农村生态住区建设系统灰色关联度耦合模型

李 明， 王晓鸣

(华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)

我国正处于城镇化和新农村建设的快速发展时期，生态村建设是新农村建设发展的重大课题，是落实科学发展观、建设城乡和谐社会的重要组成部分，是实现农村可持续发展和国家中长期科技发展纲要的重要支撑内容。农村生态住区建设是生态村结构功能、空间布局、生活方式及文化传承的核心内容。通过住区建设生态技术级配、建设系统及子系统间动态协调耦合机制，实现农村生态住区建设系统功效水平大幅提高和系统运行能耗值适度降低的优化目标。

1 农村生态住区建设系统分析

1.1 农村生态住区研究综述

生态住区及其建设研究始于20世纪90年代初，集中在欧洲和美国等发达国家的大城市郊区。国外生态住区建设注重居住功能与自然环境的和谐发展与规划；强调清洁能源的合理开发和使用，如太阳能利用；选择资源回收再利用方式，如雨水收集及污水处理循环使用技术；坚持建筑节能材料的研究和使用，如墙体节能保温材料和节能窗的利用；突出社区文化和活动的营造，如每周开展社区活动等[1～4]。

农村生态住区建设是一个合理利用自然资源，以提高农民生活条件和生活质量、改善农村人居环境为目标，以基础设施建设、住房建设改造、清洁能源利用、节能技术推广和环境污染治理等为主要内容，统筹规划经济、社会和资源环境发展，从而取得经济、社会、资源和环境效益全面协调的农村建设发展系统。

根据自组织耗散结构理论，农村生态住区建设系统是一个开放的、远离平衡态、非线性的系统。农村生态住区建设系统要素涉及目标、时序和资源等内容[5～6]，见图1。

图1 农村生态住区建设系统要素组成

1.2 农村生态住区建设系统构成

农村生态住区建设系统以建设活动为基本核心内容，涵盖建设全过程包括规划设计和建造实施等，并以基础设施建设为特色，注重建造过程中集成的实用建设技术，突出建造后期运营管理。农村生态住区建设系统以建设活动开展为时序轴线，涉及资源、经济、环境和社会方面的关键影响因素，包括：土地利用、建筑材料利用、建筑设备利用、劳动力利用、清洁能源利用、水资源利用、收入水平、建设投入、建造成本、生活成本、预期经济增长、碳排放、室内环境、绿地景观、社会参与、科技支撑、社区文化、培训推广和居民认知等。农村生态住区建设系统见图2。

图2 农村生态住区建设系统构成

2 农村生态住区建设系统耦合机理

2.1 耦合原理

农村生态住区建设系统是一个复合系统[7]。研究农村生态住区建设系统的目的就是通过分析各子系统内部关键因素及子系统间的相互影响关系，运用科学模型和计算使投入系统的能耗最低，系统产出最大，同时系统内部能量损失最的优化关系和模式。

耦合是指两个或两个以上的系统或运动方式之间通过各种相互作用而彼此影响以至联合起来的现象，是在各子系统间的良性互动下，相互依赖、相互协调、相互促进的动态关联关系[8]。

根据协同学原理，通过计算系统间耦合作用和协调程度，可以判断系统在达到临界区域时走向何种序与结构，或者系统由无序向有序的发展趋势。系统由无序走向有序机理的关键在于系统内部序参量之间的协同作用，它左右着系统相变的特征与规律，耦合度正是反映这种协同作用的度量[9]。

从控制论的角度来看，内稳态是系统的基本性质，而系统的稳态是在负反馈机制作用下的结果，功能耦合系统中只要有两种事物存在耦合，就必然包含着信息传递的回路，因而耦合造就了内稳态和维系它的负反馈调节。生长是功能耦合网的扩大，它需要更多的子系统耦合起来，而内稳态的作用在于可以建立耦合，使原来无关的一些随机变量(或系统)成为一个耦合系统[10]。农村生态住区建设系统协调耦合控制机制见图3。

图3 农村生态住区建设系统耦合控制机制

2.2 农村生态住区建设系统耦合机理

农村生态住区建设系统中建造系统包括建造全过程、基础设施和技术应用，是核心关键子系统。资源、经济、环境和社会等系统作为支撑和约束子系统影响决定建造子系统，因此，建立基于建造子系统为主分量以资源、经济、环境和社会为子系统的协调耦合控制系统。

2.2.1建造-资源子系统耦合

资源子系统包括土地利用、建筑材料利用、建筑设备利用、劳动力利用、清洁能源利用、水资源利用等。土地影响和决定农村生态住区建设规划设计的空间布局，生态住区要体现土地集约和优化利用水平，建筑材料、建筑设备、清洁能源和水资源等决定设计、施工工艺和建造技术等综合应用能力，劳动力决定建设方式和建造效率等，同样，建造子系统也受影响和制约于资源子系统。建造-资源子系统耦合机制见图4(a)。

2.2.2建造-经济子系统耦合

经济子系统包括收入水平、建设投入、建造成本、生活成本、预期经济增长等。收入水平影响农村住区建设的整体实力和参与方式，直接决定建造系统的各方面，建设投入制约建造中使用的建造技术、建造工艺和建造的成果，建造成本决定建造方式、内容和水平，生活成本体现农村生态住区的运营消耗水平和生活水平，预期经济增长与建造子系统互促互利。建造-经济子系统耦合机制见图4(b)。

2.2.3建造-环境子系统耦合

环境子系统包括碳排放、室内环境、绿地景观等。碳排放反映和表征建设规划设计施工运营及建造技术应用水平，室内环境和绿地景观受制于规划设计主题和风格，影响基础设施建设和住区运营管理。建造-环境子系统耦合机制见图4(c)。

2.2.4建造-社会子系统耦合

社会子系统包括社会参与、科技支撑、社区文化、培训推广和居民认知等。建造全过程需要社会的参与，科技支撑强弱决定建造中使用的技术应用情况和建设投入，规划设计和运营管理需考虑和融入社区文化背景，建造实用技术需进行大力培训推广，对建造系统的居民认知决定建造适应性和整体效果。建造-社会子系统耦合机制见图4(d)。

图4 农村生态住区建设系统耦合机制

3 农村生态住区建设系统耦合测度

3.1 耦合测度方法

由于农村生态住区建设系统各子系统间的关联性与复杂性，本文以复杂适应系统分析的思路，采用灰色关联分析方法并结合容量耦合系数模型[11]，分析农村生态住区建设系统及以建造子系统为主分量的各子系统间耦合关联和协调程度。

灰色关联度是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，作为衡量因素间关联程度的一种方法[12]。对系统发展变化态势提供了量化的度量，适合动态变化分析。

3.2 耦合测度模型及计算步骤

(1)确定分析序列。农村生态住区建设系统的分析序列包括建造子系统序列组ci、资源子系统序列组Rj、经济子系统序列组Ecj、环境子系统序列组Enj和社会子系统序列组cj。

(2)数据无量纲化。采用极差标准化方法对数据进行无量纲化处理。以建造子系统序列组为例，其他类同：

(1)

(3)计算关联系数。关联系数是两个相比较的序列在第t时刻(或区域)的相对差值，选择邓氏关联度计算关联系数[13]。以建造-资源子系统为例，其关联系数的计算公式为：

ξij(t)=

(2)

(4)耦合关联度模型。将关联系数按样本数k求其平均值后可以得到一个关联度矩阵γ，反映子系统间耦合的错综复杂关系。关联度γ的表达式为：

(3)

(5)子系统耦合度。为进一步从整体上分析子系统间耦合情况，本文采用系统关联耦合度模型[14]，计算公式为：

(4)

式中：C(t)为耦合度。

(6)农村生态住区建设系统耦合度模型。根据容量耦合的概念及容量耦合系数模型，得到多个系统相互作用耦合度模型(表1)，系统耦合度计算公式为：

Cn={(C1×C2×…×Cn)/∏(Ci+Cj)}1/n

(i=1,2,…,n;j=1,2,…n)

(5)

表1 耦合度取值范围及含义[15]

4 堰河村生态住区建设系统耦合

4.1 堰河村概况

堰河村生态住区位于湖北省谷城县堰河新村，生态住区共13户农房和1栋村民公共建筑，住区属于“十一五”国家科技支撑计划重大项目示范基地，住区建设包括新村规划设计、房屋和基础设施建设、环境整治和改善工程建设、社区及信息化建设等[16]。

4.2 堰河村生态住区建设系统耦合计算

建设系统构成及指标见表2。运用Matlab7.0编程和计算，得到建造-资源、建造-经济、建造-环境和建造-社会子系统间的关联系数，子系统间耦合度随时间变化曲线见图5，农村生态住区建设复合系统耦合度随时间变化曲线见图6。

表3 堰河村生态住区建设系统构成及指标

图5 不同时刻各子系统间耦合程度变化

图6 不同时刻农村生态住区建设复合系统耦合度变化

(1)建造-资源子系统间耦合度区间范围为[0.65，0.70]，处于磨合耦合阶段，土地、建筑材料、建筑设备、劳动力、清洁能源和水资源等资源利用水平及对建造子系统的贡献程度处于磨合居中阶段，在规划设计阶段充分考虑了生态住区建设模式处于较高耦合水平，在实施和运营管理阶段由于资源利用效率和水平的降低，耦合水平呈降低趋势，但在建设过程周期维修改造阶段对资源再利用和生态技术的需求，耦合程度持续升高。

(2)建造-经济子系统间耦合度区间范围为[0.58，0.59]，处于磨合耦合阶段，收入水平、建设投入、建造成本、生活成本、预期经济增长等经济因素及指标表征建造子系统的水平处于耦合中间阶段，在生态住区建造寿命期内耦合程度基本不变，整体水平不高，受农民经济收入影响及建造后期经济增长水平限制。

(3)建造-环境子系统间耦合度区间范围为[0.62，0.68]，处于磨合耦合阶段，碳排放、室内环境、绿地景观等环境体系对建造子系统的影响和贡献处于居中阶段，规划设计建造的实施，室内外环境不断改善，系统间耦合程度呈上升趋势，但运营和维修阶段由于人的活动及建造对环境的影响碳排放量增加，耦合程度降低。

(4)建造-社会子系统间耦合度区间范围为[0.54，0.75]，处于磨合耦合阶段，社会参与、科技支撑、社区文化、培训推广和居民认知等因素对建造子系统的影响和贡献程度处于中间阶段，规划设计阶段，科技支撑及社会参与等系统间耦合程度高，建造实施阶段耦合程度下降，运营和维修阶段，由于技术水平和居民的认知提升，耦合程度不断上升。

总的来说，农村生态住区建设系统耦合程度处于[0.63,0.69]，处于磨合耦合阶段，系统间的贡献和影响程度不高。规划设计阶段，生态住区先进的建设理念、科技的支撑、建造材料和方式的选择等影响，耦合程度高；建造实施过程中，资源的消耗方式、建设的投入和建造水平等影响，耦合程度大幅降低；在运营和维修阶段，农民的预期经济增长、环境的改善和居民的认知等影响，耦合程度呈上升趋势。

5 结 论

(1)农村生态住区建设复合系统以建造子系统为主分量，包括建造、资源、经济、环境和社会等子系统。

(2)农村生态住区建设复合系统各子系统间存在耦合影响和贡献，建立了基于邓氏灰色关联度的农村生态住区建设系统耦合测度模型。

(3)运用模型测算堰河村生态住区建设系统耦合度为[0.63,0.69]，整体上处于磨合耦合阶段，系统间的贡献和影响程度不高，规划设计阶段耦合程度高，建造实施耦合程度大幅降低，运营和维修耦合程度呈上升趋势。

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