韌性城市理念下的市政基礎設施規劃策略初探

陳智乾

引言

2021年3月，中央發布 《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》，提出順應城市發展新理念新趨勢，開展城市現代化試點示范，建設宜居、創新、智慧、綠色、人文、韌性城市。這是國家層面首次提出“韌性城市”的概念。這次官宣也意味著“韌性城市”建設將會與“宜居城市、海綿城市”一樣，成為未來城市建設的重點方向。市政基礎設施作為居民生活服務和社會生產的物質工程設施，是城市的生命線工程，保障著城市這個復雜有機體的正常運轉，因此探索韌性城市理念下的市政基礎設施規劃策略對于提升城市韌性，保障城市安全至關重要。

韌性城市的相關概念及作用機制

(一）韌性的內涵及作用機理

韌性理論的發展先后經歷了工程韌性、生態韌性、演進韌性三個階段的演變，每一次演變其內涵都得到了進一步豐富。其中工程韌性是基于單一平衡的認知，它源自物理學中系統恢復原狀的能力；生態韌性是一種多平衡認知，指系統具有在不同狀態下的適應和變化能力。而目前學界已達成共識的演進韌性則是一種基于復雜系統多平衡的認知，指復雜的社會生態系統為回應各類沖擊而激發的多種變化、適應和改變的能力。

演進韌性的作用機理來源于霍林和岡德森的適應性循環理論和多尺度嵌套適應循環模型(圖1），包含了四個階段，描述了生態系統在受到不確定性干擾后的四個發展階段，分別是守恒階段、創造性破壞階段、重組階段、成長階段。其拋棄了對平衡狀態的追求，強調持續不斷的適應，強調了學習力、創新力，是一種韌性和持續調整能力緊密相連的動態系統屬性。演進韌性強調無論是否存在外界干預，系統的本質都會隨時間產生變化。從其豐富的內涵看，演進韌性更適合復雜多變的城市應用場景。

圖1 適應性循環的擾渾模型示意圖(資料來源:Davoudi等，2012）

圖2 韌性城市不同階段表征(資料來源:李鑫，什么是韌性城市，https://mp.weixin.qq.com/s/IK5Q9E1uL_t5VjYP3tu7iw）

(二）韌性城市的三種作用機理與相應特征

基于演進韌性內涵的復雜性，韌性城市也表現出豐富的特征，為更好的理解其概念，在諸多學者研究的基礎上，本文將韌性城市的特征歸納為七個方面:魯棒性、冗余性、多樣性、聯接性、恢復力、轉化力、學習力。這七個特征與韌性城市遭遇沖擊時的三種作用機理緊密相連。一是自控制:城市系統遭受沖擊的情形下，依然能在一定時期內維持基本功能的運轉，表現出魯棒性、冗余性的特征；二是自組織:城市是由人類集聚產生的復雜系統，具備自組織能力是系統韌性的重要特征，其主要特征為多樣性、聯接性、恢復力；三是自適應:韌性城市具備從經驗中不斷總結、不斷提高的特征，其主要特征為轉化力、學習力。

韌性城市理念對傳統市政基礎設施規劃理念的沖擊

韌性城市的理念與傳統的城市規劃理念存在一定的差異(表1），其對傳統城市規劃理念的沖擊也反映在城市規劃建設的各個維度，其中在基礎設施規劃方面主要表現為:傳統的市政基礎設施規劃以追求規模效益、方便管理和維護為導向，趨向于采用大型、集中型、穩健性的基礎設施，如采用區域水廠統一供水、污水區域集中收集處理、深隧工程排水等，但基礎設施建設大型化、集中化在方便管理的同時，也帶來了一些潛在風險，如區域污水處理廠一旦發生事故，會造成集中的污染；區域水廠的水源地一旦受到污染，會導致嚴重的飲水安全事故。2009年2月20日發生的江蘇鹽城水污染事件，由于鹽城市標新化工廠將含有高濃度揮發酚的工業廢水偷排至鹽城飲用水取水河蟒蛇河，使得2座集中供水水廠遭受嚴重污染，近20萬居民生活飲用水被迫中斷近67小時，社會影響惡劣。

表1 韌性城市基礎設施規劃理念與傳統基礎設施規劃理念差異對比

表2 韌性城市理念對市政基礎設施規劃領域的影響

韌性城市理念下的市政基礎設施建設策略

(一）運用生態智慧構建市政基礎設施的頂層設計

韌性城市的核心思想不只是關注提高抵御單個災害的能力，也不是提倡在相互競爭的系統里做選擇或者求平衡，而是通過將人的價值觀與生態系統完整性相關聯來實現人與自然的和諧，這與近年來新興的生態智慧的核心思想非常統一，生態智慧是一種生態和諧或者平衡的哲學，以實現人與自然環境和諧共存為目的，其核心思想就是中國傳統文化中提出的“天人合一”，它強調的是一個系統的整體性。用生態智慧的理念來打造市政基礎設施的頂層設計，至少需注意三個方面的融合:

1.融合不同專業類型的市政基礎設施

城市市政基礎設施關聯性強，常常“牽一發而動全身”，某一個系統的破壞會造成其他系統的功能受到影響，甚至完全破壞。因此在市政基礎設施的頂層設計中應統籌不同類型的市政設施進行系統化設計，避免各類市政設施之間互相沖突，減少破壞時的互相影響。傳統市政基礎設施的統籌設計包括管線綜合規劃以及市政基礎設施整合規劃，但管線綜合規劃、市政基礎設施整合規劃多從集約用地的角度去安排各種設施，缺乏災害防御的思維視角，因此頂層設計時就應融入韌性理念，在考慮集約用地的同時，更需要考慮互相之間的關聯性，減少災害發生時的互相破壞。具體策略包括加強對各專業的市政基礎設施的防災能力評價，結合不同市政設施在整體防災中的地位，合理調整各類市政基礎設施的布局；增加應急保障設施的供應源，如增加應急水源、應急電源等；必要時還需要適當提高市政設施的設防標準。

2.融合綠色基礎設施和灰色基礎設施

海綿城市設計很好的利用生態智慧哲學融合了綠色基礎設施和灰色基礎設施，它顛覆了傳統雨水收集排放的粗放概念，在應對雨洪災害時不僅僅限于雨后如何泄澇，更是從規劃開始便思考如何與環境和諧，減少雨洪發生的可能性。通過在灰色基礎設施——排水管網的前端設置各類綠色基礎設施——ILD開發設施，消減初期雨水污染及產匯流，在排水管網的末端增加綠色基礎設施——公共海綿設施、泄水街道等，在消減面源污染的同時還大大提升了城市對于暴雨災害的適應性(圖3）。當然，綠色基礎設施和灰色基礎設施的融合還不僅僅局限于海綿城市設施方面，筆者梳理至少應包括污水處理、景觀改造等方面(表3）。

圖3 海綿城市——低影響開發設施(LID）+管網+泄水通道

表3 綠色基礎設施與灰色基礎設施融合方式梳理

3.融合存量和增量市政基礎設施

由于有的配送人員素質較低，或對工作沒有責任心，或覺得態度無所謂，導致對顧客態度惡劣。他們不能及時耐心地與客戶溝通，共同解決配送過程中出現的問題。與客戶發生沖突時，不能采取禮貌的方式對待客戶，也不及時向物流公司進行匯報，無法順利解決客戶遇到的問題，這會導致客戶對該物流配送產生很大的不滿。因此必須對配送人員進行培訓，主要是服務態度的培訓，必須使用禮貌用語，出現問題必須及時向公司客服進行反饋，不能直接與顧客發生爭執。

當前，我國城鎮建設已經進入以存量更新為主的高質量發展階段。2020年7月，國務院辦公廳發布《關于全面推進城鎮老舊小區改造工作的指導意見》，標志著存量更新工作步入快速發展的新階段。存量地區基礎設施存在設施老化、建設標準偏低、超負荷運轉等問題，且常伴有用地緊張的特點。通過基礎設施體檢的方式，挖掘設施配置短板，因地制宜采用集約整合、分布式設施、智能化設施等方式推進基礎設施系統有機更新，加強潛在危險源的治理。做好存量與增量地區的設施銜接，建立多源保障方案，提高設施的建設標準、可靠水平，并通過基礎設施冗余度設置，提升安全韌性。

(二）通過情景分析優化市政基礎設施的空間布局

韌性城市規劃是一種基于情景分析的規劃方式，韌性市政基礎設施規劃同樣適用。通過情景分析的方法模擬在極端災害情況下，城市的受災程度和功能運轉情況，通過優化基礎設施布局，保障城市基本功能、應急功能的運轉，把災害對城市的破壞降低到最低限度。隨著數學模型、GIS技術的運用，情景分析的方法越來越廣泛地應用到各類基礎設施規劃中。

1.模擬極端降雨情景，優化海綿設施布局

通過基礎數據的收集，運用ICM、MIKE等水力模型軟件，耦合降雨、下墊面、管網等基礎數據，模擬極端暴雨天氣城市的內澇情況，找出城市水安全存在的“病灶”，通過梳理和保護河流、湖泊及濕地等水生態敏感地區，科學合理布局公共海綿設施、雨水行泄通道，完善管網排水系統，緩解城市內澇問題，提升城市應對暴雨災害的韌性(圖4）。

圖4 模擬城市內澇反饋公共海綿設施布局

以張家港海綿城市規劃為例，規劃通過ICM 水力模型對中心城區的內澇風險進行模擬后，找出現狀及潛在的城市內澇風險區，在規劃方案中，在這些內澇風險區周邊結合綠地、公園進行公共海綿布局，將潛在內澇雨水第一時間導入公共海綿，可大大緩解內澇風險。

2.模擬地震災害損失，優化市政基礎設施布局

市政基礎設施本身也是致災因子，如燃氣、污水、供熱管網一旦破壞，會對城市產生不同程度的損害，因此可采用一種全新的概率分析框架來預測震后水電系統和交通網絡功能損失，充分考慮在一致的空間尺度上具有不同拓撲結構和災害響應特征的物理系統之間的功能耦合，在此基礎上提出了一個基于物理機制的、量化的、涵蓋整個城市關鍵基礎設施的功能損失評價模型。利用這一模型，可得到每個系統的抗災需求、其結構響應參數的不確定性和它們之間的空間相關性。模型采用基于網絡流理論的方法來模擬特性各異網絡之間的功能依存關系，分析揭示并量化了災害強度的空間變化、建筑物和公共基礎設施系統組件的固有脆弱性，相互依存的公共基礎網絡中的級聯失效以及公共網絡中剩余供應能力的再分配，從而量化了城市建筑環境災后的各項功能損失和空間分布，為城市的基礎設施韌性規劃決策提供豐富的信息支持。

3.模擬應急避難情景，完善防災基礎設施布局

運用GIS技術模擬抗震避難、應急救援時重要防災基礎設施的服務半徑，進一步優化消防站、避難疏散場地等基礎設施布局。以固定疏散場地布局為例，模擬災害發生后的前10分鐘、前30分鐘、前1小時疏散情況，根據實際情況對不同時段賦予不同的疏散速度，結合疏散場地位置生成其不同時段的行程覆蓋范圍。可很直觀地看到各疏散場地的服務范圍，結合疏散場地的容納人口，可根據模擬結果進一步優化固定疏散避難場所布局，滿足城市疏散要求。

圖5 災害作用下城市基礎設施系統耦合分析(Zhang et al., 2018）

圖6 固定避難疏散場所服務半徑模擬

(三）運用新方式、新技術提升市政基礎設施物理韌性

隨著城市建設理念的不斷變革、科學技術的不斷進步，更多的建設方式和技術手段也被廣泛應用到基礎設施建設領域，大大提升了基礎設施的物理韌性。典型的方式手段就包括綜合管廊、彈性建筑等。

1.依托綜合管廊提升基礎設施管線韌性

綜合管廊盡管已經存在有一個多世紀，但在我國它作為一種新的市政基礎設施敷設方式被廣泛應用還是在2015年《國務院辦公廳關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》頒布之后。綜合管廊具有恒溫性、恒濕性、隔熱性、隔音性、遮光性、氣密性、隱蔽性、空間性、良好的抗震性和安全性，可以大大增強市政基礎設施的物理韌性。各種工程管線敷設在綜合管廊中，避免了與土壤、地下水、道路結構層中的酸堿物質直接接觸，大大延緩了管道腐蝕，延長使用壽命，也便于管理和養護。此外綜合管廊的結構具有一定的堅固性，采用綜合管廊相當于在管線外增加了一道鋼筋混凝土保護層，對于工程管線具有較好的保護性能，這在戰時及災害性條件下顯得尤為重要，另外綜合管廊可以預留一定的彈性空間，可有效地解決城市發展過程中各類市政管線持續增長的需求，為未來城市基礎設施承載力提供足夠的韌性(圖7）。

圖7 綜合管廊

2.運用安全建筑技術強化基礎設施場站韌性

市政基礎設施場站作為核心樞紐設施，應積極運用一些新興的安全建筑技術，加強其對各種災害的防御能力。考慮其重要性，市政基礎設施場站首先應比其他普通建筑物的設防標準更高。其次可以通過傳感系統對建筑物的使用狀態進行監控，并制定一旦某種監控指標超過閾值的處理預案。對于特別重要的建筑物可以積極探索使用新型建筑材料，逐步提升核心樞紐設施的物理韌性。

(四）通過智慧城市建設提升市政基礎設施的運維和應急韌性

我們正處于工業4.0的萬物互聯時代，在大數據、物聯網等信息技術得到廣泛應用的背景下，應將韌性城市與智慧城市相結合，共同助推城市的優化升級，建設成為具有智慧城市大腦的韌性未來城市。

智慧城市的韌性特征是指運用信息技術以及相應服務提升城市基礎設施系統吸收以及應對外在干擾的能力。智慧城市在市政基礎設施運維中主要呈現出以下幾個方面的韌性特征:一是利用智能網絡提升基礎設施日常運行管理效率；二是利用大數據和智能城市平臺構建開放的、公眾參與的環境；三是利用技術和大數據分析提升城市應急和響應的能力。智慧的韌性城市規劃應促進數據資源共享，增進信息聯動，從信息基礎設施和融合基礎設施兩個方面，適度超前預留新基建的彈性空間。

1.加強信息基礎設施建設

缺乏強大的通信網絡系統已成為受災地區的一大威脅，信息滯后也是災害發生時指揮面臨的一大問題。擁有完善的通信系統和行動裝置，可提高基礎設施及時應變的能力。同時隨著市政基礎設施智能化運維要求的不斷提升，對互聯網、大數據、人工智能等技術的依賴性也越來越大，這也導致新型基礎設施建設的需求大幅增加。立足戰略層面，結合智慧服務、數據處理等業務需求統籌布局并預留數據中心的空間用地，提出5G基站建設密度、建設形式，完善通信系統和行動裝置。信息基礎設施的發展為其他各類市政基礎設施提供了適應變化的途徑和應對災害的能力。

2.推進融合基礎設施建設

(1）各類型市政基礎設施融合智慧城市技術

積極推進智慧能源、智慧水務、智慧電網等融合基礎設施建設，提升傳統基礎設施運行效率，實現高質量供給和服務(表4）。融合基礎設施是在原先的基礎設施上集成高速雙向通信網絡系統，通過先進的傳感和測量技術、設備技術、控制方法以及決策支持系統技術的應用，實現能源系統、水務系統、電網系統等基礎設施運行管理的智能化，從而達到更可靠、更安全、更高效、更友好的目標。

表4 “智慧城市”融合基礎設施建設

(2）打造全系統、全方位、全天候的動態管理平臺

一方面推動部門間數據互通及信息化，形成互聯網與政務服務的深度融合，形成不同城市職能的同步實踐。另一方面，推進城市數據資源公開共享，讓部門與公眾、部門與部門、公眾與公眾的信息高效聯動，搭建城市公共安全的智慧信息系統，提高風險預警趨勢研判和應急決策的智能化水平。以大數據、云計算、物聯網、深度學習、人工智能、虛擬現實等新一代技術為核心打造城市全天候動態立體安全風險信息管理平臺。

結語

韌性城市豐富的內涵對于城市未來的市政基礎設施建設影響巨大，某些方向對于傳統的市政基礎設施規劃理念甚至是一種顛覆，當然這也與不同的社會發展階段的頂層思維邏輯密切相關。本文嘗試從多個角度探索韌性城市理念下的市政基礎設施規劃建設的豐富內涵，受限于目前國內關于韌性城市的規劃實踐案例較少，所以很多思考還停留在頂層理念構建上，但隨著中央首次釋放出建設“韌性城市”的信號，國內對于韌性城市的研究必將掀起更高的浪潮。希望能借此東風，涌現出更多關于市政設施規劃建設融合韌性理念的項目實踐，真正地使城市市政基礎設施成為城市應對各種風險和災害的生命線。