城市韌性的機理性定量化評估方法進展與融入規(guī)劃探討

費智濤， 王志濤,2,3， 郭小東,2,3， 馬東輝,2,3， 魏米鈴

(1.北京工業(yè)大學城市建設學部， 北京 100124； 2.北京城市與工程安全減災中心， 北京 100124；3.北京工業(yè)大學抗震減災研究所， 北京 100124)

韌性理念自20世紀70年代產生以來，經歷了從工程韌性至生態(tài)韌性，再到演進韌性的演變[1-2]，成為多學科多領域研究熱點[3-5]. 相關學者開展了大量的綜述性研究[6-8]，但由于概念的寬泛性在實踐與應用中受限[9]. 目前，國際上在為服務城市宏觀目標制定、氣候適應性決策和社區(qū)心理等方面開展了不少嘗試[10-11]，如100韌性城市項目框架、美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)制定的Coastal Resilience Index框架和CART(community assessment of resilience tools)等. 礙于尺度、數(shù)據(jù)等因素，在城市的規(guī)劃、建設時并不能很好地反映韌性的特征與維度等機理，而自下而上的測量方案(measurement schemes)可彌補這方面不足，如已有研究在城市應對地震[12]、洪水[13]、環(huán)境氣候變化[14]等方面使用定性、定量方法進行韌性測度. 我國在城市韌性評估方面尚處起步階段，多采用自上而下方案構建評估框架進行評估[15-16]，較少考慮韌性機理的直接體現(xiàn)[17]. 從未來城市安全發(fā)展的需求看，《中共中央關于制定國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中明確提出統(tǒng)籌發(fā)展與安全，在城市未來不可避免地面對多重擾動背景下，需更加關注韌性的動態(tài)、能力滿足方面以適應多種不確定性. 同時，城市可持續(xù)發(fā)展目標(SDG11)[18]、“人居三”、《新城市議程》[19]等提出要使城市具有包容性、安全性、韌性和可持續(xù)性以達到永續(xù)發(fā)展的目標，構建城市韌性的機理性定量評估框架勢在必行. 面對上述問題，本文綜述了國內外相關文獻，在明確韌性概念與機理表達的基礎上，介紹了基于系統(tǒng)結構維度、空間維度、功能滿足維度和時間維度的定量化韌性評估框架構建方法和關鍵閾值量化方法，討論了與國土空間規(guī)劃的融合模式.

1 城市韌性概念與機理表達

1.1 韌性與城市韌性

韌性概念于20世紀70年代被美國生態(tài)學教授霍林描述為“自然系統(tǒng)應對自然或人為原因引起的生態(tài)系統(tǒng)變化時的持久性”并不斷發(fā)展. 2001年以后，“適應性循環(huán)”模型首次運用于人類社會系統(tǒng)，并逐漸發(fā)展到社會- 生態(tài)系統(tǒng)[20]，韌性的研究對象也被大為拓展[21].

城市面臨多方面的擾動，其中各類型自然災害的影響最為直接，韌性的概念被首次引入規(guī)劃研究也是始于城市安全防災領域[22]. “災害韌性”(disaster resilience)的概念是國際上通用的說法，如美國國家研究委員會(National Research Council, NRC)[23]和地震工程多學科中心(Multidisciplinary Centre of Earthquake Engineering Research,MCEER)提出廣義災害韌性是一種有預期的結果，包括已經開展和即將開展的備災減災活動、預案和應急響應，包括一系列的事件、行動與應變[24]. 也有學者提到“防災韌性”的概念，強調對多災害情景下的適應[25-26]，可視為是一種規(guī)劃控制城市韌性的技術，通常使用韌性量化曲線模型進行描述(見表1). 本文探討的機理性城市韌性概念將“防災韌性”與“災害韌性”融合考慮，即被評估的城市韌性：1) 基于一個給定(子)系統(tǒng)，融合時間、空間、結構等基本維度(dimension)，將在2.2節(jié)中闡述；2) 是一種兼具過程性與結果性表現(xiàn)的能力，在不同階段體現(xiàn)不同韌性特征(character)，將在2.3節(jié)中闡述；3) 規(guī)劃作為提升系統(tǒng)韌性能力的控制性手段，改變未來城市對災害的適應能力.

表1 應對災害的城市韌性概念

1.2 城市韌性的給定系統(tǒng)及其維度

使用復雜適應性系統(tǒng)理論(complex adoptive systems,CAS)進行目標城市系統(tǒng)的確定與分解具有較好的適用性[32]. 城市復雜系統(tǒng)具備的學習成長、要素交互、自組織和演進的特點與韌性的機理特點能夠較好地銜接[10]. 在本文限定的韌性概念下，韌性具有時間、空間和結構性三大基本維度[33-34]，當涉及到以人為主體的復雜城市系統(tǒng)時，城市的各類型功能滿足人的需求表現(xiàn)為第四維度[35-36]，也有學者將結構性維度與功能滿足維度合稱為演進維度，描述為主體與對象之間現(xiàn)有的交互模式并在常態(tài)下產生有益的新模式轉變[37]. 此外，從災害控制的視角，將“沖擊類型”(type of shock)納入韌性的維度中[10]，強調了擾動對城市系統(tǒng)的影響. 時間、空間和結構三大維度反映了韌性的機理，各個維度同時具備系統(tǒng)性、各向異性、協(xié)同性[38]，城市韌性的概念維度模型可表示為

R=f(Sp,St,F,T)

(1)

式中：R為城市韌性；Sp為空間維度；St為結構性維度；F為功能滿足維度；T為時間戳(見圖1).各類韌性評估框架的指標選取均可以體現(xiàn)以上方面，根據(jù)差異化的研究目標各有側重[39].在此基礎上，具備韌性的城市與災害(Da)的關系表現(xiàn)為適應能力(A)，即滿足A=f(Da,R).

圖1 城市韌性的維度Fig.1 Dimensions of urban resilience

1.3 城市韌性特征

根據(jù)研究視角、目標與系統(tǒng)的不同，韌性的特征可被描述為多方面(見表2)，并在時間、空間和結構性維度上涌現(xiàn)，如Bruneau提出了地震災害影響下的4種城市韌性特征，Sharifi等則將韌性的特征細分為17種.城市韌性兼具過程與結果表現(xiàn)，其特征同樣繼承了這一屬性，在不同時間切片上呈現(xiàn)不同的特征組合，可將其分為目標特征(G)和動態(tài)特征(D)兩個類型，滿足G={gi|g1,g2,…,gn(i=1,2,…,n)}，D={di|d1,d2,…,dn(i=1,2,…,n)}.

C=f(G,D,T)

(2)

G=g(D)

(3)

式中C為某階段涌現(xiàn)的韌性特征組合.以災害發(fā)生為臨界時刻，城市韌性在災前表現(xiàn)為健壯性、自組織等特征，在災時表現(xiàn)為健壯性，在災后則表現(xiàn)為快速恢復、冗余、自組織等特征.韌性特征之間的關系滿足式(3)，即目標特征通過動態(tài)特征達成(如通過增加冗余設施、提升設防標準、制定防災規(guī)劃提升對災害的抵抗能力).

表2 有關韌性特征的描述

2 體現(xiàn)韌性機理的定量化城市韌性評估方法

為了更好地在城市韌性評估中體現(xiàn)維度、特征等機理，地震工程、生態(tài)學和應急管理等領域陸續(xù)開展了一系列研究. 基于此本文將從能力屬性、空間韌性和功能滿足3個方面開展進一步介紹，韌性的時間維度通常以時間戳的形式包含于各類評估中，成為機理性韌性評估不可忽視的重要方面[40-41].

2.1 體現(xiàn)系統(tǒng)能力屬性的韌性定量化評估方法

Bruneau等[29]最早使用韌性量化曲線模型描述城市系統(tǒng)面對地震時的韌性. 此類型評估方法通過將韌性定義為一種基于災前的功能損失Q(t)，采用積分計算災后功能損失的下降面積，并將其定義為韌性的損失R(見圖2(a)). 韌性量化曲線模型較好地表達了整個韌性周期的過程，在曲線模型的AB段處于災害影響之前，可采取一系列的措施以防備災害的影響，t0時刻發(fā)生地震災害，城市系統(tǒng)由于遭受損傷發(fā)生功能下降(BC)，t0—t1時間處于城市系統(tǒng)的恢復階段，并在t1時刻恢復至全功能狀態(tài)(CD).

(4)

Bonstrom等[42]和Cimellaro等[43]進一步豐富了韌性量化曲線模型，將韌性量化值R界定為一段控制時間內給定系統(tǒng)維持一定程度功能的能力，在恢復階段被認為是一種恢復的期望水平(desired level)，最終恢復的情景不僅可以達到100%的水平，還可以高于或低于這個水平.韌性量化曲線模型表達式(見圖2(b))為

(5)

式中：tOE為災害發(fā)生的時刻；TLC為控制時間.在模型中，災后功能的下降段反映了韌性的健壯性特征，使用恢復階段的斜率反映韌性快速性特征.

圖2 城市韌性量化曲線模型Fig.2 Quantitative curve model of urban resilience

2.2 體現(xiàn)系統(tǒng)要素關系的空間韌性定量化表達方法

空間韌性關注尺度、邊界等要素對地理學、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領域具有重要應用價值[10,44]. 空間韌性(spatial resilience)的概念最初于2001年被Nystrom等[45]用于珊瑚礁的生態(tài)系統(tǒng)研究，隨后Cumming系統(tǒng)闡述了空間韌性的內涵并提出關注位置、連接性、環(huán)境等要素，并建立了多尺度空間韌性的概念框架與量化指標[46]. 雖然空間韌性已經被用于城市系統(tǒng)的土地利用模擬[10]、規(guī)劃策略制定[47]等方面研究，但我國的推廣還較為有限，具有較好的前景和迫切性[48].

除指數(shù)法外[49]，城市空間韌性的評估多基于層級化尺度的研究系統(tǒng)構建評估模型框架，如“規(guī)模- 密度- 形態(tài)”模型[15]、演化關聯(lián)模型[50]等. 對于復雜城市系統(tǒng)使用復雜網絡、圖論算法等構建空間韌性評估模型也成為重要方向[51]. 基于復雜網絡算法的韌性評估關注節(jié)點、連接，使用基于圖的指標編寫程序計算系統(tǒng)韌性(如中心度、連接度等). 表3整理了有關空間韌性評估的復雜網絡指標.

2.3 體現(xiàn)功能滿足的韌性定量化表達方法

城市韌性的功能滿足維度評估研究集中于城市基礎設施系統(tǒng)，如供水[36,56]、供電[42]、供氣[57]等方面. 城市基礎設施的韌性評估可分為基于圖論、復雜網絡模型和基于流的模型兩類，前者側重于研究基礎設施系統(tǒng)本體的拓撲結構，后者則考慮網絡結構上運行的各類流質[58]，側重于系統(tǒng)活動的交互模式[59]，表4匯總了基于上述分類的基礎設施功能滿足維度韌性評估的方法及特點. 不論災害發(fā)生前后，城市系統(tǒng)中的功能需求及其滿足都是一個動態(tài)過程，韌性在功能滿足維度的評估對災害擾動后的決策及資源利用分配具有重要意義.

2.4 系統(tǒng)韌性量化取值方法

2.4.1 基于歷史統(tǒng)計規(guī)律的概率性取值

城市韌性的量化表達方法一直以來是韌性量化評估的重點. 由于歷史上對災害或其他類型的擾動事件對城市系統(tǒng)的影響歷史數(shù)據(jù)匱乏，在韌性評估時可結合專家經驗判斷進行受災狀態(tài)與恢復情景的確定并給出期望值[60]. 期望值更適合評價系統(tǒng)韌性能力水平，在使用2.1的系統(tǒng)韌性量化評估框架時，仍然需要較為連續(xù)的韌性量化取值方法以滿足對不確定性的應對，此類方法在地震工程領域較為成熟.

表3 基于復雜網絡的空間韌性指標

表4 功能滿足維度韌性評估方法

韌性量化曲線模型應考慮2個關鍵閾值的確定，即2.1節(jié)中的能力下降段(BC)和恢復段(CD)[61]，分別表征了韌性的健壯性(Rb)與快速性(Rd). 在分段函數(shù)的思想下，健壯性被定義為系統(tǒng)夠承受給定水平的壓力或需求而不遭受退化或功能損失的能力，快速性被定義為及時滿足優(yōu)先事項和實現(xiàn)目標的能力，以控制損失和避免未來的破壞[29,43]. 針對二者的量化采用概率化的統(tǒng)計取值表達，Cimellaro將健壯性、快速性分別采用概率密度函數(shù)進行量化：

Rb=1-L(mL,δL)

(6)

Rd=L/tRE

(7)

圖3 健壯性與快速性的量化Fig.3 Quantification of robustness and rapidity

圖4 城市韌性的概率性取值流程Fig.4 Probabilistic evaluation process of urban

式中：mL為可能發(fā)生的損失的均值；σL為滿足統(tǒng)計規(guī)律地震損失的標準差(見圖3).面對地震災害影響的不確定性，韌性曲線下降段應滿足城市系統(tǒng)面臨地震災害時發(fā)生多種類型損傷后果(如輕微破壞、中等破壞等)的統(tǒng)計規(guī)律，一般認為服從對數(shù)正態(tài)分布[62]，因此，城市系統(tǒng)也可根據(jù)各種災害造成的后果為韌性的關鍵閾值取值，圖4參照工程抗震的量化取值方法給出了城市韌性的概率性取值流程.首先基于歷史災害的發(fā)生概率和強度結合城市系統(tǒng)進行量化分析，得到多水準災害情景下城市系統(tǒng)的破壞程度的可能性以確定曲線的下降段；基于各類型歷史恢復數(shù)據(jù)量化確定城市系統(tǒng)應對災害情景的恢復可能時間以確定曲線的恢復段.快速性除了可使用恢復曲線的斜率表示外，還可以使用指數(shù)型、三角函數(shù)型的恢復曲線模型以適用不同情景.考慮到恢復的不確定性，Kameshwar等將健壯性與快速性全部概率化表達，并將城市韌性的目標引入：

Rb=R0=p(P≥TR0)

(8)

Rd=Rp=p(TRec≤TRp)

(9)

式中：P為系統(tǒng)性能；TRec為恢復時間；R0為健壯性；TR0為目標健壯性；TRp為目標快速性.關于目標的取值將在2.4.2節(jié)中闡述.在城鄉(xiāng)規(guī)劃中，可基于工程領域災害應對的損失、恢復數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果為災害擾動的規(guī)劃應對提供支撐.

2.4.2 基于可接受目標的設定性取值

城市的運行與維持需要消耗大量資源，富有韌性的城市絕不是無上限地提升擾動的適應能力. 因此，在韌性策略規(guī)劃、建設實施之前，需要確定城市的韌性性態(tài)目標(performance goals). 國際上針對城市的韌性性態(tài)目標已有研究與實踐，如美國國家標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology, NIST)[63-64]、SPUR[65]等的技術文件、標準中均提出了針對城市系統(tǒng)在恢復階段的性態(tài)目標，但健壯性方面的性態(tài)目標較少[66]. 表5匯總了相關文獻中的韌性性態(tài)目標類型與涉及方面，表6為NIST設定的部分恢復階段性態(tài)目標.

表5 城市韌性性態(tài)目標類型

表6 NIST的城市韌性性態(tài)目標(部分)

3 討論：機理性定量化韌性融入國土空間規(guī)劃

3.1 韌性融入國土空間規(guī)劃的難點

安全的國土空間是發(fā)展的基礎，而我國恰恰具有災害種類多、分布地域廣、發(fā)生頻率高、造成損失重的基本國情. 不論是“韌性城市”首次被寫入國家戰(zhàn)略規(guī)劃，還是全國各地如火如荼推進的“韌性城市”建設，都迫切地需要韌性理念更好地融入空間規(guī)劃. 目前韌性融入國土空間規(guī)劃的難點可歸結為以下3方面：1) 對“沖擊類型”維度的統(tǒng)籌考慮不足. 我國的傳統(tǒng)防災規(guī)劃多針對單災種防災，如抗震防災規(guī)劃、防洪規(guī)劃等多以各自專業(yè)性防災標準進行編制，缺乏明確的協(xié)調機制，致使國土空間在面臨綜合性、復雜性災害影響時“短板效應”明顯(如7.20河南暴雨洪水后疫情暴發(fā)). 2) 缺乏各層級空間規(guī)劃應對多水準災害的健壯性、快速性表達. 傳統(tǒng)的防災規(guī)劃多以工程性規(guī)劃為主，屬于專項規(guī)劃的范疇，規(guī)劃成果為城市總體規(guī)劃等上位規(guī)劃提供指標，導致城市防災型要素與其他規(guī)劃要素割裂. 3) 缺乏對空間規(guī)劃過程的“韌性化”內容. 一方面，規(guī)劃提升國土空間韌性本質上是通過做“韌性增量”以適應災害不確定性沖擊的過程，當前規(guī)劃過程中各種策略、要素貢獻的“韌性增量”很難被統(tǒng)一量化表達；另一方面，空間規(guī)劃的編制、建設和管控諸過程的反饋機制尚未完善. 為此，構建了基于災害危險表達、系統(tǒng)層級和規(guī)劃編制韌性化的融入模式(見圖5)，在操作層面討論了機理性定量化韌性融入國土空間規(guī)劃. 此外，充分利用城市大腦、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術，進行全過程、各環(huán)節(jié)、多情景規(guī)劃防災，促進韌性融入國土空間規(guī)劃.

圖5 機理性定量化韌性融入國土空間規(guī)劃模式Fig.5 Quantitative and mechanical resilience into the territorial space planning model

3.2 統(tǒng)籌考慮多災種發(fā)生強度與可能性

國土空間韌性無法脫離災害擾動進行探討，因此機理性定量化韌性的融入首先要考慮災害危險表達. 影響國土空間的災害具有危險性，規(guī)劃中通常使用證據(jù)性、歷史性災害的強度和發(fā)生概率進行描述. 以地震災害為例，一般是基于地震動參數(shù)區(qū)劃圖明確城市面臨的多遇、基本、罕遇和極罕遇不同概率水準給出其危險性. 雖然在單災種防災工程建設中都考慮了災害發(fā)生的強度和可能性影響，但一旦涉及多災種，國土空間災害危險性分析的等級錯位問題難以避免，不同災種的傳統(tǒng)分級標準并不一致. 因此，國土空間規(guī)劃應在韌性評估階段，統(tǒng)籌考慮多災種發(fā)生的強度和可能性(即韌性的“沖擊類型”維度)，建立可統(tǒng)一量化評價的綜合防災危險性分級，為國土空間機理性韌性評估提供具有一致性的災害危險表達基礎.

3.3 韌性特征的層級傳導與協(xié)調

基于國土空間面臨的災害模式，考慮國土空間的層級，將防災韌性機理納入不同層級的規(guī)劃中. 以城市詳細規(guī)劃層級的地震災害韌性應對為例，將傳統(tǒng)防災領域提供的城市承災體受災易損性成果與詳細規(guī)劃進行銜接(見圖6). 考慮到各個層級在管控對象、管控形式和管控工具方面存在差異，需要將建構筑物等微觀層面的結構損失、街坊空間的功能損失和單元分區(qū)層面的損失進行有機聯(lián)系，將傳統(tǒng)建構筑物結構易損性轉化為功能空間和單元分區(qū)的易損性概率區(qū)間. 如在建構筑物層面探討其受地震影響的完好、破壞程度等后果；在街坊層面研究不同功能下的容積率、建筑密度等建設指標；在單元分區(qū)層面關注防災措施、避難和恢復的效果. 在指標方面，構建可量化、可考核的防災韌性規(guī)劃指標，如在單元分區(qū)層面考慮傷亡比作為規(guī)劃控制指標，在街坊、建構筑物層面分別選取容積率、建筑物破壞比例為規(guī)劃控制指標，規(guī)劃為了控制某單元分區(qū)內的人口因災傷亡比，可考慮在某種功能街坊總容積確定的情況下，選取較低易損性建構筑物組合方案. 在這個模式下，城市承災體的受災機理被考慮進來，在不同的規(guī)劃方案組合下，空間的健壯性被提升. 不難看出，當防災韌性的機理納入空間規(guī)劃中時，各層級的規(guī)劃控制指標的閾值具有了概率意義，這也使基于空間規(guī)劃的管制更具彈性.

圖6 詳細規(guī)劃層面的韌性特征納入示意Fig.6 Resilience characteristics at the detailed planning level included in the diagram

3.4 規(guī)劃編制的韌性化與智慧化

規(guī)劃作為一項社會活動和公共政策，具有未來導向性特征[68]，在國土空間規(guī)劃的前期訴求、規(guī)劃編制、建設和管控實施過程中，面對災害擾動的不確定性后果進行韌性機理的定量化評估，各種規(guī)劃策略、要素的“韌性增量”貢獻需要被量化表達，形成韌性規(guī)劃策略庫. 規(guī)劃編制過程中，對現(xiàn)狀情況、規(guī)劃方案進行韌性評估，評估結果與規(guī)劃目標進行比對，如果可接受，則進入建設管控實施階段，反之則針對新的方案進行韌性評估，直到可接受為止. 同樣，在建設管控實施的過程中，面臨不可接受的情況進行新的方案論證和韌性評估，直到可接受為止. 各層級系統(tǒng)的規(guī)劃、建設指標及其傳導，通過常態(tài)化調查與監(jiān)測、體檢與評價、更新與迭代等手段進行績效考核，輔助管理與治理. 此外，在規(guī)劃工作中集成海量多源異構數(shù)據(jù)，運用多種信息化工具，迭代演算規(guī)劃目標、規(guī)劃過程以及規(guī)劃策略組合，量化韌性策略的貢獻，系統(tǒng)性提升國土空間的不確定性應對能力.

4 結論

目前反映機理性的韌性定量評估方法在城鄉(xiāng)規(guī)劃研究與實踐中尚未成熟，可借鑒工程、災害、生態(tài)等領域進行拓展，豐富規(guī)劃應對災害不確定性研究范式. 本研究得出以下結論：

1) 城市韌性的概念多元、涉及領域繁多導致韌性缺乏一致性的評估方法，需從反映城市韌性機理出發(fā)構建基于特定系統(tǒng)，體現(xiàn)時間、空間、結構、功能滿足等維度和健壯性、快速性等特征的全過程評估框架，方便融入規(guī)劃體系.

2) 在針對不同韌性維度的量化評估方法中，使用量化曲線模擬整個韌性過程是主流方法. 同時，針對空間韌性、功能滿足等維度，則可通過復雜網絡模型、拓撲模型、流模型等進行模擬評價.

3) 基于歷史統(tǒng)計規(guī)律的概率性方法為系統(tǒng)韌性的不確定性應對提供了多情景，較好地融合了城市韌性具備的預測未來的特性. 從應用的角度來看，為城市系統(tǒng)設定可接受的韌性性態(tài)目標，對災害發(fā)生前的規(guī)劃措施制定與災后控制具有重要意義.

空間規(guī)劃是引領城鄉(xiāng)發(fā)展的重要工具，面對更大更復雜的不確定性擾動，將機理性的城市韌性評估方法納入空間規(guī)劃編制體系，將提升規(guī)劃應對多水準災害的科學性，增強空間治理的彈性. 此外，各類型歷史災害后果數(shù)據(jù)記錄、合理的城市韌性目標制定、智慧城市建設的推進等對機理性韌性的融入至關重要. 進一步明確到底是為誰韌性，合理量化規(guī)劃的韌性策略的增量，對于規(guī)劃韌性指標管控、傳導與落實具備現(xiàn)實意義.