城市可持续发展与空间决策支持，本文主要内容关键词为：可持续发展论文,决策支持论文,城市论文,空间论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 引言
城市是一个社会—经济—生态复合巨系统，存在着复杂的社会结构、经济结构和生态结构，而这些结构要素最终都要以城市物理空间作为载体[1]。城市区域要素的空间分布、 组合及其功能联系构成了城市景观空间构型，而城市景观空间构型极大地影响着城市各子系统之间、城市系统与外界环境、城市景观要素内部及城市景观要素之间的能流、物流、信息流和人流。而这些流最终将影响城市区域内的自然过程，冲击城市的生态系统。
城市空间格局伴随着人类的社会、经济活动在不断变化之中。经济的发展模式、人的空间行为（如居住行为、迁居行为）和生活方式都在很大程度上影响着城市景观生态格局的变化，从而不断改变城市能流、物流、信息流的空间态势，进而影响着城市及区域的自然过程，形成空间场效应，反作用于经济发展模式和人的生活方式。如何把握城市空间格局的演变动力机制和空间相互作用机理，对城市可持续发展的调控有着十分重要的意义。
城市可持续发展即是一个时空过程，有着深刻的时空内涵；又是一个反馈调控过程，是通过对城市系统时、空、量、序的演变机理深入研究的基础上，建立健全调控、反馈机制，使城市系统在自然调控、经济调控和政策调控下实现持续功能完整和高效和谐的运营。
然而在区域可持续发展的研究中，往往存在着两种倾向，一是注意了时间内涵而忽视空间内涵[2]； 二是注意了空间内涵而忽视了时间内涵。前者表现为将城市做为一个均质的地域，强调各要素在时间轴上的协调，采用的方法是系统动力学。后者表现为静止地去看待城市系统的空间过程[3]，即使考虑时间维， 也只是认为城市系统空间状态是随时间的线性演变过程。
本文将从分析城市可持续发展的时空内涵入手，讨论了城市可持续发展与空间决策支持的关系；并探讨城市可持续发展的时空动力学理论模式；最后以城市空间增长过程的模拟调控为例，初步探讨城市可持续发展调控的操作模式。
2 城市可持续发展的内涵
城市做为地球上一个特殊的地域，与自然系统相比，城市是一个社会、经济活动高度密集的综合体，是一个以人为中心的不完整的生态系统。因而城市持续发展有其特殊的内涵。
2.1 空间性
城市是一个社会—经济—生态复合巨系统，存在着复杂的社会结构、经济结构和生态结构，这些结构要素最终都要在空间地域上反映，城市要素的空间分布、空间组合和功能联系构成了城市要素的空间格局。城市空间格局的优劣直接影响着城市系统功能的发挥和正常的运营。
城市的人流、物流、信息流和能流都有源与汇，都要通过一定的介质和载体，也就是说城市是以复杂的物理网络、经济网络和社会文化网络交织而成的[4]，而这些网络正是城市物流、 能流和信息流的载体，城市的诸多问题（如环境恶化、居住拥挤）正是由于系统网络和流的失调引起的，更进一步是由于城市系统组分的空间不协调耦合，而流的空间格局最终由城市空间格局所决定。
从景观生态学角度考察，城市景观生态构型，如空间单位特定的位置、毗邻和连接在调节对持续环境关键的变量中起着十分重要的作用[5]。最佳的城市空间格局能使城市各种生态流高效、和谐、通畅，支持生态的完整性，并使城市持续性达到最大。
2.2 时序性
城市生态系统和区域景观格局随着城市化的进展在不断演替和变化，区域的经济政策、产业布局、环境管理机制，人们的生活方式和环境意识、资源利用、城市规划、区域工业构成都驱动着城市地区生态系统和景观格局的演替，从而改变城市地区能流、物流、信息流和人流的循环和空间态势，进而影响着城市及其影响区的自然过程（物理过程、化学过程、生物过程）和人文过程，对自然和生态环境造成冲击。如何在社会经济发展的同时，通过合理的经济发展模式、环境管理措施、良好的体制和强烈的环境意识，使城市地区的生态系统和景观格局向着良性的方向演化，以最大的可能减小对自然、生态环境的影响，是城市可持续发展的目标。也就是说，城市可持续发展是一个过程，贵在对城市系统空间相互作用、相互反馈动力学结构及城市空间结构演变机理的理解和协调，这包括对城市系统空间演变动力机制和规律的研究。
2.3 约束性
所谓约束性，即是城市系统外部环境对城市系统的限制性。城市的腹地、郊区、土地、资源、设施、大气、海洋等是维系城市系统正常运转的生态库[4]，它们既起着供养支持生态系统的作用， 又能够吸收、 消化、降解城市系统的产品、副产品和废物，还是输送物流、能流、信息流的渠道。然而其对城市系统的服务不能超过某一个极限，否则将制约城市的发展。在这一极限内，合理的城市社会、经济、生态要素的时空耦合，既可以高效地利用生态库资源，又可以减小城市、社会、经济活动对生态库的冲击。
2.4 区域性
城市做为一个系统，它的成长、演替与区域息息相关，它不断地与区域进行着人流、物流、信息流和能流的交换。城市系统不断地从区域获取能源、原材料，通过城市经济系统的加工，向外输出高质的商品、信息和能量。城市又是一个不完整的生态系统，它有别于自然生态系统，它的能量、原材料取自于区域，而它所排放的废物，必须异地处理，排放到区域。城市可持续发展的区域性体现在城市与区域的共生、和谐。
2.5 反馈与调控
城市系统是一个社会、经济、生态复合系统，从理论上，对于任何一个城市区域，总存在着一个最佳的生态系统和土地利用的空间构型，以支持生态的完整性或使一个环境的持续能力最大[5]。 但对城市这一复杂的系统，我们不可能把每个子系统内部及子系统之间、城市景观要素内部及景观要素之间的相互作用、相互反馈关系都弄清楚，更无法用数学模型来描述它、优化它，必须把城市系统看做一个整体，贵在系统功能的调节上，力求在弄清系统主要结构的基础上建立起调控、反馈机制，使城市系统在自然调控、经济调控和政策调控下，实现持续功能的完整性和高效、和谐的运营，在生态系统上表现为流的通畅、生态网络和结构的协调，功能的正常和调控回路的健全。在空间上表现为流合理的空间格局及最短的流程，生态网络格局的协调，空间位势分布合理及空间格局调控体系的健全。
在城市系统演替的过程中，城市各种相互作用关系（子系统内部及子系统之间，景观要素内部及景观要素之间，整个城市系统与区域之间）、系统的状态（包括空间格局）和边界条件都在不断变化之中，尤其是城市人文过程和人的社会、经济空间行为的不确定性和随机性。对这样一个非线性的复杂系统去寻找它的最佳景观生态结构，将是十分困难的。所以应该把精力放在评价现有的系统，弄清影响系统问题的根源和症结，预测模拟系统可能的演变趋势及各要素的反馈结构，建立健全城市系统的反馈回路和调控体系。
3 城市持续发展与空间决策支持
3.1 研究城市空间格局及其演变的意义
城市社会、经济活动是城市空间格局演变的驱动力，而城市社会、经济活动的空间行为最终影响着城市空间格局的演变，城市空间格局演变的轨迹反映了社会、经济活动及其空间行为的变化。而城市景观生态空间格局直接联系着资源的合理利用和对自然环境的影响，在协调城市社会、经济发展和资源利用及环境保护的关系中，城市景观生态格局及其演变起着承上启下的作用。图1 是从非空间内涵的角度理解城市社会、经济、资源和环境的协调，图2 是从城市空间格局演变的角度来理解和研究城市、社会、经济、资源和环境的协调演变。
图1 社会经济活动与资源、环境关系的非空间理解
Fig.1 Non- spatial understanding of the correlationbetween social economic activities and resources-envoirnment
图2 社会经济活动与资源、环境关系的空间理解
Fig.2 Spatial understanding of the correlation betweensocial-economic activities and resources-environment
图2 表明社会经济活动及其空间行为和城市景观格局的演变是一个相互作用关系，前者是后者演变的驱动力，后者对前者有反作用，城市景观生态格局很大程度上决定了人流、物流、信息流和能源的循环和空间态势，而这些最终都要对自然过程造成影响，冲击生态环境，在城市系统演变的每一个阶段，都要反馈信息，作用于社会经济活动及其空间行为。
3.2 城市可持续发展的时空复合调控动力学模型
3.2.1 城市可持续发展是一个时空复合过程
若城市地域空间有m个单元，各单元各层要素k[,1]，k[,2]，…，k[,n]的空间分布为k[,1]（x，y），k[,2]（x，y），…，k[,n]（x，y），某一层要素j对应着某一单元i就可定义为该要素的“水库”，则城市地域系统由m×n 个这样的“水库”组成，这m×n个“水库”即描述了某一特定时刻地域系统的状态。那么系统的演变可以理解为由各种流带动的各空间单元组分的增减。各种流正是通过各种网络在各个水库之间的流动，既包括层与层之间的流动，又包括空间各单元之间的流动。显然描述城市系统空间结构演变可以用m×n个状态方程。即：
──＝f[x，y，t；r[,1]，r[,2]，…，r[,m×n]；ψ[,1]，ψ[,2
]，ψ[,m×n]] （3─1）
式中i＝1，2，…，m×n；（x,y）为某一“水库”的空间位置；t为时间；r[,i]描述了系统的状态；ψ[,i] 描述了各“水库”之间的相互反馈结构。
dr d[2]r
──就是各“水库”组分的增减，而───可以理解为受广义力作
dt dt[2]
用而产生，如发展位势差、就业机会空间差异，借用牛顿第二定律：
d[2]r
C·───＝F（x，y，t；r；ψ） （3─2）
dt[2]
d[2]r[,i]
写成分量形式：─────＝F[,i]（x，y，t；r；ψ）（3－3）
dt[2]
F[,i]为城市区域系统某一个“水库”演变的驱动力，这个力有3个分量：
→ → → →
F[,i]＝F[,i1]+F[,i2]+F[,i3] （3─4）
式中F[,i1]为外部驱动，只与时间t有关；F[,i2] 表示同层各空间单元之间的相互作用力，F[,i3]表示各层之间的相互作用。
城市系统空间结构演变反映在城市空间格局的演变，它取决于各“
dr[,i]
dvdv
水库”组分的增减v[,i]＝───，v由其变化率──来决定，而──取
dt dtdt
决于以上3种驱动力，城市系统正是在这3种驱动力作用下发生演变的。
3.2.2 城市可持续发展是一个反馈—调控过程
考虑系统的输入控制，则系统演变的状态方程可写为：
──＝f[x，y，t；r；ψ；u]
（3─5）
输出方程为[6]：P（x，y，t）＝f[x，y，t；r；ψ；u]（3─6）
式中r（t）为状态向量；ψ为系统反馈结构，u为控制输入，P（x，y，t）为系统输出。
假定P*（x，y，t）为理想输出，如果在没有外部输入， 系统反馈结构一定情况下，系统的演变轨迹必然偏离理想的输出P*（x，y，t）。要使实际的演化轨迹与理想的轨迹相符，必须对系统施加控制，即通过输入u来改变系统的演化轨迹， 也可通过内部结构调整来改变系统的演化轨迹。对于城市这一复杂的系统，u 随着状态变量或输出的改变而改变。即：
u（x，y，t）＝u[r（x，y，t）；P（x，y，t）]（3─7）
系统正是通过调控变量u来控制系统输出，使输出P达到某种意义上接近理想输出，即：
lim│P－P*│＝0 （3─8）
t→∞
城市可持续发展即可以理解为通过寻找最佳的调控输入u 来控制城市地域系统输出，使系统的演变轨迹最为接近理想值。对于城市时、空复合系统，寻找最优的调控输入u（x，y，t）是相当困难的，有时甚至是不可能的。因为对于城市这一复杂的非线性系统，从时间序列上看，远近期的优化效果通常是相互矛盾的，从空间序列上看，局部的优化效果也往往和整体的优化效果难以相容，所以只能通过对系统演变的模拟达到次优的控制。
从以上分析可以看出，城市可持续发展是一个时空复合的调控过程，是在通过健全系统反馈—调控回路，健全系统网络结构的基础上，通过调控策略（包括政策调控、经济调控和自然调控），使城市地域系统状态的演变在某种意义上接近理想的状态轨迹。
城市地域系统的状态必须强调其空间内涵，必须强调地域上的差异，描述城市地域系统的结构不能忽视其空间上的相互作用。
4 城市空间增长及格局变化的模拟与调控
4.1 城市空间增长动力学模型的构造
4.1.1 城市空间增长动力学过程
城市空间增长的基本驱动力是经济增长，而城市增长的空间表现却是城市各要素空间相互作用和相互反馈的结果。城市空间增长是一个空间动力学过程，各子系统之间存在着空间上的相互作用和相互反馈的空间动力学过程。城市空间增长动力学过程可以分为3个层次：①基础产业所带动的就业空间增长过程， 这是发展中国家城市空间增长的动力源。②居住—房地产库存空间增长过程。③服务消费流—服务设施规模空间增长过程（如图3）。这3个动力学过程有着不同的时间尺度。并且3个层次的过程相互作用， 相互反馈，相互交织驱动着城市空间结构的演变。
4.1.2 居住—房地产库存动力学方程
居住空间增长动力学方程：
图3 城市空间增长动力学过程
Fig.3 The dynamics process of urban spatial growth
居住空间增长可以看做由两部分组成：就业增长所带来域外人口的迁入和现有人口的出生／死亡过程。就业空间增长所带来的居住空间增长可以看做人口从就业区单元z'＝（x'，y'）的空间扩散过程，这要由个体居住空间选择行为来决定，一个体从单元z'＝（x'，y'）向z ＝（x，y）单元的扩散取决于两单元的功效差，按照logit模型[9]，t 时刻一个体i从单元z'迁移到z单元的概率或平均转移率为：
W[i]（z'z，t）＝V[P]（t）·exp[U[i]（z，t）－U[i]（z'，t）]（4─1）
U[i]（z，t）和U[i]（z'，t）分别为i个体选择z和z' 单元的功效函数。
V[P]（t）为系数，由ΣW[i]（z'z，t）≤1
z'
V[P]（t）≤｛Σexp[U[i]（z，t）－U[i]（z'，t）]｝[-1] （4─2）
z'
V[p]（t）反映了扩散的时间延迟。
i类个体选择某一单元z功效函数的建立是基于个体空间选择决策过程，作者曾给出过居住空间选择功效函数的构造方法[10]。居住空间选择功效函数的重要内生变量是空房率和居住环境，而居住环境与人口密度有关。这些变量是居住—房地产库存空间增长的重要内生反馈变量。
除此之外，居住空间增长还必须考虑两类约束，空房分布约束和家—工作出行时间约束，居住空间选择单元集z∈Z[,1]必须满足：
h（z，t）－ΣRa[i]·P[i]（z，t）〉0（4—3）
i
h（z，t）为t时刻房地产总库存的空间分布，R[,a][i]为i 类个体平均居住面积，P[i]（z，t）为t时刻i类个体居住人口分布。
工作出行约束是指在i类个体可以承担的交通工具条件下， 在可以容忍的家—工作出行时间内，i类个体所能选择的空间单元集z∈Z[,2]。则式（4—1）演化为：
设I[,m]为单位时间内， 外来迁入就业人口与该时间段总就业人口之比，I[,c]为总人口与总就业人口之比，e（z'，t ）为一定时间段内新增就业人口空间分布，则居住空间增长动力学方程为：
dP（z，t）
──────＝ΣΣI[,m]·I[,c]·e[i]（z，t）·v[P] （t ）·
dti z'
exp[u[i]（z，t）－u[i]（z'，t）]+P（z，t）[（β（z，t）－δ（z，t）] （4－5）
P（z，t）为t时刻居住人口的空间分布，β（z，t），δ（z，t）分别为t时刻出生／死亡过程。
房地产库存空间增长动力学方程：
房地产库存空间增长动力学可以看做是由房地产开发和房地产删除（或转为它用）两个相逆过程组成。房地产库存的增减取决于开发商的投资行为和空间选择行为，影响开发商投资行为和空间选择行为的因素包括：
PI（z，t）
①z单元单位土地开发预期纯收益率[10]：D（z，t）＝─────
I（z，t）
PI（z，t）为z单元t时刻单位土地开发收益；I（z，t）为z单元t 时刻单位土地开发总投入。
②银行利率ba。
h（z，t）－ΣRa[i]·P[i]（z，t）
i
③空房率：hk（z，t）＝────────────────
h（z，t）
空房率越大，房地产开发的积极性越低，现有房子删除或转移为其它用途的可能性越大，则可以构造房地产开发商在z 单元增加土地开发的功效：
u[h]+（z，t）＝a[,1][D（z，t）－ba]－a[,2]hk（z，t） （4—6）
在城市空间增长动力学模拟过程中，仅考虑房地产开发的增长而忽视删除过程，则z 单元单位土地在单位时间段内转移为房产的概率或平均转移率为：
┌V[h]+（t）·exp[U[h]+（z，t）]，L（z，
│
t）－H（z，t）〉0
W[h]+（z，t）＝│ （4－7）
└ 0 否则
V[h]+（t）为系数，L（z，t）为z 单元可供居住房地产开发的土地所能建设的房产面积。（3—15）式表明，当单元z内没有可以获得的空闲土地，房地产开发将无法实现。进一步可以得到房地产开发的空间增长动力学方程：
dh（z，t）
─────＝[L（z，t）－h（z，t）]·V[h]+（t）·exp[U+
dt
（z，t）]（4—8）
4.1.3 服务消费流—服务设施规模空间增长模型
服务消费流—服务设施规模空间增长是一个空间动力学过程，是由服务消费流（需求）与服务设施规模（供应）在空间上相互作用、相互反馈交织成的动力学过程，但这一空间动力学过程和居住—房产库存空间动力学过程相比，是一个较短时间尺度的空间动力学过程，可以在短时间内在空间上达到供需平衡，在研究城市空间增长时主要是研究由于城市基础产业空间增长所带来的居住、就业、服务业活动的空间增长，所以在构造一体化城市空间增长模型时，不考虑服务消费流—服务设施规模空间增长动力学过程，而采用聚集的空间配置模型，对lowry模型[11]加以改造， 引入空间单元z的服务设施吸引力参数，则居住在z'单元的人口到z区寻求服务或购物的消费流为：
T（z'z，t）＝A·e·P（z'，t）·M（z，t）·exp（－βC[,z'z]）（4—9）A为平衡系数，A＝[ΣM（z，t）·exp（－βC[,z'z]）][-1]；e 为单
z
位时间人均寻求服务或购物的金额；C[,z'z]为z'到z单元之间交通代价，β为系数；M（z，t）为z单元对服务消费流吸引力，与服务设施规模有关；T（z'z，t）为新增消费流，P（z，t）为新增人口分布。则t时刻单元z的新增服务设施规模空间分布为：
B（z，t）＝m·ΣT（z'z，t）（4—10）
z'
m为系数，B（z，t）为服务设施规模空间分布，用营业面积计算。在此需考虑空闲土地约束：
L'（z，t）－mΣT（z'z，t）〉0（4—11）
z'
L'（z，t）为按照城市规划的容积率，z单元服务业用地所能建设的最大营业面积，由式（4—9），（4—10），（4－11）组成一个反馈的服务设施配置过程。可得到新增就业人口空间分布：
e（z，t）＝E[B]（z，t）+E[C]（z，t）（4—12）
4.2 城市空间增长动力学过程空间相互反馈机理及求解策略
基本就业的空间增长可做为一个外生过程，若假定某一时间段内基本就业空间增长为E[B]（z，t），由这一过程必然导致城市空间结构演变的动力学过程。城市空间结构的演变是一个多时间尺度的空间动力学过程，必须在一定的时间尺度内研究。另一个需要明确的问题是，城市空间增长的动力学过程是多个子系统空间相互作用、相互反馈的结果，为了获得稳定的解，并反映各空间单元之间及各子系统之间细微的空间反馈过程，应选择较小的时间尺度和空间分辨率，但这将大大增加动力学方程的数目，并占用大量的CPU时间。
城市空间增长动力学方程的求解过程如图3。
4.3 北海市城市空间增长模拟分析
北海是广西沿海开放城市，“九五”期间十分重视工业发展，计划增加工业固定资产投入，新增一批大中型工业项目，这必然带来城市未来的空间增长。在此例中假定工业增长速度一定，选择两个方案对城市空间增长动力学过程进行模拟。第1是维持现状交通网络不变， 对城市空间增长趋势进行模拟如图4，第2是考虑新修道路计划，对城市空间增长趋势进行模拟如图5。在此模拟过程中，将整个市区分为0.3km×0.3km空间单元，建立空间动力学方程。对由于1994年～2000年工业空间增长所带来的城市空间增长的动力学过程进行模拟。从图4可以看出， 由于没有新修道路，城市空间增长主要集中在距市中心较近的建成区，主要表现为空间填充，图5表明，由于增加了道路，交通大为改善， 交通代价降低，城市空间增长主要表现为沿新建道路向周围蔓延趋势，这一模拟结果十分吻合城市经济理论：道路的增加，将使交通状况得以改变，在一定的时间内可以旅行更大的范围，为了获得房屋费用的更大节约，所以新增的居住人口倾向于选择城市外围。相反，没有新修道路计划致使居住选择受到交通限制，新增居住人口倾向于向市中心集中。
图4 北海市1994年～2000年空间增长动态模拟 （没有新修道路计划）
Fig.4 Dynamic simulation of Beihai spatial growth from1994 to 2000 (Without new road plan)
图5 北海市1994年～2000 年空间增长动态模拟（考虑新修道路计划）
Fig.5 Dynamic simulation of Beihai spatial growth from1994 to 2000 (With new road plan)
5 结论
城市可持续发展是一个时空复合的调控过程，是各子系统在空间上相互作用和相互反馈的空间动力学过程，对城市空间结构演变的动力学过程进行模拟分析是建立城市可持续发展空间决策支持系统的有效途径。
来稿日期：1996—12；收到修改稿日期：1997—06。