基础设施系统与自然生态互动增长策略研究
孔静静+张超+韩传峰
摘要 基础设施系统能力持续增长，为经济社会快速发展和国家新型城镇化加速推进提供支撑的同时，造成的资源过度消耗、自然环境恶化等问题日益严重。以可持续发展为目标，运用系统动力学理论方法，研究基础设施系统与自然生态系统的交互作用机制，提出基础设施系统与自然生态互动增长策略。研究得出，基础设施系统内部通过环境污染程度和人口规模动态关联且存在着负反馈，交通、供电和供水等基础设施规模的增长相互制约，都不可无限增大。在既定的经济发展水平和技术条件下，交通基础设施与自然生态存在着负反馈关系，原因在于公路里程增长刺激机动车保有量增加，致使空气污染程度加重，年人口增加量减少，从而限制了交通基础设施规模的增长；供电基础设施对自然生态的恶性累积效应显著，原因在于供电基础设施规模增长所导致的资源可获得性和环境污染程度负效应叠加，并通过人口增量联系起来，使得供电基础设施规模持续扩大；供水基础设施与自然生态存在着负反馈关系，原因在于年污水排放量与水源影响因子的作用相抵，使供水基础设施规模趋于稳定。通过系统动力学基模分析可得，一类基础设施规模增大，必须综合考虑自然生态承载和它类基础设施规模增长的关联效应。交通基础设施能力提高的关键不在于增加公路里程，而是实施以空气质量控制为导向的公共交通完善策略；供电基础设施规模的增长须与交通基础设施增长的空气污染累积解耦，降低火力发电的能耗或比例；供水基础设施能力提升的根本不在于污水处理设施的增加，而是降低水源污染程度。
关键词 基础设施系统；自然生态；相互作用；系统动力学；增长策略
中图分类号 F293.2
文献标识码 A文章编号 1002-2104（2018）01-0044-10DOI：10.12062/cpre.20170603
基础设施系统包括能源供应、给排水及污水处理、交通运输、邮电通信、环境保护和防灾安全等设施，是现代经济社会正常运行的必要条件和物质保障。为了加快实施国家新型城镇化和城市群发展战略，基础设施系统尤其是交通、能源和通信等设施建设成为各省市促进经济增长的重点项目[1]。然而，基础设施系统的经济效益与环境效益并不存在着必然的正相关关系。经济快速增長的同时，多出现环境污染、资源过耗等问题，其主要原因在于自然生态循环与社会经济发展之间的功能性矛盾[2]。高强度经济社会活动所消耗的生态，大幅超过了自然生态环境的承载能力，造成不可修复的破坏，制约着经济社会的持续发展。因此，为了促进实现低碳发展、循环发展、绿色发展的国家新型城镇化格局，有必要深入分析基础设施系统与自然生态系统的相互作用关系，探究两者的耦合机制，以提高基础设施系统综合效益，保护自然生态环境系统，助力实现可持续发展目标。
基础设施系统是由各类设施相互作用所构成的整体，可视为“系统的系统”，各类都具有特定的运行机制及与生态环境作用的方式。迄今，单个或一类基础设施的环境影响评价相关研究较多[3-6]，缺少对整个基础设施系统环境效益的全面审视[2]。由于不同类别的基础设施在物理、地理、信息和逻辑等方面的相互作用[7]及功能依赖[8]，基础设施系统对自然生态的影响并非各类设施影响的简单之和[9]。同时，分部门的建设运营管理，不利于基础设施系统整体效益的深入剖析[10]。于是，多数研究利用统计数据，评价基础设施系统的可持续发展水平[11-13]，比较不同地区基础设施系统的环境或溢出效益[14-18]。多数研究指出我国大中城市基础设施系统的环境效益不容乐观，社会经济发展压力过大致使生态承载能力相对不足是其主因，合理的基础设施系统结构和规模是解决这一问题的关键。然而，现有研究多聚焦正常条件下的功能依赖和受灾状态下的失效传播，忽略了不同类型基础设施规模扩张的动态关联和生态影响的效应累积，较少关注基础设施系统能力增长对自然生态系统影响的演化趋势和增长受限等现实问题[19]。基础设施系统与自然生态系统的相互作用随着时间的变化存在着累积效应，所构成的开放巨系统具有高阶次、多变量、多回路和强非线性的反馈结构。相较于传统的数学模型，系统动力学理论方法的优势在于能够深入刻画和剖析系统的非线性结构和动态反馈特征。依此，本文建立基础设施系统与自然生态系统相互作用的系统动力学模型，研究把握关键耦合机制，从内部优化和外部协调两方面，分析提出基础设施系统与自然生态互动增长策略研究。
1 基础设施系统与自然生态系统相互作用的系统动力学模型
1.1 模型结构
系统功能源自系统结构，合理确定系统边界，正确分析系统结构，是系统动力学建模的关键[20]。由于人口增加是基础设施规模增大的主因，将人口系统、基础设施系统、自然生态系统作为系统动力学模型的三个子系统。其中，自然生态系统分自然资源和自然环境两部分。同时，将区域经济规模作为外生变量，应用VENSIM软件，建立基础设施系统与自然生态系统相互作用的系统动力学模型（见图1）。
1.1.1 人口系统
人口规模与基础设施系统能力和自然生态质量密切相关。①人口规模对基础设施提出服务功能要求，引导其布局和建设；基础设施系统能力提升，吸引人口的批量涌入。②自然资源开发，促进城镇建设和人口聚集，改善着人们的生活质量，进一步促进人口增长；人口增多导致资源消耗增加，存量减少则增大资源开发的难度。③良好的生态环境吸引人口聚集，环境恶化则威胁着居民身心健康，导致人口减少。模型中综合考虑人口规模与基础设施、自然资源、自然环境之间的微观作用关系，并通过反馈环联系起来。
1.1.2 基础设施系统
以“为发展提供基础设施”为主题的《1994年世界银行发展报告》，将基础设施分为经济基础设施和社会基础设施。前者指“永久性的工程构筑、设备、设施及其服务”，其它被定义为“社会基础设施”，包括文教、医疗保健等。本文以基础设施对自然生态系统的作用结果为依据，应用专家调查法，从占地、耗能，以及大气、固体和水污染排放等角度，分析各类基础设施与自然生态的关联程度。各类基础设施对自然生态系统的影响，见表1。例如，公路交通基础设施，一方面，公路建设占用大量土地资源，并造成一定的空气污染；另一方面，公路里程与机动车保有量正相关[21]，公路里程增多则引起油气资源消耗增大，汽车尾气排放和噪音污染增多。再如，能源基础设施，火力发电站的能耗高、大气污染严重和固体废物排放量大等特点突出；水力发电改变了流域自然生态环境，对水环境和生物造成不同程度的破坏；核电站亦存在着巨大的潜在威胁，如核泄漏，核废料处理等。根据表1，选择对自然生态系统影响较大的交通、能源、供水和环卫等基础设施，作为基础设施系统的构成。
交通、能源、供水和环卫等基础设施规模的增大，直接提高公共服务水平，一方面提升居民物质生活水平，使得人口规模稳步增大；另一方面，促进经济加速运转，导致资源消耗和废弃物排放增多，降低自然生态承载，限制基础设施增长，形成再一次反馈。
1.1.3 自然资源系统
自然资源分为可再生资源和非可再生资源。可再生资源指可用自然力保持或增加蕴藏量的自然资源，如水资源、土地资源等。非可再生资源又称可耗竭资源，分可回收资源和不可回收资源，前者指金属类资源，后者指煤炭、石油和天然气、油页岩等矿物能源和核燃料[22]。考虑基础设施系统运行所消耗的资源类型，选择不可回收的非可再生资源代表自然资源系统。随着基础设施的兴建和人口的增多，能源消耗量增速加大，总量不断减少，环境污染程度加重，进而限制了基础设施规模和人口数量的增长。
1.1.4 自然环境系统
自然环境包括生态环境、生物环境和地下资源环境。现有研究多用污染指数来表示自然环境质量，包括水污染、空气污染和固体污染三部分。自然环境恶化，一方面导致人口规模的增速减缓，引起环卫基础设施建设增多，而降低了对它类基础设施服务能力的需求；另一方面增大资源获取的难度，进一步限制了基础设施系统增长。
1.2 变量解释
为深入分析基础设施系统与自然生态系统的微观交互关系，对系统动力学模型（见图1）中的具体参数和指标做进一步阐述。
1.2.1 人口系统构成
基础设施规模的增大受到人口规模和经济发展水平的影响。人口规模用区域总人口数量来度量。经济发展水平引入区域GDP及其增量作为外生变量，并建立其与具体基础设施规模增量的关系[23]，如图1中GDP年增长率对生产需电年增加量、生产需水年增加量的影响，以及GDP年增加量对人均年生活能耗量、汽车保有量等影响。基础设施系统和自然生态系统对人口系统的作用，则参照世界模型II[24]，用人口出生、死亡相关的物质、拥挤、环境等影响因子来反映。
1.2.2 基础设施系统构成
根据上述分析，基础设施系统包括交通、能源、供水和环卫等类。①交通基础设施规模用公路里程来表示，用公路影响因子表示公路里程对机动车保有量的作用，机动车辆影响因子表示其反作用。②供电基础设施规模由需电量而定，受能源供应量和自然生态质量限制。需电量包括生产和生活两部分，分别受经济发展水平和人口规模的影响[25]。由于火电发电量占我国总发电量的75%[26]，煤炭供应量成为制约供电能力的主要因素。在水能丰富或拥有核电站的区域，电力供应量对煤炭可获量的依赖性较小。综合考虑可开采矿产规模和运输条件，用发电资源可获影响因子来表示自然资源存量和交通基础设施能力对供电能力的作用，并用供电环境影响因子表示供电基础设施规模对自然环境的作用。③农业用水和城市供水设施分属不同部门，且农业用水对水质要求较低、取水渠道多样，本文仅考虑城市供水设施。供水基础设施规模由需水量而定，受水源质量和技术水平的影响，用年供水总量来度量。年新增供水能力受到生产需水年增加量、生活需水年增加量和水源污染程度的作用。④环卫基础设施主要指各项污染处理设施，需求量由生产和生活污染排放量而定。其中，废气处理设施规模由工业废气排放量而定；固体废物处理设施规模由生活垃圾排放量而定；污水处理设施规模由污水处理量而定，包括生活污水和生产污水。
1.2.3 自然资源系统构成
自然资源系统聚焦非可再生能源，即煤炭、石油与天然气等，用能源存量来表示自然资源总量，受资源需求量和资源获取技术的影响。其中，资源需求量依经济发展水平和产业结构而定。能源采掘技术进步，可提高开采效率，但鉴于总量固定，能源开采量受到限制。综上，运用资源开采影响因子和资源可获得影响因子，分别表示采掘技术和资源需求对资源总量变化的作用。
1.2.4 自然环境系统构成
根据污染总量控制理论，参考现有环境评价指标，选取水污染、空气污染和固体污染作为自然环境状态的表征，将三种污染所包含的污染物通过同等污染程度，分别折算为COD（化学需氧量）和SO2，按其总量计算各类污染的程度，由排污总量和污染处理量而定。用水污染总量与标准的比值，代表水源污染程度。水源污染程度与现有污水处理技术水平共同确定水源影响因子，表示水源质量对供水能力的影响。综合水污染、空气污染和固体污染决定环境污染程度，用人口出生环境影响因子表示自然环境质量对人口增长的作用。
2 基础设施系统与自然生态系统的相互作用机制
反馈是系统内部相互作用的基本要素，也是系统复杂性的重要源泉。正反馈代表累积效应，负反馈代表平衡，正负反馈的共同作用使系统稳定发展。通过辨识基础设施系统与自然生态系统作用的关键反馈环，从内外两方面，剖析两者的相互作用机制。
2.1 基础设施系统内部耦合机制
辨识图1中的各反馈环，包含供水、供电和交通基础设施的反馈环，见图2。
图2反馈环中负相关关系的个数为奇数（1），可知供水、供电和交通基础设施之间存在着负反馈，表示各类基础设施规模都不可无限增大。三类基础设施规模通过环境污染程度和人口总量存在着动态关联。①供电基础设施规模与供水基础设施规模增长之间负相关。供电能力的持续提高将直接排放大量废气，导致空气污染程度加重，致使年人口死亡人数增多，人口增加量减少，致使生活需水年增加量的减少，间接降低了年新增供水能力，限制供水基础设施水平的增大。②供水基础设施规模增长与交通基础设施规模增长正相关。供水基础设施能力的提升，可提高居民物质生活水平，进而提高人口出生物质影响因子，导致年出生人口增加，总人口增多，引起对交通基础设施的需求增强，公路里程增加，使资源可获影响因子增大，年新增供电能力提高，供电基础设施水平得到提升。③若不考虑供电基础设施，供水和交通的規模可持续增大，但基础设施之间的需求关联，尤其对环境污染的作用，使得供电基础设施规模增长受限，保障了这三类基础设施规模的适度扩大。
2.2 基础设施系统与自然生态系统的关键反馈机制
交通、供电、供水和环卫四类基础设施与自然生态系统的交互作用机制具备各自特点。
2.2.1 交通基础设施与自然生态环境相互制约
从图1中，抽取交通基础设施及其相关的自然生态指标，可得交通基础设施与自然生态环境的反馈环（见图3）。
图3反馈环中负相关关系的个数为奇数（1），可知交通基础设施与自然生态环境之间存在着负反馈，体现了两者的相互制约。由于模型中并未将（生态）土地作为自然资源，交通基础设施与自然生态的作用，主要体现在与自然环境（空气污染）的作用方面。在既定的经济发展水平和技术条件下，随着区域内公路里程的增加，路网密度增大，机动车辆规模扩大，机动车尾气排放量增多，空气污染程度增加，环境恶化，导致人口死亡环境影响因子增大，年死亡人口增多，总人口增速减缓甚至减少，致使公路里程增速减慢甚至停止。
2.2.2 供电基础设施对自然生态系统的恶性累积效应显著
从图1中，抽取供电基础设施及其相关的自然生态指标，可得供电基础设施与自然生态的反馈环（见图4）。
图4反馈环中负相关关系的个数为偶数（2），可知供电基础设施与自然生态系统存在着正反馈，两者的恶性累积效应显著。与供水基础设施不同，供电基础设施直接相关的自然资源和自然环境分别体现在资源可获得性和环境污染程度，并通过人口规模变化联系起来。一方面，由于水力发电和核电站的地理条件限制，多数地区主要依靠火力发电。在既定的技术条件下，供电基础设施规模增大（年供电能力提高），势必产生大量的废弃排放量，加重空气污染程度，致使呼吸道相关疾病发生率升高，降低人口出生环境影响因子，年出生人口总数下降，人口规模增长减速，总人口增速减缓，甚至减少。另一方面，人口增速减缓，导致其它生活耗能增长率降低，能源消耗量增速变慢，甚至降低，资源相对更易得到满足，间接提高了资源可获得性，利于提高年新增供电能力，提升年供电能力。由此，供电基础设施规模可一直保持增长，空气污染程度将持续恶化，能源消耗量亦增加。
2.2.3 既定自然生态条件下的供水基础设施规模增大受限
从图1中，抽取供水基础设施及其相关的自然生态指标，可得供水基础设施与自然生态系统的反馈环（见图5）。
图5反馈环中负相关关系的个数为奇数（1），可知供水基础设施与自然生态系统之间存在着负反馈，体现了两者的相互制约。在既定的自然生态条件下，供水基础设施规模不可无限增大。对于供水基础设施而言，狭义的自然资源和自然环境均指水源状态。图5显示，年供水能力提高，意味着耗水量增加，污水排放量增大，污染物的累积效应扩大，水污染程度加重，水源质量降低，限制供水能力的进一步提高。
2.2.4 环卫基础设施规模与自然环境污染程度存在着正反馈
加强环卫基础设施建设，是综合整治环境污染和生态破坏、保护和改善城乡环境的基本措施。固体废物处
理设施主要为垃圾处理厂，其相关反馈环见图6。污水处理设施相关反馈环见图7。由于废气处理设施仅处理工业废气，工业废气的产生与外生变量经济发展水平（GDP）正相关，无相关反馈环。
图6反馈环中负相关关系的个数为偶数（2），可知垃圾处理设施能力与自然环境污染程度存在着正反馈，即人口规模和固体污染累积使得垃圾处理设施的规模持续增大。在既定的技术条件下，垃圾处理厂增多，估计污染增加量则减小，致使固体污染程度下降，环境污染程度降低，人口出生环境影响因子增大，年出生人口增多，总人口增加，年生活垃圾排放量增多，促使垃圾处理厂规模进一步扩大。
图7反馈环中负相关关系的个数为偶数（2），可知污水处理设施能力与自然环境污染程度存在着正反馈，即水源污染累积使得污水处理设施的规模将持续增大。在既定的技术条件下，污水处理设施增多，水污染增加量减少，水污染程度降低，水源影响因子减小，致使取水难度降低，年新增供水能力增大，污水排放增加总量增加，新增污水处理设施增多，污水处理设施规模扩大。
3 基础设施系统增长策略
由上述单反馈机制可知，交通和供水之外的基础设施规模都在与自然生态系统的持续正反馈中不断得到扩大，并受到基础设施系统内部负反馈效应的限制。现针对交通、供电和供水等基础设施主要问题，辨识相关基模（见图8～图10），分析其关键，明确基础设施系统的增长策略。
3.1 空气污染控制导向的交通基础设施增长
机动车保有量持续增长导致道路拥堵问题突出[27]。基于已有研究可知，城市的机动车保有量与公路里程正相关，交通基础设施与自然环境存在负反馈，即环境恶化抑制机动车保有量的增长。图8机动车辆成长上限基模，进一步解释了交通基础设施增长困境的产生原因和解决方案。
图8的左侧为正反馈环，右侧为负反馈环，共同构成了机动车辆的成长上限基模。该基模显示，机动车辆增长具有上限，且并非由公路里程或拥挤程度所致，而是由空气污染程度加重引起。一般来说，机动车保有量增大导致道路拥挤，致使对道路基础设施规模扩大的需求增强，增建、扩建或优化路网结构等措施是目前主要的解决方案。然而，这些策略并不能解决对道路基础设施需求不足的问题，也不能任由空气污染恶化来缓解。有效控制机动车量增长对道路的无限需求，可通过加强居民环保意识，在不增加因环境污染致死率的前提下，合理引导鼓励公交出行，减少机动车保有量的大规模增长和对道路设施的过度需求。因此，完善公共交通是交通设施能力提升的重点。
3.2 污染累积消弭导向的供电设施增长
作为基础设施系统正常运行的能源保障，供电基础设施具有决定性作用，同时为生产生活提供必要的支撑。火电发电量在我國占比很大，供电基础设施一直被认为是空气污染的主要来源。图9空气污染的共同悲剧基模，揭示供电和交通基础设施增长的博弈困境。
为促进经济社会快速发展，提高居民物质生活水平，供电基础设施和交通基础设施的能力不断提升（图9的两个正反馈）。然而，在既定的技术水平和自然生态条件下，两类基础设施规模的扩大都将导致废弃排放量增多，加剧空气污染，加重了生态恢复的负担（森林吸收能力有限）。在集体快速增长模式下，具有非排他性和非竞争性的公共物品——空气的污染日益严重以致有害于人类生存，导致经济增长和人们生活水平的下降。因此，当前的空气污染问题，须引起所有相关者的重视，制定整体治理解决方案。
3.3 水源保护导向的供水基础设施增长
供水基础设施存在着成长上限基模，正反馈环由物质生活水平提高所致，负反馈环受水污染程度制约。作为重要的环境问题，水污染的原因多被认为是工业废水排放过量和污水处理设施不足。图10水污染的目标侵蚀基模，揭示了其根本原因是水源污染严重。
系统性复杂问题往往存在多个解，其中较明显、易操作的常被视为解决方案。图10的左右均为负反馈环，共构成了水污染的目标侵蚀基模。其中，供水基础设施能力的提升是目标，水源影响因子降低为弱化的目标，水污染程度为现存问题或差距，解决问题的主要策略为新增污水处理设施，污水处理能力反应实际状况。由此基模可得，增加污水处理设施只是避重就轻的一种解决方案，使得供水能力提升的目标难以实现，甚至水源影响因子降低的目标都可能变相地转化为水源质量标准的降低，加剧了水污染程度。因此，提高供水基础设施能力的关键，不在于过度依赖污水处理设施规模的扩大，而在于取水技术、供水规划和运行管理等综合能力的提升。现实中，可通过多样的节水措施，间接控制供水总量和污水排放量。同时，提高污水排放标准，控制化学水污染物总量，缓解或解决水污染问题，切实提高供水基础设施的能力。
4 结 语
基础设施系统为生产生活提供功能支撑，为国家新型城镇化提供物质保障，也给自然生态造成了巨大压力。各类设施的相互作用和多回路反馈，使得其与自然生态环境的作用动态复杂。一方面，交通、供电和供水设施规模的增长，产生自然资源消耗，造成自然环境污染，并在各自运行和增长过程中不断累积。另一方面，资源消耗、环境污染和人口增长等方面效应的叠加，限制着基础设施系统的扩张。然而，现阶段的基础设施增长模式仅强调满足人们对设施的需求，忽略了多类设施耦合作用对自然生态的级联破坏，难以保障经济社会的可持续发展。因此，在研究制定基础设施系统发展战略规划时，需将自然生态承载作为重要依据，整体角度把握基础设施内部子系统的服务能力和供给水平，避免过度扩张所带来的整体效益低下和生态环境的破坏。交通基础设施能力提高的关键不在于增加公路里程，而在于减少机动车保有量大规模的增长对道路设施的过度需求，并藉以完善公共交通；供电基础设施规模的增长，必须综合评估与交通基础设施增长所带来空气污染的累积效应，并通过降低火力发电比例弱化关联关系；供水基础设施能力提升的根本不在于污水处理设施的增加，而是降低水源污染程度，在有效提高供水能力的同时，切实保护水环境。同时，合理的人口政策、正确的环保意识、先进的技术水平、严格的行业标准和适宜的产业政策等亦是实现基础设施与自然生态良性互动的重要策略。
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摘要 基础设施系统能力持续增长，为经济社会快速发展和国家新型城镇化加速推进提供支撑的同时，造成的资源过度消耗、自然环境恶化等问题日益严重。以可持续发展为目标，运用系统动力学理论方法，研究基础设施系统与自然生态系统的交互作用机制，提出基础设施系统与自然生态互动增长策略。研究得出，基础设施系统内部通过环境污染程度和人口规模动态关联且存在着负反馈，交通、供电和供水等基础设施规模的增长相互制约，都不可无限增大。在既定的经济发展水平和技术条件下，交通基础设施与自然生态存在着负反馈关系，原因在于公路里程增长刺激机动车保有量增加，致使空气污染程度加重，年人口增加量减少，从而限制了交通基础设施规模的增长；供电基础设施对自然生态的恶性累积效应显著，原因在于供电基础设施规模增长所导致的资源可获得性和环境污染程度负效应叠加，并通过人口增量联系起来，使得供电基础设施规模持续扩大；供水基础设施与自然生态存在着负反馈关系，原因在于年污水排放量与水源影响因子的作用相抵，使供水基础设施规模趋于稳定。通过系统动力学基模分析可得，一类基础设施规模增大，必须综合考虑自然生态承载和它类基础设施规模增长的关联效应。交通基础设施能力提高的关键不在于增加公路里程，而是实施以空气质量控制为导向的公共交通完善策略；供电基础设施规模的增长须与交通基础设施增长的空气污染累积解耦，降低火力发电的能耗或比例；供水基础设施能力提升的根本不在于污水处理设施的增加，而是降低水源污染程度。
关键词 基础设施系统；自然生态；相互作用；系统动力学；增长策略
中图分类号 F293.2
文献标识码 A文章编号 1002-2104（2018）01-0044-10DOI：10.12062/cpre.20170603
基础设施系统包括能源供应、给排水及污水处理、交通运输、邮电通信、环境保护和防灾安全等设施，是现代经济社会正常运行的必要条件和物质保障。为了加快实施国家新型城镇化和城市群发展战略，基础设施系统尤其是交通、能源和通信等设施建设成为各省市促进经济增长的重点项目[1]。然而，基础设施系统的经济效益与环境效益并不存在着必然的正相关关系。经济快速增長的同时，多出现环境污染、资源过耗等问题，其主要原因在于自然生态循环与社会经济发展之间的功能性矛盾[2]。高强度经济社会活动所消耗的生态，大幅超过了自然生态环境的承载能力，造成不可修复的破坏，制约着经济社会的持续发展。因此，为了促进实现低碳发展、循环发展、绿色发展的国家新型城镇化格局，有必要深入分析基础设施系统与自然生态系统的相互作用关系，探究两者的耦合机制，以提高基础设施系统综合效益，保护自然生态环境系统，助力实现可持续发展目标。
基础设施系统是由各类设施相互作用所构成的整体，可视为“系统的系统”，各类都具有特定的运行机制及与生态环境作用的方式。迄今，单个或一类基础设施的环境影响评价相关研究较多[3-6]，缺少对整个基础设施系统环境效益的全面审视[2]。由于不同类别的基础设施在物理、地理、信息和逻辑等方面的相互作用[7]及功能依赖[8]，基础设施系统对自然生态的影响并非各类设施影响的简单之和[9]。同时，分部门的建设运营管理，不利于基础设施系统整体效益的深入剖析[10]。于是，多数研究利用统计数据，评价基础设施系统的可持续发展水平[11-13]，比较不同地区基础设施系统的环境或溢出效益[14-18]。多数研究指出我国大中城市基础设施系统的环境效益不容乐观，社会经济发展压力过大致使生态承载能力相对不足是其主因，合理的基础设施系统结构和规模是解决这一问题的关键。然而，现有研究多聚焦正常条件下的功能依赖和受灾状态下的失效传播，忽略了不同类型基础设施规模扩张的动态关联和生态影响的效应累积，较少关注基础设施系统能力增长对自然生态系统影响的演化趋势和增长受限等现实问题[19]。基础设施系统与自然生态系统的相互作用随着时间的变化存在着累积效应，所构成的开放巨系统具有高阶次、多变量、多回路和强非线性的反馈结构。相较于传统的数学模型，系统动力学理论方法的优势在于能够深入刻画和剖析系统的非线性结构和动态反馈特征。依此，本文建立基础设施系统与自然生态系统相互作用的系统动力学模型，研究把握关键耦合机制，从内部优化和外部协调两方面，分析提出基础设施系统与自然生态互动增长策略研究。
1 基础设施系统与自然生态系统相互作用的系统动力学模型
1.1 模型结构
系统功能源自系统结构，合理确定系统边界，正确分析系统结构，是系统动力学建模的关键[20]。由于人口增加是基础设施规模增大的主因，将人口系统、基础设施系统、自然生态系统作为系统动力学模型的三个子系统。其中，自然生态系统分自然资源和自然环境两部分。同时，将区域经济规模作为外生变量，应用VENSIM软件，建立基础设施系统与自然生态系统相互作用的系统动力学模型（见图1）。
1.1.1 人口系统
人口规模与基础设施系统能力和自然生态质量密切相关。①人口规模对基础设施提出服务功能要求，引导其布局和建设；基础设施系统能力提升，吸引人口的批量涌入。②自然资源开发，促进城镇建设和人口聚集，改善着人们的生活质量，进一步促进人口增长；人口增多导致资源消耗增加，存量减少则增大资源开发的难度。③良好的生态环境吸引人口聚集，环境恶化则威胁着居民身心健康，导致人口减少。模型中综合考虑人口规模与基础设施、自然资源、自然环境之间的微观作用关系，并通过反馈环联系起来。
1.1.2 基础设施系统
以“为发展提供基础设施”为主题的《1994年世界银行发展报告》，将基础设施分为经济基础设施和社会基础设施。前者指“永久性的工程构筑、设备、设施及其服务”，其它被定义为“社会基础设施”，包括文教、医疗保健等。本文以基础设施对自然生态系统的作用结果为依据，应用专家调查法，从占地、耗能，以及大气、固体和水污染排放等角度，分析各类基础设施与自然生态的关联程度。各类基础设施对自然生态系统的影响，见表1。例如，公路交通基础设施，一方面，公路建设占用大量土地资源，并造成一定的空气污染；另一方面，公路里程与机动车保有量正相关[21]，公路里程增多则引起油气资源消耗增大，汽车尾气排放和噪音污染增多。再如，能源基础设施，火力发电站的能耗高、大气污染严重和固体废物排放量大等特点突出；水力发电改变了流域自然生态环境，对水环境和生物造成不同程度的破坏；核电站亦存在着巨大的潜在威胁，如核泄漏，核废料处理等。根据表1，选择对自然生态系统影响较大的交通、能源、供水和环卫等基础设施，作为基础设施系统的构成。
交通、能源、供水和环卫等基础设施规模的增大，直接提高公共服务水平，一方面提升居民物质生活水平，使得人口规模稳步增大；另一方面，促进经济加速运转，导致资源消耗和废弃物排放增多，降低自然生态承载，限制基础设施增长，形成再一次反馈。
1.1.3 自然资源系统
自然资源分为可再生资源和非可再生资源。可再生资源指可用自然力保持或增加蕴藏量的自然资源，如水资源、土地资源等。非可再生资源又称可耗竭资源，分可回收资源和不可回收资源，前者指金属类资源，后者指煤炭、石油和天然气、油页岩等矿物能源和核燃料[22]。考虑基础设施系统运行所消耗的资源类型，选择不可回收的非可再生资源代表自然资源系统。随着基础设施的兴建和人口的增多，能源消耗量增速加大，总量不断减少，环境污染程度加重，进而限制了基础设施规模和人口数量的增长。
1.1.4 自然环境系统
自然环境包括生态环境、生物环境和地下资源环境。现有研究多用污染指数来表示自然环境质量，包括水污染、空气污染和固体污染三部分。自然环境恶化，一方面导致人口规模的增速减缓，引起环卫基础设施建设增多，而降低了对它类基础设施服务能力的需求；另一方面增大资源获取的难度，进一步限制了基础设施系统增长。
1.2 变量解释
为深入分析基础设施系统与自然生态系统的微观交互关系，对系统动力学模型（见图1）中的具体参数和指标做进一步阐述。
1.2.1 人口系统构成
基础设施规模的增大受到人口规模和经济发展水平的影响。人口规模用区域总人口数量来度量。经济发展水平引入区域GDP及其增量作为外生变量，并建立其与具体基础设施规模增量的关系[23]，如图1中GDP年增长率对生产需电年增加量、生产需水年增加量的影响，以及GDP年增加量对人均年生活能耗量、汽车保有量等影响。基础设施系统和自然生态系统对人口系统的作用，则参照世界模型II[24]，用人口出生、死亡相关的物质、拥挤、环境等影响因子来反映。
1.2.2 基础设施系统构成
根据上述分析，基础设施系统包括交通、能源、供水和环卫等类。①交通基础设施规模用公路里程来表示，用公路影响因子表示公路里程对机动车保有量的作用，机动车辆影响因子表示其反作用。②供电基础设施规模由需电量而定，受能源供应量和自然生态质量限制。需电量包括生产和生活两部分，分别受经济发展水平和人口规模的影响[25]。由于火电发电量占我国总发电量的75%[26]，煤炭供应量成为制约供电能力的主要因素。在水能丰富或拥有核电站的区域，电力供应量对煤炭可获量的依赖性较小。综合考虑可开采矿产规模和运输条件，用发电资源可获影响因子来表示自然资源存量和交通基础设施能力对供电能力的作用，并用供电环境影响因子表示供电基础设施规模对自然环境的作用。③农业用水和城市供水设施分属不同部门，且农业用水对水质要求较低、取水渠道多样，本文仅考虑城市供水设施。供水基础设施规模由需水量而定，受水源质量和技术水平的影响，用年供水总量来度量。年新增供水能力受到生产需水年增加量、生活需水年增加量和水源污染程度的作用。④环卫基础设施主要指各项污染处理设施，需求量由生产和生活污染排放量而定。其中，废气处理设施规模由工业废气排放量而定；固体废物处理设施规模由生活垃圾排放量而定；污水处理设施规模由污水处理量而定，包括生活污水和生产污水。
1.2.3 自然资源系统构成
自然资源系统聚焦非可再生能源，即煤炭、石油与天然气等，用能源存量来表示自然资源总量，受资源需求量和资源获取技术的影响。其中，资源需求量依经济发展水平和产业结构而定。能源采掘技术进步，可提高开采效率，但鉴于总量固定，能源开采量受到限制。综上，运用资源开采影响因子和资源可获得影响因子，分别表示采掘技术和资源需求对资源总量变化的作用。
1.2.4 自然环境系统构成
根据污染总量控制理论，参考现有环境评价指标，选取水污染、空气污染和固体污染作为自然环境状态的表征，将三种污染所包含的污染物通过同等污染程度，分别折算为COD（化学需氧量）和SO2，按其总量计算各类污染的程度，由排污总量和污染处理量而定。用水污染总量与标准的比值，代表水源污染程度。水源污染程度与现有污水处理技术水平共同确定水源影响因子，表示水源质量对供水能力的影响。综合水污染、空气污染和固体污染决定环境污染程度，用人口出生环境影响因子表示自然环境质量对人口增长的作用。
2 基础设施系统与自然生态系统的相互作用机制
反馈是系统内部相互作用的基本要素，也是系统复杂性的重要源泉。正反馈代表累积效应，负反馈代表平衡，正负反馈的共同作用使系统稳定发展。通过辨识基础设施系统与自然生态系统作用的关键反馈环，从内外两方面，剖析两者的相互作用机制。
2.1 基础设施系统内部耦合机制
辨识图1中的各反馈环，包含供水、供电和交通基础设施的反馈环，见图2。
图2反馈环中负相关关系的个数为奇数（1），可知供水、供电和交通基础设施之间存在着负反馈，表示各类基础设施规模都不可无限增大。三类基础设施规模通过环境污染程度和人口总量存在着动态关联。①供电基础设施规模与供水基础设施规模增长之间负相关。供电能力的持续提高将直接排放大量废气，导致空气污染程度加重，致使年人口死亡人数增多，人口增加量减少，致使生活需水年增加量的减少，间接降低了年新增供水能力，限制供水基础设施水平的增大。②供水基础设施规模增长与交通基础设施规模增长正相关。供水基础设施能力的提升，可提高居民物质生活水平，进而提高人口出生物质影响因子，导致年出生人口增加，总人口增多，引起对交通基础设施的需求增强，公路里程增加，使资源可获影响因子增大，年新增供电能力提高，供电基础设施水平得到提升。③若不考虑供电基础设施，供水和交通的規模可持续增大，但基础设施之间的需求关联，尤其对环境污染的作用，使得供电基础设施规模增长受限，保障了这三类基础设施规模的适度扩大。
2.2 基础设施系统与自然生态系统的关键反馈机制
交通、供电、供水和环卫四类基础设施与自然生态系统的交互作用机制具备各自特点。
2.2.1 交通基础设施与自然生态环境相互制约
从图1中，抽取交通基础设施及其相关的自然生态指标，可得交通基础设施与自然生态环境的反馈环（见图3）。
图3反馈环中负相关关系的个数为奇数（1），可知交通基础设施与自然生态环境之间存在着负反馈，体现了两者的相互制约。由于模型中并未将（生态）土地作为自然资源，交通基础设施与自然生态的作用，主要体现在与自然环境（空气污染）的作用方面。在既定的经济发展水平和技术条件下，随着区域内公路里程的增加，路网密度增大，机动车辆规模扩大，机动车尾气排放量增多，空气污染程度增加，环境恶化，导致人口死亡环境影响因子增大，年死亡人口增多，总人口增速减缓甚至减少，致使公路里程增速减慢甚至停止。
2.2.2 供电基础设施对自然生态系统的恶性累积效应显著
从图1中，抽取供电基础设施及其相关的自然生态指标，可得供电基础设施与自然生态的反馈环（见图4）。
图4反馈环中负相关关系的个数为偶数（2），可知供电基础设施与自然生态系统存在着正反馈，两者的恶性累积效应显著。与供水基础设施不同，供电基础设施直接相关的自然资源和自然环境分别体现在资源可获得性和环境污染程度，并通过人口规模变化联系起来。一方面，由于水力发电和核电站的地理条件限制，多数地区主要依靠火力发电。在既定的技术条件下，供电基础设施规模增大（年供电能力提高），势必产生大量的废弃排放量，加重空气污染程度，致使呼吸道相关疾病发生率升高，降低人口出生环境影响因子，年出生人口总数下降，人口规模增长减速，总人口增速减缓，甚至减少。另一方面，人口增速减缓，导致其它生活耗能增长率降低，能源消耗量增速变慢，甚至降低，资源相对更易得到满足，间接提高了资源可获得性，利于提高年新增供电能力，提升年供电能力。由此，供电基础设施规模可一直保持增长，空气污染程度将持续恶化，能源消耗量亦增加。
2.2.3 既定自然生态条件下的供水基础设施规模增大受限
从图1中，抽取供水基础设施及其相关的自然生态指标，可得供水基础设施与自然生态系统的反馈环（见图5）。
图5反馈环中负相关关系的个数为奇数（1），可知供水基础设施与自然生态系统之间存在着负反馈，体现了两者的相互制约。在既定的自然生态条件下，供水基础设施规模不可无限增大。对于供水基础设施而言，狭义的自然资源和自然环境均指水源状态。图5显示，年供水能力提高，意味着耗水量增加，污水排放量增大，污染物的累积效应扩大，水污染程度加重，水源质量降低，限制供水能力的进一步提高。
2.2.4 环卫基础设施规模与自然环境污染程度存在着正反馈
加强环卫基础设施建设，是综合整治环境污染和生态破坏、保护和改善城乡环境的基本措施。固体废物处
理设施主要为垃圾处理厂，其相关反馈环见图6。污水处理设施相关反馈环见图7。由于废气处理设施仅处理工业废气，工业废气的产生与外生变量经济发展水平（GDP）正相关，无相关反馈环。
图6反馈环中负相关关系的个数为偶数（2），可知垃圾处理设施能力与自然环境污染程度存在着正反馈，即人口规模和固体污染累积使得垃圾处理设施的规模持续增大。在既定的技术条件下，垃圾处理厂增多，估计污染增加量则减小，致使固体污染程度下降，环境污染程度降低，人口出生环境影响因子增大，年出生人口增多，总人口增加，年生活垃圾排放量增多，促使垃圾处理厂规模进一步扩大。
图7反馈环中负相关关系的个数为偶数（2），可知污水处理设施能力与自然环境污染程度存在着正反馈，即水源污染累积使得污水处理设施的规模将持续增大。在既定的技术条件下，污水处理设施增多，水污染增加量减少，水污染程度降低，水源影响因子减小，致使取水难度降低，年新增供水能力增大，污水排放增加总量增加，新增污水处理设施增多，污水处理设施规模扩大。
3 基础设施系统增长策略
由上述单反馈机制可知，交通和供水之外的基础设施规模都在与自然生态系统的持续正反馈中不断得到扩大，并受到基础设施系统内部负反馈效应的限制。现针对交通、供电和供水等基础设施主要问题，辨识相关基模（见图8～图10），分析其关键，明确基础设施系统的增长策略。
3.1 空气污染控制导向的交通基础设施增长
机动车保有量持续增长导致道路拥堵问题突出[27]。基于已有研究可知，城市的机动车保有量与公路里程正相关，交通基础设施与自然环境存在负反馈，即环境恶化抑制机动车保有量的增长。图8机动车辆成长上限基模，进一步解释了交通基础设施增长困境的产生原因和解决方案。
图8的左侧为正反馈环，右侧为负反馈环，共同构成了机动车辆的成长上限基模。该基模显示，机动车辆增长具有上限，且并非由公路里程或拥挤程度所致，而是由空气污染程度加重引起。一般来说，机动车保有量增大导致道路拥挤，致使对道路基础设施规模扩大的需求增强，增建、扩建或优化路网结构等措施是目前主要的解决方案。然而，这些策略并不能解决对道路基础设施需求不足的问题，也不能任由空气污染恶化来缓解。有效控制机动车量增长对道路的无限需求，可通过加强居民环保意识，在不增加因环境污染致死率的前提下，合理引导鼓励公交出行，减少机动车保有量的大规模增长和对道路设施的过度需求。因此，完善公共交通是交通设施能力提升的重点。
3.2 污染累积消弭导向的供电设施增长
作为基础设施系统正常运行的能源保障，供电基础设施具有决定性作用，同时为生产生活提供必要的支撑。火电发电量在我國占比很大，供电基础设施一直被认为是空气污染的主要来源。图9空气污染的共同悲剧基模，揭示供电和交通基础设施增长的博弈困境。
为促进经济社会快速发展，提高居民物质生活水平，供电基础设施和交通基础设施的能力不断提升（图9的两个正反馈）。然而，在既定的技术水平和自然生态条件下，两类基础设施规模的扩大都将导致废弃排放量增多，加剧空气污染，加重了生态恢复的负担（森林吸收能力有限）。在集体快速增长模式下，具有非排他性和非竞争性的公共物品——空气的污染日益严重以致有害于人类生存，导致经济增长和人们生活水平的下降。因此，当前的空气污染问题，须引起所有相关者的重视，制定整体治理解决方案。
3.3 水源保护导向的供水基础设施增长
供水基础设施存在着成长上限基模，正反馈环由物质生活水平提高所致，负反馈环受水污染程度制约。作为重要的环境问题，水污染的原因多被认为是工业废水排放过量和污水处理设施不足。图10水污染的目标侵蚀基模，揭示了其根本原因是水源污染严重。
系统性复杂问题往往存在多个解，其中较明显、易操作的常被视为解决方案。图10的左右均为负反馈环，共构成了水污染的目标侵蚀基模。其中，供水基础设施能力的提升是目标，水源影响因子降低为弱化的目标，水污染程度为现存问题或差距，解决问题的主要策略为新增污水处理设施，污水处理能力反应实际状况。由此基模可得，增加污水处理设施只是避重就轻的一种解决方案，使得供水能力提升的目标难以实现，甚至水源影响因子降低的目标都可能变相地转化为水源质量标准的降低，加剧了水污染程度。因此，提高供水基础设施能力的关键，不在于过度依赖污水处理设施规模的扩大，而在于取水技术、供水规划和运行管理等综合能力的提升。现实中，可通过多样的节水措施，间接控制供水总量和污水排放量。同时，提高污水排放标准，控制化学水污染物总量，缓解或解决水污染问题，切实提高供水基础设施的能力。
4 结 语
基础设施系统为生产生活提供功能支撑，为国家新型城镇化提供物质保障，也给自然生态造成了巨大压力。各类设施的相互作用和多回路反馈，使得其与自然生态环境的作用动态复杂。一方面，交通、供电和供水设施规模的增长，产生自然资源消耗，造成自然环境污染，并在各自运行和增长过程中不断累积。另一方面，资源消耗、环境污染和人口增长等方面效应的叠加，限制着基础设施系统的扩张。然而，现阶段的基础设施增长模式仅强调满足人们对设施的需求，忽略了多类设施耦合作用对自然生态的级联破坏，难以保障经济社会的可持续发展。因此，在研究制定基础设施系统发展战略规划时，需将自然生态承载作为重要依据，整体角度把握基础设施内部子系统的服务能力和供给水平，避免过度扩张所带来的整体效益低下和生态环境的破坏。交通基础设施能力提高的关键不在于增加公路里程，而在于减少机动车保有量大规模的增长对道路设施的过度需求，并藉以完善公共交通；供电基础设施规模的增长，必须综合评估与交通基础设施增长所带来空气污染的累积效应，并通过降低火力发电比例弱化关联关系；供水基础设施能力提升的根本不在于污水处理设施的增加，而是降低水源污染程度，在有效提高供水能力的同时，切实保护水环境。同时，合理的人口政策、正确的环保意识、先进的技术水平、严格的行业标准和适宜的产业政策等亦是实现基础设施与自然生态良性互动的重要策略。
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