計 琳，趙 林，方東明

（天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300072）

鄭州市位于黃土丘陵與黃淮海平原的過渡帶，土壤類型多樣。由于鄭州處于東引西進、城市化進程快速發(fā)展的地區(qū)，城市化引發(fā)的土壤質(zhì)量和環(huán)境問題十分突出[1]。經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，客觀上造成土壤生態(tài)環(huán)境壓力日益增大，污染程度漸趨加重。為緩解人地關(guān)系日益緊張的尖銳矛盾，尋求一條既能保障鄭州市經(jīng)濟發(fā)展對土地的需求又能使土壤環(huán)境承載力得到提高的有效途徑[2]是迫在眉睫的任務。系統(tǒng)動力學是一門基于系統(tǒng)論、控制論、信息論和計算機仿真技術(shù)的新興學科,用于研究與規(guī)劃復雜系統(tǒng)的未來行為和相應的長期戰(zhàn)略決策，具有獨特的優(yōu)點[3]。利用系統(tǒng)動力學的理論和方法,建立鄭州市土壤環(huán)境承載力的系統(tǒng)動力學模型（SD模型），通過對鄭州市城市社會經(jīng)濟系統(tǒng)的詳細考察和分析，提出多種優(yōu)化配置方案，并對每個方案的動態(tài)變化趨勢進行比較分析,找出最優(yōu)化發(fā)展方案，從而為鄭州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供科學的決策依據(jù)。

1 模型設計

1.1 系統(tǒng)辨識

系統(tǒng)包括人口、經(jīng)濟、環(huán)境共3個子系統(tǒng)。人口子系統(tǒng)，主要研究人口增長動態(tài)機制以及城市人口結(jié)構(gòu)。以總?cè)丝谧鳛槿丝谧酉到y(tǒng)的水平變量，其存量主要由自然增長率（出生率－死亡率）、凈遷入率決定。

經(jīng)濟子系統(tǒng)，主要研究城市各產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度，經(jīng)濟總量的動態(tài)變化。分別以第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值作為水平變量，GDP作為輔助變量，變量GDP與變量第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值通過變量第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重聯(lián)系起來。

環(huán)境子系統(tǒng)，主要研究廢水排放總量、工業(yè)煙塵排放總量以及固廢排放總量。

1.2 系統(tǒng)流程圖設計

根據(jù)對系統(tǒng)整體分析，識別出描述系統(tǒng)特征的狀態(tài)變量、速率變量和輔助變量，按照系統(tǒng)動力學流程圖的畫法規(guī)則，逐漸增添模型細節(jié)，得出系統(tǒng)的流程圖如圖1。

圖1 人口-經(jīng)濟-環(huán)境耦合的系統(tǒng)動力學流程圖

根據(jù)人口、經(jīng)濟、環(huán)境耦合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，并考慮到主要變量數(shù)據(jù)變化的穩(wěn)定性及變量間依存的特征，在借鑒相關(guān)文獻及國家標準的基礎上，參數(shù)的處理方法主要概括為三大類：第一類，對于已有參考模式且穩(wěn)定性較強的單變量的參數(shù)確定，采用歷史統(tǒng)計資料做算術(shù)平均、趨勢外推及經(jīng)驗值法。這一類變量主要有：出生率（0.009 4）、死亡率（0.004 6）、第一產(chǎn)業(yè)增長率（0.08）、第二產(chǎn)業(yè)增長率（0.20）等；第二類，對于變量間的關(guān)系不明顯或數(shù)據(jù)不完全的參數(shù)采用表函數(shù)的方式確定，變量間的關(guān)系是非線性的，這類參數(shù)主要有城鎮(zhèn)化率、人均生活污水排放量、人均生活垃圾排放量、工業(yè)廢水排放量、工業(yè)固體廢物排放量等；第三類，變量間的關(guān)系可以用函數(shù)表達式表示，這類變量之間存在比較明顯的函數(shù)關(guān)系，或者采用常用的方法進行模擬，求得其中的函數(shù)關(guān)系表達式，例如本研究中總?cè)丝?出生人口+死亡人口+遷移人口，城鎮(zhèn)人口=總?cè)丝凇脸擎?zhèn)化率等。

2 土壤環(huán)境承載力SD模型情景分析

2.1 設定情景模式

通過對鄭州市城市社會經(jīng)濟系統(tǒng)的詳細考察和分析，設定了4種發(fā)展情景。情景一，假定鄭州市按照現(xiàn)有發(fā)展模式發(fā)展；情景二，將大規(guī)模人口集聚反映到模型中；情景三，將較低規(guī)模人口集聚、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整反映到模型中；情景四，將較低規(guī)模人口集聚、較低經(jīng)濟增長速度、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及環(huán)境治理反映到模型中。主要參數(shù)如表1所示。

表1 4種發(fā)展情景主要參數(shù)設置 （%）

2.2 情景模擬對比分析

2.2.1 人口子系統(tǒng) 通過調(diào)節(jié)（人口）凈遷入率來控制人口集聚規(guī)模。模擬結(jié)果如圖2所示,總?cè)丝诜抡嬗嬎憬Y(jié)果如表2所示。依情景二，2020、2030年鄭州市人口將分別超過1 000萬和1 500萬。

2.2.2 經(jīng)濟子系統(tǒng) 圖3是在不同的第二產(chǎn)業(yè)增長率及第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重的條件下，人均GDP隨時間變化圖。依情景四，2020、2030年鄭州市人均GDP將分別達到15萬元和66萬元。

表2 總?cè)丝诜抡嬗嬎憬Y(jié)果 （萬人）

圖2 不同情景下總?cè)丝诘哪M

2.2.3 環(huán)境子系統(tǒng) 圖4是不同情景下，生活垃圾和生活污水排放量模擬值。依情景一，2020、2030年鄭州市生活污水排放量將分別達到36 894萬m3和67 833萬m3，分別為2008年生活污水排放量（27 374萬m3）的1.35倍和2.48倍。

圖3 不同情景下人均GDP的模擬

4種情景下鄭州市土壤環(huán)境承載狀態(tài)評價如圖5所示。情景一與情景二對比顯示，新增集聚人口會對土壤環(huán)境產(chǎn)生較大壓力，如產(chǎn)生更多的生活垃圾，排放更多的生活污水等，從而導致土壤環(huán)境承載力的下降。情景二與情景三對比顯示，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，降低工業(yè)產(chǎn)值比重有助于改善這種狀況（人口增加導致土壤環(huán)境承載力下降）。情景四與情景一對比顯示，進一步采取改善措施，如降低第二產(chǎn)業(yè)增長率，提高工業(yè)固廢綜合利用率等將會抵消新增集聚人口對土壤環(huán)境承載力產(chǎn)生的不利影響。

圖4 不同情景下的生活垃圾與生活污水排放量模擬

圖5 不同情景下鄭州市土壤環(huán)境承載力

3 結(jié)論

通過對比分析認為情景4為最優(yōu)化方案，即聚集較低人口規(guī)模，將人口凈遷入率控制在1.5%左右，適度降低第二產(chǎn)業(yè)增長率，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，同時提高城市生活垃圾和污水處理率，提高工業(yè)固廢綜合利用率，加大環(huán)境治理力度，2020年以后空氣質(zhì)量達標率將達到92%以上。2020、2030年鄭州市人均GDP將分別達到15萬元和66萬元，生態(tài)環(huán)境明顯改善，人與社會、環(huán)境和諧發(fā)展。在土壤環(huán)境承載力保持良好的發(fā)展趨勢下，經(jīng)濟和社會持續(xù)、健康發(fā)展。

[1]孫志英.城市化對土壤質(zhì)量演變的影響研究——以鄭州市為例[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學，2004.

[2]王 倩.中原城市群土地綜合承載力研究[D].開封：河南大學，2009.

[3]喻理飛.人為干擾與喀斯特森林群落退化及評價研究[J].應用生態(tài)學報，2002，13（5）：529-532.