资源枯竭型城市复合系统协同转型演化机制研究：以黄石市为例

姚 囝，王云株，柯丽华

(武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081)

资源型城市为我国发展前期的快速工业化、城镇化过程做出了突出贡献，但是在特定的社会经济条件下，会不可避免地面临着竞争优势下降、环境问题突出、下岗失业人员增多、经济社会发展缓慢等诸多问题。由于缺乏整体规划，资源枯竭的资源型城市社会经济、生态环境累计的矛盾和问题日益突出，协调水平和转型水平并不理想[1]。近年来，我国开始大力支持资源型城市的转型发展，对于资源型城市的转型研究也日渐丰富，在转型效果评价、转型预测和转型绩效评价等[2-4]方向多有建树。

资源型城市复合转型系统是一个典型的复杂系统，其协同演化是资源型城市转型过程中通过资源、环境、经济和社会4个系统之间的相互耦合协同形成的良性协同状态过程，以此为驱动力推进整个城市转型高度的提升。复合系统的协同发展研究在众多领域得到了应用，例如建立有序度模型和协同模型研究区域经济协同发展[5-6]；建立哈肯模型研究生态系统演化[7-8]、区域型经济[9]以及创新系统[10]协同演化机制；通过构建效能函数和结构方程模型分析人口、经济、环境协同发展的影响机制[11]。

综合分析发现，资源型城市复合系统协同演化中内部相关要素的相互促进或竞争，可以导致系统宏观上由无序到有序的转变，这与协同中的哈肯模型理论十分契合。研究资源型城市转型过程中系统内部存在的协同关系，对资源型城市转型机制具有重要意义，哈肯模型[12]可以很好地诠释资源型城市内在演化机制，定量分析系统中存在的协同关系，通过构建哈肯模型的方式可以将开放系统在一定外部条件下内部不同变量相互作用，进而形成具有协同效应的动态发展过程，以数值形式直观表现。本文以典型的资源枯竭型城市黄石市为研究对象，建立资源-环境-经济-社会复合系统综合评价指标体系，分阶段构建哈肯模型识别2001—2019年黄石市复合系统协同演化的主导参序量，动态评析不同驱动模式下资源枯竭型城市黄石市复合系统转型的协同演化机制。 提出资源型城市协同功能优化对策，促进黄石市高效转型模式建立和经济循环发展，为研究区域制定资源型城市转型发展战略政策提供科学依据。

1 资源-生态-经济-社会复合系统协同演化模型

资源型城市的转型系统协同发展过程同时满足协同学理论和耗散结构理论的要求，其系统演化是由系统内各个子系统的功能与结构、各子系统间的相互联系以及系统与外部环境相互作用而产生的根本性变化，使之出现新的宏观态势[13]。对于资源枯竭型城市而言，自然资源作为主要生产要素逐渐衰退，经济的发展受到自然资源、劳动力、土地等资源要素的共同影响[14]，经济发展通过基础建设和改善民生等手段作用于社会。同样，资源型城市原始的资源禀赋对生态环境发展也存在影响，自然资源的开采不可避免导致污染环境，进而影响社会福利和居民健康，人口资源对社会经济的发展也存在影响[15]，这4个子系统不断配合调整促使资源枯竭型城市复合系统转型发展进入新的阶段，如图1所示。资源枯竭型城市复合系统是一个非线性的复杂系统，在受到外界微小的影响变化时，其系统内部的参量因素会发生突变，因此产生引导系统协同转变的主导参序量，预示着系统进入了新的协同发展阶段。

图1 资源枯竭型城市转型动力机制

2 评价指标体系与模型选取

2.1 资源-环境-经济-社会复合系统转型评价指标体系构建

针对黄石市转型过程的历史进程和现状特点，选取的指标需要反映资源枯竭型城市的转型变化结果。根据指标间的相互关系，选取资源禀赋、生态环境、经济发展和社会建设4个维度构建黄石市复合系统转型评价指标体系。复合系统指标体系构建如下所述。

1) 资源禀赋是衡量一个城市资源丰富程度的重要指标，由于黄石市矿业资源的衰退，选择土地资源、矿产资源和人口资源3个一级指标。其中，土地资源代表土地配置，包括土地效益和农业两个部分，即土地资源利用效率和有效灌溉面积指标；矿产资源开采潜力代表指标有主要矿产资源保有量，除此之外，万元GDP耗能也是影响资源型城市绿色转型发展的重要影响因素[16]；人口是城市发展的基础，人口的流失会阻碍区域经济的发展[17]，人口资源选择人口增长率和年末常住人口指标。

2) 环境系统可以设立环境污染和环保建设2个一级指标。资源型城市的环境制约需要充分考虑环境保护和生态修复的问题[18]。环境保护的基础是控制污染，选择固体废物回收利用率、工业废水排放量等指标；生态修复状况选择市镇人均公共绿地面积和污水集中处理率等环保建设相关的评价指标。

3) 经济系统选择了经济规模、产业结构和资本投入3个一级指标。 其中，经济规模反映了城市的经济发展所处的阶段，经济发达的城市面对转型问题时相比经济欠发达的城市更具发展空间[19]；产业结构[20]以及资本投入都会影响城市转型发展，产业结构可以选择产业占比和产业占GDP比重等指标；资本投入则代表了城市经济发展所需要依赖的经济资本，如进出口贸易、政府支出和研究开发经费等指标。

4) 社会系统有民生水平、社会基础建设和就业情况3个一级指标。其中，民生水平的提升是保障人民生活水平的重要任务，包括居民收入水平和医疗水平，如城市人均可支配收入、农村居民恩格尔系数和卫生机构床位指标；社会基础建设的提升有利于丰富城市功能和增进公共福利水平，交通运输会影响城市服务业效率[21]，选择城镇化率、人均道路面积和公路货物周转量指标；城市就业情况也是社会稳定发展的重要因素，也反映了城市的社会保障体系和社会治安状况，如第三产业劳动者所占比例、城镇登记失业率等。

借鉴已有的研究对资源型城市的指标选择[22-23]科学客观地对指标体系进行筛选，遵循指标选择原则，建立资源(RES)、环境(ENV)、经济(ECO)、社会(SOC)四维指标评价体系，见表1。为消除评价指标的量纲差异和正负效应差异，对原始指标数据进行标准化处理，再利用熵值法对指标进行赋权，从而达到全面反映各类信息的目的。

表1 黄石市复合系统转型评价指标体系

续表1

2.2 模型选取

2.2.1 指标标准化

为消除评价指标的量纲差异和正负效应差异，对原始指标数据进行标准化处理。可以将指标分为正向指标、负向指标、适度性指标。正向指标见式(1)、负向指标见式(2)、适度性指标见式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：xij为第i年第j项的指标；Xij为第i年第j项标准化后的指标。

2.2.2 基于熵值法指标权重计算

为更加准确地计算指标的权重，利用熵值法对2001—2019年的标准化后的所有面板数据进行计算，得到各指标的权重。第i年第j项指标值的比重见式(4)、第j项指标的信息熵见式(5)、j项指标权重见式(6)。最后，对各个子系统的转型水平进行综合评价，见式(7)。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Xij为第i年第j项标准化后的指标；n为年数；ej为熵值；m为指标数；f(x)为各个子系统的转型综合评价水平。

2.2.3 哈肯模型的建立

利用哈肯模型能够快速区分系统中的快变量和慢变量，识别参序量，分析系统的驱动机制和系统内部相互作用机制，进而实现“协同作用-主导参量-支配原则”协同机制的定量分析。将两个参量之间相互作用导致系统演化的过程，表示为运动方程[12]，见式(8)和式(9)。

(8)

(9)

式中：q1和q2为主导参量；a、b、γ1、γ2为控制参数；Γ1和Γ2为随机涨落项。 若系统中∣γ2∣>∣γ1∣，且γ2>0，则该运动系统满足“绝热近似假设[12]”。

参序量方程见式(10)。

(10)

为方便针对随机变量的运算，将其进行离散化处理，得式(11)和式(12)。

q1(k+1)=(1-λ1)q1(k)-aq1(k)q2(k)+Г1

(11)

q2(k+1)=(1-λ2)q2(k)+bq1(k)2+Г2

(12)

对式(10)进行相反数积分导出系统演化的势函数方程[12]见式(13)。

(13)

势函数中任意一点D到点A的距离都可以作为该点所处位置的状态，以此为依据建立协同评价函数[12]见式(14)。

(14)

式中，d为协同度。D点距离点A越远，表示系统间的协同关系越不稳定，d的值越小表示协同关系越稳定。对d值进行正向化处理，将其转化为(0，1)之间的正向指标，建立协同得分值函数见式(15)。

(15)

3 实证分析

3.1 黄石市复合系统2001—2019年转型力变化情况

2001—2019年，黄石市复合系统的转型力变化情况和变异系数见表2。由表2可知， 在此期间， 复合系统的转型力波动明显， 整体呈上升趋势， 说明黄石市的转型过程随时间变化存在着明显的动态变化。

表2 2001—2019黄石市复合系统转型力评价水平

针对黄石市转型发展的历史背景以及子系统变化趋势，以2010年为分段时间点，运用转型力拟合趋势线的方法[24]，分阶段对黄石市复合系统的转型力进行线性拟合分析，分别得到4个子系统分阶段的拟合趋势线，见表3。其中，线性拟合线的斜率越大说明子系统转型力的变化趋势越大。结果表明，除了资源系统以外，环境系统、经济系统、社会系统在第二阶段拟合斜率都大于0，且比第一阶段都有所增加，表明黄石市步入第二阶段后转型效果初见成效，已经进入相对高速的转型时期。

表3 复合系统分阶段转型力拟合趋势线

3.2 参序量的识别

按照哈肯模型的理论与步骤对资源、环境、经济、社会转型驱动因素4个变量进行两两分析。第一阶段(2001—2010年)结果见表4，RES是系统参序量；第二阶段(2010—2019年)分析结果见表5，ENV是系统参序量。

表4 2001—2010年黄石市转型子系统两两分析结果

3.3 确定运动方程

第一阶段(2001—2010年)由表4可得模型参数γ1=0.111，a=0.026；γ2=0.366，b=-0.104。系统的演化方程见式(16)。

(16)

系统的势函数见式(17)。

(17)

系统的状态评价方程见式(18)。

(18)

第二阶段(2010—2019年)由表5可得模型参数γ1=-0.051，a=-0.059；γ2=0.503，b=-0.126。系统的演化方程见式(19)。

表5 2010—2019年黄石市转型子系统两两分析结果

(19)

系统的势函数见式(20)。

(20)

系统的协同评价方程见式(21)。

(21)

3.4 转型协同度分析

根据系统的协同评价函数，计算第一阶段和第二阶段的协同转型度，两个阶段的协同度结果见表6和表7。 将协同度平均划分为三个阶段：[0，0.333]为初级协同状态、(0.334，0.666]为中级协同状态、(0.667,1]为高级协同状态。

表6 黄石市资源(RES)主导转型模式协同度变化表

表7 黄石市环境(ENV)主导转型模式协同度变化表

4 结果分析

通过以上实证分析结果可知，黄石市协同转型过程以2010年为分界点可以分为2个阶段：第一阶段(2001—2010年)为资源主导转型机制的稳定转型阶段；第二阶段(2010—2019年)为环境主导转型机制的加速转型阶段。

4.1 第一阶段转型机制分析

资源子系统的转型力是引导复合系统协同转型的驱动参序量，资源子系统与社会子系统起协同作用，方程中的参数的γ1=0.111，γ2=0.366表明参序量资源转型子系统和状态参量子系统对复合系统都起负反馈作用，复合系统的协同转型处于比较消极的状态。参序量资源系统转型问题约束了整个系统的转型发展，黄石市作为传统的资源衰退型城市在转型初期仍受资源的制约。随着矿业资源枯竭，工厂效益下降、就业机会减少导致的人口下降、土地的经济效益减少等问题的显现都为资源型城市的转型发展带来恶性循环，也间接抑制了城镇基础建设和社会福利的发展。

参数a=0.026，b=-0.104代表资源转型系统对社会转型系统具有阻碍作用，同样，社会转型系统对资源转型系统也具有阻碍作用，表现为转型前期社会发展建设在一定程度上与其资源基础处于相互排斥的关系。对于此阶段的黄石市而言，资源型企业关停导致大量人员就业困难，造成了社会保障压力大和民生收入的下降，同时，政府财政收入也难以支撑城市综合功能的完善。在稳定转型时期的第一阶段，黄石市的复合系统发展过程处于较无序的状态，资源系统与社会系统不能形成相互促进的转型机制，其转型内生动力也没有显现发挥作用。经济转型对资源枯竭型城市转型具有重要作用，但是在此阶段经济系统与其他系统的协同分析也并未通过检验，这可能也是转型内生机制未得到完善的一种体现。

由表6可知，黄石市2001—2010年协同转型得分经历了短暂的上升后持续下降，此阶段复合系统基本处于低级协同状态，协同效果是逐年减弱的，说明在这种驱动模式引导下的复合系统转型机制是不稳定的。资源开采为主的矿业型城市虽然在前期会产生经济发展优势，但是也为后期步入枯竭期的转型问题埋下隐患，难以摆脱资源的制约，阻碍黄石市复合系统协同转型过程向着高级的方向发展。在内生动力不足的情况下，黄石市的转型过程仍在稳定进行，说明国家对资源枯竭型城市转型问题的重视一定程度上避免了黄石市的衰退。早在发布《黄石市资源型城市转型与可持续发展规划》之前，黄石市政府已经开始正视资源环境的约束，并制定了一系列可持续发展政策和法律法规，按照“十一五”规划纲要，计划淘汰了部分落后产能，大力发展接续产业，积极探寻转型发展新支点。2009年黄石市正式成为国务院第二批划分的资源枯竭型城市，明确了城市多元化发展的道路，为突破资源的桎梏，培育新的转型驱动方式打下了基础。

4.2 第二阶段转型机制分析

环境子系统的转型力是引导黄石市复合系统协同转型的驱动参序量，环境子系统与社会子系统起协同作用。由表5可知，方程参数γ1=-0.051和γ2=0.503代表参序量环境系统对复合系统的转型起正反馈作用，状态参量对复合系统的转型起负反馈作用。表明在此阶段通过提升环境转型能力可以正向推动复合系统的协同过程，黄石市政府通过强化环境规制的倒逼机制和引导作用能够有效带动转型驱动力的提升，以达到消除工矿业为主的生产模式遗留的环境污染目的。

参数a=-0.056代表环境转型系统对社会转型系统起阻碍作用，环境污染治理和环保建设会在一定程度下抑制民生水平和社会基础建设，原因可能是环境规制的提高会导致社会转型的动力不足。环境规制对资源枯竭型城市型城市的影响体现在产业结构上，产业结构的升级会导致资源产业的缩减，从而间接影响就业和民生收入水平。b=-0.126代表社会转型系统对环境转型系统起积极作用，表明社会基础建设和民生水平对修复环境污染具有一定作用，可以形成“社会建设-环境保护”正向的协同发展机制。在复合系统的协同发展过程中，生态系统的适应性管理与城市居民的日常生活紧密相关，社会生态系统能够由其内部各个指标复杂交互作用，形成具有抵抗外部环境干扰的恢复力[25]。黄石市内生驱动机制的形成，为资源型城市复合系统的转型发展带来了驱动力。其中，参序量环境子系统对此阶段的黄石市复合系统的协同演化起到决定性的作用，通过社会建设和民生福利的发展辅助环境修复和污染治理，城市的转型动能不断加强。

在加速转型阶段，黄石市协同转型得分在2010—2019年期间基本处于提升过程(表7)，在此阶段协同转型程度大部分处于中级协同状态和高级协同状态。政府的转型政策对资源枯竭型城市发展有着宏观调控作用，随着《全国资源型城市可持续发展规划(2013—2020年)》的发布，黄石市在2010—2019年的转型探索过程中注重生态治理工程的建设和修复，在国家“十二五”期间大力施展生态治理修复工程，完善了生态环保政策。参考国家“十三五”对资源型城市的发展要求，黄石市践行“生态立市”的发展战略，印发了生态环境保护规划通知，且编制了一系列生态规划和实施方法，完成了市内多个矿区生态修复工程。除此之外，国家发展和改革委员会2017年印发了《关于加强分类引导培育资源型城市转型发展新动能的指导意见》，为解决制约城市的历史遗留问题和塑造资源枯竭型城市转型发展新动能提供了政策支持。在此期间，黄石市政府部门通过环境规制和环保建设等手段有效实现了生态环境和社会转型发展的协同治理，运用转型动力机制达成提升环境转型力的目标，进而带动复合系统转型协同度向高级化发展，黄石市转型协同效应也达到了最佳状态，为2021年黄石市进入高质量发展新阶段奠定了基础。

5 结 论

1) 本文通过构建湖北省黄石市的复合系统综合评价指标体系，从资源禀赋、生态环境、经济发展、社会建设4个维度，分阶段探讨了近20年黄石市复合系统转型的内生驱动机制。通过对比2个阶段协同度的变化情况可知，黄石市转型前期并未摆脱资源“路径依赖”的发展模式，这不利于城市复合系统的协同转型，可以通过后期政府对转型过程的合理干预使得黄石市复合系统转型发展向着“社会建设-环境保护”驱动模式发展。

2) 促进黄石市向着可持续转型发展，要把握城市转型驱动模式转变的科学规律，及时引导复合系统的协同发展向着高效循环的方向发展，使政策推动与复合系统协同发展的内部驱动力相结合，强化复合系统的转型驱动力，引导系统驱动要素、产业结构、社会建设、环境保护向有利于系统协同转型的方向发展调整。

3) 在当前阶段，参考国家发展和改革委员会等联合发布的《“十四五”支持老工业城市和资源型城市产业转型升级示范区高质量发展实施方案》的要求，黄石市的政策设计应该要延续环境子系统与社会子系统的正向协同关系，争取其他子系统之间也产生协同效应，产生黄石市转型发展的新动能。在整体推进黄石市高质量发展的要求下，确保社会转型和生态环保步调一致，先通过协同发展维持城市社会建设和民生福利与环境转型的良性互动，再探索以“经济发展-生态环境-居民生活”绿色循环发展模式。推进清洁低排放产业结构建立，增加城市绿地面积，发展第三产业带动经济增长，同时，以城市规划建设为改善民生生活和推进城市发展的落脚点，促进城乡居民收入，优化社会价值体系，增加城市宜居性，稳定城市人口规模，从而带动黄石市高质量循环经济的发展。