城市旅游环境系统韧性的系统动力学研究——以兰州市为例

杨秀平 贾云婷 翁钢民 李亚兵 牛 晶

（1.兰州理工大学经济管理学院，甘肃兰州 730050；2.燕山大学经济管理学院，河北秦皇岛 066004）

0 引言

旅游的成长对旅游环境系统的需求与不平衡、不充分的旅游环境系统供给之间的矛盾日益突出，旅游环境问题的出现严重威胁着以城市为代表的旅游目的地的可持续发展。旅游环境系统面临的压力具有多诱因、危害大、复杂性、不确定性等特征，由此容易导致灾害发生且连锁效应增大。城市在旅游活动中扮演着多重角色，是旅游活动的客源地、集散地与目的地。随着可持续城市理论研究的逐步升温，韧性城市成为一种新的城市可持续化发展途径（Sanchez et al.，2018），提高城市韧性也有助于城市旅游的可持续发展。旅游环境系统面对压力时急需实施韧性管理，城市旅游环境系统韧性问题有待深入研究。

2017年12月，联合国开发计划署在可持续发展目标与韧性城市建设论坛中指出，“针对中国的韧性城市研究刚刚起步的现状，建设有中国特色的韧性城市，形成中国经验向全球传播。同时，建设包容、安全、有韧性的可持续城市和人类住区是联合国2030 年可持续发展议题中的重要目标之一”①搜狐网.联合国开发计划署：加快建设中国“韧性城市”［EB/OL］.（2017-12-23）.https：//www.sohu.com/a/212285017_313745.。习近平总书记在十九大报告中提出，实现人与自然的和谐共生，关注生态环境治理，打好污染防治攻坚战，保持并加强生态文明建设的战略定力，加大生态系统保护力度，探索以生态优先、绿色发展为导向的高质量发展的新路子②新华网.中共中央国务院：关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见［EB/OL］.（2018-06-16）.http：//www.xinhuanet.com/politics/2018-06/24/c_1123028598.htm.。提高城市系统面对不确定性因素的响应与适应能力（Dey et al.，2018；Vučetić，2018），提升目的地旅游环境系统的韧性，建设有中国特色的韧性旅游城市，增强民众幸福感（赵冬月等，2016），是一个兼具理论需要与现实需要的新课题。

1 文献综述

1.1 韧性研究综述

“韧性（Resilience）”一词来源于物理学。19世纪中叶，伴随着西方工业化发展进程，“韧性”概念被广泛应用于机械工程学，用于描述金属在外力作用下恢复原状的能力，与之相关联的是刚性与弹性概念（Ray et al.，2018）（见图1）。20世纪50年代至20 世纪80 年代，加拿大生态学家霍林将其引入生态学研究领域，用于描述生态系统在遭受不同类型冲击时维持系统稳定状态的特征（Holling，1973）。20 世纪90年代以后，韧性研究从自然生态领域向人类生态领域拓展，2001年“9·11”事件、2005 年卡特里娜飓风事件等（Bruijin et al.，2017），激发了研究者、政府机构开始从经济、社会、生态、防灾等角度对韧性城市进行探讨，为韧性城市理论的研究奠定了基础（邵亦文等，2015）。21世纪以来，韧性城市理论以可持续性、前瞻性和系统性为指导，成为城市发展的重要理念之一（彭翀等，2018）。打造韧性城市成为英美等国家城市规划和地理学研究的热点（钱少华等，2017）。国内外研究者对韧性的研究主要集中在韧性的内涵研究、量化研究、应用研究等方面。

韧性的内涵研究经历了以系统功能保持状态的工程韧性、波动状态下系统延续能力的生态韧性、文脉背景下系统适应能力的演化韧性3个阶段，逐步形成了对韧性的混沌特征（Pizzo，2015）、适应性循环特点（Dacoudi et al.，2012）的认同，并指出适应性循环的混沌模型具有强健性与迅速性特征（Lu et al.，2013）。当今学术界对韧性内涵的界定相对广泛（Jabareen，2013；邵亦文 等，2015；Bruijin et al.，2017；彭翀等，2018），缺乏对城市旅游环境系统韧性明确且具有操作性的内涵阐释，阻碍了城市旅游环境系统韧性在实践中的应用。

图1 刚性、弹性、韧性内涵解析图

在韧性的量化研究上，代表性的研究方法有韧性联盟的定性分析工作手册、联合国环境署提出的韧性评价框架（O’Connell et al.，2015）、韧性的结构方程模型（Renald et al.，2016）、地理空间系统与遥感技术（孙阳 等，2017；李亚 等，2017）、致灾韧性等级划分（郑艳等，2017）、韧性影响的网格结构（彭翀等，2018）等。目前城市韧性的指标体系逐渐丰富，从传统对自然环境刚性指标的研究转向对自然、经济、社会等环境综合指标的探讨，有研究者提出在城市韧性指标构建中应关注多主体利益，促使多主体和谐共生（陈利等，2017）。城市韧性评价的指标庞杂，缺乏有归纳能力的量化模型来统筹指标参数与相关信息。通过对城市旅游环境扰动因素的分析及对城市旅游环境系统韧性特征的细化，设计具有科学性和操作性的城市旅游环境系统韧性评价指标，成为旅游环境系统韧性测度中的一大难题。

在韧性理论的应用研究上，国内外研究者对湿地（Li et al.，2014）、海洋（Rescia et al.，2010）、自然保护区（Colding，2007）等生态系统（Jabareen，2015）的灾害问题进行韧性研究，针对社区（Desouza et al.，2013）、城市（郑艳 等，2017；Jabareen，2013；Tumini et al.，2017）、区域（孙阳等，2017）等空间尺度韧性的研究逐步丰富，并呈现出点、线、面的空间研究格局。随着韧性理论与实践的相继展开，关注旅游环境问题，实现城市旅游环境系统保护与城市旅游发展的双赢是我国城市管理面临的重点问题，展开以城市为代表的旅游环境系统韧性的案例分析与定性分析十分必要。

1.2 系统动力学研究综述

系统动力学（System Dynamics，SD），是由美国麻省理工学院J.W.Forrester 教授分析企业生产管理与库存管理时提出的系统仿真方法，是系统论、控制论、信息论的交叉综合，是认识与解决系统问题的信息反馈科学（Azadeh et al.，2014；Bhushan 2015；李文超等，2014）。通过系统科学理论与计算机仿真的结合，研究非线性系统反馈结果与行为，明确研究问题，确定系统边界，进行系统的动态假设、方程描述、测试、评估，以解决系统的特定问题。系统动力学根据系统的结构与功能，探讨因果反馈关系，寻找系统问题产生的根源。目前系统动力学相关研究集中在仿真模拟（Wu et al.，2012；李文超 等，2014；彭乾 等，2016）、预测（Marcos et al.，2018；杨秀平 等，2018）、评估（唐睿 等，2019）、路径优选（杨红娟 等，2019）上，应用领域多集中于旅游区（Wandersee et al.，2012；林恩惠 等，2017）、市域（杨秀平 等，2018）、省域（Morrison et al.，2015）与国家（刘立云 等，2012；Arnd et al.，2016）层面。

旅游环境系统是旅游发展的基础，目的地旅游发展需要协调与旅游环境的关系，实现旅游环境供需系统的平衡，提升多主体在旅游发展中的福利水平与旅游环境系统的质量。本文关注旅游环境系统承受或抵御外界多主体需求压力冲击的能力，通过完善目的地旅游环境系统的整体格局，化解旅游环境系统的需求压力（张玉钧等，2017；张俊等，2019），使其快速应对、恢复并保持旅游目的地功能正常运行。通过适应多主体需求压力的经验积累，提升应对多主体需求的能力进而保持系统活力。韧性理论与旅游环境系统研究的结合，对城市旅游目的地实现可持续发展至关重要。

鉴于此，首先，本文界定了城市旅游环境系统韧性的内涵，系统分析了城市旅游环境系统施压的多主体，探讨多主体对旅游环境系统的施压机制及其影响因素。其次，构建城市旅游环境系统韧性的量化模型。从旅游环境系统的自然韧性、经济韧性、社会韧性角度建立城市旅游环境系统韧性的指标体系，构建城市旅游环境系统韧性的系统动力学模型，采用Vensim 仿真软件分析多情景下城市旅游环境系统的韧性潜力，通过多种情景的对比进行城市旅游环境系统发展路径的优选，并以兰州市为例测度该城市旅游环境系统韧性。最后，根据实证分析结果，提出城市旅游环境系统韧性的提升对策。

2 城市旅游环境系统韧性的内涵界定

“韧性”研究的目的是有计划、有步骤地消减风险隐患（Moser et al.，2019）。城市旅游环境系统韧性分析强调根据城市旅游环境系统的多施压主体对旅游环境系统的施压机制及其影响因素，增强城市旅游环境系统的适应性，促进城市旅游环境供需系统的互动。具体而言：第一，城市是旅游环境系统韧性演化的载体，需要分析城市旅游活动多主体构成、人口特征、旅游偏好特征等，研究城市旅游活动多主体需求对旅游环境系统产生的压力；第二，在旅游环境系统混沌特征下，通过城市旅游环境系统持续的适应、学习和创新，需要探究旅游目的地环境系统的演变规律；第三，韧性是解释旅游环境系统分化现象的关键，需要着眼于城市旅游发展的“惠众”与“公平”，研究城市旅游环境系统韧性的非线性多重演化轨迹与地理分异。旅游成长压力下城市旅游环境系统韧性演变如图2所示。

图2 旅游成长压力下城市旅游环境系统韧性演变

城市旅游环境系统韧性具有稳定性、敏感性、适应性特征，可划分为缓解、恢复、学习和应对等多个阶段，城市旅游环境系统韧性面对外界压力时具有缓冲和恢复能力。同时，城市旅游环境系统从压力中积累经验并进行学习，确保城市旅游环境系统的应对能力与较强的系统韧性，以有效承受未来或潜在压力带来的冲击，城市旅游环境系统混沌的阶段性是一定的时空尺度和发展速度的嵌套循环系统，不一定是连续的或者固定的。由于多主体扰动，城市旅游环境系统需要通过不断调整、改善系统结构并积累经验，提升系统缓冲能力，由此进入学习与应对阶段，促成城市旅游环境系统的良性循环与动态发展。城市旅游环境系统韧性的内涵如图3所示。

3 构建城市旅游环境系统韧性指标体系并确定权重

3.1 构建城市旅游环境系统韧性指标体系

本文从自然、经济、社会三方面分析城市旅游环境系统韧性的构成因素，在问卷调查、实地调研、文献研读（Arnd et al.，2016；Bruijin et al.，2017；徐波，2018；Vueti，2018；杨秀平 等，2019；唐睿 等，2019；张俊 等，2019）的基础上构建指标体系（见表1）。城市自然环境系统韧性是城市旅游得以延续的基础，支撑着城市旅游的发展；城市经济环境系统韧性、城市社会环境系统韧性使城市旅游得以发展，是实现惠众目标的核心。城市旅游环境系统的稳定性，是城市旅游环境系统整体应对外部压力的基础；城市旅游环境系统的敏感性，是指城市旅游环境系统应对外界潜在压力的能力；城市旅游环境系统的适应性，是指城市旅游环境系统面临外部冲击后的自我修复能力。

图3 城市旅游环境系统韧性的内涵

3.2 确定城市旅游环境系统韧性的权重

首先，为消除城市旅游环境系统韧性数据量纲（单位）的不一致性与数据中极端值的出现，对城市旅游环境系统韧性的三级指标进行标准化处理，其中，对正、负向指标采用级差标准化，统一在指标中加上0.01。采用模糊隶属度函数的方法（董炜 等，2014）进行无量纲化处理，具体标准化见公式（1）、公式（2）。

表1 城市旅游环境系统韧性指标体系

式中：minλijz是城市旅游环境系统韧性指标原始数据的最小值；maxλijz是城市旅游环境系统韧性指标原始数据的最大值；为城市旅游环境系统韧性标准化后的指标值；i、j、z分别代表城市旅游环境系统韧性的一级指标、二级指标和三级指标，i，j，z=1，2，3。

其次，利用熵值法确定权重。“熵”用来衡量系统内的无序状态，本文采用熵值法确定旅游环境系统韧性指标体系的权重。用n代表城市旅游环境系统韧性指标的统计年份数，在对城市旅游环境系统韧性指标体系原始数据进行归一处理的基础上，构建以下初始判别矩阵。

再次，在对城市旅游环境系统韧性第k年指标所占比重pijz，k测算的基础上，得出城市旅游环境系统韧性无量纲指标数据矩阵Pijz，k，计算指标的熵值eijz：

其中，K=，eijz≥0。

最后，计算城市旅游环境系统韧性指标的差异系数gijz，进而计算城市旅游环境系统韧性的权重Wijz。

4 构建城市旅游环境系统韧性的系统动力学模型

首先，利用Vensim 软件明确城市旅游环境系统韧性的研究问题，界定城市旅游环境系统韧性的研究边界；其次，确定城市旅游环境系统韧性模型构建中的水平变量、速率变量、辅助变量（见表2）；最后，提出城市旅游环境系统韧性的动态假说，录入城市旅游环境系统韧性的因果关系，撰写方程、测试方程并进行检验，如图4所示。在本文构建变量方程中，采用的公式如下：

式中：Stock(t)代表t时刻城市旅游环境系统韧性影响因素的存量，Inflow(s)代表城市旅游环境系统韧性影响因素的流入量；Outflow(s)代表城市旅游环境系统韧性影响因素的流出量；Stock(t0)代表初始时刻t0城市旅游环境系统韧性影响因素的存量；Ci、Cij、Cijz分别代表表1 中的一级指标、二级指标和三级指标；Wijz代表指标Cijz的权重；Wij代表指标Cij的权重；Dijz代表研究期内指标Cijz的平均值。其中，i，j，z=1，2，3。

表2 旅游环境系统韧性的系统动力学模型中的变量

图4 系统动力学建模过程及模型中的动态变化

如图5 所示，从城市旅游环境系统的自然环境系统韧性、经济环境系统韧性、社会环境系统韧性3 个方面出发，构建城市旅游环境系统韧性主要指标间的因果关系，探讨其对应的城市旅游环境系统韧性的稳定性、敏感性与适应性，并建立城市旅游环境系统韧性的系统动力学模型（见图6）。本文将城市旅游环境系统韧性的情景划分为“现状延续型”“经济优先型”“生态保护型”，对特定城市旅游环境系统韧性进行预测研究，分情景探讨城市旅游环境系统韧性的自然环境韧性、经济环境韧性、社会环境韧性，进行旅游环境系统韧性的稳定性、敏感性与适应性指标的仿真模拟。

图5 城市旅游环境系统韧性的因果关系图

图6 城市旅游环境系统韧性的系统动力学建模

5 案例分析

本文以甘肃省兰州市为例进行研究。兰州市又称金城，地处亚欧大陆腹地，是我国西部的生态脆弱区，依托黄河具有带状盆地城市的特征，干旱少雨。兰州是古丝绸之路上的重镇，拥有数千年的历史，积淀了丰厚的历史文化，是人类塑造的复杂且典型的社会生态系统。近年来，伴随着旅游者的非均衡涌入，传统旅游目的地粗放型的经济增长方式加剧了兰州市自然环境、经济环境、社会环境的压力，导致兰州市旅游环境系统利用的非均衡性，影响兰州市旅游环境系统的可持续性与惠众性理念的实现。因此，缓解或消除兰州旅游发展对旅游环境系统的压力，提升旅游环境系统韧性，探讨城市旅游可持续发展的新途径，促进兰州市旅游环境系统持续改善与旅游经济的高质量发展是一个迫切需要解决的问题。

5.1 研究结果

兰州市2008年—2017年城市旅游环境系统韧性相关指标数据来自《兰州市统计年鉴》《甘肃省统计年鉴》《中国旅游统计年鉴》等。根据图6的系统动力学模型，设定Start Time 为2008，End Time 为2025（Units：Year），Time Step 为1（Units：Year），构建兰州市旅游环境系统韧性的系统动力学理论模型并进行理论检验。根据水资源供应量、绿化覆盖面积、城镇化水平、旅行社数量、总人口数量、旅游类居民消费价格指数等指标的灵敏性对模型进行修正，对2008年—2017年的统计数据进行检验，以浮动范围10%为限（见表3），进而模拟多情景下兰州市旅游环境系统韧性的指数，如表4所示。

2008 年—2017 年兰州市旅游环境系统韧性水平虽有所提升，但总体水平较低。考虑目的地旅游环境系统韧性构建的计划性与目的性，为促进兰州市旅游环境系统韧性向集约型转变，基于系统动力学的数据检验确定旅游环境系统韧性指标的灵敏性；考虑目的地相关主体对旅游环境系统韧性的满意度和幸福感，为了保证旅游发展的“惠众性”与“公平性”，设定系统动力学模型中常量的标准。本文基于“现状延续型（统计期内的现状增长率）、经济优先型（统计期内的平均速率最大值）、生态保护型（统计期内的平均速率最小值）”3 种情景对城市旅游环境系统韧性进行模拟（见表4）。由图7 的模拟仿真结果可见，“现状延续型、经济优先型、环境保护型”3 种情景下兰州市旅游环境系统韧性均呈现提升发展态势，且生态保护型情景下的城市旅游环境系统韧性明显优于经济优先型与现状延续型发展情景；兰州市旅游自然环境系统韧性、经济环境系统韧性、社会环境系统韧性均呈现上升趋势，生态保护型情景下的旅游自然环境系统韧性优于现状延续型与经济优先型情景，且经济优先型情景下的旅游自然环境系统韧性最低。

表3 城市旅游环境系统韧性系统动力学模型的历史数据检验

表4 多情景下兰州市旅游环境系统韧性仿真模拟数值

兰州市旅游环境系统韧性包括各子系统的稳定性、敏感性与适应性。如图8所示，在现状延续型情景下，研究期内兰州市自然环境系统的稳定性逐步下降，但是在生态保护型发展情景下，兰州市自然环境系统稳定性在经历了2013年—2017年的下降后于2018年开始稳步增长。受工业废水排放总量、城镇生活污水排放量的影响，兰州市旅游环境系统的自然敏感性在2010年—2016年波动较大。2017年十九大召开后，兰州市着力建设“兰州蓝”城市名片，主抓工业环境污染，努力促进城市发展中“实现人与自然的和谐共生”①人民网.砥砺前行让“兰州蓝”名片更响亮［EB/OL］.（2018-07-02）.http：//gs.people.com.cn/n2/2018/0702/c183341-31766520.html.，兰州市旅游环境系统的自然适应性显著增强。通过对兰州市旅游环境经济系统的分析，我们发现多情景下经济系统的稳定性均呈上升态势且2017年以后增幅明显；经济的敏感性在现状延续型和经济优先型情景下保持稳定，在生态保护型情景下快速增长；生态保护型情景下的经济适应性优于现状延续型与经济优先型情景下的经济适应性，生态环境保护理念的贯彻执行反哺兰州市旅游环境系统的经济适应性。兰州市旅游环境社会系统韧性中，大数据助力社会环境“三大治理”收效显著，2012 年开始兰州市社会环境的稳定性明显提升，经济优先型情景下的社会敏感性大于现状延续情景与生态保护情景；现状延续型、生态保护型和经济优先型情景下，社会适应性均逐步提升，可见旅游经济的发展和生态环境的保护对西北中心城市多民族生态脆弱区教育、公共医疗卫生及文化体育与传媒等的促进作用。

图7 2008年—2025年多情景下兰州市旅游环境系统与子系统韧性模拟

5.2 提升城市旅游环境系统韧性的对策

城市旅游环境系统韧性的核心强调共享与共赢、互惠互利、协调与可持续增长。在旅游目的地发展规划中，为提升城市旅游环境系统韧性，本文尝试提出如下对策：

（1）打造多维城市旅游环境系统韧性层级

首先，特定情景下的结构韧性——以要素构建稳定、开放的空间骨架，通过拓展目的地旅游环境系统发展的有效空间，形成旅游目的地点轴式空间骨架布局，建立模块化区域分隔，促进旅游环境系统韧性的关联与拓展，构建城市旅游环境系统多层次、多模块空间结构，进一步提升城市旅游环境系统点轴式骨架的稳定性。其次，控制韧性——以韧性优化规划控制指标的空间配置，通过对多主体旅游环境系统韧性的分析，考虑不确定性因素，借助韧性工具，为影响旅游环境系统韧性的指标设定可浮动区间，在特定情景下，促进规划指标在空间上的优化配置，从旅游目的地角度促进空间资源的整体统筹，包括旅游环境系统的复合开发、浮动的开发强度、置换低效空间等。最后，过程韧性——以刚性机制推进渐进式、协商式的旅游规划，促使传统的蓝图式远景规划向渐进式、协商式规划转变（Moser et al.，2019），促成多主体的发展规划与旅游环境系统的规划在时空上的充分衔接与深度融合。在协同过程中鼓励利益相关者达成协同平衡的目标，促进城市旅游环境的共建共享。

（2）界定城市旅游成长级别

图8 2008年—2025年兰州市旅游环境子系统韧性的稳定性、敏感性与适应性的多情景模拟

以城市旅游环境系统韧性系数、旅游成长水平（旅游压力的流向与流量）为维度，分析城市区县的旅游成长级别，理顺城市规模指数、城市旅游环境系统压力、城市旅游环境系统韧性的三元数理关系（见图9）。以城市旅游环境系统的“韧性适应能力提升，建立动态维护、多级网络、联合共治的旅游目的地”为总体目标，从社会治理、时空联动等方面提出旅游目的地环境系统韧性的总体思路，为后续提升路径研究打下基础，有助于解决旅游环境系统稳定发展需求与城市不确定性干扰之间的矛盾，在规划管理中依托多样的技术手段持续影响规划决策与城市建设，拓展城市旅游环境系统的可浸性。

图9 三元关系数理空间分布模型和三元关系时空演变模型

（3）城市旅游环境系统压力空间的缓解

首先，提出“核心引领与扁平发展”的总体构想，探讨城市旅游环境系统韧性的扁平联系，从城市的“核心-核心”联系、“核心-边缘”联系角度，根据城市旅游环境系统韧性的发展方向，构建特定城市与其他层级节点城市旅游环境系统的集聚区，达到区域城市旅游环境系统的核心组群的高效连接、核心协同节点与核心组群的紧密依附、边缘节点的职能分化，实现核心城市与一般城市的协同发展，通过结构调整提升区域旅游环境系统对外界不确定性的抵抗性。其次，提出片区“阶段识别与差异推进”构想，根据区域旅游环境系统韧性发展阶段，分析发展中存在的问题，制定差异化的旅游环境系统韧性优化举措，突出非核心城市旅游环境系统主题的功能专业化和特色化，实现区域旅游环境系统韧性构建的网络化，达到边缘城市间旅游环境系统韧性利用的水平联系，实现区域旅游环境系统韧性的由梯度层级向全面均衡发展。最后，促进区域要素流动，通过区域内要素的互联互通实现合作共赢。借助城市群网络的传输效率与扩散效应，增进区域内城市旅游合作，营造共享的信息空间，促进区域内旅游流量和流向的空间转移。

6 讨论

城市旅游环境系统韧性的研究前景广泛，具有挑战性。面对旅游环境压力，对旅游环境系统演化过程中的稳定性、敏感性与适应性等特征的认知，有助于我们理解旅游目的地的人地关系。今后研究建议加深对人地关系系统演化与适应性的理解，促进城市旅游环境系统转型，为建立有效的人地关系系统适应模式提供理论依据，构建较为全面、科学、系统的城市旅游环境系统韧性研究分析框架。

城市旅游环境系统韧性研究应结合旅游业的季节性特征与区域内旅游目的地的冷热程度，进行区域范围内的承接功能拓展研究；应针对旅游环境系统韧性的影响因素，突出“人”在旅游环境系统面临波动时的动态调整能力，应对“黑天鹅”事件发生，进行城市旅游环境系统韧性预警研究。建议今后城市旅游环境系统韧性研究加入跨尺度的空间因素，以实现区域范围内旅游目的地的良性治理，促进目的地从防御型向韧性的转变。