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基于复杂性与不确定性理论的城市生态规划系统分析方法

作　者: 苏小康
导　师: 曾光明；黄国和
学　校: 湖南大学
专　业: 环境工程
关键词: 城市生态系统耗散结构不确定性模拟优化
分类号: X321
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

城市生态系统是人类社会与经济发展的重要载体,是与人类生产生活关系最为密切的系统。当前,各种城市生态环境问题困扰着城市的发展,如何有效的控制城市生态环境恶化,走可持续发展的道路已经成为城市发展的热点问题。城市生态规划作为促进城市可持续发展的重要手段起着非常重要的作用,但由于城市生态系统本身的巨大与复杂,相关的规划理论与方法还很不完善,特别是定量化的理论与方法更为缺乏。本文基于系统科学最新的理论研究成果(复杂性理论与不确定性理论相关成果),定性与定量相结合,对城市生态系统及其子系统进行研究,为城市生态系统规划、管理与决策提供基础信息。定性的分析表明,城市生态系统是一个开放的、远离平衡的复杂的巨系统,是一个具有耗散结构特性的系统,运用耗散结构理论等复杂性相关理论对其进行探讨与研究有其必要性和合理性。本文提出了城市生态系统的熵的概念,并根据产生的原因,将城市生态系统的熵分为组分熵、结构熵、功能熵、合时熵和环境熵5类,明确实现城市可持续发展必须增强城市生态系统的自组织能力,具体工作可从以下几个方面展开:保持非平衡状态;增强与外界的交流;积极应对变化;推动动态协作与选择性地放大涨落。定量化研究城市生态系统必须确定重要的系统变量。本文基于湖南省社会经济发展实际统计数据,运用K均值聚类法与系统聚类法对城市生态系统评价指标体系进行分类,并在分类的基础上利用主成分分析法确定各分类的主成分。分析结果表明,指标体系所包含的31项指标可以被较为合理地分为5类,各分类的第一主成分所解释的方差都接近或超过总方差的70%。在专家的指导下,结合实际,选取人均国内生产总值、COD排放强度、城市水功能区水质达标率、城市化水平与恩格尔系数5个指标作为定量分析需要重点考虑的指标。河流子系统是城市生态系统重要的子系统,本文在河流水质领域展开了三个方面的研究:信息熵理论在河流二维水质模型数值计算中的应用、河流随机水质规划与风险分析、底泥五氯酚污染动力学模拟。(1)用不确定性的观点考察了复杂河段污染物在有限单元法网格中的分布,引入污染物分布概率密度,在此基础上提出了单元网格信息熵概念,并进一步提出了利用最大信息熵原理对有限单元法的网格大小进行优化的准则。在给定网格长度的条件下,结合河流水质模型有限单元法理论,提出了单元网格最大信息熵优化模型。在未知河流断面流速场数据的条件下,结合河流单宽流量估算方法,可应用此模型来优化有限单元法的网格大小,从而避免了以往网格凭经验划分的随意性和盲目性。在湘江衡阳河段应用此模型,求得当网络长度为100m时,最大网格宽度为16m,最优网格宽度值为11m;最优网格宽度值对河流流量Q的变化灵敏度小于0.2,对河流平均水深H的变化灵敏度平均小于1。(2)利用随机变量处理水质参数和污染负荷的波动,采用Monte Carlo模拟方法,完成了湘江随机水质模拟,并对传统的排放口最优规划结果进行了风险分析;在此基础上,考察了风险水平与最小污水处理费用之间的变化关系。结果表明:由传统的确定性模型进行规划,部分河段水质超标的概率大于0.4;污水处理费用随着风险水平的增加而降低,但变化曲线不是平滑的,而是在小范围内有所波动。按照风险水平要求,决策人员根据模拟结果可得到比确定性规划更可靠的决策方案。(3)针对8组不同的湖泊(河流)底泥物质对五氯酚的吸附动力学实验数据,基于Matlab程序建立了相关吸附动力学的径向基函数神经网络(RBFN)模型和自适应神经模糊推理系统(ANFIS)模型,并进行了模拟与预测的对照研究。结果表明,虽然底泥的物理化学性质略有差异,但8组底泥物质对五氯酚的吸附过程遵循同样的内在规律。液相五氯酚浓度、可逆吸附量、不可逆吸附量对模型的训练与预测有相同程度的影响,在底泥五氯酚吸附动力学模拟中,这三个因素都不可忽视。RBFN与ANFIS均能较好的模拟与预测吸附过程,比传统的斐克第二定律更好的反映了系统内部变化特征,尤其是RBFN具有更高的精度与容错能力,用来模拟与预测湖泊底泥物质对五氯酚的吸附过程是完全可行的。在人口子模型的研究上,基于美国人口分布的空间结构模型,根据耗散结构理论自组织建模原理,考虑城市人口内部不同区域人口变化分异特征,依据耗散结构自组织过程建模思想,将城市区域人口之间的迁移耦合作用纳入到城市人口模型中来,尝试建立了城市区域人口动态演化自组织模型,并对模型的解法及典型计算结果进行了讨论。在长沙市的实际应用中,预测了长沙市未来百年九个区域人口动态演化情景。未来几十年内,全长沙市的人口将主要向城市中心的五个区集中,其中雨花区尤为突出,而开福区则相对来说吸引力稍弱。基于人口分布动态演化自组织模型,运用耗散结构理论的的建模思想,建立了城市生态系统耦合模型体系。该模型体系选取城市总人口(包括城市各分区人口)、产业产值、资源获取量和排污量等作为控制变量,模型体系共包括人口发展模型、资源模型、工业模型、农业模型、第三产业模型、资源分配模型和排污模型等7个子模型。在人口模型中,引入了决定人口流动的吸引势;而产业发展模型中,运用动态约束项描述各产业的发展前景。模型体系比较全面的反映了城市生态系统各子系统的变化,并且通过参数的耦合建立起各子模型之间的相互作用与联系,构成了整个城市生态系统耦合模型体系。存在的不足是:模型体系参数众多,求解困难。比如各产业的内禀最大产值的确定需根据实际情况来确定具体的函数形式,这使得模型在实际应用中对使用者的要求很高,而由众多偏微分方程构成的模型体系的求解对一般工程人员来说也是难以完成的。在进一步的研究中,必须明确模型参数的确定方法,完成模型求解软件的编写,增强模型的适用性。经过适当的简化以后,模型被应用于湖南省城镇生活垃圾总量的模拟与预测。模型考虑了不同类型人群的垃圾生产能力的差异,计算结果呈现曲线变化,较好的反映了实际变化情况。在定义城市工业-环境系统超熵的基础上,提出了城市工业-环境系统的超熵产生判据模型。在甘肃省白银地区的实际应用表明,模型理论计算能较好地符合实际,考察时段内白银地区对环境污染治理的投入过少,使环境污染成为城市工业可持续发展的大障碍。以水资源-水环境系统作为城市生态系统优化研究的示范对象,利用区间参数描述水资源-水环境系统中缺乏分布信息的不确定性变量,利用随机参数描述水资源-水环境系统中具有随机分布特性的变量,利用模糊隶属度函数描述系统的可靠性信息,建立了水资源-水环境系统不确定两阶段优化模型IFTSP模型。IFTSP模型不仅可以将第一阶段决策纳入第二阶段规划中来,而且可以提供其他模型不能提供的变量变化空间与系统可靠性信息。应用模型于湖南省湘西自治州的水资源-水环境系统规划,结果表明:湘西自治州当前供水能力严重不足,即使在平水年,农业用水依然存在很大的缺口。在未来的2010年,城市与工业用水配额可取其最大值,而农业用水目标只能取其最低值,整个系统供水缺口很大,系统净收益在70.7亿元至325.11亿元之间,其对应的系统可靠性在0.0493~0.9742间变化。如果流量水平已经确定(即已经确定是特旱年、干旱年或平水年),不同乐观程度的决策者可以根据IFTSP模型计算出的系统最大收益与相对应的可靠性进行决策。由于城市生态系统的巨大与复杂,本文还只能说是尝试性的研究,虽然基本上构建了城市生态系统及其主要子系统的分析、辨识、模拟、预测、评价与优化的框架,但整个研究成果还不完善。比如在城市生态系统模型体系中还未能直接纳入河流水质问题,只考虑了排污模型,并且模型体系的参数确定与求解方法还没有得到有效解决;在评价判据的研究中还只是提出了城市工业-环境系统的超熵产生判据,还未能提出整个城市生态系统的评价判据;在优化模型体系中虽然能够利用不确定性理论与方法处理相关的不确定性,但整个优化模型体系还未能建立,本文的研究只是提出了与水资源-水环境系统的相关的管理决策支持模型系统。在以后的研究中,还需要进一步的探讨上述问题,才能建立更加完善的城市生态规划系统分析方法体系。

全文目录

摘要  7-10
ABSTRACT  10-14
插图索引  14-15
附表索引  15-16
第1章绪论  16-28
  1.1 城市生态环境问题与城市生态规划  16-19
    1.1.1 城市生态环境问题  16-17
    1.1.2 城市生态规划  17-19
  1.2 城市生态规划系统科学理论与方法  19-26
    1.2.1 耗散结构理论、协同学与分形理论  19-23
    1.2.2 不确定性处理的随机、模糊与区间数方法  23-26
  1.3 论文结构与主要内容  26-28
第2章城市生态系统特征与评价指标  28-54
  2.1 城市生态系统——耗散结构  28-35
    2.1.1 城市生态系统耗散结构特征  28-30
    2.1.2 城市系统的熵  30-32
    2.1.3 对城市生态环境规划的启示  32-35
  2.2 城市生态系统评价指标体系  35-53
    2.2.1 研究概述  35-36
    2.2.2 研究对象  36-37
    2.2.3 研究方法  37-43
    2.2.4 计算结果与讨论  43-53
  2.3 本章小结  53-54
第3章河流水质模拟与优化  54-97
  3.1 信息熵理论在河流水质模型数值计算中的应用  54-70
    3.1.1 有限单元法简介  54-55
    3.1.2 变换矩阵G 的一般形式  55-57
    3.1.3 边界网格的修正  57-60
    3.1.4 信息熵的应用  60-70
  3.2 河流水质风险分析与随机水质规划  70-84
    3.2.1 多河段一维随机水质模型  70-75
    3.2.2 Monte Carlo 模拟  75-77
    3.2.3 案例研究  77-84
  3.3 底泥五氯酚污染特性研究  84-95
    3.3.1 前言  84
    3.3.2 研究对象与数据测定  84-87
    3.3.3 模型的建立  87-90
    3.3.4 计算结果与灵敏度分析  90-94
    3.3.5 讨论  94-95
  3.4 本章小结  95-97
第4章城市人口区域分布动态演化自组织模型  97-114
  4.1 城市体系演化的人口单变量模型  97-101
  4.2 人口分布的空间结构模型  101-105
    4.2.1 人口分布机制  101-103
    4.2.2 数学模型  103-105
  4.3 城市人口区域分布动态演化自组织模型  105-113
    4.3.1 模型的建立  105-107
    4.3.2 模型的求解与讨论  107-111
    4.3.3 实例应用——长沙市区域人口动态演化预测  111-113
  4.4 本章小结  113-114
第5章城市生态系统耦合模型体系  114-123
  5.1 城市生态系统耦合模型体系  114-118
    5.1.1 城市生态系统的自组织过程  114
    5.1.2 变量的选取  114-115
    5.1.3 城市资源与环境系统协调控制模型体系  115-118
  5.2 模型的简单应用——湖南省城镇生活垃圾总量预测  118-123
    5.2.1 城镇生活垃圾总量影响因素分析  119
    5.2.2 模型简化  119-120
    5.2.3 预测结果  120-121
    5.2.4 结果分析  121-122
    5.2.5 本章小结  122-123
第6章城市工业-环境系统的超熵产生判据  123-130
  6.1 理论简介  123-124
  6.2 城市工业-环境系统的广义超熵产生模型  124-126
    6.2.1 城市工业-环境系统的广义熵表述  124
    6.2.2 城市工业-环境系统的广义超熵产生  124-126
  6.3 理论例证——白银地区城市工业-环境系统分析与调控  126-129
    6.3.1 白银地区现状判定与分析  126-127
    6.3.2 白银地区工业-环境系统调控讨论  127-129
  6.4 本章小结  129-130
第7章区域水资源-水环境不确定两阶段优化配置  130-148
  7.1 简介  130-131
  7.2 IFTSP 模型  131-140
    7.2.1 区间参数定义  131-134
    7.2.2 水资源-水环境优化配置IFTSP 模型  134-140
  7.3 实例研究  140-146
    7.3.1 研究对象系统概述  140-141
    7.3.2 模型计算与结果分析  141-146
  7.4 本章小结  146-148
结论  148-152
参考文献  152-164
附录A 攻读博士学位期间发表的论文目录  164-166
附录B 攻读学位期间参与编写的著作目录  166-167
附录C 攻读学位期间参与的研究课题  167-168
致谢  168

基于复杂性与不确定性理论的城市生态规划系统分析方法

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