專利名稱：一種城市生態(tài)系統(tǒng)的分析方法
一種城市生態(tài)系統(tǒng)的分析方法所屬領(lǐng)域本發(fā)明屬于環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域，是一種綜合、系統(tǒng)分析和評價城市生態(tài)系統(tǒng)的方法， 尤其適用于城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的分析，并對城市生態(tài)系統(tǒng)的運行狀況進(jìn)行綜合評價。
背景技術(shù)：
在我國快速城市化的大背景下，各種城市生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)成為阻礙城市持續(xù)發(fā) 展的主要因素之一，并且經(jīng)濟(jì)和人口的快速增長還將進(jìn)一步引發(fā)這些問題。由于問題本身 的復(fù)雜性，其解決方法涉及到多學(xué)科的參與、交叉和綜合，而各學(xué)科也從多種不同角度提出 了針對問題的不同側(cè)面的解決方法。其中，從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，將城市視為一個復(fù)合生態(tài) 系統(tǒng)，對城市生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合、系統(tǒng)的分析和評價，是加強(qiáng)城市科學(xué)管理、實現(xiàn)城市可持 續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。目前廣泛使用的分析評價方法包括城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價、城市生態(tài)承載力評 價、城市可持續(xù)發(fā)展水平評價、生態(tài)足跡核算、服務(wù)功能核算等，無一不是將城市生態(tài)系統(tǒng) 作為一個黑箱系統(tǒng)，分析與評價方法所涉及的內(nèi)容和結(jié)論也均是針對系統(tǒng)整體的狀態(tài)和屬 性，并未涉及系統(tǒng)內(nèi)部的運行規(guī)律以及組分間的作用關(guān)系，這導(dǎo)致評價結(jié)果無法顯示產(chǎn)生 問題的癥結(jié)所在，從而無法直接指導(dǎo)問題的解決。并且，當(dāng)前對城市生態(tài)系統(tǒng)的研究所采用 的諸多表征指標(biāo)，特別是作為標(biāo)準(zhǔn)由國家頒布的生態(tài)市評價指標(biāo)體系，相互之間都是離散 的關(guān)系，所使用的綜合指數(shù)，也是通過各離散指標(biāo)的獨立評分得出，其結(jié)果缺乏真正的系統(tǒng) 性，同時也不能完全避免指標(biāo)選擇過程、評分過程、權(quán)重確定過程中的主觀因素。如申請?zhí)?為200510119029. 2的名為區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力動態(tài)評價系統(tǒng)，公開號為CN1979540的 發(fā)明專利，強(qiáng)調(diào)區(qū)位差異，針對性強(qiáng)，但仍然采用了人為選取的離散指標(biāo)來進(jìn)行評價，仍不 能避免評價的主觀干擾；申請?zhí)枮?00610118742. χ的名為基于遙感影像的城市基礎(chǔ)生態(tài) 環(huán)境時空分析評價方法，公開號為CN1959714的發(fā)明專利，申請?zhí)枮?00710130861. 1的名 為一種利用地理信息系統(tǒng)與遙感技術(shù)進(jìn)行生態(tài)功能區(qū)劃的方法，公開號為CN101114277的 發(fā)明專利，都采用了遙感和GIS技術(shù)來表達(dá)城市環(huán)境的時空差異，減少了空間分異評價的 主觀干擾，但其只能表征以土地利用類型為基礎(chǔ)的城市表象特征，并未涉及系統(tǒng)內(nèi)部的其 他情況，無法說明這些變化的機(jī)理；申請?zhí)枮?00810232258. 9的名為基于粗糙-RBF神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)的環(huán)境質(zhì)量評價方法，公開號為CN101430309的發(fā)明專利，在評價過程中改善了局部性、 準(zhǔn)確性等問題，但仍然是將城市生態(tài)系統(tǒng)視為黑箱的整體評價，無法從系統(tǒng)內(nèi)部特征說明 問題產(chǎn)生的機(jī)理。國外在此領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)明專利則更傾向于對城市生態(tài)系統(tǒng)本身的設(shè)計。如 申請?zhí)枴⒐_號為CN2001100541920010224，名為一種應(yīng)用于城市社區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)系統(tǒng) 的發(fā)明專利，申請?zhí)?W02007CN01274 20070418，公開號為 CN20061098661 20060711，名為 一種節(jié)約能源和土地的無障礙城市生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)明專利，申請?zhí)?、公開號為CN20061035826 20060608，名為城市社區(qū)規(guī)劃和建筑設(shè)計的發(fā)明專利等，從多角度針對城市中的環(huán)境污染、 交通堵塞、土地緊張等問題提出了具體的解決方案，偏重實用性和操作性，而少有從理論和 機(jī)理的高度對城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析的方法。
這些現(xiàn)有技術(shù)方法的不足，限制了對日益繁雜的城市生態(tài)環(huán)境問題的進(jìn)一步研 究。而實現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)的黑箱白化，往往由于對城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在作用機(jī)制研究的不深 入而受到很大的限制，而這又需要加強(qiáng)城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換過程的研 究，以此來建立和完善城市生態(tài)系統(tǒng)的模型，進(jìn)而為城市的綜合管理服務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)方法無法對城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行有效分析 評價的問題，整合了城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論、物質(zhì)流核算、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析及數(shù)理統(tǒng)計模擬分 析等現(xiàn)有技術(shù)，設(shè)計了一種對城市生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行模擬、評價、分析的方法，包括系統(tǒng)界定、生 態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建、結(jié)構(gòu)和功能分析等幾項內(nèi)容。本發(fā)明的特征首先在于采用了基于物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換過程的核算方法對城市生態(tài)系 統(tǒng)的內(nèi)部特征進(jìn)行評價。為了明確城市生態(tài)系統(tǒng)中各組分之于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)屬性以及各組分 之間的相互關(guān)系，本發(fā)明將城市視為一個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，基于物質(zhì)流核算法對系統(tǒng)各組分 間的物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行核算?；谖镔|(zhì)能量轉(zhuǎn)換過程的核算方法同時還避免了評價內(nèi)容 的離散性，核算根據(jù)連續(xù)的過程建立組分與組分間、組分與系統(tǒng)間的關(guān)系表達(dá)，分析過程中 所產(chǎn)生的中間結(jié)果和最終的評價結(jié)果，都具有連續(xù)性和系統(tǒng)性。本發(fā)明的特征還在于利用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)方法對城市生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行特征分析，以系統(tǒng)組 分為節(jié)點，以其相互之間的物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系為路徑，分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能，并由此分析 得出系統(tǒng)各組分間的關(guān)系以及各組分在系統(tǒng)中的地位，并最終通過系統(tǒng)循環(huán)指數(shù)、共生指 數(shù)等反映系統(tǒng)整體的運行狀況。所涉及的分析評價結(jié)果都來自網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的固有性質(zhì)，不含 主觀因素。針對原有方法普遍存在的主觀干擾問題，本發(fā)明采用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法，不僅將 城市生態(tài)系統(tǒng)抽象為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的過程完全依據(jù)實際存在的物質(zhì)能量流動關(guān)系，并且生 態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法本身是一種完全客觀的方法，抽象為網(wǎng)絡(luò)模型之后的分析計算過程是基于 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身的固有特性，因此分析過程能有效避免主觀因素的影響。本發(fā)明的目的在于提供一套方法，客觀和系統(tǒng)地對城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部特征進(jìn)行分 析和評價，以解決現(xiàn)有研究手段的不足。與現(xiàn)有研究方法相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)評價結(jié)果反映內(nèi)容豐富。本發(fā)明能夠分析城市生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在特征，不僅能清晰 顯示系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，還能分析各組分間的制衡關(guān)系以及各組分對系統(tǒng)總體的貢獻(xiàn)或影響。(2)客觀性強(qiáng)。本發(fā)明在計算過程中完全依據(jù)實際存在的物質(zhì)能量流動關(guān)系和網(wǎng) 絡(luò)系統(tǒng)本身的固有特性，不涉及主觀因素。(3)系統(tǒng)性強(qiáng)。本發(fā)明的分析結(jié)果不通過離散指標(biāo)或離散指標(biāo)的加權(quán)獲得，而是基 于物質(zhì)能量流動過程，提供了一種連續(xù)性強(qiáng)的評價指標(biāo)，能夠綜合表達(dá)城市生態(tài)系統(tǒng)的系 統(tǒng)特征。(4)具有在其他復(fù)雜系統(tǒng)中的應(yīng)用價值。本發(fā)明所提供的方法同樣適用于其他的 復(fù)雜系統(tǒng)，如產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)、消費系統(tǒng)，能源、水等單要素系統(tǒng)等。


下面結(jié)合附圖和實施案例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明。圖1是城市生態(tài)系統(tǒng)界定示意圖。
圖2是城市生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型示例。圖3是城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型中不同路徑長度的說明。
圖4是實施案例1中各城市生態(tài)系統(tǒng)能源利用結(jié)構(gòu)圖。其中組分1為能源開采部門； 組分2為能源轉(zhuǎn)換部門；組分3為工業(yè)部門；組分4為生活部門；組分5為能源回收部門。 圖中所示的數(shù)據(jù)是各組分在城市系統(tǒng)中所占比例。
具體實施例方式如圖1所示對城市生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行界定。以所劃分的系統(tǒng)組分作為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以組分間的物質(zhì)、能量交換關(guān)系為網(wǎng)絡(luò)路徑，以物質(zhì)流核算得出的物質(zhì)流量作為 網(wǎng)絡(luò)流量，建立網(wǎng)絡(luò)模型。圖2顯示了城市生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建結(jié)果。表1、表2列 舉了模型中各節(jié)點之間的物質(zhì)、能量交換的核算項目。表1各組分間物質(zhì)流動關(guān)系 表2各組分間物質(zhì)流動關(guān)系含義及核算項目 在上述步驟的基礎(chǔ)上，采用網(wǎng)絡(luò)路徑分析方法研究路徑長度與路徑數(shù)量、路徑可 達(dá)性的變化關(guān)系，從而進(jìn)行城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析。如圖3所示，即為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié) 點路徑，當(dāng)路徑長度為1時，即從分室1 — 2，存在直接路徑；當(dāng)路徑長度k > 2時，即為分 室之間通過間接路徑進(jìn)行物質(zhì)能量的交換傳遞。根據(jù)直接和間接路徑建立聯(lián)結(jié)矩陣，采用 數(shù)理統(tǒng)計方法研究路徑長度與路徑數(shù)量的關(guān)系，并通過綜合聯(lián)結(jié)矩陣中路徑的數(shù)量分布明確系統(tǒng)構(gòu)組分間的路徑可達(dá)性。利用實際的綜合流量矩陣，求出各節(jié)點對系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率或 權(quán)重，從而反映各組分在系統(tǒng)中所處的地位和作用。將這些結(jié)果與自然生態(tài)系統(tǒng)中各組分 的地位進(jìn)行對比，從而反映城市生態(tài)系統(tǒng)的健康程度、系統(tǒng)穩(wěn)定程度等。利用網(wǎng)絡(luò)有效利用 矩陣中正負(fù)號分布、數(shù)量比值，確定城市生態(tài)系統(tǒng)各組分間的作用方式、共生狀況，最后揭 示出固有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中復(fù)雜的生態(tài)關(guān)系，從而進(jìn)行城市生態(tài)系統(tǒng)的功能分析。各種可能的關(guān) 系如表3所示。在此基礎(chǔ)上，建立城市生態(tài)系統(tǒng)共生指數(shù)，反映綜合有效利用符號矩陣中正 負(fù)號數(shù)量的比值，如果矩陣的正向符號數(shù)量大于負(fù)向符號數(shù)量，說明網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間存在 著一種正向的相互作用關(guān)系，系統(tǒng)是一個共生系統(tǒng)。表3生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型中各組分關(guān)系的不同可能 實施案例1選擇四個典型城市，分析其能源利用系統(tǒng)，其各組分對系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率情況如下圖 所示。從生產(chǎn)消費關(guān)系來看，城市四的生產(chǎn)者權(quán)重比較大，反映其能源供應(yīng)能力比較強(qiáng)；從 初級消費者權(quán)重來看，最大的是城市二，說明其在能源轉(zhuǎn)換產(chǎn)業(yè)中的投入較多；從高級消費 者權(quán)重來看，最高的是城市一，反映其能源需求水平較高；從還原者權(quán)重來看，最大的是城 市四，反映其能源利用系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力比較強(qiáng)。城市一、二、三呈現(xiàn)出不規(guī)則的“倒金字 塔”結(jié)構(gòu)，而城市四呈現(xiàn)出不規(guī)則的“金字塔”結(jié)構(gòu)，這與能源轉(zhuǎn)換部門在整個系統(tǒng)中所占比 重有很大關(guān)系。為實現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)促進(jìn)“倒金字塔”結(jié)構(gòu)向“金字塔”結(jié) 構(gòu)的轉(zhuǎn)變。實施案例2選擇四個典型城市，分析其外部區(qū)域、本地環(huán)境、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭五個系統(tǒng)組分間 的物質(zhì)能量流動關(guān)系，確定城生態(tài)系統(tǒng)各組分間的作用方式、共生狀況，最后揭示出城市生 態(tài)系統(tǒng)固有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中復(fù)雜的生態(tài)關(guān)系(表4)。結(jié)果表明，四個城市在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相同的情 況下，共生指數(shù)顯著不同，城市一的共生指數(shù)優(yōu)于城市三，遠(yuǎn)高于城市二和城市四，究其原 因是系統(tǒng)組分間掠奪、控制、競爭和共生等生態(tài)關(guān)系的分布差異。例如城市一本地環(huán)境與 外部區(qū)域的生態(tài)關(guān)系為(_，+)，反映其城市發(fā)展對外部區(qū)域資源的掠奪；農(nóng)業(yè)部門、工業(yè)部 門與本地環(huán)境的生態(tài)關(guān)系分別為(+，_)，反映了城市農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)是以牲犧環(huán)境為代價 的；家庭部門與本地環(huán)境的生態(tài)關(guān)系為(_，+)，反映了城市居民生活是控制在環(huán)境承載力 閾限以內(nèi)的；農(nóng)業(yè)部門、工業(yè)部門、家庭部門與外部區(qū)域間的生態(tài)關(guān)系分別為(+，-)、(+，_) 和(+，_)，反映了城市為滿足高密度居民生活需要對外部區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品、工業(yè)產(chǎn)品的掠奪，以 及城市對外來人口的過度吸引；工業(yè)部門與農(nóng)業(yè)部門間的生態(tài)關(guān)系為(+，_)，反映了表明 了工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展是以犧牲農(nóng)業(yè)發(fā)展為代價，對農(nóng)業(yè)的反哺力度明顯不足；家庭部門與 農(nóng)業(yè)部門、工業(yè)部門的生態(tài)關(guān)系分別為(_，+)、(_，+)，表明了家庭部門在大量投入勞務(wù)的情 況下，產(chǎn)業(yè)部門的產(chǎn)品仍無法滿足家庭生活的需要。而城市四則與之略有不同，主要表現(xiàn)在 本地環(huán)境與外部區(qū)域、農(nóng)業(yè)部門與外部區(qū)域間的關(guān)系分別是(+，_)和(_，+)，反映其外部區(qū) 域控制著本地資源和農(nóng)產(chǎn)品，導(dǎo)致了資源、農(nóng)產(chǎn)品的大量輸出。
表4直接作用符號矩陣和間接作用符號矩陣
權(quán)利要求
一種城市生態(tài)系統(tǒng)的分析方法其特征在于將城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論、物質(zhì)流核算、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析融合在城市生態(tài)系統(tǒng)的分析和評價之中，通過建立城市生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，將城市生態(tài)系統(tǒng)劃分為內(nèi)部環(huán)境、外部區(qū)域、動脈產(chǎn)業(yè)、靜脈產(chǎn)業(yè)和家庭消費等組分，并通過城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各組分對系統(tǒng)整體的貢獻(xiàn)率確定城市生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)級，以及各組分間的競爭、共生、捕食、控制、寄生等關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域，是一種綜合、系統(tǒng)分析和評價城市生態(tài)系統(tǒng)的方法。針對現(xiàn)有技術(shù)方法無法對城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行有效的分析評價，并且無法避免主觀性和離散性的問題，整合了城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論、物質(zhì)流核算、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析及數(shù)理統(tǒng)計模擬分析等現(xiàn)有技術(shù)，發(fā)明了一種對城市生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行模擬、評價、分析的方法，包括系統(tǒng)界定、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建、結(jié)構(gòu)和功能分析等幾項內(nèi)容。此方法適用于城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的分析，并對城市生態(tài)系統(tǒng)的運行狀況進(jìn)行綜合評價，并能推廣于其他的復(fù)雜系統(tǒng)，如產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)、消費系統(tǒng)，能源、水等單要素系統(tǒng)等。
文檔編號G06Q50/00GK101908197SQ20091022234
公開日2010年12月8日 申請日期2009年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月16日
發(fā)明者張妍, 李婭婷, 李盛盛, 楊乃巾, 楊志峰 申請人:北京師范大學(xué)