淺談人類活動對環境影響的預測

隨著科學技術和生產的快速發展，人類活動的研究和預測，尤其是經濟活動對自然環境變化的影響，已成為現代地理學的一項重要而緊迫的任務之一。地理預測預報是科學技術革命的產物,是整個地理學的發展趨勢之一。1研究的基本原理從廣義來說,所謂預測,指的是預報的編制過程,是以事物發展的客觀規律為依據推測或判斷事物未來狀態或發展趨勢的一種特殊的科學研究。預測一般是計劃工作的第一階段,其目的是揭示事物的內在聯系、發生原因以及決定未來發展動態。預報是對事物未來發展趨勢或結局作出的推測或判斷。預測就其目的、對象和積極程度而言盡管有所不同,但預測者都要從現在出發,考慮到未來,再回到現在,以便采取措施,應付未來的發展和演變。2《月》中的環節自然地理預測是現代地理學研究中最薄弱的環節之一。開展綜合地理預測研究之所以難度很大,既有客觀上的,也有主觀上的原因,概括起來可以歸納為以下幾個方面。2.1自然地理學的研究對象是極其復雜的對象它們由多種成分組成,在多種因素綜合影響下形成各種自然綜合體,因而具有復雜的結構、直接和反饋的關系體系;并在時間和空間上不斷發生變化。2.2地理預測的實質及結構任何預測都要按程序分階段進行(選擇客體、擬定方法、收集資料、進行驗證等等)。然而預測過程本身作為復雜的多階段過程,其實質和結構迄今尚未認識清楚,特別是在解決專門的地理預測問題方面,情況更是如此。預測的各個特定階段和作業,它們之間的相互關系的性質以及實施程序都有待于揭示和判明。2.3自然地理預測的系統分析方法為了預測,不僅要研究客體的變化結果,而且還要研究客體的時空變化過程,即分析自然系統和地理技術系統的運行機制,對后者沒有認識,就談不上任何可靠的預測。這就要求地理預測資料具有完整性、代表性、可靠性和針對性(特殊性)。但目前的地理資料大多質量較差,不符合預測要求。為了克服上述種種困難,可以把自然系統和地理技術系統作為結構功能完整的地理客體,并按系統分析法加以分析。系統分析的實施內容包括:(1)將預測過程表示成系統;(2)建立預測系統模型;(3)根據工程建筑物對自然環境造成的具體變化的預測資料對模型進行評估。由于自然地理預測過程作為一個系統具有非常復雜的結構(包括以直接關系和反饋關系結合起來的若干階段和作業),并帶有針對性(各個階段均服從于統一的目標)和等級性(自然地理預測是普通地理預測的一部分;水文預測是自然地理預測的一部分,余類推),而地理預測客體本身又具有多維性和完整性,系統分析法在自然地理預測中的應用具有廣闊的前景。工程建筑物影響區自然環境變化的預測研究的實質和內容如圖1所示。由圖1可見,自然地理預測一般從確定客體和揭示預測性質開始。為了作出可靠的預測,預測研究的基本任務必須包括:建立預測理論基礎(預測理論的保證);制定實際資料的獲取方法(預測信息的保證);制定所得資料的分析方法;建立預測客體的基礎模型(預測分析的保證);選定預測方法(預測方法的保證);制定預測可靠性的檢驗方法(預測的驗證)。3自然地理壓縮的基本問題3.1自然平衡和不可逆變化的變化自然地理預測以近年來地理科學的成就為基礎,以作為現代自然地理學基礎的自然地理綜合體學說(地理系統論)為依據。地理系統論可以揭示自然動態系統的特性、形成過程和在自然和人為因素影響下的發展前景。自然地理綜合體具有一定的穩定性及其在外力作用下保持或返回到初期狀態的能力。各種組成成分的穩定性各不相同。然而地理系統中進行物質和能量交換和轉化的各種獨特的渠道都是最不穩定的。自然因素和人為因素都會影響到地理系統內部各種相互關系的性質和穩定性。地理系統業已形成的自然平衡,即物質和能量的輸出和輸入持平的狀態一旦遭受破壞,就會使地理系統的運行狀態產生各種可逆的和不可逆的變化。地理綜合體在短時間或者一次性作用下可以恢復其一定的平衡狀態,這就是可逆的變化。地理綜合體結構經受改造的變化稱為不可逆變化。在永久性建筑物影響下產生的變化就是不可逆的變化,并導致地理技術系統的形成。同時自然綜合體會重新調整,直到在各組成成分與新形成的外界環境之間,和各組成成分之間達到協調一致時為止。新的平衡與原先的初期狀態有很大區別。然而,認識過去的動態,并以此作為預測模型,會有助于評估新出現的形態、特性以及新達到的平衡程度,進而揭示新發展造成的趨勢。誠然,對在各種不穩定的狀態不重復地交替出現情況下所產生的不可逆的變化進行研究和預測是極其復雜的課題。地理技術系統有其一定的發展規律。其變化速度顯然高于處在天然條件下地理系統的變化速度。這是由于環境反差增大,物質和能量交換變得活躍所致。諸自然綜合體的變化盡管各不相同,但都分為兩個階段。其一,加速發展階段,各個地理系統均發生最大程度的變化,并各自形成新的結構(最初幾年);其二,減速變化階段,人為變化繼續發生,但變化速度逐漸放慢并趨近于天然速度。3.2自然綜合體的預測過程的地理分析由于現有的資料往往不包含預測所需的資料,自然地理預測的信息保證問題應當引起足夠的重視。為此,需要用一些專門的調查研究,并遵循下列幾項原則:(1)既要考慮預測客體的特殊性,又要考慮其綜合性;(2)由于在工程建筑物影響區內自然環境會發生加速的變化,故要應用動態分析法,即測定景觀的時空變化速度;(3)無論是正在設計中的,還是已經建成的工程建筑物所帶來的影響,都要按同一程序加以研究。同時在現行建筑物的影響區內主要注意揭示已經發生過的變化,而正處在設計中的工程建筑物,則主要注意研究促使所預測過程發生的各種因素。實施上述原則的具體作法如下。首先揭示資料來源,特別注意有關某地區在不同時期編成的資料,以便判明其變化趨勢和變化過程。當前,衛星象片資料具有重要價值。不過直到目前為止,野外觀察成果仍然是預測資料的主要來源。野外觀察最好在被動實驗條件下進行。(而不改變所研究的過程)。野外觀察可以采用路線考察、半定位研究、定位研究、綜合考察以及其他形式進行。定位研究具有非常重要的意義。然而由于這種研究方法需要消耗大量的勞動和時間,在實踐中較常采用半定位研究法,即關鍵地段作業法(關鍵地段設有縱剖面線、橫斷面線、站臺等)。同時縱剖面線、站臺、橫斷面線均為相或限區的實物模型。研究工作最好在工程建筑物建成之前就進行,并在15～20年期間內每隔3～4年重復進行。對于預測研究來說,重要的是揭示各種自然綜合體的動態指示體(根據樹木指示體、草本植被、地貌、土壤等)。指示主要分為三種形式:預報性指示(揭示尚未開始的過程),階段同步性指示(指示發展中的過程),回溯性指示(根據留下的結果再現過程的發展歷程)。如現在觀測的過程無法與以前進行的過程加以比較時可以利用“標準地段”。“標準地段”可以是位于工程建筑物影響區范圍以外的一些地段;可以是客體變化之前編制的地圖和拍攝的象片資料;也可以是根據殘跡標志(土壤形態特征:上層、新生體等)再現的一些地段。同時劃定工程建筑物影響區的界線很重要。影響區界線為這樣的一條線或者一條帶,即在它的范圍之外地理系統不發生變化。影響區界線有內部和外部界線之分。內部界線是客體的設計輪廊線;外部界線是影響區(根據某些個別的組成成份,明顯的自然界線等)。為預測目的而積累的資料只有通過系統整理和綜合之后才能使用。這項作業稱為資料的地理分析,可用比較法、動態法、數學法和制圖法實施。在綜合應用這些方法的基礎上,地理分析可以按照下列程序加以實施:(1)揭示自然界變化的實質和機制;(2)判明引起這種變化的因素;(3)確立自然界的因果關系和連鎖反映;(4)判明過程的時空(動態)變化;(5)建立地理系統變化的基本模型。各個自然綜合體的變化都是從某些個別的組成成分的變化開始,然后通過景觀內部聯系結構體系繼續變化。地理技術系統的形成機制取決于具體的自然條件,并服從于地域地帶性特征。各個自然綜合體中諸過程的進行速度和方向都不一樣,即使在只有一個同樣的組成成分發生變化的情況下也是如此。要從數量和等級上估計各個可能因素對所預測過程的重要性。為此需要揭示研究客體諸因素間和諸參數間存在的各種關系。搞清諸形成因素有助于揭示自然界中直接的和反饋的因果關系和連鎖反應。探索穩定性關系具有特殊的意義,因為在這種情況下諸因素與諸預測客體之間的關系表現得最為密切。這種情形與垂直的和水平的物質流和能量流有關。研究各種相互關系有助于揭示各個自然綜合體的變態及其形成的時空(動態)變化規律。在運行達15～20年以上的各種永久性客體上進行觀測可以獲得最佳結果。如這種條件不具備時,可根據航空象片、樹木生長歷程、水文氣象指標的波動等可以間接地再現動態變化歷程。在任何情況下建立時間序列——某種特征按時間順序排成的數列都是適宜的。不過,對于自然地理預測來說,時間序列的研究重點在于研究時間序列的周期性和非周期性振動的變異性和特征與預測時間序列在未來的狀態。帶有方向性的不可逆轉的變異性可以用以下幾個指標加以表征:趨勢項(總的發展趨勢);形成速度,即速率(特征的單位時間變化);發展階段、周期性、節律性、后延(時滯)(從因素開始發生影響的時刻到自然界出現變化的時刻的時間間隔)。為了確定時間序列的趨勢和周期性,可以利用各種數理統計方法:按滑動平均施行平滑的方法,最小二乘法,周期圖分析法等等。在三級類型中,諸預測方法是根據所用工具的特征而合并歸類的。按照上述分類方案,具體選用哪一種方法進行預測合適,這要根據目標函數(預測的目的、任務和約束條件)、預見期、預測客體的特點、原始資料的完整性和可靠性等等來決定。這些條件的組合方式會隨具體情況的不同而有所差別。因而,最后結果亦會帶有一定的相對性和約定性。一般說來,預測結果只能讓時間來檢驗。然而為了使作出的預測富有成效(亦即是說,符合預期要求),應當通過仔細研究擬定出一些基本原則和條件,以便建立有根據的目標函數,為原始資料的分析整理作好準備,進而選定最合適的預測方法。3.4預測結果的客體模型預測的各項指標決定于自然綜合體發展理論方面的知識水平,編制預報所用資料的完整程度以及對預測資料進行地理分析的最終結果是客體的基本模型,借以反映地理技術系統組成成分之間基本的相互關系和相互聯系以及該系統的時空動態變化規律。3.3自然地理預測模型的技術類型不管使用哪一種方法進行哪一類預測,要想取得成效,必須遵守下列作業程序,即:建立目標函數→選擇資料來源→分析整理原始資料→選擇預測方法。這就是說,所需的合適的預測方法要看目標和資料情況來定。因此,對于某個范圍的預測任務來說,總可以找到一組或幾組方法與之相適應。換句話說,一種或一組方法都有各自的適用范圍。茲以三級分類體制介紹自然地理預測方法的分類,如圖2所示。在一級類型中,根據資料依據的特征,可分為羅列事實法(以客體過去和現在狀態的現有資料為依據)、專家估計法(以專家信息為依據)和綜合法(以兩種以上信息源的綜合資料為依據)。在二級類型中,根據資料分析整理的特征可分為統計方法(按數理統計法判明各種現象的相互關系和規律性,借以預測客體的未來狀態)、類比法(根據其過程與客體相似的已知客體的規律性來預測客體的未來狀態)、先行指標法(用來研究科學技術進步的動態和揭示其特性)和直接式、反饋式專家估計法(專家在不考慮或者考慮別的專家和專家集體意見的情況下作出估計)。預測方法選擇的正確程度。預測的準確性取決于誤差大小。誤差值是預測指標的預測值與實際值之差。預測誤差大小則與預測絕對誤差與實際值之比這個相對誤差值有關,又往往與均方誤差、相關系數和其他統計指標有關。確定預測的可靠度、準確度和可靠性應當在預測事件開始之前進行。為了進行預測驗證,可以利用以下幾種間接的處理方法。(1)深入認識自然過程的形成和發展機制,并以此作為依據建立比較