生态韧性导向下的城市绿色雨水基础设施规划研究——理论框架与技术路径

文／华 晨 浙江大学城市规划与设计研究所 浙江大学平衡建筑研究中心 教 授 博 士

高雅清 浙江大学城市规划与设计研究所 博士研究生

李咏华 浙江大学城市规划理论与技术研究所 浙江大学平衡建筑研究中心 教 授 博 士（通讯作者）

引言

由于全球气候变暖和环境退化，近年来亚太地区发生的自然灾害在强度、频率、不确定性和复杂性方面都呈现出增加趋势。《2019 年亚太灾害报告》中指出，中国是亚太地区受灾害威胁程度最高的国家，雨洪灾害造成了损失巨大。目前我国雨洪灾害基本覆盖了31 个省份，超过六成以上城市遭受洪灾[1]，“城市看海”现象成为常态。在雨洪灾害面前城市表现出极大的脆弱性，2021 年7 月河南遭遇千年一遇特大暴雨，人民生命财产安全遭受严重损失，城市的生存和可持续发展受到严重制约。为增强应对突发事件能力，提升自然灾害防御水平，我国“十四五”规划指出亟须推动韧性城市建设以加强城市风险防控。提升城市韧性对于增强城市雨洪适应能力，减少受灾影响，促进灾后恢复，具有重要的现实意义。

面对城市雨洪灾害，生态韧性理论摒弃“对立防治”和“绝对调控”的传统观念，旨在使城市系统遭受冲击后能够自我调适恢复至生态平衡状态[2]，是提升城市雨洪韧性的重要支撑。绿色雨水基础设施融合了自然生态系统和人工景观，涵盖对雨水从产生到排放的全过程管控，打造和完善城市绿色雨水基础设施系统对于提升城市雨洪韧性具有重要意义，是城市韧性建设的有效途径。

因此，在当前雨洪灾害的问题导向和提升城市雨洪韧性的目标导向下，本文首先探讨了生态韧性和城市绿色雨水基础设施的理论内涵；其次基于生态韧性理论的前瞻性、适应性、冗余度特征，构建了城市绿色雨水基础设施规划框架；最后提出模块化的技术路径，将理论与实践相结合，为城市雨洪管理由“刚性被动防御”转向“韧性主动适应”提供参考，以期提高城市韧性以应对雨洪灾害。

1 相关概念及研究进展

1.1 生态韧性

生态韧性由霍林①在1973 年关于系统生态学的里程碑式论文中提出，将其定义为系统受干扰后恢复到稳定状态的能力[3]。1990 年生态韧性被首次引入城市规划领域，运用于城市应对气候变化和抵御灾害[4]。在以生态韧性为基础的雨洪管理中，将“承受”和“重建”作为理论内涵，把城市受到的扰动和冲击外力视为学习机会，依靠韧性系统具备的适应性和重组力，实现系统各要素的平衡和稳定，使城市在雨洪灾害面前得以存续。

1.2 绿色雨水基础设施

绿色雨水基础设施（Green Stormwater Infrastructure，GSI）指针对雨水进行控制和利用的绿色网络系统，包括城市雨水管理系统内的各类绿色生态设施[5]。与传统市政管网等基础设施直接收集排放雨水不同，GSI 从源头、渗透、储存、调节、传输、净化等一系列环节对雨水进行全方位全过程管控，建立起城市“土壤-植物-水”系列的以雨水管理为明确指向的一体化系统。GSI 按其在雨水径流中发挥作用的位置分为源头减排设施、中端传输设施和末端控制设施，分别对雨水发挥消减、引流和汇聚调蓄功能，三种不同位置的GSI 要素相辅相成，共同构成城市雨水管理系统[6]。

1.3 生态韧性视角下的GSI 规划有待进一步研究

目前国内外GSI 相关研究的重点主要集中在评估体系和设计策略上。评估体系方面，现有研究大多侧重于如何评估和预测GSI 在流域尺度上的长期性能，主要通过开发水文和水力模型研究GSI 的水文过程，模拟雨水的径流过程以及评估径流量和GSI 在城市排水中的有效性[7]。设计策略方面，主要通过研究优秀案例中的GSI 设计方法，为GSI 建设提供借鉴参考[8]，多从景观效果和环境效益方面提出GSI 优化策略，包括不同雨洪管理目标下的GSI 设施选用方法[9]、GSI 区域优化配置模式[10]以及GSI 适应性植物的选择和设计方法等[11]。

由此可见，现有GSI 的研究多集中在GSI系统本身，韧性思维并未得到重视，鲜有研究与韧性相结合，引入生态韧性等相关概念。在研究重点上，现有研究多侧重于实践层面，重点聚焦工程视角下的评估体系构建和针对实际案例的设计策略提升，缺乏理论基础研究以及自上而下的统筹规划。研究内容上，现有研究在与生态韧性结合方面存在极大不足，以提升雨洪韧性为目标的导向性不明显，多以定性分析为主，内容多集中在效果评估、设施配置或绿色植物选择等单一方面的设计研究上，并没有集中探讨以提升城市韧性为目的的GSI 体系建构方法，缺乏目标导向下GSI 体系的构建研究。因此，生态韧性视角下的GSI 规划亟须以提高城市韧性对抗雨洪灾害为目标导向，构建GSI 规划框架体系，将定性与定量分析相结合，探讨技术路径与实证方法。

2 城市GSI 生态韧性规划的理论框架

生态韧性理论具有前瞻性、冗余度和适应性的特征。前瞻性转变了被动承灾的思维，认为韧性提升是主动过程；冗余度提升城市的包容性，为防止系统在突发状况下失效瘫痪提供及时响应措施；适应性指系统具备恢复能力，能够在灾后提高系统韧性以适应未来的不确定性；在提升城市雨洪韧性的目标导向下，这些概念可转换为GSI 韧性承洪的主要特征，构成生态韧性导向下GSI 生态韧性的理论框架（图1）。

图1 生态韧性导向下GSI 规划理论框架图

2.1 前瞻性——加强灾前“把控力”的前期预判

生态韧性理论认为扰动是不可避免的，系统天生具备不确定性和脆弱性。因此，在面对城市雨洪问题上，提升城市韧性本质上是提高城市避免受灾的能力，预防灾后城市功能受损和社会经济崩溃。生态韧性的前瞻性包含反省性和稳健性的特征，反省性体现在对过去的经历进行检查和审视，获取经验教训以指导城市未来发展。稳健性体现在通过获得对于灾害的预判和把控能力，争取达到长足稳健的状态，使城市在遭受冲击时免受重大损失。在基于生态韧性的城市GSI 的系统框架中，首先通过研究城市已发生雨洪事件的频率、受灾程度、灾后恢复状况、极端天气影响以及受灾最严重的区域等，实现对城市雨洪灾害的风险预判。利用城市国土空间规划以及大数据时代大背景下的ArcGIS 平台，以流域视野为基础，以实际问题为导向，建立城市空间数据库进行雨洪灾害的脆弱性及风险判定，模拟设置特定城市雨洪事件发生的情境，从而实现系统的前瞻性与预判性。

2.2 冗余度——具备灾中“响应力”的动态评估

拥有冗余度特征的雨洪管理系统具有较强的灵活性，在灾难到来时能够有效灵活地联动系统内各要素。各要素功能具有可替代性和多功能性的特征，一旦灾害突发造成某要素功能缺失，多样冗余的其余关联要素可以发挥后备功能，使系统迅速得到修复，避免出现一处受灾导致整体瘫痪的情况。因此，在进行前期GSI要素的风险预判之后，需要对城市GSI 各要素的承洪风险等级进行划分，根据不同的等级分区建立相应的响应机制。从而在雨洪灾害到来时能够迅速进行风险识别和响应，并对响应后的GSI 格局进行动态评估，及时准确地调整响应模式，灵活调动各关联要素，实现系统的动态性和主动响应特性。

2.3 适应性——实现灾后“恢复力”的策略落实

系统的生态韧性能够在应对扰动的经历中得到建立和不断提升。在GSI 规划中，适应性主要体现在灾后恢复的落实阶段。城市在受到冲击后，需要在灾后重建阶段建立起更具适应性的提升路径，充分利用多样化系统要素，提升系统各要素整合性和关联性，以应对下一场未知风险。在GSI 规划中，以上一阶段城市GSI格局的动态评估结果为依据，在具体规划设计层面积极响应，将生态韧性的适应性作为设计目标和需求落实到具体的GSI 设计要素中，提出具有整体性和多样化的GSI 各要素管控策略和设计导则，从而实现系统的落地性和实践性。

3 城市GSI 生态韧性规划的技术路径

3.1 技术路径的思路解析

我国“十四五”规划中提出“准确识变、科学应变、主动求变”的发展战略，指出城市发展应善于在危机中孕育先机。对于城市来说，灾害带来的扰动可以看作是变化带来的机遇，应充分认识到其对城市发展的潜在推动作用。与灾难共舞、具备较强适应能力的城市系统，能够随着时间的推移不断建立起韧性。城市韧性的提升得益于系统的学习能力，例如每次遭受雨洪灾害后，若能及时收集不同区域的灾情数据，从每一次灾害中吸收新的受灾情况，相应调整应对策略，就可以在“边学边做”中不断适应新情况，避免重复或无效措施，从而更好地迎接下一轮挑战。

因此，城市GSI 生态韧性规划的路径构建需要将雨洪灾害作为触发GSI生态韧性的媒介，在学习中积累抗灾经验，在呼应理论框架的同时强调经验积累和实践反馈，在各模块之间形成有效衔接。技术路径构建以“十四五”规划为指导，包含“准确识变、科学应变、灵活适变、主动求变”四个步骤，对应数据管理、风险评估、规划响应和策略导则四个模块，进行正负双向的动态系统化反馈，形成Learn-by-doing 的适应性学习模式（图2）。

图2 城市GSI 生态韧性规划路径示意图

3.2 功能模块的搭建方法

模块化的城市GSI 生态韧性规划路径主要具备四大功能——数据管理、风险评估、规划响应和策略导则，具备良好的网络连通性、有机整体性、功能多样性和动态适应性（图3）。

图3 城市GSI 生态韧性规划技术路径图

3.2.1 数据管理模块

数据管理模块的目标是为准确识变服务，通过前期的数据准备工作，明晰现有地理空间要素与GSI 系统要素特征，建立适用于下一风险评估模块的空间数据库。因此，本模块的主要功能包括三方面：第一，对相关数据进行挖掘和收集，包含数字高程DEM 数据、坡度地形、现状土地利用等空间数据以及植被覆盖数据、降水水文数据、水利数据、水域及缓冲区、历次灾情数据和其他相关GSI 要素数据等；第二，由于原始数据存在格式不统一、坐标不一致及内容有误差等问题，所以需要对数据进行统一标准化预处理，利用Arc GIS 软件作为数据管理平台，进行研究范围划定、地形数据的预处理以及分图层提取输出等工作；第三，利用Arc GIS 软件对多重地理空间数据进行分析和管理，最终获得数据的可视化表达，形成空间数据库。

3.2.2 风险评估模块

风险评估模块的目标是为科学应变服务，通过识别现有GSI 格局，对城市的潜在风险进行辨识和测度，以应对未知的雨洪灾害。在本模块中首先需要构建GSI 现状格局，为后续风险评估做准备，主要通过ArcGIS 软件的水文分析模块与景观格局指数分析功能，从不同层面的GSI 系统组成要素进行辨识，建立基于雨洪发生自然过程的GSI 整体格局；其次，通过回溯城市发展历史上出现的历次雨洪灾情，基于历史规律进行情景模式设定，模拟不同降雨强度下的情景；最后，利用SCS-CN 模型对城市GSI 各要素进行承洪潜力评估，将雨洪压力分布和GSI承洪潜力在空间层面上进行耦合、博弈，从而得到不同情景模式下的GSI 承洪风险地图。

承洪风险地图可以直观地为规划师和决策者提供信息，SCS-CN 模型作为基于降雨事件的集总式概念模型，参数简单，数据易得，具有良好的适用性。使用SCS-CN 模型可以形成可视化、标准化、可推广的工具包，在雨洪来临前了解区域承洪容量缺口最大的高风险区域、在灾中了解动态风险的转移趋势、不同等级风险的分布格局等，为应对雨洪灾害提供科学指导，达到“科学应变”的目的。

3.2.3 规划响应模块

规划响应模块具有“灵活适变”的特征，由于系统受到的扰动不是一成不变的，在灾害发生的不同阶段，GSI 系统各要素的韧性功能也有不同的表现，因此系统需要具备对于雨洪灾害的动态适应能力。在本模块中，首先根据上一模块输出的GSI 承洪风险地图，对城市区域进行雨洪风险分级分区，辨识规划范围内承洪脆弱性和风险性最大的区域，计算不同情景模式下的承洪容量缺口；其次研究胁迫城市雨洪安全的影响因子，针对不同的风险分区设定生态韧性协同目标，从空间优化和治理方案两方面进行规划层面的“双响应”，形成高、中、低风险地区的分区响应；最后，建构维度-目标-指标三个层次的生态韧性评估指标体系，对不同响应下的GSI 格局进行生态韧性动态评估。这与上一模块中的GSI 承洪潜力评估共同形成“双评估”体系，能够帮助决策者和规划师以整体、动态的视角检验“双响应”的有效性。

3.2.4 策略导则模块

策略导则模块作为框架的底层设计部分，主要内容是承接前期的预测、评估、响应工作，将规划层面的规划响应落实到设计层面，提出GSI 系统的要素优化提升策略。通过策略导则的落实，能够充分发挥主观能动性，主动积极地为下一轮雨洪灾害做准备，在“主动求变”中实现系统韧性的自我提升。本模块兼顾科学性和艺术性，将源头减排控制GSI 要素、传输过程控制GSI 和末端集中控制GSI 等设施整合起来，从生态韧性目标、生态系统服务目标和景观化表达目标三方面出发，形成多目标、有针对性的GSI 管控策略及设计导则，充分发挥规划的积极引领作用。

结语

本文借力“十四五”规划，在城市雨洪灾害问题日趋严重的背景下，确立了“与灾害共舞”的价值导向。以生态韧性为视角，围绕GSI 系统的灾前“把控力”、灾中“响应力”及灾后“恢复力”需求，提出具有前瞻性、冗余度和适应性特征的城市GSI 规划理论框架，由前期预判、动态评估、策略落实三部分组成。在技术路径构建上，本文提出模块化的技术路线，包括数据管理、风险评估、规划响应和策略导则四大功能模块，分别对应“准确识变、科学应变、灵活适变、主动求变”的目标，形成双向适应、动态反馈的Learn-by-doing 学习模式，把每一次风险都作为提升韧性的机会和媒介，呼应生态韧性的动态平衡的特征。

目前我国对于城市雨洪和韧性规划的研究方兴未艾，但仍缺乏定量分析和目标导向下GSI系统的规划框架体系构建。本文将问题导向和目标导向相结合、定量和定性分析相结合、空间数据信息平台建设与技术工具包相结合，整体研究思路由传统的被动防御转向主动适应，以期为促进城市雨洪管理研究、加快韧性城市建设步伐、促进我国生态文明建设贡献力量。

图片来源：文中图片均由作者自绘

注释：

①克劳福德·霍林（Crawford S.Holling，1930—2019），1973 年首次将韧性的思想应用到系统生态学，随后不同学科的学者开始介入研究。