类型与等级双重限定下的雨涝韧性评估与优化*

王 峤，李含嫣，臧鑫宇，李沐寒

引言

城市暴雨内涝事件的发生频率因气候变化和城镇化进程而显著提高。虽然在极端气候条件下，城市雨涝事件难以避免，但提升城市韧性能力以最大程度地减少灾害损失至关重要[1]。联合国国际减灾战略署（UNISDR）发起的“让城市更有韧性”运动吸引了全球 4000 多个城市参与[2]，联合国人类住区规划署（UN Human Settlements Programme）将韧性作为其关键战略[3]。在灾害管理中，城市雨涝韧性是生态韧性的一部分，具体指的是一种多平衡范式[4]。

近年来，雨涝韧性评价已成为城市韧性研究中的重要议题，以应对不断加剧的气候变化和城市暴雨内涝事件。为了更好地理解洪水韧性的不同方面及其对城市的影响，相关学者运用不同方法开展雨涝韧性评估研究。在定量研究方面，众多学者分别采用多准则决策方法[5，6]、水力学模型[7，8]、时空排列扫描法[9]、VIKOR 和关联度分析[10]等方法，构建城市洪水综合韧性评估模型，量化评估不同区域或城市的洪水韧性水平。在定性研究方面，相关学者提出了评估城市整体雨涝韧性的工具，分析了不同城市的洪水管理策略的有效性[11]；或开发用于测量社区洪水韧性的工具，提供关于有效构建洪水韧性能力的见解[12]；或分析现有社区洪水韧性测量工具的不足之处，强调了评估和增强雨洪韧性能力的重要性[13]。此外，定量与定性相结合的方法也已应用在雨涝韧性评价工作中。如运用解释性结构和网络分析方法来确定中国湖北省6 个社区洪水韧性的关键因素，分析社区的优势和不足[14]；或首先运用GIS 方法定量分析城市雨洪韧性水平，然后对城市片区进行类型划分[15]。

现有雨涝韧性的定性评估通常更侧重于理论和概念的探讨，而较少关注实际政策和实践的影响；而定量评估往往将复杂的雨涝作用过程简化为可度量的变量，难以提供对现象的深入理解或解释。分类与定级双重限定下的雨涝韧性评估提供了“定性+ 定量”的多维度视角[16-18]。将分类定级的方法引入城市雨涝韧性评价研究，有助于在解析城市雨涝现状问题的同时，深度理解雨涝问题背后可能的原因和解释，从而对研究地区提出有针对性的韧性提升策略。

本研究的主要目的包括：（1）构建城市建成环境维度下的韧性评价指标体系；（2）完成雨涝韧性视角下研究单元的类型划定与等级划分，实现定性与定量的双重限定；（3）提出建成环境分区、分类引导措施。研究的主要意义在于揭示研究区域应对雨涝灾害的韧性作用机理，识别现状存在的问题，提出有针对性的优化措施（图1）。

图1 研究框架

1 数据与方法

1.1 研究区概况

京津冀地区位于中国华北平原，气候类型为暖温带大陆性季风气候。在过去几十年中，迅速的城镇化进程导致人口、资源和各种要素在此区域集中，这一趋势对河流、湖泊、沟渠和自然湿地等自然空间产生了开发和侵占的影响。高密度和高强度的城市建设改变了城市内部的微气候环境，这种转变使城市在面临暴雨引发的内涝灾害时显得尤为脆弱。

2023 年7 月至8 月，受台风“杜苏芮”北上与冷空气共同影响，海河全流域出现强降雨过程，被判定为流域性特大洪水，天津市累计承接海河流域上游洪水29.2亿m3[19]。天津市中心城区内被大面积不透水表面覆盖，取代了原有的土地和水域等透水区域，这种变化使城区内的降雨难以迅速下渗或排出，极大地增加了城市建成环境遭遇暴雨引发内涝灾害的风险。本研究以天津市中心城区为研究区域，将城市道路包围的街区作为主要划分单元，结合行政区划、水系分布和汇水区等多重要素，对天津市中心城区范围进行了划分，共分为164 个基础研究单元（图2）。

图2 研究区地理位置

1.2 研究方法

1.2.1 城市雨涝韧性评价指标体系

（1）韧性评价指标选取

本研究聚焦城市中的物质空间环境要素，在抵抗力、恢复力目标层的指导下，通过总结、分析与筛选现有研究所提出的韧性评价指标，考虑地形地势[9，20，21]、建筑[10，22]、基础设施[10，23，24]、开放空间[6，24，25]等城市重要建成环境要素，总结形成可量化指标，作为韧性体系框架的指标层。形成韧性属性模型指导下的城市建成环境韧性评价指标体系，包括2 类目标层下共18 项指标。其中抵抗力（S）目标层下包含10 项指标，体现城市在暴雨灾害发生前维持自身稳态、抵抗暴雨侵袭的能力；恢复力（C）目标层下包含8 项指标，体现城市在暴雨灾害发生后快速响应、降低灾害损失的能力（表1）。

（2）熵权法计算指标权重熵权法根据某一指标的离散程度判断其信息值，信息熵越小表明该指标的离散程度越大，则该指标对综合评价（即指标权重）的影响越大[28]。熵权法避免了主观赋权可能带来的人为偏差，因此研究基于熵权法完成韧性评价指标权重的计算，计算步骤如下：

①数据标准化。X1，X2，…，Xm为n 个评价对象及m 个评价指标，其中，Xi= {x1，x2，…，xn}。记各指标数据标准化后的值为Y1，Y2，…，Ym，则：

②计算各指标的信息熵：

效度验证采用KMO 和Bartlett 测试，其中KMO 值为0.653 ＞0.5，Bartlett 对应p 值为0.00 ＜0.05，表明指标数据适于信息提取，最终得出城市建成环境雨涝韧性各评价指标权重（表2）。

表2 数据来源与指标权重

1.2.2 K-means 聚类算法

K-means 聚类算法又称k 均值聚类算法，其分类标准是在数据坐标系中与此数据的距离，距离越小则认为数据之间的相似度越高。该算法的主要目的是将数据分成多个组或簇，使得同一簇内的数据尽可能相似，而不同簇内的数据尽可能不同。K-means 算法的聚类过程是[29]：

式中J ——K-means 目标函数；

wi——样本数据集；

xi——数据集中的第i 个样本数据；cj——第j 个聚类的中心点。

2 类型与等级限定下的城市雨涝韧性评估

基于应对暴雨内涝的韧性评价指标体系，以天津市中心城区范围为例，开展建成环境韧性分类定级研究。将指标数据叠加权重后，运用K-means 聚类算法完成类型生成，形成高抵抗高恢复（HS-HC）、高抵抗低恢复（HS-LC）、低抵抗高恢复（LS-HC）、低抵抗低恢复（LS-LC）4 种单元类型，描述城市建成环境韧性属性的相对高低。运用ArcGIS 空间赋值与计算完成等级划定，形成低韧性水平（Ⅰ级）、中低韧性水平（Ⅱ级）、中韧性水平（Ⅲ级）、中高韧性水平（Ⅳ级）、高韧性水平（Ⅴ级），描述建成环境韧性水平的绝对强弱。

2.1 城市雨涝韧性类型划定

2.1.1 基于聚类算法的四类划定

城市建成环境韧性分类研究反映研究单元在应对暴雨内涝方面的作用方式，并解析研究单元在何种目标层下发挥优势作用，在何种目标层下相对处于劣势，即研究单元“哪项高哪项低”。以横轴表示抵抗力维度指标数值，以纵轴表示恢复力维度指标数值，以辨析聚类结果的实际意义（图3）。根据韧性指标数值分布，聚类1对应的单元在抵抗力、恢复力维度均具有较高指标数值，将其命名为“高抵抗-高恢复（HS-HC）”聚类。相应地，将其他3 个聚类分别命名为“高抵抗-低恢复（HS-LC）”聚类、“低抵抗-高恢复（LS-HC）”聚类以及“低抵抗-低恢复（LS-LC）”聚类。

图3 韧性指标数值分布

2.1.2 雨涝韧性类型空间分布特征

将天津市中心城区范围内的研究单元聚类划分进行空间落位，以不同色块表示不同韧性类型（图4）。天津市中心城区“高抵抗-高恢复（HS-HC）”聚类主要分布在和平区北部、河东区西北部，在海河沿线形成一定规模的线性聚集；此外，在南开区西部、河北区中部同样形成一定规模的“高抵抗-高恢复（HS-HC）”单元聚集，总体呈现中部区域多于边缘区域的空间分布特征。此类研究单元同时具有较高的抵抗力与恢复力，既能够在暴雨内涝风险出现时有效抵抗灾害侵袭，又能够在灾害发生后及时有效排除威胁。具体而言，该类单元表现为地形地势有利于雨水的快速疏解，排水系统较为完备，并有大面积的绿地与水面实现雨水蓄积。与此同时，该类区域医疗设施、应急救援站点能够覆盖大部分区域，故较多集中在天津市城区中部各类设施完备、河流沿线或大面积绿地区域。

图4 天津市中心城区韧性类型分布图

“高抵抗-低恢复（HS-LC）”聚类单元较均匀分布于各行政区范围内，且具有较明显的线性发展特征，分别形成沿海河向西北、东南方向发展的两条集聚带，以及沿卫津河、津河的两条集聚带。此类单元具有较高的抵抗力，但恢复力相对较低，表示其在暴雨内涝风险出现时能够有效抵抗灾害侵袭，但一旦发生内涝灾害，此类单元较难从内涝灾害中恢复平时状态。具体而言，该类单元地形地势有利于雨水疏解，排水系统较为完备，并且有绿地或河流供雨水消纳，因此多集中在海河沿线等水网密集的区域。然而该类单元的应急救灾能力较弱，医疗设施、应急救援站点密度较为不足，因此该类型单元多分布于天津市河道沿线的城区边缘。

“低抵抗- 高恢复（LS-HC）”聚类单元空间分布较为分散，在中心城区东北方向北辰区有一定规模集聚，在中心城区中南部、西部有零星分布。此类单元具有较高的恢复力水平，但抵抗力相对较弱，表示其在面临暴雨内涝风险时较容易遭受暴雨侵袭，但其灾后反应能力较强，防洪救灾水平相对较高。具体而言，该类单元在天津市中心城区主要特征为建筑密度较高、下垫面不透水率较高，如T-N-26 单元的高开发强度居住片区。与此同时，该类区域道路密度和通达度较高，医疗设施、应急救援站点充足，确保雨涝灾害发生后的及时响应。

“低抵抗-低恢复（LS-LC）”聚类单元分布广泛且单元面积占中心城区总面积比例较高（47.70%），总体呈现明显的边缘化特征，即较多分布于中心城区的外围区域，尤其在东丽区、北辰区、西青区有大范围单元聚集。此类单元在抵抗力、恢复力层面均具有较低韧性水平，表示其在面临暴雨内涝风险时难以抵抗灾害侵袭，且灾害发生后救灾能力较弱。例如中心城区东部的连片区域，因其地势较低、雨水管网密度低、建筑密度较高等原因，在雨洪韧性抵抗力方面表现较弱；同时该区域医疗设施和救援站点密度低，表现出雨涝韧性低恢复力。

2.2 城市雨涝韧性等级划分

2.2.1 基于空间加权计算的五级划分

根据韧性类型划分结果能够分析各研究单元在韧性属性方面的相对强度，然而为了明确各研究单元在韧性水平上的绝对表现，进一步开展雨涝韧性等级区划研究。等级区划反映了各单元在应对暴雨内涝方面的韧性程度，即其韧性水平的具体高低，据此辨析整体韧性水平与风险程度的关系。

首先采用抵抗力和恢复力目标下的各项指标，进行天津市中心城区的暴雨内涝韧性等级划分，反映不同目标导向下城市建成环境韧性等级的分布情况。随后，根据正向化和标准化的处理，将韧性指标的数值与各指标的权重相乘，得到各研究单元的最终评价得分。接下来，在ArcGIS 平台中对所有研究单元的得分进行可视化呈现。将韧性水平分为Ⅰ到Ⅴ的5个等级，每个等级对应一个特定范围的得分，Ⅰ级表示得分最低，Ⅴ级表示得分最高（图5）。

图5 天津市中心城区韧性等级分布图

2.2.2 雨涝韧性等级空间分布特征

分析研究单元韧性等级分布，发现天津中心城区等级分布特征主要体现在：(1)空间分异性。中心区域韧性等级明显优于边缘区域，高韧性等级单元集中分布在城市中心和北部，在城市中部形成一定规模的块状聚集，低韧性等级单元主要分布在城市外围。（2）韧性等级范围。韧性等级得分范围从0.2006 到0.4512，存在较大差异，表明各研究单元在应对暴雨内涝方面的韧性水平有显著波动。（3）中位值和分布范围。研究单元的韧性等级中位值为0.3229，大多数单元得分集中在中等偏低区间，说明建成环境的韧性水平需要进一步提升。

3 分类分级雨涝提升时序与优化导引

完成应对暴雨内涝的建成环境韧性分类与韧性定级研究后，将类型与等级研究结果进行叠合，反映研究单元应对暴雨内涝韧性水平的绝对高低，以及抵抗力、恢复力层面的具体表现（表3）。结合类型与等级划定结果，将“低抵抗-低恢复（LS-LC）”类型Ⅰ级—Ⅲ级、“低抵抗-高恢复（LS-HC）”Ⅰ级—Ⅱ级、“高抵抗-低恢复（HS-LC）”Ⅱ级单元划定为一级提升区，其应对暴雨内涝的韧性水平最低，发生内涝的风险程度较高，作为重点提升单元，占全部单元面积比例的55.80%。将“高抵抗-低恢复（HS-LC）”Ⅲ级—Ⅴ级、“低抵抗-高恢复（LS-HC）”Ⅲ级—Ⅴ级单元划定为二级提升区，其应对暴雨内涝的韧性水平整体较好，但存在抵抗力或恢复力某单一维度弱势属性，提升弱势属性后能够实现单元整体韧性水平的大幅提升，作为专项整治单元，占全部单元面积比例的30.05%。将“高抵抗-高恢复（HS-HC）”Ⅲ级—Ⅴ级单元划定为三级提升区，其应对暴雨内涝的韧性水平较高，可利用其优势地位构建城区韧性交互网络，占全部单元面积比例的14.15%（图6、7）。

表3 基于类型等级双重限定的单元韧性提升导引

图6 提升时序导引

图7 分值区间及面积统计

3.1 一级提升区：蓄滞增强与应急避险

劣势类型和低等级单元在应对暴雨内涝方面表现出最低的韧性水平，因此其内涝风险程度最高。在暴雨事件发生时，这些区域容易受到内涝灾害的影响，需要及时采取相应措施进行韧性优化和改造。一级提升区的韧性优化改造应着重关注以下两个方面。（1）雨水滞蓄能力提升：改造工作可以侧重于提升城区的雨水滞蓄能力，可以通过改进排水系统、建设雨水花园、增加雨水容纳设施等方式来实现。（2）应急避难体系构建：包括规划和建设避难所、设置紧急通讯系统、制定灾时应急计划等，确保在内涝事件发生时，居民和城市管理部门能够迅速采取行动。此外，可以采用低影响开发模式（Low Impact Development，LID），提升城市建成环境的吸水、蓄水、渗水和净水能力，以较低的成本快速提升城市建成环境在应对暴雨内涝方面的能力[30]。结合天津市城市更新和老旧小区改造的现实背景，在一级提升区单元地块内进行LID 设施的合理选择与组合、分配与布局[31]。

以T-X-11 单元为例，通过分类定级和实地调研了解到，该单元目前存在场地内部不透水表面占比高、绿地率低等主要问题。可采用LID 开发模式进行优化改造设计，将场地内不透水的砖石铺装改为透水地面，增加场地内部透水能力；改造部分绿地与蓄水池，增加水体小景观、提高单元内水面率，以增强雨水的蓄积能力；部分建筑屋面进行了绿化提升，提升单元对于降雨的截留效率（图8）。

图8 一级提升单元更新改造示意

3.2 二级提升区：专项补全与整体改进

二级提升单元指优势属性与劣势属性同时存在的单元，在重点补全劣势项后能够实现单元整体韧性的跃升，因此分抵抗力维度提升、恢复力维度提升两类情况进行讨论。

抵抗力维度下韧性提升策略主要与城市排水系统、城市容纳降水的能力相关。在现实背景下，其更新改造可与城市更新、老旧小区改造、道路翻新等民生工程相结合[32]。在改造过程中将雨涝韧性提升作为目标之一，改、扩建高风险区域管线或增设道路两侧暗渠，避免改造工程对城市环境的二次影响。抵抗力维度下的提升策略主要关注3个方面：（1）提高区域绿地率。可采用分散式绿地空间布局，将城市内的现有的绿地连接成网络，以最大程度地吸收和消纳地表雨水径流。（2）提高透水下垫面的比例。可采用透水铺装、植草砖等替代原有的不透水砖石铺装，以减少大面积不透水区域的雨水径流量。（3）蓄水空间设计。特别关注城市中的低洼易积水区域，加强蓄水空间的设计，包括建设雨水花园、蓄水池和雨水收集设施，以缓解内涝风险。

在恢复力维度下，提升城市韧性的策略主要集中在应急避难和救援两个方面，以提高应对暴雨内涝灾害后的速度和效能。恢复力维度下的提升策略主要关注3个方面：（1）设施改善和战略补全。识别并确定现有生命线系统设施的薄弱区域，改进医疗设施、消防设施和其他应急救援系统，确保这些设施在暴雨内涝事件发生后能够迅速投入使用。（2）完善应急避难场所。补扩建高于暴雨水位的应急避难场所，使其服务半径能够覆盖市区全域，及时有效地保护受灾居民的人身和财产安全。（3）城市道路环境改善。营造高通达、高可达性的城市道路环境，塑造绿色高效的城市路网与街巷空间，保障灾时与灾后救援人员和各类物资的通行效率。

3.3 三级提升区：雨水调蓄与韧性交互

三级提升类单元在类型与等级层面均处于优势地位，能够维持较长时间稳定状态。可充分发挥此类研究单元的示范与调节作用，缓解中心城区范围内局部地区高风险问题。通过识别中心城区内研究单元优势、劣势格局进行雨水调蓄方向设计，运用雨水管网系统及地表水体连通实现雨水的调蓄与引流。在此基础上，构建城区韧性交互网络，有效利用常态维稳类单元在暴雨内涝应对方面的冗余能力，在整体区域内实现雨水径流均摊，缓解降雨峰时雨水时空分布不均的问题，使暴雨峰时的过量雨水由较低调蓄力单元汇集到较高调蓄力单元，确保中心城区总体区域安全稳定（表4）。

表4 分类分级提升策略导引

结语

暴雨内涝灾害是天津市中心城区面临的最主要灾害类型之一，严重制约着城市经济、社会的可持续发展。极端暴雨事件的发生往往难以预计且无法控制，但通过空间规划措施对物质环境进行合理的空间识别与划分、要素配置与优化，能够提高城市应对暴雨内涝的韧性水平，使城市在灾害发生时有备而无患。本研究探索了暴雨灾害下的韧性城市评估方法，以定量与定性相结合的视角出发，运用“类型+级别”双重限定的方法，识别天津市中心城区内研究单元提升优先级与提升时序，对于后续因类施策具有一定的实践价值。通过确定不同类别单元韧性提升的侧重点，能够为城市优化建设提供具有针对性、科学性与有效性的理论指导，促进城市暴雨内涝风险防控综合能力的提升，同时为城市存量发展时期更新策略的制定提供有效借鉴。

在灾害作用下，城市建成环境的韧性响应机制与量化评估是韧性研究和建设领域备受关注的重要议题。未来的研究可以拓展其视野，考虑包括地震、台风、地质灾害等更多种类的灾害，以及在多灾害耦合情景下进行多重韧性评估，旨在深入探索城市建成环境应对不同灾害的作用机理与韧性策略。此外，研究可以朝着更全面的方向发展，融合不同层面的要素，如社会、经济和制度等，以便更全面地理解城市韧性，提高城市韧性研究的广度与深度。

图、表来源

文中所有图、表均由作者绘制。