1、第 39 卷第 2 期河 南 农 业 大 学 学 报Voi.39No.22005 年6 月Journai of Henan Agricuiturai University!Jun.2005收稿日期：2005-03-26基金项目：河南省自然科学基金资助项目（99401180）作者简介：张荣（1973-），女，河南郑州人，助教，硕士，从事系统工程研究工作.文章编号：1000-2340（2005）02-0229-06城市可持续发展系统动力学模型及实证研究张荣，梁保松，刘斌，张慧（河南农业大学，河南 郑州 450002）摘要：结合可持续发展思想和系统动力学方法，建立了城市可持续发展系统动力学模型；以郑
2、州市为例探讨了城市可持续发展系统的模拟和调控等有关问题，并对郑州市的可持续发展提出了政策性建议.关键词：城市可持续发展；系统动力学模型；模拟；实证研究中图分类号：N 945文献标识码：AStudy on System Dynamics Model of Urban SustainableDevelopment and DemonstrationZHANG Rong，LIANG Bao-song，LIU Bin，ZHANG Hui（Henan Agricuiturai University，Zhengzhou 450002，China）Abstract：Based on the sustaina
3、bie deveiopment theory and the method of system dynamics，system dynamics modei ofurban sustainabie deveiopment is estabiished.Then demonstration study is carried out with Zhengzhou as an exampie todiscuss the probiems of the modeiing and reguiating of urban sustainabie deveiopment system.Finaiiy，sev
4、erai sugges-tions are put forward for decision making for the sustainabie deveiopment of Zhengzhou City.Key words：urban sustainabie deveiopment；system dynamics modei；simuiation；demonstration study人类在享受现代文明带来的高度物质文明的同时，也感到了环境恶化带给人们的种种不便.随着工业化的发展，各种城市问题不断出现，使人们意识到城市发展不能单纯追求经济的增长，资源、环境、经济、社会必须协调发展.只片面强
5、调经济增长，资源衰竭、环境恶化最终会制约城市的发展.城市走可持续发展之路是城市发展的必然选择.城市的可持续发展也是人类的可持续发展.作者运用系统动力学方法，建立了城市可持续发展系统动力学模型1，并利用该模型以郑州市为例在计算机上进行了仿真模拟及调控研究.1模型选择城市可持续发展强调的是资源、环境、经济、社会的协调发展，因此必须本着系统思想将资源、环境、经济、社会纳入一个大系统中考虑.城市可持续发展系统是复杂的社会经济系统.社会经济系统本身不仅有清晰、确定的相互关系，还存在着模糊、随机的因素，因而很难用传统的数学方法描述.而按照系统动力学理论建立起来的系统动力学模型能描述系统内部各种非线性的逻辑
6、函数与延迟因素.系统动力学注重系统的内部机制与结构，强调单元之间的关系与信息反馈，因而擅长处理高阶数、多回路和非线性的时变复杂系统与巨系统的问题.故作者选择系统动力学方法建立模型.2城市可持续发展系统动力学模型的建立分析城市可持续发展系统的内部结构，再结合城市自身发展的特点：在土地资源的限制下，城市经济、人口在城市空间高度聚集.把城市可持续发展系统分为人口、经济、资源、环境、社会发展、科技教育 6 个系统230河南农业大学学报第 39 卷中，经济发展是前提和基础.节约资源、保护环境、控制人口的关键，社会发展是目标条件，科技进步和教育是动力2.根据建模目的，以及各子块之间物质与信息的交换关系，绘
7、出城市可持续发展系统的结构框（图 l）.2.1模型子系统分析根据结构框图，考虑建模目的，分析出能完整描述各子系统结构的变量，建立各子系统变量集，包括ll 个状态变量、l6 个速率变量、92 个辅助变量及常量.根据各子系统及其联系，以及建立的变量集，将系统的结构表达成混合图.这 6 个子系统通过相互间的输入、输出变量来相互影响和相互制约、相互作用，共同完成城市系统的特定功能.2.l.l人口子系统主要研究随着经济的发展和在环境条件、资源存量的限制下，城市人口的适度规模.把人口（POP）作为状态变量，主要受到自然增长率（AGR）和机械增长率（MGR）的影响引起人口增减变化，把人口的自然增长（AG）和
8、机械增长（MG）作为速率变量.人口的机械增长受人均国内生产总值（PAGDP）的影响与经济子系统耦合.一定比例的适龄人口向经济子系统提供劳动力（LF）.将上述各变量之间的相互关系表达成混合图（图 2）.2.l.2经济子系统主要研究了投入与产出的关系.不同产业部门间不同的投入比例对于经济增长的影响，以及在人口、资源、环境条件限制下合理的经济增长速度.以工业固定资产投资（IPAI）、第三产业投资（TPAI）为状态变量，工业投资比例（IIP）、第三产业投资比例（TIP）为控制变量，工业投资增加（IG）、第三产业投资增加（TG）为速率变量.工业产值（IP）与第三产业国内生产总值（TGDP）共同受到劳动力
9、、科技水平（STL）的影响，与人口、科教子系统接口，体现工业、第三产业与经济增长，与人口、科技水平（STL）、资源利用间的动态制约关系.经济总量由国内生产总值（GDP）和生产性投资比例（PIP）表达，并将生产性投资比例作为控制变量，体现投资总量在不同产业、资源、环境部门的分配以及资源环境对经济的影响.混合图见图 3.图 1城市可持续发展系统结构图Fig.1The scheme of urban sustainable development system图 2人口子系统混合图Fig.2The mix scheme of population subsystem图 3经济子系统混合图Fig.1T
10、he mix scheme of economy subsystem图 4资源子系统混合图Fig.4The mix scheme of resource subsystem2.l.3资源子系统主要研究土地资源和水资源对经济发展的影响.把水资源总量（WR）作为状态变量，水资源减少量（WD）作为速率变量，水资源减少系数（WDC）作为辅助变量.以生活用水系数（LWUA）、工业GDP用水系数（WUIG）、水重复利用率（WRUR）为控制变量，以人口、工业国内生产总值（IGDP）为辅助变量，调控城市总用水量（WUO），利用其与水资源总量计算出辅助变量水资源限制（WRR），体现水资源与人口、经济子系统的动态
11、制约关系.以人均用地标准（SAA）、住宅占地率（HSUR）、工业 GDP 占地系数（SUIG）为控制变量，以建成区面积（CSA）为辅助变量，并利用道路面积（RA）、绿地面积（GB）计算出城市占地率（SOR），表达土地资源与人口、经济、社会发展子系统的动态制约关系.混合图见图 4.第 2 期张荣等：城市可持续发展系统动力学模型及实证研究231图 5环境子系统混合图Fig.5The mix scheme of environment subsystem图 6社会发展子系统混合图Fig.6The mix scheme of society development图 7科技教育子系统混合图Fig.7T
12、he mix scheme of society and education subsystem2.1.4环境子系统主要研究在一定的环境投资、人口增长率和经济发展速度下，城市的环境质量水平.把水污染（WP）、废气污染（GP）、固体废物（RP）作为状态变量，废水增加量（WPG）、废水治理量（WFO）、废气增加量（GPG）、废气治理量（GFO）、固体废物增加量（RPO）、固体废物处理量（RFG）作为速率变量.以生活排污系数（LEWA）、治理三废投资比例（FPIR）为控制变量，以污染比（PR）等为辅助变量，实现与人口、经济、资源、社会发展子系统的控制耦合.混合图见图 5.2.1.5社会发展子系统主要
13、研究在一定经济发展水平下，一定人口数量下，基础设施应达到的水平.把供水能力（SWC）、绿地面积（GB）、道路面积（RA）作为状态变量，供水能力增长（SWCG）、绿地增长（GBG）、道路面积增长（RAG）作为速率变量.以城市维护建设投资比例（MIR）为控制变量，并以人均绿地（GBA）、人均道路面积（RAA）、门槛投资（WDI）、用水紧张程度（WUSD）等为辅助变量，与资源、环境子系统接口.混合图见图 6.2.1.6 科技教育子系统主要研究科技对经济增长的贡献，以及在一定经济水平、人口总量条件下，教育应达到的水平.把城市科技人员数（STPN）作为状态变量，科技人员数年减少人数（YD）、年增加人数（
14、YG）作为速率变量，新增科技人员数（NSTP）、年减少率（YDR）作为辅助变量.以教育投资比例（EIR）为控制变量，以教育投资（EI）、科技水平（STL）为接口，实现与人口、经济子系统的耦合.混合图见图 7.2.2模型方程的建立在建立模型的方程以及确立主要参数的过程中，利用了郑州市的历史数据，搜集了郑州市 1990 年至2000 年的有关统计资料3，4.在分析系统结构、各子系统变量的有机联系，以及借鉴了已有研究成果的基础上，构建了该系统的 130 个系统动力学方程.系统的参数有的由历史统计资料、国家标准直接得到，有的由历史数据用系统预测方法（回归法、优化 GM（1，1）模型5 7、生长曲线模型
15、等）推算得到.系统动力学模型的建立选取以系统动力学为基本原理的仿真软件 VENSIM PLE.2.3模型有效性检验首先，系统动力学模型的检验证实工作贯穿于循环反复建模过程的始终.其次，作者是在分析城市可持续发展系统的结构及参考其他可持续发展模型的基础上建模，因而反馈结构、方程均拟合了实际系统的主要特征.参数的确定具有现实意义.因此模型与实际的城市可持续发展系统结构相符合；而且 VENSIMPLE 软件本身具有方程检验和量纲检验功能，因此模型中的方程正确，且模型通过了量纲一致性检验；对模型进行灵敏度分析，模型参数在合理范围内变化，或对方程式进行合理变动后，模型行为变化不敏感，说明模型适合用于政策
16、分析，具有强壮性；通过历史性回顾检验，结果表明模拟数据与历史数据能够较好的拟合（表 1）.说明模型的结构合理，能够比较真实的反映实际系统.3实证研究以郑州市为例，利用已建立的系统动力学模型，研究城市可持续发展系统的调控问题.系统范围为市内 5 个城区.市区规划面积 1 010 km2，建成区面积 133 km2.2000 年，郑州市国内生产总值 343.81 亿元，人口 220 万人，其中非农业人口 160 万人.流动人口 70 万人左右.232河南农业大学学报第 39 卷表 1模拟数据与历史数据拟合情况Table 1The comparing of simulative data and h
17、istorical data年份YearGDP/亿元IPV/亿元模拟值Simuiation统计值Reai误差/%Error模拟值Simuiation统计值Reai误差/%Error1996243.60239.461.73274.3267.492.551997260.10251.923.25269.0266.420.971998279.40271.362.96264.3262.730.601999297.20288.892.88261.7259.031.032000330.60343.81-3.84291.0285.651.87表 2城市可持续发展的 5 种方案Table 2Five schem
18、es of urban sutainable development控制变量Controi variabie12345PIP/%35261822IIP/%40303530TIP/%55656065EIR/%1.53.04.0FPIR/%64MIR/%1210WUIG/（t 万元-1）340300120200LWUA/（t 人-1）80856580WRUR0.60.80.7SUIG/（m2 万元-1）28221820HSUR0.80.90.70.8LEWA/（t 人-1）605055SAA/（m2 人-1）6580703.1方案优选为促进郑州市各方面的协调发展，实现城市可持续发展各方面的目标，模
19、型以国内生产总值为追求目标，以各项投资、用水系数、占地系数、人均生活排放污水为控制变量，确定了 5个方案（表 2），进行调控试验.方案 1 为城市发展的自然演变模式.按照系统的历史水平，不加人工干预地对模型中的各变量赋值，模拟了系统的自然演变过程.在模型模拟时，方案 1 中的控制变量值按照历史演变自然给出，故表 2 中没有列出.模拟各方案后，对各方案运行结果（表 3）分析如下：在 5 个方案中，方案 5 的生产性投资比例低于方案 1，2，3，但高于方案 4.三废治理投资比例低于方案 4，但高于方案 1，2，3.教育投资以及城市维护建设投资较方案 1 都有所增加.人均用地标准低于方案 4 但高于
20、方案 1，2，3.运行结果表明，从长期看，方案5 能使国内生产总值能保持较快的增长速度，资源利用量较低，污染比较小，教育、环境、社会三方面都有长足的发展.方案 5 注重城市各子系统的协调发展.因此，是较为理想的发展模式.该方案体现的是可持续发展的思想.在发展中国家，首先经济发展应放在第一位.有了经济的健康、快速发展，才会有资金的保证.才会有更多的资金投入教育科技、环保以及基础设施建设.其表 35 种方案模拟结果Table 3The result of simulating of the five schemes年份Year方案SchemeGDP/亿元IPV/亿元TGDP/亿元STL/（人 万人
21、-1）WUO/tCSA/km2PR1594.0425.3400.81 2914.5150.26.762628.5476.4416.11 3074.6150.06.8220053628.7440.7427.01 3655.1157.56.764559.1394.0379.11 2363.1193.95.915602.0417.5410.21 3234.1169.66.2611 068.6627.9764.11 8945.7167.310.0121 141.8711.2804.41 9495.5167.310.13201031 187.8678.2855.32 1206.4175.410.0349
22、69.3563.2695.11 7343.8216.17.7851 106.8627.4798.31 9875.5189.08.7413 698.51 418.82 884.54 37810.3206.217.3923 624.01 327.82 845.14 60210.3205.817.56202034 536.11 639.13 568.05 56312.2214.617.4243 146.91 232.62 446.73 6306.4267.611.5854 077.11 523.13 192.14 8259.6233.913.35次，在发展过程中，对资源环境的保护也不容忽视，以牺牲资
23、源环境的方式发展经济，终究会看到资源环境对经济发展的制约.第三，科技是第一生产力，加大对教育的投资力度，提高科技水平，短期内会减少对经济的投资.但从长期来看，凝结在高资源利用率、低污染排放中的无形的科技力量会创造更多的有形的经济价值.第四，社会的均衡发展.可持续发展不仅仅注重经济和环境，社会的发展是可持续发展的最终目的.社会稳定、居民享有较高的生活质量是人类社会经济发展的最终目的.正是健全的城市基础设施为居民的生活提供了便利，同时也是城市的一个窗口，在一定程度上反映了城市的经济水平，也会影响城市经济的发展.3.2城市发展的政策分析3.2.1 优化产业结构、加快产业高级化进程近几年虽然郑州市的第
24、三产业比重提升较快，但仍低于发达国家和地区的大城市第三产业的比重.这是造成中心城市经济运行低效益，对地区经济发展带动力太弱的第 2 期张荣等：城市可持续发展系统动力学模型及实证研究233主要原因.更重要的是城市化的关键不是人口流动和集聚，而是提升城市功能，变工业型城市为贸易型、服务型和消费型城市8.并且郑州市早在 80 年代就已将城市功能定位于商贸城市，郑州市的发展目标就是把郑州建设成为大区域商贸中心这样一个现代化商贸城市.因此郑州市必须加快产业高级化进程.3.2.2提高对教育的投资1999 年郑州市的教育事业费支出占郑州市国内生产总值的不到 1%，而且从19901999 年一直保持着这个水平
25、.而国际经验表明，要使国家人力资本状况适应经济发展需要，政府的教育投资一般要占 GNP（国民生产总值）的 6%以上.政府的教育投资增长要快于国民收入增长速度.所以目前郑州市的教育投资水平远远不能承担起开发人力资本的使命.在未来竞争中，人力资本对城市发展的重要性已不用过多的论述，这已成为国家、政府、企业、专家学者的共识.据世界银行研究，劳动力受教育的平均时间增加一年，GDP 就会增加 9%.教育不再是一种消费性的投资，而是生产性的投资.因此，郑州市必须增加对教育的投资，并鼓励民间投资兴办教育事业.3.2.3 增加对三废治理的投资从郑州市的历史数据可以看到，虽然近几年在全国范围开展的城市环境综合整
26、治工作，使郑州市的工业污染排放治理取得了阶段性成果，但如果保持 2000 年三废治理投资水平，在未来 20 a 郑州的工业三废污染仍很严重.因此必须增加对三废治理的投资，从两方面入手，一方面提高工业污染治理率，另一方面减少工业三废的排放，以保持工业污染治理的阶段性成果，防止工业三废污染反弹，进而全面治理工业污染，保护生态环境.3.2.4增加城市维护建设投资，促进城市公用基础设施建设2000 年郑州生活污水处理率为 14%，生活污水处理率较低.而生活污水排放量较大，大于工业废水排放量.而且由于人们生活水平提高，生活污水中的污染物含量增多，故生活污水排放治理越来越不容忽视；并且从模型模拟的结果看，
27、如果按照 2000 年的水平，在今后城市规模不断扩大的过程中，郑州市的生活垃圾处理、公共绿地建设、道路铺装将越来越不能满足需要.因此，郑州市需增加城市维护建设投资，用于提高生活污水处理能力，保持生活垃圾处理率，加快公共绿地建设和加快城市道路建设.3.2.5扩大建成区面积1999 年郑州市建成区人口密度为 16 240 人 m-2，人口密度过大，反映了城市人口规模与城市空间规模不协调的现状.而人口在城市内过度集中会产生一系列制约城市社会经济持续发展的城市问题.1999 年郑州市平均人均用地为 62 m2 人-1.根据原国家建委提出的远期生活居住用地指标推算，平均每个居民的城市用地为 80 116
28、 m2.因此必须改变郑州人口过密化现象，提高城市用地增长速度，扩大建成区面积，从而保证城市工业、居住、绿地、道路用地，避免由于空间规模的限制造成城市规模过小.尽早把郑州市发展成为河南省的特大城市，带动区域经济的发展.3.2.6合理利用水资源郑州已被列入严重缺水的城市.据模型预测，到 2005 年，郑州现有的 4.5 亿 m3供水能力将不能满足 4.502 亿 m3的用水需求.因此近 2 a 必须投资建设，提高城市供水能力.到 2019 年，城市用水需求 10.14 亿 m3将超过城市水资源总量 9.43 亿 m3.因此郑州市各行各业必须注意节约用水，合理利用水资源.在 2007 年之前生活用水
29、量大于工业用水量，而 2007 年之后生活用水量 2.46 亿 m3将小于工业用水量 2.53 亿 m3.表明按照现有的用水系数，今后郑州市工业用水增长较快.因此郑州采取的主要节水措施为：降低工业万元 GDP 用水量、提高工业用水重复利用率.积极治理环境，防止对水资源的破坏，扩大可用水总量.!结语城市走可持续发展之路最终将是每个城市的必然选择.然而在城市可持续发展系统这个复杂大系统中，如何做好各子系统的调控成为城市决策的一个关键问题.利用定量的方法，为城市决策提供理论上和技术上的支持，将成为未来城市管理的一个主要方向.从城市可持续发展大系统的微观结构入手，按照系统动力学理论建立城市可持续发展的
30、数学模型.借助计算机，通过调整控制参量对城市在不同政策条件下的未来发展状况进行动态仿真模拟.为城市各子系统的协调与控制，提供从全局出发的定量的科学的决策依据，从而提高了政策制定与实施的科学性，最终引导城市步入发展动力多元不规则组合达到最优的轨道.参考文献：1 张荣.城市可持续发展动力学模型及评价指标体系研究 D.郑州：河南农业大学，2003.234河南农业大学学报第 39 卷2 罗波阳.区域经济社会发展战略研究 J.系统工程，2000，18（3）：25-29.3 郑州市统计局.郑州市统计年鉴（19901995，2001）M.北京：中国统计出版社，19911996，2002.4 国家统计局.中国
31、城市统计年鉴（19962000）M.北京：中国统计出版社，19982002.5 LIU Sifeng，LIN Yi.An introduction to grey system theories：Foundation，MethodoIogies and AppIications M.SIippery Rock：I-IGSS Academic PubIisher，1998.6 刘斌，刘思峰，翟振杰，等.GM（1，1）模型时间响应函数的最优化 J.中国管理科学，2003，11（4）：54-57.7 刘斌，赵亮，翟振杰，等.优化的 GM（1，1）模型及其适用范围 J.南京航空航天大学学报，2003，
32、35（4）：451-454.8 洪银兴，陈雯.城市化模式的新发展 J.经济研究，2000，（12）：66-71.（上接第 214 页）参考文献：1 谢明权，李国清.现代寄生虫学 M.广州：广东科学技术出版社，2003.2 GOODWIN M A.Cryptosporidiosis in birds a review J.Av PathoI，1989，18：365-384.3 周望平，肖兵南.湖南省部分地区禽隐孢子虫感染情况调查 J.中国兽医科技，2000，30（10）：15-16.4 DONNA E，AKIYOSHI D.Characterization of Cryptosporidium
33、meleagridis of human origin passaged through different host species J.Infection and Immunity，2003，71：1828-1832.5 DITRICH O，PALKOVJC L，STERBA J，et aI.The first finding of Cryptosporidium baileyi in man J.ParasitoIogy Research，1991，77：44-47.6 张龙现，蒋金书.隐孢子虫和隐孢子虫病研究进展 J.寄生虫与医学昆虫学报，2001，8（3）：184-192.7 查红波，蒋金书.火鸡隐孢子虫在鹌鹑体内发育史的研究 J.畜牧兽医学报 1994，25（3）：273-278.8 夏鹤龄，张丹俊，黄秀发.安徽省畜禽隐抱子虫感染情况调J.中国兽医科技，1991，21（8）：1
