历史文化街区内涝韧性测度方法与规划应用研究——以瑞金市廖屋坪街区为例

罗佳梦,徐建刚

(南京大学 建筑与城市规划学院,江苏 南京 210093)

0 引言

历史文化街区作为城市历史与文化的重要载体,在城市文脉延续中具有重要的价值。但随着新型城镇化的不断推进,城市人口与建设用地的快速增长极大地改变了历史文化街区本身及其周边区域的下垫面与河网水系条件,进而诱发内涝问题。与此同时,相对于城市新区而言,历史街区在形成过程中更加依赖自然山水条件,因而往往位于地势低洼处,更加容易受到内涝影响。此外,人口、建筑密集程度高,建筑老化等问题也增加了历史文化街区的内涝隐患[1]。

针对历史文化街区的内涝问题,国内外已有许多学者展开了相关研究,国外学者的研究深入分析了气候变化背景下历史遗产地的脆弱性时空分布特征,并在此基础上探讨了一套自下而上与自上而下相结合的历史遗产灾害风险管控方案[2]。如AKTÜRK等[3]分析了历史建筑遗产在滑坡与洪涝灾害风险下的薄弱点,并在此基础上为决策者制定政策提供指导;FLORENTIN等[4]则在历史遗产价值评估的基础上组织历史遗产利益相关方面展开座谈,共同探讨制定了一套完整的灾前风险管理方案;这些研究对历史街区的灾害风险管控措施制定提供了有价值的借鉴,但较少聚焦于内涝灾害之上,且中微观尺度上的实证研究还有待丰富。

国内针对历史街区内涝问题的中微观尺度研究更为丰富,如刘云帆等[5]基于Infoworks ICM排水模型对漳州市建元路片区历史文化街区的排水系统现状进行了评估,并在此基础上提出了优化方案;刘康宁等[6]基于PCSWMM模型对北京模式口历史文化街区进行了内涝模拟,提取出街区内的内涝风险点并提出对应的优化策略;这些研究为历史文化街区的水安全体系建构提供了有价值的参考,但对历史街区的内涝风险评估仅从管网系统出发,缺乏对历史街区特殊性的深入剖析,对历史建筑本体脆弱性、旅游开发影响以及受灾人口特征等因素的综合考虑不足。

不应忽视的是,历史街区在营建过程中就融入了先民与水共生的传统生态智慧,建筑群落中的天井与传统街巷中的沟渠均具有一定消解雨水的能力[7]。在易受破坏的特征之外,历史街区还能够通过其自有的一套传统蓄排水体系实现一定程度上对水资源的调节。针对历史街区的这一特征,吴庆洲从赣州古城的传统蓄排水体系入手,系统分析了古城与水共生的营建理念,并在此基础上提出了传统“理水”智慧对当今海绵城市建设的启示[8],贺弋桓[9]从3个尺度对历史文化街区排水系统的传统理念展开分析,并结合实际案例进行了街区内涝风险评估,此类研究聚焦了历史街区在传统理水智慧方面的特点,但在方法层面主要以定性分析总结为主,缺乏定量化的数据验证。

在防灾减灾领域,韧性理论的提出为城市抗涝能力的提升开辟了新思路[10],其理论框架的构建对于降低内涝风险与维持街区稳定具有重要意义,在此理论指导下,城市可以更好地规避灾害隐患,并在灾害发生时作为一个有机整体做出应对,保障内部功能的正常运行,在灾害发生后快速恢复稳定状态。基于此,本文以瑞金市廖屋坪历史文化街区为研究对象,首先根据高精度测绘数据中的高程信息划分街区内部的汇水分区,随后引入韧性理论,从扰动因子、脆性因子和韧力因子三要素的互动关系层面梳理历史文化街区内涝灾害的发生机制,选取具有代表性的指标构建历史文化街区内涝韧健水平评价指标体系,综合评估历史街区的内涝韧性,分析历史街区内涝韧性的分布特征与其影响因素。进而在此基础上对韧性薄弱点提出具有针对性的改造措施建议,以期对历史文化街区韧性改造提供数据支持,并为其他历史文化街区的韧性城市建设提供可借鉴的方法思路。

1 研究内容与方法

1.1 研究区域概况

廖屋坪历史文化街区位于瑞金市中心城区南部,瑞金市历史城区中心地段,北邻红都大道,南邻绵江,历史街区总体地势平缓,内部高差起伏较小,最高点与最低点高差在2 m以内,是瑞金市历史景观“临水筑城、一河两岸”的重要组成部分,也是瑞金市赣南传统客家文化的重要载体。廖屋坪历史街区是瑞金建城以来最早的主要街道、商贸街区及经济文化中心,赣南客家传统的“厅屋组合式”民居和“围屋”民居共同构成了历史街区特有的建筑文化景观[11]。

在街区与水的互动关系方面,由于客家人讲究“乘风则散,界水则止”,注重将住宅布置于池塘前,因此历史街区内的传统民居在营建过程中一方面利用天然水塘,另一方面人工开挖“风水塘”,构建出与水系高度耦合的建筑群落[12]。此外,出于对多雨环境的适应以及“藏风聚气”的风水需求,客家民居往往围绕天井布置院落住宅,并通过沟渠将天井与室外水体相连,形成一套完整的蓄排水体系。然而近些年来,廖屋坪历史街区受到城市建设与旅游开发的双重影响,街区内池塘数量逐渐减少,大量沟渠被填埋,传统蓄排水体系的连通性逐渐下降,街区内涝问题日益加剧。当前廖屋坪历史街区内的水体仅有杨氏宗祠周边的人工池塘尚留存,此处池塘为人工风水塘,周边均为硬质岸线,常水位较低,漫溢风险小,能够承担一定的调蓄作用,但由于与自然水体的联系被切断,水质情况较差。

在城市化发展的现状之下,以廖屋坪街区为代表的历史文化街区内涝问题呈现出以下三方面的特征:

其一,历史街区本体的脆弱性:相对于城市旧区而言,历史街区内部包含大量防水性较差的木结构、土木结构历史建筑,易受内涝积水的劣化影响。且由于街巷界面狭窄等客观条件(街巷最窄处不足0.8 m),新建管网体系覆盖不完全、埋设不规范情况严重,历史街区更易受到内涝灾害的负面影响。

其二,历史街区内涝应对措施的多样性:历史街区内传统排水系统与历史建筑、历史街巷相互搭配,构成了完整的雨水收集——排放系统,经过合理恢复、修缮,可以充分发挥排水潜力,与新建管网系统相互配合,提升应对内涝能力。

其三,历史街区人流活动的复杂性:发展旅游业是历史街区开发的重要途径,也是历史街区相对于城市旧区而言的一项突出特征,旅游发展带来的潮汐性人流活动对当前历史街区的保护提出了更高的要求,同时内涝灾害的防治也需与长期的旅游开发相适应。

1.2 概念模型确立

“韧性”概念最初被用于形容金属受外力冲击时保持稳定或恢复到原始状态的能力,后经生物学家霍林引入到生态学领域,用于形容系统吸收扰动并存续的能力[13]。近几年,韧性作为新的系统理念受到城市规划者的关注,并被广泛应用于自然灾害管理、雨洪风险管理等领域[14]。

在韧性理论的基础上,陈志端等[15]引入了复杂适应系统理论与之融合,提出了城市韧健度的概念。城市韧健指城市能对影响自身生存和发展的制约因素实现良好调控,同时具有较强的抵御能力、恢复能力及适应能力的状态。城市系统韧健模型将城市系统灾害的发生机制梳理为扰动因子、脆性因子与韧力因子三者之间的相互作用关系,其中扰动因子表征城市系统受到的灾害冲击的强度,即城市系统在风险环境中的暴露程度,用于解释城市系统外部环境的韧健水平;脆性因子表征承灾体本身易受灾害影响的程度,重点说明承灾体被动承扰的能力,用于解释系统内部结构的强健水平;韧力因子则表征承灾体在扰动发生过程中恢复与适应的能力,重点说明承灾体主动应扰的能力,用于解释城市系统内部要素的韧健水平。由于扰动因子的活

动规律相对客观且难以施加人为控制,因此提升城市系统韧健水平往往从降低脆弱性和提升韧力两方面入手。

城市韧健度模型中三类因子之间相互制约、互相作用,从而衍生出循环发展的逻辑关系网。在此逻辑网络中,外部扰动作用于脆弱性承灾体之上,扰动因子的影响加大直接导致承灾体状态的恶化,进而促使承灾体韧力的发挥,而韧力因子的作用会同时反馈给承灾体,使扰动因子的影响减弱并降低承灾体的脆弱状态[16]。这一系列的反应机制最终使系统调适至平衡稳定的状态。基于此,可以分析得出基于韧健度模型的廖屋坪历史文化街区内涝风险机制,如图1所示。

图1 廖屋坪历史文化街区内涝风险机制Fig.1 Waterlogging risk mechanism in the Liaowuping historic district

将韧健度概念模型应用在廖屋坪历史文化街区内涝问题的研究中可知:在扰动因子层面,暴雨情况下历史街区各区域产生地表径流,对街区本体造成压力,同时管网系统的不畅通引发溢流,间接加剧了这种压力,形成内涝灾害风险。在脆性因子层面,外部的内涝扰动同时作用于历史街区的地表基底、基底之上的建成环境和建成环境中活动的人口,这三者的脆性特征共同决定了历史街区面对压力时如何发生变化。在韧力因子层面,历史街区可以通过传统理水系统和现代管网体系等工程措施对雨水进行消解,以减轻雨涝对历史街区物理系统的影响,通过应急疏散、医疗救援等救灾组织措施减轻雨涝对社会系统的影响,这两方面的因素共同决定了历史街区如何对灾害做出反应。由于外部扰动的发生相对客观且难以人为控制,若要减轻历史街区内涝风险,关键在于承灾体脆性的降低和韧力的提升。

1.3 内涝韧性评价指标体系构建

根据廖屋坪历史文化街区的内涝风险发生机制,按层级逐步进行指标筛选,构建历史街区内涝韧性评价指标体系。本文首先通过参考历史街区内涝风险评估的相关研究,筛选制定了评价指标体系的基本指标,其中外部扰动指标反映承灾体的灾害风险暴露程度,用于衡量历史街区承受内涝灾害的强度;本体脆性指标包含基底脆性、建成环境脆性和居住人口脆性三个方面,反映地形情况、建筑条件现状和居住人口情况,用于衡量承灾体本身易受内涝灾害影响的程度;韧力因子指标包含社会韧力与工程韧力两方面,反映疏散响应能力和承涝排涝能力,用于衡量承灾体应对内涝灾害、降低灾害风险的能力。

随后在基础指标体系的基础上进一步依据历史街区的特征额外筛选了5项补充指标,分别用于衡量历史街区的旅游开发对建成环境脆性的影响和传统理水措施在提升街区适应韧力方面的作用。

在此基础上,本研究参考《海绵城市建设技术指南-低影响开发雨水系统构建(试行)》[17]、GB 50289—2016《城市工程管线综合规划规范》[18]、GB/T 50357—2018《历史文化名城保护规划标准》[19]、《历史文化名城名镇名村保护条例》(国务院令第524号)[20]等法规和标准,对评价指标的具体内容进行进一步修订。

最后筛选出21项针对历史街区内涝韧性的评估指标,其中扰动因子3项,脆性因子10项,韧力因子8项,具体评价指标体系如表1所示。

表1 廖屋坪历史文化街区内涝韧性评价指标体系Table 1 Waterlogging resilience evaluation indicator system of Liaowuping historic and cultural district

1.4 数据来源

本研究所使用的数据来源主要有:①研究区降水数据和管网系统数据来自于2019年瑞金市市政、水利等部门的统计记录;②瑞金市研究区地形、土地利用等数据来自于2019年瑞金市规划、测绘等部门的统计记录;③研究区人口数据部分来自于2019年瑞金市统计年鉴,针对数据缺失的情况,则采取人均住宅面积估算或者按常住人口比例进行补齐;④研究区旅游活动强度及传统理水体系数据为2022年实地调研实测。

1.5 数据标准化

为消除不同的评价指标量纲带来的影响,本文数据的标准化处理方法采用极值法。具体如下[21]:

对于正向指标的处理公式:

Xj=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

对于负向指标的处理公式:

Xj=(Xmax-Xi)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中:Xj为标准化处理后数据;Xi为评价指标原始数据;Xmax为评价指标原始数据最大值;Xmin为评价指标原始数据最小值。

1.6 熵权法确定指标权重

熵权法是一种通过信息量来决定指标权重的定权方法,是一种比较客观的定权方式,能够减少由主观因素决定指标权重时产生的偏差,使结果更加符合实际[22]。由于本研究指标体系中部分指标主观下影响因素较为接近,难以进行主观定权,因此本文采用了熵权法确定指标体系中每个指标的权重,计算每个指标权重,具体如下:

第j项指标下第i个分区值占该指标的比重为

(3)

第j项指标熵值为

(4)

第j项指标差异系数为

gj=1-ej

(5)

权重为

(6)

1.7 准则层综合值计算

在对数据进行上述处理基础上,加权求和进行综合评价,分别计算扰动因子、脆性因子以及韧力因子的综合值。具体计算公式为:

(7)

式中:R可分别为扰动因子、脆性因子和韧力因子;Wj为各指标因子的权重;Pij为各指标数据的标准值。

1.8 内涝韧健度计算

灾害风险在一定程度上指灾害作用于承灾体的过程中承灾体受到扰动失稳的程度,这种风险会进一步影响到城市系统的优化适应方式,因此对灾害风险的评估从某种意义上也可以说是对城市系统韧健度的评估。参考联合国国际减灾策略委员会(United Nations International Strategy for Disaster Reduction, ISDR)提出的扰动风险评价函数,韧健度与风险度为相反关系[23]。由于城市系统的韧健度是由扰动、脆性以及韧力三者交互影响而成,因而结合历史文化街区韧健度概念模型可以提出历史文化街区内涝韧健度(resiliency of historic district system, RHDS)计算公式为

(8)

式中:RHDS为历史文化街区内涝韧健度;t为扰动因子;v为脆性因子;r为韧力因子。

2 结果分析

2.1 内涝韧性水平评价结果

首先根据对测绘地形图的水文分析结果,将历史街区划分为27个汇水分区,根据评价指标体系分别收集统计各汇水分区数据,随后对数据进行标准化并计算各指标权重,利用ArcGIS分别对外部扰动、本体脆性和适应韧力3个子系统的数据进行加权叠加,并通过自然断点分级法将所得结果划分为5个等级进行可视化,所得结果空间分布图如图2所示。

由图2可知,在扰动因子层面,内涝压力最大的区域位于解放路北侧和西上阳巷两侧,而内涝压力较大区域从场地东南侧向西北侧沿传统街巷延伸,场地南侧沿江一带扰动风险最小,结合场地特征可知:内涝压力大的区域多为历史建筑与文保单位密布的区域,建筑密度高且间距小,建筑间死角较多,缺乏开敞空间,地表透水性差且地势相对较低,雨水难以下渗或外排,从而更容易产生地表积水,引发内涝问题。此外,由于与自然水体之间的联系受到切断,孤立的池塘长期保持高水位、低水质的状态,难以发挥蓄排雨水的作用,内涝风险更加突出。

图2 扰动、脆性、韧力子系统评价结果Fig.2 Evaluation results of the turbulence, vulnerability and resilience subsystems

在脆性因子层面,脆性最为突出的区域位于廖屋坪巷两侧,较高脆性区域则位于解放路北侧,整体而言,街区南部脆性较高而北部较低。其中建成环境尤其是旅游开发相关的指标对脆性的贡献度较高。结合街区实地特征可知:此类较高脆性的区域内旅游和商业活动最为密集,历史建筑的密集分布和沿街两侧的商业对人流起到了较强吸引作用,而复杂曲折且多断头路的街巷体系使得人群活动流线被拉长,人流更多在此类空间中聚集,从而加剧了历史建筑的劣化。同时,此类地区又为核心历史风貌区,历史建筑和特色街巷在此分布,建筑年代较早且多为二层土木结构,更易受到扰动,脆性特征突出。

在韧力因子层面,韧力最低的区域位于解放路北侧街区中心地带和西上阳巷两侧,高韧力区域则主要位于街区北部,其中传统理水体系相关指标对评价结果的影响最为突出。结合街区实地特征可知:由于街区内部开敞空间和基础设施较为匮乏,而外围区域由于毗邻城市道路,在灾情响应上更具优势,因而韧力分布总体呈现外围高而中心低的分布特征。此外,脆性因子较为突出的区域在韧力评估过程中出现高低分化鲜明的特征,这与该区域传统排水体系的功能保存情况关系紧密,廖屋坪巷两侧区域的历史建筑老化情况突出,但街巷的原真性保存较为完好,传统的天井——沟渠排水体系较少受到填埋和淤塞的影响,更能够发挥作用,而解放路北侧和上阳巷两侧区域受新建、改建建筑影响较为突出,历史建筑多被新建建筑分隔,沟渠断连失效严重,因而呈现出韧力低下的特征。

2.2 内涝韧健度分析结果

将扰动、脆性和韧力3个子系统的评价结果引入式(8)进行计算可得街区内涝韧健度评价情况,利用自然间断点法将韧健度分为5级,得到街区韧健度评价结果如图3所示。

由图3可知:韧健度主要呈现出四周高、中心低的分布特征,低韧健度区域呈南北向分布,地块东侧较西侧韧健度更低。韧健度最低的区域主要位于解放路北侧与东上阳巷两端,其中解放路北侧区域的低韧健度是高扰动强度和低韧力共同影响的结果,此处建筑密度大且新建建筑与历史建筑交错杂乱分布,传统理水措施断连失效现象突出;此外,此区域位于街区内部,与周边道路联系不紧密,应对极端情况能力不足。在高强度的内涝扰动之下最易出现系统失衡,亟需采取优化提升措施。东上阳巷两端区域的低韧健度则是较高的扰动强度与较高的脆性共同作用导致的,此处区域内分布有历史建筑群组且居住人口密度较高,但此处历史建筑群与街区内其他历史建筑、文保单位的联系不紧密,没有采取统一的修缮保护措施,保存状况不佳,脆弱性较为突出,需要在后续的保护规划中予以重视。

图3 韧健度评价结果Fig.3 Evaluation results of the resiliency

3 空间优化策略与规划调整建议

3.1 空间优化策略

3.1.1 降低脆性

在保留历史街区风貌原真性的前提下,针对建筑的保存情况分别提出具有针对性的保护修缮策略,针对保存状况较差、脆性突出的建筑进行针对性的修缮强化,如加强地基、结构加固和优化建筑防水等,在协调整体风貌,延续空间特色的基础上,降低建筑本体脆弱性,从而缓解内涝灾害对历史街区的破坏和劣化。同时,重视长期的监督工作,做到定期检查维护,遏制可能产生破坏的建设、改造行为,对新出现的建筑破损现象及时采取措施。

旅游开发带来的潮汐性人流活动是历史街区的一项突出特征,游客的聚集一方面对街区建成环境造成了压力,加速了建筑的劣化,使建成环境承涝能力下降,另一方面,在旅游旺季时由游客活动产生的排污需求对历史街区的排水体系造成了显著的压力,使街区排涝能力下降。因此需要合理控制旅游开发强度,合理安排开放区、半开放区与封闭区的划分,尽可能地减小旅游开发的负面影响,降低街区脆性。

3.1.2 提升韧力

传统理水体系是先民与水共生智慧的结晶,与历史街区的适应性最强,可以有效地分担管网系统的排水压力,降低内涝风险。因而应当充分疏通传统理水体系,尤其注重关键节点的复通,充分发挥天井、人工池塘等措施的传统功能,在梳理开敞空间的基础上有序恢复传统池塘,在保护街区风貌原真性的同时保障内涝安全。此外,传统的雨水沟渠排放形式可以取消埋地雨水管,节约地下空间,对于历史文化街区具有很好的适应性:传统形式的雨水沟渠沿地面铺设,与常规雨水管道相比,没有覆土限制、没有与其他工程管线及与建筑物的净距等要求,而且施工及检修相对简便,特别适合于地面及地下空间紧张的历史街巷[24]。

建立完善的“自上而下”的预防调控体系,提升“自下而上”的疏散组织能力,提高居民面对内涝灾害时的抵抗力、适应力与恢复力。加强对内涝灾害的监测与预警,完善救灾资源调度,在灾害发生前做好防范;疏通道路体系,增加道路密度,定期组织紧急疏散演练,增强灾害发生时居民的应对能力;完善基础设施建设,完善志愿者组织建设,发挥居民能动性,增强街区灾后恢复能力。从灾害发生全周期出发,全面提升社会韧力。

3.2 规划调整建议

3.2.1 合理制定分期规划

廖屋坪历史文化街区当前正处于历史文化遗产保护与利用的关键阶段,街区内部韧性水平亟待提升,频发的内涝灾害对历史街区的风貌保护提出了重大考验,并对街区居民的生命财产安全造成了威胁,抵御内涝灾害迫在眉睫。因此,应当在近期规划中针对街区内涝韧性重点发力,及时修缮保存状况不佳的传统风貌建筑,降低街区脆性;同时通过降低街区建筑密度、完善传统蓄排水体系等措施全面提升街区韧力,降低内涝风险。中远期规划中则应将重心放在片区人居环境的优化,在保障街区韧性不下降的基础上修补核心范围传统街巷肌理、提升街区活力,合理规划游览流线、联街区重点旅游资源,合理平衡历史遗产的保护与利用,深度发掘风貌区文化价值。

3.2.2 划定外围环境协调区

建议在街区外围划定弹性的环境协调区作为历史空间与现代城市空间的过渡地带。对该区域中进行的建设活动进行限制与引导,使之符合与历史文化街区景观相协调的要求,避免城市出现风貌断层。同时,在协调区中合理布置公共服务设施,一方面补充历史街区内部防灾、医疗等功能不足,提升街区内空间的公共服务设施覆盖度,增强街区内涝适应力,另一方面为提升与之相邻的现代城市空间服务,实现功能整合。

4 结论与讨论

历史文化街区由于建成年代久远,建筑保存情况复杂,基础设施相对落后等因素,易受内涝灾害的负面影响,本文通过韧健模型构建历史文化街区内涝韧健水平评价指标体系,结合历史街区特性,对廖屋坪历史文化街区的内涝韧健度进行测度,根据评价结果识别出街区内韧健水平较低的地块,并提出了具有针对性的优化建议。

根据研究结果,街区内部内涝韧健薄弱区主要呈现以下几点特征:第一,建筑密度大,建筑保存情况差且难以深入的建筑密集区内部多为内涝敏感区;第二,旅游开发强度较高的区域受游客活动影响更易受到内涝侵袭;第三,传统理水体系受到阻塞和破坏是街区内涝应对能力下降、内涝风险上升的重要原因。在此基础上,本研究结合韧健模型参照评价结果进而从降低脆性和提升韧力两个方面对历史街区内涝韧性提升提出了优化建议,分别为修缮老化建筑、控制旅游开发强度和修复传统理水措施、提升居民应对能力。

本文通过实证分析明确了历史街区内涝灾害防治的重点,并指出了具有针对性的优化路径,对历史街区的韧性城市建设具有一定的参考价值,但仍有不足之处。由于地块尺度的数据收集途径有限,所建指标体系未能全面表征历史街区内涝韧性水平,需要在未来的研究中予以提升。