全 文 ：第 35 卷第 14 期
2015年 7月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.14
Jul.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家青年科学基金项目(41201546); 重庆市自然科学基金(csts2012jjA20010); 国家“十二五冶科技支撑计划项目(2012BAJ25B09,
2011BAC02B02); 国家自然科学基金(41261038)
收稿日期:2013鄄11鄄12; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄09鄄09
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: guandongjie_2000@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201311122717
张梦婕, 官冬杰, 苏维词.基于系统动力学的重庆三峡库区生态安全情景模拟及指标阈值确定.生态学报,2015,35(14):4880鄄4890.
Zhang M J, Guan D J, Su W C.Scenarios simulation and indices thresholds determination of ecological security in three gorges reservoir based on system
dynamics.Acta Ecologica Sinica,2015,35(14):4880鄄4890.
基于系统动力学的重庆三峡库区生态安全情景模拟及
指标阈值确定
张梦婕1, 官冬杰1,*, 苏维词2,3
1 重庆交通大学, 河海学院, 重庆摇 400074
2 重庆师范大学, 地理与旅游学院, 重庆摇 400047
3 贵州科学院, 山地资源研究所, 贵阳摇 550001
摘要:根据重庆三峡库区生态系统的特征,建立了经济子系统、人口子系统和环境子系统的系统动力学模型,并在此基础上确定
了其模型的主要参数和反馈关系,通过历史值与仿真值的对比进行了检验。 选择了可持续发展型、资源衰竭型和自然状态型 3
种情景进行模拟最终确定其生态安全的指标阈值,并将其确定的阈值应用于生态安全评价指标,得出重庆三峡库区生态安全指
标的综合得分,由此看出库区生态安全呈逐年递增的趋势,但仍然处于较为敏感的时期,需要相关部门的配合,从而最终实现库
区的可持续发展。
关键词:重庆三峡库区; 系统动力学; 生态安全; 阈值
Scenarios simulation and indices thresholds determination of ecological security in
three gorges reservoir based on system dynamics
ZHANG Mengjie1, GUAN Dongjie1,*, SU Weici2, 3
1 School of River and Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China
2 Institute of Geography and Tourism, Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China
3 Institute of Mountain Resources, Guizhou Academy of Sciences, Guiyang 550001, China
Abstract: Ecological security is an interdisciplinary of natural science and social science. There is still no an internationally
accepted definition of ecological security at present. In this paper, ecological security model of Three Gorges Reservoir in
Chongqing was established using system dynamics. Firstly, according to special geographical features of Three Gorges
reservoir, an improved DPSIR model, which involves all aspects of society, economy and environment, was applied to
establish an evaluation index system of ecological security. AHP method with objective and subjective combination
characteristics was selected to endow these indices weight. Secondly, based on the ecosystem characteristics of Three Gorges
reservoir, a system dynamics model containing economy, population, and environmental subsystems was developed. The
model was set up using specialized software VensimPLE and data from “Chongqing Statistical Yearbook 2001—2007冶 for
population, GDP, and the amount of environmental pollution. Main parameters and their mutual feedback relationships in
the model were determined. GDP, the total population, the amount of environmental pollution were selected as the main
variables; grain output ratio, forest coverage rate, soil erosion rates and other indicators were selected as the important
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factor parameters; the area of soil erosion, Net鄄GDP, pollution treatment rate were selected as the evaluation factors.
Meanwhile, historical and simulated values were compared to verify this model. The comparison of results from calibration
and observation shows that the model corresponds to observed behaviors, and the simulated values fit well with the observed
data and changing trends. Moreover, 3 scenarios named sustainable development, resource exhaustion, and natural state
were designed to simulate future change of ecological security. The simulation runs demonstrate that the sustainable
development model accords with the patterns of social development. The ecological security levels of natural state model and
resource exhaustion model in Chongqing Three Gorges Reservoir are very worrying, since economic losses and environmental
impact are severe. But the ecological security level of sustainable development model is relatively good. Net鄄GDP shows a
clear upward trend; the amount of environmental pollution is small. Thirdly, according to the simulation results, ecological
security thresholds were got. The thresholds can basically represent the main features of Three Gorges Reservoir忆s ecological
security before 2050. The verification results can be got with the observation of " Net GDP鄄GDP" values. The overall
verification results are appropriate. Then, the status quo of ecological security indicators (2007) was standardized using the
determined thresholds. It turns out that the existing 11 indicators are uneven and the overall level is not high. These
thresholds were applied into the assessment indices of ecological security for obtaining the comprehensive score of ecological
security from 2001 to 2007. The results illustrate that the ecological security in the reservoir area has been emerging an
increasing trend, but still in a relatively sensitive period. Consequently, to achieve the sustainable development of the
reservoir area requires the cooperation of relevant departments. Finally, on the basis of system dynamics model, the paper
determined ecological security index thresholds. Within the range of thresholds, the ecological security can effectively
achieve its sustainable development.
Key Words: Chongqing Three Gorges reservoir area; systems dynamics; ecological security; thresholds
生态安全是一门自然科学与社会科学的交叉学科。 目前国际上尚无公认的关于生态安全的定义[1鄄3]。
生态安全,国外也称环境安全,有广义和狭义两种解释。 前者以美国国际应用系统分析研究所提出的定义为
代表:生态安全是指在人的生活、健康、安乐、基本权利、生活保障来源、必要资源、社会秩序和人类适应环境变
化的能力等方面不受威胁的状态,包括自然生态安全、经济生态安全和社会生态安全,组成一个复合人工生态
安全系统。 狭义的生态安全是指自然和半自然生态系统的安全,即生态系统完整性和健康的整体水平反
映[4鄄9]。 随着研究的不断深入,科学家们越来越关注影响生态安全的具体因素,而且更加关注这些因素可能
对生态系统和社会带来的危害。 1993年,美国著名环境学家 Norman Myers 指出生态安全是指地区的资源战
争和全球的生态威胁而引起的环境退化,继而所引起的经济和政治的不安全;Katrina S.Rogers 认为生态安全
是指创造一种条件使得人类社会的自然环境在满足人类需要的同时使自然存量不致减少;Kim认为生态安全
是由生态威胁,生态风险等概念演变而来,人类则是生态安全的主要危害者[10]。
在国内外生态安全的相关研究中生态风险评价和生态健康评价的数目较多。 目前,生态安全评价研究主
要集中在三个方面:(1)评价指标体系构建。 经济合作与发展组织(OEDC)率先提出并发展了反映自然环境
状况指标体系的“压力鄄状态鄄响应冶(P鄄S鄄R)框架模型[4],Don Fallis 运用 PSR 模型提出了认知风险的评分规
则[11],李中才等以山东省长岛县为例,研究了生态状态、响应、压力之间的作用关系,评价生态安全的现状和
发展趋势,推导出生态安全状况不断得到改善的必要条件[12],孙翔等以 PSR 为概念框架构建厦门景观生态
安全评价指标体系,以揭示厦门市区域景观生态安全的空间分布规律[13]。 这些研究都是以 PSR为模型构建
指标体系,但缺乏相应层次方面的改进和创新性。 (2)评价指标值的确定。 如 Schacffcr.D.J和 D.K.COX提出
了生态系统功能阈值,认为人类对环境资源开发利用和社会经济发展不能超过这一阈值[14],Takuro Uehara 提
出生态经济阈值可能会在生态阈值之前[15],李华以上海崇明岛为例进行生态安全指标阈值的确定及应
用[16]。 对于评价指标阈值方面大多是参照国内外已有的相关标准值或直接依据现状值进行估算,这种方法
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简单易行,但精准度方面受到影响,而且各类参照标准本身的制定目的和适用性有别,标准值存在较大的差
异,因此存在相应的随意性。 (3)生态安全评价的方法。 大多数的生态安全评价方法,主要选择了对生态环
境变化十分敏感的生物、物理和化学等方面的特征指标,观察监测生态环境变化对它们的影响,以此来判断生
态是否安全。 Karr应用生物完整性指数对鱼类类群的组成与分布、种多样性以及耐受种、敏感种、固有种等多
方面分析了水体生态系统的安全状况[17]。 这种方法由于生态安全评估需要大量的实时数据的支持,而且需
要及时向政策制定者反馈评估结果,因此它需要系统、即时的提供真实的信息,所以还需要进行不断深化和探
讨。 而目前我国生态安全的研究还处于初级阶段,综述性研究居多,对生态安全的定量描述较少。 有关生态
安全阈值的研究方法主要有模糊数学法、神经网络法等[7,18鄄19],但这些方法都是对生态安全阈值的静态研究,
缺乏动态联系。 本文运用系统动力学原理,建立生态安全模型,从动态的角度系统分析重庆三峡库区生态安
全各指标阈值,从而为重庆三峡库区的后续发展提供借鉴。
1摇 研究区域概况及评价模型构建
1.1摇 研究区域概况
三峡库区位于北纬 28毅31忆—31毅44忆,东经 105毅44忆—111毅39忆之间,涉及湖北省和重庆市,总面积约 7.9 万
km2,总人口约 2937万人。 三峡库区地跨渝、鄂峡谷和川东低山丘陵区,背靠大巴山麓,南依云贵高原北缘。
强烈的造山运动所引起的海陆变迁和江水下切,形成了独特的峡谷地貌,同时也构成了一个相对独立的地理
单元[20]。 重庆三峡库区位于长江上游下段,东起巫山县、西至江津市、南起武隆县、北至开县,包括万州区、涪
陵区、渝中区、大渡口区、江北区、沙坪坝区、九龙坡区、渝北区、巴南区、长寿区、南岸区、北碚区、丰都县、武隆
县、忠县、开县、云阳县、奉节县、巫山县、巫溪县、石柱县、江津区等 22个区、县(自治县)(图 1)。
图 1摇 重庆市三峡库区行政区划
Fig.1摇 Three Gorges reservoir in Chongqing Administrative Map
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三峡库区的生态安全问题主要表现在两方面:第一,自然生态安全问题:水土流失严重,库区气候、地形、
土壤等条件使得该区水土流失严重,恢复能力差,对生态安全的影响较大;森林面积锐减,水库的修建占用大
量森林面积导致森林面积大量减少,不利于生态环境的可持续发展;生物物种减少,三峡水库的修建扰乱了水
生生物的生存状态,使大量水生物种濒临灭绝;自然灾害频繁,库区复杂的地形、多变的气候,以及植被覆盖的
大量减少导致该地区自然灾害频繁。 第二,社会生态安全问题:三峡移民,三峡水库的修建需要占用大量的土
地,因此带来的移民问题不可小觑,不仅影响到水库的修建同时还有可能导致社会动荡;文物保护,文物是宝
贵的历史文化遗产,而水库的修建使得大量文物古迹遭到破坏;人地矛盾,该地区人口超载,人地矛盾日益突
出,导致生态环境日益恶化[21]。
1.2摇 生态安全评价指标建立
目前对区域生态安全评价指标还没有达成共识,运用较多的有:第一,PSR(压力鄄状态鄄响应)模型,是现
在国内外生态安全评价的常用方法。 PSR模型能反映自然、经济和社会因素之间的关系,为生态安全指标构
造提供了逻辑基础;第二,DSR(驱动力鄄状态鄄响应)模型,这种模型的构造与 PSR 模型类似,但侧重于对生态
安全原动力的研究;第三,DPSEEA(驱动力鄄压力鄄状态鄄暴露鄄影响鄄响应)模型,这种模型是对 PSR 模型的一种
扩展,它更加细化了生态安全中各指标之间的关系;第四, DPSIR(驱动力鄄压力鄄状态鄄影响鄄响应)模型,它是
在 PSR和 DSR结合的基础上发展的模型,模型的优点是可以更加清晰地反应系统各指标之间的因果关系,也
可以综合体现环境、经济、社会各因素之间的制约关系,从而更好地说明区域生态安全的驱动力和压力,所处
的状态以及导致的社会经济影响和人文响应,得出的结果也就更符合实际情况,因此该模型综合运用于社会
经济可持续发展的各个方面[22]。
本研究在传统 DPSIR 模型的基础上进行了改进,完善了驱动力、压力、状态、影响和响应这 5 类指标因
子。 具体而言,改进后的 DPSIR模型驱动力因子更多的强调造成环境变化的潜在原因,目的在于描述社会经
济发展及人口增长所带来的生活方式的变化、生产和消费模式的改变等。 同时,改进后的 DPSIR 模型,不仅
仅关注环境的直接压力因子,更关注如何通过一定的因果关系模型来预测直接压力因子可能对环境现状造成
的影响。 此外,传统模型更多关注的是状态类因子,而改进后的模型不仅注重在驱动力和压力下的系统现实
表现, 更关注状态变化与生态状况、人类活动造成的环境影响之间的相互关系。 改进后的 DPSIR 模型的 5 类
指标完整地体现了生态安全的综合情况,更能够揭示潜在的社会经济“驱动力冶给区域生态安全造成“压力冶,
引起区域生态、环境的“状态冶改变,进而“影响冶人类活动, 最终促使一系列“响应冶措施的产生这一完整因果
链,从而为区域生态安全评价提供了较好的研究思路。 基于此,本文提出适合区域生态安全评价的 DPSIR 模
型框架。 根据区域的生态安全特征,驱动力指数(D)主要体现在造成重庆三峡库区环境变化的潜在原因,反
映了其社会经济发展的趋势,因此选取了人口增长率、城市化率和粮食产值 3 个指标来反映导致环境变化的
潜在原因;压力指数(P)以反映库区耕地质量状况和经济投资等方面的压力为主要内容,本文选择了耕地产
出率、生产性固定资产投资比和固定资产投资比作为指标来表现对环境造成的影响;状态指数(S)主要体现
经济方面的情况,以各产业国内生产总值的特征为主要内容,本文选取了净 GDP、单位林地产值、轻工业固定
资产投资率和重工业固定资产投资率 4个指标来表现该区域的经济发展状况;影响指数(I)是指系统所处的
状态对社会经济和环境的影响,以经济值和环境污染情况为主要内容,研究选择了环境污染量、森林覆盖率和
水土流失率 3个指标来反映区域生态安全的影响结果;响应指数(R)主要指面对社会经济和环境的影响,人
类所采取的积极措施,以环境响应为主要内容,因此选取了单位污染环保投资和污染处理率来表现人类对生
态环境变化的反映。 以复合生态系统理论为基础,综合考虑重庆三峡库区的社会、经济和环境的各个方面,并
且考虑其系统的协调性和可操作性,进行具体指标的选择,最终建立重庆三峡库区生态安全评价指标体系
(表 1)。
指标权重的确定方法有[23]:(1)主成分分析法,主要用于有多个成分的目标分析中,可以抓住该分析中影
响目标的最主要的成分,从而使得该分析重点突出,具有针对性,排除那些对目标作用不大的成分,但因为只
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是作用于对目标影响较大的成分,因此难免会忽略一些成分,从而使的分析的全面性不够;(2)多元线性回归
分析:主要作用于该目标在一段时间内的线性变化,可以更加直观的表现出目标的方向和趋势,因此可以采取
一定措施来增强或者改善某些元素,从而达到调高整体目标的目的,其缺点是由于各元素对目标具有相同的
影响,所以分析的结果因此而没有针对性,不能更有效的改善目标;(3)层次分析法,主要用于有隶属关系的
指标体系构建中可以使分析更加有条理。 该分析可分为目标层、准目标层、指标层等。 层层构建,分别得出所
占权重,最后得出目标层的综合指数。 本文采用的是 AHP 主客观结合赋值法,能把复杂系统的决策思维进行
层次化,将决策过程中的定性和定量因素有机结合起来,通过建立判断矩阵、排序计算和一致性检验后得到最
终结果。 其做法是首先通过分析各指标的相互关系,建立递阶的评价指标体系,然后邀请专家学者(增加专
家的数量和领域)的对评价指标打分,通过 1—9 标度法构建两两比较判断矩阵。 最后计算各指标的权重(表
1),并进行一致性检验。
表 1摇 重庆三峡库区生态安全评价指标体系
Table 1摇 Three Gorges Reservoir Ecological Security Assessment Index System
目标层
Target layer
准则层
Criterion layer
指标层
Index layer
总权重
Weight
A 生态安全综合指数 B1 驱动力指数 C1 人口增长率 0.076
Ecological security index C2 城市化率 0.063
C3 粮食产值 0.041
B2 压力指数 C4 耕地产出率 0.059
C5 固定资产投资比 0.051
C6 生产性固定资产投资比 0.049
B3 状态指数 C7 净 GDP 0.107
C8 单位林地产值 0.057
C9 重工业固定资产投资率 0.071
C10 轻工业固定资产投资率 0.026
B4 影响指数 C11 水土流失率 0.074
C12 森林覆盖率 0.089
C13 环境污染量 0.067
B5 响应指数 C14 污染处理率 0.091
C15 单位污染环保投资 0.079
2摇 重庆三峡库区生态安全系统动力学模型构建及不同情景模拟
2.1摇 系统动力学模型的建立及检验
2.1.1摇 模型的建立
系统动力学,系统动力学是结构的方法、功能的方法和历史的方法的统一。 它基于系统论,吸收了控制
论、信息论的精髓,是一门综合自然科学和社会科学的横向学科。 现已广泛应用于农林生态、 区域经济、城市
规划、矿藏及其安全、军事战略、行政管理及公共安全、教育管理、社会保障等各个领域[24]。 本文根据重庆三
峡库区的生态环境特征,构建模型结构和反馈关系,系统由经济子系统、人口子系统和环境子系统组成;由于
研究区域生态问题的复杂性,因此,在建立系统流程图时,以反映库区主要因果关系,选择影响库区生态安全
的核心因子,最终确定参数;使用专业软件 VensimPLE建模,模型运行时间为 2000—2050 年,仿真步长为 1a,
主要数据来源于《重庆市统计年鉴》,建立系统动力学模型的系统流程图(图 2),并确定其模型的主要方程式
和反馈关系。
2.1.2摇 模型的检验
本研究运用相对误差方法对所建立的 SD模型的运行结果进行检验,以 GDP 总量为例,检验结果(表 2)
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可以发现,2001—2007年的 GDP 仿真值和历史值的相对误差均在 10%以内,相对误差的结果较为理想,因此
认为变量通过检验。 其他变量的历史值也与此相似,通过历史检验。
图 2摇 重庆三峡库区生态安全的系统动力学模型流程图
Fig.2摇 System Dynamics Model Flowchart of Three Gorges Reservoir Ecological Security
表 2摇 GDP历史检验结果 (2001—2007年)
Table 2摇 GDP historical test results (2001—2007)
GDP /万元
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
历史值 Historical value 11523174 12976584 14838952 17729282 21347578 24407520 28023178
仿真值 Simulation value 11387300 12984200 14700600 16545100 20656300 22943400 25399800
相对误差 Relative error 0.0118 0.0006 0.0093 0.0668 0.0324 0.0599 0.0936
2.2摇 不同情景参数的设定及模拟
2.2.1摇 参数的设定
本研究中生态安全阈值的确定将是在考虑重庆三峡库区未来发展趋势和特征的基础上,通过比较不同发
展方案情景下 SD模型的模拟结果,提出符合库区发展的生态安全阈值,并进行检验。 因此,确定合适的系统
模拟方案,并根据需要选择模拟参数是本文的重要任务之一。
为了更好的实现重庆三峡库区生态安全的可持续发展,本文确定的 3 种模拟方案分别为自然状态型、资
源衰竭型和可持续发展型。 根据不同的发展方案来确定模型的主要参数,为了实现方案结果的客观性,选择
的主要参数应尽可能的遵循真实性原则。 在这 3种方案中自然状态型为重庆三峡库区生态安全指标的现状
值,相关参数来自于 2000—2010年《重庆市统计年鉴》;资源衰竭型表示区域生态安全依靠资源环境的损失
来实现其发展的状态,这种模拟方案参数主要取自于重庆市历年规划方案及统计年鉴中的指标上线;可持续
发展型表示区域生态环境状况与经济发展相互协调发展的状态,这种模拟方案的参数主要取自于重庆市历年
规划方案及统计年鉴中的指标下线。 最终得到各方案模拟变量的参数值(表 3)。 通过这 3 种不同情景的设
定来展示不同发展模式下,净 GDP 和环境污染量的增长趋势,从而为库区发展提高可靠依据。
2.2.2摇 不同情景模拟结果分析
本文所建立的系统动力学模型中,变量净 GDP 表示在社会、经济和环境状态模型下的国内生产总值减去
经济损失的值,环境污染量表示当前环境中的实际污染量,这些都可用于作为评价方案适用性的主要参考依
据。 系统模拟出的 2000—2050年的净 GDP、环境污染量的仿真值(图 3,图 4)。
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表 3摇 重庆三峡库区发展规划方案的主要参数值
Table 3摇 Development planning program忆s main parameters of Chongqing Three Gorges reservoir
参数
Parameter
自然状态型
Natural state
model
可持续发展型
Sustainable
development model
资源衰竭型
Resource
exhaustion model
固定资产投资比 Investment in fixed assets 0.3485 0.3 0.5
粮食产出率 Grain output ratio 1482.98 1200 1600
单位污染影响经济值 Unit pollution affects economic value 0.4 0.2 0.6
生产性固定资产投资比
Investment rate on productive fixed assets 0.914 0.8 1
单位林地产值 Unit value of woodlands 0.06 0.05 0.08
水土流失率 Soil erosion rate 0.0056 0.001 0.08
森林覆盖率 Forest coverage rate 0.24 0.9 0.6
污染处理率 Pollution treatment rate 10 13 9
单位污染环保投资 Unit pollution environmental investment 0.5 0.8 0.3
人口增长率 Population growth rate 0.00672 0.006 0.007
城市化率 Urbanization rate 0.29 0.4 0.9
从图中可以看出,各方案净 GDP 的趋势是呈上升的,其中可持续发展型的净 GDP 上升空间最大,资源衰
竭型的净 GDP 上升趋势最小,自然状态型则处于中间范围。
图 3摇 各方案模拟的净 GDP结果
Fig.3摇 Net GDP simulation results of the program
图中横坐标代表年份,纵坐标代表净 GDP 量(M表示百万)
图 4摇 各方案模拟的环境污染量结果
Fig.4摇 The amount of programs simulate environmental pollution
results摇
图中横坐标代表年份,纵坐标代表污染量(b表示十亿)
由系统模拟出的各方案环境污染量的结果可以看出,可持续发展型的环境污染量最小,可使环境保持在
较好的状态,而资源衰竭型则环境污染量最大,将会对环境造成较大的影响。
在自然状态型和资源衰竭型的发展模式下重庆三峡库区生态安全水平未来的趋势非常令人担忧,经济损
失量大,同时对环境也造成较大的影响(图 3,图 4)。 但是可持续发展型的模式则相对较好,净 GDP 发展上升
趋势明显,环境污染量都较小,是符合生态安全水平的发展模式。 因此,综合这 3 种发展模式,作为生态安全
评价和控制的参考标准,同时根据系统的模拟结果,得到最终的生态安全阈值。
3摇 生态安全指标阈值的确定及应用
3.1摇 生态安全指标阈值的确定
3.1.1摇 经济发展阈值
随着三峡工程的推进,重庆市三峡库区经济发展矛盾日益尖锐。 区内第一产业比重大,经济发展不平衡,
特别是郊区县经济发展落后,有 8个县属于国家扶贫工作重点县。 巨大的经济压力势必导致对资源的过渡开
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发和利用。 因此,库区未来经济发展的主要方向不应是追求经济增长的速度,而是实现库区生态安全的可持
续发展。 本文在系统动力学模拟的基础上认为重庆三峡库区未来几十年固定资产投资比处在 0.3—0.4 之间
较为合理。
3.1.2摇 环境保护阈值
提高污染处理率,加大单位污染环保投资是提高环境质量的有效措施。 参照模拟结果,认为污染处理率、
单位污染环保投资的较优值应为 8—15、0.4—0.8。 重庆市三峡库区地质疏松,自然植被少,水土流失严重,再
加上三峡工程的修建,因此为保护库区生态,森林覆盖率和水土流失率的大小显的尤为重要。 本文在模拟的
基础上认为 0.6—0.8和 0.05—0.086之间能够使库区在保持经济发展的同时,使生态安全得到有效的保护。
3.1.3摇 社会发展阈值
据重庆市统计年鉴,1997—2005 年间,超过全市人口年平均增长率。 作为典型的大城市大农村的地域结
构,农业人口所占比重大,占库区总人口的 67.8%。 狭窄的土地长期超负荷地承载密集的人口,人与粮食的矛
盾日益突出,人多耕地少且耕地质量差,可供开垦的后备耕地资源十分有限,大面积的毁林毁草开荒,加剧了
三峡重庆库区水土流失。 因此,本文认为库区人口增长率维持在 0.005—0.007 之间较为合适,城市化率则处
于 0.65—0.8之间较为合适。
3.2摇 阈值的验证
将上述确定的各指标阈值的下限值(表 4)代入到 SD模型中进行模拟,通过观察“净 GDP鄄GDP冶的值,可
以得到其验证结果如表 5所示。 从表 5可以看出 2008—2016 年,“净 GDP鄄GDP冶都是负值,但其数值在逐渐
减小,说明环境污染所造成的经济损失在逐渐缩小,到了 2017 年开始出现正值,说明生态安全得到了有效的
保护。 因此,可以认为总体验证结果比较适宜,所定的阈值基本上能够代表重庆三峡库区 2050年前生态安全
的主要特征。
表 4摇 重庆市三峡库区生态安全指标阈值及现状值的标准化结果
Table 4摇 Three Gorges Reservoir Ecological Security indicator threshold and standardized results
指标
Index
阈值 Threshold
下限值
Lower limit
上限值
Upper limit
现状值(2007)
Status value
标准化
Standardization
社会发展阈值 C1 0.007 0.005 0.011 0.64
Threshold of Social development C2 0.65 0.8 0.4 0.62
经济发展阈值 C3 0.6 0.8 0.75 0.8
Threshold of economic development C4 1100 1700 1483 0.74
C5 0.3 0.4 0.35 0.86
C6 0.8 1.1 0.95 0.84
C7 0.02 0.06 0.04 0.5
C8 0.048 0.08 0.072 0.67
C9 1 1.35 1.278 0.78
C10 1.1 1.82 1.481 0.74
环境保护阈值 C11 0.086 0.05 0.068 0.79
Threshold of environmental Protection C12 0.6 0.8 0.35 0.58
C13 0.02 0.002 0.017 0.85
C14 8 15 10 0.8
C15 0.4 0.8 0.5 0.8
3.3摇 生态安全指标阈值的应用
3.3.1摇 生态安全指标的标准化
由于各指标的性质不同,具有不同的单位,为了统一评价,有必要对评价因子进行无量纲化处理。 根据指
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标的性质,可以将其分为发展类指标即越大越好和限制类指标即越小越好两类。
发展类指标采用公式:
若 xij < S j,zij =
xij
Sij
( i = 1,2,3,···,n;j = 1,2,3,···,m);若 xij 逸 S j,zij = 1
限制类指标采用公式:
若 xij < S j,zij =
Sij
xij
( i = 1,2,3,···,n;j = 1,2,3,···,m);若 xij 逸 S j,zij = 1
式中, xij 为各项指标的现状值; Sij 为各项指标的阈值(下限值); n为评价区域数; m为评价指标数[17]。
运用确定的指标阈值对重庆三峡库区生态安全指标的现状值(2007 年)进行标准化后,结果如表 5。 从
表中可以看出 11个指标现有的情况参差不齐,且总体水平不高。 其高中得分较高的是固定资产投资比,除此
以外,污染处理率和单位污染环保投资也相对较高为 0.8。 单位林地产值、城市化率、人口增长率、森林覆盖率
为区域限制因子都在 0.7以下,其他因子则处于 0.7—0.8之间。
表 5摇 生态安全阈值的验证结果
Table 5摇 The verification results of ecological safety threshold
年份 Years 净 GDP Net GDP GDP 净 GDP鄄GDP Net GDP鄄GDP 验证值 Verification Value
2008 22777100 29037600 -6260500 -0.215599774
2009 24666800 30870000 -6203200 -0.200945902
2010 27686900 33910900 -6224000 -0.183539806
2011 30847000 37175300 -6328300 -0.17022862
2012 34157300 40679500 -6522200 -0.160331371
2013 40628900 44440500 -3811600 -0.085768612
2014 45273700 48477000 -3203300 -0.066078759
2015 50104400 51808800 -1704400 -0.032897886
2016 55724600 55757200 -32600 -0.000584678
2017 60378500 60145000 233500 0.003882284
3.3.2摇 生态安全综合评价
综合指数法是指在确定一套合理的经济效益指标体系的基础上,对各项经济效益指标个体指数加权平
均,计算出经济效益综合值,用以综合评价经济效益的一种方法。 根据综合指数法进行生态安全综合评价,先
将各指标标准化,然后进行加权计算,得到重庆三峡库区生态安全综合评价结果(表 6)。 从表中可以看出:
(1)2001—2007年重庆三峡库区的生态安全系数在逐渐升高,可见政府的环保政策和群众的环境意识起了很
大的作用,使得其指数得到有效的提高;(2) 2007年库区生态安全综合指数为 0.595,说明现在库区正处于敏
感时期,现阶段的指导措施将对未来发展起到关键作用,因此,政府部门应当做好防范措施,以确保实现库区
的可持续发展。
表 6摇 2001—2007年重庆三峡库区生态安全评价表
Table 6摇 Chongqing Three Gorges Reservoir Ecological Security Evaluation Form during 2001—2007
项目 Project 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
驱动力指数 Driving force index 0.110 0.112 0.113 0.114 0.114 0.115 0.116
压力指数 Pressure Index 0.058 0.059 0.059 0.060 0.060 0.06 0.062
状态指数 State index 0.052 0.059 0.177 0.209 0.229 0.265 0.285
影响指数 Impact index 0.031 0.033 0.034 0.041 0.047 0.05 0.052
响应指数 Response Index 0.041 0.053 0.064 0.065 0.067 0.079 0.080
综合指数 Composite Index 0.292 0.316 0.447 0.489 0.517 0.569 0.595
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4摇 讨论与结论
阈值代表一个临界值,生态安全的阈值是指实现生态安全可持续发展的范围。 目前国内还没有计算生态
安全阈值切实可行的模型和方法。 如数字模型法、生态模型法、景观模型法、数字地面模型法等,这些方法都
不同程度的表现出其优缺点。 数字模型法主要体现生态安全评价的综合性,整体性和层次性,但易将问题简
单化,难以反映系统本质。 生态模型法表达简明,易于理解,但过于强调社会经济对环境的影响而忽略其他环
境影响因素的作用。 景观生态学的方法相对较新,也表现出相当的适用性。 数字地面模型法是 RS 与 GIS 相
结合,采用栅格数据结构,叠加容易,逻辑运算简单能够实现和完成上述几种模型的评价运算。 本文采用的系
统动力学方法以反馈控制理论为基础,建立系统动态模型,主要特点是能方便地处理非线性和时变现象,能作
长期的、动态的、战略性的仿真分析与研究。
文章通过在系统动力学模型的基础上确定生态安全指标阈值。 重庆三峡库区是生态脆弱地区,由于三峡
工程的修建,进行了大量开发,生态系统遭到了不同程度的破坏。 再加上大量的移民工程,给库区生态安全带
来了巨大压力。 根据其特殊的地域特征,选取 GDP 总量、人口总量、环境污染量作为主要变量,粮食产出率、
森林覆盖率、水土流失率等指标作为其重要的参数因子,选取水土流失面积、净 GDP、污染处理量等作为评价
因子,最终建立了重庆三峡库区生态安全系统动力学模型和生态安全指标评价体系,并通过建立资源衰竭型、
可持续发展型和自然状态型 3种不同的情景进行模拟,从研究结果可以得出可持续发展型是符合库区生态安
全后续发展的优化模式,可以实现净 GDP 的良好增长并有效控制环境污染量,而其他两种模式则不符合其发
展要求。 其模拟结果为最终确定其阈值范围提供了重要的参考依据。 最后还将确定的阈值范围进行了检验,
最终得出的结果符合库区可持续发展的各项指标,验证了阈值的可行性,即在其阈值范围内进行的生态安全
活动可以有效实现其可持续发展的要求。
本文运用 DPSIR模型构建重庆三峡库区的生态安全指标体系,充分展示了区域生态安全指标体系的优
点,但仍有一些问题需要进一步分析和研究。 如:对于模型中各个指数包含的指标有不尽合理的地方且数量
也较少,所能反映的问题有限,并且当前的指标体系偏重于评价功能,对政策的指导作用相对比较弱。 然后运
用系统动力学模型通过动态模拟的方式进行计算,由此确定其生态安全指标的阈值并进行了检验,可以为相
关研究提供借鉴,同时也为有关部门制定相关政策提供指导作用。 但同时也有需要改进的地方如模型的建立
还需要完善,指标体系及其权重的确定还需要进一步研究,希望在以后的研究中有更大的提高。
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