黃光球，王斌

(西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引 言

資源環(huán)境的變遷決定著人類文明的興衰更替，緩解資源環(huán)境壓力，需要按照不同地區(qū)資源環(huán)境承載力的要求優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)，促進(jìn)形成資源環(huán)境可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展格局[1]。目前，我國正處于城市系統(tǒng)發(fā)展上升期，部分經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域能源利用率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，給城市大氣環(huán)境造成沉重壓力。隨著大氣環(huán)境質(zhì)量不斷惡化，對(duì)城市大氣環(huán)境承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，理清城市發(fā)展與大氣環(huán)境之間的關(guān)系，為城市可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)顯得十分重要。

為推動(dòng)城市大氣環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者在相關(guān)方面作了大量研究，目前研究主要集中在定量與定性分析大氣環(huán)境承載力兩方面。大氣環(huán)境承載力是指在某一時(shí)期、某一區(qū)域、某種狀態(tài)下環(huán)境對(duì)人類活動(dòng)所排放大氣污染物的最大可能承載的支撐閾值[2]。在定量分析大氣環(huán)境承載力方面，國內(nèi)學(xué)者張俠等[3]利用煙云足跡法對(duì)陜西省大氣環(huán)境承載力的時(shí)空分布進(jìn)行了分析；宋宇[4]建立有關(guān)大氣環(huán)境承載力的DEA模型，以中國的27省為例，從承載力現(xiàn)狀、余額與經(jīng)濟(jì)布局三個(gè)方面進(jìn)行了相關(guān)研究;楊秀平等[5]基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)旅游城市的環(huán)境承載潛力進(jìn)行了模擬仿真，為蘭州市旅游發(fā)展提供了精準(zhǔn)的科學(xué)分析。國外學(xué)者利用生態(tài)環(huán)境壓力指數(shù)法[6]、多準(zhǔn)則評(píng)判法[7]以及生態(tài)足跡法[8]等方法對(duì)大氣環(huán)境承載力進(jìn)行了定量分析。在定性評(píng)價(jià)大氣環(huán)境承載力方面，國內(nèi)學(xué)者孫燕英等[9]將綜合評(píng)價(jià)法與層次分析法相結(jié)合，對(duì)研究區(qū)域環(huán)境的綜合承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)；詹長(zhǎng)根等[10]利用灰色關(guān)聯(lián)和主成分分析法對(duì)廣西的環(huán)境承載力進(jìn)行了區(qū)域系統(tǒng)分析;石敏俊等[11]建立大氣環(huán)境承載評(píng)估模型，對(duì)京津冀霧霾治理政策進(jìn)行了效果分析與討論。國外學(xué)者提出有關(guān)資源環(huán)境承載力監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制的環(huán)境承載力評(píng)估模型[12]、有關(guān)農(nóng)村公共安全的生態(tài)環(huán)境承載力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型[13]以及在熵權(quán)TOPSIS模型基礎(chǔ)上建立的環(huán)境承載力評(píng)估系統(tǒng)[14]等研究，為環(huán)境承載力的監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了科學(xué)指導(dǎo)。

從上述文獻(xiàn)可知，有關(guān)城市大氣環(huán)境承載力在定量與定性方面的研究雖然取得一定的成果，但是仍存在以下不足：

(1)無法將有關(guān)城市大氣環(huán)境承載力影響因素之間的直接與間接關(guān)系進(jìn)行直觀表達(dá)。

(2)對(duì)有關(guān)城市大氣環(huán)境承載力的研究，只是對(duì)其結(jié)果的簡(jiǎn)單分析，無法將形成過程進(jìn)行定量與定性分析。

(3)不能很好地體現(xiàn)環(huán)保投資對(duì)大氣環(huán)境的治理與影響過程。

Petri網(wǎng)既有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表述方式，又有直觀的圖形表達(dá)方式；既有豐富的系統(tǒng)描述手段和系統(tǒng)行為分析技術(shù)，又可以描述系統(tǒng)內(nèi)部各因素間的因果關(guān)聯(lián)[15]。將Petri網(wǎng)與數(shù)學(xué)函數(shù)相結(jié)合，把大氣環(huán)境承載力的形成過程與計(jì)算融入Petri網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)則當(dāng)中，建立基于函數(shù)Petri網(wǎng)的大氣環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型。利用函數(shù)Petri網(wǎng)模型的動(dòng)態(tài)運(yùn)行反映城市大氣環(huán)境承載力的形成過程，清楚表達(dá)有關(guān)大氣環(huán)境的影響因素與治理過程。通過分析模型，對(duì)城市大氣環(huán)境承載力的現(xiàn)狀以及主要因素產(chǎn)生的影響進(jìn)行詳細(xì)分析，為城市可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 函數(shù)Petri網(wǎng)評(píng)價(jià)模型原理

1.1 函數(shù)Petri網(wǎng)定義

Petri網(wǎng)是對(duì)離散并行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表示，適合于描述和模擬異步、并發(fā)的系統(tǒng)[16]。本文使用函數(shù)Petri網(wǎng)對(duì)大氣環(huán)境承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，在傳統(tǒng)Petri網(wǎng)中引入數(shù)學(xué)函數(shù)，對(duì)函數(shù)Petri網(wǎng)進(jìn)行重新定義。在此假設(shè)函數(shù)Petri網(wǎng)是一個(gè)十元組結(jié)構(gòu)：

FPN=(P，T，A，W，M，S，D，μ，G，q)，

(1)

在FPN中，P={p1，p2，…，pm}，為庫所的集合；T={t1，t2，…，tm}，為變遷的集合，且P∩T=φ；A是FPN的有向弧集，即A?(P×T)∪(T×P)，其中F0?(P×T)，是FPN的輸入弧集，F(xiàn)1?(T×P)，是FPN的輸出弧集；W是F→{0，1}，為FPN上的權(quán)函數(shù)，也稱權(quán)系數(shù)，在此值為1；標(biāo)識(shí)M=(x1，x2，…，xm)，為由m個(gè)庫所中的托肯數(shù)構(gòu)成的列向量，其中xi=0或1，i=1，2，…，m；M0是FPN的初始標(biāo)識(shí)，即被模擬系統(tǒng)的初始狀態(tài)，且標(biāo)識(shí)M只有兩種狀態(tài)，M(p)=0指該狀態(tài)不存在，M(p)=1指該狀態(tài)存在；S為事件累計(jì)發(fā)生的具體數(shù)值，且S≥0；D為單個(gè)事件發(fā)生的具體數(shù)值，即0﹤D﹤S；μ={μ1，μ2，…，μm}，為輸出弧上各變遷的具體實(shí)施速率；G={G0，G1，…，Gm}，為各個(gè)庫所的狀態(tài)集，其中G0是FPN的初始狀態(tài)值；q={-1，0，1}，是指輸入弧上變遷前集庫所對(duì)變遷后集庫所的負(fù)、無與正影響關(guān)系，其中在模型中未標(biāo)明關(guān)系的均為正相關(guān)關(guān)系。

1.2 函數(shù)Petri網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)則與設(shè)置

基于函數(shù)Petri網(wǎng)構(gòu)建的模型，具有運(yùn)行規(guī)則嚴(yán)密和計(jì)算嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶攸c(diǎn)。將模型根據(jù)需要分別設(shè)置虛庫所、實(shí)庫所、虛變遷和實(shí)變遷，其中實(shí)庫所和實(shí)變遷在模型運(yùn)行以及含義表達(dá)上具有實(shí)際意義，虛庫所與虛變遷均無實(shí)際意義，表示函數(shù)Petri網(wǎng)運(yùn)行規(guī)則中的過渡連接。為使模型更加貼合實(shí)際，設(shè)置特殊庫所與變遷、并列庫所與變遷相互作用的運(yùn)行系統(tǒng)，其計(jì)算方法與含義表達(dá)根據(jù)模型實(shí)際需要具體規(guī)定。

1.2.1 庫所與變遷的運(yùn)行與計(jì)算

在函數(shù)Petri網(wǎng)模型中，實(shí)庫所用實(shí)線圈表示，實(shí)變遷用實(shí)心長(zhǎng)方形表示。模型運(yùn)行靠庫所的變遷觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)，變遷的觸發(fā)需要滿足一定的條件，即?p∈?t，M(px)≥1，如圖1所示。?tx是px，M(px)=0﹤1，庫所不能被變遷tx觸發(fā)運(yùn)行，如圖1(a)所示。?ty是py，M(py)=1≥1，庫所pz被變遷ty觸發(fā)運(yùn)行，如圖1(b)所示。庫所pz的狀態(tài)值GD(pz)的函數(shù)表達(dá)式為

GD(pz)=G0(pz)+μyqyGD(py)。

(2)

圖1 實(shí)庫所與變遷運(yùn)行規(guī)則表示

在函數(shù)Petri網(wǎng)模型中，虛庫所用虛線圓圈表示，虛變遷用虛線長(zhǎng)方形表示。模型運(yùn)行靠變遷觸發(fā)實(shí)現(xiàn)，但只表示虛庫所與虛變遷在模擬系統(tǒng)中的連接、過渡作用，如圖2所示。?tx是px，M(px)=1≥1，虛庫所py被變遷tx觸發(fā)運(yùn)行，如圖2(a)所示，運(yùn)行結(jié)束后的狀態(tài)，如圖2(b)所示。

圖2 虛庫所與變遷運(yùn)行規(guī)則表示

虛庫所py的狀態(tài)值GD(py)的函數(shù)表達(dá)式為

GD(py)=μxqxGD(px)=GD(px)。

(3)

1.2.2 特殊庫所與變遷的運(yùn)行與計(jì)算

為解決函數(shù)Petri網(wǎng)模型中多因素間此消彼長(zhǎng)的影響關(guān)系，設(shè)置特殊庫所與變遷相互作用的運(yùn)行系統(tǒng)，其運(yùn)行規(guī)則與計(jì)算表達(dá)將根據(jù)函數(shù)Petri網(wǎng)模型的需要進(jìn)行設(shè)置，如圖3所示。其中pu，pv，pw，px，py是實(shí)庫所，tu，tv，tw，tx是實(shí)變遷，表示庫所pu，pv，pw，px與py之間的相互轉(zhuǎn)化過程，uu，uv，uw，ux是實(shí)變遷的實(shí)施速率，qu，qv，qw，qx和qy表示各個(gè)庫所之間的相互影響關(guān)系。庫所px在各變遷發(fā)生后的狀態(tài)值GD(px)的函數(shù)表達(dá)式為

GD(px)=μuquGD(pu)+μvqvGD(pv)+μwqwGD(pw)+

((μuquGD(pu)+μvqvGD(pv)+μwqwGD(pw))×

qx+qyGD(py))×μx。

(4)

圖3 特殊庫所與變遷運(yùn)行規(guī)則表示

1.2.3 并列庫所與變遷的運(yùn)行與計(jì)算

在函數(shù)Petri網(wǎng)模型中，若庫所P存在p?≠φ∧?p≠φ，則稱庫所P為中間庫所，中間庫所表示該庫所處于系統(tǒng)運(yùn)行之中，受前后庫所集的 影響，如圖4所示。其中pu，pv，…，pw與px均是中間實(shí)庫所，tu，tv，…，tw是實(shí)變遷，表示庫所pu，pv，…，pw與px之間的相互轉(zhuǎn)化過程，uu，uv，…，uw是實(shí)變遷的實(shí)施速率，qu，qv，…，qw為各個(gè)庫所之間的相互影響關(guān)系。中間庫所px在各變遷發(fā)生后的狀態(tài)值GD(px)的函數(shù)表達(dá)式為

圖4 并列庫所與變遷運(yùn)行規(guī)則表示

GD(px)=μuquGD(pu)+μvqvGD(pv)+，…，+

(5)

若庫所P存在p?=φ∧?p≠φ，則稱庫所P為最終庫所，最終庫所表示該庫所處于運(yùn)行結(jié)束狀態(tài)，即模型的最終運(yùn)行結(jié)果。最終庫所px在各變遷發(fā)生后的狀態(tài)值GD(px)的函數(shù)表達(dá)式為

2 城市大氣環(huán)境承載力的函數(shù)Petri網(wǎng)評(píng)價(jià)模型的建立

2.1 函數(shù)Petri網(wǎng)評(píng)價(jià)模型結(jié)構(gòu)

城市大氣環(huán)境承載力的形成是一個(gè)紛繁復(fù)雜的過程，涉及城市系統(tǒng)多個(gè)方面。因此，將城市系統(tǒng)劃分為社會(huì)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)能耗、大氣環(huán)保與大氣環(huán)境承載力4個(gè)子系統(tǒng)，在這4個(gè)子系統(tǒng)相互影響與制約下，將城市大氣環(huán)境承載力的形成過程與各系統(tǒng)之間直接及間接的影響關(guān)系進(jìn)行表達(dá)，最終構(gòu)成城市大氣環(huán)境系統(tǒng)圖，如圖5所示。

圖5 城市大氣環(huán)境系統(tǒng)圖

社會(huì)生產(chǎn)子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要研究在不斷變化的人口流動(dòng)背景下，常住人口、社會(huì)勞動(dòng)力以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)勞動(dòng)力之間的相互聯(lián)系。該子系統(tǒng)主要由出生人口、死亡人口、遷入與遷出人口和勞動(dòng)力等因素構(gòu)成，主要分析各產(chǎn)業(yè)社會(huì)勞動(dòng)力對(duì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的影響。主要計(jì)算公式為

PRt=(BPt-DPt)+(IPt-OPt)，

(7)

IIi=IIARi·SWAR·PRt，

(8)

式中：PRt為第t年社會(huì)增加人口，萬人；BPt為第t年出生人口，萬人；DPt為指第t年死亡人口，萬人；IPt為第t年遷入人口，萬人；OPt為第t年遷出人口，萬人；IIi為城市第一、二、三產(chǎn)業(yè)勞動(dòng)力人數(shù)，萬人；SWAR為社會(huì)勞動(dòng)力占常住人口的比例，即勞動(dòng)力轉(zhuǎn)化率；IIARi為第一、二、三產(chǎn)業(yè)勞動(dòng)力所占社會(huì)勞動(dòng)力人口比例，即產(chǎn)業(yè)勞動(dòng)力轉(zhuǎn)化率。

經(jīng)濟(jì)能耗子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要研究在不斷變化的生產(chǎn)總值背景下，產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、能源消耗以及環(huán)境污染水平之間的相互聯(lián)系。該子系統(tǒng)主要由產(chǎn)業(yè)GDP、產(chǎn)業(yè)能耗和污染物產(chǎn)生量等因素構(gòu)成，主要分析經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致的能源消耗對(duì)大氣環(huán)境的污染狀況。主要計(jì)算公式為

GDPi=IIi·IIUPi，

(9)

EC=P1·ECAR1+P2·ECAR2+P3·ECAR3， (10)

PPij=ECi·ECEPj，

(11)

式中：GDPi為城市第一、二、三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)總值，億元；IIUPi為城市第一、二、三產(chǎn)業(yè)勞動(dòng)力的單位生產(chǎn)總值，億元/萬人，即產(chǎn)業(yè)勞動(dòng)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)率；EC為城市經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)能源消耗總量，104t；P1，P2，P3分別為城市第一、二、三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值，億元；ECAR1，ECAR2，ECAR3分別為城市第一、二、三產(chǎn)業(yè)單位生產(chǎn)總值能耗，104t/億元，即產(chǎn)業(yè)能耗轉(zhuǎn)化率；PPij分別為第一、二、三產(chǎn)業(yè)的大氣污染物SO2，NOx，TSP的產(chǎn)生總量，萬t；ECEPj分別為大氣污染物SO2，NOx，TSP的單位能耗污染產(chǎn)生量，萬t，即污染轉(zhuǎn)化率。

大氣環(huán)保子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要研究在不斷變化的大氣環(huán)保投資背景下，環(huán)保投資與污染消除之間的相互聯(lián)系。該子系統(tǒng)主要由環(huán)保投資、主要污染物環(huán)保投資與消除量等因素構(gòu)成，主要分析環(huán)保投資消除大氣環(huán)境污染的狀況，特別是對(duì)主要污染物的影響情況。主要計(jì)算公式為

EIt=EIARt·GDPt，

(12)

PIj=EIt·EIGRj，

(13)

EEj=PIj·EIERj，

(14)

式中：EIt為第t年城市大氣環(huán)?？偼顿Y，億元；EIARt為第t年城市大氣環(huán)保投資占生產(chǎn)總值的比例；GDPt為第t年的城市經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值，億元；PIj分別為大氣污染物SO2，NOx，TSP的環(huán)保投資，億元；EIGRi分別是指大氣污染物SO2，NOx，TSP的環(huán)保投資所占大氣環(huán)?？偼顿Y的比例；EEj分別為大氣污染物SO2，NOx，TSP的消除總量，萬t；EIERj分別為大氣污染物SO2，NOx，TSP的環(huán)保投資單位消除量，萬t，即污染去除率。

大氣環(huán)境承載力子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要是在不斷變化的大氣污染物背景下，研究污染物排放量、容納空間、自潔剩余空間以及污染物承載力之間的相互聯(lián)系。該子系統(tǒng)主要由大氣污染物排放量、區(qū)域需容量、區(qū)域剩余量、區(qū)域承載力等因素構(gòu)成，主要分析大氣污染物排放量對(duì)大氣環(huán)境承載力的影響，計(jì)算大氣環(huán)境承載力。其中污染物排放量與容納空間之間的實(shí)施速率，主要根據(jù)區(qū)域污染物標(biāo)準(zhǔn)與本底年平均濃度閾值確定；污染物需容空間與自潔剩余空間之間的實(shí)施速率，主要根據(jù)研究區(qū)域中表征清除能力的A值確定；污染物自潔剩余空間與污染物承載力之間的實(shí)施速率，主要根據(jù)研究區(qū)域面積確定。根據(jù)大氣環(huán)境承載力的定義，主要計(jì)算公式如下。

足跡函數(shù)：

(15)

(16)

式中：Fi為研究區(qū)域能夠容納大氣污染物擴(kuò)散蔓延消解所需要的單位面積，km2/萬t，i為某一種大氣污染物；A為環(huán)境容量系數(shù)；S為地區(qū)總面積，km2；Cs，i為子區(qū)域污染物的年平均質(zhì)量濃度閾值，mg/m3；U為風(fēng)速，m/s；H為大氣混合層的厚度，m；Ud為該區(qū)域的干沉降速度，m/s；Wr為清洗比，無量綱，取值1.9×10-5；R為該區(qū)域的年降水量，mm。

煙云足跡

(17)

式中:E為區(qū)域煙云足跡的總面積，km2；Qi為該區(qū)域大氣污染物的排放量，104t，i為某一種大氣污染物。

2.2 建立函數(shù)Petri網(wǎng)評(píng)價(jià)模型

通過分析各子系統(tǒng)之間的相互影響關(guān)系，找到各子系統(tǒng)與大氣環(huán)境之間的邏輯因果關(guān)系[17]，利用函數(shù)Petri網(wǎng)將大氣環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部之間的關(guān)系進(jìn)行表達(dá)，建立貼合實(shí)際的城市大氣環(huán)境承載力的函數(shù)Petri網(wǎng)評(píng)價(jià)模型，如圖6所示。

圖6 函數(shù)Petri網(wǎng)評(píng)價(jià)模型

2.3 函數(shù)Petri網(wǎng)評(píng)價(jià)模型的運(yùn)行步驟

(1)根據(jù)研究區(qū)域具體情況確定庫所狀態(tài)值，初始化各系統(tǒng)狀態(tài)值與參數(shù)值，明確隨庫所變化的變遷實(shí)施速率參數(shù)值。

(2)根據(jù)函數(shù)Petri網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)則，滿足初始庫所觸發(fā)條件導(dǎo)致變遷發(fā)生，使函數(shù)Petri網(wǎng)運(yùn)行，記錄模型運(yùn)行過程中各庫所狀態(tài)值。

(3)當(dāng)D

(4)分析模型運(yùn)行結(jié)果，結(jié)合函數(shù)Petri網(wǎng)運(yùn)行中各庫所狀態(tài)值，研究主要因素對(duì)大氣環(huán)境承載力的影響以及大氣環(huán)境承載力的變化狀況。

2.4 大氣環(huán)境承載指數(shù)

為了對(duì)城市大氣環(huán)境承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，明確城市大氣環(huán)境承載力水平，對(duì)大氣環(huán)境承載指數(shù)進(jìn)行定義。大氣環(huán)境承載指數(shù)指在某一時(shí)期，某一狀態(tài)下，該研究區(qū)域內(nèi)能夠容納消解大氣環(huán)境污染物的能力與極限承載力之間的關(guān)系。將能夠容納消解大氣污染物最大承載的區(qū)域面積作為該城市大氣環(huán)境的極限承載面積，即該研究區(qū)域的極限承載力。因此，大氣環(huán)境承載指數(shù)的函數(shù)表達(dá)式為

Iif=Ei/Sf，

(18)

式中:Iif為某研究區(qū)域某大氣污染物的環(huán)境承載指數(shù)；Ei為某大氣污染物的環(huán)境承載力，km2，即煙云足跡；Sf為某研究區(qū)域的極限承載面積，km2，即極限承載力。

根據(jù)大氣環(huán)境承載力的計(jì)算結(jié)果以及城市大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究，將大氣環(huán)境承載指數(shù)I分為4個(gè)等級(jí)，分別為合理水平(0≤I≤1)，一般嚴(yán)重(1

3 實(shí)例分析

西安市位于中國中部地區(qū)，靠近關(guān)中盆地，地勢(shì)四周高中間低，東面被零河與灞源山地環(huán)繞；西面被太白山與青化黃土環(huán)繞；南面到秦嶺；北面到渭河與黃土高原。氣候四季分明，干燥多風(fēng)。近年來，西安市發(fā)展不斷加快，生產(chǎn)總值持續(xù)上升，但其獨(dú)特的地理位置以及冬季寒冷的氣候條件，導(dǎo)致污染自凈能力有限。以西安市大氣環(huán)境為背景，通過模型對(duì)西安市人口變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致的污染問題進(jìn)行分析，為西安市大氣環(huán)境質(zhì)量發(fā)展提出科學(xué)建議。

3.1 模型參數(shù)

以西安市2007—2017年數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，對(duì)西安市近年來大氣環(huán)境質(zhì)量變化進(jìn)行分析，其中2017年各庫所與變遷的名稱、單位以及庫所初始狀態(tài)值，如表1所示。變遷實(shí)施速率參數(shù)值根據(jù)單位成本分析法[18]、擬合方程與數(shù)據(jù)規(guī)律性等方法得到，如表2所示。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)給定參數(shù)值，利用MATLAB軟件對(duì)城市大氣環(huán)境承載力的函數(shù)Petri網(wǎng)模型進(jìn)行計(jì)算，得到所有因素的庫所狀態(tài)值。其中西安市大氣環(huán)境承載力的影響因素眾多，選取與其相關(guān)最密切的3個(gè)因素進(jìn)行分析比較，如圖7～9所示。西安市最終大氣環(huán)境承載力的累計(jì)變化運(yùn)行圖，如圖10所示。

表1 庫所與變遷名稱及庫所初始狀態(tài)值

續(xù)表1

表2 變遷實(shí)施速率的參數(shù)值

續(xù)表2

圖7 不同年份西安市產(chǎn)業(yè)能耗貢獻(xiàn)比

圖8 不同年份西安市主要污染物承載力

圖9 不同年份西安市環(huán)保消除貢獻(xiàn)比

根據(jù)圖7可知，西安市經(jīng)濟(jì)能耗導(dǎo)致大氣環(huán)境質(zhì)量惡化程度排序?yàn)榈诙a(chǎn)業(yè)>第三產(chǎn)業(yè)>第 一產(chǎn)業(yè)。其中西安市第二產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)能耗持續(xù)下 降，在2014—2017年下降較大，截至2017年，第二產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例為35%，能耗貢獻(xiàn)占比已下降到54.93%，但整體平均貢獻(xiàn)占比仍達(dá)60.2%。這表明西安市主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)不是第二產(chǎn)業(yè)，對(duì)第二產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有所放緩，但第二產(chǎn)業(yè)能耗污染仍最大；西安市第三產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)能耗持續(xù)上升，在2014—2017年上升明顯，截至2017年，第三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例為61%，能源消耗貢獻(xiàn)占比達(dá)到43.81%，整體平均貢獻(xiàn)占比達(dá)到38.48%。這表明西安市經(jīng)濟(jì)發(fā)展以第三產(chǎn)業(yè)為主，在放緩經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，加快了第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使第三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例不斷加大；西安市第一產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)能耗變化較小，整體平均貢獻(xiàn)占比為1.32%，對(duì)西安市的環(huán)境影響程度最小。

圖10 西安市大氣環(huán)境承載力

根據(jù)圖8可知，西安市大氣環(huán)境污染物的危害程度依次排序?yàn)镾O2，NOx，TSP。其中大氣污染物SO2所需環(huán)境承載力持續(xù)超過西安市的極限承載力，自2007—2010年有所下降，在2011年出現(xiàn)最大值，大氣環(huán)境承載力為極限承載力的6.79倍，大氣環(huán)境承載指數(shù)處于特別嚴(yán)重狀態(tài)。在2012—2017年，西安市大氣環(huán)境承載力逐步下降，特別是在2014年經(jīng)濟(jì)增速放緩以后下降尤為明顯，截至2017年，大氣環(huán)境承載力是極限承載力的2.5倍，大氣環(huán)境承載指數(shù)為較嚴(yán)重狀態(tài)。這表明西安市SO2污染危害程度較重，SO2的污染治理速度達(dá)不到污染排放增加速度，對(duì)SO2的治理主要靠第二產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)增速的放緩；NOx所需環(huán)境承載力整體呈逐步下降趨勢(shì)，截至2009年到達(dá)頂峰后，大氣環(huán)境承載力持續(xù)下降，在2016年和2017年大氣環(huán)境承載力已處于極限承載范圍之內(nèi)。這表明目前西安市NOx前期污染嚴(yán)重，治理效果不佳，后期治理取得一定成效；TSP所需環(huán)境承載力呈緩慢平穩(wěn)下降趨勢(shì)，大氣環(huán)境承載指數(shù)在極限承載力范圍之內(nèi)，截至2017年大氣環(huán)境承載力已下降到極限承載力的50%。這表明西安市經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)TSP的影響較小。

根據(jù)圖9可知，西安市大氣環(huán)保對(duì)污染物治理效果排序依次為TSP，SO2，NOx。其中TSP治理效果特別明顯，在2007—2017年污染消除量最大，在2017年環(huán)保消除貢獻(xiàn)占比為97.56%，整體平均貢獻(xiàn)占比達(dá)到97.11%。這表明西安市環(huán)保投資對(duì)TSP的治理效果較好，TSP能夠處于極限承載力范圍之內(nèi)；NOx治理效果在2007—2012年不明顯，特別在2012年環(huán)保消除占比僅為11.68%，但在2012年以后逐步上升，截至2017年，環(huán)保消除貢獻(xiàn)占比為75.98%，整體平均貢獻(xiàn)占比達(dá)到36.64%。這表明西安市環(huán)保投資對(duì)NOx的治理經(jīng)驗(yàn)不足，治理效果有波動(dòng)，但目前治理情況較好；SO2治理效果整體處于緩慢上升狀況，在2007年與2017年環(huán)保消除貢獻(xiàn)占比分別為14.53%，64.21%，整體平均貢獻(xiàn)占比達(dá)到46.1%。這表明西安市環(huán)保投資對(duì)SO2的治理效果逐步上升，但因?yàn)镾O2排放量過大，治理能力有限，所以仍有較大發(fā)展空間。

由圖10可知，在2007—2017年，西安市大氣環(huán)境承載力雖有波動(dòng)，但整體呈下降趨勢(shì)。西安市大氣污染物的極限承載力是10 096.81 km2，大氣環(huán)境承載力最大值在2009年，是極限承載力的9.36倍，大氣環(huán)境承載指數(shù)為特別嚴(yán)重。這主要是由于西安市第二產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)增速不減，污染排放嚴(yán)重，雖然大氣環(huán)境的治理投入加大，但是治理效果較差導(dǎo)致；在2010—2017年呈逐步下降趨勢(shì)，特別在2015—2017年下降特別明顯。截至2017年，大氣環(huán)境承載力是極限承載力的2.5倍，大氣環(huán)境承載指數(shù)下降為較嚴(yán)重狀態(tài)。這主要是由于西安市第二產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)增速大幅下降，污染排放減少，環(huán)保投資增多，環(huán)保治理效率提高導(dǎo)致；總體而言，西安市大氣環(huán)境質(zhì)量水平較差，大氣環(huán)境承載力始終超過極限承載力，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式有所調(diào)整，大氣環(huán)保取得一定成效。

3.3 對(duì)策建議

根據(jù)對(duì)西安市大氣環(huán)境承載力的分析，為改善西安市大氣環(huán)境質(zhì)量，可以從以下方面進(jìn)行改進(jìn)。

(1)為使西安市發(fā)展與大氣環(huán)境質(zhì)量相適應(yīng)，應(yīng)減緩第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展，優(yōu)化現(xiàn)有污染產(chǎn)業(yè)，大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，繼續(xù)改善城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，削弱第二產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例，從根本上減少污染排放。

(2)目前西安市主要污染物是SO2，為減少該污染物對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生的危害，應(yīng)嚴(yán)格控制硫化企業(yè)增長(zhǎng)，促進(jìn)企業(yè)改進(jìn)燃煤產(chǎn)硫設(shè)施，增加脫硫設(shè)施數(shù)，引入先進(jìn)除硫技術(shù)。

(3)為提高大氣環(huán)保治理效果，應(yīng)加大SO2與NOx的環(huán)保投入，優(yōu)化SO2與NOx的環(huán)保治理方式，積累污染消除經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)環(huán)保治理技術(shù)，提高污染處理效率。

(4)針對(duì)西安市大氣環(huán)境承載力嚴(yán)重超載，環(huán)境質(zhì)量水平低下的情況，西安市應(yīng)始終把大氣環(huán)保放在重要位置，大力改造不達(dá)標(biāo)燃煤鍋爐，實(shí)施煤改氣與油改氣，加大清潔能源建設(shè)力度，堅(jiān)決執(zhí)行環(huán)保政策不動(dòng)搖。

4 結(jié) 語

本文為評(píng)價(jià)城市大氣環(huán)境承載力水平，在傳統(tǒng)Petri網(wǎng)中引入函數(shù)的概念，將城市系統(tǒng)發(fā)展與其結(jié)合，建立城市大氣環(huán)境承載力的函數(shù)Petri網(wǎng)模型，給出其運(yùn)行規(guī)則與計(jì)算表達(dá)。并通過案例分析表明，該模型能夠把復(fù)雜因素的影響過程以及累計(jì)變化很好地進(jìn)行表達(dá)，可以定量與定性對(duì)主要影響因素以及城市大氣環(huán)境承載力進(jìn)行詳細(xì)分析，從而有針對(duì)性地對(duì)城市大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，在大氣環(huán)境極限承載范圍內(nèi)為城市發(fā)展提供指導(dǎo)。這也充分體現(xiàn)了函數(shù)Petri網(wǎng)能夠貼合實(shí)際，表達(dá)復(fù)雜大型網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行科學(xué)計(jì)算與演化，證明了函數(shù)Petri網(wǎng)在研究大氣環(huán)境承載力評(píng)價(jià)方面的可行性。