中国特色韧性城市的经验探索与未来趋势
——从唐山地震到汶川地震
2023-07-14缪惠全钟紫蓝侯本伟韩俊艳闫秋实杜修力
缪惠全, 钟紫蓝, 侯本伟, 韩俊艳, 闫秋实, 杜修力
(1.北京工业大学城市建设学部, 北京 100024; 2.城市与工程安全减灾教育部重点实验室, 北京 100024)
城市作为人类生产生活活动的主要聚集区域,始终面临着地震、暴雨、台风等自然灾害的威胁,有效减轻自然灾害的威胁,已成为全球广泛共识和共同行动。1989年12月,联合国第44/236号决议指定每年10月的第2个星期三为“国际减少灾害风险日”,其中2019—2021年,其主题均与韧性城市相关。1999年12月联合国减灾办公室成立并先后推动制定了《横滨战略》《兵库行动框架(2005—2015)》《仙台减灾框架(2015—2030)》[1],2010年发起“使城市富有韧性(making cites resilient)”活动,截至投稿日期全球已有581个城市加入该活动,人口规模高达4.13亿[2]。
中国是世界上的人口大国,也是受自然灾害严重侵扰的国家之一,截至2020年末,中国户籍城镇化率已达63.89%,城镇人口超9亿,而2019年新冠肺炎、2020年南方特大洪涝、2021年河南省特大暴雨等系列灾害更是为中国城市防灾减灾敲响了警钟。随着国家“十四五”规划明确提出建设韧性城市的目标,针对城市尺度的防灾减灾工作已提升至一个全新的高度。基于Web of Science核心合集的检索显示,以韧性城市为关键词的期刊论文,从2003年的1篇[3]增加到2021年的227篇,而中国知网数据库中,以韧性城市为关键词的基金文献则从2013年的1篇[4]增加到2021年的212篇。可以发现,在过去20年中2个数据库中论文的平均增长速度分别为35.17%和95.34%,这充分显示了以韧性城市为理念的新一代城市防灾减灾研究的热度。然而,韧性城市的探索并非无源之水,必然需要追溯至过去城市防灾减灾的实践之中。
城市防灾减灾的实践和理念,伴随着城市的兴起和发展,已历经2000多年[5],然而真正从科学角度理解并开展城市防灾减灾工作,则要追溯至1906年美国旧金山地震和1924年日本关东地震,前者是地震工程的萌芽,后者则直接催生了地震工程学科的诞生[6]。新中国成立以后,唐山地震和汶川地震,更是成为新中国城市防灾减灾史上的2次标志性事件,前者死亡24万余人,重伤16万余人[7],后者死亡近7万人,失踪1.7万余人,致伤37万余人[8]。唐山地震以后,中国的城市进入全面抗震设防的管理阶段,而汶川地震后则确立了全国“防灾减灾日”,系统性的防灾减灾工作开始从城市走向乡村,从工程技术人员走向更为广泛的人民群众。
城市的防灾减灾史是人类同自然的战争史。因此,充分总结过去城市防灾减灾的经验教训,将之从直接的经验升华为普遍的理论,是更好服务于城市防灾减灾实践的必然需求。很多经典著作值得研究者反复阅读和学习,如刘恢先[7]系统总结和分析了唐山地震的震害情况,邹其嘉等[9]开拓了灾害社会学的研究[9],此外,国家建委城市建设局[10]、叶耀先[11]、康仲远[12]等一批单位和学者,分别在不同时期从不同视角对唐山地震的震害经验和教训进行了总结。
相比于唐山地震时期,汶川地震以后,我国抗震研究的力量已大大增强,相关的调查报告和分析总结也更加全面和多样化,其中代表性著作有《汶川地震震害》[13]《汶川地震灾害研究》[14]《汶川地震建筑震害分析及设计对策》[15],系统总结并分析了地质、房屋、基础设施等多方面的震害情况。此外,文献[16-17]以及一些细分领域的调查报告,包含建筑物[18]、公路[19]、供水[20]、水库[21-22]、电力[23]等,也非常值得关注。文献[24-25]涉及灾中应急救援。灾后重建的研究成果则更加丰富,不仅包括与城市建设紧密相连的规划和重建工作,如文献[26-27],还包括一些与土木工程行业密切相关的其他行业研究,如交通运输[28]、农业[29]、旅游业[30-31]、金融业[32]、中小学教育[33],乃至文化生态建设[34]、建筑设计[35]、法制体系建设[36-37]、心理危机[38]、社会资本[39]等。此外,汶川地震中一些地区、行业的调查或者纪实记录,也非常值得关注,如对口支援总结报告[40]、平武等地区救灾工作总结[41]、卫生系统[42]和军队系统的救灾纪实[43]等。上述代表性工作既可以佐证汶川地震以后我国抗震研究的多样化,亦可为相关研究者提供借鉴。当然,研究内容的丰富和多样化,不仅得益于我国防灾减灾力量的增强,更在于城市防灾减灾本质上是对人类社会及其居住环境的总体构建,必然深入到以各类建构筑物为载体的人类社会的方方面面,而这一点由于长期受西方科学逐层细分研究思路的影响,逐渐为研究者所忽视,因此,以更加系统的视角去分析典型城市灾害事件,已成为一种必然趋势。
韧性城市这一概念的提出和兴起,恰好为当今城市防灾减灾的实践提供了更加系统的视角和思路。相比传统的城市防灾理念,韧性城市的研究具有如下几个特点:1)不仅强调单体建构筑物的研究,更强调城市建构筑物系统的研究,因此,耦合基础设施、建筑群等的研究成为新热点[44-45];2)不仅强调系统功能破坏的评估,更强调系统灾后恢复的研究,“恢复”是“韧性”最核心的关键词[46],这也是本综述研究着重阐述之处;3)不仅注重系统物理破坏的后果和直接经济损失的评估,更注重间接损失的评估[47]和物理破坏结果的社会化影响与扩散[48],学科交叉性更强;4)与智慧城市、海绵城市、可持续发展城市、低碳城市等特色城市概念紧密结合,各有侧重又彼此融合,构成了更为丰富的未来城市建设理念[49-51]。
因此,在这一新的理念下,以韧性城市这一全新视角重新审视过去中国2次标志性的地震灾害事件,总结城市防灾减灾的经验探索,并为下一步建设有中国特色的韧性城市研究体系进行分析,具有重要的研究意义和实践价值。本文按照从一般概念到实际工程的逻辑顺序,逐层深入地阐述如下几个关键问题:1)韧性城市的基本概念如何界定并量化,其基本维度和基本特征是什么。2)城市灾后的基本恢复过程和基本恢复曲线是怎样的。3)城市灾后空间恢复过程具有什么样的特殊现象。4)城市生命线工程灾后恢复的基本过程和相互耦合现象是什么。5)某些特殊基础设施系统及其作用是什么。最后对本文的工作进行了总结。
1 韧性城市的基本概念和特征
1.1 城市的基本概念和内涵
韧性城市研究的主体是城市,因此,厘清城市基本概念和内涵是进行韧性城市研究的前提和基础。由于不同学科立足点和关注对象的差异,对城市的认识也各有不同。传统的土木工程学科,重点关注城市人造建构筑物,包含建筑、道路、桥梁、管网等,特别是其中材料的力学特性和结构的力学反应,如应用力学的最高奖项Timoshenko奖得主中,包含Zienkiewicz、Clifton、Belytschko、Bazant、Christensen等在内的多位院士均任教于土木工程专业[52]。环境学更关注人与环境之间的关系,将城市定义为一种人口高度集中、物质和能量高度密集、自我稳定性差、自我调节能力弱的社会-经济-自然复合生态系统[5]。社会学更聚焦于人类群体行为,因此,从人类活动的视角将城市定义为以人为主体,政治、经济、文化需求等人类社会活动在一定地域范围内高度集中的社会组织形式[53]。
韧性城市的视角强调人类对各类灾害的抵抗(此处灾害泛指一般性的自然灾害、事故以及经济危机、传染病、气候变化等),因此,借鉴邹其嘉等[9]对城市震灾要素的分析,本文将城市定义为由底层基础、中层支撑和顶层组织构成的具有系统特性的人类聚集区。底层基础指城市本身所具备的自然环境要素,既包含河流、湖泊等物质实体,也包含气温、湿度等环境要素。中层支撑指在自然环境基础之上由人力建造或构筑的人工环境实体,主要包括建筑群落、交通系统、电力系统、工业系统等。顶层组织是人类社会群体中的组织存在,包括政府系统、经济系统、慈善系统等。顶层组织必须借助于底层基础和中层支撑加以实现,但并不绝对依赖于前两者,是人类群体社会性的表现。这一定义的好处在于:
1) 将研究的主体从复杂无序的综合环境中加以剥离,将韧性城市的研究特别是以土木工程为主体的城市防灾减灾研究聚焦于中层支撑,并将该层的物理反应作为顶层组织研究的输入和底层基础研究的反馈。
2) 以网络化视角解构城市组成要素,便于引入复杂网络理论等数学工具。在这一视角下,城市可进一步抽象为由不同类型节点、边、物质实体构成的网络,并进而由不同的网络构成更加复杂的网络。若以每类系统的节点、边和其中所传递的物质是否有形而言,可将系统逐层拆分为如表1所示的情况。以供水系统为例,其节点包含水厂、泵站、住宅小区等,边则通常为各类管线,其中流动的物质则为水;若以电网分析,其节点包含电厂、各级变电站、小区等,边则为电缆、架空线路等,其中流动的物质则是无形的电流。
表1 城市基础要素的网络化建模Table 1 Network modelling of urban basic elements
1.2 韧性城市的概念和量化
韧性城市的核心在于“韧性”,一般认为,resilience起源于拉丁语resilire,本义为bounce back,该词最早被Tredgold于1818年用以描述木材的属性,以解释为什么一些类型的木头可以承受突然且剧烈的荷载而不断裂,差不多40 a以后(1856年),Mallet在给当时皇家海军的一份报告中,将韧性模量一词(the modulus of resilience)用以度量材料承受恶劣条件的能力[54-55]。自2000年至今,以韧性为核心的研究在全球各个领域迅速掀起了热潮,Web of Science数据库中以韧性为关键词的文章几乎呈指数式增长,2015年后的年发文量均超过2 000篇[56]。关于韧性概念的探讨,不同学科不同研究领域业已进行了充分讨论[57],如建筑工程[55]、安全管理[58]、能源系统领[59]、医学[60]、企业管理[61]等,甚至有的研究者提出韧性工程(resilience engineering)的概念[62-63],其中,Holling[64]于生态领域提出的韧性概念,对当今韧性的研究产生了公认的影响[65]。
韧性城市研究的起点是厘清其概念和边界,在研究早期,resilient city中文翻译尚不稳定,亦有学者将之翻译为弹性城市[66],目前随着韧性城市理念上升至国家建设层面,其概念已取得广泛的统一。韧性城市被界定为“面临各种自然灾害和人为冲击时,城市作为一个有机体能够保障居民基本生活的需求并迅速恢复其功能的城市”[67]。由此可见,韧性城市的核心正如李杰[68]所指出的“保有基本城市功能”“迅速地恢复到正常状态”。因此,韧性城市基本概念的量化,则必然涉及2个方面:1)系统基本功能的度量;2)系统恢复速度的度量。为此,研究者通常以图1对韧性城市的概念进行形象化的阐述,其中纵坐标Q为单位化的城市整体或者某一系统的功能状态指标,横坐标t为时间,t0、t1、t2分别表示不同时间阶段的分界点,并根据灾害和系统恢复情况,一般性地界定为灾前阶段(0～t0)、灾中阶段(t0～t1)、灾后阶段(t1～t2)。
图1 城市系统功能的量化Fig.1 Function quantification of urban system
系统韧性的指标R被一般性地量化为
(1)
在此种情况下,R为[0,1]的单位化指标。系统韧性越高,R越接近1;系统韧性越低,R越接近0。
显然,指标R可以有效度量系统韧性。因此,以物理模型为基础的量化分析方法,其基本研究思想在于如何针对城市不同基础设施系统乃至于经济系统、社会系统等建立合理的量化模型并给出指标的合理范围[69]。除此之外,还存在大量指标式或问卷式等纯经验或者半经验半量化的城市韧性评价体系,如基于城市灾后恢复基本过程所建立的五维度四阶段的韧性城市评价体系ReCOVER模型[67],其中Re代表4个阶段,分别是救援阶段(rescue)、避难阶段(refuge)、重建阶段(rebuild)、复兴阶段(revival),COVER则代表社区与人口(community and population)、政府与管理(official organization and management)、住房与设施(valuable housing and facilities)、经济与发展(economy and development)、环境与文化(renewable environment and culture),基于城市系统构成要素的PEOPLES模型,名称各字母分别代表族群和人口(population and demographics)、环境与经济(environment and ecosystem)、有组织的政府服务(organized government services)、物理基础设施(physical infrastructure)、生活方式和社区素质(lifestyle and community competence)、经济发展(economic development)、社会文化资本(social-cultural capital)。
1.3 韧性城市的基本维度和基本特征
灾害研究领域,特别是地震工程领域不同文献对韧性城市基本特征的阐释主要概述如下。文献[70]认为,城市韧性具有技术的(technical)、组织的(organizational)、社会的(social)、经济的(economic)4个维度,并具有鲁棒性(robustness)、冗余性(redundancy)、资源性(resourcefulness)和快速性(rapidity)4个基本特征。该文献对目前城市抗灾韧性研究产生巨大影响,其将鲁棒性定义为系统承担给定压力而不至于丧失功能的能力,冗余性为系统构件等不同层次单元可替换的情况,资源性为系统面临威胁或者破坏以后可以调动的物质或者人力资源以实现预定的目标,快速性为系统可以快速实现既定恢复目标从而避免进一步损失。文献[71]则进一步将韧性拓展至环境维度(environmental),从而增加至5个维度,而基本特征则有3个,分别是吸收能力(absorptive capacity)、适应能力(adaptive capacity)、恢复能力(restorative capacity),可以概况为吸收性、适应性、恢复性。文献[72]认为基础设施韧性包含8个方面的能力,分别是易损性(vulnerability)、可预测(anticipation)、冗余性(redundancy)、适应能力(adaptive capacity)、快速性(rapidity)、资源性(resourcefulness)、跨尺度交互(cross-scale interactions)、学习能力(learning culture)。
在城市规划领域,对韧性城市的基本特征则有区别性更大的理解。文献[73]指出,对韧性和易损性的概念区分仍不清晰,其将韧性和易损性视为相互区别又具有共性部分的概念。文献[74]对此曾综述过代表性的特征,分别是Wildavsky针对韧性系统提出的6个基本特征、Ahern等提出的7个特征。文献[75]则认为城市韧性包含了9个方面的要素,分别是局部知识、城市网络和关系、沟通、健康、政府管理和领导、资源、经济投资、准备和精神面貌。文献[76]则认为韧性城市的基本特征包含恢复性、连接性、适应性、鲁棒性、可变换性5个方面。
显然,目前对韧性城市的特征并未建立统一认识,其各有强调和侧重,但突出的共性是城市韧性是对城市防火减灾能力的一个综合性描述,空间维度强调城市的系统性[77],时间维度强调城市的恢复性[67]。因此,对城市韧性特征的理解,应是建立在对城市这一概念的深入解析基础之上,正如本文1.1节所述,城市可以分为自然环境维度、人工环境维度、社会系统维度3个层次,因此,城市的总体韧性也必然由此3个方面的韧性所构成,即自然环境的韧性、人工环境的韧性、社会系统的韧性。土木工程师聚焦于人工环境的韧性,特别是建筑群和基础设施系统的韧性,而为了实现人工环境的韧性,则必然紧紧依赖于社会系统的韧性,从经济基础、政治管理、科技文化、社会组织4个维度深化;同时,还需进一步与自然环境的韧性相互作用,即生态系统[78]的韧性。
在时间维度,如果城市有足够的韧性,则城市在灾前是有所准备的,为此,翟长海等[77]提出,韧性城市震前的4P和震后的4R措施,分别为规划(planning)、监测和预报(prediction)、预防(prevention)、预警和应急准备(pre-warning),以及抢救生命(rescue)、救济(relief)、重新安置(re-settlement)、恢复重建(recover/re-construction)。
基于上述分析,本文认为韧性城市在时空中需具备如图2所示的3个基本维度和4项基本特征。即空间内的自然环境、人工环境、社会系统三大维度。在时间上,灾害来临之时,城市应该是有所准备的,即预备性(preparedness);灾害中,城市应该是鲁棒的,此处称为鲁棒性(robustness),其中构件的或者性能的冗余(redundancy)是实现鲁棒性的一种方式;灾后城市可以快速恢复,即具有恢复性(recovery),且能够通过一次灾害而改善下一次应对灾害的能力,即具有适应性(adaptability)。因此,本文以空间维度和时间维度为2条主线对城市韧性的基本维度和基本特征进行如图2所示的分解。
图2 韧性城市时空维度的分解Fig.2 Decomposition in spatial and temporal dimensions of resilient cities
2 城市灾后恢复阶段性特征和恢复曲线
由于韧性城市的核心在于系统功能随时间的变化,并特别着眼于系统灾后的功能恢复问题,通常以系统功能曲线来表征系统特征随时间的变化,因此,本节着重于从2次震害实例对这一曲线进行讨论,注重城市韧性随时间量化的研究,尽管在本文分析之前已有较多关于2次灾害的研究,但从韧性城市的视角对系统功能恢复曲线的研究尚未见到。
2.1 城市灾后系统功能恢复曲线的量化
对灾后恢复曲线的量化,通常研究者选择3类途径。
第1类是简化的分析模型,如文献[69]所提出的3类简化函数,分别是线性、指数型、三角函数型,定义为
(2)
(3)
(4)
式中:fr是系统功能函数;a、b是常数;TR是灾后恢复持续时间。
第2类是将城市功能用二阶非线性微分方程表示[69],即
(5)
式中m、c、k是描述城市系统功能模型的参数。则式(5)的求解依赖于参数ζ=c/(2mω)和ω=2π/T,其中T被定义为系统的周期。只对ζ=1和ζ>1的情况进行考虑。
对参数ζ>1的过阻尼系统,求解式(5)得
Q(t)=1-e-αt(Aβt+Be-βt)
(6)
(7)
式中:L是系统功能损失函数;I是地震烈度。则可以求得
(8)
而对于ξ=1的系统,在相同的初始条件下,则可以求得
Q(t)=1-L0e-ωt(1+ωt)
(9)
其中L0是地震发生时表征系统性能的参数。
第3类则是将系统采用物理化建模以后,根据优化理论或者线性规划理论给出优化恢复曲线,该类曲线并无既定的函数表达式,而是随时间变化。
然而,考察唐山和汶川地震中城市恢复的典型状态可以发现,城市灾后恢复呈现显著的阶段性特征,如图3所示,分别是救援阶段(阶段1)、避难阶段(阶段2)、重建阶段(阶段3)、复兴阶段(阶段4),4个阶段的时间分别大约是3～7 d、7 d～3个月、3个月～1 a、1～10 a[67]。因此,理论化的曲线可能与事实上城市恢复的过程并不相符,必须从真实的震害中考察不同阶段的恢复曲线。对于阶段1和阶段2恢复曲线的考察,本文以唐山和汶川地震中水电网络系统的恢复曲线为例进行说明(详见3.1节),而对于阶段3和阶段4的恢复曲线,则以2次地震之后建筑群落的恢复情况为例进行说明(详见2.2节)。这是由于阶段1和阶段2偏重于震后较短时间,阶段3和阶段4则偏重于震后较长时间,而各系统的恢复,本质上聚焦于不同的阶段之中。
图3 城市灾后恢复的4个阶段[67]Fig.3 Four steps of urban recovery process after disasters[67]
2.2 实际城市灾后的功能恢复曲线
唐山地震中,震后城市建筑群落经历了简易住房→简易城市→重点建设→全面建设4个阶段,其中简易住房主要是以各类窝棚、帐篷为主的住房,首先满足灾后居民和救援队伍的基本住宿要求。截至1976年底,共建成简易住房40万余间。满足基本住宿之后,则有序地开始简易工厂、简易商店、简易学校和医院等关键建筑的恢复。随后,在进行完总体规划和专业规划以后,以“四集中”和“三优先”的方式,先重点建设城市居民住宅。1979—1985年间,年均住宅面积占总竣工面积的60%,平均每年3万套配套住宅投入使用。而基于城市搬迁的需求,城市建设的次序则从城市外围向内推进,边倒边建。参加重建的包含40多个施工单位的近10万名职工,在100多个施工现场同时进行施工。自1976年开始,历经10 a至1986年,最后1户住房受损的住户搬入震后重建住宅,唐山市重建全面结束。若以震后10 a唐山市重建所用的钢材、木材、水泥为指标[79],可以看出整个城市建筑的恢复过程如图 4(a)所示。
汶川地震以后,为了考察城市的恢复过程,此处以绵阳市为例进行分析,这是由于汶川地震后四川省10个灾情极重县、市中,绵阳市有最多的3个,分别是北川羌族自治县、安县(今安州区)、平武县,对于考察灾后重建具有非常好的代表性。分别取绵阳市归一化竣工面积、房屋建筑竣工面积、常住人口进行分析,所得结果分别如图4(b)(c)(d)所示。
图4 唐山和绵阳灾后恢复情况Fig.4 Post disaster recovery in Tangshan and Mianyang
分析图 4可以得到如下重要结论:
1) 整个城市的灾后恢复曲线基本接近于线性函数或者傅里叶函数,其前期的恢复速度较快,而后期则恢复较慢。唐山市区重建归一化后的材料用量清晰地突显了这一特征,见图 4(a)。这一过程也可以从绵阳市房屋建筑竣工面积的逐年曲线得以验证,见图 4(c),从2008—2014年,房屋建筑竣工面积增速由快到慢,至2014年,差不多恢复至灾前2007年的水平,若以这8 a的数据进行归一化处理,其恢复曲线见图4(b)。若以灾害发生的年份为0年,则2个市灾后恢复曲线的拟合分析结果如表2所示。
表2 唐山和绵阳的灾后恢复曲线Table 2 Recovery curves in Tangshan and Mianyang
2) 巨灾会导致大量常住人口外迁,从图4(d)可以看出,常住人口经历汶川地震以后,当年和震后第1年即2009年,基本维持小幅增长,但2010年出现了显著下降,人口从496.3万降低到461.4万,降低了7%,这反映了巨灾对人口迁徙的重要影响。而人口迁徙则会导致灾区人口空心化现象,进而导致重建基础设施需求预计过高,出现资源浪费问题。因此,对灾后城市建筑和基础设施系统的需求规划有待于进一步研究[80]。
3 城市灾后空间分布的异化
目前韧性城市的研究,已经普遍关注到第2节所述的在时间维度上城市灾后恢复过程的问题,然而考察唐山地震和汶川地震以后城市恢复的整个过程,地震灾后城市空间表现出显著的异化现象,目前尚未有合理充分的分析并在物理模型上加以反映。灾后城市空间分布的异化主要表现在以下3个方面。
3.1 城市人口的重分布
文献[9]表明,地震灾后的人类社会群体会出现典型的异化,主要表现为人口增长率的变化、人口构成的变化(性别比、城乡人口比)等,且这种变化具有突发性、强烈性、滞后性、不可恢复性、阶段性的特点。然而,除了人口具有组成特性的变化以外,人口的空间分布,特别是巨灾以后的人口空间分布,也表现出与日常情况迥然的差异。因此,对灾后人口空间分布的研究,成为当前韧性城市研究的一个突出特点[48,81-82]。灾后人口的重分布主要表现在以下4个方面。
1) 大量受灾群众的集聚和转移
灾后较短时间内,大量受灾群众由于失去房屋,只能就地或者聚集到避难所进行安置。唐山地震中没有设置临时避难所,大部分家庭失去了居住条件,只能搭建临时帐篷。市区建设简易房40余万间。汶川地震中,绵阳成功建立和组织了多处避难场所,其中九州体育馆1处,至2018年5月17日集中受灾群众达到4万余人,超出容量极限后转移至三台、梓潼、盐亭3个县,直至6月29日该点撤销。南河体育中心临时接待站,则接受平武、北川、安县等受灾群众10 650人,直至5月26日全部疏散完毕[83]。
2)大量受伤人员的集聚与转运
由于地震造成大量伤员,因此,受伤人员的救治和转运是灾后人口重分布的另一重要表现。唐山地震和汶川地震中,唐山和绵阳伤员转运的情况如表3所示,分析可知:① 相比唐山地震,汶川地震后医疗力量已经大大增强,唐山地震中唐山市区10余万重伤员需全部转运治疗,而汶川地震中,仅有少部分转运治疗,转运比例从27.78%降低至2.11%。② 地震以后,由于受伤人员的激增,短期内需要集中就医或者需要外出转运的人口剧增,因此,对医疗系统的救治能力和空间分布需求、交通运输系统的空间分布和转运能力的需求会产生短期剧烈变化。
表3 地震后唐山市区和绵阳市伤员转运情况Table 3 Transportation of the injured in Tangshan and Mianyang City after earthquake
3)大量救援人员的集聚
巨灾之后,不可忽视大量救援人员的进入。灾情数据佐证如下,唐山地震后短短4 d内,大约10万解放军和2万医护人员进入灾区,而震后重建阶段支援的省内外建设人员则达到5.6万人[9]。汶川地震以后,仅绵阳地区,外部进入的救援人员包括解放军2.56万余人、武警消防9 900余人、民兵预备役1.7万余人、公安特警439人,此外,还包括解放军医疗救援队2 600余人和各地支援的医疗队伍6 900余人[83]。显然,大量救援人员的集聚,也会进一步改变城市人口的分布状况。
4) 灾后重建城市的异地选址和规划
上述3个方面均是灾后较短时间内大量人口的机械性流动,然而由于地震所导致的破坏作用,城市既有地址可能由于较高的破坏烈度、断层破坏区的存在而不适合原地重建,此时不得不异地重建,新选址可能是城市周边甚至搬离原来较远的位置。唐山地震以后,针对唐山的重建规划,有异地重建和原址重建2种设想,最终采用的是2种方案相结合,从震前的老市区和东矿区(路南、路北、东矿、开平共4个行政区)变为市中心区、东矿区和新区(路南、路北、东矿、开平、新区共5个行政区),其中新区即震后新建的行政区,由老市区较大的8个工厂迁过去,规划人口6万,用地面积7.34 km2。汶川地震后,北川县城则完全采用异地重建的模式,并且重建地址从原北川迁移到了安县境内[84],重建选址前后对比如图5所示。此外,对一个具体的社区而言,其人口的重分布可根据灾后重建规划得到更直观清晰的认识,从图 6可以看出,灾后社区的人口分布发生了显著的变化。
图5 北川县城重建地址地震前后的建筑群落[85]Fig.5 Buildings of Beichuan County before and after the earthquake at the reconstruction site[85]
图6 汶川县映秀镇渔子溪村地震前后建筑群分布[86]Fig.6 Distribution of buildings before and after the earthquake in Yuzixi village, Yingxiu Town, Wenchuan County[86]
显然,城市人口的重分布从根本上决定了城市建筑群和各类基础设施系统外部需求的变化,也就是对系统可靠性考察中,系统的外在需求发生了变化,而只有对这一需求建立科学量化的分析和预测,才能对系统的可靠性进行科学分析或者对系统进行合理设计以提高系统应对灾害的能力,特别是应急阶段的能力,从而降低系统总体灾害损失,特别是间接经济损失。
3.2 城市基础设施的收缩和扩张
正是由于灾后人口的重分布,日常情况下城市基础设施系统将会在灾后出现不同程度的收缩和扩张现象,巨灾之后尤其明显,此时,若以系统日常分布或者需求标准评价其抗灾能力,则会产生显著误差。此处以2个系统为例进行说明,一是医疗系统,二是供水系统。
对医疗系统的抗灾韧性分析是目前的热点[87-88],然而由于失于对城市灾后异化的考察,通常是以系统日常组成或者需求进行评估。然而,灾后系统的空间分布和需求,已经发生显著变化。在唐山地震中,医疗系统主要包含:1)临时的包扎点和医疗点;2)震区震害较轻的医疗机构;3)唐山军用飞机场转运;4)解放军和各省市地区支援的医疗队。相关证据如下:唐山市中心区,新华道以北37个医疗队,2 100多名医务人员;新华道以南28个医疗队,2 600多名医务人员;陡河以东69个医疗队,4 100多名医务人员[79]。相比于震前,唐山市区有医院58个,病床7 575张,医务人员9 671人,而地震则导致唐山市医务卫生人员震亡1 008人[9]。类似地,汶川地震中,绵阳市北川县医院仅3人生还,震后0.5 h在县政府门口、职业中学门口、县卫生局门口、北川中学操场成立现场救援队。2008年5月12日下午7点,绵阳市4支医疗队进入北川、安县等极重灾区,晚上11时,绵阳市11名人员组成的医疗队进入北川中学医疗点,其他多处来自江苏、辽宁、云南、上海和解放军的医疗救援和转运工作不再赘述。而在绵阳市区,各大医院均满负荷运转,安置点九州体育馆医疗救助站累积救治35 568人次[89]。
通过唐山地震和汶川地震震害的对比可以发现:1)医疗系统的抗震能力已有极大的提升,绵阳市区地震以后,主要的医院仍能行使正常的救治任务(更得益于城市建筑抗震能力的大幅提升);2)地震之后的医疗系统不仅包含既有医院,还包含大量救治点、防疫队伍、巡回医疗力量和救援力量,医疗系统的空间分布和其所服务的对象的分布与日常相比,均发生了显著变化。
供水系统灾后也会发生显著变化。这一方面表现为由于地震直接破坏导致的渗漏、停运等现象,另一方面,震害导致供水管网出现与日常运维迥异的现象,表现为:1)空间需水的显著变化,例如汶川地震以后,由于大量市民从市区迁出,市区居民用水量只有原来的30%,而震后供水的60%都供应到板房集中安置区;广元市的调查则表明,由于许多企事业单位停产,其震后销售水量不及正常月份的1/3。2)供水力量和形式的变化,汶川地震后北川县供水系统完全损坏,通过临时供水车、紧急铺设供水管道、建立公共取水点等,实现了北川县城的有效供水。因此,对供水系统抗灾能力的评估,不能忽视对其应急保障能力的衡量。3)灾后次生灾场如火灾、传染病对供水管网需求和供水能力的进一步异化。4)灾后维修力量的剧烈改变,使得如何合理建模以求解得到真实可靠的系统恢复曲线,也面临相当的问题,如绵竹水务公司有来自全国的20余支抢险救援队伍,10 d内数千人次即新埋设DN200～DN600的供水管道12 km,而日常情况下这一施工时间可能需要月余。
4 生命线系统抗灾韧性与耦合影响
4.1 生命线系统灾后恢复的基本过程
地震发生以后,生命线系统必然经受程度不一的破坏,但是由于各系统所承担的任务不同,因而具有各自不同的恢复次序和恢复特色。本文以供水系统和供电系统作为代表性生命线系统进行分析,并根据震害调查报告的详细梳理,总结唐山地震中2个系统的基本恢复过程,并进一步从韧性城市的视角,对不同时刻的系统功能进行量化估计,结果如表4、5所示,而汶川地震中2个系统的基本恢复过程则如表6、7所示,其中水电系统的功能指标均以其可服务人口比例作为各自的功能指标。4个表的内容以系统恢复曲线的形式绘制于图7、8,由图可得如下重要结论:
图7 唐山地震中唐山水电网络的恢复曲线Fig.7 Restoration curve of water and power supply networks of Tangshan after Tangshan earthquakes
图8 汶川地震中绵阳水电网络的恢复曲线Fig.8 Restoration curves of water and power supply networks of Mianyang after Wenchuan earthquakes
事项1—收听文艺节目;事项2—看电影或看戏;事项3—参加文化活动;事项4—做家具;事项5—储蓄;事项6—操办个人婚事;事项7—操办儿女婚事图9 唐山地震后正常生活内容进入灾民生活的时间分布[9]Fig.9 Time distribution of normal life things entering the life of victims after Tangshan earthquake[9]
表4 1976年唐山地震后供水系统的基本恢复过程和量化分析Table 4 Basic restoration process and quantitative analysis of water supply networks after Tangshan earthquake in 1976
表5 1976年唐山地震后供电系统的基本恢复过程和量化分析Table 5 Basic restoration process and quantitative analysis of power supply networks after Tangshan earthquake in 1976
表6 2008年汶川地震后绵阳供水系统的基本恢复过程和量化分析Table 6 Basic restoration process and quantitative analysis of water supply networks in Mianyang City after Wenchuan earthquake in 2008
表7 2008年汶川地震后绵阳电网的基本恢复过程和量化分析Table 7 Basic restoration process and quantitative analysis of power supply networks in Mianyang City after Wenchuan earthquake in 2008
1) 相比于唐山地震,汶川地震中水电系统的抗震韧性明显改善。首先,从震后剩余功能来看,唐山地震中水电系统的功能均完全丧失,而汶川地震后,供水系统的功能剩余约40%(后降至10%),供电系统功能则剩余大约2%。其次,从恢复速度来看,汶川地震后水电系统具有更快的恢复速度,其早期的恢复曲线的斜率更大,若以功能恢复至80%为目标,唐山地震后供水系统用时约67.42 d,供电系统用时约75.44 d,而汶川地震后供水系统用时1.41 d,供电系统用时约0.31 d,后者与前者相比,供水系统恢复速度提升了大约47倍,供电系统恢复速度提升了约242倍。显然,这与前文所述唐山地震后我国城市进入抗震设防的管理阶段,具有重大的关系。
2) 从震后系统功能恢复曲线来看,系统的功能丧失和恢复过程是复杂的,可能有反复的过程。以汶川地震后绵阳市供水系统为例,震后供水系统功能剩余40%,但是由于电力系统的影响,导致供水系统的功能进一步丧失(降至10%),随后又逐渐恢复。显然,这与传统的经验认知不同,即震后系统功能丧失并非一次性的,而是可能出现反复。特别是供水系统,其受到供电系统耦合性的影响显著,该例凸显了生命线工程进行耦合分析的必要性。
3) 由于震后整个城市救援工作的复杂性,短时间内要求系统恢复至100%是不现实的。正如前文所述,灾后城市恢复具有阶段性特征,因此,无论是从震灾描述来看,还是从实际恢复曲线分析,水电系统的功能调查记录从灾后的“分、小时”的描述逐渐粗略至“日、月”,突显水电系统的恢复也具有阶段性的特征,人们最关注的实际上是应急阶段和救援阶段的功能恢复特性,而对于重建和复兴阶段,则并非水电系统韧性分析关注的焦点。
4) 长时间地看,当城市恢复进入重建或者复兴阶段,相比于灾前,系统功能反而可能出现明显提升,即突破原来的100%。以唐山供电系统为例,在灾后约100 d,系统的功能即恢复到了灾前水平,即100%,而在复兴阶段中的17 852.29 h,即743.8 d,系统功能反而增加到230%,相比灾前,提升了1.3倍。
5) 此外,根据式(1)和水电系统功能恢复曲线,计算两市各系统韧性指标值如表8所示。可以看出,绵阳市水电系统表现出更高的韧性值,但唐山市供电网络,由于地震灾害的影响,灾后性能反而超越了灾前,系统韧性指标值为1.523 3,出现韧性提高的现象,尤应引起注意。
表8 水电网络韧性指标计算结果Table 8 Calculation results of resilience indicators for water and power supply networks
4.2 城市生命线系统的耦合影响
耦合生命线系统(interdependent lifeline systems)或者耦合基础设施系统(interdependent infrastructure systems)是指在功能上相互影响的生命线系统或者基础设施系统。随着韧性城市研究的兴起,作为支撑城市功能的关键物质系统,耦合生命线系统的研究已成为热点[44]。事实上,早在唐山地震的调查报告中,沈尔松[90]就明确指出,供水系统的恢复要与供电部门联系,明确供电部位的先后次序,从经验上揭示了水电系统的协同恢复问题。然而事实上,除了水电系统以外,2次地震还揭示出如下重要经验:
1) 供电系统对于灾后应急救援的基础性作用。唐山地震由于发生于深夜,城市电网彻底破坏,全市照明完全丧失,黑暗成了灾后抢险救灾的最大障碍,供电系统失效不仅影响了救援、通信、供水,同时也影响煤矿业、商业、邮电业、银行业等。汶川地震后,绵阳供电系统负荷降至灾前1%,北川县供电系统更是遭受毁灭性打击。因此,必须优先保障供电系统的功能[91]。
2) 通信系统对于灾后应急救援的关键性作用。唐山地震发生于1976年7月28日3时42分53.8秒,但4小时18分以后,才以人开车的方式到达北京报告地震的确切消息。通信系统的中断,对整个唐山的应急救援和社会秩序都产生显著的影响。汶川地震发生于2008年5月12日15时05分,北川县城广播、电视、固定和移动电话、网络信号同时中断,通信全部中断,12日19时,抢险队于北川临时搭接应急电源40余处,此时,通信系统依然无法运营,直到西安应急通信保障队伍到达后,直至13日15时,才拨通与外界的第1个电话,通信中断整整23 h55 min。
3) 道路系统对于灾后应急救援的决定性作用。这种作用不仅体现在供电系统、供水系统、燃气系统等的维修和恢复中,还体现在大量救援物资、救援人员进入灾区的过程中。汶川地震以后,由于通信中断、交通堵塞,绵阳市卫生局机关工作人员只能跑步前往城区各医院建立网络体系。北川成为孤岛,通信、道路中断,严重影响了救援,救援人员于13日凌晨方才打通绵阳至北川的生命通道。
4) 供水系统对于灾后应急救援的支撑性作用。供水具有维系生命和开展医疗救援、保障救援队伍工作的特殊作用。从震灾记录和访谈来看,1976年7月29—30日大量伤员死于焦渴,饮用污染水又进一步导致严重的传染病[95]。汶川地震以后,城市地区的供水得到比较有效的保障,但是仍然反映出管网老化、部分地区震损严重、缺少备用水源、水质处理设备抗震能力弱、乡村地区供水能力匮乏的种种问题[20]。同时,汶川地震中供水系统还表现出普遍性的供电系统关联性破坏、暴雨二次灾害、谣言导致的抢水风波等问题,还有待于进一步的研究。
除上述直观的经验之外,灾后城市基础设施系统还体现出如下耦合影响:1)医疗系统作为非典型性基础设施系统,在灾后应急救援阶段具有重大作用。2)城市基础设施的修复和重建,还与当地的工业系统和商业系统交互影响。如唐山地震中,开滦煤矿矿井被水淹没,必须供电恢复以后才能开始排水及恢复生产,8月份开滦煤矿下属的马家沟矿井率先恢复生产,至10月份,全矿区6个矿井恢复生产,至12月18日达到震前水平,而煤矿、电厂、水泥厂等工业系统的恢复,又有力地支撑了灾后的城市重建工作[95]。
5 特殊基础设施系统
正如第4节所分析,自唐山地震以后,传统的生命线系统已引起大家重视,如供电系统、供水系统等。汶川地震以后,非传统基础设施在系统层次的研究,也引起普遍关注,如医疗系统(包含医院系统、血液保障[96]、药品供应[97]等)、避难需求[98](应该注意,作为灾后城市抗震救灾的重要设施,避难场所具有特殊重要的意义,基于城市韧性的视角对避难场所开展研究仍有待于进一步深入开展)乃至于整个省份的防灾减灾系统[99]等。此外,一些环境科学、人文科学等领域的问题也引起了关注,如生态系统、跟踪审计、社会资本、对口支援、非政府组织等[100]。自美国“9·11事件”以后,受PPD-8和PPD-21总统令的影响,美国重新定义了关键基础设施的概念,美国土木工程师协会(American Society of Civil Engineers,ASCE)生命线地震工程委员会(Technical Council on Lifeline Earthquake Engineering,TCLEE)亦改组为基础设施韧性分会(Infrastructure Resilience Division,IRD),生命线的概念得到拓展,凸显了学界对基础设施的特殊认识。结合唐山和汶川地震的调查报告不难发现,一些特殊的基础设施系统,仍未能进行有效研究,特别是从系统和网络层次视角,主要包括:
1) 地铁系统(metro system):地铁系统作为城市交通系统的重要组成部分,承担着巨量的乘客运输任务,唐山地震时我国大陆尚未修建地铁系统,汶川地震以后,成都、重庆地铁系统的车站、隧道均出现了不同程度的破坏[101],但由于二者在6～7度烈度区,因而强震区的破坏经验仍属空白,但从公路系统隧道破坏来看,在9度和9度以上的地区,其破坏仍非常严重[19]。目前,中国具有地铁运行的40个大城市中,北京、天津、西安、高雄、台北仍面临着相当的地震风险,因此,必须强化对地铁系统的抗震韧性分析。
2) 军事系统(military system):军事系统迅速有力参与灾后应急救援任务是中国体制和武装力量的特色之一[102]。唐山地震后解放军共投入官兵24.7万人,车辆近万辆,飞机4 600架次。汶川地震后,共投入官兵14.6万人[103],但正如文献[104]指出的,汶川地震也暴露出非战争军事行动存在救灾装备有限、救灾预案演练不够、情报侦察能力较弱的问题。美国“9·11事件”以后,以总统令(PPD-21)的形式强化对关键基础设施系统的韧性研究并投入了大量费用[105-106]。我国目前对军事系统分析多集中在作战领域[107],对自然灾害领域仅有关于军事医院、军事后勤保障等研究,而对于军事系统如何与救灾相结合(非战争大规模军事行为)以及战争情况下的救灾行动尚未见系统性分析。
3) 食品系统(food system):食物包含饮水是灾后生存和救援的第一物质保障,唐山地震后的社会调查表明,震后人们第一需求对食品的选择达到61.1%,水为12.5%,其次是衣物11.7%,临时窝棚5.5%,前2项合计达到73.6%。因此,对城市食品供应和应急保障进行系统层次的研究就非常必要。目前国内还鲜有研究,而国外研究已初见雏形[108-109],特别是地震以后的食品安全问题,吸引了包含约翰霍普金斯大学[110]、科罗拉多州立大学[111]等在内的一批学者。
4) 心理救援系统(psychological rescue system):唐山震后社会调查表明,在灾后1周,人际沟通和精神需要即明显超过人的生存需要,而人群中的痛苦情绪,则要持续1 a甚至数年,通常8个月以后正常的生活内容才逐步进入灾民生活之中,具体见图 9。因此,文献[9]明确提出,必须全面认识地震对人的伤害,特别是心理和精神要素,这种伤害是巨大的,比生理损伤复杂得多,且会进一步加重各种次生灾害、削弱救灾作用、延缓甚至妨碍救灾活动。汶川地震以后,我国已经具备了创伤后应急障碍(post-traumatic stress disorder,PTSD)的完备概念,心理干预按危机人群和危机时期分4级、2期进行。累计派出1万余名心理专业人员,设立心理咨询门诊4 600多个,治疗患者近1 000人,展开高危人群心理干预10.5万人次,培训人员1.4万人次[112]。然而,从韧性城市的视角,整个心理救援活动还未实现系统层次的物理建模和分析,如何与生物学治疗更好地结合起来并与城市物质系统的震害破坏相联系[113],从而实现对城市系统整体进行防灾减灾能力的评估,仍待进一步研究。
5) 防疫系统(epidemic prevention system):唐山地震以后3、4 d即出现了大量肠炎、痢疾患者,1周后形成第1次高峰,患病率在市区为10%～20%,在农村高达20%～30%。地震灾后发病户占总户数的66.6%,东矿区高达89.3%[9]。汶川地震以后,防疫力量大大增强,以广元市元坝区为例,2008年5月12日至10月14日,其全区报告传染病12种共297例,其发病率为0.12%,与2007年同期报告法定传染病13种共475例比,同比下降37.48%[114]。但除传染病以外,2次地震均暴露出灾后尸体处理和卫生设施不足且不成体系、环境污染严峻的问题,结合新冠疫情所暴露的防疫问题,构建城市层次的防疫系统已经初露端倪,具体可详见杨俊宴等[115]的研究。
6) 舆情系统(public opinion system):舆情系统并非独立系统,而是由互联网、广播、电视及人群构成的一个复合系统。目前,舆情系统的分析常用于战争和政府管理等领域。然而,2次地震均揭示出灾后舆情系统的特殊重要性,它不仅是指挥通信系统的延伸,同时对灾后应急救援和城市灾后重建起到重要影响。唐山震后人们的信息来源和比例分别为:广播和报纸26.4%,单位、救援人员、街道40.8%,亲友和道听途说27.8%。震后唐山市的砸抢犯罪明显升高,117例犯罪中有94起砸抢罪。文献[9]曾明确指出,震后社会控制主要依靠社会舆论和社会心理的软控制,但灾后地方政权消失,与中央和省政府联系中断,人们信息来源以人际传播为主,正式渠道很少,从而很容易引发不轨行为。汶川地震中,舆情系统对供水管网的影响也非常显著,灾难导致群众对任何涉及生活、生命安全的信息都异常关注,成都市2008年5月14日爆发抢水风波,1 h内供水管网压力从正常的0.28 MPa迅速降低到0.10 MPa,小时供水量达到前所未有的8.35万m3,管网面临巨大风险[20]。因此,从系统层次构建具有抗震等级的舆情系统具有重要意义,目前该方面的研究,仍属空白。
除此之外,还需要注意一些具有地域特色的基础设施系统,例如唐山所拥有的供热系统、汶川山地地区的水利系统(极易形成堰塞湖)、少数民族的信仰设施[116](美国国土安全局将代表国家文化的建构筑物列为17类关键基础设施之一[117]),另外还包括与碳中和战略紧密相关的排污系统、垃圾转运处理系统等。
6 结论
本文从韧性城市的视角,重新回顾并评述了中国城市防灾减灾史上的2次标志性事件唐山地震和汶川地震,分析发现,自1976年唐山地震以后至2008年汶川地震,中国的城市防灾减灾能力有了巨大提升,城市防灾减灾的建设取得辉煌成果和宝贵经验,科研人员和科研成果也取得显著进步。但是,应该注意2次地震相隔的时间也比较长(32 a),城市建筑和基础设施以及经济、社会等的总体情况也发生了很大的变化,分析中的差异原因可能是来自多方面的。本文主要结论如下:
1) 韧性城市从空间和时间2个维度强化城市的系统性。空间维度强调对耦合基础设施系统和以建构筑物为载体的非传统基础设施系统的研究;时间维度强调灾后城市的恢复能力。
2) 城市灾后恢复具有显著的阶段性特征,同时表现出显著的异化现象,其典型表现是城市人口的重分布和基础设施的收缩与扩张,分阶段的、考虑城市灾后异化表现的城市抗灾韧性研究,目前仍属空白。
3) 城市生命线系统作为典型的基础设施系统,传统研究落脚点在于救援阶段和避难阶段,对重建和复兴阶段的研究,仍属空白;灾后生命线系统表现出显著的耦合现象,甚至与社会系统交互作用,产生强烈相互作用,目前的研究仍待开展。
4) 一些特殊基础设施系统的抗灾韧性研究,随着韧性城市的研究逐渐萌芽,如地铁系统、军事系统、食品系统、心理救援系统、防疫系统和舆情系统,此外还包括一些地区性的基础设施系统,从韧性城市视角对其进行分析和提升,目前仍有相当的空间。
5) 应关注具体发震时间的研究,地震发生于白天或者黑夜,其人群的分布和需求,具有显著的差异,这就从城市底层,对各系统的功能需求提出了不同的要求,正如唐山地震之后,电力系统的破坏导致失去照明,严重影响了救援工作,此时,供电系统的功能需要超越了供水系统,而随着救援工作的进行,灾后人群对水的需求,又逐渐超越了对电的需求。
最后,笔者想要强调的是,韧性城市的研究为传统土木工程防灾研究提供了更加广阔和综合的视角,土木工程师不再是孤立的应用力学家,而是与供电系统、医疗系统、防疫系统、舆情系统等更加紧密地结合在一起,城市防灾减灾不再是“头痛医头、脚痛医脚”的局面,而是“综合辩证、系统治理”,结合全寿命、可持续发展、碳中和等理念,城市作为一个类生命体的概念愈发明显[118-121],生命城市的概念已经呼之欲出。
