基于協(xié)同度量化模型的城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)布局調(diào)適方法

金云峰

李 濤

王俊祺

吳鈺賓

楊 丹*

城鄉(xiāng)統(tǒng)籌背景下，綠地系統(tǒng)規(guī)劃的工作重心已由建成區(qū)轉(zhuǎn)向整個(gè)市域，規(guī)劃對象已由城市綠地轉(zhuǎn)向涵蓋非建設(shè)用地的城鄉(xiāng)綠地，為論述方便，本文提到的綠地系統(tǒng)均指城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)。

十九大中央報(bào)告指出要堅(jiān)持改革的“系統(tǒng)性、整體性、協(xié)同性”，同時(shí)近期中央重要講話強(qiáng)調(diào)“改革越深入，越要注意協(xié)同”，包括“方案協(xié)同、落實(shí)協(xié)同、效果協(xié)同”。面對越來越復(fù)雜的耦合“生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)”因素的城鄉(xiāng)綠地復(fù)雜巨系統(tǒng)演化，很多問題是由于系統(tǒng)不協(xié)調(diào)所造成，因此特別需要協(xié)同、集成這個(gè)系統(tǒng)[1]?；谀壳熬G地系統(tǒng)規(guī)劃實(shí)踐中系統(tǒng)性聯(lián)系弱、綠地功能不協(xié)同等問題，需要建立綠地系統(tǒng)內(nèi)外部的耦合協(xié)同關(guān)系[2]，結(jié)合數(shù)學(xué)模型和定性方法處理系統(tǒng)問題：一方面為明晰綠地系統(tǒng)內(nèi)外真實(shí)的時(shí)空演化規(guī)律提供有效工具；另一方面以演化情況為基礎(chǔ)，有目的性地研究綠地系統(tǒng)協(xié)同布局的優(yōu)化調(diào)適方法，并對在規(guī)劃實(shí)踐中推動(dòng)綠地系統(tǒng)綜合功效與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的適應(yīng)協(xié)同和可持續(xù)共生作出針對性探討。

1 理論概念與進(jìn)展

協(xié)同學(xué)(Synergetics)是采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的綜合思維模式提出的自組織理論概念[3-4]，研究的是一個(gè)開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)通過內(nèi)外部系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)合作形成宏觀(時(shí)間、空間或功效上的)有序結(jié)構(gòu)的機(jī)制和規(guī)律[5]。協(xié)同學(xué)解釋的是系統(tǒng)內(nèi)部之間的“協(xié)同作用”(science of synergy)，協(xié)同學(xué)的基本概念包括：競爭與協(xié)同[6]、序參量、耦合度與協(xié)同度。

耦合度(coupling degree)描述的是系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)部要素之間彼此影響、相互作用的強(qiáng)弱程度。協(xié)同度(synergy degree)又稱為協(xié)調(diào)度、耦合協(xié)調(diào)度(coupling synergy degree)，描述的是系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)部要素之間彼此協(xié)調(diào)、和諧一致的大小程度，能夠表征系統(tǒng)由無序走向有序的協(xié)同狀況好壞。業(yè)界對“綠地系統(tǒng)協(xié)同”的研究亦集中在定性的空間規(guī)劃領(lǐng)域，大致歸為3類：1)綠地單功能與系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃，如雨洪管理、防震減災(zāi)；2)綠地多功能與系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃，如生態(tài)、防護(hù)、游憩等功能的綜合考量[7]；3)協(xié)同規(guī)劃體系的建構(gòu)，如從綠地基礎(chǔ)構(gòu)架、子系統(tǒng)功能、社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)控3個(gè)路徑實(shí)現(xiàn)協(xié)同[8]。對于定量的“綠地系統(tǒng)協(xié)同度”研究較少，且以主觀性的層次分析法為主。

2 綠地系統(tǒng)協(xié)同度量化模型構(gòu)建與應(yīng)用

綠地系統(tǒng)協(xié)同度量化模型的評價(jià)體系構(gòu)建從2個(gè)維度展開(圖1)：1)基于綠地系統(tǒng)內(nèi)部主導(dǎo)功能的內(nèi)源驅(qū)動(dòng)力，分為游憩型綠地、防護(hù)型綠地、景觀型綠地、生態(tài)型綠地4類子系統(tǒng)[9]；2)基于綠地系統(tǒng)外部作用的外源影響力，分為綠地系統(tǒng)、資源環(huán)境系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)3類[10]。綠地系統(tǒng)實(shí)際演化并沒有嚴(yán)格的內(nèi)外之分，因系統(tǒng)內(nèi)外部演化過程中的主導(dǎo)作用力不同而作此劃分。

2.1 基于內(nèi)源驅(qū)動(dòng)力的協(xié)同度評價(jià)體系構(gòu)建

遵循數(shù)據(jù)的重要性、可比性、穩(wěn)定性及可獲得性等原則，根據(jù)綠地系統(tǒng)內(nèi)部主導(dǎo)功能作用機(jī)理，構(gòu)建基于內(nèi)源驅(qū)動(dòng)力的綠地系統(tǒng)協(xié)同度(以下簡稱“內(nèi)協(xié)”)評價(jià)體系[11](表1)?；诟骶G地子系統(tǒng)分別篩選出支配系統(tǒng)演化、影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的12項(xiàng)重要序參量，并找出反映各序參量的可供度量的36項(xiàng)序參量分量。通過2個(gè)層次(序參量層次、子系統(tǒng)層次)的功效函數(shù)測算，得出各綠地子系統(tǒng)的綜合功效。

2.2 基于外源影響力的協(xié)同度評價(jià)體系構(gòu)建

從更宏大的系統(tǒng)論來看，資源環(huán)境系統(tǒng)供容力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展力作為直接影響綠地系統(tǒng)承載力的外源作用，構(gòu)成了相互作用的耦合共生關(guān)系。將各綠地子系統(tǒng)綜合功效作為序參量指標(biāo)，參與到基于外源影響力的協(xié)同度(以下簡稱“外協(xié)”)評價(jià)體系(表2)，共篩選出14項(xiàng)序參量。

2.3 研究方法

在明晰綠地系統(tǒng)協(xié)同度評價(jià)體系的基礎(chǔ)上，借鑒協(xié)同學(xué)理論中的功效函數(shù)分析模型、耦合度量化模型和協(xié)同度量化模型，3個(gè)模型之間層層遞進(jìn)，分析出不同時(shí)空背景下整個(gè)綠地系統(tǒng)內(nèi)外部的耦合協(xié)同作用趨勢及關(guān)聯(lián)。

2.3.1 功效函數(shù)分析模型

鑒于“內(nèi)協(xié)”評價(jià)指標(biāo)(如游憩吸引度等)有較大的主觀評判性，而且指標(biāo)數(shù)據(jù)考慮的應(yīng)是整個(gè)系統(tǒng)而非單一綠地，因此采用層次分析法求得主觀權(quán)重。其中游憩型、景觀型綠地子系統(tǒng)主要側(cè)重社會(huì)服務(wù)功效，防護(hù)型、生態(tài)型綠地子系統(tǒng)主要側(cè)重生態(tài)安全功效。對于“外協(xié)”評價(jià)指標(biāo)，資源環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的指標(biāo)數(shù)據(jù)可通過查閱地方歷年統(tǒng)計(jì)年鑒等直接獲取，因此采用熵值法[12]求得客觀權(quán)重。然后根據(jù)功效函數(shù)得出各子系統(tǒng)(或系統(tǒng))的綜合功效，計(jì)算方法如下：

式中f(x)表示系統(tǒng)功效函數(shù)，反映系統(tǒng)對整體系統(tǒng)的貢獻(xiàn)程度；ai為序參量(或其分量)指標(biāo)權(quán)重。由于所有指標(biāo)均為正向指標(biāo)，因此采用總和標(biāo)準(zhǔn)化法對指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理。

2.3.2 耦合度量化模型

借鑒物理學(xué)中的容量耦合概念及其系數(shù)模型[13]，基于功效函數(shù)可得到n個(gè)系統(tǒng)相互作用的耦合度量化模型：

其中C為系統(tǒng)耦合度，且C∈[0，1]。fn(x)表示第n個(gè)系統(tǒng)的功效函數(shù)。從協(xié)同度評價(jià)體系可以得知“內(nèi)協(xié)”n=4，“外協(xié)”n=3。

2.3.3 協(xié)同度量化模型

由于耦合度僅能表征系統(tǒng)間相互作用的強(qiáng)弱，難以深層揭示系統(tǒng)間協(xié)同程度的大小。因此為便于分析系統(tǒng)間交互耦合的協(xié)同程度，引入?yún)f(xié)同度量化模型[14]：

其中，D 為協(xié)同度，α、β…λ 為待定權(quán)數(shù)。對于“內(nèi)協(xié)”而言，設(shè)定α=0.2，β=0.2，γ=0.2，λ=0.4。對于“外協(xié)”而言，設(shè)定α=0.3，β=0.3，γ=0.4。參照已有的相關(guān)研究文獻(xiàn)，采用均勻函數(shù)分布法將綠地系統(tǒng)耦合度和協(xié)同度情況劃為9個(gè)階段(表3)。

3 實(shí)例研究——佛山市綠地系統(tǒng)布局調(diào)適

3.1 案例選取原因

選取《佛山市城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃》課題有3個(gè)原因：1)在我國快速城鎮(zhèn)化背景下，以城鎮(zhèn)化率高、用地矛盾突出的佛山市作為研究對象探討綠地系統(tǒng)中耦合度和協(xié)同度的應(yīng)用特點(diǎn)，具有一定的代表性和普適性；2)在佛山市新一輪綠地系統(tǒng)規(guī)劃背景下，基于目前城鄉(xiāng)綠地分布不均、系統(tǒng)性聯(lián)系弱等問題，對綠地功能平衡和協(xié)同要求呈現(xiàn)出深化和細(xì)化的趨勢[15]，因而需要有基于現(xiàn)實(shí)時(shí)空演化規(guī)律的、針對性強(qiáng)的協(xié)同規(guī)劃布局調(diào)適進(jìn)行應(yīng)對；3)佛山作為以工業(yè)為經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)的城市，2017年獲“國家森林城市”稱號(hào)，對我國工業(yè)主導(dǎo)型城市的綠色生態(tài)建設(shè)而言具有一定的示范作用，其近年來的綠地系統(tǒng)耦合度和協(xié)同度走勢能夠揭示轉(zhuǎn)型期的系統(tǒng)演化規(guī)律及嬗變進(jìn)程。

圖1 綠地系統(tǒng)內(nèi)源驅(qū)動(dòng)力和外源影響力耦合協(xié)同發(fā)展作用機(jī)制

表1 基于內(nèi)源驅(qū)動(dòng)力的綠地系統(tǒng)協(xié)同度評價(jià)體系

表2 基于外源影響力的綠地系統(tǒng)協(xié)同度評價(jià)體系

表3 耦合度及協(xié)同度狀況對照

3.2 綠地系統(tǒng)協(xié)同度的時(shí)空分異分析

3.2.1 內(nèi)源驅(qū)動(dòng)力

1)時(shí)序變化。利用公式(1)～(3)測算出2006—2015年佛山4類綠地子系統(tǒng)2個(gè)時(shí)間段的年均耦合度和年均協(xié)同度?？梢缘弥?1)近10年來二者同步上升，表明子系統(tǒng)之間耦合性增強(qiáng)及協(xié)同性提高；(2)年均耦合度值從2006—2009年的0.320達(dá)到2010—2015年的0.476，處于低度拮抗階段，表明子系統(tǒng)之間存在功效阻抑。年均協(xié)同度值從2006—2009年的0.253達(dá)到2010—2015年的0.395，處于中度失調(diào)階段，表明子系統(tǒng)之間功效增長不協(xié)同。

2)空間分異。利用公式(1)～(3)測算出2010—2015年佛山五區(qū)綠地系統(tǒng)的年均耦合度和年均協(xié)同度，繪制出二者及其類型組合的空間分布圖(圖2)，有如下發(fā)現(xiàn)。(1)五區(qū)綠地系統(tǒng)年均耦合度呈現(xiàn)3種狀態(tài)：高度拮抗、中度拮抗、低度拮抗。(2)五區(qū)綠地系統(tǒng)年均協(xié)同度呈現(xiàn)2種狀態(tài)：高度失調(diào)、中度失調(diào)。(3)將耦合協(xié)同2種測度疊加分類后出現(xiàn)3種狀態(tài)。以上結(jié)果表明，處于低度拮抗中度失調(diào)的禪城、南海、順德三區(qū)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展能力高、交通區(qū)位優(yōu)勢明顯、文物古跡分布集中、各綠地子系統(tǒng)發(fā)展同步性高，因此綠地系統(tǒng)耦合程度、協(xié)同程度明顯增強(qiáng)。但三區(qū)綠化覆蓋率分別只有18.33%、37.69%、25.41%，特別是順德西南區(qū)域的綠地空間已然呈現(xiàn)破碎化，因此三區(qū)綠地系統(tǒng)協(xié)同發(fā)揮功效局面尚未形成，有待進(jìn)一步改善。

3.2.2 外源影響力

1)時(shí)序變化。利用公式(1)～(3)計(jì)算出2006—2015年佛山市綠地系統(tǒng)、資源環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)三大系統(tǒng)之間的耦合度和協(xié)同度(圖3)發(fā)現(xiàn)：(1)近10年來二者變化趨勢不同步，表明這三大系統(tǒng)在影響性減弱的情況下協(xié)同性仍在提高；(2)耦合度處于高度耦合向中度耦合轉(zhuǎn)變階段，表明逐年遞減的人均耕地面積和人均林地面積的資源環(huán)境改變，使其與綠地系統(tǒng)綜合功效之間的耦合作用逐年減弱，協(xié)同度由低度失調(diào)轉(zhuǎn)向勉強(qiáng)協(xié)同，整體協(xié)同效應(yīng)初顯，表明近年來佛山市開展森林?jǐn)U增等創(chuàng)建國家森林城市行動(dòng)已見成效；(3)耦合度年均增長率逐漸由正變負(fù)，均值為1.731%，小于協(xié)同度的3.688%，反映出社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對資源環(huán)境和綠地系統(tǒng)干擾力度的減弱，也說明了佛山作為中國制造業(yè)一線城市，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，綠地功效逐步趨于穩(wěn)固。

圖2 2010—2015年基于內(nèi)源驅(qū)動(dòng)力的佛山五區(qū)綠地系統(tǒng)年均耦合度、年均協(xié)同度及其空間分異

圖3 2006—2015年基于外源影響力的佛山市綠地系統(tǒng)耦合度和協(xié)同度走勢

圖4 2015年基于外源影響力的佛山五區(qū)綠地系統(tǒng)耦合度、協(xié)同度及其空間分異

2)空間分異。利用公式(1)～(3)計(jì)算出2015年佛山五區(qū)綠地系統(tǒng)、資源環(huán)境系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的耦合度和協(xié)同度，繪制出二者及其類型組合的空間分布圖(圖4)，有如下發(fā)現(xiàn)。(1)五區(qū)耦合度出現(xiàn)4種狀態(tài)：高度耦合、低度耦合、勉強(qiáng)耦合、中度拮抗，表明綠地系統(tǒng)及資源環(huán)境修復(fù)還原力度依次低于社會(huì)經(jīng)濟(jì)干預(yù)能力。(2)五區(qū)協(xié)同度出現(xiàn)2種狀態(tài)：高度失調(diào)、中度失調(diào)，表明五區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與綠地系統(tǒng)建設(shè)仍然存在博弈現(xiàn)象。(3)將耦合協(xié)同2種測度疊加分類后出現(xiàn)5種狀態(tài)，禪城區(qū)中度拮抗、中度失調(diào)，表明禪城區(qū)在高速發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)支撐下，景觀綠化建設(shè)力度相對較強(qiáng)。

3.3 協(xié)同優(yōu)化策略和布局調(diào)適方法

參照如上時(shí)空分異的耦合度協(xié)同度研究結(jié)論，根據(jù)時(shí)空分異相應(yīng)指標(biāo)低值分布進(jìn)行綠地功能布局的協(xié)同安排，同時(shí)統(tǒng)籌協(xié)同城市總體規(guī)劃中市域?qū)用娴南嚓P(guān)規(guī)劃，促進(jìn)綠地系統(tǒng)和城鎮(zhèn)空間結(jié)構(gòu)的集約優(yōu)化轉(zhuǎn)型，達(dá)到綠地系統(tǒng)、資源環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的耦合協(xié)同演進(jìn)。

3.3.1 功能結(jié)構(gòu)性協(xié)同下的綠地系統(tǒng)布局調(diào)適

基于內(nèi)源驅(qū)動(dòng)力的綠地系統(tǒng)協(xié)同度時(shí)空分異結(jié)論，在協(xié)同復(fù)合型[16]綠地子系統(tǒng)分類、分級(jí)框架下，進(jìn)行點(diǎn)狀、線狀、面狀要素復(fù)合的功能結(jié)構(gòu)性協(xié)同布局調(diào)適，調(diào)適過程具有2個(gè)層次的協(xié)同(圖5)：1)針對佛山綠地子系統(tǒng)之間功效增長不協(xié)同以及高明區(qū)、三水區(qū)綠地子系統(tǒng)功效之間耦合力弱且協(xié)同性小的問題，調(diào)適特別注重均衡高明區(qū)、三水區(qū)各綠地子系統(tǒng)的用地布局；2)特別針對游憩型、景觀型綠地子系統(tǒng)，精細(xì)化調(diào)整內(nèi)部空間布局，協(xié)同優(yōu)化五區(qū)綠地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能。

3.3.2 生態(tài)骨架性協(xié)同下的綠地系統(tǒng)布局調(diào)適

圖5 佛山市游憩型綠地、防護(hù)型綠地、景觀型綠地、生態(tài)型綠地子系統(tǒng)布局調(diào)適

基于外源影響力的綠地系統(tǒng)協(xié)同度時(shí)空分異結(jié)論，整合各綠地子系統(tǒng)主導(dǎo)功能布局及“山水林田湖生命共同體”的生態(tài)骨架格局，進(jìn)行生態(tài)骨架性協(xié)同的布局調(diào)適，調(diào)適過程具有2個(gè)層次的協(xié)同：1)針對社會(huì)經(jīng)濟(jì)、資源環(huán)境和綠地系統(tǒng)之間協(xié)同性趨于理想但仍處于勉強(qiáng)協(xié)同，以及人均耕地面積、人均林地面積逐年縮減的發(fā)展現(xiàn)狀，調(diào)適注重協(xié)同自然生態(tài)文明建設(shè)專項(xiàng)規(guī)劃和基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)規(guī)劃，增加林地規(guī)模，從而形成城鄉(xiāng)山脈濕地體系、城郊水系森林體系和城區(qū)生態(tài)公園體系的三環(huán)協(xié)同綠環(huán)體系；2)針對南海區(qū)、三水區(qū)綠地系統(tǒng)及資源環(huán)境修復(fù)還原力度低的問題，調(diào)適特別注重增加此二區(qū)的林地規(guī)模。

3.4 布局調(diào)適規(guī)劃方案協(xié)同度評價(jià)

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入指標(biāo)分析，測算出2015—2020年基于內(nèi)源驅(qū)動(dòng)力①的佛山市綠地系統(tǒng)規(guī)劃年均耦合度將大幅增長到0.744(接近中度耦合)，年均協(xié)同度增長到0.466(接近勉強(qiáng)協(xié)同)，并且各分區(qū)綠地系統(tǒng)耦合度和協(xié)同度幾乎實(shí)現(xiàn)同幅增長，表明精細(xì)化調(diào)整后的協(xié)同優(yōu)化策略及布局調(diào)適方案能夠改良綠地系統(tǒng)綜合功效的耦合影響及協(xié)同性能，基本實(shí)現(xiàn)整個(gè)綠地系統(tǒng)的協(xié)同有序可持續(xù)發(fā)展，一定程度上改善了綠地系統(tǒng)內(nèi)部系統(tǒng)性聯(lián)系弱、綠地功能不協(xié)同等問題。

4 結(jié)語

綠地系統(tǒng)常規(guī)布局管控途徑在從混沌到清晰的體系建構(gòu)時(shí)期能很好地保障和控制綠地的總體規(guī)模和結(jié)構(gòu)，但由于該控制方式較為粗放，因此難以有效干預(yù)系統(tǒng)內(nèi)部主導(dǎo)功能功效發(fā)揮的均衡性和同步性，也難以有效引導(dǎo)系統(tǒng)和外部社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的耦合性和協(xié)同性。將耦合度、協(xié)同度量化模型在布局調(diào)適中予以應(yīng)用則能有效彌補(bǔ)這些不足，通過針對性的協(xié)同規(guī)劃、布局調(diào)適，增強(qiáng)各綠地子系統(tǒng)生態(tài)、防護(hù)、游憩等功效的協(xié)同作用力，協(xié)同分散社會(huì)經(jīng)濟(jì)對綠地系統(tǒng)、資源環(huán)境的負(fù)面干擾，從而有效指引綠地系統(tǒng)規(guī)劃布局及實(shí)施方向，構(gòu)建休閑游憩、景觀文化和生態(tài)防護(hù)同步支撐的綠色空間體系，并與資源環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)同有序可持續(xù)發(fā)展。

注：文中圖片均由作者繪制。

注釋：

① 由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、資源環(huán)境系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)沒有統(tǒng)一準(zhǔn)確的規(guī)劃值，因此不能測算出基于外源影響力的綠地系統(tǒng)規(guī)劃耦合度和協(xié)同度值。