基于突變理論的工業園區環境承載力動態評價方法

徐琳瑜,康 鵬,劉仁志 (北京師范大學環境學院,環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室,北京 100875)

工業園區是集社會經濟發展、資源環境消耗、人口于一體的面積較小的區域,在有限的面積內使經濟得到快速穩定的發展,其資源環境必定承受一定的發展壓力,探討其經濟社會發展是否在資源環境的可承受范圍內具有一定的實際意義[1-2].工業園區可持續發展的本質是資源環境系統的持續承載,因此可持續發展必須建立在生態系統完整、資源持續供給和環境長期有容納量的基礎上[3-4].

目前環境承載力一般涉及到城市、流域等,相關的環境承載力定義比較成熟.區域環境承載力是指在一定的區域范圍內,在維持區域環境質量不發生質改變的條件下,區域環境系統所能承受人類各種社會經濟活動的能力[5-6].對環境承載力的研究不僅關注量約束,并且考慮到質的影響,同時將社會經濟要素納入承載體系中.迄今為止文獻研究中較少有將環境承載力應用于工業園區發展規劃的實例[7-8].

環境承載力分析是區域環境問題研究的核心內容[9-11].目前運用到工業園區環境承載力評價方法較少,主要涉及到指標體系評價方法以及機理分析方法如層次分析法、多目標規劃方法[12].有些學者基于工業園區承載力的概念建立分級指標體系結合層次分析法應用到工業園區范疇[13-14].上述評價方法與模型在一定程度上開拓了工業園區環境承載力評價方法.由于園區系統的復雜性和模糊性,在其環境承載力的理論體系、評價指標及定量評價方法仍需進一步研究.依據上述分析,本文將工業園區環境承載力定義為:一定時期內,在保證園區可利用資源環境容量的合理利用、生態環境結構穩定和功能正常前提下,園區復合系統能夠承受社會經濟壓力的能力.

珠海富山工業園是珠海市四大工業園區之一,用地規模為151.59km2,規劃目標是形成電子信息、機械制造的優勢產業集群,初步建成以船舶工程、車輛制造等為核心的臨港產業集群以及以新能源、新技術、新材料為主的先進制造業集群,生態環境安全格局基本形成,循環經濟體系逐步完善,生態環境良性循環.由于園區發展表現出非線性、非連續等特征,而針對工業園區發展環境承載力評價較難體現這種非連續、階躍式的數理特征,尤其是考慮承載力系統潛在突變特性的研究還鮮見報道.因此本文將突變理論運用到富山工業園區環境承載力的發展趨勢研究,旨在解決工業園區環境承載力評價技術難點.構建突級變數法評價模型分析環境承載力的演變規律,通過相關情景分析方法,對其規劃不同情境下環境承載力變化趨勢進行評價分析.

2 工業園區環境承載力動態評價模型

突變理論的主要特點如下:1)突變理論可依據內部狀態變量和外部控制參量來描述自身系統行為,以及環境承載力指標體系,這里自然環境承載可理解為內部狀態變量,而外部控制參量可認為是人為環境承載力;2)可通過歸一化方法把突變系統內諸控制變量的不同質態統一為同一質態,能夠對不同時期下系統開展動態評價,特別針對工業園區規劃發展中環境承載力動態變化趨勢,該方法能夠綜合考慮規劃發展工業園區影響不同的因素,對不同時期下環境承載力狀態進行客觀評價.因此,突級變數法適用于工業園區環境承載力動態評價.

2.1 環境承載力動態評價理論

20世紀80年代,法國科學家托姆提出了結構穩定性和形態形成學,明確地闡明突變理論.所謂突變理論是指在系統演化過程中,某些變量的連續逐漸變化最終導致系統狀態的突然變化,即從一種穩定的狀態躍到另外一種穩定的狀態,提供了一種研究不連續性、質變突然產生和躍遷的普遍適應的方法[15].

表1 常見突變模型分歧方程Table 1 Common difference equations of mutation model

突變級數法的理論基礎是突變理論,主要利用動態系統的拓撲理論構造數學模型,從描述、預測自然現象與社會活動中事物連續性中斷的質變過程.勢函數通過狀態變量和外部控制參量來描述系統行為“突變理論”,將狀態曲面的奇點集映射到控制空間,得到狀態變量在控制空間的軌跡(分叉集),處于分叉集中的控制變量值會使勢函數發生突變,即從一種質態跳躍到另一種質態[16].突變理論的突變級數法一般將評價多目標進行多層次分主次的矛盾分解排列,逐漸分解到下一層子指標,從而構建出樹狀目標層次結構.因此突變系統里某狀態變量的控制變量一般不會超過4個,相對應的各層指標數通常也不超過4個.在表1中,x為突變系統中的一個狀態變量;V(x)為狀態變量x的勢函數.在突變系統中,系統勢函數的狀態變量和控制變量是相互矛盾的兩個方面.主要控制變量一般排在前,而次要控制變量排在后.如果一個指標可以分解為2個子指標,可視為尖點突變系統,依此類推,可以根據分解的指標數來確定突變模型.

2.2 評價指標體系

考慮到區域社會經濟與環境系統的復雜性和多樣性,衡量環境承載力的指標體系難以涵蓋區域所有活動,也不可能統一規定所有的指標,因此要從各子系統中選擇有代表性、易量化的指標做定性與定量相結合的分析[17].同時,對于工業園區這類不完全的人工生態系統,其自然資源的供給很大程度上依賴于腹地的支持,因此其所處的區域資源供給水平決定著其自然承載力.針對富山工業園區資源和環境態勢,根據園區現有經濟、技術開發條件下園區規劃發展對自然生態環境和生活質量可能產生的影響,建立環境承載力指標體系(ECCI),包括自然環境承載力(NECC)和人為環境承載力共同組成的環境承載力(HECC).

表2所示指標體系中,各類污染物環境容量剩余承載率等于該污染物環境容量減去污染物排放量與其環境容量的比值,水資源供需比等于園區各類活動的需水量(人口、工業活動、道路、人均綠地)與水資源供給和需求的比值,能源供需比類似.

2.3 基于熵權的突變模型構建

利用歸一化公式進行綜合評價,狀態變量所對應的各個控制變量計算出的值可以按照互補準則進行計算獲取.若系統各控制變量之間可互相彌補其不足時,按其均值取用.

表2 工業園區綜合環境承載力指標體系(ECCI)Table 2 Index system of environmental carrying capacity of an industrial park

每一層次中的各個指標按其相對重要性進行排序,利用熵權法對各級指標按照重要程度排序,建立遞級突變模型.在信息論中,熵值反映了信息無序化程度,其值越小,系統無序度越小,故可用信息熵評價所獲系統信息的有序度及其效用,即通過指標值構成的判斷矩陣來確定指標權重.通過權重大小判斷各指標的重要性,消除人為排序所存在的誤差,使評價結果更符合實際.

為解決模型參數量綱統一的問題,同時使原始數據在消除量綱后的取值限制在0～1之間,需要對原始數據進行預處理.對數值越大越好的正向指標根據式 (1)、對數值越小越好的負向指標根據式(2)進行處理.

熵值反映了信息無序化程度,其值越小,系統無序度越小,故可用信息熵評價所獲系統信息的有序度及其效用.由評價指標值構成的判斷矩陣來確定指標權重,它能盡量消除各指標權重計算的人為干擾,使評價結果更符合實際,其計算步驟如下:

1)根據熵理論,定義m個評價事物n個評價指標的熵值,其中m為規劃年限,m值為2007～2030年,m為24,n為環境承載力評價指標個數,n為13.可以確定評價指標的熵為

式中:ei為第i項指標的信息熵值;fij為標準化值;bij為運用上式(1)或式(2)指標無量綱化值.

利用熵值法估算各指標的權重,其本質是利用該指標信息的價值系數來計算,其價值系數越高,對評價的重要性就越大.最后可以得到第i項指標的權重:

運用式(1)～式(4)依據上述方法依次求出各指標值的權重大小,見表3.

表3 環境承載力指標值權重確定Table 3 Index weighting factors of environmental carrying capacity

圖1 園區環境承載力突變級數法評價結構Fig.1 Catastrophe progression of evaluating model on environmental carrying capacity of an industrial park

依據上述權重計算方法,在模型的構建過程中,將評價總指標進行多層次矛盾分解,構成樹狀目標層次結構,從評價總指標到下層指標再到下層子指標,原始數據只需要知道最下層指標的數據即可,而同一指標的下一級指標通過相互間重要程度進行對比排序,即重要指標排在前、次要指標排在后.

根據上述權重結果及控制變量維數,構建富山工業園區環境承載力突變評價結構如圖1所示.

2.4 評價的分級標準

由于歸一公式的特點,突變級數法計算得出的評價值一般較高,很難從常規上對其“優”、“劣”做出直觀判斷.因此,根據研究區域特點,在常規的等級標準基礎上,制定出適應自身特點的等級標準,這是本研究具有實用價值的關鍵.常規等級標準將安全度由低到高依次劃分為5個評價等級,將區域環境承載力評價標準分類為弱承載力、較弱承載力、適中承載力、較高承載力,高承載力最終結果見表4.以上設定的環境承載力綜合指數分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0,需將絕對意義下各級承載指數轉換為突變級數法下的各級綜合評價值,進而制定出突變級數法下的各級分級標準.

研究中評價標準轉換思路為:在指標體系給定的前提下,設指標層各指標相對隸屬度均為x,從理論意義上講,此時評價指標體系的準則層、目標層各指標隸屬度也均應為x,然后根據圖1中相應的突變模型可計算出該等級下準則層和目標層的綜合評價值(表4).

表4 環境承載力評價等級標準Table 4 Evaluation standards of environmental carrying capacity

3 富山工業園區環境承載力動態評價

3.1 環境承載力指標值的動態預測

建立工業園區環境承載力指標系統動力學關系,用以預測各指標在不同年份的數值.

根據工業園區各產業主要資源消耗,針對水、大氣、固廢等生態環境要素,考慮各類污染物處理率和處理量,通過現有園區的污染物處理設施規模及水平來預測模擬園區最終污染物的排放量,同時兼顧園區主要污染物的環境容量,計算得出各環境要素中承載剩余的狀態.

環境子系統由大量復雜的參數和關系式構成,以水環境污染物產生以及處理為例,園區水資源供需和工業活動對水環境影響主要通過不同工業行業的萬元需水量以、廢水產生率和廢水中產生COD、氨氮來表征,環境保護效果由廢水處理率和廢水中污染物總量下降率來表現,其數量關系式如式(5)～式(8)所示.系統模擬如圖2所示.

依此方法,同時構建大氣環境和固廢STELLA模擬關系.此外,在資源供需部分考慮園區水體供需能力,能源供需方面的模擬、固體廢物處理設施建設以及相關基礎設施的建設,主要參考珠海市相關的基礎設施建設規劃及其園區發展建設規劃.

圖2 富山工業園區環境子系統中水環境部分STELLA模擬示意Fig.2 Water environment system model in Fushan industrial park of the dynamic system simulation

依據富山工業園區工業行業的特點,將其工業行業類型分為電子信息產業、機械制造產業、建材家居產業、紡織加工產業和其他產業.經濟子系統中參數包括起始年的各類行業的工業產值,各類行業的發展增長速率,以及水資源和能源需求.該子系統用園區工業總產值作為狀態變量,各類工業園區不同行業發展的增長速率主要參考園區工業行業規劃發展.園區人口子系統,以區域人口作為狀態變量;園區年出生人口、園區年死亡人口、園區年凈遷人人口作為速率變量,其環境屬性主要通過人均用水量,生活污水產生系數、生活污水中COD和氨氮含量,通過連接生活污水處理達標率,處理過程中污染物的降低量.其參數關系式如式(9)～式(12)所示,園區發展模型構建如圖3所示.

圖3 富山工業園區人口經濟發展STELLA模擬示意Fig.3 Population and ecomonic development model based on the dynamic system simulation in Fushan industrial park

式中:Ws為園區人口總需水量,t;Bs為人均生活用水量,t/人;N為園區總人口數;Vs為生活污水產生量,t;SDCs為生活用水污水產生率;M(COD)為人口COD總排放量,t;[COD]s為生活污水中COD的濃度,kg/m3;M(NH4+-N)為人口氨氮總排放量,t;[NH4+-N]s為生活污水氨氮的濃度,kg/m3;SDT為污水處理率;DPC為處理過程中污染物下降比例.

對系統動力學模型檢驗目的是驗證所建立的模型是否較好地反映系統的本質特征和主要的環節.選取園區總人口、工業總產值、總用水量和水體、大氣污染物排放總量和固體廢物排放量等主要指標為代表,另外一些主要規劃預期值也作為模型檢驗的重要依據.結合兩者的數據,以2007年為起始,輸出預測2010年的模擬結果,與歷史數據比較誤差＜2%的概率為52.6%,誤差＜5%的概率為87.5%,誤差＜10%的概率為95.7%,說明模型有足夠的有效性.

3.2 環境承載力動態評價結果

收集富山工業園現狀數據,并根據所建立系統動力學關系模型預測各指標在2007～2030年數值,利用所構建的評價模型開展工業園區環境承載力評價,結果見表5.

表5 富山工業園區環境承載力評價結果Table 5 Results of environmental carrying capacity assessment in Fushan industrial park

從自然環境承載力評價來看,由于園區大規模產業規模和人口規模遷入,不斷增加的工業生產生活活動消耗大量的資源環境的容量,由最初的第二等級下降到規劃末期的第四等級,環境承載力下降的幅度不大,其下降速率隨規劃發展越來越快.從人為環境承載力來看,其評價值由最初的第三等級上升到規劃末期的第二等級,從上述的趨勢來看,規劃初期上升的速度太快,主要得益于園區基礎設施建設所取得的效益,但到了園區規劃的末期,園區上升的趨勢不如規劃初期那么明顯.

通過對工業園區規劃建設中環境承載力分析得出:工業園區環境承載力評價主要由自然環境承載力和人為環境承載力構成的燕尾突變.結合表4和表5對比分析可以看出,由規劃基準年處于第二等級,初期的園區建設對其環境承載力影響不大,到規劃初期末2015年,環境承載力呈現出一定上升的趨勢,上升幅度不大,伴隨著一定的波動.隨著園區的社會經濟活動進一步建設,由于工業園區規劃建設的發展,資源環境的消耗,到了規劃后期環境承載力出現了一定下降的趨勢,但園區環境承載力下降趨勢不大,仍處于同一等級.

3.3 規劃情景分析

由于富山工業園區處于規劃建設初期,園區建設還存在較大的不確定性和隨機性,在前面研究的基礎上,進一步提出相應的環境保護措施.在上述基礎上建立好園區動態預測模型基礎上,設定不同情景發展的趨勢,其各種情景構建如下:

情景1,保持富山工業園區現有發展趨勢下,參考廣東省有關污染物處理設施投資情況,設定各種污染物產生系數隨科學技術水平提高而下降的情景見表6:

表6 情景1中不同規劃年污染物含量(%)Table 6 Content of the pollutant in environment of different planning year under scenario 1(%)

情景2,參考國內先進工業園區發展的趨勢,主要參考其工業單位產值能耗和污染物排放水平,具體排放趨勢見表7:

表7 國內先進工業園區萬元產值污染物排放和能耗水平Table 7 Pollutant emission and energy consumption per 1,0000 Yuan RMB in advanced industrial park

情景3,參考國內工業園區的發展趨勢,通過已經建立好的系統動力學模型進行模擬,結合情景一下各環境介質中污染物下降水平及大小,設計降低有關污染物參數來模擬發展變化趨勢.

運用突變級數法對3種情景下其環境承載力進行評價.評價結果如表8所示.

利用突變級數法對工業園區規劃建設中環境承載力進行評價的結論如下:工業園區環境承載力主要是自然環境承載力和人為環境承載力構成的燕尾突變.3種情景下的環境承載力變化趨勢基本一致,都是規劃中前期上升,中期出現一定波動,中后期出現一定程度的下降.情景2評價值在規劃中后期之前都大于情景1,到了規劃中后期,情景2評價值略低于情景1評價值.而情景3的數值都高于情景1和情景2的數值,而注意到到規劃末期,末期下降趨勢明顯比前兩者低.

通過上述情景分析得出,伴隨著園區發展,各種污水、廢氣的排放量也相應增加,雖然園區現有生態環境保護基礎設施建設會在一定程度上緩解園區發展對生態環境的影響,但仍具有提高環境承載力的潛力.因此提倡通過發展循環經濟,進一步加強完善生態環境保護基礎設施建設,加大節能、降耗與消減污染物的力度;從工業生活的節水與工業廢水重復利用的角度,提高水資源的利用效率,減少工業園經濟社會活動對其生態環境的影響,協調富山工業園社會經濟與生態環境保護的關系,工業園在規劃建設期間,合理有效地利用前期所余留的環境承載力.

表8 不同發展情景下的環境承載力評價值Table 8 Results of environmental carrying capacity assessment under different scenarios

4 結論

4.1 本文利用系統動力學構建的遞級突變模型可從內外兩種作用角度動態評估環境承載力和壓力的變化趨勢.

4.2 研究表明園區自然環境承載力于規劃中后期處于下降的趨勢,下降的趨勢伴隨著園區規劃發展速率越快;而人為環境承載力伴隨著園區規劃建設處于上升趨勢,規劃建設初期的上升趨勢最為迅速.

4.3 研究所構建評價模型科學合理,可用于工業園區規劃發展中環境承載力評價,也可對工業園區規劃發展提供合理科學的建議.

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致謝：論文英文摘要及英文圖表標題由尹心安博士幫忙修改語言.