城市蓝绿基础设施网络韧性提升：静态与动态攻击模拟及级联失效分析

本研究针对城市化进程中蓝绿基础设施网络(BGIN)面临的生态功能破碎化和灾害风险传导问题，构建了多功能网络-韧性评估-级联模拟分析框架。以石家庄主城区为案例，通过形态空间格局分析(MSPA)识别63个源地和140条廊道，采用静态/动态攻击模式模拟网络韧性变化，改进"容量-负载"级联失效模型揭示关键风险节点和传播路径。研究发现基于PageRank和中介中心性的蓄意攻击破坏性最强，动态攻击导致网络更快恶化，识别出四类风险等级节点。研究成果为韧性导向的城市生态优化提供了新思路。

　　

随着全球城市化进程加速，灰色基础设施的扩张不断挤压生态空间，导致蓝绿基础设施网络(Blue-Green Infrastructure Networks, BGIN)日益破碎化。这种破碎化不仅损害生态功能的完整性，更使得城市在面对洪涝、干旱等灾害时容易出现多米诺骨牌式的风险传导——单个节点的失效可能通过生态系统服务链中断和栖息地廊道阻断等级联路径放大，最终导致系统崩溃，削弱城市韧性。尽管BGIN作为基于自然解决方案(Nature-based Solutions, NbS)的重要实践途径，在提升城市韧性和促进可持续发展方面具有关键作用，但现有研究未能充分捕捉其多功能、空间显式的复杂生态网络特征，特别是在韧性评估中难以刻画功能失效的动态过程和级联效应。

为此，发表在《Ecological Genetics and Genomics》上的这项研究以石家庄主城区为案例，构建了"功能网络-韧性评估-级联模拟"的分析框架。研究人员首先基于多功能性和结构连通性原则识别BGI源地并构建网络，进而模拟网络在随机和蓄意攻击下的静态与动态韧性，最后通过容量-负载级联失效模型识别高风险节点和失效路径。

研究采用多源数据融合和空间分析技术，主要包括：基于形态空间格局分析(MSPA)识别生态源地；运用Linkage Mapper工具箱和电路理论提取生态廊道；采用复杂网络理论计算度中心性、中介中心性、PageRank和k-core等拓扑指标；构建改进的"容量-负载"级联失效模型模拟动态传播过程；利用InVEST模型评估碳储存和栖息地质量等功能指标。研究区域覆盖石家庄8个市辖区，总面积2670平方公里。

研究结果揭示了石家庄BGIN的结构特征和韧性规律：

4.1. BGIN构建与评估

通过多功能维度(碳汇、生物多样性支持、水文调节、气候调节和文化景观服务)与结构特征整合，识别出63个生态斑块，总面积158.38km2，形成"西部屏障-中部廊道-城区嵌入式"空间格局。构建的BGIN包含140条廊道，总长度818.332km，密度0.31km/km2。

4.2. 拓扑结构与节点功能重要性

网络平均聚类系数0.38，平均度数4.51，符合"小世界现象"。节点26、27、50在拓扑结构中排名最高，而节点58、44、57功能最关键，显示结构枢纽与功能关键节点存在空间错位。

4.3. 静态攻击模式下的网络韧性

网络在随机攻击下表现出较强鲁棒性，而基于PageRank和中介中心性的蓄意攻击破坏性最大。静态攻击下韧性呈阶段性下降，网络规模在47%节点移除时显著减小至55%，90%移除时完全崩溃。

4.4. 动态攻击模式下的网络韧性

动态攻击导致网络更快恶化，当参数比r=9时，雪崩规模分布符合幂律规律。网络效率比网络规模表现出更强的攻击模式依赖性，所有攻击类型在后期均出现平台期。

4.5. 级联失效过程

最大级联涉及57个失效节点，最长传播达17轮。节点33、38、47的失效可触发最大规模传播，而孤立节点62因缺乏拓扑连接具有天然免疫性。传播路径呈现显著间接特性，即使节点间无直接连接，风险仍可传播。

研究结论表明，石家庄BGIN具有中等鲁棒性，但关键节点失效会引发系统性风险。基于传播速度和规模，节点可分为四类风险等级：高风险节点(如21、17)具有"雪崩式传播"特征；中高风险节点(如33、38、47)传播慢但影响大；中低风险节点传播快但影响小；低风险节点传播慢且影响小。

该研究的重要意义在于发展了结构-功能耦合的分析框架，将复杂网络方法与景观生态学结合，实现了从静态保护到动态韧性管理的研究范式转变。通过识别关键风险节点和传播路径，为城市规划提供了精准的生态安全干预靶点，支持了韧性导向的城市生态优化决策。研究成果对高密度城市环境的生态保护与人类福祉协同提升具有重要实践价值。