基于协同度量化模型的城乡绿地系统布局调适方法

金云峰

李 涛

王俊祺

吴钰宾

杨 丹*

城乡统筹背景下，绿地系统规划的工作重心已由建成区转向整个市域，规划对象已由城市绿地转向涵盖非建设用地的城乡绿地，为论述方便，本文提到的绿地系统均指城乡绿地系统。

十九大中央报告指出要坚持改革的“系统性、整体性、协同性”，同时近期中央重要讲话强调“改革越深入，越要注意协同”，包括“方案协同、落实协同、效果协同”。面对越来越复杂的耦合“生态-经济-社会”因素的城乡绿地复杂巨系统演化，很多问题是由于系统不协调所造成，因此特别需要协同、集成这个系统[1]。基于目前绿地系统规划实践中系统性联系弱、绿地功能不协同等问题，需要建立绿地系统内外部的耦合协同关系[2]，结合数学模型和定性方法处理系统问题：一方面为明晰绿地系统内外真实的时空演化规律提供有效工具；另一方面以演化情况为基础，有目的性地研究绿地系统协同布局的优化调适方法，并对在规划实践中推动绿地系统综合功效与社会经济发展的适应协同和可持续共生作出针对性探讨。

1 理论概念与进展

协同学(Synergetics)是采用系统动力学的综合思维模式提出的自组织理论概念[3-4]，研究的是一个开放的复杂巨系统通过内外部系统之间协调合作形成宏观(时间、空间或功效上的)有序结构的机制和规律[5]。协同学解释的是系统内部之间的“协同作用”(science of synergy)，协同学的基本概念包括：竞争与协同[6]、序参量、耦合度与协同度。

耦合度(coupling degree)描述的是系统或系统内部要素之间彼此影响、相互作用的强弱程度。协同度(synergy degree)又称为协调度、耦合协调度(coupling synergy degree)，描述的是系统或系统内部要素之间彼此协调、和谐一致的大小程度，能够表征系统由无序走向有序的协同状况好坏。业界对“绿地系统协同”的研究亦集中在定性的空间规划领域，大致归为3类：1)绿地单功能与系统协同规划，如雨洪管理、防震减灾；2)绿地多功能与系统协同规划，如生态、防护、游憩等功能的综合考量[7]；3)协同规划体系的建构，如从绿地基础构架、子系统功能、社会经济调控3个路径实现协同[8]。对于定量的“绿地系统协同度”研究较少，且以主观性的层次分析法为主。

2 绿地系统协同度量化模型构建与应用

绿地系统协同度量化模型的评价体系构建从2个维度展开(图1)：1)基于绿地系统内部主导功能的内源驱动力，分为游憩型绿地、防护型绿地、景观型绿地、生态型绿地4类子系统[9]；2)基于绿地系统外部作用的外源影响力，分为绿地系统、资源环境系统、社会经济系统3类[10]。绿地系统实际演化并没有严格的内外之分，因系统内外部演化过程中的主导作用力不同而作此划分。

2.1 基于内源驱动力的协同度评价体系构建

遵循数据的重要性、可比性、稳定性及可获得性等原则，根据绿地系统内部主导功能作用机理，构建基于内源驱动力的绿地系统协同度(以下简称“内协”)评价体系[11](表1)。基于各绿地子系统分别筛选出支配系统演化、影响系统结构的12项重要序参量，并找出反映各序参量的可供度量的36项序参量分量。通过2个层次(序参量层次、子系统层次)的功效函数测算，得出各绿地子系统的综合功效。

2.2 基于外源影响力的协同度评价体系构建

从更宏大的系统论来看，资源环境系统供容力和社会经济系统发展力作为直接影响绿地系统承载力的外源作用，构成了相互作用的耦合共生关系。将各绿地子系统综合功效作为序参量指标，参与到基于外源影响力的协同度(以下简称“外协”)评价体系(表2)，共筛选出14项序参量。

2.3 研究方法

在明晰绿地系统协同度评价体系的基础上，借鉴协同学理论中的功效函数分析模型、耦合度量化模型和协同度量化模型，3个模型之间层层递进，分析出不同时空背景下整个绿地系统内外部的耦合协同作用趋势及关联。

2.3.1 功效函数分析模型

鉴于“内协”评价指标(如游憩吸引度等)有较大的主观评判性，而且指标数据考虑的应是整个系统而非单一绿地，因此采用层次分析法求得主观权重。其中游憩型、景观型绿地子系统主要侧重社会服务功效，防护型、生态型绿地子系统主要侧重生态安全功效。对于“外协”评价指标，资源环境、社会经济的指标数据可通过查阅地方历年统计年鉴等直接获取，因此采用熵值法[12]求得客观权重。然后根据功效函数得出各子系统(或系统)的综合功效，计算方法如下：

式中f(x)表示系统功效函数，反映系统对整体系统的贡献程度；ai为序参量(或其分量)指标权重。由于所有指标均为正向指标，因此采用总和标准化法对指标原始数据进行无量纲化处理。

2.3.2 耦合度量化模型

借鉴物理学中的容量耦合概念及其系数模型[13]，基于功效函数可得到n个系统相互作用的耦合度量化模型：

其中C为系统耦合度，且C∈[0，1]。fn(x)表示第n个系统的功效函数。从协同度评价体系可以得知“内协”n=4，“外协”n=3。

2.3.3 协同度量化模型

由于耦合度仅能表征系统间相互作用的强弱，难以深层揭示系统间协同程度的大小。因此为便于分析系统间交互耦合的协同程度，引入协同度量化模型[14]：

其中，D 为协同度，α、β…λ 为待定权数。对于“内协”而言，设定α=0.2，β=0.2，γ=0.2，λ=0.4。对于“外协”而言，设定α=0.3，β=0.3，γ=0.4。参照已有的相关研究文献，采用均匀函数分布法将绿地系统耦合度和协同度情况划为9个阶段(表3)。

3 实例研究——佛山市绿地系统布局调适

3.1 案例选取原因

选取《佛山市城市绿地系统规划》课题有3个原因：1)在我国快速城镇化背景下，以城镇化率高、用地矛盾突出的佛山市作为研究对象探讨绿地系统中耦合度和协同度的应用特点，具有一定的代表性和普适性；2)在佛山市新一轮绿地系统规划背景下，基于目前城乡绿地分布不均、系统性联系弱等问题，对绿地功能平衡和协同要求呈现出深化和细化的趋势[15]，因而需要有基于现实时空演化规律的、针对性强的协同规划布局调适进行应对；3)佛山作为以工业为经济主导的城市，2017年获“国家森林城市”称号，对我国工业主导型城市的绿色生态建设而言具有一定的示范作用，其近年来的绿地系统耦合度和协同度走势能够揭示转型期的系统演化规律及嬗变进程。

图1 绿地系统内源驱动力和外源影响力耦合协同发展作用机制

表1 基于内源驱动力的绿地系统协同度评价体系

表2 基于外源影响力的绿地系统协同度评价体系

表3 耦合度及协同度状况对照

3.2 绿地系统协同度的时空分异分析

3.2.1 内源驱动力

1)时序变化。利用公式(1)～(3)测算出2006—2015年佛山4类绿地子系统2个时间段的年均耦合度和年均协同度。可以得知：(1)近10年来二者同步上升，表明子系统之间耦合性增强及协同性提高；(2)年均耦合度值从2006—2009年的0.320达到2010—2015年的0.476，处于低度拮抗阶段，表明子系统之间存在功效阻抑。年均协同度值从2006—2009年的0.253达到2010—2015年的0.395，处于中度失调阶段，表明子系统之间功效增长不协同。

2)空间分异。利用公式(1)～(3)测算出2010—2015年佛山五区绿地系统的年均耦合度和年均协同度，绘制出二者及其类型组合的空间分布图(图2)，有如下发现。(1)五区绿地系统年均耦合度呈现3种状态：高度拮抗、中度拮抗、低度拮抗。(2)五区绿地系统年均协同度呈现2种状态：高度失调、中度失调。(3)将耦合协同2种测度叠加分类后出现3种状态。以上结果表明，处于低度拮抗中度失调的禅城、南海、顺德三区，社会经济发展能力高、交通区位优势明显、文物古迹分布集中、各绿地子系统发展同步性高，因此绿地系统耦合程度、协同程度明显增强。但三区绿化覆盖率分别只有18.33%、37.69%、25.41%，特别是顺德西南区域的绿地空间已然呈现破碎化，因此三区绿地系统协同发挥功效局面尚未形成，有待进一步改善。

3.2.2 外源影响力

1)时序变化。利用公式(1)～(3)计算出2006—2015年佛山市绿地系统、资源环境、社会经济三大系统之间的耦合度和协同度(图3)发现：(1)近10年来二者变化趋势不同步，表明这三大系统在影响性减弱的情况下协同性仍在提高；(2)耦合度处于高度耦合向中度耦合转变阶段，表明逐年递减的人均耕地面积和人均林地面积的资源环境改变，使其与绿地系统综合功效之间的耦合作用逐年减弱，协同度由低度失调转向勉强协同，整体协同效应初显，表明近年来佛山市开展森林扩增等创建国家森林城市行动已见成效；(3)耦合度年均增长率逐渐由正变负，均值为1.731%，小于协同度的3.688%，反映出社会经济活动对资源环境和绿地系统干扰力度的减弱，也说明了佛山作为中国制造业一线城市，在社会经济发展的同时，绿地功效逐步趋于稳固。

图2 2010—2015年基于内源驱动力的佛山五区绿地系统年均耦合度、年均协同度及其空间分异

图3 2006—2015年基于外源影响力的佛山市绿地系统耦合度和协同度走势

图4 2015年基于外源影响力的佛山五区绿地系统耦合度、协同度及其空间分异

2)空间分异。利用公式(1)～(3)计算出2015年佛山五区绿地系统、资源环境系统与社会经济系统之间的耦合度和协同度，绘制出二者及其类型组合的空间分布图(图4)，有如下发现。(1)五区耦合度出现4种状态：高度耦合、低度耦合、勉强耦合、中度拮抗，表明绿地系统及资源环境修复还原力度依次低于社会经济干预能力。(2)五区协同度出现2种状态：高度失调、中度失调，表明五区社会经济发展与绿地系统建设仍然存在博弈现象。(3)将耦合协同2种测度叠加分类后出现5种状态，禅城区中度拮抗、中度失调，表明禅城区在高速发展的社会经济支撑下，景观绿化建设力度相对较强。

3.3 协同优化策略和布局调适方法

参照如上时空分异的耦合度协同度研究结论，根据时空分异相应指标低值分布进行绿地功能布局的协同安排，同时统筹协同城市总体规划中市域层面的相关规划，促进绿地系统和城镇空间结构的集约优化转型，达到绿地系统、资源环境与社会经济的耦合协同演进。

3.3.1 功能结构性协同下的绿地系统布局调适

基于内源驱动力的绿地系统协同度时空分异结论，在协同复合型[16]绿地子系统分类、分级框架下，进行点状、线状、面状要素复合的功能结构性协同布局调适，调适过程具有2个层次的协同(图5)：1)针对佛山绿地子系统之间功效增长不协同以及高明区、三水区绿地子系统功效之间耦合力弱且协同性小的问题，调适特别注重均衡高明区、三水区各绿地子系统的用地布局；2)特别针对游憩型、景观型绿地子系统，精细化调整内部空间布局，协同优化五区绿地系统结构功能。

3.3.2 生态骨架性协同下的绿地系统布局调适

图5 佛山市游憩型绿地、防护型绿地、景观型绿地、生态型绿地子系统布局调适

基于外源影响力的绿地系统协同度时空分异结论，整合各绿地子系统主导功能布局及“山水林田湖生命共同体”的生态骨架格局，进行生态骨架性协同的布局调适，调适过程具有2个层次的协同：1)针对社会经济、资源环境和绿地系统之间协同性趋于理想但仍处于勉强协同，以及人均耕地面积、人均林地面积逐年缩减的发展现状，调适注重协同自然生态文明建设专项规划和基本农田保护区规划，增加林地规模，从而形成城乡山脉湿地体系、城郊水系森林体系和城区生态公园体系的三环协同绿环体系；2)针对南海区、三水区绿地系统及资源环境修复还原力度低的问题，调适特别注重增加此二区的林地规模。

3.4 布局调适规划方案协同度评价

将相关数据代入指标分析，测算出2015—2020年基于内源驱动力①的佛山市绿地系统规划年均耦合度将大幅增长到0.744(接近中度耦合)，年均协同度增长到0.466(接近勉强协同)，并且各分区绿地系统耦合度和协同度几乎实现同幅增长，表明精细化调整后的协同优化策略及布局调适方案能够改良绿地系统综合功效的耦合影响及协同性能，基本实现整个绿地系统的协同有序可持续发展，一定程度上改善了绿地系统内部系统性联系弱、绿地功能不协同等问题。

4 结语

绿地系统常规布局管控途径在从混沌到清晰的体系建构时期能很好地保障和控制绿地的总体规模和结构，但由于该控制方式较为粗放，因此难以有效干预系统内部主导功能功效发挥的均衡性和同步性，也难以有效引导系统和外部社会经济发展之间的耦合性和协同性。将耦合度、协同度量化模型在布局调适中予以应用则能有效弥补这些不足，通过针对性的协同规划、布局调适，增强各绿地子系统生态、防护、游憩等功效的协同作用力，协同分散社会经济对绿地系统、资源环境的负面干扰，从而有效指引绿地系统规划布局及实施方向，构建休闲游憩、景观文化和生态防护同步支撑的绿色空间体系，并与资源环境和社会经济协同有序可持续发展。

注：文中图片均由作者绘制。

注释：

① 由于社会经济系统、资源环境系统各项指标没有统一准确的规划值，因此不能测算出基于外源影响力的绿地系统规划耦合度和协同度值。