环境生态学论文

环境生态学论文第1页，课件共40页，创作于2023年2月可持续生态河道水资源管理的对象—生态河道水资源-河道生态系统状况与社会-经济发展的综合随着人类的发展，特别是工业革命以来，人口不断增长，人类社会活动增加，科技飞速发展，经济也在不断飞速发展，当然伴随着资源消耗量不断增加，生态河道水资源危机也从“开始出现”到“日益突出”，带来的环境问题也越来越大。反过来又在不同程度上制约着经济增长、社会进步。社会、经济、水资源、环境相互联系、相互制约、互为因果。可持续生态河道水资源的目的，是为社会经济的发展和河道生态与环境的保护提供源源不断的水资源，因此，可持续生态河道水资源的研究的对象系统应该界定在河道社会经济-生态河道水资源-河道生态复合系统上。第2页，课件共40页，创作于2023年2月第3页，课件共40页，创作于2023年2月可持续生态河道水资源管理新的准则（即量化准则）：

可承载性：地球生命支撑系统部遭到破坏的最大承受能力，在这里就是指河道生态系统。有效益：可持续发展要求经济投入和生态河道资源管理带来的发展是一种有效益的发展（包括经济效益、社会效益、环境效益等）。可持续：可持续发展不仅考虑到当代人，而且顾及到后代人。不仅要保证现代的发展，而且要保证未来的发展，使发展处在不断增加的趋势。第4页，课件共40页，创作于2023年2月建立可持续生态河道水资源管理指标体系概念：可持续生态河道水资源管理指标体系是度量河道社会经济-河道水资源-河道生态复合系统发展特征的参数。通过衡量其质量的好坏判断是否符合可持续水资源管理准则，来定量评估水资源开发、利用和管理的可持续性。可持续生态河道水资源管理指标应具备的功能：能描述和表征任一时刻河道社会经济、水资源、生态与环境的法杖状况和变化趋势。能体现出河道社会经济、水资源、生态与环境的发展协调程度。能反映出河道存在的水问题及其产生的根源。第5页，课件共40页，创作于2023年2月建立可持续生态河道水资源管理指标体系的原则（1）科学性原则：指标体系一定要建立在科学的基础上，能够较客观、真实地反映系统的内涵，较好地度量水资源管理的状况、方略、规划目标。（2）完备性原则：要求指标体系覆盖面广，能综合反映水资源管理的各个方面。（3）可操作性原则：选择的指标应当简单且易于解释，易于定量表达，易于取得数据且费用合理。（4）主导性原则：建立指标时尽量选择那些有代表性的综合指标。（5）独立性原则：度量可持续水资源管理的指标往往存在信息上的重叠，所以要尽量选择那些具有相对独立性的指标。（6）动态性原则：由于可持续水资源管理考虑的是一个变化的社会系统和生态河道系统，建立的指标体系就应该定期更新，能够显示随时间变化的趋势。建立指标时，上述原则既要综合考虑又要区别对待。第6页，课件共40页，创作于2023年2月指标体系的筛选方法频度统计法、理论分析法和专家咨询法筛选指标。采用此法来满足科学性和完备性原则，如此建立的指标成为一般指标法频度统计法：对目前有关可持续发展与生态河道水资源管理评价研究的报告、论文进行频度统计，选择那些使用频度较高的指标。理论分析法:对河道社会经济-水资源-生态复合系统可持续发展的内涵、特征进行分析综合，选择那些重要的发展特征指标。在初步提出评级指标的基础上，征询有关专家的意见进行调整。主成分分析法和独立性分析法筛选指标。为满足指标的主导性和独立性原则，对具体指标系统进行主成分分析和独立分析，选择出内涵丰富又相对独立的指标构成体系。主成分分析：首先计算各发展特征内部指标间的相关系数，得到相关系数举矩阵；第二，选出相关置信度有一半以上（包括一半）大于0.95的指标，筛选掉的是独立指标，它们将与独立性分析得到的指标共同描述发展特征；第三，分别计算出指标的平均相关系数并求出平均相关系数的平均值；第四，选出相关系数有一半以上大于总体评价相关系数的指标。独立性分析：指标独立性的高低取决于指标间的相关程度。对于选出的主成分指标，定义相关系数大于等于0.9的指标为重复指标并加以合并。第7页，课件共40页，创作于2023年2月可持续生态河道水资源管理指标体系的一般构成

社会经济指标社会经济指标主要由描述和表征人口、经济、社会、科技等发展的指标集合组成，大致可以分为以下几部分：人口发展指标。即人口密度或人口总数，人口增长率趋势。人口是可持续发展的关键部分，人口增长是复合系统发展的主要驱动因子之一。在可持续生态河道水资源管理中，我们主要考虑的是反映人口状况、与社会用水量相关的指标。经济发展指标。即人均GDP现状，GDP增长率趋势，工业产值模数，人均粮食产量，工业总产值占GDP比重，水利投资系数。社会发展指标。即社会安全饮用水比例，人均耕地面积。社会的发展进步是衡量可持续发展的主要依据。科技发展指标。灌溉用水定额，工业用水重复利用率。科技是实施可持续发展的重要环节。科技的发展能够减少环境的污染，降低单位产值的资源消耗。水资源需求指标。即耕地灌溉率，城镇需水比例，需水量模数，人均需水量，单位GDP需水量，需水增长率，污径比。第8页，课件共40页，创作于2023年2月水资源指标水资源指标主要由反映水循环状况和水资源开发利用情况的指标集组成，包括水质和水量两个方面。水资源总量指标。即人均水资源量，水资源模数，亩均水资源量，径流系数，干旱指数。水资源质量指标。即水质等级水资源开发指标。即水资源利用率，人均可供水量，供水量模数，供水增长率，地下水供水比例，需水工程供水比例，跨流域调水比例，供水普及率。水资源使用指标。即总用水量，农业用水比例，工业用水比例，生活用水比例。生态与环境指标总体质量指标即生物多样性指标。主要由多样性指数、均匀度和优势度三个方面表征。植被质量指标。即森林覆盖率、操场面积比，载蓄量，植被面积变化率。河湖质量指标。即河湖水体矿化度，主河长缩减率，湖泊面积缩减率，水库面积变化率。土地质量指标。即盐泽化面积比，盐泽化面积变化率，地下水平均矿化度，沙化面积比，沙化面积变化率，沙化区地下水地位埋深，水土流失面积比，土壤侵蚀模数，河道输沙量。生态需用水指标。即河道外生态需水量，河道内生态需水量，生态与环境需水率，生态与环境缺水率。综合评价指标。主要从宏观层次上选择那些反映复合系统发展特性的指标和反映子系统间协调程度的指标。包括人均社会净福利，生态与环境质量，水资源承载力，缺水率，洪灾频数。第9页，课件共40页，创作于2023年2月挑选指标的一般要求：具有代表性，是反映该区的主要指标；简单易于量化、易于获得数据；覆盖面要广；具有一个可以对照比较的目标值或标准值；符合可持续水资源管理指标选择原则。第10页，课件共40页，创作于2023年2月优化技术与模拟技术简介⑴优化技术

①线性规划模型——目标函数和约束条件都是线性函数求解线性规划模型的常用方法是单纯形法，即根据问题的目标，在由约束条件切割成的凸多面体各极点中，从一个极点转移到相邻极点，使目标函数值逐步增加（或减小），直到目标函数值达到最大（或最小）时为止。此时，极点所对应的决策变量值就是最优解。

②非线性规划模型——目标函数或约束方程中有一个或多个非线性函数第11页，课件共40页，创作于2023年2月

如果非线性规划模型比较简单时，实际应用时常采用线性化技术，把非线性方程近似地用一系列线性函数表示，再用线性规划方法求解。常用的线性化技术有变量分割法、可分规划法等。如果非线性规划模型比较复杂，不能采用线性化技术进行处理，就只能用非线性规划方法求解。求解的方法不外乎两类，一类是解析解；一类是数值解。⑵计算机模拟技术

计算机模拟技术，是仿造真实物理系统的情况下，利用电子计算机模型（或模拟程序），模仿实际系统的各种活动，为制定正确决策提供依据的技术。第12页，课件共40页，创作于2023年2月

应用计算机模拟技术解决实际问题的主要内容与步骤有三个：①建立系统的计算机模型（或模拟程序）。②运用模型进行计算（或实验）。③分析模拟计算结果，并作出决策。其中必须注意的关键问题有：建立可靠的模拟模型；确定输入，也就是如何划分拟选方案；输出结果择优标准的确定。第13页，课件共40页，创作于2023年2月

调查研究、提出问题、分析问题量化分析建立模型确定输入模拟计算输出结果最优方案选择方案分析与模型使用模型评估输出结果结束系统分析修改模型不满意满意优选技术方案拟定第14页，课件共40页，创作于2023年2月优化技术在水资源配置中的应用

水资源优化配置，就是针对水资源系统，利用优化技术方法，依据一定的目标（单一目标或多目标），在水资源系统的综合约束条件下，使水资源配置达到目标最优的过程。水资源优化配置的发展是与优化技术相联系的，也就是说，水资源优化配置仅仅是优化技术在水资源配置中的一种应用。为现经济社会发展、水资源利用、生态系统保护的协调发展和综合目标最大，应用优化技术来协调水资源系统各要素之间的关系，保证经济社会可持续发展。

第15页，课件共40页，创作于2023年2月水资源可持续利用理论*水资源可持续利用理论概述

水资源可持续利用（SustainableUtilizationOfWaterRe-sources），是指保障生态系统完整性和支撑经济社会可持续发展的水资源开发利用方式。

实现可持续发展是水资源可持续利用的目标。这一目标涉及到社会、经济发展和资源、环境保护等多个方面，以及它们之间的相互协调，同时，也涉及到国际间、地区间的广泛合作、全社会公众的参与等众多复杂问题。

第16页，课件共40页，创作于2023年2月可持续发展的量化准则

⑴可承载——处在可承载的最大限度之内，以保证人类福利水平至少处在可生存状态⑵有效益——以保护自然环境为基础，以改善和提高生活质量为目标，与资源、环境的承载能力相协调，创造出经济效益、社会效益以及环境效益⑶可持续——要考虑当代人，也要顾及到后代人。不仅要保证现代的发展，而且要保证未来的发展，使发展处在不断增长的趋势

第17页，课件共40页，创作于2023年2月可持续发展的量化研究方法

1）基于“社会净福利函数”的量化方法——DanielP.Loucks于1997年提出

社会净福利函数，是对国民收入（GDP）的一种“绿化”，是从GDP中扣除恢复生态系统良性循环所需的支出后，得到的一个新指标，也称为净经济福利。第18页，课件共40页，创作于2023年2月

其计算公式如下：

式中：为第T个时段选择第k个方案时所对应的净福利；为第T个时段选择第k个方案时所对应的GDP；为第T个时段选择第k个方案时恢复生态系统良性循环所需的支出，其值包括生态系统破坏所造成的经济损失值和恢复生态系统所需的各种费用。第19页，课件共40页，创作于2023年2月

可持续发展目标的量化方法：

①效益最大化——用N时段内“净福利”最大表示

式中：为第T个时段选择第k个方案时所对应的净福利；T为从现在到未来的一个时段；T的取值为1,2,…N

；N为系统可有效预测的最大时段个数（如每5年为一个时段，30年预测期内N=6）；k为第T个时段的决策变量（方案）；r为第T个时段的贴现率。

第20页，课件共40页，创作于2023年2月

②可生存——满足人类最低生活标准

式中：

为第T个时段选择第k个方案时所对应的人均GDP；为当前人们满足最低生活标准所需的人均GDP；

为第T个时段选择第k个方案时所对应的生活总需求资源量；为满足人们生理与生活所需的最小资源需求量；为第T个时段选择第k个方案时所对应的环境质量；为满足人们生活、生产及享乐需求的最低环境质量标准。（对经济社会系统的要求）（对资源系统的要求）（对生态系统的要求）第21页，课件共40页，创作于2023年2月

③可承载——资源、生态系统可承载

（资源可承载）

（生态系统可承载）

式中：为资源总需求量；为最大可供资源量；为对应生态系统承载能力阈值的净福利。

④可持续——经济社会系统表现为人均净福利不断增长；资源系统表现为系统资源总需求量和总可供资源量调配得当、相差不大；生态系统表现为环境质量逐步改善第22页，课件共40页，创作于2023年2月

（经济社会）（资源系统）（生态系统）

式中：

为第T个时段选择第k个方案时所对应的人口总数；为第T个时段选择第k个方案时系统资源总需求量；

为第T个时段选择第k个方案时系统总可供资源量；ε为资源总需求量与总可供资源量两者匹配调节值；为第T个时段选择第k个方案时所对应的环境质量。第23页，课件共40页，创作于2023年2月

将“效益最大化”作为可持续发展的目标函数，“可生存”、“可承载”、“可持续”作为可持续发展的约束条件，便可构造出可持续发展的一般数学模型。根据上述模型，能够十分清楚地将区域发展的轨线描绘出来，很容易判定系统是否处于可持续发展状态及其存在的问题。第24页，课件共40页，创作于2023年2月

净福利指标有效益，但不可持续和生存可持续、可生存，但效益不一定最大可生存，但无效益、不可持续T图5-9几种典型“净福利指标”轨线图

第25页，课件共40页，创作于2023年2月

2）基于“发展综合指标测度”的量化方法

⑴“可承载”程度的量化方法——用模糊数学中的隶属度量化

假如反映“可承载”能力的因子有多个。现考察任一指标e，对应的隶属度μ(e)。μ(e)称作“单指标（或单因子）e可承载隶属度”，它是对“可承载”程度的一种度量。为了无量纲化以及能使单因子间互相比较，采用下面的指标转换：对于单因子指标e，选定“可承载”限度e0，当e越大，可承载程度也越大时（如人均粮食产量），定义当e越大，可承载程度越小时（如水体矿化度），定义第26页，课件共40页，创作于2023年2月

对于某单因子在T时刻指标，描述的可承载程度为（隶属函数可据具体情况选定）。多个因子组成的整个系统的可承载隶属程度描述如下：式中：n1为系统有n1个因子被考虑是否可承载；LI(T)为系统在T时段可承载隶属度；

为第因子的指数权重，可根据因子的重要程度给赋值，也可以采用变权法计算得到。第27页，课件共40页，创作于2023年2月⑵“有效益”的量化方法

①“经济增长”指标EG(T)

取经济学指标（如，国民生产总值、工农业总产值、人均国民生产总值等）SP。设初始年SP值为基准值SP0。为了使数据无量纲化，可以进行初始化，令。

隶属函数（也可以根据具体情况另选）来量化表示“经济增长”指标：

式中：为待定系数。

第28页，课件共40页，创作于2023年2月

②发展综合指标测度DD(T)——将“可承载”隶属度LI(T)

与EG(T)

结合起来

式中：是分别给定“经济增长”EG(T)、“可承载”LI(T)的一个指数权重。根据其重要程度，给赋值。通常可取。

DD(T)是系统在T时段“发展综合指标测度”，DD(T)∈[0，1]。

③可持续发展目标函数——效益最大

(BTI)

为消除时段个数不同带来的差异（且具有可比性），拟采用效益的平均值来衡量。

第29页，课件共40页，创作于2023年2月

令BTI=，称BTI为“目标函数值”。

“可持续发展”要求发展给人类带来尽可能大的经济效益，兼顾“可承载”准则，可以用目标函数值最大来衡量，即⑶“可持续”准则的量化及可持续发展态势的判定

可持续发展不仅要求满足“发展”（包括“可承载”、“有效益”准则），而且要求发展是“可持续”的（即发展是持续提高的）。

第30页，课件共40页，创作于2023年2月

对于发展综合指标测度DD(T)，“可持续”准则定义为：

DD(T)≥DD(T-1)。令，如果T=1，约定）。按照“可持续”准则的定义，给出T时段相对T-1时段发展持续提高的隶属函数（也可以根据具体情况另选），如下式：

是整个系统在T时段相对T-1时段发展是否持续提高的一种度量，但它还不能判别全时段发展是否是良性的、满足可持续发展定义的发展。还要对发展态势进行判别。第31页，课件共40页，创作于2023年2月

定义全时段发展相对可持续性的隶属度（简称“态势隶属度”）为：

SDDT

式中：N为整个时段个数（如N年）；N0为选定的常数（如5，10，…，N）。

依据实际资料，我们至少可以根据社会、经济、资源、环境画出“发展综合指标测度”DD(T)曲线图。

根据该图就可以判定发展是不是可持续发展，发展的态势如何，以及研究区的发展水平，进而优选可持续发展途径。

第32页，课件共40页，创作于2023年2月

图5-10是假设的3种发展过程DD(T)曲线。

过程1是符合可持续发展定义的发展；过程2和过程3都是不可持续发展。

另外，根据T时段的DD(T)值大小也可以判定该地区的发展水平。从图中可以看出，在T1时段之前，尽管过程3明显比过程1发展水平要高，但这仅仅是暂时的，从全时段来看，过程3是不可持续发展。第33页，课件共40页，创作于2023年2月图5-10可持续发展判别曲线示意图

第34页，课件共40页，创作于2023年2月5.5.4水资源可持续利用优化模型

用前面介绍的量化方法建立满足可持续发展的水资源管理模型。⑴目标函数

要求“发展”的目标函数BTI值达最大。也就是在某一特定的时段，在满足一定条件下，使N个时段的总效益达到最大（即目标函数值BTI最大）。即

(BTI)=

⑵约束条件

第35页，课件共40页，创作于2023年2月

①可承载——系统可承载程度达到某一最低水平（设LI0）

LI(T)≥LI0

有时在T=1时段以前，由于一些原因，使得可承载能力较低或丧失严重。针对具体情况，应规划到某一时刻T1要求其达到该条件，则

LI(T)≥LI0，T≥T1

②可持续——态势隶属度超过某一最低水平（设SDDT0）

SDDT≥SDDT0

③其他约束将目标函数和约束条件组合在一起就构成了水资源可持续利用优化模型。

第36页，课件共40页，创作于2023年2月

由于该模型T时段的以后过程受其以前的演变过程所影响，显然不符合运筹学中动态规划的重要性质——无后效性，因此该模型不是一个动态规划模型，只能说成是一个多阶段优化模型。另外，由于有水资源转化模型等子模型的嵌入以及隶属函数的引入，该模型又是一个非线性优化模型。