（一） 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
伴隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和城鄉(xiāng)一體化的不斷發(fā)展，湖南省城鎮(zhèn)化水平顯著提高，但也帶來了土地利用粗放、水環(huán)境污染、空氣污染指數(shù)上升等環(huán)境問題。如何促進(jìn)城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展是身處一帶一部區(qū)位的湖南省的必答題。
目前，湖南省對(duì)于生態(tài)保護(hù)主抓長(zhǎng)江岸線、湘江以及洞庭湖生態(tài)環(huán)境整治三方面，對(duì)城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展考慮欠科學(xué)、周密。本項(xiàng)目從系統(tǒng)的角度出發(fā)，運(yùn)用數(shù)理方法分析湖南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境各因素間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)性，以解決二者間的主要制約矛盾為目標(biāo)建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，通過調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置資源優(yōu)先、經(jīng)濟(jì)優(yōu)先、維持現(xiàn)狀和協(xié)調(diào)發(fā)展等不同情景，運(yùn)行模型模擬不同情景下的發(fā)展現(xiàn)狀和演變趨勢(shì)，并對(duì)仿真方案進(jìn)行優(yōu)化分析，最終甄選出最優(yōu)發(fā)展模式并提出合理建議。
（二） 研究目的
1.研究背景：
習(xí)近平總書記對(duì)湖南省提出了“一帶一部”和“三個(gè)著力”的新要求，湖南省委省政府牢記總書記的囑托，著力構(gòu)建結(jié)構(gòu)合理、方式優(yōu)化、區(qū)域協(xié)調(diào)、城鄉(xiāng)一體的發(fā)展新格局。2017年湖南省城鎮(zhèn)化率達(dá)到54.62%，增長(zhǎng)速度創(chuàng)近十年新高，到2018年底，湖南省貧困發(fā)生率由13.43%下降到1.49%。由此可見，湖南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，城鎮(zhèn)化取得明顯進(jìn)展。
但伴隨著經(jīng)濟(jì)與城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，湖南省也面臨著人均資源不足、土地利用粗放、水環(huán)境污染、空氣污染指數(shù)上升等問題。2018年4月，習(xí)近平總書記在湖南視察時(shí)，強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展“共抓大保護(hù)、不搞大開發(fā)”，勉勵(lì)湖南“守護(hù)好一江碧水”。因此，如何在推進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)保護(hù)生態(tài)環(huán)境，已成為當(dāng)前湖南的工作重點(diǎn)。
2018年11月12日，湖南省委書記杜家毫來我校視察期間強(qiáng)調(diào)要充分發(fā)揮學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢(shì)和特色，更好地服務(wù)全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。作為當(dāng)代大學(xué)生的我們，也希望能夠把自己的數(shù)學(xué)專業(yè)理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐，為湖南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)貢獻(xiàn)出自己的一份力量。
2.研究目的：
城鎮(zhèn)化的內(nèi)涵涉及人口、經(jīng)濟(jì)、空間、社會(huì)四個(gè)層面，生態(tài)環(huán)境涉及水資源、能源、環(huán)境污染三個(gè)層面，各因素之間相互影響與制約。本項(xiàng)目從系統(tǒng)的角度出發(fā)，旨在通過數(shù)理分析內(nèi)部關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型仿真預(yù)測(cè)等方法，定量衡量各內(nèi)部要素間的相互影響，同時(shí)反映城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)發(fā)展進(jìn)程，最終對(duì)仿真方案進(jìn)行優(yōu)化分析，甄選出最優(yōu)發(fā)展模式并提出合理建議。
（三） 研究?jī)?nèi)容
1.城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度分析
城鎮(zhèn)化的內(nèi)涵涉及人口、經(jīng)濟(jì)、空間、社會(huì)四個(gè)層面。從人口學(xué)角度來說城鎮(zhèn)化是農(nóng)村人口不斷遷移入城鎮(zhèn)集中的過程；從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度來說是第一產(chǎn)業(yè)向二三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移；從地理學(xué)角度來說是城鎮(zhèn)數(shù)量與地域空間面積的擴(kuò)大；從社會(huì)學(xué)角度來說是生活方式從農(nóng)村方式向城鎮(zhèn)方式的轉(zhuǎn)移。為此，我們將城鎮(zhèn)化系統(tǒng)劃分為人口、經(jīng)濟(jì)、空間、社會(huì)四個(gè)子系統(tǒng)，將生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)劃分為水資源、能源、環(huán)境污染三個(gè)子系統(tǒng)，進(jìn)而尋找各子系統(tǒng)間的制約關(guān)系。
首先從湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒及公報(bào)中提取2000-2018年的已有數(shù)據(jù)，運(yùn)用均方差決策法、主成分分析法、TOPSIS法等數(shù)理方法建立指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，從時(shí)間和空間兩個(gè)維度描述并分析湖南省城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境概況；然后運(yùn)用皮爾遜相關(guān)系數(shù)、典型相關(guān)分析、灰色關(guān)聯(lián)分析及向量自回歸模型等方法分析各子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而建立耦合協(xié)調(diào)度模型，以分析城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，為建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型做準(zhǔn)備。
2.結(jié)合前期結(jié)果建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型
（1）結(jié)合現(xiàn)有研究成果，緊抓湖南省人均資源不足、空氣污染指數(shù)上升、水環(huán)境污染、土地利用粗放等主要矛盾，將系統(tǒng)劃分為人口、經(jīng)濟(jì)、土地、水資源、能源、環(huán)境六個(gè)子系統(tǒng)；
（2）運(yùn)用項(xiàng)目前期各系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性研究成果建立相關(guān)關(guān)系，利用回歸分析、方差分析、微分方程等方法構(gòu)建指標(biāo)體系和主要方程，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并通過數(shù)據(jù)分析、假設(shè)檢驗(yàn)、系統(tǒng)模型調(diào)控等方法驗(yàn)證參數(shù)合理性。
3.運(yùn)用模型進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)并提出合理建議
針對(duì)主要制約矛盾，調(diào)節(jié)模型參數(shù)設(shè)置資源優(yōu)先、經(jīng)濟(jì)優(yōu)先、維持現(xiàn)狀和協(xié)調(diào)發(fā)展等不同情景，運(yùn)行模型模擬相應(yīng)情景下湖南省的發(fā)展現(xiàn)狀和演變趨勢(shì)，并對(duì)仿真方案進(jìn)行優(yōu)化分析，最終甄選出最優(yōu)發(fā)展模式并提出合理建議。
（四） 國(guó)、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)
1.城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境概況研究現(xiàn)狀
對(duì)于城鎮(zhèn)化內(nèi)涵，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從人口[2-3]、經(jīng)濟(jì)[4]、社會(huì)[5-6]、地理空間[7]及城鎮(zhèn)規(guī)劃[8]五個(gè)方面研究；對(duì)于生態(tài)環(huán)境內(nèi)涵，學(xué)者們主要從資源利用、環(huán)境污染以及生態(tài)系統(tǒng)自凈能力與承載力[9-10]四個(gè)方面研究。
當(dāng)前研究區(qū)域大多為生態(tài)環(huán)境脆弱型城市，不具有普適性，研究方法更偏向于定性理論研究，缺乏定量實(shí)證分析。
2.城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)關(guān)系究現(xiàn)狀
目前，關(guān)于環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的研究較多，但將城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境相結(jié)合，分析兩者耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的研究依然有限。對(duì)于二者耦合關(guān)系的研究方法主要包括：
（1）建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型分析城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合關(guān)系[11-12]；
（2）建立投入產(chǎn)出模型，通過城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境間的能量投入與價(jià)值產(chǎn)出分析兩者間的耦合關(guān)系，研究區(qū)域發(fā)展的環(huán)境壓力[13]；
（3）基于系統(tǒng)論思想，建立耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型分析耦合關(guān)系[1,14-15]。
總體來說，前兩種方法應(yīng)用簡(jiǎn)單但無法反映內(nèi)部機(jī)制且不可用于預(yù)測(cè)，第三種方法可用于預(yù)測(cè)但技術(shù)要求高、不確定性因素較難掌握。
3.區(qū)域系統(tǒng)發(fā)展模式與政策研究
目前針對(duì)資源約束下的城鎮(zhèn)化發(fā)展模式研究還較少，且大多是在既有可持續(xù)發(fā)展模式下的簡(jiǎn)單綜合和歸納，最終以“政策建議”形式體現(xiàn)[16-18]，鮮有學(xué)者將不同模式的參數(shù)量化，采用數(shù)學(xué)方法選擇適宜的城鎮(zhèn)化發(fā)展模式。
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（五） 創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色
1.對(duì)于城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境概況及耦合分析，以往研究大多采用定性分析，精度不高且方法具有局限性。本項(xiàng)目采用定性與定量相結(jié)合的方法，充分發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢(shì)，從時(shí)間、空間、整體、局部多維度分析，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加合理、全面。
2.對(duì)于發(fā)展模式與政策分析，已有研究大多僅根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)不同模式優(yōu)劣性簡(jiǎn)單對(duì)比，鮮有學(xué)者將不同模式參數(shù)進(jìn)行量化，本次實(shí)驗(yàn)借助數(shù)學(xué)方法構(gòu)建子系統(tǒng)和指標(biāo)體系，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)，使模式選擇更具科學(xué)性和邏輯性。
3.從研究區(qū)域看，國(guó)內(nèi)關(guān)于城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合關(guān)系較多為偏遠(yuǎn)地區(qū)或生態(tài)環(huán)境極度脆弱地區(qū)，本次實(shí)驗(yàn)選取城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速的中部經(jīng)濟(jì)大省湖南，更具普適性。
4.傳統(tǒng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型大多根據(jù)理論基礎(chǔ)構(gòu)建，本項(xiàng)目將通過數(shù)學(xué)方法構(gòu)建指標(biāo)和方程，指標(biāo)構(gòu)建將更具合理性，分析結(jié)果更具科學(xué)性。
（六） 技術(shù)路線、擬解決的問題及預(yù)期成果
1.技術(shù)路線：
圖1：項(xiàng)目技術(shù)路線流程圖
本項(xiàng)目的技術(shù)路線流程圖如圖1，主要應(yīng)用軟件為：MATLAB、R語(yǔ)言及SPSS.
2.擬解決的問題：
（1）分析湖南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)關(guān)系。
（2）針對(duì)城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境發(fā)展中的人均資源不足、土地利用粗放、水環(huán)境污染、空氣污染指數(shù)上升等主要矛盾，尋找其平衡點(diǎn)，以尋求最優(yōu)發(fā)展模式。
3.預(yù)期成果：
本項(xiàng)目預(yù)期在1年內(nèi)完成，成果主要為研究報(bào)告與科研論文。預(yù)計(jì)發(fā)表1-2篇研究論文，并撰寫中期檢查報(bào)告和結(jié)題報(bào)告。
（七） 項(xiàng)目研究進(jìn)度安排
第一階段：2019年上半年度，完成國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)研讀與數(shù)據(jù)采集工作。具體目標(biāo)如下：（1）了解城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的最新進(jìn)展，并對(duì)相關(guān)研究方法進(jìn)行分析和測(cè)試；（2）采集湖南省及各地市2000-2018年的經(jīng)濟(jì)、土地、人口、水資源、能源、環(huán)境等數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)主要來源于統(tǒng)計(jì)年鑒和各類公報(bào)）；（3）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，列出詳細(xì)適宜的研究方案。
第二階段：2019年下半年度，完成湖南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境概況分析和耦合協(xié)調(diào)度分析。具體目標(biāo)為：（1）結(jié)合已有理論，運(yùn)用數(shù)理方法分析數(shù)據(jù)，完成指標(biāo)體系構(gòu)建和結(jié)果評(píng)價(jià)；（2）運(yùn)用相關(guān)系數(shù)、典型相關(guān)分析等方法分析各子系統(tǒng)間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)性；（3）構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)度模型，從時(shí)間和地區(qū)兩個(gè)維度分別計(jì)算湖南省耦合度、協(xié)調(diào)度；（4）撰寫一篇相關(guān)論文及中期檢查報(bào)告書，并完成論文投稿。
第三階段：2020年上半年度，構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型仿真預(yù)測(cè)，選擇適宜的發(fā)展模式并提出合理建議。具體目標(biāo)為：（1）基于以上研究完成指標(biāo)和方程構(gòu)建，進(jìn)行參數(shù)檢驗(yàn)，以構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；（2）完成不同發(fā)展模式的預(yù)測(cè)與優(yōu)化，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果甄選出最優(yōu)發(fā)展模式，提出合理建議；（3）撰寫一篇相關(guān)論文及結(jié)題報(bào)告書。
（說明：根據(jù)實(shí)際工作需要，項(xiàng)目組將適當(dāng)調(diào)整工作進(jìn)度。）
（八） 已有基礎(chǔ)
1. 與本項(xiàng)目有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)
項(xiàng)目組成員成績(jī)優(yōu)秀，基礎(chǔ)扎實(shí)，積極參加學(xué)科競(jìng)賽，并多次獲獎(jiǎng)。其中，在美國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽、“高教杯”全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生“電工杯”數(shù)模競(jìng)賽中分別取得了國(guó)際二等獎(jiǎng)、國(guó)家二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。項(xiàng)目組成員已完成論文“基于圖論的RGV動(dòng)態(tài)調(diào)度研究”，目前已被RCCSE中文OA學(xué)術(shù)期刊類核心期刊《理論數(shù)學(xué)》雜志接收，為團(tuán)隊(duì)繼續(xù)參加、完成大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目積累了經(jīng)驗(yàn)。項(xiàng)目組全體成員目前正在參加復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)算法、全國(guó)城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境等討論班學(xué)習(xí)，為本次研究積累了理論基礎(chǔ)。
與本研究項(xiàng)目相關(guān)，項(xiàng)目組成員已完成研究有：《湖南省空氣質(zhì)量影響因子分析》、《基于主成分分析法的能源概況分析以及概率分布研究》等課題，圖2為湖南省城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境因果關(guān)系圖（僅反映初步關(guān)系，后期還需進(jìn)一步完善）。這些工作為本項(xiàng)目奠定了基礎(chǔ)。
圖2：城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境因果關(guān)系圖
2. 已具備的條件，尚缺少的條件及解決方法
本項(xiàng)目組成員已具備基本的理論基礎(chǔ)與科研能力；項(xiàng)目立項(xiàng)為項(xiàng)目開展提供了基本的物質(zhì)基礎(chǔ)；項(xiàng)目所需大部分?jǐn)?shù)據(jù)均可從統(tǒng)計(jì)年鑒和公報(bào)中獲得。
對(duì)可能面臨的部分年份數(shù)據(jù)缺失的問題，為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，項(xiàng)目組考慮從湖南省統(tǒng)計(jì)局等部門獲取數(shù)據(jù)，或采用實(shí)地調(diào)研或通過統(tǒng)計(jì)方法處理缺失值。同時(shí)，本項(xiàng)目具體研究方法將根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)一步調(diào)整，盡可能做到最優(yōu)化。
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