基于社会网络的小流域乡村聚落空间韧性评估与优化*

周吉喆 刘禧瑞 李清泽 侯全华 刘思琪 ZHOU Jizhe, LIU Xirui, LI Qingze, HOU Quanhua, LIU Siqi

0 引言

黄土丘陵沟壑地区自古是北方少数民族与中原民族冲突与融合的地区。当地受多元社会关系的变迁形成独特聚居形态与深厚聚落文化。聚落通常因生产、防卫与社交的需要，沿沟坡及内陆分布。建国后，过度开垦导致区域地形破碎、土壤侵蚀，乡村贫困衰败[1]。虽然1999年开始实行退耕还林政策，但乡村面貌与生活水平并未显著提升。一方面，耕地的减少导致人口外流，原有生产协作与宗族关系减弱，聚落大都缺乏内生发展动力，逐步空心化；部分聚落向山下发展，主体逐步空废化。另一方面，在快速城镇化中，城乡社会联系逐步占据了主导。聚落之间社交、服务、消费等社会关系变化，使得原有村镇体系难以维持，资源配置不合理、公共服务不匹配。乡村聚落必将减少，但不应衰退，应实现韧性发展[2]。需要在空间上优化村镇体系并对乡村聚落分类管控。乡村聚落韧性是指乡村聚落能适应环境变化，承受扰动并快速恢复的能力。在时间上，韧性发展体现为从演变过程或者试验中学习并优化发展路径；在空间上，它体现为空间上功能主体的高效作用带来的自组织与适应[3]。黄土丘陵沟壑区由众多小流域单元构成。小流域相对独立的水文、地理与生产特征使其成为了当地基本的人居单元。同时，受城镇化影响，对外还保持复杂、动态与扁平的社会联系。因此，小流域乡村与城市形成整体、动态的复杂系统，在复杂变化中对空间韧性的评估与优化成为了亟待解决的科学问题。

1 研究综述

乡村聚落面对外部扰动的韧性可通过就业渠道扩展水平、社会网络缔结能力、社会信息共享能力、家庭及邻里互助能力、农户及团体的竞合关系体现[4]。为有效实现对空间评估与优化，艾伦（Allen）引入空间韧性的概念。它是复杂系统的空间属性对系统韧性的贡献，它受系统的不对称性、连通性与信息交换的影响[5]。对于空间韧性的定量研究，早期以克里斯汀（Kristine）提出的快速评估法为代表，涵盖多样性、可变性、模块化、社会资本等韧性指标，是基于要素叠加的研究手段；相关研究还包括韧性联盟工作手册[6]。然而，乡村聚落是复杂适应系统，要素之间可以通过联系产生新变化，导致合成谬误。因此，前沿研究通常以空间中的社会关系揭示乡村空间韧性。雅多嘉（Adger）指出：复杂、多元、跨尺度的社会关系与聚落空间韧性成正相关[7]。福尔克（Folke）认为乡村聚落韧性可以通过团队及参与者的社会网络的自组织能力体现[8]。相关研究涵盖乡村聚落的安全与防灾[9]，自组织能力[10]，可持续农业[11]，韧性收缩等[12]。为实现精细化与动态性研究，玛斯纳维（Masnavi）通过空间组织形式、布局、属性揭示空间韧性，并提出多样性、冗余性、协作性、效率等评估指标[13]。然而，韧性发展强调对过程的管控，需要持续调整以保障其灵活性[13]。目前，基于时空间复杂变化，揭示乡村聚落空间韧性是国内外研究难题。

社会网络能通过节点与边描述复杂系统内主体与联系，以网络变化仿真系统的时空演化，并揭示其运行机制[14]。目前，基于社会网络理论对城市系统空间韧性的研究相对成熟，并形成了相应的指标体系[15]。然而，在乡村地区仅用于对村镇体系研究[16]。在黄土丘陵沟壑区，相关研究重点关注水文、地质与生态要素对聚落形成演变的作用机制[17]。随着社会关系在小流域乡村聚落演变中逐渐突出的作用，有必要引入社会网络的分析模型与指标。现有研究普遍基于调查问卷数据，限制了研究范围、时间区间与调查数量，使空间系统的复杂性、动态性难以得到表达。因此，本研究以小流域的乡村聚落为研究整体，采用有矢量、大样本、全覆盖、时空连续的手机信令大数据作为建立社会联系的基础，配合乡村问卷访谈等小数据作为网络属性及校核联系的依据，基于社会网络研究乡村聚落空间韧性。

2 研究区域与数据来源

2.1 研究区域概况

汃河流域位于黄土丘陵沟壑区的旬邑县，总面积1 203.3 km2，境内行政村43个（图1）。受地形影响，自然村规模极小，零散分布于山间及河道两侧，周边农田大都废弃。且经过多次迁并，人口大都聚集在地形相对平整的台塬、开阔河滩地与交通沿线的行政村村庄，耕地与生产要素也通常集中在村庄周边。

图1 研究区域概况Fig.1 the overview of the research area

2.2 数据来源与处理

2.2.1 数据来源

研究数据涵盖手机信令数据、问卷访谈数据与地图矢量数据。手机信令数据购买于智慧足迹公司，来源于2018年10月与2019年12月各记录14天的用户手机与基站交互主动、被动产生的记录，日均记录数约为2万条。用户占常住人口比例的25%。问卷访谈数据涵盖区域43个村的出行目的，人口数量、人均收入、耕地面积、景观历史资源、公共服务设施、商业点、灾害区、保护区等。其中，出行目的调查问卷依据村民占比，在行政村各聚落分层随机抽样获取。每个行政村发放20份，要求村民根据联系频次选出日常出行中与周边行政村的联系。其它数据通过与村干部访谈得出。地图矢量数据为1:1 000的地形图、流域边界与行政村边界。

2.2.2 数据预处理

汃河流域乡村聚落体现出人口、产业的聚集特征。村委会所在村庄是承载主体、联系与功能的最小空间单元，也是当地乡村规划与政策实施的最基本单元。参考惠怡安的研究，以行政村为单位统计聚落性质与聚落联系特征[16]。

聚落性质：它是行政村在区域承担的综合商业、文化旅游、综合服务、农业生产等职能中的最主要职能的体现。首先，将人口数量、人均收入、耕地面积等数据录入GIS平台，分级后转换为1～5的栅格（值）。其中，公共服务设施与景观历史资源的分级基于数量与质量主观确定，其他数据以自然断裂点法分级。其次，将商业点、灾害区、保护区等数据缓冲叠加，以自然断裂点的方式分级后转换为1～5的栅格（值）。最后，根据层次分析法确定不同聚落性质的主导因子权重，对栅格加权叠加后确定聚落性质。

聚落联系特征：相关研究表明村民的出行行为是产生各类社会联系的基础，基于出行特征能有效揭示乡村聚落空间特征、自组织及韧性机理[8,18]。出行行为能通过手机信令中的“流动”揭示。首先识别驻留点的大致区域，它由用户与周边基站的联系及切换频次确定。其次通过用户与其周边基站的沟通频次、基站距离，采用Location质心算法插值得出驻留点坐标[19]。由于当地村庄与基站的位置关系明确，定位较准。最后设定阈值，驻留点变化即为流动。聚落之间社会联系特征涵盖联系偏好、方向与数量。为了提取联系偏好，需采用多重流分析识别聚落之间的显著流[20]。首先，需要将每个节点流出的流量从大（X1）到小（Xk）进行排列，节点的流量期望集合为{ Xˆj }，j∈E，E为网络中聚落节点的集合，计算公式如式（1）。

其次，流量期望值与真实值之间的拟合程度由决策系数r2来确定，如式（2）所示。若第j步中的决策系数rj2最大，则该节点排名前j的流量都为显著流。

联系特征涵盖方向与数量。手机信令具有矢量与大样本的优势，因此以显著流流向与流量作为联系特征。然而，手机信令数据缺乏联系属性，对偶然事件导致的个别异常结果难以识别，需要基于出行目的的问卷访谈数据，识别出异常显著流，并用等比扩样后的结果替代。

3 研究方法

本研究构建“拓扑仿真—韧性评估—空间优化”的研究框架，将乡村聚落以网络形式拓扑建模，并以网络的结构其变化仿真乡村聚落从现状到未来的时空变化；定量评估乡村聚落静态空间韧性及变化时的动态韧性；确定空间优化内容。

3.1 拓扑仿真

3.1.1 聚落空间拓扑建模

现状乡村聚落空间拓扑建模：行政村村庄在网络中以节点的形式存在，聚落性质即为节点属性。村与村之间如果存在显著流，那么对应的节点之间存在边，联系特征即为边的属性。经手机信令数据分析得出，流域内村村联系占比为51.8%，乡村与旬邑、咸阳、西安的联系占比分别为41.8%、3.1%、1.8%，与其他地区总联系占比仅为1.5%，问卷也证实该联系特征。因此，网络中还存在3个城市节点。

未来乡村聚落空间拓扑建模：首先，基于情景分析法对未来聚落空间变化进行预测，它是在推测的基础上，通过将一些有关联的单独预测集成一个总体的综合预测，通常以缓和负面结果和增强积极效果为目标，形成对未来可能的情形描述[21]。参考相关研究，基于区域人口流动趋势、城市影响趋势与城乡规划成果对聚落演变情景分析[22,23]。之后将结果拓扑化为社会网络。

3.1.2 聚落空间变化仿真

聚落空间变化仿真涵盖情景分析、随机条件、极端不利与极端理想条件四类情况。其中，情景分析仿真是在现状仿真网络的基础上，以情景分析结果为目标，按情景演化过程逐步删除网络中的节点及与节点相连接的边实现。

随机条件仿真外部扰动带来的不确定变化，如规划变更、地质灾害、道路修建、商业开发与政策变化等导致乡村聚落出现破坏或迁并的情况。仿真可通过随机删除复杂网络中的节点及与其相连的边实现。它能有效评估区域面临变化的适应力，也可作为空白对照组。

极端不利条件（理想条件）下的乡村空间演变仿真可基于聚落的重要程度，从大到小（从小到大）的删除聚落在社会网络中代表节点及与节点相联系的边实现；并分别评估聚落空间极端不利（理想条件）下的韧性。节点重要程度的判别标准为节点介数[24]。此外，单一聚落在系统中的重要程度可以通过去除其在网络中代表的节点后，网络的整体受到的影响来评估。

3.2 韧性评估

参考城市空间韧性研究，乡村聚落空间韧性的评估指标涵盖独立性、协作性、连通性、稳定性、缓冲性、自组织与恢复性，它们能评估聚落系统的静态空间韧性与动态变化韧性[15,25]。而与之对应的复杂网络韧性评估指标为节点度、结构洞、点边介数、核心—边缘、最大子图相对大小、结构熵、网络效率[26]。相关运算模块已写入Pajek与Ucinet软件。

3.2.1 空间韧性评估

3.2.1.1 独立性

独立性是指聚落系统或子系统受到干扰时保持最低可接受的功能水平的能力。乡村聚落局域社会联系越丰富，失去部分联系仍可保持一定功能。聚落独立性同样决定它在区域的重要性，与区域服务能力正相关。在社会网络中，节点度Eki能揭示这种能力，它为网络中与节点ei相连的边数。流入节点的边的联系总量为节点强度Esi，公式如下：

3.2.1.2 协作性

协作性是指聚落协调不同功能主体的能力，协作性强的聚落在区域中具有相对竞争优势。例如，基层村之间往往存在结构洞，它们的社会关系大都通过中心村联系。后者结构洞更小，具有资源与信息的优势，受约束更小。该指标也反映区域聚落之间协作能力。在社会网络中节点结构洞ECi为节点ei对网络其他节点的依赖程度。公式如（5）（6）所示，式中：节点q是节点i与节点j的共同邻接点；Pij表示在节点i的所有邻接点中节点j所占权重比例。

3.2.1.3 连通性

连通性是指聚落系统内聚落依靠社会网络相互连通的能力。节点与边的连通性越高，代表的聚落及联系在流域处于资源与信息的枢纽。在网络中，节点介数Ebi、边介数Ebij能反馈这种能力。计算公式如（7）（8）所示，式中：nst为连接节点es与et的最短路径数；nst(ei)为连接节点es与et并经过节点ei的最短路径数；nst（eij）为连接节点es与et并经过边eij的最短路径数。

3.2.1.4 稳定性

稳定性代表聚落系统保持稳定与持续运行的能力，可表现为整个空间系统及内部子系统稳定。“核心—边缘”能反映网络密集地区所占整体网络的位置与比例，即相对韧性的地区。指标的计算在Ucinet软件中完成。

3.2.2 动态韧性评估

3.2.2.1 缓冲性

缓冲性指聚落系统在外部冲击下，主要区域或功能不会严重退化，能反映流域整体聚落应对变化的能力。系统最大连通部分即为网络中的最大连通子图，代表主要功能区域。公式如（9）所示，式中：KN’是最大连通子图的节点数，KN是网络中的总节点数。

3.2.2.2 自组织性

系统内功能主体、要素的多样性与冗余性能极大提升系统的自组织性，也越能抵御风险与变化[13]。例如，区域综合商业类聚落能帮助文化旅游类聚落度过淡季危机[10]。结构熵可用于描述空间系统的无序性。熵值越大，自组织能力越强[26]。公式如（10）（11）所示，式中：p(Sei)表示节点属性为 的概率。

3.2.2.3 恢复性

聚落之间更好的社会连通水平与运行效率能使区域更快的调动与组织资源，提升流域聚落受到扰动后的恢复力。在复杂网络中，网络效率能间接反映系统的恢复性。公式如（12）所示，式中：N为当前网络的节点数。dij为网络中节点ei与ej之间的最短路径。

3.3 空间优化

3.3.1 村镇体系优化

村镇体系是基于空间相互作用关系，将彼此分散的村镇组合为一定空间结构的有机体系，影响并决定它们在空间上的分布与功能。基于社会关系形成的拓扑网络常用于描述村镇体系结构[16]。因此，空间韧性也能通过村镇体的优化实现。中心村具有聚集、组织与联系的功能，它的选择需要考虑聚落系统的独立性、协作性与连通性。首先选择度值较高及结构洞较低的节点作为备选中心村节点。其次，基于联系指向判别中心村节点的主要影响节点；如果被影响节点有多条联系指向，则以最大联系指向的节点作为其中心村。最后，基于中心村影响范围及公共服务全覆盖的原则，校核并优化区域的村镇体系。

3.3.2 乡村分类优化

前期研究指出：在黄土丘陵沟壑区，相较于耕作半径、生态环境与建设条件等分类指标，社会联系数量与方向对于乡村的发展具有更突出贡献。因此，李嘉会以社会网络识别重要节点，对乡村聚落分类[27]。为了体现乡村发展过程中的韧性，依据韧性评估结果，本研究在国土空间规划对乡村分类的基础上，新增韧性收缩类。并提出韧性引导方向与发展指引。

一、聚集提升类：在网络中是主要流动趋势与流动偏好指向的节点。在现状与未来的仿真网络中都具有很高的度与很低的结构洞，是网络的区域核心。

二、存续提升类：在网络中是次要流动指向的节点。在现状与未来的网络中都具有较高的度与较低的结构洞，或未来地位上升的节点。

三、韧性收缩类：在现状网络中度较低、结构洞较高，或未来地位大幅下降节点。

四、城乡融合类：在网络中受城市节点影响强，城村联系强度占比高，在空间上位于城市边缘。

五、特色保护类：通常具有文化旅游属性，失去它后网络结构熵降低的节点。

六、搬迁撤并类：在网络中是流动趋势与流动偏好的起点。是未来失去的节点，度值低，通常为结构洞。

4 研究结果

4.1 拓扑仿真结果

拓扑仿真结果如图2所示，现状的节点1—43代表区域的43个行政村；节点44—46代表咸阳、西安与旬邑；网络中存在边254条。未来将有14个村节点消失，它们向优势村（城市）迁并。区域文化旅游将进一步得到开发，非农业生产节点将增多。

图2 基于社会网络的乡村聚落拓扑仿真结果Fig.2 topology simulation results of rural settlements based on social networks

4.2 韧性评估结果

如图3所示，现状流域内聚落关系体现出明显的区域集中特征。南北台塬中心与河谷开阔地区乡村的独立性强，得益于开阔的发展空间与便利的交通条件。未来，县城周边4个行政村将并入城市，南北台塬地区乡村的独立性更为明显。流域内乡村受城市影响严重，城村联系占联系总量的48.2%。节点42与13因具有省级旅游功能，城村联系尤为突出。

图3 社会网络节点度及变化Fig.3 node degrees and their changes in the social network

如图4所示，流域内的结构洞主要分布于塬边和远郊交通不便的地区，它们之间主要通过节点12、29、9、25、5等区域中心形成“支状”的社会联系。区域中心节点之间的社会联系紧密，形成跨地形的“网状”社会联系。以0.37作为阈值，未来网络的结构洞占比降低6.06%，联系更为高效；节点5和33等优势乡村聚落的区域影响力减弱，而更靠近县城的节点18的区域影响力增强。原台塬地区的“多核”结构向“单核”结构演变。

图4 社会网络结构洞及变化Fig.4 structural holes and their changes in the social network

如图5所示，流域内的社会联系集中并形成两条轴线，一是沿县道X306—河谷的河谷轴线，二是为沿县道X306—省道S306—国道G211的干道轴线。未来河谷轴线的作用将逐步弱化，干道轴线的作用将逐步增强，并新增从村节点25经26到42的次干道轴线。因此，乡村发展受地形因素影响减弱，受交通因素增强。位于边缘地区的村节点2、13的枢纽地位将被更靠近县城的节点15取代，但它们与西安、咸阳的联系将更为紧密。

图5 社会网络点边介数及变化Fig.5 node/edge betweenness and their changes in the social network

如图6所示，现状网络中核心节点为20个，占比为46.51%；核心区与边缘区密度分别为0.429与0.039。未来，部分核心村迁并后，失去了大量社会联系，使得整体网络更为脆弱。网络中核心节点16个，占比提升为55.17%，核心区与边缘区密度分布为0.522与0.066。核心区虽然收缩但聚集程度得到提升，且核心区将逐步向西南侧的主干道聚集。

图6 社会网络“核心—边缘”及变化Fig.6 “core-periphery” indices and their changes in the social network

4.3 动态韧性评估结果

失去单一节点后对聚落系统缓冲性分析，16.28%的节点对网络的影响较大，诸如村节点25、29、9、42、18、2与26，它们是影响韧性缓冲的关键村。未来网络的结构熵将比当前提升58.27%，行政村的多样化发展强化了区域面对危机的自组织能力。其中，失去综合商业性质的村节点会使整体网络的结构熵大幅降低，它是更为重要的聚落类型。在流域的社会网络中，失去相对次要节点能提升网络效率，更有利于聚落之间的社会联系，此类节点占比为51.16%。因此，半数行政村可建议被迁并。村节点12、25、42、9、29、26、5、18对网络效率影响较大，是影响韧性恢复的关键村。

如图7所示，在极端不利条件下，失去7个最强村节点网络将发生突变。在情景分析中，当失去14个节点达到情景分析结果时，最大子图相对大小能达到理想条件的96.55%，具有良好的韧性缓冲与抵抗能力。直到失去15个节点后，网络结构才发生突变。因此，基于情景分析的空间优化的结果与时效都较好。

图7 动态变化时社会网络的最大子图相对大小Fig.7 relative sizes of the maximum component of the social network under dynamic change

如图8所示，未来，基于情景分析、完全随机、极端不利的结构熵值分别为理想条件的99.11%、85.51%、74.78%。去除了较冗余的农业生产属性的村节点，可以使多样性上升。而在之后，网络的结构熵值会一直处于较为理想的结果。因此聚落系统的协调与自组织能力将继续保持。

如图9所示，在情景分析条件中，初期网络效率会逐步上升，当失去16个节点时达到峰值。网络效率将提升22.25%，达到理想条件的85.87%，之后能维持较长的时效。在动态韧性评估中，对于流域空间韧性影响较大的村节点主要为42、9、29、25、13，当流域剩余29个行政村时，空间韧性最为理想。

图9 动态变化时社会网络效率Fig.9 network efficiencies of the social network under dynamic change

4.4 空间优化结果

4.4.1 村镇体系优化

如图10所示，城市边缘地区乡村大都与城市保持城村二元联系，这些聚落将与城市共享公共服务。流域内具有中心村5个，它们位于区域服务中心。未来，由于中心村33的地位衰落，它的功能将逐步被中心村25取代。而东南侧的行政村13与流域内的城市联系将相对减弱，独立于原聚落系统，但与西安、咸阳形成更紧密的联系，需要以城市旅游为导向提前建设。中心村13、18与42的城市流占比高达70.2%、79.9%与82.9%，且流入量远高于其他地区，因此，它们公共服务应当以城市标准及类型配置，实现公共服务的城乡均等化。其他中心村的公共服务配置参考旬邑县制定的中心村标准。基于村流入强度得出中心村25的公共服务设施配置规模应进一步提升。

图10 汃河流域乡村聚落空间优化结果Fig.10 planning results of the rural settlements in Pa watershed

4.4.2 乡村分类优化

聚集提升类与存续提升类乡村主要位于台塬开阔地的干道两侧；城乡融合类乡村主要位于县城边缘的河谷开阔地与低阶台地；韧性收缩类与搬迁撤并类乡村主要位于塬地边缘与远郊地区（图10）。分类引导措施见表1。到2030年，区域行政村数应为29个，人口约为3.89万人，建设用地控制为466.7 hm2。到2040年，区域行政村数应为23个，人口约为2.91万人，建设用地控制为349.5 hm2。流域聚落空间演变成“交通廊道乡村带+特色小镇”的理想空间形态。

表1 汃河流域乡村分类引导内容Tab.1 classification and guidance of rural settlements in Pa watershed

5 结论与讨论

本研究创新性的采用社会网络理论方法对乡村聚落拓扑仿真、韧性评估与空间优化。解决了在复杂变化中揭示乡村聚落空间韧性的科学问题。以拓扑网络仿真乡村聚落空间从现状到未来的演变过程，丰富了城乡规划学的研究范式；构建了基于数学语言描述的4类空间演化模型，丰富了动态仿真方法；提出了7类韧性评估指标，完善了空间韧性评估技术。基于模型及指标得出的优化结果与《旬邑县城乡发展一体化战略规划》相关性强，研究模型、方法、技术得到了初步验证。

研究表明，黄土丘陵沟壑地区的小流域乡村受城镇化与退耕还林的影响，整体上形成区域聚集性、道路趋向性与城市趋向性的特征。乡村聚落的空间优化应当考虑如下三个方面：第一，流域外围通常是重要的生态功能区，需要减少聚落数量与规模，引导居民点向台塬、河谷开阔地迁徙，但独立于区域系统的乡村除外。第二，流域内塬边与坡地往往是生态脆弱、灾害频发、低效耕地与林地相冲突的地区。历史上因防卫需要形成较多聚落。如今，这些聚落应迁徙到沟谷的道路两侧或台地中央的交通便利地区。第三，道路作为小流域内主要与外界发生物质与信息交流的媒介，将具有更为重要的地位。需要依托道路提高聚落斑块的紧凑性，提升区域的连通效率。

本研究具有两大研究优势。其一，对于户籍人口、耕地面积、交通条件与公共服务等方面的优势村，通常会因常住人口的不足导致其实际活力弱于户籍人口少、完成退耕还林，但旅游业突出的行政村。本研究通过关系网络能对真实情况做出正确评估。其二，基于社会网络的韧性研究手段不但能基于动态过程提出规划内容；还可对多元异构数据协同分析，它能将不同数据格式、类型、量级的数据以“图”和“属性”的形式表达。然而，相对于传统研究，牺牲了聚落属性及联系的多样性，因此，还需要进一步丰富社会网络对聚落系统的解读，强化对网络中要素的多样性研究，二模网络与多层次网络是未来研究重点。

图表来源：

图1-10：作者绘制

表1：作者绘制