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人类正面临着资源短缺、环境恶化和文化失落等生态问题。这些问题在城市生态系统中表现得集中而显著。传统经济学在评估自然资源和人类文化的价值以及污染排放的环境影响时存在一定的局限，生态热力学和生态经济学的发展为解决全球特别是城市的生态问题提供了基于生物物理基础的思路和方法。火用值理论作为生态热力学和生态经济学的最新进展，统摄并发展了Costanza的体现能理论、Odum的能值理论以及Szargut的积累火用理论。火用值理论坚持系统生态学的基本思维框架，以宇宙火用(而非传统的太阳能)为财富的本源，并通过热力学计算量化了宇宙火用相对于人类经济规模的稀缺程度，成功的解释了全球生态危机的人类作用机制。基于火用值理论的分析方法能有效解决城市资源配置不公和环境管理低效等生态问题，为城市生态系统规划和管理提供新的契机。
本文首先讨论了火用值理论对生态经济学的具体贡献，在此基础上定义了基于火用值存量的“生态财富”和基于火用流的“生态成本”概念，并以火用值(即体现宇宙火用，定义为形成一项产品或服务所直接和间接投入的宇宙火用总量)作为财富和成本的衡量单位。这种基于“宇宙火用单位”的评估方式在一定程度上弥补了传统经济评价的不足，可以作为评估人类各种生态财富(包括传统经济系统中的免费资源)价值、衡量人类经济行为成本的参考方法。
人口的“品质”和文化信息是复合生态系统特别是城市生态系统中最具活力和影响力的因素，但是它们的贡献在现有的核算和评估工作中却被强调的不够。本文扩充了人口品质和文化信息的核算项目，以炯值量化了它们在系统中的地位和影响。对污染物潜在环境影响的科学度量是解决各类环境问题的关键。本文基于火用值理论，强化了污染物的核算和评估，为人类经济活动的“外部性”衡量提供了基于生物物理基础的方法。
基于流量的核算不能很好地反映一个地区的富足程度和福利水平，本文发展了火用值网络核算，该方法不仅考虑复合生态系统中的各种生态流，还特别关注系统内部的生态存量。城市生态系统中生态流交流活跃、生态存量层次结构丰富。追求生产和消费所造成的物流、能流、信息流、资金流和人流大量涌现的繁荣景象掩盖了城市自然资源和城市文化财富流失的事实。对城市进行火用值网络核算能够更真实地反映城市的生态福利水平，揭示资源和环境对城市经济的支撑，展现城市发展背后的生态代价。
系统模拟是规划者和决策者常用的系统分析和调控的手段。我们以往进行的系统模拟工作对生态系统基本原理和本质规律重视不够，在数学建模和参数确定过程中往往难以避免不确定性因素和主观性的干扰。本文以系统生态学和生态热力学归纳的生态系统的普遍规律和设计原理(特别是功率最大化原理)为依据，构建了基于火用值理论的系统生态模拟的方法框架。这种方法能用简单的方式概括各种尺度系统的本质结构和动力机制，尽可能还原模型的本色；同时这种方法能将各种自然生态环境要素(包括免费的资源)有机融入系统模型。作为开放的自组织系统，城市的发展受外界资源和环境波动的影响很大，城市必须根据外界的情况不断调整自己的行为。本文将基于火用值理论的系统生态模拟思想应用于城市生态系统模拟和调控，考量城市生态流率变化对城市生态财富影响的动力机制，进一步揭示城市发展的生态瓶颈，为城市规划者和管理者提供决策的依据。
北京目前正处于社会经济发展和城市生态维护的矛盾尖锐时期。城市经济蓬勃发展的背后是自然资源的匮乏、生态环境的恶化以及皇城故都文化氛围的消逝。本文以北京作为案例城市，将基于火用值理论的火用值网络核算、系统生态模拟和系统生态调控应用于实际的城市生态系统分析和管理：首先结合北京市1990-2005年的社会经济和资源环境数据，对北京市生态财富(包括自然资源、农业资产、城市资产、金融资产、人口存量和文化信息存量)和生态成本(包括资源消耗和环境污染排放)以及相关指标进行了时间序列的核算和分析；然后以2000年的详细结果为模型初值，对北京市开展了跨度为100年(2000-2100)的模拟预测；结合北京市水资源不足和能源供应紧张的现状，开展了提高生态流率的“调水”和降低生态流率的“能源价格控制”两个调控方案的情景分析和比较。通过对核算、模拟和调控结果的分析，对北京市的规划管理和发展方向提出了一些自己的看法。