韌性科學的回顧與展望：從生態理論到城市實踐

徐耀陽,李 剛,崔勝輝,許義平,潘軍標,,童寧軍,徐繼榮,朱永官,5,*

1 中國科學院城市環境研究所,中國科學院城市環境與健康重點實驗室,廈門 361021 2 中國科學院寧波城市環境觀測研究站,寧波 315800 3 浙江省寧波市林業局,寧波 315066 4 寧波天河水生態科技股份有限公司,寧波 315012 5 中國科學院生態環境研究中心, 城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085

1 韌性的科學定義及學科體系

在自然科學體系,韌性(Resilience)的概念可追溯自加拿大系統生態學家Holling等人于20世紀60年代末至70年代初對生態系統韌性和穩定性的論述[1]。生態學傳統文獻中韌性的概念用于描述自然系統面對外部自然要素和人為因素變化所具有的持久性(Persistence)或可塑性,包括兩種不同的定義[2]。第一種定義關注的是鄰近特定平衡狀態的穩定性(Stability),其屬性由應對擾動的抵抗力和恢復至原平衡態的速度進行量化。第二種定義強調的則是不穩定性(Instability),指的是觸發系統遠離一種狀態躍入另一種狀態所需要的條件,其屬性由引發系統平衡態突變所遭受的擾動幅度進行衡量。生態學上的韌性研究體系包括系統從平衡態到失去恢復能力的幅度(Latitude)、系統受外力擾動保持平衡態的抵抗能力(Resistance)、系統當前狀態接近崩潰臨界值的程度(Precariousness)和受干擾系統內部組分層級的關聯性(Panarchy)等4個方面[3]。根據生態系統的類型,生態韌性的具體案例研究可劃分為3大類：(i)在陸地生態系統中,如林地遭受砍伐或火燒等因素干擾后森林生態系統的韌性研究以及農田過量使用化肥或農藥等因素干擾后土壤和農業生態系統的韌性研究[4];(ii)在淡水生態系統中,如營養鹽過量輸入引起的湖泊富營養化和藻類水華,從而導致發生穩態轉變的系統難以恢復[5]; (iii)在海洋生態系統中,如過度捕撈和污水直排等因素威脅各類生物群落和多樣性的生態韌性[6]。

在工程技術領域,韌性的概念、定義和理論相比于生態學體系更為簡潔和直觀。由于工程韌性(Engineering Resilience)主要強調的內涵是物理系統穩定性,這和生態系統具有單一穩態時的第一種韌性定義所表述的要點高度相似[3]。然而,工程技術領域的平衡態具有惟一性,幾乎沒有類似于生態系統具有多種平衡態轉變和跳躍的現象,因而通常不包括生態韌性體系的第二種定義所強調的不穩定性。例如,把工程、材料、網絡等當成具有單一穩定性的系統來看,韌性的特征可由恢復力(Recovery)來確定,即受到擾動脅迫后系統功能性(Functionality)恢復至原始平衡態越快,意味著該系統越有韌性[7]。對于樓房建筑、道路交通、水利樞紐等重要的工程基礎設施,韌性是重要的設計和建設目標,不僅關系到居民的生命財產安全,甚至是國土和國家安全體系的重要組成部分[8]。用于材料科學和冶金學等領域,韌性的概念表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力,一般采用韌性模量(Modulus)來評價[9]。在計算機網絡方面,韌性概念指的是面對自然災害或外部攻擊等正常運行可能存在的挑戰和風險,網絡系統提供和維持穩定服務的能力[10]。

在社會經濟方面,由于社會系統的發展本質和經濟系統的增長需要,使得韌性理論研究與應用實踐所面對的系統內部更加復雜,與之對應的系統受到外部擾動因素更為紛繁多樣和更具不確定[11]。關于韌性研究對象的系統層級,社會經濟學和生態學在英文單詞概念上有相似之處,包括個體/家庭、機構/社區、行業/產業系統等[12]。把個體當成系統考慮,心理韌性(Psychological Resilience)被認為是個體處于社會弱勢或極端逆境中(如恐怖主義襲擊)成功地完成生活目標的應對能力(中文口語稱心理抗壓能力)[13]。把機構當成一個系統性組織,組織韌性(Organizational Resilience)被定義為一個機構(如政府部門、研究機構、高等院校、企業等)在外部環境的持續或突然變化下為了正常運行和繁榮發展所具備的預測、策劃和應對及抵御風險的能力[14]。把一個行業當成一個系統時,產業韌性(Industrial Resilience)指的是涉及一個行業(如能源、建筑、環保、供水、食品、房產、交通等)適應宏觀政策改變和抵御資本市場風險的適應能力[15]。

2 城市韌性的概念與評價體系

類似于其他領域,韌性理論應用于城市系統出現“韌性城市(Resilient City)”或城市韌性“(Urban Resilience)”等基本概念[16]。這類概念的產生得益于生態學家、社會學家和城市規劃者以城市為系統積極推動多學科研究和跨領域合作[17]。然而,由于城市系統內部的高度復雜性和外部擾動因素的多樣性,城市韌性的概念自2002年美國生態學年會上提出以來經歷近15年的討論,其詳細的科學定義至今仍然沒有達成廣泛的共識[18]。城市韌性定義的不一致性,在于隨著時間的推移具有明顯的動態性,主要包括兩方面的因素。一方面是在“城市”概念上,全球城市化加速和科技進步的背景下城市系統組成和特征發生了根本性的變化,而且城市系統組成和特征在全球、區域甚至可能在局部尺度上存在高度的空間差異[19];另一方面是在“韌性”概念上,城市系統受到外部環境的擾動要素具有多元性,不再將氣候變化和自然災害作為唯一的應對挑戰[20],還包括環境污染、人類沖突和疾病傳播等一系列問題[21, 22]。

在傳統概念上,城市韌性和工程韌性的理論體系緊密相聯,其定義主要關注城市中樓房建筑和道路交通等硬件基礎設施系統對外部震動或突變(External Shock)引起損害的承載力和快速恢復至原來狀態的能力[23]。類似的定義有,城市韌性指一個具體的城市區域遭受多種災害威脅之后為確保公共安全與健康受到的損害程度最小化目標所具備的預警、響應和恢復能力[24]。在這一類定義中,城市系統的平衡態具有唯一性,韌性所應對的外部擾動要素明確而且可預測性,韌性的特征要點包括抵御力、穩定性和恢復力。該定義的局限性可能在于只是關注城市中的“城”的物理結構,而沒有考慮到城市在社會經濟系統中作為“市”的功能[25]。工程韌性的思維來定義城市韌性,是把城市系統的平衡態當成靜止,無法在本質上把握城市系統平衡態的動態性和多樣性。

有別于傳統的基于工程韌性的概念體系,目前關于城市韌性的定義將城市當成高度復雜的適應性系統或系統中的“系統”,由此進一步融合了生態韌性和社會經濟韌性的理論要點[26]。城市韌性理論融合在應用層面的創新點在于推動城市規劃從基于“幾何形態”特征的傳統途徑向以實現“城市功能”為目標的新途徑轉變。與此有關的較有代表性的定義是美國洛克菲勒基金會(Rockefeller Foundation)發起“全球韌性百城(100 Resilient Cities)”計劃倡議時所指出的：“城市韌性是一個城市內個人、社區、機構、行業及其所組成的系統,無論是經歷突變性擾動還是緩慢性壓力所具備的生存、適應和發展能力”[27]。在城市韌性理論體系上,社會學家與城市規劃者已經和生態學家一道深刻意識到城市不僅僅需要面對突變性擾動,同時還要應對緩慢性壓力[28]。無疑,城市韌性理論體系把城市當成一個復雜的研究系統,對促進城市規劃建設實踐以保護居民生命財產和發揮城市功能為導向具有重要的科學指導意義。

圖1 城市的韌性系統特征Fig.1 Characteristics of urban resilient systems

盡管“韌性”一詞已經成為城市與區域相關領域內的流行語以及所形成的城市韌性理論體系同時受到各界人士的青睞,但是該理論作為新的范式用于具體實踐仍然是一大難題,其應用存在的挑戰不僅需要科學界內部的跨學科合作,還需要加強科學界與建設實踐者的廣泛溝通[29, 30]。例如,科學地量化城市韌性或者構建合理的評價體系對促進源于生態學的韌性知識有效地轉化為城市系統的建設實踐至關重要[31]。然而,作為新興的研究課題,學術界在城市韌性的概念上還沒有達成廣泛的共識,有關城市韌性評價體系的研究并不多見。目前較有代表性的韌性城市評價體系,是“全球韌性百城”計劃基于城市韌性理論以系統中復雜性和多樣性為核心的整體框架[27]。該體系包括了韌性城市應對突變性擾動和緩慢性壓力所必須具備的七個系統特征(圖1a—c)：反思性(Reflective)、資源可用性(Resourceful)、包容性(Inclusive)、完整性(Integrated)、魯棒性(Robust)、盈余性(Redundant)和可塑性(Flexibility)[32]。其中,反思性和可用性是關于城市系統中個人、家庭和組織機構在危機時刻的應對水平和吸取教訓的能力(圖1a);包容性和完整性指的是通過良好管控和高效領導以確保合理的投資和行動、解決脆弱群體的必需品以整體地構建面向所有人的韌性城市(圖1b);魯棒性、盈余性和可塑性強調的是城市系統“質”方面的特征,如應對擾動和壓力的財富優勢和利用其他有助于快速恢復策略的意愿或氛圍等(圖1c)。盡管該體系的七個系統特征從定性的角度并采用簡單的形象標識有助于研究人員、城市管理者和公眾之間在城市韌性領域的知識交流,但目前仍然缺乏定量的模型擬合不同系統特征之間的相互關系和統一的尺度量化城市系統的韌性程度。隨著城市大數據的持續積累和云計算技術的不斷進步,構建包括七個主要特征的定量評估模型和計算平臺將有望實現。

3 韌性城市的實踐與國際合作

城市是集自然生態系統(如森林、綠地、河流、湖泊、濕地等)、基礎設施體系(如樓房建筑、道路交通、水利樞紐、能源設備等)和社會經濟活動(如貿易、金融、文化、教育等產業)為一體的高度復雜的耦合系統[33],面臨著自然災害(如地震、臺風、洪水、滑坡等)、環境污染(如光、聲、水、氣、土等)和人類沖突(如社區矛盾、恐怖襲擊、金融詐騙、疾病傳播等)等各類不安定因素的干擾[30]。韌性概念和理論體系在自然科學研究、工程技術領域、社會經濟方面都分別得到不同程度和角度的應用與發展,是整合城市生態安全、人居環境健康與社會經濟可持續發展的重要理論基礎[34]。由此,韌性城市作為新的概念和理論體系應運而生,并在城市規劃建設實踐中類似于生態城市、低碳城市、綠色城市、海綿城市到智慧城市等在全球掀起了新浪潮。

雖然韌性城市的定義還沒達成廣泛的共識,其理論體系的研究仍然處于發展階段而尚未全面成熟,但是由于韌性的理念有望將城市中“城”的結構和“市”的功能系統整合起來,已經促使全球政府組織、非政府組織以及私人基金會和大型跨國集團及分布于全球的許多城市積極行動起來,并正在逐步形成由歐美發達國家為主導的“國際計劃、項目交流與實踐案例”為一體的全球合作網絡[35, 36](圖2)。其中,聯合國人居規劃署(United Nations Human Settlements Programme, UN-Habitat)、聯合國國際減災戰略署(United Nations International Strategy of Disaster Reduction, UNISDR)和聯合國開發計劃署(United Nations Development Programme, UNDP)位于城市韌性全球合作網絡的一個中心引領位置。這三個聯合國所屬機構,與歐盟國際合作與發展總司(Directorate General for International Cooperation and Development, DG-DEVCO)、世界銀行集團(World Bank Group)等國際組織機構和國際商業機器公司(International Business Machines Corporation, IBM)等大型企業以及國際標準化組織(International Organization for Standardization, ISO)等非政府組織建立起了城市韌性戰略合作伙伴關系。全球合作網絡的另一個中心位置由美國洛克菲勒基金會所主導,其通過有代表性的“全球韌性百城”計劃與英國奧雅納(Arup)工程顧問公司、美國微軟(Microsoft)公司、德國西門子(Siemens)股份公司和瑞士再保險(RE-insurance)公司等在城市韌性領域具有深入的戰略合作。在國家層面,英國國際發展部(UK Government′s Department for International Development, DFID)代表英國政府也積極響應并與聯合國所屬三個機構和洛克菲勒基金會等建立起城市韌性合作關系。

由國際組織所主導以促進城市韌性實踐為目標的合作網絡中,具有一定影響力的是聯合國人居規劃署于2012啟動的城市韌性繪制計劃(City Resilience Profiling Program, CRPP)。該計劃在城市發展理念上受益于韌性和可持續性兩種范式的互補,超越了傳統上以削減風險為主的評估方法,側重于整合與人居有關的空間、結構、功能等多維要素以應對城市未來可能的挑戰[37]。圍繞城市發展的新理念,聯合國人居規劃署通過知識創新、技術推廣與合作交流三個核心策略為一體的模式在全球范圍內推動該計劃的實施、完善和發展。在知識創新方面,聯合國人居規劃署依托該計劃于2009年建立了總部位于巴塞羅那(Barcelona)的城市韌性研究所(Urban Resilience Institute),旨在以人居韌性為主題凝聚來自不同領域的科研和技術人才開展新知識的發現和交流。在技術推廣方面,該計劃致力于城市規劃與管理一體化整合方法的研發,用于繪制和監管城市應對多種自然災害的韌性強度,并通過構建全球的合作網絡旨在為各個國家和各地政府提供城市韌性繪制工具(City Resilience Profiling Tool, CRPT)。在合作交流方面,聯合國人居規劃署通過該計劃與其他組織共建了全球城市危機聯盟(Global Alliance for Urban Crises, GAUC)、麥德林韌性城市合作(Medellin Collaboration on Urban Resilience, MCUR), 構建城市韌性運動(Making Cities Resilient Campaign, MCRC)等主要國際合作平臺,并與全球20余個沿海城市建立了城市韌性實踐戰略合作伙伴關系。

圖2 全球城市韌性行動網絡 (改自：UN Habitat, 2017)Fig.2 Global Network of Actors on Urban Resilience (Modified from: UN Habitat, 2017)

由知名私人基金會主導促進城市韌性運動(Urban Resilience Movement)為使命的合作網絡中,最早率先推進并得到廣泛參與的項目是美國洛克菲勒基金會于2013年倡議的“全球韌性百城計劃”。該計劃旨在通過韌性方案(Resilience Solutions)、城市行動(City Action)、地方領導(Local Leaders)、全球影響(Global Influence)等4種策略促進城市韌性運動的蓬勃發展[38]。韌性方案策略,指的是引導全球企業領袖和非營利組織共建城市韌性市場(Urban Resilience Marketplace);城市行動策略,指的是通過經費資助、技術援助和能力建設等方式幫助入選“全球韌性百城”的城市創建和實施城市韌性的系統模式;地方領導策略,指的是引導地方政府領導堅信城市韌性理念、掌握城市韌性知識、成為城市韌性專家并分享相關成功的實踐;全球影響策略,指的是通過共享韌性的理念和價值觀,鼓勵和影響全球思想領袖、政策制定者和金融機構致力于推廣城市韌性建設。該計劃倡導的城市面對的威脅,不僅包括地震、洪水、火災、疾病爆發和恐怖主義襲擊等極端突發事件,還包括高失業率、高稅收、基礎設施老化、食物和水資源短缺等一系列慢性壓力。為應對這些極端突發事件和慢性壓力,該計劃構建的城市韌性框架(City Resilience Framework, CRF)包括了健康福祉、社會經濟、設施環境、領導策略等4個主要的維度。

由歐洲國家政府部門致力于韌性城市發展使命的合作主體,是英國國際發展部于2012年與阿特金斯(Atkins)集團、倫敦大學學院(University College London)合作發起的“面向未來的城市規劃 (Future Proofing Cities)”項目。該項目倡議全世界城市應該積極行動起來,通過規劃應對快速城鎮化和氣候變化給城市穩定性帶來的威脅和挑戰。以項目的韌性倡議為共同興趣點,英國國際發展部與美國洛克菲勒基金會、亞洲開發銀行(Asian Development Bank)瑞士經濟事務部(Swiss Secretariat for Economic Affairs)合作創立了城市氣候變化韌性信托基金(Urban Climate Change Resilience Trust Fund, UCCRTF),以吸引應對氣候變化影響和降低城市貧困區域脆弱性而進行韌性能力建設所需的財政資源。UCCRTF基金自2013年開展活動以來,為巴基斯坦、 孟加拉、 印度、 印度尼西亞、緬甸、菲利賓、和越南等亞洲國家的城市韌性能力建設提供了經濟支持。

除了國際組織和知名私人基金會及發達國家外,大型跨國企業也是積極推動和支撐韌性城市實踐活動的一支重要力量。例如,英國奧雅納(Arup)工程顧問公司在美國洛克菲勒基金會的資助下開發了城市韌性指標體系(City Resilience Index, CRI, http://www.cityresilienceindex.org/)。CRI是全球首個用于評估城市韌性的復雜性工具,其應用有助于加強城市構建面向未來富有競爭力和適應力的發展策略[39]。基于洛克菲勒基金會“全球韌性百城”計劃的城市韌性框架(CRF),CRI沿著健康福祉、社會經濟、設施環境、領導策略等4個維度,涵蓋了必須通過定量和定性的數據分析進行回答的156個響應性問題和用于相應參照的52項指數[40]。CRI已經在英國利物浦、中國香港、印度西姆拉(Shimla)、智利康塞普西翁(Concepcion)、坦桑尼亞阿魯沙(Arusha)等城市進行了試點應用。美國微軟(Microsoft)公司2013發起了“微軟未來城市(Microsoft City Next)”計劃作為打造智慧城市(Smart cities)的全球倡議。該計劃與“全球韌性百城”計劃于2015年起在城市網絡安全開展了合作,旨在使得城市網絡空間更具有韌性。德國西門子(Siemens)股份公司下屬的基礎設施與城市發展部早在2011年承擔了公司的城市韌性活動并肩負起相關業務發展使命,隨后與奧雅納工程顧問公司、紐約市區域規劃協會(New York City′s Regional Plan Association)合作開發了韌性城市工具包(Toolkit for Resilient Cities, TRC),并于2016年與“全球韌性百城”計劃在能源、交通和建筑領域開展深入的知識交流與合作。為響應颶風桑迪之后紐約市發起的重建韌性特別倡議(Special Initiative for Rebuilding Resiliency, SIRR),瑞士再保險公司于2013開始涉及城市韌性相關工作,對城市相關自然與氣候災害及降低風險措施等進行了定量的研究,隨后與“全球韌性百城”計劃在災害風險控制、氣候變化適應性、基礎設施加固和恢復等領域開展了合作。

4 我國韌性城市的機遇與挑戰

2014年12月,在新加坡由洛克菲勒基金會組織召開的“城市韌性峰會”上,四川省德陽市和湖北省黃石市入選“全球韌性百城”計劃的第二批項目,標志著我國正式參與韌性城市的實踐和國際合作[41]。2016年5月,浙江省義烏市和海鹽縣入選“全球韌性百城”計劃的第三批項目,表明我國有更多的城市正在或將積極推動韌性城市的規劃建設實踐。雖然城市韌性作為新的概念和理論體系得到包括聯合國、知名私人基金會、大型跨國企業和英國政府等所屬機構的積極推動可能給我國城市轉型發展帶來新契機,但是這并不意味著我國能夠在未來引領全球韌性城市的創新、合作與發展。在城市韌性的概念和理論體系所涉及的城市自然生態系統、基礎設施體系、社會文化體制等各個方面,我國與歐美及日本等發達國家之間存在明顯的差別[42]。這些差別可能給我國從根本上推動韌性城市的規劃建設實踐帶來一定的挑戰。就我國具體案例而言,目前已有若干論文初步總結了湖北省黃石市韌性城市建設實踐存在的問題和經驗[41, 43]。然而,我國各地城市在氣候特征、自然資源、環境污染、產業結構、人口規模、居民收入、經濟水平和民眾教育等諸多方面存在明顯的地域性差異。顯然,我國各地城市在推動韌性城市轉型與發展過程中,應在國家戰略框架下立足于自身實際情況,在與韌性城市有關的科技支撐、規劃設計和建設發展等方面形成系統的解決方案。

在科學技術研究方面,從韌性的科學定義及學科體系到城市韌性的概念及理論發展,我國整體上仍處于緊跟研究趨勢的前沿。我國在城市韌性領域還沒形成具有自主創新的重大科學突破,其開展城市韌性規劃建設實踐可能將在一定程度上或一定時期內受到制約。為避免“韌性城市”成為概念炒作,每個城市在開展規劃建設實踐之前應確實加強針對該城市自身的科學研究。如：從自然-經濟-社會復合生態系統的角度,客觀地認識自然系統、基礎設施、經濟產業、社會文化等子系統的維數和屬性及相互關系,定量地識別這些子系統當前存在的各種擾動壓力,模擬和預測未來這些子系統與各種擾動壓力的動態響應及耦合關系。在城市系統的維數和屬性研究上,不應局限于單個城市系統本身的地理學邊界或行政區劃邊界。如城市邊界內的“山水林田湖草”等自然生態系統同時也是其所在流域生態系統的重要組成部分,因此需要在流域尺度上理解城市邊界內自然系統的結構和功能及關鍵驅動機制[44]。在城市各子系統之間相互關系上的研究,不應受限于以某單個學科為主導,應以城市當前和未來面對的問題為導向開展跨學科交叉和跨領域的合作。在模擬和預測的研究中,不應只局限于與韌性有關的概念性框架的構建和理論層面的分析,而是在此基礎上積極應對數據共享可能存在的阻礙和風險并充分利用面向城市系統的超級計算等現代技術支撐下的定量方法,如與智慧城市及人工智能等研究相結合[45]。

在城市規劃設計方面,由于城市韌性的概念及理論體系并非在我國城市建設和發展實踐中形成的自主知識創新,其在我國城市未來轉型發展的具體應用和深入推廣可能面臨的瓶頸問題。對此,城市規劃設計應考慮到三個具體的方面并著力加快轉變。其一,在時間尺度上考慮到城市系統的動態性和不確定性,應促進城市韌性以具體問題為導向的精準研究和模擬預測有效地轉化為規劃設計所需的科學知識與技術支撐。如：加強城市韌性研究機構和規劃設計部門的深度合作,鼓勵研究人員在城市規劃設計的參與中尋找具體科學問題,將有助于促進相關成果的轉移轉化。其二,在空間尺度上考慮到城市系統的獨特性及在區域尺度上的多樣性和變異性,應促進城市規劃設計的思維模式從“多城一策”的統一性向“一城一策”的靈活性轉變。如：在構建面向城市規劃設計的韌性評價體系,要著重考慮每個城市的系統特征和應對的具體挑戰,而不是采用統一的衡量標準。其三,在結構與功能上考慮到城市系統的完整性和復雜性,應促進城市規劃設計理念從“一城多圖”的行業獨立性向“一城一圖”的整合關聯性轉變。如：城市規劃設計部門應與城管、交通、電力、水利、農林、環保、科技等相關管理部門協同開展工作。

在城市建設發展方面,如何將韌性科學框架下的規劃設計有效地落實,對于我國韌性城市的成功實踐和引領全球的合作推廣至關重要。對此,韌性城市建設發展應重點考慮三個方面并在實踐中有效實現。其一是,從工程建設目的和社會發展和諧的角度考慮,韌性城市實踐要從根本上突破工程韌性的思維體系,在保證具體工程本身韌性的同時應樹立以人為本的觀念著力于增強城市社會系統的韌性,從根本上減少社會沖突以構建宜居和包容的社會環境。其二是,從資金投入和經濟效益平衡的角度考慮,韌性城市實踐不僅僅是城市某個具體工程的示范和資金投入,更重要的是整個城市系統基礎設施資金投入的布局在完善城市中“城”的空間韌性結構的同時,應有利于整個城市作為“市”的經濟功能的綜合提升,從根本上降低財稅壓力以構建富裕和安居的從業環境。其三是,從工程協調施工和長效維護運行的角度考慮,韌性城市建設發展不是為直接推動某個具體工程項目的建設,而是促進整個城市系統基礎設施在韌性科學規劃設計下“一圖一城”的整體協調建設以避免重復施工建設,同時致力于推動和建立基礎設施長效維護運行的一體化管理體制,從根本上減緩自然災害和環境污染的不利效應以構建安全和健康的生活環境。

致謝： 感謝丹麥奧胡斯大學Clive Sabel教授關于韌性城市研究的交流及對本文寫作的幫助。