中國(guó)特色韌性城市的經(jīng)驗(yàn)探索與未來趨勢(shì)
——從唐山地震到汶川地震

繆惠全, 鐘紫藍(lán), 侯本偉, 韓俊艷, 閆秋實(shí), 杜修力

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部, 北京 100024; 2.城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100024)

城市作為人類生產(chǎn)生活活動(dòng)的主要聚集區(qū)域,始終面臨著地震、暴雨、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害的威脅,有效減輕自然災(zāi)害的威脅,已成為全球廣泛共識(shí)和共同行動(dòng)。1989年12月,聯(lián)合國(guó)第44/236號(hào)決議指定每年10月的第2個(gè)星期三為“國(guó)際減少災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)日”,其中2019—2021年,其主題均與韌性城市相關(guān)。1999年12月聯(lián)合國(guó)減災(zāi)辦公室成立并先后推動(dòng)制定了《橫濱戰(zhàn)略》《兵庫行動(dòng)框架(2005—2015)》《仙臺(tái)減災(zāi)框架(2015—2030)》[1],2010年發(fā)起“使城市富有韌性(making cites resilient)”活動(dòng),截至投稿日期全球已有581個(gè)城市加入該活動(dòng),人口規(guī)模高達(dá)4.13億[2]。

中國(guó)是世界上的人口大國(guó),也是受自然災(zāi)害嚴(yán)重侵?jǐn)_的國(guó)家之一,截至2020年末,中國(guó)戶籍城鎮(zhèn)化率已達(dá)63.89%,城鎮(zhèn)人口超9億,而2019年新冠肺炎、2020年南方特大洪澇、2021年河南省特大暴雨等系列災(zāi)害更是為中國(guó)城市防災(zāi)減災(zāi)敲響了警鐘。隨著國(guó)家“十四五”規(guī)劃明確提出建設(shè)韌性城市的目標(biāo),針對(duì)城市尺度的防災(zāi)減災(zāi)工作已提升至一個(gè)全新的高度。基于Web of Science核心合集的檢索顯示,以韌性城市為關(guān)鍵詞的期刊論文,從2003年的1篇[3]增加到2021年的227篇,而中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中,以韌性城市為關(guān)鍵詞的基金文獻(xiàn)則從2013年的1篇[4]增加到2021年的212篇。可以發(fā)現(xiàn),在過去20年中2個(gè)數(shù)據(jù)庫中論文的平均增長(zhǎng)速度分別為35.17%和95.34%,這充分顯示了以韌性城市為理念的新一代城市防災(zāi)減災(zāi)研究的熱度。然而,韌性城市的探索并非無源之水,必然需要追溯至過去城市防災(zāi)減災(zāi)的實(shí)踐之中。

城市防災(zāi)減災(zāi)的實(shí)踐和理念,伴隨著城市的興起和發(fā)展,已歷經(jīng)2000多年[5],然而真正從科學(xué)角度理解并開展城市防災(zāi)減災(zāi)工作,則要追溯至1906年美國(guó)舊金山地震和1924年日本關(guān)東地震,前者是地震工程的萌芽,后者則直接催生了地震工程學(xué)科的誕生[6]。新中國(guó)成立以后,唐山地震和汶川地震,更是成為新中國(guó)城市防災(zāi)減災(zāi)史上的2次標(biāo)志性事件,前者死亡24萬余人,重傷16萬余人[7],后者死亡近7萬人,失蹤1.7萬余人,致傷37萬余人[8]。唐山地震以后,中國(guó)的城市進(jìn)入全面抗震設(shè)防的管理階段,而汶川地震后則確立了全國(guó)“防災(zāi)減災(zāi)日”,系統(tǒng)性的防災(zāi)減災(zāi)工作開始從城市走向鄉(xiāng)村,從工程技術(shù)人員走向更為廣泛的人民群眾。

城市的防災(zāi)減災(zāi)史是人類同自然的戰(zhàn)爭(zhēng)史。因此,充分總結(jié)過去城市防災(zāi)減災(zāi)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),將之從直接的經(jīng)驗(yàn)升華為普遍的理論,是更好服務(wù)于城市防災(zāi)減災(zāi)實(shí)踐的必然需求。很多經(jīng)典著作值得研究者反復(fù)閱讀和學(xué)習(xí),如劉恢先[7]系統(tǒng)總結(jié)和分析了唐山地震的震害情況,鄒其嘉等[9]開拓了災(zāi)害社會(huì)學(xué)的研究[9],此外,國(guó)家建委城市建設(shè)局[10]、葉耀先[11]、康仲遠(yuǎn)[12]等一批單位和學(xué)者,分別在不同時(shí)期從不同視角對(duì)唐山地震的震害經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)進(jìn)行了總結(jié)。

相比于唐山地震時(shí)期,汶川地震以后,我國(guó)抗震研究的力量已大大增強(qiáng),相關(guān)的調(diào)查報(bào)告和分析總結(jié)也更加全面和多樣化,其中代表性著作有《汶川地震震害》[13]《汶川地震災(zāi)害研究》[14]《汶川地震建筑震害分析及設(shè)計(jì)對(duì)策》[15],系統(tǒng)總結(jié)并分析了地質(zhì)、房屋、基礎(chǔ)設(shè)施等多方面的震害情況。此外,文獻(xiàn)[16-17]以及一些細(xì)分領(lǐng)域的調(diào)查報(bào)告,包含建筑物[18]、公路[19]、供水[20]、水庫[21-22]、電力[23]等,也非常值得關(guān)注。文獻(xiàn)[24-25]涉及災(zāi)中應(yīng)急救援。災(zāi)后重建的研究成果則更加豐富,不僅包括與城市建設(shè)緊密相連的規(guī)劃和重建工作,如文獻(xiàn)[26-27],還包括一些與土木工程行業(yè)密切相關(guān)的其他行業(yè)研究,如交通運(yùn)輸[28]、農(nóng)業(yè)[29]、旅游業(yè)[30-31]、金融業(yè)[32]、中小學(xué)教育[33],乃至文化生態(tài)建設(shè)[34]、建筑設(shè)計(jì)[35]、法制體系建設(shè)[36-37]、心理危機(jī)[38]、社會(huì)資本[39]等。此外,汶川地震中一些地區(qū)、行業(yè)的調(diào)查或者紀(jì)實(shí)記錄,也非常值得關(guān)注,如對(duì)口支援總結(jié)報(bào)告[40]、平武等地區(qū)救災(zāi)工作總結(jié)[41]、衛(wèi)生系統(tǒng)[42]和軍隊(duì)系統(tǒng)的救災(zāi)紀(jì)實(shí)[43]等。上述代表性工作既可以佐證汶川地震以后我國(guó)抗震研究的多樣化,亦可為相關(guān)研究者提供借鑒。當(dāng)然,研究?jī)?nèi)容的豐富和多樣化,不僅得益于我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)力量的增強(qiáng),更在于城市防災(zāi)減災(zāi)本質(zhì)上是對(duì)人類社會(huì)及其居住環(huán)境的總體構(gòu)建,必然深入到以各類建構(gòu)筑物為載體的人類社會(huì)的方方面面,而這一點(diǎn)由于長(zhǎng)期受西方科學(xué)逐層細(xì)分研究思路的影響,逐漸為研究者所忽視,因此,以更加系統(tǒng)的視角去分析典型城市災(zāi)害事件,已成為一種必然趨勢(shì)。

韌性城市這一概念的提出和興起,恰好為當(dāng)今城市防災(zāi)減災(zāi)的實(shí)踐提供了更加系統(tǒng)的視角和思路。相比傳統(tǒng)的城市防災(zāi)理念,韌性城市的研究具有如下幾個(gè)特點(diǎn):1)不僅強(qiáng)調(diào)單體建構(gòu)筑物的研究,更強(qiáng)調(diào)城市建構(gòu)筑物系統(tǒng)的研究,因此,耦合基礎(chǔ)設(shè)施、建筑群等的研究成為新熱點(diǎn)[44-45];2)不僅強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)功能破壞的評(píng)估,更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)災(zāi)后恢復(fù)的研究,“恢復(fù)”是“韌性”最核心的關(guān)鍵詞[46],這也是本綜述研究著重闡述之處;3)不僅注重系統(tǒng)物理破壞的后果和直接經(jīng)濟(jì)損失的評(píng)估,更注重間接損失的評(píng)估[47]和物理破壞結(jié)果的社會(huì)化影響與擴(kuò)散[48],學(xué)科交叉性更強(qiáng);4)與智慧城市、海綿城市、可持續(xù)發(fā)展城市、低碳城市等特色城市概念緊密結(jié)合,各有側(cè)重又彼此融合,構(gòu)成了更為豐富的未來城市建設(shè)理念[49-51]。

因此,在這一新的理念下,以韌性城市這一全新視角重新審視過去中國(guó)2次標(biāo)志性的地震災(zāi)害事件,總結(jié)城市防災(zāi)減災(zāi)的經(jīng)驗(yàn)探索,并為下一步建設(shè)有中國(guó)特色的韌性城市研究體系進(jìn)行分析,具有重要的研究意義和實(shí)踐價(jià)值。本文按照從一般概念到實(shí)際工程的邏輯順序,逐層深入地闡述如下幾個(gè)關(guān)鍵問題:1)韌性城市的基本概念如何界定并量化,其基本維度和基本特征是什么。2)城市災(zāi)后的基本恢復(fù)過程和基本恢復(fù)曲線是怎樣的。3)城市災(zāi)后空間恢復(fù)過程具有什么樣的特殊現(xiàn)象。4)城市生命線工程災(zāi)后恢復(fù)的基本過程和相互耦合現(xiàn)象是什么。5)某些特殊基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)及其作用是什么。最后對(duì)本文的工作進(jìn)行了總結(jié)。

1 韌性城市的基本概念和特征

1.1 城市的基本概念和內(nèi)涵

韌性城市研究的主體是城市,因此,厘清城市基本概念和內(nèi)涵是進(jìn)行韌性城市研究的前提和基礎(chǔ)。由于不同學(xué)科立足點(diǎn)和關(guān)注對(duì)象的差異,對(duì)城市的認(rèn)識(shí)也各有不同。傳統(tǒng)的土木工程學(xué)科,重點(diǎn)關(guān)注城市人造建構(gòu)筑物,包含建筑、道路、橋梁、管網(wǎng)等,特別是其中材料的力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)的力學(xué)反應(yīng),如應(yīng)用力學(xué)的最高獎(jiǎng)項(xiàng)Timoshenko獎(jiǎng)得主中,包含Zienkiewicz、Clifton、Belytschko、Bazant、Christensen等在內(nèi)的多位院士均任教于土木工程專業(yè)[52]。環(huán)境學(xué)更關(guān)注人與環(huán)境之間的關(guān)系,將城市定義為一種人口高度集中、物質(zhì)和能量高度密集、自我穩(wěn)定性差、自我調(diào)節(jié)能力弱的社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[5]。社會(huì)學(xué)更聚焦于人類群體行為,因此,從人類活動(dòng)的視角將城市定義為以人為主體,政治、經(jīng)濟(jì)、文化需求等人類社會(huì)活動(dòng)在一定地域范圍內(nèi)高度集中的社會(huì)組織形式[53]。

韌性城市的視角強(qiáng)調(diào)人類對(duì)各類災(zāi)害的抵抗(此處災(zāi)害泛指一般性的自然災(zāi)害、事故以及經(jīng)濟(jì)危機(jī)、傳染病、氣候變化等),因此,借鑒鄒其嘉等[9]對(duì)城市震災(zāi)要素的分析,本文將城市定義為由底層基礎(chǔ)、中層支撐和頂層組織構(gòu)成的具有系統(tǒng)特性的人類聚集區(qū)。底層基礎(chǔ)指城市本身所具備的自然環(huán)境要素,既包含河流、湖泊等物質(zhì)實(shí)體,也包含氣溫、濕度等環(huán)境要素。中層支撐指在自然環(huán)境基礎(chǔ)之上由人力建造或構(gòu)筑的人工環(huán)境實(shí)體,主要包括建筑群落、交通系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)等。頂層組織是人類社會(huì)群體中的組織存在,包括政府系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、慈善系統(tǒng)等。頂層組織必須借助于底層基礎(chǔ)和中層支撐加以實(shí)現(xiàn),但并不絕對(duì)依賴于前兩者,是人類群體社會(huì)性的表現(xiàn)。這一定義的好處在于:

1) 將研究的主體從復(fù)雜無序的綜合環(huán)境中加以剝離,將韌性城市的研究特別是以土木工程為主體的城市防災(zāi)減災(zāi)研究聚焦于中層支撐,并將該層的物理反應(yīng)作為頂層組織研究的輸入和底層基礎(chǔ)研究的反饋。

2) 以網(wǎng)絡(luò)化視角解構(gòu)城市組成要素,便于引入復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論等數(shù)學(xué)工具。在這一視角下,城市可進(jìn)一步抽象為由不同類型節(jié)點(diǎn)、邊、物質(zhì)實(shí)體構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),并進(jìn)而由不同的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。若以每類系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)、邊和其中所傳遞的物質(zhì)是否有形而言,可將系統(tǒng)逐層拆分為如表1所示的情況。以供水系統(tǒng)為例,其節(jié)點(diǎn)包含水廠、泵站、住宅小區(qū)等,邊則通常為各類管線,其中流動(dòng)的物質(zhì)則為水;若以電網(wǎng)分析,其節(jié)點(diǎn)包含電廠、各級(jí)變電站、小區(qū)等,邊則為電纜、架空線路等,其中流動(dòng)的物質(zhì)則是無形的電流。

表1 城市基礎(chǔ)要素的網(wǎng)絡(luò)化建模Table 1 Network modelling of urban basic elements

1.2 韌性城市的概念和量化

韌性城市的核心在于“韌性”,一般認(rèn)為,resilience起源于拉丁語resilire,本義為bounce back,該詞最早被Tredgold于1818年用以描述木材的屬性,以解釋為什么一些類型的木頭可以承受突然且劇烈的荷載而不斷裂,差不多40 a以后(1856年),Mallet在給當(dāng)時(shí)皇家海軍的一份報(bào)告中,將韌性模量一詞(the modulus of resilience)用以度量材料承受惡劣條件的能力[54-55]。自2000年至今,以韌性為核心的研究在全球各個(gè)領(lǐng)域迅速掀起了熱潮,Web of Science數(shù)據(jù)庫中以韌性為關(guān)鍵詞的文章幾乎呈指數(shù)式增長(zhǎng),2015年后的年發(fā)文量均超過2 000篇[56]。關(guān)于韌性概念的探討,不同學(xué)科不同研究領(lǐng)域業(yè)已進(jìn)行了充分討論[57],如建筑工程[55]、安全管理[58]、能源系統(tǒng)領(lǐng)[59]、醫(yī)學(xué)[60]、企業(yè)管理[61]等,甚至有的研究者提出韌性工程(resilience engineering)的概念[62-63],其中,Holling[64]于生態(tài)領(lǐng)域提出的韌性概念,對(duì)當(dāng)今韌性的研究產(chǎn)生了公認(rèn)的影響[65]。

韌性城市研究的起點(diǎn)是厘清其概念和邊界,在研究早期,resilient city中文翻譯尚不穩(wěn)定,亦有學(xué)者將之翻譯為彈性城市[66],目前隨著韌性城市理念上升至國(guó)家建設(shè)層面,其概念已取得廣泛的統(tǒng)一。韌性城市被界定為“面臨各種自然災(zāi)害和人為沖擊時(shí),城市作為一個(gè)有機(jī)體能夠保障居民基本生活的需求并迅速恢復(fù)其功能的城市”[67]。由此可見,韌性城市的核心正如李杰[68]所指出的“保有基本城市功能”“迅速地恢復(fù)到正常狀態(tài)”。因此,韌性城市基本概念的量化,則必然涉及2個(gè)方面:1)系統(tǒng)基本功能的度量;2)系統(tǒng)恢復(fù)速度的度量。為此,研究者通常以圖1對(duì)韌性城市的概念進(jìn)行形象化的闡述,其中縱坐標(biāo)Q為單位化的城市整體或者某一系統(tǒng)的功能狀態(tài)指標(biāo),橫坐標(biāo)t為時(shí)間,t0、t1、t2分別表示不同時(shí)間階段的分界點(diǎn),并根據(jù)災(zāi)害和系統(tǒng)恢復(fù)情況,一般性地界定為災(zāi)前階段(0～t0)、災(zāi)中階段(t0～t1)、災(zāi)后階段(t1～t2)。

圖1 城市系統(tǒng)功能的量化Fig.1 Function quantification of urban system

系統(tǒng)韌性的指標(biāo)R被一般性地量化為

(1)

在此種情況下,R為[0,1]的單位化指標(biāo)。系統(tǒng)韌性越高,R越接近1;系統(tǒng)韌性越低,R越接近0。

顯然,指標(biāo)R可以有效度量系統(tǒng)韌性。因此,以物理模型為基礎(chǔ)的量化分析方法,其基本研究思想在于如何針對(duì)城市不同基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)乃至于經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)等建立合理的量化模型并給出指標(biāo)的合理范圍[69]。除此之外,還存在大量指標(biāo)式或問卷式等純經(jīng)驗(yàn)或者半經(jīng)驗(yàn)半量化的城市韌性評(píng)價(jià)體系,如基于城市災(zāi)后恢復(fù)基本過程所建立的五維度四階段的韌性城市評(píng)價(jià)體系ReCOVER模型[67],其中Re代表4個(gè)階段,分別是救援階段(rescue)、避難階段(refuge)、重建階段(rebuild)、復(fù)興階段(revival),COVER則代表社區(qū)與人口(community and population)、政府與管理(official organization and management)、住房與設(shè)施(valuable housing and facilities)、經(jīng)濟(jì)與發(fā)展(economy and development)、環(huán)境與文化(renewable environment and culture),基于城市系統(tǒng)構(gòu)成要素的PEOPLES模型,名稱各字母分別代表族群和人口(population and demographics)、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)(environment and ecosystem)、有組織的政府服務(wù)(organized government services)、物理基礎(chǔ)設(shè)施(physical infrastructure)、生活方式和社區(qū)素質(zhì)(lifestyle and community competence)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展(economic development)、社會(huì)文化資本(social-cultural capital)。

1.3 韌性城市的基本維度和基本特征

災(zāi)害研究領(lǐng)域,特別是地震工程領(lǐng)域不同文獻(xiàn)對(duì)韌性城市基本特征的闡釋主要概述如下。文獻(xiàn)[70]認(rèn)為,城市韌性具有技術(shù)的(technical)、組織的(organizational)、社會(huì)的(social)、經(jīng)濟(jì)的(economic)4個(gè)維度,并具有魯棒性(robustness)、冗余性(redundancy)、資源性(resourcefulness)和快速性(rapidity)4個(gè)基本特征。該文獻(xiàn)對(duì)目前城市抗災(zāi)韌性研究產(chǎn)生巨大影響,其將魯棒性定義為系統(tǒng)承擔(dān)給定壓力而不至于喪失功能的能力,冗余性為系統(tǒng)構(gòu)件等不同層次單元可替換的情況,資源性為系統(tǒng)面臨威脅或者破壞以后可以調(diào)動(dòng)的物質(zhì)或者人力資源以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo),快速性為系統(tǒng)可以快速實(shí)現(xiàn)既定恢復(fù)目標(biāo)從而避免進(jìn)一步損失。文獻(xiàn)[71]則進(jìn)一步將韌性拓展至環(huán)境維度(environmental),從而增加至5個(gè)維度,而基本特征則有3個(gè),分別是吸收能力(absorptive capacity)、適應(yīng)能力(adaptive capacity)、恢復(fù)能力(restorative capacity),可以概況為吸收性、適應(yīng)性、恢復(fù)性。文獻(xiàn)[72]認(rèn)為基礎(chǔ)設(shè)施韌性包含8個(gè)方面的能力,分別是易損性(vulnerability)、可預(yù)測(cè)(anticipation)、冗余性(redundancy)、適應(yīng)能力(adaptive capacity)、快速性(rapidity)、資源性(resourcefulness)、跨尺度交互(cross-scale interactions)、學(xué)習(xí)能力(learning culture)。

在城市規(guī)劃領(lǐng)域,對(duì)韌性城市的基本特征則有區(qū)別性更大的理解。文獻(xiàn)[73]指出,對(duì)韌性和易損性的概念區(qū)分仍不清晰,其將韌性和易損性視為相互區(qū)別又具有共性部分的概念。文獻(xiàn)[74]對(duì)此曾綜述過代表性的特征,分別是Wildavsky針對(duì)韌性系統(tǒng)提出的6個(gè)基本特征、Ahern等提出的7個(gè)特征。文獻(xiàn)[75]則認(rèn)為城市韌性包含了9個(gè)方面的要素,分別是局部知識(shí)、城市網(wǎng)絡(luò)和關(guān)系、溝通、健康、政府管理和領(lǐng)導(dǎo)、資源、經(jīng)濟(jì)投資、準(zhǔn)備和精神面貌。文獻(xiàn)[76]則認(rèn)為韌性城市的基本特征包含恢復(fù)性、連接性、適應(yīng)性、魯棒性、可變換性5個(gè)方面。

顯然,目前對(duì)韌性城市的特征并未建立統(tǒng)一認(rèn)識(shí),其各有強(qiáng)調(diào)和側(cè)重,但突出的共性是城市韌性是對(duì)城市防火減災(zāi)能力的一個(gè)綜合性描述,空間維度強(qiáng)調(diào)城市的系統(tǒng)性[77],時(shí)間維度強(qiáng)調(diào)城市的恢復(fù)性[67]。因此,對(duì)城市韌性特征的理解,應(yīng)是建立在對(duì)城市這一概念的深入解析基礎(chǔ)之上,正如本文1.1節(jié)所述,城市可以分為自然環(huán)境維度、人工環(huán)境維度、社會(huì)系統(tǒng)維度3個(gè)層次,因此,城市的總體韌性也必然由此3個(gè)方面的韌性所構(gòu)成,即自然環(huán)境的韌性、人工環(huán)境的韌性、社會(huì)系統(tǒng)的韌性。土木工程師聚焦于人工環(huán)境的韌性,特別是建筑群和基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的韌性,而為了實(shí)現(xiàn)人工環(huán)境的韌性,則必然緊緊依賴于社會(huì)系統(tǒng)的韌性,從經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)、政治管理、科技文化、社會(huì)組織4個(gè)維度深化;同時(shí),還需進(jìn)一步與自然環(huán)境的韌性相互作用,即生態(tài)系統(tǒng)[78]的韌性。

在時(shí)間維度,如果城市有足夠的韌性,則城市在災(zāi)前是有所準(zhǔn)備的,為此,翟長(zhǎng)海等[77]提出,韌性城市震前的4P和震后的4R措施,分別為規(guī)劃(planning)、監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)(prediction)、預(yù)防(prevention)、預(yù)警和應(yīng)急準(zhǔn)備(pre-warning),以及搶救生命(rescue)、救濟(jì)(relief)、重新安置(re-settlement)、恢復(fù)重建(recover/re-construction)。

基于上述分析,本文認(rèn)為韌性城市在時(shí)空中需具備如圖2所示的3個(gè)基本維度和4項(xiàng)基本特征。即空間內(nèi)的自然環(huán)境、人工環(huán)境、社會(huì)系統(tǒng)三大維度。在時(shí)間上,災(zāi)害來臨之時(shí),城市應(yīng)該是有所準(zhǔn)備的,即預(yù)備性(preparedness);災(zāi)害中,城市應(yīng)該是魯棒的,此處稱為魯棒性(robustness),其中構(gòu)件的或者性能的冗余(redundancy)是實(shí)現(xiàn)魯棒性的一種方式;災(zāi)后城市可以快速恢復(fù),即具有恢復(fù)性(recovery),且能夠通過一次災(zāi)害而改善下一次應(yīng)對(duì)災(zāi)害的能力,即具有適應(yīng)性(adaptability)。因此,本文以空間維度和時(shí)間維度為2條主線對(duì)城市韌性的基本維度和基本特征進(jìn)行如圖2所示的分解。

圖2 韌性城市時(shí)空維度的分解Fig.2 Decomposition in spatial and temporal dimensions of resilient cities

2 城市災(zāi)后恢復(fù)階段性特征和恢復(fù)曲線

由于韌性城市的核心在于系統(tǒng)功能隨時(shí)間的變化,并特別著眼于系統(tǒng)災(zāi)后的功能恢復(fù)問題,通常以系統(tǒng)功能曲線來表征系統(tǒng)特征隨時(shí)間的變化,因此,本節(jié)著重于從2次震害實(shí)例對(duì)這一曲線進(jìn)行討論,注重城市韌性隨時(shí)間量化的研究,盡管在本文分析之前已有較多關(guān)于2次災(zāi)害的研究,但從韌性城市的視角對(duì)系統(tǒng)功能恢復(fù)曲線的研究尚未見到。

2.1 城市災(zāi)后系統(tǒng)功能恢復(fù)曲線的量化

對(duì)災(zāi)后恢復(fù)曲線的量化,通常研究者選擇3類途徑。

第1類是簡(jiǎn)化的分析模型,如文獻(xiàn)[69]所提出的3類簡(jiǎn)化函數(shù),分別是線性、指數(shù)型、三角函數(shù)型,定義為

(2)

(3)

(4)

式中:fr是系統(tǒng)功能函數(shù);a、b是常數(shù);TR是災(zāi)后恢復(fù)持續(xù)時(shí)間。

第2類是將城市功能用二階非線性微分方程表示[69],即

(5)

式中m、c、k是描述城市系統(tǒng)功能模型的參數(shù)。則式(5)的求解依賴于參數(shù)ζ=c/(2mω)和ω=2π/T,其中T被定義為系統(tǒng)的周期。只對(duì)ζ=1和ζ>1的情況進(jìn)行考慮。

對(duì)參數(shù)ζ>1的過阻尼系統(tǒng),求解式(5)得

Q(t)=1-e-αt(Aβt+Be-βt)

(6)

(7)

式中:L是系統(tǒng)功能損失函數(shù);I是地震烈度。則可以求得

(8)

而對(duì)于ξ=1的系統(tǒng),在相同的初始條件下,則可以求得

Q(t)=1-L0e-ωt(1+ωt)

(9)

其中L0是地震發(fā)生時(shí)表征系統(tǒng)性能的參數(shù)。

第3類則是將系統(tǒng)采用物理化建模以后,根據(jù)優(yōu)化理論或者線性規(guī)劃理論給出優(yōu)化恢復(fù)曲線,該類曲線并無既定的函數(shù)表達(dá)式,而是隨時(shí)間變化。

然而,考察唐山和汶川地震中城市恢復(fù)的典型狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn),城市災(zāi)后恢復(fù)呈現(xiàn)顯著的階段性特征,如圖3所示,分別是救援階段(階段1)、避難階段(階段2)、重建階段(階段3)、復(fù)興階段(階段4),4個(gè)階段的時(shí)間分別大約是3～7 d、7 d～3個(gè)月、3個(gè)月～1 a、1～10 a[67]。因此,理論化的曲線可能與事實(shí)上城市恢復(fù)的過程并不相符,必須從真實(shí)的震害中考察不同階段的恢復(fù)曲線。對(duì)于階段1和階段2恢復(fù)曲線的考察,本文以唐山和汶川地震中水電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的恢復(fù)曲線為例進(jìn)行說明(詳見3.1節(jié)),而對(duì)于階段3和階段4的恢復(fù)曲線,則以2次地震之后建筑群落的恢復(fù)情況為例進(jìn)行說明(詳見2.2節(jié))。這是由于階段1和階段2偏重于震后較短時(shí)間,階段3和階段4則偏重于震后較長(zhǎng)時(shí)間,而各系統(tǒng)的恢復(fù),本質(zhì)上聚焦于不同的階段之中。

圖3 城市災(zāi)后恢復(fù)的4個(gè)階段[67]Fig.3 Four steps of urban recovery process after disasters[67]

2.2 實(shí)際城市災(zāi)后的功能恢復(fù)曲線

唐山地震中,震后城市建筑群落經(jīng)歷了簡(jiǎn)易住房→簡(jiǎn)易城市→重點(diǎn)建設(shè)→全面建設(shè)4個(gè)階段,其中簡(jiǎn)易住房主要是以各類窩棚、帳篷為主的住房,首先滿足災(zāi)后居民和救援隊(duì)伍的基本住宿要求。截至1976年底,共建成簡(jiǎn)易住房40萬余間。滿足基本住宿之后,則有序地開始簡(jiǎn)易工廠、簡(jiǎn)易商店、簡(jiǎn)易學(xué)校和醫(yī)院等關(guān)鍵建筑的恢復(fù)。隨后,在進(jìn)行完總體規(guī)劃和專業(yè)規(guī)劃以后,以“四集中”和“三優(yōu)先”的方式,先重點(diǎn)建設(shè)城市居民住宅。1979—1985年間,年均住宅面積占總竣工面積的60%,平均每年3萬套配套住宅投入使用。而基于城市搬遷的需求,城市建設(shè)的次序則從城市外圍向內(nèi)推進(jìn),邊倒邊建。參加重建的包含40多個(gè)施工單位的近10萬名職工,在100多個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行施工。自1976年開始,歷經(jīng)10 a至1986年,最后1戶住房受損的住戶搬入震后重建住宅,唐山市重建全面結(jié)束。若以震后10 a唐山市重建所用的鋼材、木材、水泥為指標(biāo)[79],可以看出整個(gè)城市建筑的恢復(fù)過程如圖 4(a)所示。

汶川地震以后,為了考察城市的恢復(fù)過程,此處以綿陽市為例進(jìn)行分析,這是由于汶川地震后四川省10個(gè)災(zāi)情極重縣、市中,綿陽市有最多的3個(gè),分別是北川羌族自治縣、安縣(今安州區(qū))、平武縣,對(duì)于考察災(zāi)后重建具有非常好的代表性。分別取綿陽市歸一化竣工面積、房屋建筑竣工面積、常住人口進(jìn)行分析,所得結(jié)果分別如圖4(b)(c)(d)所示。

圖4 唐山和綿陽災(zāi)后恢復(fù)情況Fig.4 Post disaster recovery in Tangshan and Mianyang

分析圖 4可以得到如下重要結(jié)論:

1) 整個(gè)城市的災(zāi)后恢復(fù)曲線基本接近于線性函數(shù)或者傅里葉函數(shù),其前期的恢復(fù)速度較快,而后期則恢復(fù)較慢。唐山市區(qū)重建歸一化后的材料用量清晰地突顯了這一特征,見圖 4(a)。這一過程也可以從綿陽市房屋建筑竣工面積的逐年曲線得以驗(yàn)證,見圖 4(c),從2008—2014年,房屋建筑竣工面積增速由快到慢,至2014年,差不多恢復(fù)至災(zāi)前2007年的水平,若以這8 a的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,其恢復(fù)曲線見圖4(b)。若以災(zāi)害發(fā)生的年份為0年,則2個(gè)市災(zāi)后恢復(fù)曲線的擬合分析結(jié)果如表2所示。

表2 唐山和綿陽的災(zāi)后恢復(fù)曲線Table 2 Recovery curves in Tangshan and Mianyang

2) 巨災(zāi)會(huì)導(dǎo)致大量常住人口外遷,從圖4(d)可以看出,常住人口經(jīng)歷汶川地震以后,當(dāng)年和震后第1年即2009年,基本維持小幅增長(zhǎng),但2010年出現(xiàn)了顯著下降,人口從496.3萬降低到461.4萬,降低了7%,這反映了巨災(zāi)對(duì)人口遷徙的重要影響。而人口遷徙則會(huì)導(dǎo)致災(zāi)區(qū)人口空心化現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致重建基礎(chǔ)設(shè)施需求預(yù)計(jì)過高,出現(xiàn)資源浪費(fèi)問題。因此,對(duì)災(zāi)后城市建筑和基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的需求規(guī)劃有待于進(jìn)一步研究[80]。

3 城市災(zāi)后空間分布的異化

目前韌性城市的研究,已經(jīng)普遍關(guān)注到第2節(jié)所述的在時(shí)間維度上城市災(zāi)后恢復(fù)過程的問題,然而考察唐山地震和汶川地震以后城市恢復(fù)的整個(gè)過程,地震災(zāi)后城市空間表現(xiàn)出顯著的異化現(xiàn)象,目前尚未有合理充分的分析并在物理模型上加以反映。災(zāi)后城市空間分布的異化主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

3.1 城市人口的重分布

文獻(xiàn)[9]表明,地震災(zāi)后的人類社會(huì)群體會(huì)出現(xiàn)典型的異化,主要表現(xiàn)為人口增長(zhǎng)率的變化、人口構(gòu)成的變化(性別比、城鄉(xiāng)人口比)等,且這種變化具有突發(fā)性、強(qiáng)烈性、滯后性、不可恢復(fù)性、階段性的特點(diǎn)。然而,除了人口具有組成特性的變化以外,人口的空間分布,特別是巨災(zāi)以后的人口空間分布,也表現(xiàn)出與日常情況迥然的差異。因此,對(duì)災(zāi)后人口空間分布的研究,成為當(dāng)前韌性城市研究的一個(gè)突出特點(diǎn)[48,81-82]。災(zāi)后人口的重分布主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

1) 大量受災(zāi)群眾的集聚和轉(zhuǎn)移

災(zāi)后較短時(shí)間內(nèi),大量受災(zāi)群眾由于失去房屋,只能就地或者聚集到避難所進(jìn)行安置。唐山地震中沒有設(shè)置臨時(shí)避難所,大部分家庭失去了居住條件,只能搭建臨時(shí)帳篷。市區(qū)建設(shè)簡(jiǎn)易房40余萬間。汶川地震中,綿陽成功建立和組織了多處避難場(chǎng)所,其中九州體育館1處,至2018年5月17日集中受災(zāi)群眾達(dá)到4萬余人,超出容量極限后轉(zhuǎn)移至三臺(tái)、梓潼、鹽亭3個(gè)縣,直至6月29日該點(diǎn)撤銷。南河體育中心臨時(shí)接待站,則接受平武、北川、安縣等受災(zāi)群眾10 650人,直至5月26日全部疏散完畢[83]。

2)大量受傷人員的集聚與轉(zhuǎn)運(yùn)

由于地震造成大量傷員,因此,受傷人員的救治和轉(zhuǎn)運(yùn)是災(zāi)后人口重分布的另一重要表現(xiàn)。唐山地震和汶川地震中,唐山和綿陽傷員轉(zhuǎn)運(yùn)的情況如表3所示,分析可知:① 相比唐山地震,汶川地震后醫(yī)療力量已經(jīng)大大增強(qiáng),唐山地震中唐山市區(qū)10余萬重傷員需全部轉(zhuǎn)運(yùn)治療,而汶川地震中,僅有少部分轉(zhuǎn)運(yùn)治療,轉(zhuǎn)運(yùn)比例從27.78%降低至2.11%。② 地震以后,由于受傷人員的激增,短期內(nèi)需要集中就醫(yī)或者需要外出轉(zhuǎn)運(yùn)的人口劇增,因此,對(duì)醫(yī)療系統(tǒng)的救治能力和空間分布需求、交通運(yùn)輸系統(tǒng)的空間分布和轉(zhuǎn)運(yùn)能力的需求會(huì)產(chǎn)生短期劇烈變化。

表3 地震后唐山市區(qū)和綿陽市傷員轉(zhuǎn)運(yùn)情況Table 3 Transportation of the injured in Tangshan and Mianyang City after earthquake

3)大量救援人員的集聚

巨災(zāi)之后,不可忽視大量救援人員的進(jìn)入。災(zāi)情數(shù)據(jù)佐證如下,唐山地震后短短4 d內(nèi),大約10萬解放軍和2萬醫(yī)護(hù)人員進(jìn)入災(zāi)區(qū),而震后重建階段支援的省內(nèi)外建設(shè)人員則達(dá)到5.6萬人[9]。汶川地震以后,僅綿陽地區(qū),外部進(jìn)入的救援人員包括解放軍2.56萬余人、武警消防9 900余人、民兵預(yù)備役1.7萬余人、公安特警439人,此外,還包括解放軍醫(yī)療救援隊(duì)2 600余人和各地支援的醫(yī)療隊(duì)伍6 900余人[83]。顯然,大量救援人員的集聚,也會(huì)進(jìn)一步改變城市人口的分布狀況。

4) 災(zāi)后重建城市的異地選址和規(guī)劃

上述3個(gè)方面均是災(zāi)后較短時(shí)間內(nèi)大量人口的機(jī)械性流動(dòng),然而由于地震所導(dǎo)致的破壞作用,城市既有地址可能由于較高的破壞烈度、斷層破壞區(qū)的存在而不適合原地重建,此時(shí)不得不異地重建,新選址可能是城市周邊甚至搬離原來較遠(yuǎn)的位置。唐山地震以后,針對(duì)唐山的重建規(guī)劃,有異地重建和原址重建2種設(shè)想,最終采用的是2種方案相結(jié)合,從震前的老市區(qū)和東礦區(qū)(路南、路北、東礦、開平共4個(gè)行政區(qū))變?yōu)槭兄行膮^(qū)、東礦區(qū)和新區(qū)(路南、路北、東礦、開平、新區(qū)共5個(gè)行政區(qū)),其中新區(qū)即震后新建的行政區(qū),由老市區(qū)較大的8個(gè)工廠遷過去,規(guī)劃人口6萬,用地面積7.34 km2。汶川地震后,北川縣城則完全采用異地重建的模式,并且重建地址從原北川遷移到了安縣境內(nèi)[84],重建選址前后對(duì)比如圖5所示。此外,對(duì)一個(gè)具體的社區(qū)而言,其人口的重分布可根據(jù)災(zāi)后重建規(guī)劃得到更直觀清晰的認(rèn)識(shí),從圖 6可以看出,災(zāi)后社區(qū)的人口分布發(fā)生了顯著的變化。

圖5 北川縣城重建地址地震前后的建筑群落[85]Fig.5 Buildings of Beichuan County before and after the earthquake at the reconstruction site[85]

圖6 汶川縣映秀鎮(zhèn)漁子溪村地震前后建筑群分布[86]Fig.6 Distribution of buildings before and after the earthquake in Yuzixi village, Yingxiu Town, Wenchuan County[86]

顯然,城市人口的重分布從根本上決定了城市建筑群和各類基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)外部需求的變化,也就是對(duì)系統(tǒng)可靠性考察中,系統(tǒng)的外在需求發(fā)生了變化,而只有對(duì)這一需求建立科學(xué)量化的分析和預(yù)測(cè),才能對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行科學(xué)分析或者對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以提高系統(tǒng)應(yīng)對(duì)災(zāi)害的能力,特別是應(yīng)急階段的能力,從而降低系統(tǒng)總體災(zāi)害損失,特別是間接經(jīng)濟(jì)損失。

3.2 城市基礎(chǔ)設(shè)施的收縮和擴(kuò)張

正是由于災(zāi)后人口的重分布,日常情況下城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)將會(huì)在災(zāi)后出現(xiàn)不同程度的收縮和擴(kuò)張現(xiàn)象,巨災(zāi)之后尤其明顯,此時(shí),若以系統(tǒng)日常分布或者需求標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)其抗災(zāi)能力,則會(huì)產(chǎn)生顯著誤差。此處以2個(gè)系統(tǒng)為例進(jìn)行說明,一是醫(yī)療系統(tǒng),二是供水系統(tǒng)。

對(duì)醫(yī)療系統(tǒng)的抗災(zāi)韌性分析是目前的熱點(diǎn)[87-88],然而由于失于對(duì)城市災(zāi)后異化的考察,通常是以系統(tǒng)日常組成或者需求進(jìn)行評(píng)估。然而,災(zāi)后系統(tǒng)的空間分布和需求,已經(jīng)發(fā)生顯著變化。在唐山地震中,醫(yī)療系統(tǒng)主要包含:1)臨時(shí)的包扎點(diǎn)和醫(yī)療點(diǎn);2)震區(qū)震害較輕的醫(yī)療機(jī)構(gòu);3)唐山軍用飛機(jī)場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn);4)解放軍和各省市地區(qū)支援的醫(yī)療隊(duì)。相關(guān)證據(jù)如下:唐山市中心區(qū),新華道以北37個(gè)醫(yī)療隊(duì),2 100多名醫(yī)務(wù)人員;新華道以南28個(gè)醫(yī)療隊(duì),2 600多名醫(yī)務(wù)人員;陡河以東69個(gè)醫(yī)療隊(duì),4 100多名醫(yī)務(wù)人員[79]。相比于震前,唐山市區(qū)有醫(yī)院58個(gè),病床7 575張,醫(yī)務(wù)人員9 671人,而地震則導(dǎo)致唐山市醫(yī)務(wù)衛(wèi)生人員震亡1 008人[9]。類似地,汶川地震中,綿陽市北川縣醫(yī)院僅3人生還,震后0.5 h在縣政府門口、職業(yè)中學(xué)門口、縣衛(wèi)生局門口、北川中學(xué)操場(chǎng)成立現(xiàn)場(chǎng)救援隊(duì)。2008年5月12日下午7點(diǎn),綿陽市4支醫(yī)療隊(duì)進(jìn)入北川、安縣等極重災(zāi)區(qū),晚上11時(shí),綿陽市11名人員組成的醫(yī)療隊(duì)進(jìn)入北川中學(xué)醫(yī)療點(diǎn),其他多處來自江蘇、遼寧、云南、上海和解放軍的醫(yī)療救援和轉(zhuǎn)運(yùn)工作不再贅述。而在綿陽市區(qū),各大醫(yī)院均滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),安置點(diǎn)九州體育館醫(yī)療救助站累積救治35 568人次[89]。

通過唐山地震和汶川地震震害的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn):1)醫(yī)療系統(tǒng)的抗震能力已有極大的提升,綿陽市區(qū)地震以后,主要的醫(yī)院仍能行使正常的救治任務(wù)(更得益于城市建筑抗震能力的大幅提升);2)地震之后的醫(yī)療系統(tǒng)不僅包含既有醫(yī)院,還包含大量救治點(diǎn)、防疫隊(duì)伍、巡回醫(yī)療力量和救援力量,醫(yī)療系統(tǒng)的空間分布和其所服務(wù)的對(duì)象的分布與日常相比,均發(fā)生了顯著變化。

供水系統(tǒng)災(zāi)后也會(huì)發(fā)生顯著變化。這一方面表現(xiàn)為由于地震直接破壞導(dǎo)致的滲漏、停運(yùn)等現(xiàn)象,另一方面,震害導(dǎo)致供水管網(wǎng)出現(xiàn)與日常運(yùn)維迥異的現(xiàn)象,表現(xiàn)為:1)空間需水的顯著變化,例如汶川地震以后,由于大量市民從市區(qū)遷出,市區(qū)居民用水量只有原來的30%,而震后供水的60%都供應(yīng)到板房集中安置區(qū);廣元市的調(diào)查則表明,由于許多企事業(yè)單位停產(chǎn),其震后銷售水量不及正常月份的1/3。2)供水力量和形式的變化,汶川地震后北川縣供水系統(tǒng)完全損壞,通過臨時(shí)供水車、緊急鋪設(shè)供水管道、建立公共取水點(diǎn)等,實(shí)現(xiàn)了北川縣城的有效供水。因此,對(duì)供水系統(tǒng)抗災(zāi)能力的評(píng)估,不能忽視對(duì)其應(yīng)急保障能力的衡量。3)災(zāi)后次生災(zāi)場(chǎng)如火災(zāi)、傳染病對(duì)供水管網(wǎng)需求和供水能力的進(jìn)一步異化。4)災(zāi)后維修力量的劇烈改變,使得如何合理建模以求解得到真實(shí)可靠的系統(tǒng)恢復(fù)曲線,也面臨相當(dāng)?shù)膯栴},如綿竹水務(wù)公司有來自全國(guó)的20余支搶險(xiǎn)救援隊(duì)伍,10 d內(nèi)數(shù)千人次即新埋設(shè)DN200～DN600的供水管道12 km,而日常情況下這一施工時(shí)間可能需要月余。

4 生命線系統(tǒng)抗災(zāi)韌性與耦合影響

4.1 生命線系統(tǒng)災(zāi)后恢復(fù)的基本過程

地震發(fā)生以后,生命線系統(tǒng)必然經(jīng)受程度不一的破壞,但是由于各系統(tǒng)所承擔(dān)的任務(wù)不同,因而具有各自不同的恢復(fù)次序和恢復(fù)特色。本文以供水系統(tǒng)和供電系統(tǒng)作為代表性生命線系統(tǒng)進(jìn)行分析,并根據(jù)震害調(diào)查報(bào)告的詳細(xì)梳理,總結(jié)唐山地震中2個(gè)系統(tǒng)的基本恢復(fù)過程,并進(jìn)一步從韌性城市的視角,對(duì)不同時(shí)刻的系統(tǒng)功能進(jìn)行量化估計(jì),結(jié)果如表4、5所示,而汶川地震中2個(gè)系統(tǒng)的基本恢復(fù)過程則如表6、7所示,其中水電系統(tǒng)的功能指標(biāo)均以其可服務(wù)人口比例作為各自的功能指標(biāo)。4個(gè)表的內(nèi)容以系統(tǒng)恢復(fù)曲線的形式繪制于圖7、8,由圖可得如下重要結(jié)論:

圖7 唐山地震中唐山水電網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)曲線Fig.7 Restoration curve of water and power supply networks of Tangshan after Tangshan earthquakes

圖8 汶川地震中綿陽水電網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)曲線Fig.8 Restoration curves of water and power supply networks of Mianyang after Wenchuan earthquakes

事項(xiàng)1—收聽文藝節(jié)目;事項(xiàng)2—看電影或看戲;事項(xiàng)3—參加文化活動(dòng);事項(xiàng)4—做家具;事項(xiàng)5—儲(chǔ)蓄;事項(xiàng)6—操辦個(gè)人婚事;事項(xiàng)7—操辦兒女婚事圖9 唐山地震后正常生活內(nèi)容進(jìn)入災(zāi)民生活的時(shí)間分布[9]Fig.9 Time distribution of normal life things entering the life of victims after Tangshan earthquake[9]

表4 1976年唐山地震后供水系統(tǒng)的基本恢復(fù)過程和量化分析Table 4 Basic restoration process and quantitative analysis of water supply networks after Tangshan earthquake in 1976

表5 1976年唐山地震后供電系統(tǒng)的基本恢復(fù)過程和量化分析Table 5 Basic restoration process and quantitative analysis of power supply networks after Tangshan earthquake in 1976

表6 2008年汶川地震后綿陽供水系統(tǒng)的基本恢復(fù)過程和量化分析Table 6 Basic restoration process and quantitative analysis of water supply networks in Mianyang City after Wenchuan earthquake in 2008

表7 2008年汶川地震后綿陽電網(wǎng)的基本恢復(fù)過程和量化分析Table 7 Basic restoration process and quantitative analysis of power supply networks in Mianyang City after Wenchuan earthquake in 2008

1) 相比于唐山地震,汶川地震中水電系統(tǒng)的抗震韌性明顯改善。首先,從震后剩余功能來看,唐山地震中水電系統(tǒng)的功能均完全喪失,而汶川地震后,供水系統(tǒng)的功能剩余約40%(后降至10%),供電系統(tǒng)功能則剩余大約2%。其次,從恢復(fù)速度來看,汶川地震后水電系統(tǒng)具有更快的恢復(fù)速度,其早期的恢復(fù)曲線的斜率更大,若以功能恢復(fù)至80%為目標(biāo),唐山地震后供水系統(tǒng)用時(shí)約67.42 d,供電系統(tǒng)用時(shí)約75.44 d,而汶川地震后供水系統(tǒng)用時(shí)1.41 d,供電系統(tǒng)用時(shí)約0.31 d,后者與前者相比,供水系統(tǒng)恢復(fù)速度提升了大約47倍,供電系統(tǒng)恢復(fù)速度提升了約242倍。顯然,這與前文所述唐山地震后我國(guó)城市進(jìn)入抗震設(shè)防的管理階段,具有重大的關(guān)系。

2) 從震后系統(tǒng)功能恢復(fù)曲線來看,系統(tǒng)的功能喪失和恢復(fù)過程是復(fù)雜的,可能有反復(fù)的過程。以汶川地震后綿陽市供水系統(tǒng)為例,震后供水系統(tǒng)功能剩余40%,但是由于電力系統(tǒng)的影響,導(dǎo)致供水系統(tǒng)的功能進(jìn)一步喪失(降至10%),隨后又逐漸恢復(fù)。顯然,這與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知不同,即震后系統(tǒng)功能喪失并非一次性的,而是可能出現(xiàn)反復(fù)。特別是供水系統(tǒng),其受到供電系統(tǒng)耦合性的影響顯著,該例凸顯了生命線工程進(jìn)行耦合分析的必要性。

3) 由于震后整個(gè)城市救援工作的復(fù)雜性,短時(shí)間內(nèi)要求系統(tǒng)恢復(fù)至100%是不現(xiàn)實(shí)的。正如前文所述,災(zāi)后城市恢復(fù)具有階段性特征,因此,無論是從震災(zāi)描述來看,還是從實(shí)際恢復(fù)曲線分析,水電系統(tǒng)的功能調(diào)查記錄從災(zāi)后的“分、小時(shí)”的描述逐漸粗略至“日、月”,突顯水電系統(tǒng)的恢復(fù)也具有階段性的特征,人們最關(guān)注的實(shí)際上是應(yīng)急階段和救援階段的功能恢復(fù)特性,而對(duì)于重建和復(fù)興階段,則并非水電系統(tǒng)韌性分析關(guān)注的焦點(diǎn)。

4) 長(zhǎng)時(shí)間地看,當(dāng)城市恢復(fù)進(jìn)入重建或者復(fù)興階段,相比于災(zāi)前,系統(tǒng)功能反而可能出現(xiàn)明顯提升,即突破原來的100%。以唐山供電系統(tǒng)為例,在災(zāi)后約100 d,系統(tǒng)的功能即恢復(fù)到了災(zāi)前水平,即100%,而在復(fù)興階段中的17 852.29 h,即743.8 d,系統(tǒng)功能反而增加到230%,相比災(zāi)前,提升了1.3倍。

5) 此外,根據(jù)式(1)和水電系統(tǒng)功能恢復(fù)曲線,計(jì)算兩市各系統(tǒng)韌性指標(biāo)值如表8所示?？梢钥闯?綿陽市水電系統(tǒng)表現(xiàn)出更高的韌性值,但唐山市供電網(wǎng)絡(luò),由于地震災(zāi)害的影響,災(zāi)后性能反而超越了災(zāi)前,系統(tǒng)韌性指標(biāo)值為1.523 3,出現(xiàn)韌性提高的現(xiàn)象,尤應(yīng)引起注意。

表8 水電網(wǎng)絡(luò)韌性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Table 8 Calculation results of resilience indicators for water and power supply networks

4.2 城市生命線系統(tǒng)的耦合影響

耦合生命線系統(tǒng)(interdependent lifeline systems)或者耦合基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)(interdependent infrastructure systems)是指在功能上相互影響的生命線系統(tǒng)或者基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。隨著韌性城市研究的興起,作為支撐城市功能的關(guān)鍵物質(zhì)系統(tǒng),耦合生命線系統(tǒng)的研究已成為熱點(diǎn)[44]。事實(shí)上,早在唐山地震的調(diào)查報(bào)告中,沈爾松[90]就明確指出,供水系統(tǒng)的恢復(fù)要與供電部門聯(lián)系,明確供電部位的先后次序,從經(jīng)驗(yàn)上揭示了水電系統(tǒng)的協(xié)同恢復(fù)問題。然而事實(shí)上,除了水電系統(tǒng)以外,2次地震還揭示出如下重要經(jīng)驗(yàn):

1) 供電系統(tǒng)對(duì)于災(zāi)后應(yīng)急救援的基礎(chǔ)性作用。唐山地震由于發(fā)生于深夜,城市電網(wǎng)徹底破壞,全市照明完全喪失,黑暗成了災(zāi)后搶險(xiǎn)救災(zāi)的最大障礙,供電系統(tǒng)失效不僅影響了救援、通信、供水,同時(shí)也影響煤礦業(yè)、商業(yè)、郵電業(yè)、銀行業(yè)等。汶川地震后,綿陽供電系統(tǒng)負(fù)荷降至災(zāi)前1%,北川縣供電系統(tǒng)更是遭受毀滅性打擊。因此,必須優(yōu)先保障供電系統(tǒng)的功能[91]。

2) 通信系統(tǒng)對(duì)于災(zāi)后應(yīng)急救援的關(guān)鍵性作用。唐山地震發(fā)生于1976年7月28日3時(shí)42分53.8秒,但4小時(shí)18分以后,才以人開車的方式到達(dá)北京報(bào)告地震的確切消息。通信系統(tǒng)的中斷,對(duì)整個(gè)唐山的應(yīng)急救援和社會(huì)秩序都產(chǎn)生顯著的影響。汶川地震發(fā)生于2008年5月12日15時(shí)05分,北川縣城廣播、電視、固定和移動(dòng)電話、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)同時(shí)中斷,通信全部中斷,12日19時(shí),搶險(xiǎn)隊(duì)于北川臨時(shí)搭接應(yīng)急電源40余處,此時(shí),通信系統(tǒng)依然無法運(yùn)營(yíng),直到西安應(yīng)急通信保障隊(duì)伍到達(dá)后,直至13日15時(shí),才撥通與外界的第1個(gè)電話,通信中斷整整23 h55 min。

3) 道路系統(tǒng)對(duì)于災(zāi)后應(yīng)急救援的決定性作用。這種作用不僅體現(xiàn)在供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)等的維修和恢復(fù)中,還體現(xiàn)在大量救援物資、救援人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)的過程中。汶川地震以后,由于通信中斷、交通堵塞,綿陽市衛(wèi)生局機(jī)關(guān)工作人員只能跑步前往城區(qū)各醫(yī)院建立網(wǎng)絡(luò)體系。北川成為孤島,通信、道路中斷,嚴(yán)重影響了救援,救援人員于13日凌晨方才打通綿陽至北川的生命通道。

4) 供水系統(tǒng)對(duì)于災(zāi)后應(yīng)急救援的支撐性作用。供水具有維系生命和開展醫(yī)療救援、保障救援隊(duì)伍工作的特殊作用。從震災(zāi)記錄和訪談來看,1976年7月29—30日大量傷員死于焦渴,飲用污染水又進(jìn)一步導(dǎo)致嚴(yán)重的傳染病[95]。汶川地震以后,城市地區(qū)的供水得到比較有效的保障,但是仍然反映出管網(wǎng)老化、部分地區(qū)震損嚴(yán)重、缺少備用水源、水質(zhì)處理設(shè)備抗震能力弱、鄉(xiāng)村地區(qū)供水能力匱乏的種種問題[20]。同時(shí),汶川地震中供水系統(tǒng)還表現(xiàn)出普遍性的供電系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性破壞、暴雨二次災(zāi)害、謠言導(dǎo)致的搶水風(fēng)波等問題,還有待于進(jìn)一步的研究。

除上述直觀的經(jīng)驗(yàn)之外,災(zāi)后城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)還體現(xiàn)出如下耦合影響:1)醫(yī)療系統(tǒng)作為非典型性基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng),在災(zāi)后應(yīng)急救援階段具有重大作用。2)城市基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)和重建,還與當(dāng)?shù)氐墓I(yè)系統(tǒng)和商業(yè)系統(tǒng)交互影響。如唐山地震中,開灤煤礦礦井被水淹沒,必須供電恢復(fù)以后才能開始排水及恢復(fù)生產(chǎn),8月份開灤煤礦下屬的馬家溝礦井率先恢復(fù)生產(chǎn),至10月份,全礦區(qū)6個(gè)礦井恢復(fù)生產(chǎn),至12月18日達(dá)到震前水平,而煤礦、電廠、水泥廠等工業(yè)系統(tǒng)的恢復(fù),又有力地支撐了災(zāi)后的城市重建工作[95]。

5 特殊基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)

正如第4節(jié)所分析,自唐山地震以后,傳統(tǒng)的生命線系統(tǒng)已引起大家重視,如供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)等。汶川地震以后,非傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施在系統(tǒng)層次的研究,也引起普遍關(guān)注,如醫(yī)療系統(tǒng)(包含醫(yī)院系統(tǒng)、血液保障[96]、藥品供應(yīng)[97]等)、避難需求[98](應(yīng)該注意,作為災(zāi)后城市抗震救災(zāi)的重要設(shè)施,避難場(chǎng)所具有特殊重要的意義,基于城市韌性的視角對(duì)避難場(chǎng)所開展研究仍有待于進(jìn)一步深入開展)乃至于整個(gè)省份的防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)[99]等。此外,一些環(huán)境科學(xué)、人文科學(xué)等領(lǐng)域的問題也引起了關(guān)注,如生態(tài)系統(tǒng)、跟蹤審計(jì)、社會(huì)資本、對(duì)口支援、非政府組織等[100]。自美國(guó)“9·11事件”以后,受PPD-8和PPD-21總統(tǒng)令的影響,美國(guó)重新定義了關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的概念,美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)(American Society of Civil Engineers,ASCE)生命線地震工程委員會(huì)(Technical Council on Lifeline Earthquake Engineering,TCLEE)亦改組為基礎(chǔ)設(shè)施韌性分會(huì)(Infrastructure Resilience Division,IRD),生命線的概念得到拓展,凸顯了學(xué)界對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的特殊認(rèn)識(shí)。結(jié)合唐山和汶川地震的調(diào)查報(bào)告不難發(fā)現(xiàn),一些特殊的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng),仍未能進(jìn)行有效研究,特別是從系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)層次視角,主要包括:

1) 地鐵系統(tǒng)(metro system):地鐵系統(tǒng)作為城市交通系統(tǒng)的重要組成部分,承擔(dān)著巨量的乘客運(yùn)輸任務(wù),唐山地震時(shí)我國(guó)大陸尚未修建地鐵系統(tǒng),汶川地震以后,成都、重慶地鐵系統(tǒng)的車站、隧道均出現(xiàn)了不同程度的破壞[101],但由于二者在6～7度烈度區(qū),因而強(qiáng)震區(qū)的破壞經(jīng)驗(yàn)仍屬空白,但從公路系統(tǒng)隧道破壞來看,在9度和9度以上的地區(qū),其破壞仍非常嚴(yán)重[19]。目前,中國(guó)具有地鐵運(yùn)行的40個(gè)大城市中,北京、天津、西安、高雄、臺(tái)北仍面臨著相當(dāng)?shù)牡卣痫L(fēng)險(xiǎn),因此,必須強(qiáng)化對(duì)地鐵系統(tǒng)的抗震韌性分析。

2) 軍事系統(tǒng)(military system):軍事系統(tǒng)迅速有力參與災(zāi)后應(yīng)急救援任務(wù)是中國(guó)體制和武裝力量的特色之一[102]。唐山地震后解放軍共投入官兵24.7萬人,車輛近萬輛,飛機(jī)4 600架次。汶川地震后,共投入官兵14.6萬人[103],但正如文獻(xiàn)[104]指出的,汶川地震也暴露出非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)存在救災(zāi)裝備有限、救災(zāi)預(yù)案演練不夠、情報(bào)偵察能力較弱的問題。美國(guó)“9·11事件”以后,以總統(tǒng)令(PPD-21)的形式強(qiáng)化對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的韌性研究并投入了大量費(fèi)用[105-106]。我國(guó)目前對(duì)軍事系統(tǒng)分析多集中在作戰(zhàn)領(lǐng)域[107],對(duì)自然災(zāi)害領(lǐng)域僅有關(guān)于軍事醫(yī)院、軍事后勤保障等研究,而對(duì)于軍事系統(tǒng)如何與救災(zāi)相結(jié)合(非戰(zhàn)爭(zhēng)大規(guī)模軍事行為)以及戰(zhàn)爭(zhēng)情況下的救災(zāi)行動(dòng)尚未見系統(tǒng)性分析。

3) 食品系統(tǒng)(food system):食物包含飲水是災(zāi)后生存和救援的第一物質(zhì)保障,唐山地震后的社會(huì)調(diào)查表明,震后人們第一需求對(duì)食品的選擇達(dá)到61.1%,水為12.5%,其次是衣物11.7%,臨時(shí)窩棚5.5%,前2項(xiàng)合計(jì)達(dá)到73.6%。因此,對(duì)城市食品供應(yīng)和應(yīng)急保障進(jìn)行系統(tǒng)層次的研究就非常必要。目前國(guó)內(nèi)還鮮有研究,而國(guó)外研究已初見雛形[108-109],特別是地震以后的食品安全問題,吸引了包含約翰霍普金斯大學(xué)[110]、科羅拉多州立大學(xué)[111]等在內(nèi)的一批學(xué)者。

4) 心理救援系統(tǒng)(psychological rescue system):唐山震后社會(huì)調(diào)查表明,在災(zāi)后1周,人際溝通和精神需要即明顯超過人的生存需要,而人群中的痛苦情緒,則要持續(xù)1 a甚至數(shù)年,通常8個(gè)月以后正常的生活內(nèi)容才逐步進(jìn)入災(zāi)民生活之中,具體見圖 9。因此,文獻(xiàn)[9]明確提出,必須全面認(rèn)識(shí)地震對(duì)人的傷害,特別是心理和精神要素,這種傷害是巨大的,比生理損傷復(fù)雜得多,且會(huì)進(jìn)一步加重各種次生災(zāi)害、削弱救災(zāi)作用、延緩甚至妨礙救災(zāi)活動(dòng)。汶川地震以后,我國(guó)已經(jīng)具備了創(chuàng)傷后應(yīng)急障礙(post-traumatic stress disorder,PTSD)的完備概念,心理干預(yù)按危機(jī)人群和危機(jī)時(shí)期分4級(jí)、2期進(jìn)行。累計(jì)派出1萬余名心理專業(yè)人員,設(shè)立心理咨詢門診4 600多個(gè),治療患者近1 000人,展開高危人群心理干預(yù)10.5萬人次,培訓(xùn)人員1.4萬人次[112]。然而,從韌性城市的視角,整個(gè)心理救援活動(dòng)還未實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層次的物理建模和分析,如何與生物學(xué)治療更好地結(jié)合起來并與城市物質(zhì)系統(tǒng)的震害破壞相聯(lián)系[113],從而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市系統(tǒng)整體進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)能力的評(píng)估,仍待進(jìn)一步研究。

5) 防疫系統(tǒng)(epidemic prevention system):唐山地震以后3、4 d即出現(xiàn)了大量腸炎、痢疾患者,1周后形成第1次高峰,患病率在市區(qū)為10%～20%,在農(nóng)村高達(dá)20%～30%。地震災(zāi)后發(fā)病戶占總戶數(shù)的66.6%,東礦區(qū)高達(dá)89.3%[9]。汶川地震以后,防疫力量大大增強(qiáng),以廣元市元壩區(qū)為例,2008年5月12日至10月14日,其全區(qū)報(bào)告?zhèn)魅静?2種共297例,其發(fā)病率為0.12%,與2007年同期報(bào)告法定傳染病13種共475例比,同比下降37.48%[114]。但除傳染病以外,2次地震均暴露出災(zāi)后尸體處理和衛(wèi)生設(shè)施不足且不成體系、環(huán)境污染嚴(yán)峻的問題,結(jié)合新冠疫情所暴露的防疫問題,構(gòu)建城市層次的防疫系統(tǒng)已經(jīng)初露端倪,具體可詳見楊俊宴等[115]的研究。

6) 輿情系統(tǒng)(public opinion system):輿情系統(tǒng)并非獨(dú)立系統(tǒng),而是由互聯(lián)網(wǎng)、廣播、電視及人群構(gòu)成的一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)。目前,輿情系統(tǒng)的分析常用于戰(zhàn)爭(zhēng)和政府管理等領(lǐng)域。然而,2次地震均揭示出災(zāi)后輿情系統(tǒng)的特殊重要性,它不僅是指揮通信系統(tǒng)的延伸,同時(shí)對(duì)災(zāi)后應(yīng)急救援和城市災(zāi)后重建起到重要影響。唐山震后人們的信息來源和比例分別為:廣播和報(bào)紙26.4%,單位、救援人員、街道40.8%,親友和道聽途說27.8%。震后唐山市的砸搶犯罪明顯升高,117例犯罪中有94起砸搶罪。文獻(xiàn)[9]曾明確指出,震后社會(huì)控制主要依靠社會(huì)輿論和社會(huì)心理的軟控制,但災(zāi)后地方政權(quán)消失,與中央和省政府聯(lián)系中斷,人們信息來源以人際傳播為主,正式渠道很少,從而很容易引發(fā)不軌行為。汶川地震中,輿情系統(tǒng)對(duì)供水管網(wǎng)的影響也非常顯著,災(zāi)難導(dǎo)致群眾對(duì)任何涉及生活、生命安全的信息都異常關(guān)注,成都市2008年5月14日爆發(fā)搶水風(fēng)波,1 h內(nèi)供水管網(wǎng)壓力從正常的0.28 MPa迅速降低到0.10 MPa,小時(shí)供水量達(dá)到前所未有的8.35萬m3,管網(wǎng)面臨巨大風(fēng)險(xiǎn)[20]。因此,從系統(tǒng)層次構(gòu)建具有抗震等級(jí)的輿情系統(tǒng)具有重要意義,目前該方面的研究,仍屬空白。

除此之外,還需要注意一些具有地域特色的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng),例如唐山所擁有的供熱系統(tǒng)、汶川山地地區(qū)的水利系統(tǒng)(極易形成堰塞湖)、少數(shù)民族的信仰設(shè)施[116](美國(guó)國(guó)土安全局將代表國(guó)家文化的建構(gòu)筑物列為17類關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之一[117]),另外還包括與碳中和戰(zhàn)略緊密相關(guān)的排污系統(tǒng)、垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)處理系統(tǒng)等。

6 結(jié)論

本文從韌性城市的視角,重新回顧并評(píng)述了中國(guó)城市防災(zāi)減災(zāi)史上的2次標(biāo)志性事件唐山地震和汶川地震,分析發(fā)現(xiàn),自1976年唐山地震以后至2008年汶川地震,中國(guó)的城市防災(zāi)減災(zāi)能力有了巨大提升,城市防災(zāi)減災(zāi)的建設(shè)取得輝煌成果和寶貴經(jīng)驗(yàn),科研人員和科研成果也取得顯著進(jìn)步。但是,應(yīng)該注意2次地震相隔的時(shí)間也比較長(zhǎng)(32 a),城市建筑和基礎(chǔ)設(shè)施以及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等的總體情況也發(fā)生了很大的變化,分析中的差異原因可能是來自多方面的。本文主要結(jié)論如下:

1) 韌性城市從空間和時(shí)間2個(gè)維度強(qiáng)化城市的系統(tǒng)性。空間維度強(qiáng)調(diào)對(duì)耦合基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)和以建構(gòu)筑物為載體的非傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的研究;時(shí)間維度強(qiáng)調(diào)災(zāi)后城市的恢復(fù)能力。

2) 城市災(zāi)后恢復(fù)具有顯著的階段性特征,同時(shí)表現(xiàn)出顯著的異化現(xiàn)象,其典型表現(xiàn)是城市人口的重分布和基礎(chǔ)設(shè)施的收縮與擴(kuò)張,分階段的、考慮城市災(zāi)后異化表現(xiàn)的城市抗災(zāi)韌性研究,目前仍屬空白。

3) 城市生命線系統(tǒng)作為典型的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng),傳統(tǒng)研究落腳點(diǎn)在于救援階段和避難階段,對(duì)重建和復(fù)興階段的研究,仍屬空白;災(zāi)后生命線系統(tǒng)表現(xiàn)出顯著的耦合現(xiàn)象,甚至與社會(huì)系統(tǒng)交互作用,產(chǎn)生強(qiáng)烈相互作用,目前的研究仍待開展。

4) 一些特殊基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的抗災(zāi)韌性研究,隨著韌性城市的研究逐漸萌芽,如地鐵系統(tǒng)、軍事系統(tǒng)、食品系統(tǒng)、心理救援系統(tǒng)、防疫系統(tǒng)和輿情系統(tǒng),此外還包括一些地區(qū)性的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng),從韌性城市視角對(duì)其進(jìn)行分析和提升,目前仍有相當(dāng)?shù)目臻g。

5) 應(yīng)關(guān)注具體發(fā)震時(shí)間的研究,地震發(fā)生于白天或者黑夜,其人群的分布和需求,具有顯著的差異,這就從城市底層,對(duì)各系統(tǒng)的功能需求提出了不同的要求,正如唐山地震之后,電力系統(tǒng)的破壞導(dǎo)致失去照明,嚴(yán)重影響了救援工作,此時(shí),供電系統(tǒng)的功能需要超越了供水系統(tǒng),而隨著救援工作的進(jìn)行,災(zāi)后人群對(duì)水的需求,又逐漸超越了對(duì)電的需求。

最后,筆者想要強(qiáng)調(diào)的是,韌性城市的研究為傳統(tǒng)土木工程防災(zāi)研究提供了更加廣闊和綜合的視角,土木工程師不再是孤立的應(yīng)用力學(xué)家,而是與供電系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)、防疫系統(tǒng)、輿情系統(tǒng)等更加緊密地結(jié)合在一起,城市防災(zāi)減災(zāi)不再是“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的局面,而是“綜合辯證、系統(tǒng)治理”,結(jié)合全壽命、可持續(xù)發(fā)展、碳中和等理念,城市作為一個(gè)類生命體的概念愈發(fā)明顯[118-121],生命城市的概念已經(jīng)呼之欲出。