引言

在全球极端天气和气候灾害出现频率逐渐升高的背景下，城市热岛效应、集中污染问题、不可预测的自然灾害都为城市发展带来了巨大的挑战 ^[1]。在保护城市生态环境的同时提升城市应对不确定性事件和突发事件的能力，是当前以及未来城市可持续发展需要重点考虑的方向。2021年国务院办公厅《关于鼓励和支持社会资本参与生态保护修复的意见》及《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》都明确了城镇生态系统保护修复和可持续城市统筹规划的工作要求。打造韧性、宜居、智慧城市已经成为当前城市建造和更新的重要发展方向，是我国新时代新阶段对城市工作做出的重大战略部署 ^[2]。

近年来，随着城市更新与城市高质量发展进程的推进，“海绵城市”“绿色低碳城市”“社区微改造”等试点工作都在许多城市取得了一定成效 ^[3]。然而，城市韧性系统与城市生态系统虽有联系，但在实践中的侧重点有所不同，前者旨在提升城市对自然灾害的应对能力及灾后恢复能力，后者主要以提升城市人居环境、减少城市碳排放为目的。目前针对两者所采取的解决措施仍然相对独立，只有较少领域能在城市原有的生态基底上找到韧性发展的合力点，例如雨洪领域、水生态领域 ^[4,5]，而在其他的城市建设领域则较难找到两者发展的结合点，甚至可能造成生态资源不必要的浪费 ^[6,7]。因此，有必要讨论城市具体的生态化措施与城市韧性系统之间的关系，明确城市生态与城市韧性的内在关系。城市基础设施系统是反映城市遭受外部冲击后恢复能力的必不可少的一部分，同时也是提高城市生态网络效益的重要关注点 ^[8]，是城市生态化转型和城市韧性研究的一个关键交叉点。因此，本文通过探讨城市基础设施结构的生态化转型策略，探索对应状态下城市韧性所产生的变化，以进一步分析城市生态化与城市韧性之间的内在关系。

学术界针对基础设施生态化转型与城市韧性提升方面已经展开了较多研究，在基础设施规划领域，国内外学者结合生态学构建或优化城市中的绿色基础设施分布网络 ^[9-11]，或通过构建相应生态评价指标，分析城市绿色基础设施的生态韧性和可持续性 ^[12]。管理学领域，部分学者通过分析国内绿色雨洪基础设施的相关的管理经验，对目前国内城市绿色基础设施的破碎化分布及管理困难等问题给出了有效的改善建议 ^[13]，但是没有基于系统论和动态变化的视角，探究基础设施转型与城市韧性之间的内在关系。在系统论的应用方面，部分学者虽然已经证明系统性和复杂性是城市韧性研究的突出特性 ^[14-16]，但也仍然缺少对系统动态演进过程的考虑，对系统内部和外部因素之间的关系也缺乏更深入的定量研究。

本文基于系统论的思想，将城市韧性分为社会、经济、生态三个子系统，将城市基础设施分为灰色与绿色基础设施两种类型。运用系统动力学模型和耦合协调度模型，结合中国2011—2022年统计年鉴数据进行模型仿真和预测，探究在不同的基础设施转型方案下，城市韧性各子系统的动态变化趋势及协调发展程度。本文从动态视角分析了中国城市生态化转型措施与城市韧性水平之间的关系，探究了影响城市韧性变化的内生动力，丰富了原有城市韧性的理论概念。本文的研究框架如图 1所示。

1 模型构建与数据来源 1.1 模型构建 1.1.1 城市韧性系统

文中城市韧性系统由生态韧性、经济韧性、社会韧性子系统构成。根据Salas等的推理验证，脆弱性是表征一个系统暴露特征、敏感性和适应能力的函数 ^[17]。其中，暴露性指系统接近压力源的程度，与城市所处地理位置、污染程度等有着紧密联系。敏感性为城市遭到干扰后所造成的破坏程度，与城市规模以及城市设施组成结构有关 ^[18]，而韧性表征有着“冗余性、稳健性、多样性、足智多谋性”等特征 ^[19,20]。综上，本文采用式（2）描述城市生态脆弱性大小（UELR），式（3）描述城市经济韧性水平的大小（UENR），式（4）描述城市社会韧性水平的大小（USCR）。其中暴露性由工业污染总量与工业污染治理投资共同决定，具体计算方法参考下述方程。其余指标同理。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，UR（Urban Resilience）代表城市韧性；US（Urban Stability）为城市生态系统稳定性；UV（Urban Vulnerability）为城市生态脆弱性；E表示暴露性；S表示敏感性；R表示应对能力；P为抵抗力；A为调适力；T为转型力；ENR经济重构性；ENS为经济稳健性；SCW为社会福祉水平；SCC为社会文化丰富度。

1.1.2 因果关系

根据以上理论研究，可得出城市韧性系统的因果回路，如图 2所示。

在城市生态韧性系统回路图中，反馈环主要反映了城市基础设施结构对各子系统韧性的动态影响机制，文中系统主要包含的反馈回路形式如下：

回路一：城市韧性→（+）城市经济发展→（+）城市市政公用设施建设固定投资→（+）灰色基础设施投资规模→（+）雨洪设施承载力→（+）抵抗力→（+）城市生态系统稳定性→（+）城市生态韧性→（+）城市韧性。

回路二：城市韧性→（+）城市经济发展→（+）社会文化丰富度→（+）城市社会韧性→（+）应对能力→（-）城市生态系统脆性→（-）城市生态韧性→（+）城市韧性。

1.1.3 模型流图及参数确定

本节根据因果关系图构建了城市生态韧性系统的流量图，如图 3所示，图中共包含72个变量，其中有4个水平变量、4个速率变量，6个常量，58个辅助变量。

本文使用全国（不包含港澳台地区）2011—2022年的时间序列数据进行历史值模拟，运用VENSIM PLE 6.0模型进行系统动力学仿真，历史数据来源于2011—2022年《中国统计年鉴》 《中国城市统计年鉴》《中国环境统计年鉴》等资料，数据精准可靠。文中对数据主要进行了以下处理：①为控制各指标处于同一量级，本文采用自然对数法 ^[21]和倍数缩放法 ^[22,23]处理，例如用对数函数表示建成区排水管长度和城市污水处理能力对雨洪设施承载力的贡献程度。②部分变化相对平稳的变量之间的关系采用Eviews进行回归得到回归系数，例如转换系数1~6。③对于随时间推移变化幅度较大或呈非线性变化的变量，引入表函数可以更加准确地模拟现实系统。2022年之后的变量采用灰色预测法结合系统动力学方法进行预测。模型涉及的主要方程式如下：

① GDP=INTER（GDP增量，487 940）

② 城市污水处理能力=城市环境基础设施投资×转换系数2-9201.11（p=0.000 8，R²=0.890 113）

③ 城市绿化水平指数=LN（人均公园绿地面积×城市园林绿化投资×建成区绿化覆盖率）

④ 城市基础设施韧性=抵抗力×调适力×转型力

⑤ 暴露性=LN（工业污染总量/工业污染治理投资）

⑥ 城市市场规模大小=WITH LOOK UP{Time，[(2011, 0)-(2030, 50)], (2011, 36.85), (2012, 38.16), (2013, 39.17), (2014, 40.32), (2015, 41.6), (2016, 42.31), (2017, 41.74), (2018, 41.44), (2019, 41.18), (2020, 38.58), (2021, 38.54), (2022, 38.64), (2025, 37.82), (2030, 36.03)}

1.2 指标体系及数据处理 1.2.1 指标体系构建

根据文献研究法，本文综合韧性特征构建了城市韧性的综合评价指标体系，如表 1所示。

1.2.2 数据处理

（1）熵权法。熵权法作为一种客观赋权法，是通过判断指标之间的信息差异程度来判断指标的重要程度，熵权法计算指标权重的主要步骤如下：

(5)

(6)

(7)

根据上述方法求得城市韧性的客观权重结果，如表 1所示，权重结果保留两位小数。

（2）耦合协调度。耦合协调度模型能够反映子系统之间协调发展的真实水平，城市生态韧性、经济韧性、社会韧性的耦合协调度模型计算公式如下：

(8)

(9)

(10)

子系统耦合协调水平计算公式同理可得：

(11)

(12)

式中，U₁、U₂、U₃分别代表城市生态、经济、社会子系统的韧性水平值。U_a1~U_c2分别代表各系统中组成部分的水平。C为生态、经济、社会子系统的耦合度，C^’为子系统的内部耦合度。D、D^’为耦合协调度，取值范围均为[0, 1]，T、T_i为各系统协调发展水平，本文中取值α=β=γ=1/3，α_i=β_i=γ_i=1/2。本文参考王先柱等的研究 ^[24]，对耦合协调度的等级划分如表 2所示。

2 动态仿真及情景分析 2.1 模型检验

本文对模型先后进行了直接检验、灵敏度检验、运行检验和历史值检验。表 3显示了模型中部分变量2011—2022年的实际值和模拟仿真值进行比对，误差在5%~10%，表示历史值检验通过 ^[25]，可见本文构建的模型有较好的拟合效果，能较好地对现实系统的情况进行复刻和预测。

2.2 系统模拟仿真策略

在当前新型城镇化、低碳生态城市的发展要求下，基础设施的建设和发展应综合考虑中国实际情况 ^[26]。本文中，急性冲击情景特指城市遭受重大自然灾害，例如特大洪水、地震等情况，此时主要关注系统的抵抗力和稳健性 ^[19,27]。慢性扰动主要指对城市影响较小、但是延续时间较长的一些自然或人为灾害，例如城市热岛引起气候变化、城市雨洪等，此时主要关注系统的事前预防能力，例如城市调适力、重构性、智慧性等 ^[19]。因此，由表 4可知，本文以（a）为初始情景开始进行仿真；（b）的四种情景表示以发展绿色基础设施为主的转型发展战略，其中，前三类表示在已有城市基础上进行改造的发展模式，区分为生态侧重型、工业侧重型和社区侧重型三种不同策略 ^[28]，飞地新建战略是指按照新兴的发展理念，进行实验或完全新建的城市区域；（c）表示仍然以灰色设施建设或经济发展为主的延续性战略 ^[29]；（d）表示经济与生态发展并重发展的协同性战略。

2.3 仿真结果分析 2.3.1 转型发展战略下城市韧性子系统仿真分析

图 4显示了急性、慢性视角下四种不同的转型发展战略对城市韧性的影响情况。对比图 4a和图 4b可知，相较于急性冲击，慢性扰动下城市的初始生态稳定性水平更高，脆弱性水平更低，且直到2030年脆弱性水平都一直处于更低的水平。由图 4c~图 4d可知，急性与慢性视角下，生态韧性水平最高的转型策略均为飞地新建战略，其次为生态、工业、社区转型战略。由图 4e~图 4f可知，急性视角下社区与飞地战略可以一定程度提升经济韧性水平。慢性视角下，飞地新建战略的提升效果最好，工业转型战略的提升效果次之。综上，在四种战略方案中，飞地新建战略在生态、经济及社会方面的影响效果都最好，这可能由于新城新区的建设遵循生态低碳化的城市建设理念，可发展空间相较于已有城区的改造空间更大，在应对干扰和破坏时更容易在城市构造和城市应对能力方面做出及时的调整。

2.3.2 其他发展战略下城市韧性子系统仿真分析

由于在四种转型战略中飞地新建战略的影响效果最为显著，因此本节采用飞地新建战略与延续、协同战略的仿真结果进行对比分析。对比图 5a和图 5b可知，急性冲击状态下，对应生态韧性水平从高到低的发展策略为转型（飞地）＞协同＞无干预＞延续。在面对急性自然灾害时，生态新城新区的建立较原有城区改造有着更大的应对空间，因此从未来发展趋势来看，飞地新建战略有更大的发展潜力。而延续发展战略由于不断发展的灰色基础设施，在大规模灾害来临时更容易引发严重的级联破坏，生态脆弱性增高。而慢性扰动状态下对应的发展策略为协同＞转型（飞地）＞延续＞无干预。这可能是由于在慢性因素的干扰下，城市基本功能和结构不会发生较大变化，此时依托已有的城市结构进行综合性改造，可以有效提高城市各方面的抗干扰能力。而完全新建的城区或城市对周边城市的依赖性较强，在应对慢性干扰时仍有较大发展空间。对比图 5c和图 5d可知，协同发展战略对于经济韧性的影响最为显著，延续发展战略对于经济韧性的影响最小。这说明在应对慢性干扰时，协同发展战略更容易达到“1+1＞2”的效果，而转型战略在急性灾害发生的情况下有着更好的应对能力。

2.3.3 不同情景下的城市韧性水平仿真分析

比较图 6a和图 6b可知，2025年以前，急性冲击下影响城市韧性整体水平的战略顺序为：协同＞延续＞转型。而在2027年之后，转型发展战略的效果开始超过延续发展战略。慢性扰动下，影响城市韧性水平从高到低的策略顺序为协同＞转型＞延续，且直到2030年，三种战略的发展趋势仍然保持相对稳定的变化。这可能由于在只考虑慢性扰动因素时，城市社会动荡、经济危机、气候变化等因素都可能是引起城市遭受扰动的原因之一，且更多情况下，人为因素可能是造成慢性扰动的源头。因此，应加强对各种因素的统筹，保持社会、经济的稳定发展，保证人与自然和谐共生。

2.3.4 城市韧性系统耦合协调度分析

图 7显示了城市韧性各子系统之间以及各子系统组成部分之间的耦合协调度水平，各子系统的耦合协调水平在2010—2022年总体都呈现上升趋势。其中，社会子系统的耦合协调水平在2016年优先达到了中度协调水平（0.705 56），且未来的发展趋势最好。经济子系统的协调水平提升较为平稳随着国家在生态维护和修复方面的做出的众多举措，我国的城市生态耦合协调水平也在2016年之后呈现稳步上升的趋势，并且在2022年达到了高度协调发展水平。图 7b显示了城市整体韧性的耦合度变化趋势，三个子系统之间的耦合协调水平从2011年的严重失调状态（0.1982），稳步提升到了2022年的勉强协调状态（0.5139 9）。其中，耦合度C水平较低且变化不明显，而综合协调度T的变化较为明显，在2020年达到了较高的水平，这表明城市韧性的三个子系统之间的耦合关联性仍然较差，较大程度上影响了城市韧性系统发展的整体耦合协调度。

3 结论与讨论 3.1 结论

本文基于复杂系统视角，从生态、经济、社会三个方面构建了城市韧性系统的指标体系，并基于我国2011—2022年面板数据，采用系统动力学和耦合协调模型来研究我国基础设施生态化转型策略与城市韧性各子系统之间的影响关系，研究得出了以下结论：①四种转型发展战略中，飞地新建战略对城市生态、经济、社会韧性的影响作用都最明显，其次是“生态＞工业＞社区”。②延续和协同发展战略对比，单一的延续发展对城市各方面韧性的影响效果最差，而转型战略与协同发展战略的影响效果视具体情况而定。其中，急性冲击视角下，飞地新建战略的影响效果比协同发展战略更好，慢性扰动下，协同发展战略比转型发展战略效果更好。③就城市整体韧性而言，协同发展战略整体的效果最好，但是转型发展战略在未来可能有更大的发展潜力。④我国社会子系统的耦合协调度在2022年已经达到优质协调水平，经济与生态子系统也达到了高度协调水平，但整体城市韧性子系统只达到了勉强协调状态，三个子系统之间的耦合关联性仍然较差，这也是整体韧性耦合协调度较低的主要原因。

3.2 政策建议

（1）研究结果表明，建设生态化新区的方案比单一的城市生态化改造更加有效，但对于没有条件进行城区扩建的城市来说，实施生态化转型战略比工业转型战略的效果更好，即重点关注绿色基础设施网络优化、灰色设施绿色化等举措。此时，城市决策者可以选择进行集约化、低碳化的新型城市改造或促进城市基础设施转型等方式 ^[30,31]有效提高城市生态韧性。决策者应当根据城市具体情况，选取相对应最佳的城市基础设施生态化转型办法。

（2）通过转型发展战略与其他两种发展战略的比较可知，在未来新型城市的建设过程中应当避免以单一经济为主的延续发展战略。当更多地考虑应对急性自然灾害时，可以适当多关注城市生态化新区或新城的扩建，在新区建设过程中可以适当增加环境基础设施以及高新技术投资，确保新区根据生态、低碳、智慧化等原则进行设计，虽然建设初期新区在经济和社会方面对周边城市的依赖度较高，但是当较大自然灾害来临时，城市的应对空间和抗灾能力也会随之增加 ^[32]。当考虑城市平时所面临慢性干扰因素时，城市决策者仍然应着眼于城市本身的改造与更新，并同时关注到经济、技术与社会对生态恢复力的作用 ^[33]，依托于已有城市成熟的运行体系，实行生态、经济与社会并重发展的协同发展战略。

（3）就城市韧性而言，在不同的两种情境下，协同发展战略的整体影响效果都最好，但在急性冲击视角下，自2027年之后转型发展战略的作用效果反超于协同发展战略。这说明在只考虑城市短期发展转型或慢性扰动因素的情况下，应该以协同发展战略为主，注重社会福祉水平，不断优化城市社区环境和人文环境、平衡好城市经济发展与自然环境保护的关系，同时加强生态、社会与经济系统之间的联系。而在考虑更长远的未来或急性自然灾害损害的情况下，由于基础设施生态化转型可能成为未来韧性城市的重要发展方向 ^[34]，决策者应该适度侧重于生态化新型城区或城市的建设。从耦合协调发展的视角来看，未来发展情况更好的是社会子系统，其次是经济和生态子系统。如何在提升城市生态系统韧性水平的同时加强城市生态系统内部协调性，仍然是城市决策者未来需要重点关注的问题。在此基础上，也应该关注提升三个子系统之间的联系性、系统性、整体性。从上层规划和基础建设两个层面同时进行统筹和考虑。