承載力的重要性，使其發(fā)展水平慢慢上升.資源環(huán)境承載力(B2)的發(fā)展很不穩(wěn)定，特別是2011年急劇下降，可見(jiàn)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的資源狀況易受影響，需要政府在這方面加強(qiáng)監(jiān)管，采取一定的措施促進(jìn)其平穩(wěn)發(fā)展，以免對(duì)生態(tài)承載力綜合水平造成較大的影響.環(huán)境壓力(B3)在這5年間變化不大，說(shuō)明該方面各指標(biāo)的發(fā)展有上升有下降，在一定程度上造成了整體水平平緩的現(xiàn)象.人類潛力(B4)的發(fā)展逐年上升，這與經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步密不可分，還有政府在環(huán)境保護(hù)方面的投資和政策支持，人類環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，都不同程度地促進(jìn)了生態(tài)承載力的發(fā)展.
3.2.3 ξ值各分量雷達(dá)圖表征的生態(tài)承載力的發(fā)展演化
MIEP模型將區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)看作是一個(gè)充滿耦合的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，連接權(quán)值表示網(wǎng)絡(luò)中各指標(biāo)與周圍環(huán)境交換廣義流能力的大小，對(duì)系統(tǒng)發(fā)展所做貢獻(xiàn)能力的大小.為了分析洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)承載力發(fā)展演化狀況及各指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)所做貢獻(xiàn)的多少，用aki×xi描述ξ的形態(tài)，據(jù)其作雷達(dá)圖，將i軸的值用直線連接起來(lái)，得到的平面圖形即可表示各年生態(tài)承載力狀態(tài)特征值ξ的結(jié)構(gòu)形態(tài)特征(圖 5).
圖 5 洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)承載力的演化過(guò)程
整體來(lái)看，從2008年至2012年，雷達(dá)圖覆蓋的面積越來(lái)越增大，說(shuō)明洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)承載力發(fā)展過(guò)程的信息交流越來(lái)越強(qiáng)烈，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸完善.2008年到2009年覆蓋面積相似，說(shuō)明這兩年間各指標(biāo)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生較大變化.相比于前兩年，2010年到2012年萬(wàn)元GDP能耗(C16)、農(nóng)藥施用強(qiáng)度(C17)、環(huán)保支出占財(cái)政比重(C18)和人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(C19)的較大發(fā)展使其對(duì)生態(tài)承載力的貢獻(xiàn)變大，指標(biāo)均衡度提高，促進(jìn)生態(tài)承載力發(fā)展結(jié)構(gòu)的完善.2010年和2012年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的地表水資源量(C9)、地下水資源量(C10)和人均水資源量(C11)三方面指標(biāo)的較高水平使該地區(qū)生態(tài)承載力的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了明顯的改善，各指標(biāo)發(fā)展更均衡，生態(tài)承載力水平大幅提高.這與當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況相符，2010年和2012年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)年人均水資源總量分別為2430.914 m3和2480.617 m3，遠(yuǎn)高于其他年份，促使這兩年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的生態(tài)承載力達(dá)到兩個(gè)較協(xié)調(diào)穩(wěn)定的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，從而造成2011年生態(tài)承載力水平異常發(fā)展的現(xiàn)象.
表 2 模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的對(duì)比
3.3 生態(tài)承載力方面的預(yù)測(cè)
由于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)是由信息作用耦合在一起形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)模式，由其結(jié)構(gòu)參量控制，如果掌握組元與ξ之間作用關(guān)系的規(guī)律后，MIEP模型也可預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展演化趨勢(shì).調(diào)控方法是在xi-ξ關(guān)聯(lián)圖上作相應(yīng)延展或插值，以此再現(xiàn)組元相互作用的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和結(jié)構(gòu)模式的演化.
為找出與洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)承載力發(fā)展變化關(guān)聯(lián)性較高的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將根據(jù)MIEP模型的輸入與輸出做趨勢(shì)回歸分析.通過(guò)xi-ξ間的擬合關(guān)系，得到xi與ξ值的決定系數(shù)R2，發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)回歸關(guān)聯(lián)性最好的3個(gè)指標(biāo)分別為地下水資源量(C10)、人均水資源占有量(C11)和教育投資占GDP比重(C22).將地下水資源量2013年的實(shí)際值帶入擬合方程求得ξ為16.0059，然后根據(jù)其求得其他指標(biāo)的理論值并與實(shí)際值對(duì)比后，結(jié)果如表 3所示.結(jié)果表明，指標(biāo)的實(shí)際值與理論預(yù)測(cè)值之間的誤差均比較小，在一定程度上證明了MIEP模型預(yù)測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)的潛力.在實(shí)際工作中，通過(guò)該模型可對(duì)未來(lái)發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，為管理決策人員提供參考.
3.4 MIEP模型與主成分分析法的比較
MIEP模型給出的是ξ值，而主成分分析法(丁揚(yáng)，2014)給出的一個(gè)指數(shù)值，兩種評(píng)價(jià)方法雖然不能進(jìn)行數(shù)值比較，但它們對(duì)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2008—2012年生態(tài)承載力發(fā)展評(píng)價(jià)結(jié)果的趨勢(shì)基本相同，201年生態(tài)承載力水平劇烈下降，2011—2012年間逐漸回升(圖 6).二者的主要區(qū)別是本文使用的MIEP模型顯示，2012年生態(tài)承載力水平超過(guò)了2010年，而主成分分析法則相反.主成分分析法依靠每個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率作為權(quán)重構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)，但通常各主成分特征值的相差較大，使其方差貢獻(xiàn)差別較大，無(wú)法使所有指標(biāo)完全綜合，主成分權(quán)重的設(shè)定帶有強(qiáng)烈主觀性，易使個(gè)別指標(biāo)成為影響評(píng)價(jià)結(jié)果的決定性因素，耦合性差，因此，造成生態(tài)承載力水平受到水資源因素影響震蕩較大.
圖 6 MIEP模型與主成分分析法的比較
本文所使用的基于MIEP的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，不必預(yù)先確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，在模擬過(guò)程中能自動(dòng)調(diào)整各指標(biāo)數(shù)據(jù)之間的耦合關(guān)系，不斷進(jìn)行自組織作用，克服了其他方法權(quán)重確定的主觀性的缺陷;而且具有魯棒性，更適用于復(fù)雜系統(tǒng)的模擬分析，可以呈現(xiàn)出各種復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://szhmdq.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
本文從復(fù)雜系統(tǒng)組元相互作用的角度建立了評(píng)價(jià)生態(tài)承載力發(fā)展水平的MIEP模型，并運(yùn)用該模型對(duì)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2008—2012年的生態(tài)承載力發(fā)展情況進(jìn)行了評(píng)價(jià).結(jié)果表明，在此期間生態(tài)承載力呈總體上升的趨勢(shì)，其中，2008年和2009年兩年生態(tài)承載力水平基本一致，2010年呈現(xiàn)較明顯的上升，而2011年的生態(tài)承載力劇烈下降后在2012年呈現(xiàn)大幅回升.ξ值各分量的雷達(dá)圖揭示了洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)復(fù)雜系統(tǒng)的演化結(jié)構(gòu)，根據(jù)其變化判斷各指標(biāo)貢獻(xiàn)程度的變化，通過(guò)對(duì)指標(biāo)層雷達(dá)圖及準(zhǔn)則層的分析，發(fā)現(xiàn)大幅波動(dòng)的原因是2010年和2012年水資源方面的巨大優(yōu)勢(shì)使這兩年資源環(huán)境承載力水平較高，從而引起生態(tài)承載力綜合水平的大幅提升.根據(jù)MIEP的工作機(jī)理，對(duì)該地人均水資源占有量(C11)和教育投資占GDP比重(C22)在2013年的發(fā)展情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)誤差較小，顯示了其預(yù)測(cè)生態(tài)城市建設(shè)發(fā)展的較大潛力.最后將本文的評(píng)價(jià)結(jié)果與主成分分析法結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)MIEP模型更適用于復(fù)雜系統(tǒng)的分析研究，更能表現(xiàn)其動(dòng)態(tài)演化的本質(zhì).
5 建議
由于水資源指標(biāo)更易影響洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)承載力綜合水平，因此，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)著重提高其水資源承載力，如改變傳統(tǒng)的灌溉方式，加強(qiáng)節(jié)水的宣傳教育和推行節(jié)水工藝等.傳統(tǒng)工農(nóng)業(yè)對(duì)環(huán)境影響較大，易造成水和大氣污染，因此，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式有助于生態(tài)承載力的提高.同時(shí)，還要加強(qiáng)環(huán)保監(jiān)管力度，政策落實(shí)到位才能從源頭上遏制污染，提高環(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)生態(tài)承載力的發(fā)展.
