韧性城市理念下的市政基础设施规划策略初探

陈智乾

引言

2021年3月，中央发布 《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，提出顺应城市发展新理念新趋势，开展城市现代化试点示范，建设宜居、创新、智慧、绿色、人文、韧性城市。这是国家层面首次提出“韧性城市”的概念。这次官宣也意味着“韧性城市”建设将会与“宜居城市、海绵城市”一样，成为未来城市建设的重点方向。市政基础设施作为居民生活服务和社会生产的物质工程设施，是城市的生命线工程，保障着城市这个复杂有机体的正常运转，因此探索韧性城市理念下的市政基础设施规划策略对于提升城市韧性，保障城市安全至关重要。

韧性城市的相关概念及作用机制

(一）韧性的内涵及作用机理

韧性理论的发展先后经历了工程韧性、生态韧性、演进韧性三个阶段的演变，每一次演变其内涵都得到了进一步丰富。其中工程韧性是基于单一平衡的认知，它源自物理学中系统恢复原状的能力；生态韧性是一种多平衡认知，指系统具有在不同状态下的适应和变化能力。而目前学界已达成共识的演进韧性则是一种基于复杂系统多平衡的认知，指复杂的社会生态系统为回应各类冲击而激发的多种变化、适应和改变的能力。

演进韧性的作用机理来源于霍林和冈德森的适应性循环理论和多尺度嵌套适应循环模型(图1），包含了四个阶段，描述了生态系统在受到不确定性干扰后的四个发展阶段，分别是守恒阶段、创造性破坏阶段、重组阶段、成长阶段。其抛弃了对平衡状态的追求，强调持续不断的适应，强调了学习力、创新力，是一种韧性和持续调整能力紧密相连的动态系统属性。演进韧性强调无论是否存在外界干预，系统的本质都会随时间产生变化。从其丰富的内涵看，演进韧性更适合复杂多变的城市应用场景。

图1 适应性循环的扰浑模型示意图(资料来源:Davoudi等，2012）

图2 韧性城市不同阶段表征(资料来源:李鑫，什么是韧性城市，https://mp.weixin.qq.com/s/IK5Q9E1uL_t5VjYP3tu7iw）

(二）韧性城市的三种作用机理与相应特征

基于演进韧性内涵的复杂性，韧性城市也表现出丰富的特征，为更好的理解其概念，在诸多学者研究的基础上，本文将韧性城市的特征归纳为七个方面:鲁棒性、冗余性、多样性、联接性、恢复力、转化力、学习力。这七个特征与韧性城市遭遇冲击时的三种作用机理紧密相连。一是自控制:城市系统遭受冲击的情形下，依然能在一定时期内维持基本功能的运转，表现出鲁棒性、冗余性的特征；二是自组织:城市是由人类集聚产生的复杂系统，具备自组织能力是系统韧性的重要特征，其主要特征为多样性、联接性、恢复力；三是自适应:韧性城市具备从经验中不断总结、不断提高的特征，其主要特征为转化力、学习力。

韧性城市理念对传统市政基础设施规划理念的冲击

韧性城市的理念与传统的城市规划理念存在一定的差异(表1），其对传统城市规划理念的冲击也反映在城市规划建设的各个维度，其中在基础设施规划方面主要表现为:传统的市政基础设施规划以追求规模效益、方便管理和维护为导向，趋向于采用大型、集中型、稳健性的基础设施，如采用区域水厂统一供水、污水区域集中收集处理、深隧工程排水等，但基础设施建设大型化、集中化在方便管理的同时，也带来了一些潜在风险，如区域污水处理厂一旦发生事故，会造成集中的污染；区域水厂的水源地一旦受到污染，会导致严重的饮水安全事故。2009年2月20日发生的江苏盐城水污染事件，由于盐城市标新化工厂将含有高浓度挥发酚的工业废水偷排至盐城饮用水取水河蟒蛇河，使得2座集中供水水厂遭受严重污染，近20万居民生活饮用水被迫中断近67小时，社会影响恶劣。

表1 韧性城市基础设施规划理念与传统基础设施规划理念差异对比

表2 韧性城市理念对市政基础设施规划领域的影响

韧性城市理念下的市政基础设施建设策略

(一）运用生态智慧构建市政基础设施的顶层设计

韧性城市的核心思想不只是关注提高抵御单个灾害的能力，也不是提倡在相互竞争的系统里做选择或者求平衡，而是通过将人的价值观与生态系统完整性相关联来实现人与自然的和谐，这与近年来新兴的生态智慧的核心思想非常统一，生态智慧是一种生态和谐或者平衡的哲学，以实现人与自然环境和谐共存为目的，其核心思想就是中国传统文化中提出的“天人合一”，它强调的是一个系统的整体性。用生态智慧的理念来打造市政基础设施的顶层设计，至少需注意三个方面的融合:

1.融合不同专业类型的市政基础设施

城市市政基础设施关联性强，常常“牵一发而动全身”，某一个系统的破坏会造成其他系统的功能受到影响，甚至完全破坏。因此在市政基础设施的顶层设计中应统筹不同类型的市政设施进行系统化设计，避免各类市政设施之间互相冲突，减少破坏时的互相影响。传统市政基础设施的统筹设计包括管线综合规划以及市政基础设施整合规划，但管线综合规划、市政基础设施整合规划多从集约用地的角度去安排各种设施，缺乏灾害防御的思维视角，因此顶层设计时就应融入韧性理念，在考虑集约用地的同时，更需要考虑互相之间的关联性，减少灾害发生时的互相破坏。具体策略包括加强对各专业的市政基础设施的防灾能力评价，结合不同市政设施在整体防灾中的地位，合理调整各类市政基础设施的布局；增加应急保障设施的供应源，如增加应急水源、应急电源等；必要时还需要适当提高市政设施的设防标准。

2.融合绿色基础设施和灰色基础设施

海绵城市设计很好的利用生态智慧哲学融合了绿色基础设施和灰色基础设施，它颠覆了传统雨水收集排放的粗放概念，在应对雨洪灾害时不仅仅限于雨后如何泄涝，更是从规划开始便思考如何与环境和谐，减少雨洪发生的可能性。通过在灰色基础设施——排水管网的前端设置各类绿色基础设施——ILD开发设施，消减初期雨水污染及产汇流，在排水管网的末端增加绿色基础设施——公共海绵设施、泄水街道等，在消减面源污染的同时还大大提升了城市对于暴雨灾害的适应性(图3）。当然，绿色基础设施和灰色基础设施的融合还不仅仅局限于海绵城市设施方面，笔者梳理至少应包括污水处理、景观改造等方面(表3）。

图3 海绵城市——低影响开发设施(LID）+管网+泄水通道

表3 绿色基础设施与灰色基础设施融合方式梳理

3.融合存量和增量市政基础设施

由于有的配送人员素质较低，或对工作没有责任心，或觉得态度无所谓，导致对顾客态度恶劣。他们不能及时耐心地与客户沟通，共同解决配送过程中出现的问题。与客户发生冲突时，不能采取礼貌的方式对待客户，也不及时向物流公司进行汇报，无法顺利解决客户遇到的问题，这会导致客户对该物流配送产生很大的不满。因此必须对配送人员进行培训，主要是服务态度的培训，必须使用礼貌用语，出现问题必须及时向公司客服进行反馈，不能直接与顾客发生争执。

当前，我国城镇建设已经进入以存量更新为主的高质量发展阶段。2020年7月，国务院办公厅发布《关于全面推进城镇老旧小区改造工作的指导意见》，标志着存量更新工作步入快速发展的新阶段。存量地区基础设施存在设施老化、建设标准偏低、超负荷运转等问题，且常伴有用地紧张的特点。通过基础设施体检的方式，挖掘设施配置短板，因地制宜采用集约整合、分布式设施、智能化设施等方式推进基础设施系统有机更新，加强潜在危险源的治理。做好存量与增量地区的设施衔接，建立多源保障方案，提高设施的建设标准、可靠水平，并通过基础设施冗余度设置，提升安全韧性。

(二）通过情景分析优化市政基础设施的空间布局

韧性城市规划是一种基于情景分析的规划方式，韧性市政基础设施规划同样适用。通过情景分析的方法模拟在极端灾害情况下，城市的受灾程度和功能运转情况，通过优化基础设施布局，保障城市基本功能、应急功能的运转，把灾害对城市的破坏降低到最低限度。随着数学模型、GIS技术的运用，情景分析的方法越来越广泛地应用到各类基础设施规划中。

1.模拟极端降雨情景，优化海绵设施布局

通过基础数据的收集，运用ICM、MIKE等水力模型软件，耦合降雨、下垫面、管网等基础数据，模拟极端暴雨天气城市的内涝情况，找出城市水安全存在的“病灶”，通过梳理和保护河流、湖泊及湿地等水生态敏感地区，科学合理布局公共海绵设施、雨水行泄通道，完善管网排水系统，缓解城市内涝问题，提升城市应对暴雨灾害的韧性(图4）。

图4 模拟城市内涝反馈公共海绵设施布局

以张家港海绵城市规划为例，规划通过ICM 水力模型对中心城区的内涝风险进行模拟后，找出现状及潜在的城市内涝风险区，在规划方案中，在这些内涝风险区周边结合绿地、公园进行公共海绵布局，将潜在内涝雨水第一时间导入公共海绵，可大大缓解内涝风险。

2.模拟地震灾害损失，优化市政基础设施布局

市政基础设施本身也是致灾因子，如燃气、污水、供热管网一旦破坏，会对城市产生不同程度的损害，因此可采用一种全新的概率分析框架来预测震后水电系统和交通网络功能损失，充分考虑在一致的空间尺度上具有不同拓扑结构和灾害响应特征的物理系统之间的功能耦合，在此基础上提出了一个基于物理机制的、量化的、涵盖整个城市关键基础设施的功能损失评价模型。利用这一模型，可得到每个系统的抗灾需求、其结构响应参数的不确定性和它们之间的空间相关性。模型采用基于网络流理论的方法来模拟特性各异网络之间的功能依存关系，分析揭示并量化了灾害强度的空间变化、建筑物和公共基础设施系统组件的固有脆弱性，相互依存的公共基础网络中的级联失效以及公共网络中剩余供应能力的再分配，从而量化了城市建筑环境灾后的各项功能损失和空间分布，为城市的基础设施韧性规划决策提供丰富的信息支持。

3.模拟应急避难情景，完善防灾基础设施布局

运用GIS技术模拟抗震避难、应急救援时重要防灾基础设施的服务半径，进一步优化消防站、避难疏散场地等基础设施布局。以固定疏散场地布局为例，模拟灾害发生后的前10分钟、前30分钟、前1小时疏散情况，根据实际情况对不同时段赋予不同的疏散速度，结合疏散场地位置生成其不同时段的行程覆盖范围。可很直观地看到各疏散场地的服务范围，结合疏散场地的容纳人口，可根据模拟结果进一步优化固定疏散避难场所布局，满足城市疏散要求。

图5 灾害作用下城市基础设施系统耦合分析(Zhang et al., 2018）

图6 固定避难疏散场所服务半径模拟

(三）运用新方式、新技术提升市政基础设施物理韧性

随着城市建设理念的不断变革、科学技术的不断进步，更多的建设方式和技术手段也被广泛应用到基础设施建设领域，大大提升了基础设施的物理韧性。典型的方式手段就包括综合管廊、弹性建筑等。

1.依托综合管廊提升基础设施管线韧性

综合管廊尽管已经存在有一个多世纪，但在我国它作为一种新的市政基础设施敷设方式被广泛应用还是在2015年《国务院办公厅关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》颁布之后。综合管廊具有恒温性、恒湿性、隔热性、隔音性、遮光性、气密性、隐蔽性、空间性、良好的抗震性和安全性，可以大大增强市政基础设施的物理韧性。各种工程管线敷设在综合管廊中，避免了与土壤、地下水、道路结构层中的酸碱物质直接接触，大大延缓了管道腐蚀，延长使用寿命，也便于管理和养护。此外综合管廊的结构具有一定的坚固性，采用综合管廊相当于在管线外增加了一道钢筋混凝土保护层，对于工程管线具有较好的保护性能，这在战时及灾害性条件下显得尤为重要，另外综合管廊可以预留一定的弹性空间，可有效地解决城市发展过程中各类市政管线持续增长的需求，为未来城市基础设施承载力提供足够的韧性(图7）。

图7 综合管廊

2.运用安全建筑技术强化基础设施场站韧性

市政基础设施场站作为核心枢纽设施，应积极运用一些新兴的安全建筑技术，加强其对各种灾害的防御能力。考虑其重要性，市政基础设施场站首先应比其他普通建筑物的设防标准更高。其次可以通过传感系统对建筑物的使用状态进行监控，并制定一旦某种监控指标超过阈值的处理预案。对于特别重要的建筑物可以积极探索使用新型建筑材料，逐步提升核心枢纽设施的物理韧性。

(四）通过智慧城市建设提升市政基础设施的运维和应急韧性

我们正处于工业4.0的万物互联时代，在大数据、物联网等信息技术得到广泛应用的背景下，应将韧性城市与智慧城市相结合，共同助推城市的优化升级，建设成为具有智慧城市大脑的韧性未来城市。

智慧城市的韧性特征是指运用信息技术以及相应服务提升城市基础设施系统吸收以及应对外在干扰的能力。智慧城市在市政基础设施运维中主要呈现出以下几个方面的韧性特征:一是利用智能网络提升基础设施日常运行管理效率；二是利用大数据和智能城市平台构建开放的、公众参与的环境；三是利用技术和大数据分析提升城市应急和响应的能力。智慧的韧性城市规划应促进数据资源共享，增进信息联动，从信息基础设施和融合基础设施两个方面，适度超前预留新基建的弹性空间。

1.加强信息基础设施建设

缺乏强大的通信网络系统已成为受灾地区的一大威胁，信息滞后也是灾害发生时指挥面临的一大问题。拥有完善的通信系统和行动装置，可提高基础设施及时应变的能力。同时随着市政基础设施智能化运维要求的不断提升，对互联网、大数据、人工智能等技术的依赖性也越来越大，这也导致新型基础设施建设的需求大幅增加。立足战略层面，结合智慧服务、数据处理等业务需求统筹布局并预留数据中心的空间用地，提出5G基站建设密度、建设形式，完善通信系统和行动装置。信息基础设施的发展为其他各类市政基础设施提供了适应变化的途径和应对灾害的能力。

2.推进融合基础设施建设

(1）各类型市政基础设施融合智慧城市技术

积极推进智慧能源、智慧水务、智慧电网等融合基础设施建设，提升传统基础设施运行效率，实现高质量供给和服务(表4）。融合基础设施是在原先的基础设施上集成高速双向通信网络系统，通过先进的传感和测量技术、设备技术、控制方法以及决策支持系统技术的应用，实现能源系统、水务系统、电网系统等基础设施运行管理的智能化，从而达到更可靠、更安全、更高效、更友好的目标。

表4 “智慧城市”融合基础设施建设

(2）打造全系统、全方位、全天候的动态管理平台

一方面推动部门间数据互通及信息化，形成互联网与政务服务的深度融合，形成不同城市职能的同步实践。另一方面，推进城市数据资源公开共享，让部门与公众、部门与部门、公众与公众的信息高效联动，搭建城市公共安全的智慧信息系统，提高风险预警趋势研判和应急决策的智能化水平。以大数据、云计算、物联网、深度学习、人工智能、虚拟现实等新一代技术为核心打造城市全天候动态立体安全风险信息管理平台。

结语

韧性城市丰富的内涵对于城市未来的市政基础设施建设影响巨大，某些方向对于传统的市政基础设施规划理念甚至是一种颠覆，当然这也与不同的社会发展阶段的顶层思维逻辑密切相关。本文尝试从多个角度探索韧性城市理念下的市政基础设施规划建设的丰富内涵，受限于目前国内关于韧性城市的规划实践案例较少，所以很多思考还停留在顶层理念构建上，但随着中央首次释放出建设“韧性城市”的信号，国内对于韧性城市的研究必将掀起更高的浪潮。希望能借此东风，涌现出更多关于市政设施规划建设融合韧性理念的项目实践，真正地使城市市政基础设施成为城市应对各种风险和灾害的生命线。