基于復(fù)雜性與不確定性理論的城市生態(tài)規(guī)劃系統(tǒng)分析方法.pdf

1、本文基于系統(tǒng)科學(xué)最新的理論研究成果(復(fù)雜性理論與不確定性理論相關(guān)成果)，定性與定量相結(jié)合，對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)及其子系統(tǒng)進(jìn)行研究，為城市生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃、管理與決策提供基礎(chǔ)信息。 定性的分析表明，城市生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放的、遠(yuǎn)離平衡的復(fù)雜的巨系統(tǒng)，是一個(gè)具有耗散結(jié)構(gòu)特性的系統(tǒng)，運(yùn)用耗散結(jié)構(gòu)理論等復(fù)雜性相關(guān)理論對(duì)其進(jìn)行探討與研究有其必要性和合理性。本文提出了城市生態(tài)系統(tǒng)的熵的概念，并根據(jù)產(chǎn)生的原因，將城市生態(tài)系統(tǒng)的熵分為組分熵、結(jié)構(gòu)熵、功能

2、熵、合時(shí)熵和環(huán)境熵5類，明確實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展必須增強(qiáng)城市生態(tài)系統(tǒng)的自組織能力，具體工作可從以下幾個(gè)方面展開(kāi)：保持非平衡狀態(tài)；增強(qiáng)與外界的交流；積極應(yīng)對(duì)變化；推動(dòng)動(dòng)態(tài)協(xié)作與選擇性地放大漲落。 定量化研究城市生態(tài)系統(tǒng)必須確定重要的系統(tǒng)變量。本文基于湖南省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，運(yùn)用 K 均值聚類法與系統(tǒng)聚類法對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行分類，并在分類的基礎(chǔ)上利用主成分分析法確定各分類的主成分。分析結(jié)果表明，指標(biāo)體系所包含的3

3、1項(xiàng)指標(biāo)可以被較為合理地分為5類，各分類的第一主成分所解釋的方差都接近或超過(guò)總方差的70％。在專家的指導(dǎo)下，結(jié)合實(shí)際，選取人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、COD排放強(qiáng)度、城市水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、城市化水平與恩格爾系數(shù)5個(gè)指標(biāo)作為定量分析需要重點(diǎn)考慮的指標(biāo)。 河流子系統(tǒng)是城市生態(tài)系統(tǒng)重要的子系統(tǒng)，本文在河流水質(zhì)領(lǐng)域展開(kāi)了三個(gè)方面的研究：信息熵理論在河流二維水質(zhì)模型數(shù)值計(jì)算中的應(yīng)用、河流隨機(jī)水質(zhì)規(guī)劃與風(fēng)險(xiǎn)分析、底泥五氯酚污染動(dòng)力學(xué)模擬。(1)用

4、不確定性的觀點(diǎn)考察了復(fù)雜河段污染物在有限單元法網(wǎng)格中的分布，引入污染物分布概率密度，在此基礎(chǔ)上提出了單元網(wǎng)格信息熵概念，并進(jìn)一步提出了利用最大信息熵原理對(duì)有限單元法的網(wǎng)格大小進(jìn)行優(yōu)化的準(zhǔn)則。在給定網(wǎng)格長(zhǎng)度的條件下，結(jié)合河流水質(zhì)模型有限單元法理論，提出了單元網(wǎng)格最大信息熵優(yōu)化模型。在未知河流斷面流速場(chǎng)數(shù)據(jù)的條件下，結(jié)合河流單寬流量估算方法，可應(yīng)用此模型來(lái)優(yōu)化有限單元法的網(wǎng)格大小，從而避免了以往網(wǎng)格憑經(jīng)驗(yàn)劃分的隨意性和盲目性。在湘江衡陽(yáng)河段

5、應(yīng)用此模型，求得當(dāng)網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度為 100m時(shí)，最大網(wǎng)格寬度為 16m，最優(yōu)網(wǎng)格寬度值為 11m；最優(yōu)網(wǎng)格寬度值對(duì)河流流量Q的變化靈敏度小于0.2，對(duì)河流平均水深H 的變化靈敏度平均小于1。(2)利用隨機(jī)變量處理水質(zhì)參數(shù)和污染負(fù)荷的波動(dòng)，采用Monte Carlo模擬方法，完成了湘江隨機(jī)水質(zhì)模擬，并對(duì)傳統(tǒng)的排放口最優(yōu)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析；在此基礎(chǔ)上，考察了風(fēng)險(xiǎn)水平與最小污水處理費(fèi)用之間的變化關(guān)系。結(jié)果表明：由傳統(tǒng)的確定性模型進(jìn)行規(guī)劃，部分河

6、段水質(zhì)超標(biāo)的概率大于0.4；污水處理費(fèi)用隨著風(fēng)險(xiǎn)水平的增加而降低，但變化曲線不是平滑的，而是在小范圍內(nèi)有所波動(dòng)。按照風(fēng)險(xiǎn)水平要求，決策人員根據(jù)模擬結(jié)果可得到比確定性規(guī)劃更可靠的決策方案。(3)針對(duì)8組不同的湖泊(河流)底泥物質(zhì)對(duì)五氯酚的吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于Matlab程序建立了相關(guān)吸附動(dòng)力學(xué)的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBFN)模型和自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)模型，并進(jìn)行了模擬與預(yù)測(cè)的對(duì)照研究。結(jié)果表明，雖然底泥的物理化學(xué)性質(zhì)略

7、有差異，但8組底泥物質(zhì)對(duì)五氯酚的吸附過(guò)程遵循同樣的內(nèi)在規(guī)律。液相五氯酚濃度、可逆吸附量、不可逆吸附量對(duì)模型的訓(xùn)練與預(yù)測(cè)有相同程度的影響，在底泥五氯酚吸附動(dòng)力學(xué)模擬中，這三個(gè)因素都不可忽視。RBFN與ANFIS均能較好的模擬與預(yù)測(cè)吸附過(guò)程，比傳統(tǒng)的斐克第二定律更好的反映了系統(tǒng)內(nèi)部變化特征，尤其是RBFN具有更高的精度與容錯(cuò)能力，用來(lái)模擬與預(yù)測(cè)湖泊底泥物質(zhì)對(duì)五氯酚的吸附過(guò)程是完全可行的。在人口子模型的研究上，基于美國(guó)人口分布的空間結(jié)構(gòu)模型，

8、根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論自組織建模原理，考慮城市人口內(nèi)部不同區(qū)域人口變化分異特征，依據(jù)耗散結(jié)構(gòu)自組織過(guò)程建模思想，將城市區(qū)域人口之間的遷移耦合作用納入到城市人口模型中來(lái)，嘗試建立了城市區(qū)域人口動(dòng)態(tài)演化自組織模型，并對(duì)模型的解法及典型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了討論。在長(zhǎng)沙市的實(shí)際應(yīng)用中，預(yù)測(cè)了長(zhǎng)沙市未來(lái)百年九個(gè)區(qū)域人口動(dòng)態(tài)演化情景。未來(lái)幾十年內(nèi)，全長(zhǎng)沙市的人口將主要向城市中心的五個(gè)區(qū)集中，其中雨花區(qū)尤為突出，而丌福區(qū)則相對(duì)來(lái)說(shuō)吸引力稍弱。 基于人口

9、分布動(dòng)態(tài)演化自組織模型，運(yùn)用耗散結(jié)構(gòu)理論的的建模思想，建立了城市生態(tài)系統(tǒng)耦合模型體系。該模型體系選取城市總?cè)丝?包括城市各分區(qū)人口)、產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、資源獲取量和排污量等作為控制變量，模型體系共包括人口發(fā)展模型、資源模型、工業(yè)模型、農(nóng)業(yè)模型、第三產(chǎn)業(yè)模型、資源分配模型和排污模型等7個(gè)子模型。在人口模型中，引入了決定人口流動(dòng)的吸引勢(shì)；而產(chǎn)業(yè)發(fā)展模型中，運(yùn)用動(dòng)態(tài)約束項(xiàng)描述各產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景。模型體系比較全面的反映了城市生態(tài)系統(tǒng)各子系統(tǒng)的變化，并且通

10、過(guò)參數(shù)的耦合建立起各子模型之間的相互作用與聯(lián)系，構(gòu)成了整個(gè)城市生態(tài)系統(tǒng)耦合模型體系。存在的不足是：模型體系參數(shù)眾多，求解困難。比如各產(chǎn)業(yè)的內(nèi)稟最大產(chǎn)值的確定需根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定具體的函數(shù)形式，這使得模型在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)使用者的要求很高，而由眾多偏微分方程構(gòu)成的模型體系的求解對(duì)一般工程人員來(lái)說(shuō)也是難以完成的。在進(jìn)一步的研究中，必須明確模型參數(shù)的確定方法，完成模型求解軟件的編寫(xiě)，增強(qiáng)模型的適用性。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化以后，模型被應(yīng)用于湖南省城鎮(zhèn)生活

11、垃圾總量的模擬與預(yù)測(cè)。模型考慮了不同類型人群的垃圾生產(chǎn)能力的差異，計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)曲線變化，較好的反映了實(shí)際變化情況。在定義城市工業(yè)-環(huán)境系統(tǒng)超熵的基礎(chǔ)上，提出了城市工業(yè)-環(huán)境系統(tǒng)的超熵產(chǎn)生判據(jù)模型。在甘肅省白銀地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用表明，模型理論計(jì)算能較好地符合實(shí)際，考察時(shí)段內(nèi)白銀地區(qū)對(duì)環(huán)境污染治理的投入過(guò)少，使環(huán)境污染成為城市工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的大障礙。 以水資源-水環(huán)境系統(tǒng)作為城市生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化研究的示范對(duì)象，利用區(qū)間參數(shù)描述水資源-水環(huán)

12、境系統(tǒng)中缺乏分布信息的不確定性變量，利用隨機(jī)參數(shù)描述水資源-水環(huán)境系統(tǒng)中具有隨機(jī)分布特性的變量，利用模糊隸屬度函數(shù)描述系統(tǒng)的可靠性信息，建立了水資源．水環(huán)境系統(tǒng)不確定兩階段優(yōu)化模型IFTSP模型。IFTSP模型不僅可以將第一階段決策納入第二階段規(guī)劃中來(lái)，而且可以提供其他模型不能提供的變量變化空間與系統(tǒng)可靠性信息。應(yīng)用模型于湖南省湘西自治州的水資源-水環(huán)境系統(tǒng)規(guī)劃，結(jié)果表明：湘西自治州當(dāng)前供水能力嚴(yán)重不足，即使在平水年，農(nóng)業(yè)用水依然存在很