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基于弹性城市视角的北方山地城镇防灾策略研究

2016-12-23徐嵩刘晓阳曾坚XUSongLIUXiaoyangZengJian

生态城市与绿色建筑 2016年3期
关键词:山地防灾测度

徐嵩 刘晓阳 曾坚/ XU Song, LIU Xiaoyang, Zeng Jian

基于弹性城市视角的北方山地城镇防灾策略研究

徐嵩 刘晓阳 曾坚/ XU Song, LIU Xiaoyang, Zeng Jian

在全球气候变化和快速城镇化的背景下,北方山地城镇的安全形势受到严峻挑战。弹性城市的概念为城镇防灾研究提供了更具适应性和可行性的思路。首先,在梳理国内外对弹性城市研究进展的基础上,结合地域特点对北方山地城镇灾害形成要素——致灾因子、暴露性和脆弱性分别进行分析;其次,基于上述分析构建了结合地域性防灾规划的弹性城市测度指标体系,以分析城镇的弹性现状;最后,在该指标体系框架的引导下,从弹性思维的视角出发,根据灾害的区域分异规律,提出了分别针对北方山地城镇低、中、高度风险度分区的灾害防控手段以及非工程的防灾策略。

弹性城市 灾害风险 防灾规划 山地城镇 测度指标 地域性

近年来,极端气候事件显著增多。据美国国家航空暨太空总署(National Aeronautics and Space Administration,NASA)的研究表明,自2014年持续至今的厄尔尼诺现象是20世纪有气象观测以来的最强一次。最近我国南方持续暴雨导致的洪涝、滑坡等灾害已造成江苏、安徽等11个省份的2 000多万人受灾,这已给防灾工作敲响了警钟。在全球变暖的大背景下,我国降水格局正逐步改变,因此北方地区应未雨绸缪,提前做好规划应对工作。对位于北方地区的山地城镇而言,气候变化带来的不利影响尤为典型。而现行的防灾规划对于北方复杂地形的考虑、气候变化的适应以及城镇化影响的顾及较少,地域性防灾规划理论滞后于经济和社会的发展。因此,探求契合北方山地城镇特点的灾害防控手段刻不容缓。

当前城市规划的热点理念,如“生态城市”、“低碳城市”、“海绵城市”、“弹性城市”等,对于生态环境与气候变化、城市防灾等都有各自的应对措施和侧重点。其中,“弹性城市”在对灾害的抵抗、适应、恢复等方面具有良好的可变性和灵活性,同时也给北方山地城镇绿色低碳的规划研究提供了新的视角。

1 相关概念解析

1.1 弹性城市的基本理念及研究现状

“弹性”(resilience)一词源于生态学,由加拿大学者霍林(Holling,1973)最先提出,他认为弹性是指应对复杂气候和自然灾害时,生态系统迅速恢复,且能够维持系统正常运行的能力。2001年,卡本特(Carpenter)从吸收外界干扰、自组织和学习适应3方面描述社会生态弹性。随后,不同学科开始引用弹性概念,将弹性理论与城市复合系统结合起来,提出了弹性城市(Resilience City)的概念。阿尔伯蒂(Alberti)在2003年提出,所谓弹性城市是指城市的经济、社会、政治、文化及物质环境等各个系统能应对外部干预,吸收与化解压力及变化,保证其基本结构和功能不受影响。弹性联盟(Resilience Alliance,2007)认为弹性城市可以在保持原有功能不受侵袭的前提下,对外界干扰进行缓冲。之后,约瑟夫 · 贾巴里(Yosef Jabareen,2006)提出弹性城市的4个方面:经济弹性、社会弹性、环境弹性和安全弹性(图1)。

国际上关于弹性城市的研究已经扩展到气候变化与弹性城市、城市灾害规划管理和恢复、城市水资源管理与适应、城市能源与弹性城市、灾害风险管理等方面。2008年达沃斯国际减灾会议上,弹性城市的概念被广泛征用;2009年,联合国大学环境与人类安全研究所(United Nations University-Environment and Human Security,UNUEHS)提出了大弹性城市研究框架;2012年,世界银行发表了关于东亚和太平洋地区的“建构弹性城市:原则、方法和实践”报告;2013年3月,联合国国际减灾战略署(United Nations InternationalStrategy for Disaster Reduction,UNISDR)报告提出将打造“弹性城市”以应对自然灾害;随后,日本于2014年将建设弹性国土作为基本国策,并由上至下制定了相应规划(图2)。

相比之下,国内学术界近几年才开始大量关注弹性城市。总体来看,目前对于弹性城市概念及相关指标体系评价等方面的研究均处于起步阶段,且相关研究多偏重于社会及制度调整、基础设施建设等方面,对于弹性城市整体框架建设及指标体系的研究较少,距离概念的本土化适应性应用尚有较大差距。

1.2 北方山地城镇的概念界定

“山地城镇”是一个广义的概念,包括两方面的含义:一是城镇建设用地位于高低起伏的复杂地形之上;二是虽然城镇的用地平缓,但城镇发展受周边山坡丘陵等复杂地形的制约(黄光宇,2006)。“北方地区” 是地理学上依据温度、降水划分出的季风气候区的北部地区,包括东北三省、黄河中下游大部、甘肃和宁夏东南部以及江苏和安徽两省的北部,与南方地区在气候、地形、植被景观等方面有显著差异。

2 灾害风险分析

图1 弹性城市的组成部分

对于北方山地城镇的防灾研究,应从分析其灾害风险入手。首先,北方严寒、干旱等特殊气候加之复杂的地形地貌,导致灾害链类型多样,灾害种类及发生频率异于南方以及平原地区;其次,近年来随着京津冀一体化进程的加快,城镇化的一些不良后果,如北京西部山区城镇无序蔓延、高强度超常规建设等,将极大增加山地城镇所面临的灾害风险。

灾害风险的大小取决于一般致灾因子、承灾体的暴露性和脆弱性3个要素(毛德华,2011),通过对北方山地城镇这3个要素的分析,为后文基于地域特点的弹性城市测度指标的研究提供有力支撑。

2.1 致灾因子

致灾因子是指可能造成灾害的因素,即灾害源。致灾因子的发生频率、强度、时空分布对山地灾害风险的大小起着重要作用。我国北方属于严寒地区或寒冷地区的建筑气候区,山区的地形、水文、土壤植被等自然地理条件与温带季风气候相互作用,致灾因子呈现多样性和复杂性,洪涝、寒潮、雪灾、雹灾等气象灾害造成的损失巨大;而山区与所在的自然环境形成的统一体与极端气候因素交织,形成一个特殊的局部微气候区,常常导致致灾因子多样化和灾害在空间上的群发性。以太行山区为例,独特的大陆性季风气候和太行山的屏障作用决定了降雨具有季节性和突发性,再加上该区褶皱断裂复杂,切割强烈,风化裂隙发育,造成泥石流等地质灾害频发(表1)。

2.2 暴露性

暴露性是指人员、财物、系统等承灾体暴露于灾害风险下的数量(燕群 等,2011)。一般情况下,山地城镇的承灾体在山区空间危险地带的暴露程度越高、暴露于致灾因子下的密度越大,灾害损失也就越大。

北方易发雾霾灾害,而重度污染通常发生在极端气候背景下,如强降雪后中层大气回暖,空气在垂直方向“上热下冷”致使污染物不易扩散,从而加大了影响范围、强度,并延长了持续时间,这种区域性的灾害导致北方山区人居环境暴露度较大。另外,近年来的快速城镇化不断“向山要地”,侵占山林、水体等非建设用地,改变自然地形和景观,使生态环境遭到严重破坏,同时也将自身主动暴露于危险环境下。城镇化也使得人口向城镇聚集,增加了暴露在各种不稳定致灾因子下的人群密度(表2)。

图2 弹性城市概念的形成及发展历程

表1 北方山地城镇主要致灾因子分类

表2 北方山地城镇暴露性分析

图3 弹性城市测度体系流程

2.3 脆弱性

在特定的社会、经济和文化背景下,脆弱性(vulnerability)是指外力(灾害)施加于承灾体后,承灾体所表现出的灾损程度和承灾能力,反映了承灾体的易损性、适应性和恢复力(尹占娥,2009)。脆弱性主要体现在人为要素上,取决于区域经济发展水平和城镇的防灾建设能力,其量度正向多结构(敏感性、暴露程度、应对能力、适应力等)和多维度(自然、经济、制度等)方向发展。北方山地城镇是一个“人-环境”的复杂系统,有着独特的自然地理条件和社会经济属性。不少山地城镇受限于经济条件,防灾能力普遍较低,如疏散通道的设置和避难场所的布局缺乏统一标准和规划,电力、消防等生命线系统脆弱。一旦发生不可预料的自然、人为灾害,同时叠加上不利气象条件的话,将难以组织有效的疏散和救援,防灾规划的长期滞后导致北方山区脆弱性高于一般地区(表3)。

3 构建基于地域性防灾的弹性城市测度指标体系

对于弹性城市测度的研究是当前的热点,尽管国外研究成果丰硕,但目前国内尚未提出有针对性的对城镇弹性程度进行科学测度的指标体系,而构建基于地域特点的弹性城市测度体系,能够从顶层设计层面指导弹性城市的防灾规划建设(徐振强 等,2014)。为此,本文以上文对北方城镇的灾害风险分析为切入点,结合我国北方山地城镇建设的实际情况,建立针对地域性防灾的弹性城市测度指标体系。

3.1 北方山地城镇的弹性城市测度指标体系的构建原则及流程

对于城镇不同尺度的空间单元进行城镇的弹性测算,需科学合理地选择评价指标,从而保证评价模型的系统性和适应性。因此,构建弹性城市测度体系必须体现以下原则:

(1)可量化原则

弹性城市是个复杂综合的系统,要综合考量所选取指标数据的可获取性、可计量性、可对比性,且所选指标需能够涵盖这个复杂系统的各个层面。

(2)典型性原则

在大量构建评价弹性城市的因素中,选择能够体现城市弹性的主要成分变量,且能较好地衡量建设弹性城市的目标。

(3)地域性原则

由于不同地域在区位、地形、气候、产业结构、文化特色以及对灾害风险应对方面具有差异性,构建弹性城市的指标不能千篇一律,要选取能够体现北方山地城镇典型特征的相关指标。例如,考虑北方冬季采暖特点,增加可再生能源使用率的指标因子;针对北方常见的空气污染(热岛效应、雾霾等)问题,选择体现区域生态环境弹性的指标因子,如集中供热普及率、绿色出行和绿色建筑比率等。山区防灾的弹性一方面体现在地貌特征(高程、坡度等)的量化指标上,另一方面体现在山地城镇防灾能力的测度指标弹性上,如人均道路面积、生命线系统完善度、弱势群体人口比率等。

针对北方城镇进行弹性能力指标评测,将有助于完善我国弹性城市理论体系,有效提升城镇的防灾韧性。测度体系的构建流程如图3所示,主要包括指标体系分类、确定指标选择范围、指标初选和评价指标体系确立4个阶段。

3.2 北方山地城镇的弹性城市指标体系构成

该测度体系的构建基于地域特点的城镇防灾规划,考虑北方复杂山地条件下的城镇空间环境与灾害的特殊性及致灾机理,结合相关评价指标研究的梳理与筛选,对北方山地城镇构建弹性城市的主要指标进行归纳总结,以危险度、暴露度和脆弱度的弹性测度为一级指标,其次以生态弹性、社会弹性等9个控制因素作为二级指标,最后以空气质量优良率、绿化覆盖率等40个指标因子为三级指标,从而形成目标层-因素层-指标层三级指标体系架构(表4),以评估城镇的

表4 北方山地城镇弹性城市测度指标体系

弹性现状。

首先,弹性危险度与致灾因子的危险性相对应,分析致灾因子可能造成灾害的严重程度和频繁程度是弹性城市风险评估的前提条件。因此,围绕危险度的不确定性,研究从生态弹性、社会弹性、技术弹性3个因素层面展开。指标的选取体现了北方城镇的低碳发展内涵,突出了生态建设和对气候变化的应对。其次,对弹性暴露度的研究,分别从城镇人口、开发控制、地貌特征3方面分析,并将这3类分解为若干具体指标项,目的在于检验山地城镇承灾体的暴露程度。最后,从防灾能力、社会易损性、政府管理3个方面,系统评价北方山地城镇的弹性脆弱度。

图4 灾害风险度分区技术路线

图5 人工湿地的模块做法(来源:刘丹,华晨,2015)

4 基于弹性思维的北方山地城镇防灾规划策略

由于我国北方山地城镇所处的中纬度地带陆地广阔,海陆热力性质差异显著,在山区复杂地形条件的影响下,气候变化将引发局地性的“蝴蝶效应”,再叠加快速城镇化阶段层出不穷的社会矛盾,导致多种孕灾环境的形成并产生灾害的链式反应。面对灾变各个环节的随机性和不确定性,北方山地城镇在建设弹性城市的过程中,首先应运用“3S”(GIS、GPS、RS)数字技术对灾害的区域分异规律形成充分认识(图4),然后针对不同灾害风险程度区域(低、中、高度风险区)的典型灾害特点,分别提出相应的灾害防控手段。这样既跳出了“普适性”防灾规划的套路,又体现了弹性城市在防灾规划应用中的适应性、灵活性与经济性。

4.1 低度风险区

低度风险区为风险度量化值处于较低数值区间的区域,区域内具备偶然产生灾害的自然条件和社会条件,灾害的强度和频率较低,危害性较小(吴彩燕,王青,2012)。受地形地貌限制,低度风险区一般为城镇中地形起伏和缓、坡度较小的台地、河谷地等可建设用地较为集中的区域(李云燕,2014),因此,紧凑、集约、高密度建设成为该区域的一大特征。从弹性思维的角度出发,低度风险区防灾策略一般有以下4点:

(1)高密度城区的生态防灾策略(王峤 等,2014)。通过提高绿地率、降低地面硬化率等生态手段缓解高密度环境带来的热岛效应、空气污染等北方典型城市问题。同时,以绿植、水系构建的生态系统与周边山体绿化的“引、通、环、净”协调,可以有效阻隔灾害的蔓延。由于北方冬季常见大风、寒潮及降雪天气,推行实用型与综合防灾一体的绿色建筑,在低成本建设的同时提升建筑的抗风、节能、承压等性能。

(2)土地复合利用与弹性控制。以“大分区,小混合”为原则,对传统功能分区进行适度的功能混合,使土地复合利用的理念贯穿于城乡规划编制体系的各层面,留足弹性空间以控制容积率、建筑密度等指标。当灾害发生时,城镇具有应灾的兼容性和灵活的调度空间。

(3)可持续性的城镇更新。由于建设条件良好,低度风险区往往也是城镇的旧区所在。因此,存量背景下的城镇更新是北方山地城镇发展进程中必须要面对的现实。综合地形、气候、人口等因素,以可持续的多元目标为导向,进行合理的建筑布局和街道肌理更新,使城镇的更新与动态变化的弹性实施环境相匹配,从而提升城镇对灾害的适应性。

(4)有条件的区域形成规整性路网布局。在地形起伏较小或没有自然地形阻隔的地段,尽量形成非直线系数较小的规整路网,提高道路在冰冻雨雪天气下的可达性,使避灾疏散效率最大化。

4.2 中度风险区

中度风险区为风险度量化级别处于中等区间的区域,在自然、社会和技术致灾因子同时具备的情况下,灾害隐患较多,并有可能造成较严重的损失。因此,在弹性城市的构建中,要着眼于降低承灾体的脆弱性和暴露性,提高城镇系统对灾害的适应力和恢复力。对于北方山地城镇的中度风险区来说,主要从以下两个方面提出防灾策略:

(1)构建多尺度生态安全格局。针对北方山地城镇生态环境敏感性高于平原地区的特点,综合考虑地质灾害、光环境、热环境等因素,并与低、高度风险区的景观格局进行良好互动,形成以生态源、斑块、廊道等元素组建的生态体系(俞孔坚 等,2009),以应对城镇蔓延、保障山地城镇生态安全。在社区层面,适宜采取分散灵活的绿化模块(刘丹,华晨,2015),如人工湿地、透水铺装、浅沟等(图5),组合成多样的防灾结构,一方面避免了集中式生态体系对于灾害应急的僵化和机械性,另一方面模块化结构对区域复杂的地形条件有较高的适应能力,使防灾体系更具弹性。

(2)提高生命线系统的冗余度。相当一部分北方山地城镇受经济发展水平制约,基础设施现代化程度不高,在灾害发生时生命线系统首当其冲。在极端天气或者强降温情况下,生命线系统任何一个环节失效,灾害影响都将扩展到整个系统。因此,需要在防灾规划中提高其冗余配置,增强工程弹性。如建设主、辅两套电力系统,在主系统中断、受损时,辅系统及时应急使用,保证最低所需电力供应。另外,生命线系统适当地下化也有利于保障城镇基本功能和服务的供给。

4.3 高度风险区

高度风险区为风险度量化级别处于最高区间的区域,在自然、社会和技术致灾因子同时具备的情况下,容易诱发大规模、高强度的灾害,并造成重大灾害损失。该区域一般为不良地质区域,考虑到局部山区气候垂直分异明显,灾害损失会产生进一步的放大、连锁效应。如北方山地型矿区极易发生岩溶地面塌陷灾害,这种突发灾害在发生前具有隐蔽性的特点,因此往往造成巨大损失。当前城镇化进程加快使得人地矛盾突出,不少工程建设和人类活动选址于该区,在灾害面前表现出较强的暴露性和高度的脆弱性。

因此,对高度风险区宜采用以避为主、工程防治为辅的防灾措施。具体包括:对于重大危险源,限制其空间布局,并与人口密集区保持一定的安全距离;防止人为扰动破坏山体斜坡,避免人为建设而带来生态胁迫性;适当提高局部建筑抗震设防标准,增强建筑结构的防灾能力;对位于不良地质区的居民点,要进行有计划的撤村并点和移民安置(谢映霞,2013)。

4.4 非工程防灾策略

非工程防灾建设是应对城镇突发灾害,增强山地城镇可持续性与弹性的重要手段,也是工程措施的有益补充。一方面借助智慧技术,针对北方山区特有的自然、社会特点,建立灾害动态监测体系和安全预警机制(赵在绪 等,2015),提升警情发布的实时性和防灾决策的准确性;另一方面,完善灾害保险制度,由于灾后巨大的经济损失对于山地城镇是一个沉重打击,保险制度和合理的金融手段对保护灾区民众财产和灾后的重建恢复意义重大,同时保持经济弹性也是弹性城市建设的内涵之一。

5 结论与讨论

弹性城市在我国作为一个新兴的理论概念,将在城镇防灾规划领域发挥越来越重要的作用。由于我国地域间自然条件和经济状况差异巨大,弹性理论的应用应注重典型地域特色。基于弹性城市的防灾方式需从被动救灾转变到主动防御,通过城镇自身的动态变化,灵活调整内部结构以应对外界扰动,并取得系统的自平衡状态。

在北方山地城镇复杂多变的情境下,本文创新性地把弹性城市理论应用于北方山地城镇,在分析其致灾机理的基础上,构建弹性城市在防灾层面的测度指标体系,并提出基于弹性思维的防灾规划策略,从理论上丰富了地域性防灾规划。然而,现阶段气候、地形、城镇化进程与灾害的耦合机理越来越复杂,不稳定性因素相互交叠,因此,基于防灾层面的弹性城市测度指标体系还需筛选更多的指标因子,科学量化评价方法,使评价结果更加客观。此外,在多规融合导向下,整合弹性防灾与山地城镇规划的关系,对提高社会系统协同度、共同应对灾害风险也具有重要战略意义。

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徐嵩,博士研究生,天津大学建筑学院

刘晓阳,博士研究生,天津大学建筑学院

曾坚,通讯作者,教授,博士研究生导师,天津大学建筑学院

2016-07-28

STUDY ON DISASTER-PREVENTION STRATEGY OF MOUNTAINOUS TOWNS IN NORTHERN CHINA BASED ON THE PERSPECTIVE OF RESILIENCE CITY

Under the background of climate change and rapid urbanization, the security situation of northern mountainous towns is faced with severe challenges. The concept of Resilience Cty provides more adaptable and practicable ideas for the research of disaster prevention. First of all, on the basis of a review on resilience city at home and abroad, this paper analyses the disaster-causing factors, exposure and vulnerability of disaster risk in the northern mountainous towns with regional characteristics. Then it establishes evaluation indicator system of resilience city. Finally, under the guidance of the indicator system framework, both engineering and non-engineering disaster prevention measures for the low, medium and high risk zoning are respectively presented with resilience thought according to the regional differentiation rules of disaster.

Resilience City, Disaster Risk, Disaster Prevention Planning, Mountainous Towns, Evaluation Indicator, Regionalism

本文受国家自然科学基金重点项目(编号:51438009)资助。

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