城市韌性恢復能力與空間形態(tài)特征相互關系研究

王麗華，馬東輝

(1.北京工業(yè)大學 城市建設學部，北京 100124;2.北京工業(yè)大學 抗震減災研究所，北京 100124)

城市形態(tài)是城市發(fā)展與周圍環(huán)境共同作用的結果，反映了城市在政治、經濟、社會、文化等多方面的發(fā)展歷程[1]。城市空間形態(tài)呈現了城市各組成部分的空間分布狀態(tài)，包括建成區(qū)輪廓、片區(qū)功能特性、交通道路布局等。城市形態(tài)涵蓋的內容比城市空間形態(tài)多，但由于城市空間形態(tài)數據更易獲取，學者主要圍繞城市空間形態(tài)展開研究[2]，而且空間形態(tài)量化分析已成為城市規(guī)劃研究的熱點。

城市韌性恢復能力是指城市為應對不確定性擾動，通過合理布置緩沖帶，從而實現公共安全、社會秩序和經濟建設等快速恢復的能力[3]。非典疫情后，國內學者意識到城市空間形態(tài)對于抵御突發(fā)災害、保護人居安全具有重要作用[4]。魯鈺雯等[5-6]認為韌性理念貫穿于城市空間規(guī)劃中，而且不同層級的規(guī)劃方案關注的側重點不同。吳非等[7-8]認為城市人居安全與空間形態(tài)不協調有關，應將防災韌性理念納入城市規(guī)劃過程中，從根本上阻止自然災害及安全事故的發(fā)生和蔓延。趙曉全等[9-10]提出了基于城市“規(guī)模-密度-形態(tài)”的韌性評估模型。但是，有關城市韌性的研究仍處于理論階段，尚未徹底厘清城市韌性恢復能力與空間形態(tài)特征之間的相互關系，難以將其應用于城市規(guī)劃設計過程中[11]。

因此，筆者選取長江中下游地區(qū)的20個城市作為研究對象，利用人口密度、經濟能力、公共服務用地、交通網絡、生命線工程、避難場所6類韌性評價指標劃分城市等級，分析不同韌性等級城市的空間形態(tài)特征，總結城市韌性恢復能力與空間形態(tài)特征之間的相互關系。

1 研究思路與方法

城市韌性恢復能力與空間形態(tài)特征相互關系的研究框架如圖1所示，研究過程包含4個階段，分別為選取研究對象和評價指標、城市韌性恢復能力評價、城市韌性恢復能力劃分、城市韌性恢復能力與空間形態(tài)特征的相互關系分析。

圖1 研究框架

2 研究對象與評價指標

2.1 研究對象

長江中下游地區(qū)以湖口市作為分界線，地跨湖北省、湖南省、上海市等7省市，區(qū)域內不同城市的經濟發(fā)展水平和規(guī)劃建設存在顯著差異。按照城市與長江之間的垂直距離，選取長江中下游地區(qū)的20個城市作為研究對象，如表1所示。根據國內著名城市研究機構第一財經發(fā)布的《2020城市商業(yè)魅力排行榜》[12]，將20個城市按照政治地位、經濟發(fā)展、城市規(guī)模、消費能力、區(qū)域輻射等因素劃分為6個發(fā)展等級。

表1 城市發(fā)展等級劃分

2.2 韌性恢復能力評價指標

從《中國城市建設統計年鑒(2016)》收集20個城市的年度統計數據，并選取與韌性恢復能力相關的17個指標組成評價體系，如表2所示。其中，經濟能力和人口密度決定了城市用于構建韌性恢復體系的資源投入；公共服務用地不僅包含用于存放物資的倉儲物流用地，還包含用于布置救災設施的公共設施用地、指揮救災的公共管理用地等；交通網絡是指城市交通網絡建設規(guī)模，代表城市交通可達性；生命線工程包含城市供水、供電、燃氣等設施，是城市災后恢復正常運轉的關鍵因素；避難場所由綠地、公園、廣場等組成，屬于安置災民的關鍵要素。

表2 城市韌性恢復能力評價指標

2.3 空間形態(tài)特征評價指標

(1)緊湊度指標C。緊湊度指標用于衡量城市外圍邊界的輪廓形狀，其計算方法如式(1)所示[13]。當緊湊度指標等于1時，城市要素之間的緊湊程度最高，其外圍輪廓為圓形。隨著緊湊度指標逐漸降低，城市要素之間的緊湊程度降低。當緊湊度指標接近0時，城市要素之間的緊湊程度最低，其外圍輪廓形狀接近正方形。

(1)

式中：A為城市空間面積；P為外圍輪廓周長。

(2)形狀分維數D。形狀分維數用于描述城市邊界的復雜程度，其計算方法如式(2)所示[14]。當形狀分維數增大時，城市發(fā)展以向外擴張為主；當形狀分維數減小時，城市發(fā)展以城區(qū)邊緣填充為主。

(2)

(3)信息熵指標H。信息熵指標用于評價城市不同功能類型用地的均衡程度。假設城市用地總面積為S，劃分為m個功能類型，那么每一類城市用地面積為Si，任意一類城市用地面積與總面積的比例為Pi，如式(3)所示。參考Shannon-Weaner指數，計算信息熵指標，如式(4)所示。

(3)

(4)

其中，Hi為信息熵指標，代表第i類城市用地的比例系數。

當城市處于尚未開發(fā)狀態(tài)時，其信息熵指數為0；隨著城市開發(fā)程度逐漸增強，功能用地類型逐漸增多，不同功能用地的面積差逐漸減小，則信息熵指數逐漸變大。

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3 城市空間形態(tài)與韌性恢復能力的關聯特征

3.1 城市韌性特征分析

由表2可知，除經濟能力和人口密度外，公共服務用地、交通網絡、生命線工程、避難場所4類韌性恢復能力評價指標均包含了多個分項指標。為了便于后續(xù)分析，利用因子分析算法對上述4類韌性恢復能力評價指標的分項指標進行降維處理，提取一個公共因子用以代表城市的該類韌性恢復能力。具體計算過程如下：①對4類韌性恢復能力評價指標包含的分項指標矩陣進行歸一化處理；②計算每一類韌性恢復能力評價指標包含的分項指標矩陣的協方差；③通過旋轉加載矩陣獲得樣本矩陣的公共因子；④通過因子分析得到原始變量的公共因子會出現負值，因此采用最小最大規(guī)范化方法對公共因子進行數據變換，使數據完全映射到[0,1]區(qū)間內，如式(5)所示。

(5)

式中：V′為規(guī)范化處理后的數據；V為原數據；maxA為原數據列的最大值；minA為原數據列的最小值。

通過因子分析降維，得到20個城市韌性恢復能力的6類評價指標數據，如表3所示。從表3可以看出，不但任意城市的6類韌性恢復能力計算值各不相同，而且不同城市的同一類韌性恢復能力評價指標計算值同樣差距明顯。所選6類韌性恢復能力評價指標反映了城市韌性恢復能力的6個主要方面，其綜合評價結果代表了城市整體韌性恢復能力。其中，經濟能力代表城市能夠在韌性恢復體系建設過程中的投入成本高低；人口密度既代表了城市受災人口數量，又反映了城市韌性恢復過程中可調動人口資源；公共服務用地代表了城市能夠用于存放防災救援物資的建筑面積；交通網絡反映了城市的交通可達性，對災后救援效率具有直接影響；生命線工程直接影響災后救援的電力供給和災民用水等關鍵問題；避難場所的規(guī)劃建設水平反映了城市災后能夠容納的災民數量。

表3 城市韌性恢復能力評價指標數據

FCM聚類算法是一種不需要提前設定聚類標簽，僅需確定聚類數目的分類方法。該方法在計算過程中引入隸屬度矩陣和模糊系數，通過迭代的方式將隸屬度最大的樣本點歸為一類[15]。利用FCM聚類算法[16]將長江中下游地區(qū)的20個城市按照韌性評價指標劃分為4類，分別對應4個韌性等級，如表4所示。

表4 城市韌性等級

結合表3和表4可知，長江中下游地區(qū)的不同韌性等級城市具有以下特征：

(1)上海、南京、武漢3個城市的韌性等級為一級。3個一級韌性城市的主要特征表現為經濟能力處于前三位置，建成區(qū)人口密度處于前五位置，說明一級韌性城市在韌性體系建設中投入的成本資源更多，但城市建成區(qū)承災人口更多。上海、南京、武漢3個城市作為我國超一線城市和一線城市，規(guī)劃建設水平明顯高于其他城市，但是由于建成區(qū)面積擴張和人口密度過大等因素影響，導致其交通系統、生命線工程、避難場所等重要設施的建設密度和人均占比處于相對較低水平。

(2)無錫、南通、蘇州、泰州4個城市的韌性等級為二級。這4個二級韌性城市分別屬于我國一線、二線和三線城市，其經濟發(fā)展能力和規(guī)劃建設水平處于我國中上游水準。其中，二級韌性城市的評價指標數據多數屬于中等偏上水平，少數指標處于最佳位置。例如，無錫、南通、蘇州、泰州的GDP和建成區(qū)人口密度低于一級韌性城市。二級韌性城市的交通系統、生命線工程、避難場所等重要設施建設水平弱于一級韌性城市，但其建成區(qū)面積和人口密度小于一級韌性城市，因此二級韌性城市在交通系統、生命線工程、避難場所等評價指標整體優(yōu)于一級韌性城市。

(3)常州、鎮(zhèn)江、揚州、馬鞍山、銅陵、九江、滁州7個城市的韌性等級為三級。這7個城市分別屬于我國二線、三線和四線城市，其中銅陵、滁州的經濟發(fā)展和規(guī)劃建設處于我國四線城市的前列位置。三級韌性城市的經濟發(fā)展和建成區(qū)人口密度弱于一級韌性城市和二級韌性城市，其交通系統、生命線工程、避難場所等關鍵設施的建設水平相對較弱，因此除個別城市外，三級韌性城市的基礎設施評價指標與二級韌性城市大致相同。

(4)蕪湖、池州、黃石、黃岡、安慶、鄂州6個城市的韌性等級為四級。四級韌性城市的恢復能力評價指標中有1～2項屬于最差水平，其他指標為中等偏下水平。例如，黃岡、池州、安慶、鄂州的經濟能力指標普遍較差；蕪湖、黃岡、黃石、安慶的生命線工程建設水平相對落后；蕪湖、黃石、鄂州的人口總量雖然不大，但其城市建成區(qū)面積同樣較小，因此上述城市的建成區(qū)人口密度與三級韌性城市大致相同。

3.2 城市韌性恢復能力與空間形態(tài)特征的相互關系

利用GIS軟件測量城市空間尺寸，通過Matlab軟件計算20個城市的緊湊度指標、形狀分維數和信息熵指標，并將空間形態(tài)指標的計算結果進行歸一化處理，如表5所示。針對不同韌性等級的城市，分析城市韌性恢復能力與空間形態(tài)之間的相互關系，可以得出：

表5 城市空間形態(tài)指標

(1)一級韌性城市。上海、南京、武漢3個一級韌性城市，是20個城市中經濟發(fā)展能力最佳的城市，其規(guī)劃建設水平明顯強于其他城市，空間形態(tài)特征表現也最佳。例如，3個城市的空間緊湊度指標均高于0.63，形狀分維數介于0.50～0.60之間，信息熵指標大于等于0.90。由此可知，一級韌性城市的空間要素布局緊湊度適中，擴張方式以城區(qū)邊緣填充為主，城市用地功能類型豐富且合理。同時，受城市空間形態(tài)特征的影響，其交通網絡及生命線工程的建設水平更先進，倉儲用地和避難用地的規(guī)劃更合理。

(2)二級韌性城市。4個二級韌性城市的空間緊湊度指標介于0.35～0.63之間，形狀分維數介于0.59～0.76之間，而信息熵指標大于等于0.90。由此可知，二級韌性城市的空間要素布局緊湊度居中，城市擴張方式以城區(qū)邊緣填充為主，僅有部分區(qū)域向外擴張，而城市內部不同功能用地分布相對均衡。綜合考慮城市的空間形態(tài)特征和經濟發(fā)展趨勢，認為二級韌性城市在市區(qū)范圍內的物流倉儲、避難場所等功能用地規(guī)劃合理，交通可達性較強，生命線工程建設水平較高。但由于二級韌性城市的部分區(qū)域以向外擴張為主，而擴張區(qū)域的交通網絡、生命線工程和公共服務用地等規(guī)劃建設相對落后，導致二級韌性城市的韌性恢復能力落后于一級韌性城市。

(3)三級韌性城市。7個三級韌性城市的空間形態(tài)特征計算值低于前兩級韌性城市，加之三級韌性城市包含了二線、三線、四線3類城市，因此其空間形態(tài)特征結果差異明顯。例如，7個三級韌性城市的空間緊湊度指標介于0.17～0.83之間，九江和滁州的緊湊度指標分別為0.17和0.18，說明這兩個城市處于待開發(fā)階段，空間要素緊湊度不高，用地規(guī)劃合理性較差；形狀分維數介于0.64～0.87之間，普遍高于一級和二級韌性城市，說明三級韌性城市的發(fā)展以向外擴張為主，邊界區(qū)域多為新開發(fā)區(qū)域；信息熵指標介于0.87～0.93之間，僅馬鞍山、銅陵、滁州略低于0.9，說明三級韌性城市的不同功能用地類型相對豐富，但規(guī)劃合理性略低。由此可知，三級韌性城市的發(fā)展以向外擴張為主，新開發(fā)區(qū)域的交通網絡與生命線工程建設水平相對落后，倉儲用地與避難用地的建設數量明顯不足。

(4)四級韌性城市。與三級韌性城市類似，四級韌性城市包含了三線、四線和五線3種類型城市，因此其空間形態(tài)特征同樣存在較大差異。6個四級韌性城市的空間緊湊度指標介于0.14～0.64之間，僅安慶和鄂州的緊湊度指標超過0.60，其余4個城市的緊湊度指標相對較低，說明這4個城市處于待開發(fā)階段，空間要素緊湊度不高，用地規(guī)劃合理性較差；形狀分維數介于0.72～1.00之間，普遍高于三級韌性城市，說明四級韌性城市向外擴張程度最高，新開發(fā)區(qū)域的覆蓋面積最大；信息熵指標介于0.86～0.94之間，僅黃石的信息熵指標低于0.9，說明四級韌性城市的建設發(fā)展進入成熟階段，不同功能用地的類型相對豐富，規(guī)劃合理性與三級韌性城市相近。由此可知，四級韌性城市的發(fā)展以向外擴張為主，新開發(fā)區(qū)域內的交通網絡與生命線工程建設水平較低，倉儲用地與避難用地的建設數量遠遠不足。

4 城市空間規(guī)劃策略

由于自然災害和事故災難的發(fā)生概率較低，利用城市有限的空間資源為此類突發(fā)性事件單獨規(guī)劃空間與設施，一定程度上會造成城市資源的浪費。加強城市空間規(guī)劃與防災減災策略的協調融合，使得城市空間規(guī)劃中具備應對自然災害和事故災難的能力才是可取之道。故根據上述研究成果提出加強城市韌性恢復能力的合理化建議：

(1)加強對城市規(guī)模、密度等空間特征的控制。從科學的角度規(guī)劃城市發(fā)展規(guī)模，控制城市環(huán)境容量。發(fā)展組團式城市結構，在保持城市空間用地密度相對較高的同時，在各組團城市之間保留森林、綠化等生態(tài)綠地空間。合理確定城市密度，控制城市人口密度、容積率和建筑密度，不能片面追求經濟效益而肆意開發(fā)建設。

(2)加強城市應對自然災害的空間規(guī)劃手段。通過規(guī)劃手段提高防災減災空間和設施的綜合利用水平，建立相關部門協調聯動機制，確保突發(fā)事件發(fā)生時能夠及時提供必要的避難空間和應急設施。例如，8·12天津濱海新區(qū)爆炸事故發(fā)生后，當地政府第一時間做出響應，將爆炸區(qū)影響范圍以外的學校、體育館等建筑設施設為應急避難場所，為當地災民提供臨時安置帳篷、應急醫(yī)療服務，保障災民盡快恢復正常生活。

(3)全面提升城市生命線工程的可靠性。立足城市韌性規(guī)劃理念，打造全面覆蓋的交通系統網絡，加強供電、供水、供氣等生命線工程的冗余儲備，確保城市隨時隨地擁有滿足人們需求的生命線工程。同時，強化城市生命線工程的實時監(jiān)測，及時規(guī)避意外情況，有效發(fā)揮生命線工程對于城市韌性恢復體系的保障作用。

(4)建立健全防災減災專項規(guī)劃。在防災專項規(guī)劃中增加應急物資儲備、應急指揮權責等相關內容，制定應急預案。同時，為應急避難場所制定相應的規(guī)劃和預案，做到平災結合、綜合利用。定期開展應急演練工作，加強社區(qū)工作人員在服務與防控管理職能之間的角色轉換，通過“開放式”管理銜接物資保障系統與應急救助系統，充分發(fā)揮社區(qū)協作功能。

5 結論

筆者選取長江中下游20個城市作為研究對象，利用17個韌性恢復能力評價指標將20個城市劃分為4個韌性等級，探究城市空間形態(tài)特征與韌性恢復能力之間的相互關系，得到以下結論：

(1)城市韌性恢復能力與經濟發(fā)展水平和規(guī)劃建設程度有關，城市的經濟發(fā)展水平越高，規(guī)劃建設越合理，城市韌性恢復能力越強。

(2)城市的空間形態(tài)特征除了受自然環(huán)境的影響之外，還受城市經濟發(fā)展水平與規(guī)劃建設程度的影響。城市的經濟越發(fā)達、規(guī)劃建設越合理，則城市空間要素的緊湊度越高，邊界形狀越規(guī)則，用地功能類型越豐富。

(3)城市的空間形態(tài)特征會對韌性恢復能力產生影響。城市的空間形態(tài)特征越合理，組成要素的分布緊湊度越高，城市發(fā)展會以內部填充為主，致力于改善交通網絡、倉儲用地、公共設施、避難場所等關鍵要素，從而有助于提高城市的韌性恢復能力。

(4)城市韌性恢復能力會對空間形態(tài)特征產生影響。城市若在開發(fā)過程中融入防災減災意識，并重點關注城市韌性恢復體系的規(guī)劃與建設，則城市的韌性恢復能力就較強，那么倉儲用地、避難用地、交通用地、生命線工程等關鍵要素的建設規(guī)劃也越合理，從而改善了城市的空間形態(tài)特征。