生態韌性導向下的城市綠色雨水基礎設施規劃研究
——理論框架與技術路徑

文／華 晨 浙江大學城市規劃與設計研究所 浙江大學平衡建筑研究中心 教 授 博 士

高雅清 浙江大學城市規劃與設計研究所 博士研究生

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

引言

由于全球氣候變暖和環境退化，近年來亞太地區發生的自然災害在強度、頻率、不確定性和復雜性方面都呈現出增加趨勢。《2019 年亞太災害報告》中指出，中國是亞太地區受災害威脅程度最高的國家，雨洪災害造成了損失巨大。目前我國雨洪災害基本覆蓋了31 個省份，超過六成以上城市遭受洪災[1]，“城市看海”現象成為常態。在雨洪災害面前城市表現出極大的脆弱性，2021 年7 月河南遭遇千年一遇特大暴雨，人民生命財產安全遭受嚴重損失，城市的生存和可持續發展受到嚴重制約。為增強應對突發事件能力，提升自然災害防御水平，我國“十四五”規劃指出亟須推動韌性城市建設以加強城市風險防控。提升城市韌性對于增強城市雨洪適應能力，減少受災影響，促進災后恢復，具有重要的現實意義。

面對城市雨洪災害，生態韌性理論摒棄“對立防治”和“絕對調控”的傳統觀念，旨在使城市系統遭受沖擊后能夠自我調適恢復至生態平衡狀態[2]，是提升城市雨洪韌性的重要支撐。綠色雨水基礎設施融合了自然生態系統和人工景觀，涵蓋對雨水從產生到排放的全過程管控，打造和完善城市綠色雨水基礎設施系統對于提升城市雨洪韌性具有重要意義，是城市韌性建設的有效途徑。

因此，在當前雨洪災害的問題導向和提升城市雨洪韌性的目標導向下，本文首先探討了生態韌性和城市綠色雨水基礎設施的理論內涵；其次基于生態韌性理論的前瞻性、適應性、冗余度特征，構建了城市綠色雨水基礎設施規劃框架；最后提出模塊化的技術路徑，將理論與實踐相結合，為城市雨洪管理由“剛性被動防御”轉向“韌性主動適應”提供參考，以期提高城市韌性以應對雨洪災害。

1 相關概念及研究進展

1.1 生態韌性

生態韌性由霍林①在1973 年關于系統生態學的里程碑式論文中提出，將其定義為系統受干擾后恢復到穩定狀態的能力[3]。1990 年生態韌性被首次引入城市規劃領域，運用于城市應對氣候變化和抵御災害[4]。在以生態韌性為基礎的雨洪管理中，將“承受”和“重建”作為理論內涵，把城市受到的擾動和沖擊外力視為學習機會，依靠韌性系統具備的適應性和重組力，實現系統各要素的平衡和穩定，使城市在雨洪災害面前得以存續。

1.2 綠色雨水基礎設施

綠色雨水基礎設施（Green Stormwater Infrastructure，GSI）指針對雨水進行控制和利用的綠色網絡系統，包括城市雨水管理系統內的各類綠色生態設施[5]。與傳統市政管網等基礎設施直接收集排放雨水不同，GSI 從源頭、滲透、儲存、調節、傳輸、凈化等一系列環節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。GSI 按其在雨水徑流中發揮作用的位置分為源頭減排設施、中端傳輸設施和末端控制設施，分別對雨水發揮消減、引流和匯聚調蓄功能，三種不同位置的GSI 要素相輔相成，共同構成城市雨水管理系統[6]。

1.3 生態韌性視角下的GSI 規劃有待進一步研究

目前國內外GSI 相關研究的重點主要集中在評估體系和設計策略上。評估體系方面，現有研究大多側重于如何評估和預測GSI 在流域尺度上的長期性能，主要通過開發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]。設計策略方面，主要通過研究優秀案例中的GSI 設計方法，為GSI 建設提供借鑒參考[8]，多從景觀效果和環境效益方面提出GSI 優化策略，包括不同雨洪管理目標下的GSI 設施選用方法[9]、GSI 區域優化配置模式[10]以及GSI 適應性植物的選擇和設計方法等[11]。

由此可見，現有GSI 的研究多集中在GSI系統本身，韌性思維并未得到重視，鮮有研究與韌性相結合，引入生態韌性等相關概念。在研究重點上，現有研究多側重于實踐層面，重點聚焦工程視角下的評估體系構建和針對實際案例的設計策略提升，缺乏理論基礎研究以及自上而下的統籌規劃。研究內容上，現有研究在與生態韌性結合方面存在極大不足，以提升雨洪韌性為目標的導向性不明顯，多以定性分析為主，內容多集中在效果評估、設施配置或綠色植物選擇等單一方面的設計研究上，并沒有集中探討以提升城市韌性為目的的GSI 體系建構方法，缺乏目標導向下GSI 體系的構建研究。因此，生態韌性視角下的GSI 規劃亟須以提高城市韌性對抗雨洪災害為目標導向，構建GSI 規劃框架體系，將定性與定量分析相結合，探討技術路徑與實證方法。

2 城市GSI 生態韌性規劃的理論框架

生態韌性理論具有前瞻性、冗余度和適應性的特征。前瞻性轉變了被動承災的思維，認為韌性提升是主動過程；冗余度提升城市的包容性，為防止系統在突發狀況下失效癱瘓提供及時響應措施；適應性指系統具備恢復能力，能夠在災后提高系統韌性以適應未來的不確定性；在提升城市雨洪韌性的目標導向下，這些概念可轉換為GSI 韌性承洪的主要特征，構成生態韌性導向下GSI 生態韌性的理論框架（圖1）。

圖1 生態韌性導向下GSI 規劃理論框架圖

2.1 前瞻性——加強災前“把控力”的前期預判

生態韌性理論認為擾動是不可避免的，系統天生具備不確定性和脆弱性。因此，在面對城市雨洪問題上，提升城市韌性本質上是提高城市避免受災的能力，預防災后城市功能受損和社會經濟崩潰。生態韌性的前瞻性包含反省性和穩健性的特征，反省性體現在對過去的經歷進行檢查和審視，獲取經驗教訓以指導城市未來發展。穩健性體現在通過獲得對于災害的預判和把控能力，爭取達到長足穩健的狀態，使城市在遭受沖擊時免受重大損失。在基于生態韌性的城市GSI 的系統框架中，首先通過研究城市已發生雨洪事件的頻率、受災程度、災后恢復狀況、極端天氣影響以及受災最嚴重的區域等，實現對城市雨洪災害的風險預判。利用城市國土空間規劃以及大數據時代大背景下的ArcGIS 平臺，以流域視野為基礎，以實際問題為導向，建立城市空間數據庫進行雨洪災害的脆弱性及風險判定，模擬設置特定城市雨洪事件發生的情境，從而實現系統的前瞻性與預判性。

2.2 冗余度——具備災中“響應力”的動態評估

擁有冗余度特征的雨洪管理系統具有較強的靈活性，在災難到來時能夠有效靈活地聯動系統內各要素。各要素功能具有可替代性和多功能性的特征，一旦災害突發造成某要素功能缺失，多樣冗余的其余關聯要素可以發揮后備功能，使系統迅速得到修復，避免出現一處受災導致整體癱瘓的情況。因此，在進行前期GSI要素的風險預判之后，需要對城市GSI 各要素的承洪風險等級進行劃分，根據不同的等級分區建立相應的響應機制。從而在雨洪災害到來時能夠迅速進行風險識別和響應，并對響應后的GSI 格局進行動態評估，及時準確地調整響應模式，靈活調動各關聯要素，實現系統的動態性和主動響應特性。

2.3 適應性——實現災后“恢復力”的策略落實

系統的生態韌性能夠在應對擾動的經歷中得到建立和不斷提升。在GSI 規劃中，適應性主要體現在災后恢復的落實階段。城市在受到沖擊后，需要在災后重建階段建立起更具適應性的提升路徑，充分利用多樣化系統要素，提升系統各要素整合性和關聯性，以應對下一場未知風險。在GSI 規劃中，以上一階段城市GSI格局的動態評估結果為依據，在具體規劃設計層面積極響應，將生態韌性的適應性作為設計目標和需求落實到具體的GSI 設計要素中，提出具有整體性和多樣化的GSI 各要素管控策略和設計導則，從而實現系統的落地性和實踐性。

3 城市GSI 生態韌性規劃的技術路徑

3.1 技術路徑的思路解析

我國“十四五”規劃中提出“準確識變、科學應變、主動求變”的發展戰略，指出城市發展應善于在危機中孕育先機。對于城市來說，災害帶來的擾動可以看作是變化帶來的機遇，應充分認識到其對城市發展的潛在推動作用。與災難共舞、具備較強適應能力的城市系統，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的學習能力，例如每次遭受雨洪災害后，若能及時收集不同區域的災情數據，從每一次災害中吸收新的受災情況，相應調整應對策略，就可以在“邊學邊做”中不斷適應新情況，避免重復或無效措施，從而更好地迎接下一輪挑戰。

因此，城市GSI 生態韌性規劃的路徑構建需要將雨洪災害作為觸發GSI生態韌性的媒介，在學習中積累抗災經驗，在呼應理論框架的同時強調經驗積累和實踐反饋，在各模塊之間形成有效銜接。技術路徑構建以“十四五”規劃為指導，包含“準確識變、科學應變、靈活適變、主動求變”四個步驟，對應數據管理、風險評估、規劃響應和策略導則四個模塊，進行正負雙向的動態系統化反饋，形成Learn-by-doing 的適應性學習模式（圖2）。

圖2 城市GSI 生態韌性規劃路徑示意圖

3.2 功能模塊的搭建方法

模塊化的城市GSI 生態韌性規劃路徑主要具備四大功能——數據管理、風險評估、規劃響應和策略導則，具備良好的網絡連通性、有機整體性、功能多樣性和動態適應性（圖3）。

圖3 城市GSI 生態韌性規劃技術路徑圖

3.2.1 數據管理模塊

數據管理模塊的目標是為準確識變服務，通過前期的數據準備工作，明晰現有地理空間要素與GSI 系統要素特征，建立適用于下一風險評估模塊的空間數據庫。因此，本模塊的主要功能包括三方面：第一，對相關數據進行挖掘和收集，包含數字高程DEM 數據、坡度地形、現狀土地利用等空間數據以及植被覆蓋數據、降水水文數據、水利數據、水域及緩沖區、歷次災情數據和其他相關GSI 要素數據等；第二，由于原始數據存在格式不統一、坐標不一致及內容有誤差等問題，所以需要對數據進行統一標準化預處理，利用Arc GIS 軟件作為數據管理平臺，進行研究范圍劃定、地形數據的預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據進行分析和管理，最終獲得數據的可視化表達，形成空間數據庫。

3.2.2 風險評估模塊

風險評估模塊的目標是為科學應變服務，通過識別現有GSI 格局，對城市的潛在風險進行辨識和測度，以應對未知的雨洪災害。在本模塊中首先需要構建GSI 現狀格局，為后續風險評估做準備，主要通過ArcGIS 軟件的水文分析模塊與景觀格局指數分析功能，從不同層面的GSI 系統組成要素進行辨識，建立基于雨洪發生自然過程的GSI 整體格局；其次，通過回溯城市發展歷史上出現的歷次雨洪災情，基于歷史規律進行情景模式設定，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 承洪風險地圖。

承洪風險地圖可以直觀地為規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，參數簡單，數據易得，具有良好的適用性。使用SCS-CN 模型可以形成可視化、標準化、可推廣的工具包，在雨洪來臨前了解區域承洪容量缺口最大的高風險區域、在災中了解動態風險的轉移趨勢、不同等級風險的分布格局等，為應對雨洪災害提供科學指導，達到“科學應變”的目的。

3.2.3 規劃響應模塊

規劃響應模塊具有“靈活適變”的特征，由于系統受到的擾動不是一成不變的，在災害發生的不同階段，GSI 系統各要素的韌性功能也有不同的表現，因此系統需要具備對于雨洪災害的動態適應能力。在本模塊中，首先根據上一模塊輸出的GSI 承洪風險地圖，對城市區域進行雨洪風險分級分區，辨識規劃范圍內承洪脆弱性和風險性最大的區域，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，針對不同的風險分區設定生態韌性協同目標，從空間優化和治理方案兩方面進行規劃層面的“雙響應”，形成高、中、低風險地區的分區響應；最后，建構維度-目標-指標三個層次的生態韌性評估指標體系，對不同響應下的GSI 格局進行生態韌性動態評估。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劃師以整體、動態的視角檢驗“雙響應”的有效性。

3.2.4 策略導則模塊

策略導則模塊作為框架的底層設計部分，主要內容是承接前期的預測、評估、響應工作，將規劃層面的規劃響應落實到設計層面，提出GSI 系統的要素優化提升策略。通過策略導則的落實，能夠充分發揮主觀能動性，主動積極地為下一輪雨洪災害做準備，在“主動求變”中實現系統韌性的自我提升。本模塊兼顧科學性和藝術性，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 等設施整合起來，從生態韌性目標、生態系統服務目標和景觀化表達目標三方面出發，形成多目標、有針對性的GSI 管控策略及設計導則，充分發揮規劃的積極引領作用。

結語

本文借力“十四五”規劃，在城市雨洪災害問題日趨嚴重的背景下，確立了“與災害共舞”的價值導向。以生態韌性為視角，圍繞GSI 系統的災前“把控力”、災中“響應力”及災后“恢復力”需求，提出具有前瞻性、冗余度和適應性特征的城市GSI 規劃理論框架，由前期預判、動態評估、策略落實三部分組成。在技術路徑構建上，本文提出模塊化的技術路線，包括數據管理、風險評估、規劃響應和策略導則四大功能模塊，分別對應“準確識變、科學應變、靈活適變、主動求變”的目標，形成雙向適應、動態反饋的Learn-by-doing 學習模式，把每一次風險都作為提升韌性的機會和媒介，呼應生態韌性的動態平衡的特征。

目前我國對于城市雨洪和韌性規劃的研究方興未艾，但仍缺乏定量分析和目標導向下GSI系統的規劃框架體系構建。本文將問題導向和目標導向相結合、定量和定性分析相結合、空間數據信息平臺建設與技術工具包相結合，整體研究思路由傳統的被動防御轉向主動適應，以期為促進城市雨洪管理研究、加快韌性城市建設步伐、促進我國生態文明建設貢獻力量。

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用到系統生態學，隨后不同學科的學者開始介入研究。