城市空间耗散结构演化的特征和“熵”机制

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  【摘要】城市空间上功能分配和管理,需更加重视结合系统理论方法,需注重形成城市的时空、功能的动态有序特征。城市功能设置和培养时,需要综合分析城市空间实际禀赋条件,政府基础设施硬条件和制度供给软条件,即促进城市功能的良性突变,演化为更高级的动态有序。未来对城市空间低“熵”结构和城市空间动态有序特征的研究可能是探索的重要方向。
  【关键词】城市空间;耗散结构;熵
  一、引言
  自20世纪70年代以来,城市空间的研究和规划,呈现出多学科交叉,系统性分析增强的趋势。耗散结构理论(普利高津,1969)作为系统性理论的基础,所提供的科学范式和逻辑方法,为我们整体地解决复杂的城市问题,提供了统一而有效的方法。城市空间是一个典型的耗散结构系统,新经济地理学和新兴古典经济学等当前城市空间研究前沿,在其经典城市空间模型[2,5,8]中,实际体现耗散结构理论相关原理,如“从不稳定中形成秩序”、“涨落带来有序”、“突变点”等耗散结构原理;同时耗散结构“熵”理论还应用于分析城市空间实际问题上[3,4,10]。当前研究普遍认为城市空间是一个耗散结构系统,但整体上对城市空间耗散结构的特征、形成突变过程和演化机制的研究并不系统。本文首先阐述城市空间耗散结构的概念,并从其演化特征、形成过程和机制等方面进行分析。以加深对城市空间耗散结构的认识,以利于系统思考城市管理和规划,促进城市形成动态有序的特征。
  二、城市空间耗散结构概念和内涵
  城市空间结构形式与过程的统一,形式指物质要素与活动要素的空间分布模式,过程指各城市要素之间的相互作用,表现为交通流(Webber,1964年)。物质要素指各要素的空间位置关系,活动要素是指活动的空间分布,互动要素即活动之间的“流”,如人流、物流、资金流和信息流等。
  国内关于城市空间结构概念和内涵的研究,潘海啸(1999)、江曼琦(2001)、郭鸿懋等(2002)、黄亚平(2002)等做了积极的探索,普遍认为城市空间结构是城市经济社会活动在物质空间上的投影,主要包括城市空间要素的分布形态和相互作用机制,且会随自然、经济和社会条件的变化而动态演进。而耗散结构是指系统在远离平衡态条件下,通过与外界进行交换及组分间非线性关系所形成的一种新型有序组织结构,这种组织结构需要不断消耗物质和能量才能维持其空间动态有序的特征(I. Prigogine,1970)。
  因此,本文认为,城市空间耗散结构是指城市空间由城市各功能活动引起的相互作用,而表现出来的动态时间、空间和功能有序的特征,这种稳定的组织结构需要组织物质资源和要素,同时需要消耗物质和能量以维持其动态稳定特征,突出强调了城市空间的动态组织结构。
  城市空间耗散结构的内涵主要表现在如下四个方面:(1)城市空间的开放性。开放性是城市空间内外不断进行着物质和能量交换的前提。(2)城市空间的远离平衡态特征。城市空间平衡态特征是指其要素、功能分布高度均匀,这和城市实际要素分布零散、功能分布多样的状况并不一致。城市空间的远离平衡态特征,主要表现在城市功能根据所组织资源要素提供商品和服务,推动资源、要素、商品流等在城市空间内外持续循环流动。(3)城市空间涨落(空间上随动冲击造成的偏差)是系统形成城市空间耗散结构的源动力。例如,空间内外部存在商品和服务需求,将导致城市空间功能的创生,空间功能组织要素和资源,导致城市空间要素分布和作用方式发生变化。(4)城市空间在多因素非线性作用下形成时间、空间和功能有序的耗散结构。非线性作用将导致空间上随机扰动放大为“巨涨落”,导致城市空间突变。如空间新功能创生和旧功能的覆灭,将表现为新的时间、空间和功能有序特征。城市空间结构各种因素复杂的非线性相互作用,体现在地理学第一定律(Tobler,1970),即所有空间结构要素之间存在复杂的相互作用,在均一介质中,近的物与物之间存在的相互作用要大于远的物物之间的相互作用。赖利(W.J.Reilly,1931)根据万有引力定律,提出了零售引力规律,说明了都市人口和零售引力关系,在一定程度上表明城市空间要素关系的非线性。
  三、城市空间耗散结构演化过程特征和机制
  1.城市空间耗散结构集聚核心的形成。耗散结构理论认为系统通过“涨落”达到有序,“首先必须在一个有限的区域内把自己建立起来,然后再侵入整个空间,即有一个成核机制”。经济学和地理学不同发展阶段也普遍认为城市空间的集聚核心可以从始平衡态诞生。平衡态特征是指城市空间演化的起点时,人口均匀分布,分工水平较低,依靠简单劳动自己自足的状态,如围绕城市周围广大的农村区域。
  斯密的分工理论认为即使在贫穷未开化状态下,人们也可以生产出生活必需品和便利品。这里所谓提供必需品和便利品的功能单元便是空间上的功能初始集聚核。早期地理学(杜能,韦伯等)普遍认为区位要素禀赋对初始集聚具有作用,认识到产业初始集聚的向心力和离心力作用,但对集聚为何而产生和集聚过程的分析不彻底,更不能解释若干不具备资源优势条件的区域仍能形成优势明显的集聚中心。
  新经济地理学可以解释区域在不具备一定广义禀赋条件下,仍可以形成功能集聚。克鲁格曼(Paul Krugman)等建立了“区域跑道模型”,认为空间上可由涨落引起,而自发演化出一个或多个制造业集聚中心。克鲁格曼(Paul. Krugman,2002)还以美国地毯业兴起于偶然性为例,说明集聚核心的产生具有历史的偶然性。新兴古典经济学角度(杨小凯,2003)回归了古典经济学理论,认为集聚是分工和专业化导致,为节省交易费用,从事工业生产的企业选择集聚。另外,从系统论角度出发,黄泽民(2005)引入城市空间演化对偶涡流理念,认为在一个具有散乱原初经济流的区域空间内,涡流可能出现在区域空间上的任何一个区位经济增长点,并在与周边的交换中自我增强,并可能形成集聚核心。
  2.城市空间耗散结构形成过程。耗散结构理论将外界对系统的作用“流”称为控制参量,当控制参量达到“阀值”时,系统将由初始杂乱无章的无序突变形成时空、功能有序的耗散结构。城市空间耗散结构的形成,实质是一个功能活动组织物质资源要素而形成稳定的联系流的过程。艾伦(1981,1997)等最早构建以人口为变量的城市A-S模型,认为城市是突现于局部行为的自组织结构的深刻范例。李铭、方创琳(2006)结合A-S模型的建模原理,将人口区域之间的迁移耦合作用纳入到预测模型中,模拟并预测酒嘉玉三市动态演变趋势,并系统分析其动因。
  克鲁格曼的C-P(中心外围)模型认为,当两区域由于贸易自由度(广义交易成本引起)提升到“突破点”(临界值)时,将造成制造业向某模型中一个区域突发集聚,最终形成工业核心区和边缘区。杨小凯(2003)认为专业化经济和交易成本之间是一对两难冲突,并引入交易效率的概念来处理难以衡量的交易成本,将交易效率的差别作为城市集聚核心从分工中出现的驱动力。交易效率这里即为城市空间耗散结构中的控制变量,当交易效率低下时,人们选择自给自足的方式进行生产;随着交易效率的提升,分工深化至不完全分工状态,并最终发展至完全分工的。
  3.城市空间耗散结构动态城市流特征。稳定的城市流是城市空间耗散结构时空动态有序的最重要的特征,其由城市空间稳定空间功能分异,推动所形成的各功能之间的要素相互流动。Talor(2010)提出中心流理论,认为中心地之间的流是产生城市空间网络的根本原因。国内,谷国锋等(2005)指出了区域经济系统演化中,散度(空间流强度)的变化对推进区域经济一体化进程有重要影响,这实际上涉及城市空间耗散结构时空有序的空间流强度。近期城市群研究,如李俊峰(2010)、罗守贵(2010)更加重视结合要素流动对城市和城市群经济联系进行研究。
  4.城市空间耗散结构演化的“熵”机制。“熵”是系统有序的体现,“熵”理论是耗散结构理论的核心,认为开放系统熵的变化为:dS=diS+deS,分为两部分:一部分是系统自身不可逆演化过程引起的熵变,称为内熵diS,且始终为正;另一部分是系统与外界交换物质和能量引起的熵变,称为外熵deS,可正可负。当系统的熵降低到一定程度时,在系统多因素作用下将形成稳定的耗散结构,如贝纳德均衡、激光现象等。
  城市空间耗散结构演化的实质是形成稳定城市的时间空间有序的低“熵”结构。当前城市研究呈现出一个重点,即城市空间从无序到有序、从低级到高级有序演变的过程,实质遵循“熵”理论,最终形成的是一个低“熵”结构。
  城市空间结构上的熵变分为两个部分:第一,城市空间功能组织物质、能量、要素需从外部输入,是一个正熵流入的过程;同时功能向外部提供商品和服务,是一个正熵流出的过程,这部分净熵变可正可负。第二,城市空间内部的熵变只增不减。例如城市功能活动产生的污染,城市道路堵塞,城市基础设施和管理制度供给所引起的交易成本,均是城市空间内部的熵增表现。考虑城市空间向低“熵”方向发展的第一种情况,即城市空间与外部交换得到净负熵;William E. Rees(2010)分析了现代城市的脆弱性(资源短缺、水土流失、政治不稳等),认为城市形成更加复杂的耗散结构需要从外界引入更多负熵(物质和能量)或者向外界耗散更多出正熵(垃圾,废物等)。
  程开明(2009)认为城市如果能够得到足够的负熵流,就能够维持耗散结构,也就有扩大规模的能力,会不断地朝着进化的方向发展;相反的情况,城市就有可能逐步萎缩,走向退化并重新回到混沌状态。陆林(2010)等分析千岛湖旅游地的自演化过程,认为旅游地系统演化的本质是耗散结构的负熵输入过程,可通过基于外部环境和政府主导的中心控制的系统他组织与系统自组织而实现,这对城市空间将他组织和自组织耦合有重要参考意义。匡远配(2010)结合耗散结构“熵”理论分析了长株潭城市群边缘的正边缘效益和负边缘效益。
  第二种情况为减少城市空间内部熵增率。王伟(2010)等结合耗散结构理论剖析了区域物流科学发展的机理、途径与策略。认为区域物流系统的科学发展需要提高竞争能力、增加发展机会、弱化外部威胁,以不断地增加负熵流、减少正熵流。Dirk Helbing(2008)等分析了城市人流的时空有序的特征和潜在优化方法,认为需结合要素流自组织特征实现交通自适应控制。
  四、结论
  城市空间是一个开放的系统,城市空间耗散结构是指城市空间功能分异,组织物质资源要素,相互作用形成城市流,而体现出来的城市空间时间、空间和功能动态有序的结构。
  通过本文对于城市空间研究的文献进行总结和梳理,可得到以下认识:第一,城市空间耗散结构实质是指城市空间的低“熵”结构,是城市空间高度功能分异和有序的体现,强调城市空间由于功能分异而形成稳定、动态城市流的状态。第二,城市空间耗散结构要求城市空间上功能分配和管理,必须努力形成城市的动态有序特征,才能形成较好的城市空间整体格局。第三,城市空间耗散结构要求城市功能设置和培养时,需要综合分析城市空间实际禀赋条件,政府基础设施硬条件和制度供给软条件,即促进城市功能的良性突变,演化为更高级的动态有序。第四,西方在城市模型构建和分析过程中,对城市空间耗散结构原理把握较深入,通过构建模型对城市空间演化的作用机制及过程进行细致的分析,并对城市空间耗散结构特征(譬如涨落、突变、自组织临界性等)进行尝试性的定量化描述和模拟,而国内的研究文献来看,相关成果还较有限。
  
  参考文献
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  [2]程开明.城市自组织理论与模型研究新进展[J].经济地理.2009,29(4):540~544
  [3]陆林,鲍捷.基于耗散结构理论的千岛湖旅游地演化过程及机制[J].地理学报.2010(6)
  [4]匡远配.长株潭城市群“两型农业”建设中的边缘效应研究[J].农业现代化研究.2010(2)
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  [10]谷国锋,张秀英.区域经济系统耗散结构的形成与演化机制研究[J].东北师大学报自然科学版.2005(3)
  基金项目:本文系浙江省科技计划项目《基于产业集聚的浙江城市群空间结构优化研究》(编号:2009C25024)的阶段性研究成果。
  
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