韧性思维、韧性基础设施与城市运行安全

华智亚

摘要：基础设施是城市安全运行和可持续发展的物质基础。随着城市规模的扩大和风险的增加，城市基础设施面临更多灾害威胁。传统的防护策略强调在灾害发生之前阻止其发生或规避其影响，但随着风险的不确定性和不可预测性的增加，灾害难以完全避免。源自自然生态学的韧性理论在承认灾害不可避免的前提下强调对灾害冲击的吸收、适应和转变，关注系统自身的能力建设和功能维持。韧性基础设施是指能够吸收灾害冲击并通过对灾害的适应和转变来维持或尽快恢复基本功能的基础设施工程。通过把缓冲性、多功能性、多样性、冗余性和自适应性等韧性策略应用于基础设施工程的规划、设计和建造实践，可以建设韧性基础设施、增强基础设施工程的韧性，进而保障城市的运行安全。

关键词：韧性;韧性思维;城市基础设施;工程;城市安全

DOI：10.3969/j.issn.1674-7739.2021.01.004

一、引言

与乡村世界不同，现代城市几乎是完全建立在工程基础之上的人类活动体系。现代城市人的大部分时间都是在各类工程之上或之中度过的。在种类繁多的城市工程中，基础设施工程对于城市的安全运行和可持续发展具有重要意义，其中的供水、供电、交通、通信等工程更是被人们形象地称为“城市生命线”。正因为如此，城市基础设施工程的安全尤为重要，它们一旦受到威胁，不仅会带来生命财产损失，还有可能因功能丧失和服务中断而影响整个城市的安全运行。例如，2008年1月下旬至2月初，受持续低温降水影响，湖南郴州供电线路被冰雪压断，全市供电中断近十天，整个城市运行陷入瘫痪状態，通讯中断、物价飞涨，市区40余万民众生活困难;[1]2013年6月5日晚，因电缆问题引发变电站故障，上海市中心城区静安、黄浦、徐汇等地发生大面积停电事故，导致部分地铁停运，路灯、交通信号灯失灵，市区交通一片混乱;[2]2020年1月13日，西宁市一街道路面塌陷，不仅造成近10名市民死亡，还导致当地交通被阻断数天。[3]

由于基础设施对于城市的安全运行具有举足轻重的意义，近年来随着城市化进程的加速和城市规模的扩大，基础设施安全问题日益受到管理部门和研究界的重视。在公共安全和工程安全等研究领域，传统的“防护策略”强调“预防”和“保护”，即主张通过对风险的预测和预警以阻止灾害发生或者通过设置保护装置、部署安保力量来规避灾害的影响。“防护策略”的重点在于通过“事前”的努力来防范和保护。然而，随着风险时代的来临，风险的不确定性和不可预测性急剧增加，灾害防不胜防。首先，风险层出不穷，除了传统的自然灾害、技术故障和人为事故之外，气候变化、恐怖袭击以及技术发展带来的“自反效应”都有可能威胁到城市基础设施的安全。例如，深圳市仅在2013至2015年的三年间就发生城市道路路面塌陷事故579起，具体原因则不一而足，包括降雨、施工不当、地质沉降、熔岩、管道破裂、管道渗漏、抽取地下水等数十种。[4]其次，风险越来越难以预测，随着城市规模的扩大，城市系统的复杂性和耦合性相应增加，任何一个小的扰动都可能因为“蝴蝶效应”和“级联效应”而引发大的灾害。2013年11月22日，因输油管道泄漏后的不当操作，青岛市一市政排水暗渠发生爆炸，不仅导致62人死亡，还引发周边多条供水、供电、供暖、供气管道连环受损。[5]

面对新的挑战，源自自然生态学的韧性（Resilience）思想受到重视，国际学界倡导在“防护策略”之外还要应用“韧性策略”，即当灾害无法避免的时候，通过对灾害冲击的吸收、适应和转变来维持或尽快恢复基础设施的功能，从而把灾害的损失控制在最小。韧性策略与防护策略有着不同的思路和侧重点，防护策略强调控制变化，而韧性策略强调适应变化。韧性策略提出之后，逐渐得到学界和公共政策界的认同。例如，日本在2011年大地震之后提出了“国土韧性化”政策，并于2013年通过了《国土韧性化基本法》。[6]在遭受2012年飓风“桑迪”重创之后，纽约市于2013年发布了名为《一个更强大、更有韧性的纽约》的城市建设规划。[7]2017年发布的美国国家安全战略则把增强韧性确立为国家安全的三大支柱之一，该战略报告指出，尽管政府尽了最大努力，但还是不能阻止一切危险，而建设韧性的社区和基础设施是在面临压力和冲击时减少损失和破坏的最佳方法。[8]

近年来，韧性思想被引入国内，但现有研究要么关注国外政策的演变和经验的介绍，要么侧重以城市为单位进行总体分析，很少有文献专门从韧性的视角来讨论城市基础设施问题及其与城市运行安全的关系。鉴于基础设施是城市安全运行和可持续发展的物质基础，本文在梳理韧性思维流变的基础上，通过分析什么是韧性基础设施以及如何建设韧性基础设施，来探讨把韧性思维引入城市基础设施工程规划、设计和建设的必要性和可能性问题。通过这一探讨，一方面希望从韧性这一新的视角审视基础设施工程安全问题，以丰富工程社会学的相关研究;另一方面，为增强基础设施工程的韧性，提升城市综合防灾减灾能力，建设安全、可持续的城市提供理论支持和政策依据。

二、韧性思维的起源与演变

“韧性”并非一个全新的概念，早期人们用它来描述弹簧之类的材料在承受外力作用后发生形态变化但又可以恢复原状的物理属性和能力。[9]虽然在心理学、结构工程学中也有所运用，但在社会科学领域，韧性主要是在生态学和社会学的背景下讨论的。20世纪60年代，随着系统论的兴起，一些生态学家把韧性概念引入了对自然生态系统的研究，开始关注生态系统的自我修复能力。1973年，加拿大不列颠哥伦比亚大学的生态学家霍林（Crawford S. Holling）在一篇名为《生态系统的韧性和稳定性》的论文中提出，与稳定性（Stability）不同，韧性是生态系统的持久性和它们吸收变化和扰动且在种群和状态变量之间维持相同关系的能力。同时，霍林还强调，不稳定性或者说波动性有时也可以产生韧性和持久的能力。[10]这一思想随后得到了一些生态学家的响应和支持。

首先，从韧性视角看待基础设施工程可以促进对基础设施系统性和网络连接性的重视。随着城市规模的扩大和技术的发展，尤其是互联网和物联网技术的发展，基础设施工程之间的联系日趋紧密。一个城市的所有基础设施工程有可能构成一个整体的系统，而不仅是一个个离散的物理实体。耦合性增加之后，“级联效应”不可小觑。例如，2019年8月16日，美国海关和边境保护局的网络系统出现故障，导致纽约、华盛顿等城市的机场陷入半瘫痪状态。[19]由此可见，城市基础设施系统性和网络连接性的发展对其安全提出了新的挑战，而对基础设施韧性的强调正好能够回应这种挑战。韧性思维发轫于自然生态学研究，生态学强调“系统思维”和“关系思维”，受此影响，韧性基础设施也关注“系统”和“网络关系”，强调通过不同基础设施工程之间的跨尺度互动和互补来最大限度地吸收和适应灾害冲击，从而确保整体功能的发挥和整个城市的安全运行。

其次，韧性视角有利于促进基础设施安全研究由确定性思维转向不确定思维。韧性思维强调不确定性，“不确定性和意外是游戏的一部分，人们所能做的就是做好准备，学会接受它”。[20]沃克和库珀（Jeremy Walker & Melinda Cooper）通过对韧性思维谱系学的研究也发现，韧性思维能够兴起并迅速渗透到社会科学的广大领域在于其契合了当代各国政策话语对不确定性和不可预测性的强调。[21]当前，世界正进入一个全球性的风险社会，各种新风险、新挑战层出不穷。在此背景之下，强调基础设施的韧性有利于规划者、设计者、建造者以及其他利益相关者放弃对确定性和可预测性的幻想，不要把全部精力都放在预防和避免灾害的发生上，而应在承认灾害难以完全避免的前提下，探讨如何增强基础设施工程自身的韧性，以便在灾害发生时能最大限度地吸收冲击、保持功能性并将总体损失降到最低。

再次，对韧性的强调为评价基础设施工程提供了一个新的价值标准。工程活动是具有价值导向性的活动，工程有好坏之分，工程的设计和建造也存在多种方案。[22]如何从多种方案中选择，就涉及价值标准的运用。一般认为，工程应该满足“安全”和“可持续”这两个最基本的价值标准。[23]无论是安全还是可持续都具有内外两个维度。内在的维度是就工程自身而言的，外在的维度是就工程对环境、社会、他人的影响而言的。其中，内在的安全是指工程自身具有安全性，不会因灾害扰动和冲击而丧失功能乃至损毁。[24]显而易见，内在的安全和可持续性是工程先决性的基础，而“韧性”不仅为评判工程的好坏提供一个新的价值标准，而且也为实现工程自身的安全和可持续提供了一条路径。简而言之，一个基础设施工程，其韧性越强，就越能经受灾害的冲击而保证自身的安全和可持续性。

最后，对韧性的强调有利于推动城市基础设施安全实践由被动的防护转向主动的作为。如前所述，对于如何保障城市基础设施安全的问题，传统策略强调“预防”和“保护”。防护策略是一种被动的策略，因为只有清楚地了解灾害是什么以及灾害如何发生等问题后，才有可能采取针对性的措施在灾害发生之前发现并制止它。与此不同，韧性策略强调基础设施工程自身的能力建设，关注在灾害发生时和发生后，工程如何能够吸收灾害的冲击并适应环境和条件的变化从而保持或尽快恢复基本的功能。因此，“韧性基础设施”是以自身为导向的，以能力建设为着力点，体现了一种主动作为的精神。“韧性基础设施”概念的提出有利于把韧性思维引入基础设施工程建设，通过规划、设计和建造各环节的努力来增强韧性。

四、韧性策略与韧性基础设施的建设

在韧性研究领域，一些研究者探讨了增强韧性的一般规律。[25]但如何建设韧性基础设施、增强基础设施工程的韧性并无现成答案。在把握韧性基础设施本质要求的基础上，根据增强韧性的一般性规律，并借鉴国内外相关基础设施工程规划、设计和建造的经验教训，本文对如何建设韧性基础设施进行了初步思考，提出了几条具体的策略。

第一，缓冲性策略。缓冲性策略通过特定的设计让工程加大对灾害冲击的吸收来降低灾害的后果，从而尽可能保持功能性。从理论上看，研究者常把灾害风险表述为威胁（t）、脆弱性（v）和后果（c）的一个函数，即Risk= f （t，v，c）。[26]缓冲性策略认为在灾害无法避免的情况下，虽然不能改变威胁（t）的大小，但却可以通过降低工程自身的脆弱性（v）和灾害冲击的后果（c）从而从总体上降低灾害风险。例如，以往的灾害事件表明，工程建筑的连续性倒塌（Progressive Collapse）不仅会造成大量人员伤亡和财产损失，甚至会导致整个工程被摧毁。所谓“连续性倒塌”是指工程建筑的局部破坏引发其他部分的连锁反应，最终“导致整体结构或大范围区域的倒塌”，[27]1995年美国俄克拉荷马联邦大楼爆炸事件和2001年纽约世界贸易中心撞击事件中发生的连续性倒塌都加剧了事件的后果。为了避免连续性倒塌的发生，工程界出现了各种抗连续性倒塌设计方法，其中大多数方法本质上都是利用缓冲策略来降低灾害对工程建筑的影响。此外，在一些基础设施工程外立面铺设防火泡沫的做法也体现了缓冲性策略。防火泡沫的主要目的不是避免火灾的发生，而是在火灾发生后能够吸收火灾的冲击，从而降低火灾的影响。因此，在基础设施建设过程中有意识地运用这些缓冲性策略可以增强相关工程的韧性。

第二，多功能性策略。多功能性策略强调把多重功能集于一个基础设施工程之上，意在通过功能的交织、结合和叠加来提升整体基础设施系统对灾害冲击的适应能力。多功能性不仅可以提升工程的经济和空间效益，也可以提升基础设施的整体韧性。例如，瑞典的一些高速公路除了具有行车的功能之外，还可以起降飞机，这样可以保障机场在遭受打击之后飞机依然能够正常升空。[28]同样，我国的沈大高速、郑民高速部分路段也兼具跑道功能，可以在需要时为客货飞机及军用飞机提供应急起降服务。[29]这种集多功能于一体的设计有助于提升城市基础设施系统对环境的适应和转变能力，在灾害发生后维持或尽快恢复功能。当前，针对灾害风险的不确定性和不可预测性，人们在设计和建造工程时更加有意识地应用多功能性策略。在丹麦的拉斯巴市，针对气候变化带来的洪水风险，设计师与当地市民合作设计建造了一座洪水公园，该公园不仅建有一般的锻炼和游乐设施，而且建造了三座蓄水池，因而具有观赏、锻炼、游乐和蓄洪等多重功能，能够帮助其吸收和适應降雨、洪水等灾害的冲击，增强其韧性。[30]

第三，冗余性策略。冗余性策略通过增加备用系统来提升韧性，当基础设施工程受到灾害冲击而出现问题时，可以启用备用系统，从而确保功能正常发挥或尽快恢复功能。2012年“桑迪”飓风袭击中，纽约市加油站系统因停电而无法提供服务，飓风之后，纽约市吸取了这一教训，为大多数加油站配备了备用发电机，以免重蹈覆辙。[7]冗余性策略要求基础设施必须拥有备用组件或替代品。备用系统可以是完全相同的，例如为一个城市建立两个或多个自来水厂，这样即便一个水厂受到灾害冲击，可以启用其他水厂从而确保城市的供水。此外，备用系统也可以是发挥同样功能的不同选择。当前一些城市在主干电网之外还积极利用可再生能源进行分布式发电并建设小规模、分散性的微型电网工程。[31]这种微型电网既能与外部联网运行，也能独立运行，因而在主网出现扰动或故障的情况下，能够维持正常供电，从而提升整体供电设施的韧性。与多功能性不同，冗余性从短期来看似乎是增加了成本，因而是“不经济”的。然而，如果转换视角，从长时段来看，它可以提升城市基础设施工程的韧性，不仅有助于应对风险和不确定性扰动，而且有利于长期成本的节约。

第四，多样性策略。韧性建设中的多样性策略受到生物系统反应多样性的启发。生态学家早已发现，当面临气候变化、环境污染和疾病等外界压力和扰动时，由不同物种组成的功能性群组会出现不同的反应，这种情况下，功能性群组从扰动中恢复的能力更强，其整体得以持续的条件也会更为广泛。[32]类似的，就城市基础设施系统的安全而言，如果每一项基本功能都由多样性的工程来承担，则会增强整体系统的反应多样性，从而增强城市基础设施的整体韧性。多样性策略要求规划者和设计者具有系统思维，通过设计不同工程以满足同一功能，形成具有多样性的工程体系。2005年11月23日23时至27日18时，受松花江水体污染影响，哈尔滨市自来水厂被迫停止供水91小时。危机虽然引发了一些恐慌和抢购行为，但300多万市区人口的用水需求基本得到了保障，原因在于除了自来水厂外，全市还有918眼地下水井可以提供应急供水。[33]这一案例说明由于多样性供水工程的存在，整个城市的供水系统具有较强的韧性，在受到灾害冲击的时候，供水的核心功能得以维持。反之，多样性不足会导致基础设施韧性下降。二战之后，欧洲国家大力发展航空运输，然而，2010年冰岛火山爆发这一新的风险因素出现导致西欧多国航空运输业瘫痪，使得过度依赖航空的西欧国家措手不及，交通运输体系大受影响，[34]暴露了其韧性不足的短板。

第五，自适应策略。自适应策略强调在无法对将来的变化、冲击和扰动进行准确认知的前提下，系统应具有灵活性，要通过“以变应变”和“从实践中学习”来提升自身的生存和适应能力。就基础设施而言，适应性强调基础设施工程能够自动适应环境的变化，尤其是消极的变化。英国诺丁汉特伦特大学的研究者和一家商业公司合作设计的小型防洪工程体现了“自适应策略”，这种用于保护低洼地区的小型防洪工程的核心装置是SELOC（Self-Erecting Low-Cost Barrier）系统，它可以随着水位的上升而上升，无须人为改变，因而具有更强的韧性来应对扰动和外在条件的变化。[35]除了自适应之外，一些设计者还试图研究开发基础设施工程在受到冲击情况下的自我修复技术，如果能够成功应用于实践，这显然也有助于提升基础设施的韧性。

五、结语

中国城市化进程还在加速，预计到2030年，整体城市化水平将达到75%。[36]这意味着需要建设更多的基础设施工程，以满足更多人口在城市生活的需要。基础设施是城市安全运行和可持续发展的物质基础，但随着城市规模的扩大和风险的增加，城市基础设施面临更多的威胁。因此，如何应对各种灾害的威胁以确保基础设施的安全成为一个重要的问题。

传统的防护策略关注如何在灾害发生之前阻止灾害的发生或规避灾害的影响，不可否认这是确保基础设施安全的重要途径。但随着风险不确定性和不可预测性的增加，灾害难以完全避免，在此情况下，思考在灾害发生之后如何维持或尽快恢复基础设施的功能也很重要。

源自自然生态学的韧性思想在承认灾害发生的前提下，关注系统对灾害冲击的吸收、适应和转变从而维持或尽快恢复自身功能的能力。这一思想为探讨基础设施的安全问题开辟了新的视角。从韧性的视角来看，建设韧性基础设施、增强基础设施工程对灾害冲击的吸收、适应和转变能力，有利于在灾害发生后维持或尽快恢复功能，进而有利于保障城市系统的安全运行。因此，建设韧性基础设施是提升城市综合防灾减灾能力、保障城市安全运行的一条创新路径。实践当中，建设韧性基础设施需要把缓冲性、多功能性、冗余性、多样性以及自适应性等策略应用于基础设施工程的规划、设计和建造过程当中。

总之，韧性基础设施概念的提出以及对如何建设韧性基础设施工程的探讨有利于从韧性的视角重新审视城市基础设施的规划、设计与建造过程，也有利于相关决策者、规划者、设计者和建设者参与到韧性基础设施工程建设中来，为城市的安全运行做出贡献。

说明：本文系上海政法学院2019年度校级科研项目“‘韧性视野下的城市安全建设机制研究”（2019XJ07）的阶段性研究成果。

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Resilience Thinking， Resilient Infrastructure and Cities Operation Safety

Hua Zhiya

（Shanghai University of Political Science and Law，Shanghai201701，China）

Abstract：Infrastructure is the material basis for the safe operation and sustainable development of cities. With the expansion of urban area and the increase of risk， urban infrastructure is facing more disaster threats. The traditional protection strategy emphasizes on preventing the occurrence or preempt the impact of disasters， but with the increase of uncertainty and unpredictability of risks， it is difficult to completely preempt disasters. Taking into account the above-mentioned fact， the resilience theory originated from natural ecology emphasizes the absorption， adaptation and transformation of disaster impact， and pays attention to the capacity-building and function maintenance of the system. Resilient infrastructure refers to infrastructure projects that can absorb the impact of disasters and maintain or restore basic functions as soon as possible through adaptation and transformation of disasters. By applying resilience strategies such as buffering， multi-function， diversity， redundancy and adaptability to the planning， design and construction of infrastructure projects， we can build resilient infrastructure， enhance the resilience of infrastructure projects， and ensure urban security.

Key words：resilience; resilience thinking; urban infrastructure; projects; urban security

责任编辑：王明洲