李 明， 王曉鳴

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

我國(guó)正處于城鎮(zhèn)化和新農(nóng)村建設(shè)的快速發(fā)展時(shí)期，生態(tài)村建設(shè)是新農(nóng)村建設(shè)發(fā)展的重大課題，是落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、建設(shè)城鄉(xiāng)和諧社會(huì)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展綱要的重要支撐內(nèi)容。農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)是生態(tài)村結(jié)構(gòu)功能、空間布局、生活方式及文化傳承的核心內(nèi)容。通過住區(qū)建設(shè)生態(tài)技術(shù)級(jí)配、建設(shè)系統(tǒng)及子系統(tǒng)間動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)耦合機(jī)制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)功效水平大幅提高和系統(tǒng)運(yùn)行能耗值適度降低的優(yōu)化目標(biāo)。

1 農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)分析

1.1 農(nóng)村生態(tài)住區(qū)研究綜述

生態(tài)住區(qū)及其建設(shè)研究始于20世紀(jì)90年代初，集中在歐洲和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的大城市郊區(qū)。國(guó)外生態(tài)住區(qū)建設(shè)注重居住功能與自然環(huán)境的和諧發(fā)展與規(guī)劃；強(qiáng)調(diào)清潔能源的合理開發(fā)和使用，如太陽能利用；選擇資源回收再利用方式，如雨水收集及污水處理循環(huán)使用技術(shù)；堅(jiān)持建筑節(jié)能材料的研究和使用，如墻體節(jié)能保溫材料和節(jié)能窗的利用；突出社區(qū)文化和活動(dòng)的營(yíng)造，如每周開展社區(qū)活動(dòng)等[1～4]。

農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)是一個(gè)合理利用自然資源，以提高農(nóng)民生活條件和生活質(zhì)量、改善農(nóng)村人居環(huán)境為目標(biāo)，以基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、住房建設(shè)改造、清潔能源利用、節(jié)能技術(shù)推廣和環(huán)境污染治理等為主要內(nèi)容，統(tǒng)籌規(guī)劃經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和資源環(huán)境發(fā)展，從而取得經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源和環(huán)境效益全面協(xié)調(diào)的農(nóng)村建設(shè)發(fā)展系統(tǒng)。

根據(jù)自組織耗散結(jié)構(gòu)理論，農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)是一個(gè)開放的、遠(yuǎn)離平衡態(tài)、非線性的系統(tǒng)。農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)要素涉及目標(biāo)、時(shí)序和資源等內(nèi)容[5～6]，見圖1。

圖1 農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)要素組成

1.2 農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)構(gòu)成

農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)以建設(shè)活動(dòng)為基本核心內(nèi)容，涵蓋建設(shè)全過程包括規(guī)劃設(shè)計(jì)和建造實(shí)施等，并以基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為特色，注重建造過程中集成的實(shí)用建設(shè)技術(shù)，突出建造后期運(yùn)營(yíng)管理。農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)以建設(shè)活動(dòng)開展為時(shí)序軸線，涉及資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)方面的關(guān)鍵影響因素，包括：土地利用、建筑材料利用、建筑設(shè)備利用、勞動(dòng)力利用、清潔能源利用、水資源利用、收入水平、建設(shè)投入、建造成本、生活成本、預(yù)期經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、碳排放、室內(nèi)環(huán)境、綠地景觀、社會(huì)參與、科技支撐、社區(qū)文化、培訓(xùn)推廣和居民認(rèn)知等。農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)見圖2。

圖2 農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)構(gòu)成

2 農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)耦合機(jī)理

2.1 耦合原理

農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)[7]。研究農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)的目的就是通過分析各子系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)鍵因素及子系統(tǒng)間的相互影響關(guān)系，運(yùn)用科學(xué)模型和計(jì)算使投入系統(tǒng)的能耗最低，系統(tǒng)產(chǎn)出最大，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部能量損失最的優(yōu)化關(guān)系和模式。

耦合是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的系統(tǒng)或運(yùn)動(dòng)方式之間通過各種相互作用而彼此影響以至聯(lián)合起來的現(xiàn)象，是在各子系統(tǒng)間的良性互動(dòng)下，相互依賴、相互協(xié)調(diào)、相互促進(jìn)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系[8]。

根據(jù)協(xié)同學(xué)原理，通過計(jì)算系統(tǒng)間耦合作用和協(xié)調(diào)程度，可以判斷系統(tǒng)在達(dá)到臨界區(qū)域時(shí)走向何種序與結(jié)構(gòu)，或者系統(tǒng)由無序向有序的發(fā)展趨勢(shì)。系統(tǒng)由無序走向有序機(jī)理的關(guān)鍵在于系統(tǒng)內(nèi)部序參量之間的協(xié)同作用，它左右著系統(tǒng)相變的特征與規(guī)律，耦合度正是反映這種協(xié)同作用的度量[9]。

從控制論的角度來看，內(nèi)穩(wěn)態(tài)是系統(tǒng)的基本性質(zhì)，而系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)是在負(fù)反饋機(jī)制作用下的結(jié)果，功能耦合系統(tǒng)中只要有兩種事物存在耦合，就必然包含著信息傳遞的回路，因而耦合造就了內(nèi)穩(wěn)態(tài)和維系它的負(fù)反饋調(diào)節(jié)。生長(zhǎng)是功能耦合網(wǎng)的擴(kuò)大，它需要更多的子系統(tǒng)耦合起來，而內(nèi)穩(wěn)態(tài)的作用在于可以建立耦合，使原來無關(guān)的一些隨機(jī)變量(或系統(tǒng))成為一個(gè)耦合系統(tǒng)[10]。農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)耦合控制機(jī)制見圖3。

圖3 農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)耦合控制機(jī)制

2.2 農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)耦合機(jī)理

農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)中建造系統(tǒng)包括建造全過程、基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)應(yīng)用，是核心關(guān)鍵子系統(tǒng)。資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)等系統(tǒng)作為支撐和約束子系統(tǒng)影響決定建造子系統(tǒng)，因此，建立基于建造子系統(tǒng)為主分量以資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)為子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)耦合控制系統(tǒng)。

2.2.1建造-資源子系統(tǒng)耦合

資源子系統(tǒng)包括土地利用、建筑材料利用、建筑設(shè)備利用、勞動(dòng)力利用、清潔能源利用、水資源利用等。土地影響和決定農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)的空間布局，生態(tài)住區(qū)要體現(xiàn)土地集約和優(yōu)化利用水平，建筑材料、建筑設(shè)備、清潔能源和水資源等決定設(shè)計(jì)、施工工藝和建造技術(shù)等綜合應(yīng)用能力，勞動(dòng)力決定建設(shè)方式和建造效率等，同樣，建造子系統(tǒng)也受影響和制約于資源子系統(tǒng)。建造-資源子系統(tǒng)耦合機(jī)制見圖4(a)。

2.2.2建造-經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)耦合

經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)包括收入水平、建設(shè)投入、建造成本、生活成本、預(yù)期經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)等。收入水平影響農(nóng)村住區(qū)建設(shè)的整體實(shí)力和參與方式，直接決定建造系統(tǒng)的各方面，建設(shè)投入制約建造中使用的建造技術(shù)、建造工藝和建造的成果，建造成本決定建造方式、內(nèi)容和水平，生活成本體現(xiàn)農(nóng)村生態(tài)住區(qū)的運(yùn)營(yíng)消耗水平和生活水平，預(yù)期經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與建造子系統(tǒng)互促互利。建造-經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)耦合機(jī)制見圖4(b)。

2.2.3建造-環(huán)境子系統(tǒng)耦合

環(huán)境子系統(tǒng)包括碳排放、室內(nèi)環(huán)境、綠地景觀等。碳排放反映和表征建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)施工運(yùn)營(yíng)及建造技術(shù)應(yīng)用水平，室內(nèi)環(huán)境和綠地景觀受制于規(guī)劃設(shè)計(jì)主題和風(fēng)格，影響基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和住區(qū)運(yùn)營(yíng)管理。建造-環(huán)境子系統(tǒng)耦合機(jī)制見圖4(c)。

2.2.4建造-社會(huì)子系統(tǒng)耦合

社會(huì)子系統(tǒng)包括社會(huì)參與、科技支撐、社區(qū)文化、培訓(xùn)推廣和居民認(rèn)知等。建造全過程需要社會(huì)的參與，科技支撐強(qiáng)弱決定建造中使用的技術(shù)應(yīng)用情況和建設(shè)投入，規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)管理需考慮和融入社區(qū)文化背景，建造實(shí)用技術(shù)需進(jìn)行大力培訓(xùn)推廣，對(duì)建造系統(tǒng)的居民認(rèn)知決定建造適應(yīng)性和整體效果。建造-社會(huì)子系統(tǒng)耦合機(jī)制見圖4(d)。

圖4 農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)耦合機(jī)制

3 農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)耦合測(cè)度

3.1 耦合測(cè)度方法

由于農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)各子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)性與復(fù)雜性，本文以復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)分析的思路，采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法并結(jié)合容量耦合系數(shù)模型[11]，分析農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)及以建造子系統(tǒng)為主分量的各子系統(tǒng)間耦合關(guān)聯(lián)和協(xié)調(diào)程度。

灰色關(guān)聯(lián)度是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度，作為衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法[12]。對(duì)系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢(shì)提供了量化的度量，適合動(dòng)態(tài)變化分析。

3.2 耦合測(cè)度模型及計(jì)算步驟

(1)確定分析序列。農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)的分析序列包括建造子系統(tǒng)序列組ci、資源子系統(tǒng)序列組Rj、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)序列組Ecj、環(huán)境子系統(tǒng)序列組Enj和社會(huì)子系統(tǒng)序列組cj。

(2)數(shù)據(jù)無量綱化。采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理。以建造子系統(tǒng)序列組為例，其他類同：

(1)

(3)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)。關(guān)聯(lián)系數(shù)是兩個(gè)相比較的序列在第t時(shí)刻(或區(qū)域)的相對(duì)差值，選擇鄧氏關(guān)聯(lián)度計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)[13]。以建造-資源子系統(tǒng)為例，其關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算公式為：

ξij(t)=

(2)

(4)耦合關(guān)聯(lián)度模型。將關(guān)聯(lián)系數(shù)按樣本數(shù)k求其平均值后可以得到一個(gè)關(guān)聯(lián)度矩陣γ，反映子系統(tǒng)間耦合的錯(cuò)綜復(fù)雜關(guān)系。關(guān)聯(lián)度γ的表達(dá)式為：

(3)

(5)子系統(tǒng)耦合度。為進(jìn)一步從整體上分析子系統(tǒng)間耦合情況，本文采用系統(tǒng)關(guān)聯(lián)耦合度模型[14]，計(jì)算公式為：

(4)

式中：C(t)為耦合度。

(6)農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)耦合度模型。根據(jù)容量耦合的概念及容量耦合系數(shù)模型，得到多個(gè)系統(tǒng)相互作用耦合度模型(表1)，系統(tǒng)耦合度計(jì)算公式為：

Cn={(C1×C2×…×Cn)/∏(Ci+Cj)}1/n

(i=1,2,…,n;j=1,2,…n)

(5)

表1 耦合度取值范圍及含義[15]

4 堰河村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)耦合

4.1 堰河村概況

堰河村生態(tài)住區(qū)位于湖北省谷城縣堰河新村，生態(tài)住區(qū)共13戶農(nóng)房和1棟村民公共建筑，住區(qū)屬于“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目示范基地，住區(qū)建設(shè)包括新村規(guī)劃設(shè)計(jì)、房屋和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、環(huán)境整治和改善工程建設(shè)、社區(qū)及信息化建設(shè)等[16]。

4.2 堰河村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)耦合計(jì)算

建設(shè)系統(tǒng)構(gòu)成及指標(biāo)見表2。運(yùn)用Matlab7.0編程和計(jì)算，得到建造-資源、建造-經(jīng)濟(jì)、建造-環(huán)境和建造-社會(huì)子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，子系統(tǒng)間耦合度隨時(shí)間變化曲線見圖5，農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)復(fù)合系統(tǒng)耦合度隨時(shí)間變化曲線見圖6。

表3 堰河村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)構(gòu)成及指標(biāo)

圖5 不同時(shí)刻各子系統(tǒng)間耦合程度變化

圖6 不同時(shí)刻農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)復(fù)合系統(tǒng)耦合度變化

(1)建造-資源子系統(tǒng)間耦合度區(qū)間范圍為[0.65，0.70]，處于磨合耦合階段，土地、建筑材料、建筑設(shè)備、勞動(dòng)力、清潔能源和水資源等資源利用水平及對(duì)建造子系統(tǒng)的貢獻(xiàn)程度處于磨合居中階段，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段充分考慮了生態(tài)住區(qū)建設(shè)模式處于較高耦合水平，在實(shí)施和運(yùn)營(yíng)管理階段由于資源利用效率和水平的降低，耦合水平呈降低趨勢(shì)，但在建設(shè)過程周期維修改造階段對(duì)資源再利用和生態(tài)技術(shù)的需求，耦合程度持續(xù)升高。

(2)建造-經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)間耦合度區(qū)間范圍為[0.58，0.59]，處于磨合耦合階段，收入水平、建設(shè)投入、建造成本、生活成本、預(yù)期經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)等經(jīng)濟(jì)因素及指標(biāo)表征建造子系統(tǒng)的水平處于耦合中間階段，在生態(tài)住區(qū)建造壽命期內(nèi)耦合程度基本不變，整體水平不高，受農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入影響及建造后期經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)水平限制。

(3)建造-環(huán)境子系統(tǒng)間耦合度區(qū)間范圍為[0.62，0.68]，處于磨合耦合階段，碳排放、室內(nèi)環(huán)境、綠地景觀等環(huán)境體系對(duì)建造子系統(tǒng)的影響和貢獻(xiàn)處于居中階段，規(guī)劃設(shè)計(jì)建造的實(shí)施，室內(nèi)外環(huán)境不斷改善，系統(tǒng)間耦合程度呈上升趨勢(shì)，但運(yùn)營(yíng)和維修階段由于人的活動(dòng)及建造對(duì)環(huán)境的影響碳排放量增加，耦合程度降低。

(4)建造-社會(huì)子系統(tǒng)間耦合度區(qū)間范圍為[0.54，0.75]，處于磨合耦合階段，社會(huì)參與、科技支撐、社區(qū)文化、培訓(xùn)推廣和居民認(rèn)知等因素對(duì)建造子系統(tǒng)的影響和貢獻(xiàn)程度處于中間階段，規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，科技支撐及社會(huì)參與等系統(tǒng)間耦合程度高，建造實(shí)施階段耦合程度下降，運(yùn)營(yíng)和維修階段，由于技術(shù)水平和居民的認(rèn)知提升，耦合程度不斷上升。

總的來說，農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)耦合程度處于[0.63,0.69]，處于磨合耦合階段，系統(tǒng)間的貢獻(xiàn)和影響程度不高。規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，生態(tài)住區(qū)先進(jìn)的建設(shè)理念、科技的支撐、建造材料和方式的選擇等影響，耦合程度高；建造實(shí)施過程中，資源的消耗方式、建設(shè)的投入和建造水平等影響，耦合程度大幅降低；在運(yùn)營(yíng)和維修階段，農(nóng)民的預(yù)期經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、環(huán)境的改善和居民的認(rèn)知等影響，耦合程度呈上升趨勢(shì)。

5 結(jié) 論

(1)農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)復(fù)合系統(tǒng)以建造子系統(tǒng)為主分量，包括建造、資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)等子系統(tǒng)。

(2)農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)復(fù)合系統(tǒng)各子系統(tǒng)間存在耦合影響和貢獻(xiàn)，建立了基于鄧氏灰色關(guān)聯(lián)度的農(nóng)村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)耦合測(cè)度模型。

(3)運(yùn)用模型測(cè)算堰河村生態(tài)住區(qū)建設(shè)系統(tǒng)耦合度為[0.63,0.69]，整體上處于磨合耦合階段，系統(tǒng)間的貢獻(xiàn)和影響程度不高，規(guī)劃設(shè)計(jì)階段耦合程度高，建造實(shí)施耦合程度大幅降低，運(yùn)營(yíng)和維修耦合程度呈上升趨勢(shì)。

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