生態(tài)韌性導(dǎo)向下的城市綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃研究
——理論框架與技術(shù)路徑

文／華 晨 浙江大學(xué)城市規(guī)劃與設(shè)計研究所 浙江大學(xué)平衡建筑研究中心 教 授 博 士

高雅清 浙江大學(xué)城市規(guī)劃與設(shè)計研究所 博士研究生

李詠華 浙江大學(xué)城市規(guī)劃理論與技術(shù)研究所 浙江大學(xué)平衡建筑研究中心 教 授 博 士（通訊作者）

引言

由于全球氣候變暖和環(huán)境退化，近年來亞太地區(qū)發(fā)生的自然災(zāi)害在強度、頻率、不確定性和復(fù)雜性方面都呈現(xiàn)出增加趨勢?！?019 年亞太災(zāi)害報告》中指出，中國是亞太地區(qū)受災(zāi)害威脅程度最高的國家，雨洪災(zāi)害造成了損失巨大。目前我國雨洪災(zāi)害基本覆蓋了31 個省份，超過六成以上城市遭受洪災(zāi)[1]，“城市看?！爆F(xiàn)象成為常態(tài)。在雨洪災(zāi)害面前城市表現(xiàn)出極大的脆弱性，2021 年7 月河南遭遇千年一遇特大暴雨，人民生命財產(chǎn)安全遭受嚴(yán)重?fù)p失，城市的生存和可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重制約。為增強應(yīng)對突發(fā)事件能力，提升自然災(zāi)害防御水平，我國“十四五”規(guī)劃指出亟須推動韌性城市建設(shè)以加強城市風(fēng)險防控。提升城市韌性對于增強城市雨洪適應(yīng)能力，減少受災(zāi)影響，促進災(zāi)后恢復(fù)，具有重要的現(xiàn)實意義。

面對城市雨洪災(zāi)害，生態(tài)韌性理論摒棄“對立防治”和“絕對調(diào)控”的傳統(tǒng)觀念，旨在使城市系統(tǒng)遭受沖擊后能夠自我調(diào)適恢復(fù)至生態(tài)平衡狀態(tài)[2]，是提升城市雨洪韌性的重要支撐。綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施融合了自然生態(tài)系統(tǒng)和人工景觀，涵蓋對雨水從產(chǎn)生到排放的全過程管控，打造和完善城市綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)對于提升城市雨洪韌性具有重要意義，是城市韌性建設(shè)的有效途徑。

因此，在當(dāng)前雨洪災(zāi)害的問題導(dǎo)向和提升城市雨洪韌性的目標(biāo)導(dǎo)向下，本文首先探討了生態(tài)韌性和城市綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施的理論內(nèi)涵；其次基于生態(tài)韌性理論的前瞻性、適應(yīng)性、冗余度特征，構(gòu)建了城市綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃框架；最后提出模塊化的技術(shù)路徑，將理論與實踐相結(jié)合，為城市雨洪管理由“剛性被動防御”轉(zhuǎn)向“韌性主動適應(yīng)”提供參考，以期提高城市韌性以應(yīng)對雨洪災(zāi)害。

1 相關(guān)概念及研究進展

1.1 生態(tài)韌性

生態(tài)韌性由霍林①在1973 年關(guān)于系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的里程碑式論文中提出，將其定義為系統(tǒng)受干擾后恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的能力[3]。1990 年生態(tài)韌性被首次引入城市規(guī)劃領(lǐng)域，運用于城市應(yīng)對氣候變化和抵御災(zāi)害[4]。在以生態(tài)韌性為基礎(chǔ)的雨洪管理中，將“承受”和“重建”作為理論內(nèi)涵，把城市受到的擾動和沖擊外力視為學(xué)習(xí)機會，依靠韌性系統(tǒng)具備的適應(yīng)性和重組力，實現(xiàn)系統(tǒng)各要素的平衡和穩(wěn)定，使城市在雨洪災(zāi)害面前得以存續(xù)。

1.2 綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施

綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施（Green Stormwater Infrastructure，GSI）指針對雨水進行控制和利用的綠色網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括城市雨水管理系統(tǒng)內(nèi)的各類綠色生態(tài)設(shè)施[5]。與傳統(tǒng)市政管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施直接收集排放雨水不同，GSI 從源頭、滲透、儲存、調(diào)節(jié)、傳輸、凈化等一系列環(huán)節(jié)對雨水進行全方位全過程管控，建立起城市“土壤-植物-水”系列的以雨水管理為明確指向的一體化系統(tǒng)。GSI 按其在雨水徑流中發(fā)揮作用的位置分為源頭減排設(shè)施、中端傳輸設(shè)施和末端控制設(shè)施，分別對雨水發(fā)揮消減、引流和匯聚調(diào)蓄功能，三種不同位置的GSI 要素相輔相成，共同構(gòu)成城市雨水管理系統(tǒng)[6]。

1.3 生態(tài)韌性視角下的GSI 規(guī)劃有待進一步研究

目前國內(nèi)外GSI 相關(guān)研究的重點主要集中在評估體系和設(shè)計策略上。評估體系方面，現(xiàn)有研究大多側(cè)重于如何評估和預(yù)測GSI 在流域尺度上的長期性能，主要通過開發(fā)水文和水力模型研究GSI 的水文過程，模擬雨水的徑流過程以及評估徑流量和GSI 在城市排水中的有效性[7]。設(shè)計策略方面，主要通過研究優(yōu)秀案例中的GSI 設(shè)計方法，為GSI 建設(shè)提供借鑒參考[8]，多從景觀效果和環(huán)境效益方面提出GSI 優(yōu)化策略，包括不同雨洪管理目標(biāo)下的GSI 設(shè)施選用方法[9]、GSI 區(qū)域優(yōu)化配置模式[10]以及GSI 適應(yīng)性植物的選擇和設(shè)計方法等[11]。

由此可見，現(xiàn)有GSI 的研究多集中在GSI系統(tǒng)本身，韌性思維并未得到重視，鮮有研究與韌性相結(jié)合，引入生態(tài)韌性等相關(guān)概念。在研究重點上，現(xiàn)有研究多側(cè)重于實踐層面，重點聚焦工程視角下的評估體系構(gòu)建和針對實際案例的設(shè)計策略提升，缺乏理論基礎(chǔ)研究以及自上而下的統(tǒng)籌規(guī)劃。研究內(nèi)容上，現(xiàn)有研究在與生態(tài)韌性結(jié)合方面存在極大不足，以提升雨洪韌性為目標(biāo)的導(dǎo)向性不明顯，多以定性分析為主，內(nèi)容多集中在效果評估、設(shè)施配置或綠色植物選擇等單一方面的設(shè)計研究上，并沒有集中探討以提升城市韌性為目的的GSI 體系建構(gòu)方法，缺乏目標(biāo)導(dǎo)向下GSI 體系的構(gòu)建研究。因此，生態(tài)韌性視角下的GSI 規(guī)劃亟須以提高城市韌性對抗雨洪災(zāi)害為目標(biāo)導(dǎo)向，構(gòu)建GSI 規(guī)劃框架體系，將定性與定量分析相結(jié)合，探討技術(shù)路徑與實證方法。

2 城市GSI 生態(tài)韌性規(guī)劃的理論框架

生態(tài)韌性理論具有前瞻性、冗余度和適應(yīng)性的特征。前瞻性轉(zhuǎn)變了被動承災(zāi)的思維，認(rèn)為韌性提升是主動過程；冗余度提升城市的包容性，為防止系統(tǒng)在突發(fā)狀況下失效癱瘓?zhí)峁┘皶r響應(yīng)措施；適應(yīng)性指系統(tǒng)具備恢復(fù)能力，能夠在災(zāi)后提高系統(tǒng)韌性以適應(yīng)未來的不確定性；在提升城市雨洪韌性的目標(biāo)導(dǎo)向下，這些概念可轉(zhuǎn)換為GSI 韌性承洪的主要特征，構(gòu)成生態(tài)韌性導(dǎo)向下GSI 生態(tài)韌性的理論框架（圖1）。

圖1 生態(tài)韌性導(dǎo)向下GSI 規(guī)劃理論框架圖

2.1 前瞻性——加強災(zāi)前“把控力”的前期預(yù)判

生態(tài)韌性理論認(rèn)為擾動是不可避免的，系統(tǒng)天生具備不確定性和脆弱性。因此，在面對城市雨洪問題上，提升城市韌性本質(zhì)上是提高城市避免受災(zāi)的能力，預(yù)防災(zāi)后城市功能受損和社會經(jīng)濟崩潰。生態(tài)韌性的前瞻性包含反省性和穩(wěn)健性的特征，反省性體現(xiàn)在對過去的經(jīng)歷進行檢查和審視，獲取經(jīng)驗教訓(xùn)以指導(dǎo)城市未來發(fā)展。穩(wěn)健性體現(xiàn)在通過獲得對于災(zāi)害的預(yù)判和把控能力，爭取達到長足穩(wěn)健的狀態(tài)，使城市在遭受沖擊時免受重大損失。在基于生態(tài)韌性的城市GSI 的系統(tǒng)框架中，首先通過研究城市已發(fā)生雨洪事件的頻率、受災(zāi)程度、災(zāi)后恢復(fù)狀況、極端天氣影響以及受災(zāi)最嚴(yán)重的區(qū)域等，實現(xiàn)對城市雨洪災(zāi)害的風(fēng)險預(yù)判。利用城市國土空間規(guī)劃以及大數(shù)據(jù)時代大背景下的ArcGIS 平臺，以流域視野為基礎(chǔ)，以實際問題為導(dǎo)向，建立城市空間數(shù)據(jù)庫進行雨洪災(zāi)害的脆弱性及風(fēng)險判定，模擬設(shè)置特定城市雨洪事件發(fā)生的情境，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的前瞻性與預(yù)判性。

2.2 冗余度——具備災(zāi)中“響應(yīng)力”的動態(tài)評估

擁有冗余度特征的雨洪管理系統(tǒng)具有較強的靈活性，在災(zāi)難到來時能夠有效靈活地聯(lián)動系統(tǒng)內(nèi)各要素。各要素功能具有可替代性和多功能性的特征，一旦災(zāi)害突發(fā)造成某要素功能缺失，多樣冗余的其余關(guān)聯(lián)要素可以發(fā)揮后備功能，使系統(tǒng)迅速得到修復(fù)，避免出現(xiàn)一處受災(zāi)導(dǎo)致整體癱瘓的情況。因此，在進行前期GSI要素的風(fēng)險預(yù)判之后，需要對城市GSI 各要素的承洪風(fēng)險等級進行劃分，根據(jù)不同的等級分區(qū)建立相應(yīng)的響應(yīng)機制。從而在雨洪災(zāi)害到來時能夠迅速進行風(fēng)險識別和響應(yīng)，并對響應(yīng)后的GSI 格局進行動態(tài)評估，及時準(zhǔn)確地調(diào)整響應(yīng)模式，靈活調(diào)動各關(guān)聯(lián)要素，實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)性和主動響應(yīng)特性。

2.3 適應(yīng)性——實現(xiàn)災(zāi)后“恢復(fù)力”的策略落實

系統(tǒng)的生態(tài)韌性能夠在應(yīng)對擾動的經(jīng)歷中得到建立和不斷提升。在GSI 規(guī)劃中，適應(yīng)性主要體現(xiàn)在災(zāi)后恢復(fù)的落實階段。城市在受到?jīng)_擊后，需要在災(zāi)后重建階段建立起更具適應(yīng)性的提升路徑，充分利用多樣化系統(tǒng)要素，提升系統(tǒng)各要素整合性和關(guān)聯(lián)性，以應(yīng)對下一場未知風(fēng)險。在GSI 規(guī)劃中，以上一階段城市GSI格局的動態(tài)評估結(jié)果為依據(jù)，在具體規(guī)劃設(shè)計層面積極響應(yīng)，將生態(tài)韌性的適應(yīng)性作為設(shè)計目標(biāo)和需求落實到具體的GSI 設(shè)計要素中，提出具有整體性和多樣化的GSI 各要素管控策略和設(shè)計導(dǎo)則，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的落地性和實踐性。

3 城市GSI 生態(tài)韌性規(guī)劃的技術(shù)路徑

3.1 技術(shù)路徑的思路解析

我國“十四五”規(guī)劃中提出“準(zhǔn)確識變、科學(xué)應(yīng)變、主動求變”的發(fā)展戰(zhàn)略，指出城市發(fā)展應(yīng)善于在危機中孕育先機。對于城市來說，災(zāi)害帶來的擾動可以看作是變化帶來的機遇，應(yīng)充分認(rèn)識到其對城市發(fā)展的潛在推動作用。與災(zāi)難共舞、具備較強適應(yīng)能力的城市系統(tǒng)，能夠隨著時間的推移不斷建立起韌性。城市韌性的提升得益于系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力，例如每次遭受雨洪災(zāi)害后，若能及時收集不同區(qū)域的災(zāi)情數(shù)據(jù)，從每一次災(zāi)害中吸收新的受災(zāi)情況，相應(yīng)調(diào)整應(yīng)對策略，就可以在“邊學(xué)邊做”中不斷適應(yīng)新情況，避免重復(fù)或無效措施，從而更好地迎接下一輪挑戰(zhàn)。

因此，城市GSI 生態(tài)韌性規(guī)劃的路徑構(gòu)建需要將雨洪災(zāi)害作為觸發(fā)GSI生態(tài)韌性的媒介，在學(xué)習(xí)中積累抗災(zāi)經(jīng)驗，在呼應(yīng)理論框架的同時強調(diào)經(jīng)驗積累和實踐反饋，在各模塊之間形成有效銜接。技術(shù)路徑構(gòu)建以“十四五”規(guī)劃為指導(dǎo)，包含“準(zhǔn)確識變、科學(xué)應(yīng)變、靈活適變、主動求變”四個步驟，對應(yīng)數(shù)據(jù)管理、風(fēng)險評估、規(guī)劃響應(yīng)和策略導(dǎo)則四個模塊，進行正負(fù)雙向的動態(tài)系統(tǒng)化反饋，形成Learn-by-doing 的適應(yīng)性學(xué)習(xí)模式（圖2）。

圖2 城市GSI 生態(tài)韌性規(guī)劃路徑示意圖

3.2 功能模塊的搭建方法

模塊化的城市GSI 生態(tài)韌性規(guī)劃路徑主要具備四大功能——數(shù)據(jù)管理、風(fēng)險評估、規(guī)劃響應(yīng)和策略導(dǎo)則，具備良好的網(wǎng)絡(luò)連通性、有機整體性、功能多樣性和動態(tài)適應(yīng)性（圖3）。

圖3 城市GSI 生態(tài)韌性規(guī)劃技術(shù)路徑圖

3.2.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊的目標(biāo)是為準(zhǔn)確識變服務(wù)，通過前期的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，明晰現(xiàn)有地理空間要素與GSI 系統(tǒng)要素特征，建立適用于下一風(fēng)險評估模塊的空間數(shù)據(jù)庫。因此，本模塊的主要功能包括三方面：第一，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行挖掘和收集，包含數(shù)字高程DEM 數(shù)據(jù)、坡度地形、現(xiàn)狀土地利用等空間數(shù)據(jù)以及植被覆蓋數(shù)據(jù)、降水水文數(shù)據(jù)、水利數(shù)據(jù)、水域及緩沖區(qū)、歷次災(zāi)情數(shù)據(jù)和其他相關(guān)GSI 要素數(shù)據(jù)等；第二，由于原始數(shù)據(jù)存在格式不統(tǒng)一、坐標(biāo)不一致及內(nèi)容有誤差等問題，所以需要對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理，利用Arc GIS 軟件作為數(shù)據(jù)管理平臺，進行研究范圍劃定、地形數(shù)據(jù)的預(yù)處理以及分圖層提取輸出等工作；第三，利用Arc GIS 軟件對多重地理空間數(shù)據(jù)進行分析和管理，最終獲得數(shù)據(jù)的可視化表達，形成空間數(shù)據(jù)庫。

3.2.2 風(fēng)險評估模塊

風(fēng)險評估模塊的目標(biāo)是為科學(xué)應(yīng)變服務(wù)，通過識別現(xiàn)有GSI 格局，對城市的潛在風(fēng)險進行辨識和測度，以應(yīng)對未知的雨洪災(zāi)害。在本模塊中首先需要構(gòu)建GSI 現(xiàn)狀格局，為后續(xù)風(fēng)險評估做準(zhǔn)備，主要通過ArcGIS 軟件的水文分析模塊與景觀格局指數(shù)分析功能，從不同層面的GSI 系統(tǒng)組成要素進行辨識，建立基于雨洪發(fā)生自然過程的GSI 整體格局；其次，通過回溯城市發(fā)展歷史上出現(xiàn)的歷次雨洪災(zāi)情，基于歷史規(guī)律進行情景模式設(shè)定，模擬不同降雨強度下的情景；最后，利用SCS-CN 模型對城市GSI 各要素進行承洪潛力評估，將雨洪壓力分布和GSI承洪潛力在空間層面上進行耦合、博弈，從而得到不同情景模式下的GSI 承洪風(fēng)險地圖。

承洪風(fēng)險地圖可以直觀地為規(guī)劃師和決策者提供信息，SCS-CN 模型作為基于降雨事件的集總式概念模型，參數(shù)簡單，數(shù)據(jù)易得，具有良好的適用性。使用SCS-CN 模型可以形成可視化、標(biāo)準(zhǔn)化、可推廣的工具包，在雨洪來臨前了解區(qū)域承洪容量缺口最大的高風(fēng)險區(qū)域、在災(zāi)中了解動態(tài)風(fēng)險的轉(zhuǎn)移趨勢、不同等級風(fēng)險的分布格局等，為應(yīng)對雨洪災(zāi)害提供科學(xué)指導(dǎo)，達到“科學(xué)應(yīng)變”的目的。

3.2.3 規(guī)劃響應(yīng)模塊

規(guī)劃響應(yīng)模塊具有“靈活適變”的特征，由于系統(tǒng)受到的擾動不是一成不變的，在災(zāi)害發(fā)生的不同階段，GSI 系統(tǒng)各要素的韌性功能也有不同的表現(xiàn)，因此系統(tǒng)需要具備對于雨洪災(zāi)害的動態(tài)適應(yīng)能力。在本模塊中，首先根據(jù)上一模塊輸出的GSI 承洪風(fēng)險地圖，對城市區(qū)域進行雨洪風(fēng)險分級分區(qū)，辨識規(guī)劃范圍內(nèi)承洪脆弱性和風(fēng)險性最大的區(qū)域，計算不同情景模式下的承洪容量缺口；其次研究脅迫城市雨洪安全的影響因子，針對不同的風(fēng)險分區(qū)設(shè)定生態(tài)韌性協(xié)同目標(biāo)，從空間優(yōu)化和治理方案兩方面進行規(guī)劃層面的“雙響應(yīng)”，形成高、中、低風(fēng)險地區(qū)的分區(qū)響應(yīng)；最后，建構(gòu)維度-目標(biāo)-指標(biāo)三個層次的生態(tài)韌性評估指標(biāo)體系，對不同響應(yīng)下的GSI 格局進行生態(tài)韌性動態(tài)評估。這與上一模塊中的GSI 承洪潛力評估共同形成“雙評估”體系，能夠幫助決策者和規(guī)劃師以整體、動態(tài)的視角檢驗“雙響應(yīng)”的有效性。

3.2.4 策略導(dǎo)則模塊

策略導(dǎo)則模塊作為框架的底層設(shè)計部分，主要內(nèi)容是承接前期的預(yù)測、評估、響應(yīng)工作，將規(guī)劃層面的規(guī)劃響應(yīng)落實到設(shè)計層面，提出GSI 系統(tǒng)的要素優(yōu)化提升策略。通過策略導(dǎo)則的落實，能夠充分發(fā)揮主觀能動性，主動積極地為下一輪雨洪災(zāi)害做準(zhǔn)備，在“主動求變”中實現(xiàn)系統(tǒng)韌性的自我提升。本模塊兼顧科學(xué)性和藝術(shù)性，將源頭減排控制GSI 要素、傳輸過程控制GSI 和末端集中控制GSI 等設(shè)施整合起來，從生態(tài)韌性目標(biāo)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)目標(biāo)和景觀化表達目標(biāo)三方面出發(fā)，形成多目標(biāo)、有針對性的GSI 管控策略及設(shè)計導(dǎo)則，充分發(fā)揮規(guī)劃的積極引領(lǐng)作用。

結(jié)語

本文借力“十四五”規(guī)劃，在城市雨洪災(zāi)害問題日趨嚴(yán)重的背景下，確立了“與災(zāi)害共舞”的價值導(dǎo)向。以生態(tài)韌性為視角，圍繞GSI 系統(tǒng)的災(zāi)前“把控力”、災(zāi)中“響應(yīng)力”及災(zāi)后“恢復(fù)力”需求，提出具有前瞻性、冗余度和適應(yīng)性特征的城市GSI 規(guī)劃理論框架，由前期預(yù)判、動態(tài)評估、策略落實三部分組成。在技術(shù)路徑構(gòu)建上，本文提出模塊化的技術(shù)路線，包括數(shù)據(jù)管理、風(fēng)險評估、規(guī)劃響應(yīng)和策略導(dǎo)則四大功能模塊，分別對應(yīng)“準(zhǔn)確識變、科學(xué)應(yīng)變、靈活適變、主動求變”的目標(biāo)，形成雙向適應(yīng)、動態(tài)反饋的Learn-by-doing 學(xué)習(xí)模式，把每一次風(fēng)險都作為提升韌性的機會和媒介，呼應(yīng)生態(tài)韌性的動態(tài)平衡的特征。

目前我國對于城市雨洪和韌性規(guī)劃的研究方興未艾，但仍缺乏定量分析和目標(biāo)導(dǎo)向下GSI系統(tǒng)的規(guī)劃框架體系構(gòu)建。本文將問題導(dǎo)向和目標(biāo)導(dǎo)向相結(jié)合、定量和定性分析相結(jié)合、空間數(shù)據(jù)信息平臺建設(shè)與技術(shù)工具包相結(jié)合，整體研究思路由傳統(tǒng)的被動防御轉(zhuǎn)向主動適應(yīng)，以期為促進城市雨洪管理研究、加快韌性城市建設(shè)步伐、促進我國生態(tài)文明建設(shè)貢獻力量。

圖片來源：文中圖片均由作者自繪

注釋：

①克勞福德·霍林（Crawford S.Holling，1930—2019），1973 年首次將韌性的思想應(yīng)用到系統(tǒng)生態(tài)學(xué)，隨后不同學(xué)科的學(xué)者開始介入研究。