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地理科学进展 >

2020 , Vol. 39 >Issue 10: 1717 - 1731

DOI: https://doi.org/10.18306/dlkxjz.2020.10.011

研究综述

城市韧性研究进展与展望

  • 赵瑞东 , 1 ,
  • 方创琳 , 1, 2, * ,
  • 刘海猛 2
展开
  • 1.新疆大学资源与环境科学学院,乌鲁木齐 830046
  • 2.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101
方创琳(1966— ),男,甘肃庆阳人,博士,研究员,主要从事城市地理与规划研究。E-mail:

赵瑞东(1991— ),男,山西长治人,博士生,主要从事城市地理与区域规划研究。E-mail:

收稿日期: 2019-11-21

  要求修回日期: 2020-02-18

  网络出版日期: 2020-12-28

基金资助

国家自然科学基金专项项目(41942004)

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
收起

Progress and prospect of urban resilience research

  • ZHAO Ruidong , 1 ,
  • FANG Chuanglin , 1, 2, * ,
  • LIU Haimeng 2
Expand
  • 1. College of Resources and Environmental Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China
  • 2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China

Received date: 2019-11-21

  Request revised date: 2020-02-18

  Online published: 2020-12-28

Supported by

Special Funds of the National Natural Science Foundation of China(41942004)

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Copyright reserved © 2020
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摘要

在全球环境变化和快速城市化的背景下,各种不确定风险成为制约城市安全和可持续发展的重要障碍。城市韧性作为一种城市风险治理的新思路,如何提高城市抵御、消解、适应不确定风险的能力,建设有韧性能力的城市,正成为当前地理学及其相关学科领域亟待探索的新课题。论文在概述城市韧性的研究缘起与概念内涵的基础上,从多种要素(人文要素、环境要素、灾害扰动)对城市韧性的影响、城市韧性框架、城市韧性评价及模拟研究等方面出发,对可持续发展视角的城市韧性研究现状进行探讨,并指出当前城市韧性研究在理论框架、作用机理、实证研究、差异性分析等方面仍存在诸多薄弱环节。最后,对城市韧性重点研究方向进行展望,即应以理论框架为引领,推动多目标、多层次、多视角的系统评价研究;以机理解析为支撑,实现城市韧性的动态模拟与决策预警的新突破;以实证研究为导向,继续加强多学科融合和探索城市韧性的应用模式;遵循差异性规律,实现城市规划治理从统一的“多城一策”向灵活的“一城一策”转变。

关键词： 城市韧性; 城市可持续性; 全球环境变化; 系统反馈机制; 韧性转型; 研究综述

本文引用格式

赵瑞东 , 方创琳 , 刘海猛 . 城市韧性研究进展与展望[J]. 地理科学进展, 2020 , 39(10) : 1717 -1731 . DOI: 10.18306/dlkxjz.2020.10.011

Abstract

Under the background of global environmental change and urbanization, various risks and uncertainties have posed an important obstacle on urban security and urban sustainable development. As a potential new approach of urban risk management, urban resilience can improve the ability to resist, dissolve, and adapt when facing risks and uncertainties, and expound the adaptive scheme of risks in the process of rapid urbanization. Urban resilience has been a new topic in geography and related disciplines. Based on the origin and concept of urban resilience research, from the perspective of the impact of various factors (human, environmental, disaster) on urban resilience, this study constructed a theoretical framework of urban resilience, including evaluation and scenario simulation, and discussed the status of urban resilience research, pointing out that there are still many weak links in the theoretical framework, mechanism, practical application, and difference analysis of urban resilience research. Finally, the key directions of urban resilience research were also discussed. The theoretical framework should be used as a guide to promote multi-objective, multi-level, and multi-perspective systematic evaluation research. With the analysis of mechanism as support, studies should aim to achieve a new breakthrough in process simulation of urban resilience and decision making and early warning. Oriented by empirical research, studies should continue to strengthen the application model of multidisciplinary integration and exploration of urban resilience. Considering regional differences, further work should try to achieve a change in urban planning from the unified "one policy for multi-city" approach to the flexible "one policy for one city" approach.

Key words： urban resilience; urban sustainable development; global environmental change; systematic feedback; resilience transformation; research review

全球城市化是人类社会在21世纪最具变革性的趋势之一[1]。早在1996年联合国人居署就断言人类已经进入“城市时代”：城市人口首次超越乡村人口[2],预计到2030年有将近50亿人生活在城市,近75%的碳排放和能源消耗也集中在城市[3]。城市化和工业化在为人类带来福祉的同时,也衍生出各种问题,进而制约了城市基础设施、社会、经济和环境的可持续发展[4]。在此背景下,全球100韧性城市(100 Resilient Cities)、联合国2030年可持续发展目标(SDGs)、新城市议程(New Urban Agenda)等国际性项目或倡议更多地关注全球环境变化和城市可持续发展问题,将“安全性、包容性、可塑性、韧性”列为城市可持续发展的核心目标[5]。城市韧性作为一种城市风险治理的新思路,重点提升城市系统自身组织、功能协调、适应不确定性的能力[6,7],关注自然要素和人为因素变化所具有的可塑性[8],追求人与环境系统可持续的发展理念。可见,城市如何在日益增长且变幻莫测的风险和挑战中正常运行并保持韧性[9],建设有韧性能力的城市,成为当前地理学、灾害学、城市规划学和生态学等学科领域亟待研究的新课题。
目前,随着应用领域的不断拓展和理论方法的逐渐完善,城市韧性已成为全球环境变化和城市可持续性科学领域一种新的研究视角和分析工具[10],学者们主要从城市适应性治理[11]、气候变化与城市韧性[12]、自然资源可持续管理[13]、防灾减灾与城市韧性[14]等方面进行梳理,为城市韧性的深入研究奠定了基础。然而这些研究仅从单一的社会或灾害治理、从单一维度评价等视角对城市韧性研究进行剖析,就韧性论韧性,缺乏更综合、系统的考量和模拟;对于城市韧性应用研究,存在过于强调物理设施、忽视人的能动性,重灾后恢复、轻灾前预防,多静态评价、少动态模拟研究等问题[15,16];而当前国内研究尚处于起步阶段,已有的城市韧性研究多以概念引介为主,对美国、日本、荷兰等国家韧性城市的建设经验进行总结[17],对快速城市化引发城市可持续性问题的研究仍显不足。可见,已有的相关综述文献缺乏面向可持续性发展的视角进行总结,缺少对人与环境系统的正负反馈机制(feedback loops)[18]、“以人为本”价值取向[19]的关注。
城市韧性作为一种诠释人与环境相互作用机制的创新途径,其多学科融合和可持续发展目标的研究范式为韧性研究提供了更加灵活的研究视角和更多样性的应对手段[20]。随着城市韧性研究的快速发展,为了进一步归纳其研究趋势,本文基于城市可持续发展视角,对国内外城市韧性相关进展进行总结,系统梳理城市韧性研究的缘起过程、基本概念和主要研究议题,并针对当前城市韧性的研究趋势和薄弱环节,以此提出未来发展方向,为今后开展多要素、多层次、多目标的城市韧性综合研究提供支撑,为提升城市应对不确定性的能力、城市可持续发展研究提供参考。

1 城市韧性研究的缘起与概念

1.1 城市韧性研究的缘起

韧性(resilience)一词最早来源于拉丁语“resilio”,其本意是“回复到原始状态”。随着时代的演进,韧性概念被应用到不同学科领域,最早韧性思想被应用到系统生态学中,用来定义生态系统稳定状态的特征[21],随后逐渐从自然生态学向人类生态学延伸,总体上其研究历经“工程韧性[22]、生态韧 性[23]、社会—生态系统(Social-ecological Systems, SESs)韧性[24]”。在韧性理论方面,加拿大生态学家Holling[21]提出“层次结构、混沌性、适应性循环”的理论,很好地解释了可持续发展的内涵,打破线性思维、稳态平衡性思想,实现跨尺度动态交互循环及系统创新性的突破,为后来城市韧性理论的形成奠定了思想基础。
2002年倡导地区可持续发展国际理事会(ICLEI)首次提出“韧性城市”议题,将其引入城市与防灾研究中,掀起城市韧性的研究浪潮[25];2005年在日本兵库县举行的第二届世界减灾会议通过了《兵库宣言》,把“韧性”纳入灾害讨论的重点,将防灾、减灾、备灾和减少城市脆弱性等纳入可持续发展政策,可见早期的国际城市韧性议程仅仅关注灾害风险治理,对社会系统层面重视不够。事实上,城市韧性多部门、区域性、综合性也逐渐受到国际研究组织和学者的广泛重视,2013年洛克菲洛基金会启动“全球100韧性城市”项目,旨在提升城市韧性,应对21世纪物理、社会、经济、制度等多领域的挑战[5];2016年第三届联合国住房与可持续城市发展大会发布《新城市议程》,倡导将“城市的生态与韧性”作为新城市议程的核心内容之一,为韧性城市的可持续发展设定了新的全球标准[26];在国内,近年北京、上海等城市的新一轮城市总体规划中,纷纷强调“加强城市应对灾害的能力和提高城市韧性”[27],与此相关,国内近年来纷纷成立管理部门或研究机构,如应急管理部的设立、浙江大学韧性城市研究中心的成立等。由此可知,如何应对各种扰动已成为城市领域迫切探讨的研究课题,重点关注在危机中的学习、适应与自组织等关键能力[5],城市韧性已成为城市可持续性、人与环境相互作用、人地系统耦合机理等方面的研究热点。
作为一种寻求解决城市风险危机的新思路,城市韧性引起了韧性联盟(Resilience Alliance)、洛克菲勒基金会(Rockefeller Foundation)、联合国人居署(UN-Habitat)、联合国防灾减灾署(UNDRR)、斯德哥尔摩环境研究中心(Stockholm Environment Institute)等国际机构的研究兴趣,纷纷根据各自对于韧性概念的理解和应对措施提出多种规划与实践方案,并应用于英国伦敦、南非开普敦、美国纽约和新奥尔良等城市的灾害韧性实践中,为城市减灾与应对气候变化等带来了新思路和实践经验,使其不断成熟并成为近些年城市可持续发展、防灾减灾研究的前沿领域[8]。近年来,城市韧性思想也逐渐被灾害学、城市规划学、生态学、地理学、管理学所吸收,广泛用于灾害影响模拟、基础设施风险评估、城市功能损失预测、城市风险识别、城市韧性评估与决策、防灾减灾可视化管理,虽取得一定进展,但其创新点实质上是看待问题视角和应对措施差异的应用,缺乏理论层面的突破。

1.2 城市韧性的概念

当前国内研究对“resilience”一词,多译为“弹性、韧性和恢复力”,其准确翻译对于城市韧性及其相关研究很重要。从应用领域来看,恢复力多见于生态学、地理学等领域,弹性译法多集中于工程学、经济学等领域,而韧性则用于城市规划、城市可持续性、城市安全等领域[28];再从语境来看,恢复力与弹性的译法反映平衡的观点,强调系统受打击后恢复到初始状态的能力,而韧性彰显系统在经受灾害风险后使其更强大、更智慧、更具适应性,体现着受干扰后恢复到平衡状态观点的扬弃[29],故本文将“urban resilience”一词译为“城市韧性”。由于不同学科或机构对韧性概念的理解不同,故对城市韧性的概念也有差异：灾害学研究者认为城市韧性是暴露于致灾因子下的系统、社区或社会及时有效地抵御、吸纳和承受灾害的影响,并从中恢复的能力[30];社会学研究者将韧性视为社区成员如何感知社会环境变化,以及如何基于已有知识和学习来修正自身行为[31];政府间气候变化专门委员会(IPCC)将韧性定义为用于描述一个系统能够吸收干扰,同时维持同样基础结构、功能的能力和适应变化的能力[32]。通过对不同研究学者或组织机构的城市韧性定义的梳理,其概念大致可归纳为8类(表1)。
表1 不同研究学者和机构的城市韧性概念及学科领域

Tab.1 Various definitions of urban resilience by scholars of different disciplinary background and research institutions

研究视角 概念定义 研究学者或机构
经济学 区域经济经历外生冲击后能够回到冲击前水平的增长速率,经济被锁定为一个低水平的平衡之后快速转换至一个“更好的平衡”的能力 Hill等[33]
社会学 城市作为可持续的物质系统和人类社区的结合体,而物质系统的规划应该通过人类社区的建设发挥作用 Godschalk[34]
灾害学 由基础设施韧性、制度韧性、经济韧性和社会韧性4部分组成,其中基础设施韧性很关键,同时也涵盖生命线工程的畅通和城市社区的应急反应能力 Jha等[35]
地理学 指城市系统及其所有组成部分的社会—生态和社会—技术网络在时间和空间尺度上受到干扰时保持或快速恢复所需功能、适应变化以及快速转换限制当前或未来适应能力的系统能力 Sara等[36]
城市规划学 系统和区域通过合理准备、缓冲和应对不确定性扰动,实现公共安全、社会秩序和经济建设等正常运行的能力 邵亦文等[7]
生态学 城市系统消化、吸收外来干扰并能保持原来结构、维持关键功能的能力 Resilience Alliance[37]
城市规划学 指增加城市应对自然和人为危机影响的韧性,确保城市能够抵御灾难性事件并迅速恢复的能力 UN-Habitat[2]
地理学 城市中的个人、社区、机构、企业和系统,在各种慢性压力和急性冲击下存续、适应、发展的能力 Rockefeller Foundation[38]
通过梳理以上城市韧性概念后,其内涵主要体现在城市功能多元性、城市组织灵活性、城市要素多样性、城市网络交叉性等方面。早在2007年韧性联盟就提出了城市韧性研究应包含城市设施环境、代谢流、管治网络、社会层面4个优先领域[37],其中城市设施环境是城市韧性的物质基石;代谢流是城市韧性的运转手段,用来支撑城市功能的发挥、提升人类生活质量;管治网络主要涉及城市的自组织和社会的适应性能力;社会层面是指社会资本、人文关怀程度和减缓社会不公力度[9]。这4大优先领域实际上是从设施、生态、社会和经济等维度强调了韧性城市建设中的不同侧面[11]。由于城市系统的复杂性、开放性、综合性等特征[39],而城市韧性评价又涉及城市的方方面面,不仅包括经济、社会、制度等人文层面,而且还包括设施、生态等城市环境层面,各系统层间形成动态交互、复杂的城市网络(图1)。
图1 城市韧性概念的内涵

Fig.1 The concept of urban resilience

因此,本文认为城市韧性是由城市经济、社会、制度、生态、基础设施等人文、环境系统组成的高度复杂耦合系统,在应对各种自然和人为灾害等干扰时所展现出的城市系统当前和未来时期的适应、恢复和学习能力,其过程强调居民、社区、企业、政府及非政府机构(NGOs)等不同利益主体的共同参与和多元协作。其中城市经济韧性主要体现在经济多样性、就业水平以及风险发生时的经济系统运行能力;城市社会韧性主要反映不同社会群体对风险因素的响应能力和韧性的差异;城市制度韧性是指当地政府机构的管治能力,特别是灾难发生时和发生后政府行使组织、管理、规划和行动的能力;城市生态韧性是指生态系统在重新组织成新结构前能化解变化的程度[40];城市基础设施韧性是指城市基础设施对风险扰动的应对和恢复能力,如交通、供水、供电、医疗等设施和生命线的保障能力。

2 城市韧性的研究进展

当前,城市韧性已成为城市可持续发展的核心论点之一,其核心就是要有效应对各种变化或冲击,减少发展过程的不确定性和脆弱性。城市作为最复杂的人类—环境开放巨系统,正面临着自然灾害、气候变化、环境污染、能源短缺、经济压力等急性冲击和慢性压力,这些问题的解决亟需以多维视角和综合系统方法来研究。目前,对城市韧性的相关研究主要集中在人文与环境层面对城市韧性的影响、城市韧性理论框架、城市韧性评价、城市韧性模拟等4个方面。

2.1 人文与环境层面对城市韧性的影响

随着研究的不断深入,多数学者认为对城市韧性产生影响主要包括人文与环境2个层面,且人与环境之间存在错综复杂的关系[41];也有从结构性因素和胁迫因素2个方面分析韧性、脆弱性的影响。此外,国际性学术组织“韧性联盟”则运用适应性循环理论对社会—生态系统的动力机制进行描述和分析[42]。
(1) 经济、社会、制度等要素对城市韧性的影响。城市人文层面对城市韧性的影响主要体现在经济、社会、制度等因素。其中：① 城市经济水平是城市韧性调节和控制的基础和原动力[43],直接影响着城市生态、环境及社会水平,主要包括城市经济结构、城市经济效率、城市经济创新能力等内容,通过以技术创新与结构优化来提升城市经济发展韧性;另外,技术变动、生产体系更新是决定灾后经济韧性的主导因素[44]。② 城市社会水平是城市韧性与可持续发展的保障,通过为城市经济发展提供劳动力、为企业发展提供技术支持、为资源利用及环境治理提供方案等方式来提升城市社会发展韧性。③ 城市制度因素是强化城市韧性的重要保证,Dawley等[45]最早认识到政策干预、制度管理在提升城市韧性与区域转型方面具有持久作用;Suzanne等[46]指出社区群体和非政府组织在灾后重建和降低风险的灵活性应对方面发挥作用。此外,协同管理和权利下放也是可以强化城市韧性的2个制度管理因素[47],其中协同管理核心是指打破城市资源(人、财、物、信息、流程等)之间的各种壁垒,使城市各部门之间资源合理分配、信息沟通有效;而权利下放则是指改变当前的“自上而下”的过度依赖政府组织分配和公众无事可干的管理体系,要发挥公众、社会的自组织、灵活性等特性,塑造更小的空间和个体对韧性治理的参与机制[48],形成一种“自下而上”的从公众到社会再到政府的集体式韧性管理体系。
(2) 设施、生态要素对城市韧性的影响。城市环境层面对城市韧性的影响主要体现在基础设施、生态环境等因素。① 基础设施属于城市的人工环境,是保障人与城市环境系统韧性的关键因素,就像身体的“经脉骨架”一样,对保障城市可持续发展具有重要作用[49]。随着城市人口过度集聚以及快速城市化过程带来的基础设施超负荷运行、产业结构失衡等各种城市问题,当各种外来冲击来临时,城市往往会显示出极大的脆弱性。城市基础设施韧性一直是城市安全的研究热点,目前基础设施主要指防灾减灾、交通、通信、电力、食品供应等保障城市功能正常运行的设施,侧重于分析城市韧性与基础设施的物理特性、布局模式及设施网络的管理等方面的关系[50],旨在提升城市关键功能、结构、性能[51],降低来自城市风险、压力、系统故障对城市受损的范围、强度、频率,从而提升城市韧性能力。② 生态环境是城市可持续发展的空间载体,主要包括区域自然环境与城市景观绿地,基于自然生态过程可提供多方面生态系统服务来提升城市生态韧性。因此,城市环境要素作为实现城市韧性的基础,一方面,基础设施作为城市的“生命线”,影响着城市在危机时刻的保障能力、疏散和外界救援效率;另一方面,城市生态环境旨在实现特定的维护生物多样性、降低洪水危险、缓解热岛效应、保障人居环境等目标[52]。
(3) 灾害扰动对城市韧性的影响。城市韧性受气候变化、自然灾害、资源危机、人类扰动等自然灾害或人为压力的影响。自然灾害扰动作为城市韧性研究最早的关注领域,主要关注城市基础设施所能承受灾害风险的程度,例如Simpson[53]指出灾害韧性值等于城市预备量(preparedness)与脆弱性的比值,李亚等[49]认为地理位置对城市灾害韧性的空间差异分布有着重要影响;另外,由公共健康、环境污染等人为灾害带来的负面效应已成为不可忽视的问题[24],成为城市风险发生的重要应激源,如何应对城市人为扰动将是未来中国社会发展面临的核心问题之一[9]。毫无疑问,城市发展受到多重风险扰动的影响,其治理过程也应紧跟复杂性的需求,着重提升城市系统对不确定风险的应对能力、适应能力、恢复能力。
此外,其他要素(人、行动)也对构建城市韧性有着重要影响。一方面,人可以通过强化或抑制作用调控压力源强度对城市系统持续时间的影响[48];另一方面,规划行动可以激活和增强个体、社会在城市中的能动性[54],在韧性治理过程中强调信息的多向反馈,同时灵活性规划也是增强城市韧性的有效参与方式。

2.2 城市韧性理论框架

由于不同学科对城市韧性概念、应对风险的理解差异,故城市韧性理论框架的视角存在较大差异。本文分别从核心观点、框架意义及应用对灾害、城市管治、复杂适应系统等3类视角框架进行总结：① 灾害风险视角的框架主要注重城市在风险时的设施冗余性、资源有用性、反思性等特征,以美国Cutter等[15]为代表提出的地方灾害韧性框架(disaster resilience of place, DROP),核心是以灾害风险治理为导向,认识到系统韧性是一个持续的过程,但存在过度强调单一灾害的应对过程,缺乏多重扰动对韧性影响的考量;② 城市管治框架主要解决城市应急管理体系与城市规划脱节的实际问题,转变当前的被动式应急管理体系,许多学者和国际组织提出了RCPF[55]、CRI[38]等框架,从城市管治视角来评价城市韧性方面的优劣势,通过规划、设计及管理来提升城市的韧性能力,但还存在着只针对韧性现状进行评价、对韧性系统的动态过程分析等不足;③ 复杂适应系统(complex adaptive systems, CAS)框架是强调城市系统在面对风险扰动的变化过程时,通过不同阶段分析提出相应策略,其核心是基于反馈—回路系统理论的应用,通常有HES[56]、RATA[57]框架。由Nyström等[56]提出的人类—环境耦合系统可持续性框架(HES)将人类—环境系统与恢复力研究联系起来(图2),认为人类—环境系统恢复力是通过连接性、动力机制、相互反馈3个关键的特征来反映系统结构,由于人类活动以及跨区域、跨部门的联系增强了系统的互联性,认为系统的结构、功能和相互关系会随着时间而变化。另外,该框架突出系统可持续性产生的内因机制、系统阈值、多重反馈、多层次的特征,对于人类与环境系统可持续性及城市韧性研究具有重要的借鉴意义。
图2 人类—环境系统可持续性的理论框架

注：来源于参考文献[56]。

Fig.2 A theoretical framework of the resilience of coupled human-environment systems

可见,目前城市韧性框架虽为城市韧性实证研究提供了很好的借鉴,但城市韧性框架宜以多学科交叉为研究方向,开展多要素、多层次、多目标的系统评价研究,而专门针对城市尺度的理论框架仍不太成熟,当前研究多数框架集中于单一扰动的应对、只关注城市环境系统、仅注重静态及单向的城市韧性评价,缺乏对城市韧性的动态过程、作用机制和系统多反馈的分析,尚未完成城市韧性理论与实践的真正整合。

2.3 城市韧性评价

城市韧性评价作为沟通理论与实践的桥梁,其韧性评价主要以SESs理论[24]、CAS理论[58]的系统内在演化理论为基础,来评价城市系统自控制、自组织、自适应的能力,不仅要承认不确定性扰动和自身能力有限性对城市的影响,还要强调城市格局的完整性和功能运行的持续性。城市韧性评价研究一直是城市韧性的关注重点,目前研究集中于城市韧性评价方法和评价指标体系研究2个方面。
(1) 城市韧性评价方法。目前主要有综合指标评价、遥感模型评价、韧性网络评价等方法,其中综合指标评价主要通过分析概念内涵对城市韧性进行分解,建立不同城市韧性要素的指标体系,再确定主客观权重来计算城市韧性指数,来测算城市系统的内部韧性;遥感模型评价是通过遥感栅格数据、物理与社会经济模型来评估城市韧性,关注城市韧性的空间异质性和时空演变的定量化表征[49];网络韧性评价指通过网络效率、多样性、连通性来评估城市韧性[59]。此外,城市韧性常用的评价方法还有函数模型法、阈值法、韧性成熟度模型(Resilience Maturity Model, RMM)[60]、情景分析、图层叠置法[5]等,不同的评价方法在评估分析城市韧性上各有利弊,应根据具体城市或评价目标来选择适当的方法(表2)。
表2 城市韧性评价方法

Tab.2 Assessment methods of urban resilience

评价方法 基本原理 优点 不足
综合指数法 对选取的指标数据进行标准化处理,并利用综合加权求和、熵权系数、AHP、TOPSIS等确定指标权重,进而综合评价城市韧性程度 计算过程相对简单,且容易操作 在指标选取与权重确定过程中存在一定的主观性,忽视要素间关系
函数模型法 在韧性概念的基础上,构建由暴露—敏感性和应对能力组成的函数模型,用暴露—敏感性与应对能力的比值计算韧性指数 明确了构成要素间的相互作用,能解释韧性的成因 对韧性概念及构成要素间的相互关系还未统一观点
阈值法 阈值是系统的边界或不同状态的连接点,通过CENTURY、GAP等模型可以测算出生态系统某些关键节点或状态转化时间 多适用于生态系统、社会—生态系统能力的测算 忽略了有机体的个体变异性,限制了其应用
社会网络
模型		 网络结构韧性通常是城市网络结构对区域应对冲击并恢复、保持或改善原有系统特征和关键功能的影响力,借助Gephi对网络结构韧性进行评价 具有较强反映各利益人间及各组成系统间联系强度的能力 网络结构不能反映空间模拟情形,存在着获取数据、信息误差、联系不真实等缺陷
韧性成熟度模型(RMM) 城市经历的5个连续阶段(开始、中级、高级、强健、更高级),从城市在韧性建设过程中的最初开始,到实现卓越的韧性能力为止,提出相应策略 该模型适合于通过系统迭代过程及复杂问题相关的解释 在空间模拟上相对不足,只针对特定城市或某个复杂系统
情景分析法 由于韧性被假设为社会—生态的属性而难以测算,情景分析是设定一个或多个变化背景,来模拟其对城市各个系统结构、功能等影响的变化情形及路径选择 计算不同假设情景下多个因素同时作用的结果,进行空间模拟 主要针对如何降低某个扰动风险来设定的,对系统韧性和适应性等问题则关注不够
图层叠置法 根据城市韧性的构成要素分别制图,并将其进行空间叠置,典型的如区域物理韧性和社会韧性的图层叠置,形成地方整体韧性 实现了韧性评价结果的地图可视化和直观表达 评价结果难以反映不同要素对整体韧性的影响程度
(2) 城市韧性评价指标体系。近年来,诸多学者尝试构建城市韧性评价指标体系,Joerin等[61]以面向韧性社区行动为目标,从基础设施、社会、经济、机构、自然5个维度初步构建城市社区韧性评价指标体系;Cutter等[62]从社会、经济、基础设施、机构、环境5个维度选取27项区域韧性评价指标;Hudec等[63]从经济、社会、社区管理能力3个维度12个指标评价了斯洛伐克应对金融危机的城市韧性差异;之后,国内研究人员尝试也从“经济、社会、制度、生态、设施”多维度构建城市韧性的评价指标体系,例如杨莹等[64]借鉴BRIC测量模型,从自然环境、建成环境、社会、经济和制度5个维度选择23个指标对广州市应对公共健康风险的社区韧性差异性进行评价;白立敏等[65]采用经济、社会、生态、基础设施等4个系统28项指标来构建城市韧性综合测度指标体系。当前城市韧性评价主要集中于社区、城市、区域3种不同层次的评价,而不同层次的评价侧重点不同：首先,城市社区韧性评价最为常见,该类评价主要聚焦于基础设施、社会资本的评价,社区是城市的基本单元和治理风险灾害的直接主体,提升社区韧性有益于增强城市韧性;其次,城市韧性评价多考虑综合风险,多关注城市人文和环境层面要素的韧性差异性;最后,区域层次韧性评价则以空间灾害风险评价基础来提升系统安全性为目标,强调对冲击的自我调适与转型能力。此外,评价指标的权重赋值也是城市韧性评价不可或缺的环节,通常权重赋值的方法有专家打分法(Delphi)、层次分析法(AHP)、灰色关联分析(Grey Relation Analysis, GRA)、熵值法等,在此基础上进行定性和定量分析。综合来看,城市韧性评价指标体系可按生态、经济、社会、制度、设施5个维度总结分类(表3),既有共性指标,也有差异性指标,而城市韧性的发挥离不开人文系统和环境系统的支撑,而提升各方利益者、行动者对潜在危害的感知可以增强城市韧性[36]。因此,未来城市韧性评价应增加社会、制度等人文层面指标,建立起符合城市韧性评价内容、特征的客观、全面、合理、可操作性的评价指标体系。
表3 城市韧性评价指标的总结与分类

Tab.3 Summary and classification of evaluation indicators of urban resilience

维度 具体指标 Joerin等[61] Cutter等[62] Hudec等[63] Zheng等[66] 杨莹等[64] 白立敏等[65]
生态 人均公园绿地面积 √ √ √
园林绿地面积 √ √ √
生态系统服务 √
空气质量 √ √ √
环保占财政支出的比重 √
建成区用地面积比例 √ √
建成区绿化覆盖率 √ √
每平方公里SO2排放量 √
城镇生活污水处理率 √
自然灾害频率 √
地形起伏度 √ √
经济 人均GDP √ √ √ √ √
第三产业占GDP 的比重 √ √
产业高级化系数 √
城市化率 √
科学支出占GDP 的比重 √
实际利用外资金额 √
城镇登记失业人口 √ √
人均财政支出 √ √ √
人均储蓄存款额 √ √
第三产业企业总资产 √ √
就业率 √
自住房屋比重 √ √
气候灾害造成的经济损失比 √
社会 城镇人均可支配收入 √ √ √ √ √
医疗保险覆盖率 √ √
在岗职工平均工资 √
第三产业就业人员比重 √ √
每万人医院病床张数 √ √ √
每万人在校大学生数 √ √ √ √ √
社保占财政支出比重 √ √ √ √
食品供应能力 √
城市人口密度 √ √ √
公共管理与社会组织人员占比 √ √ √
老龄化率 √ √ √
最低生活水平的人口比例 √ √
制度 单位负责人比例 √
政府机构密度 √ √ √ √
非农人口比例 √ √
城市卫生站密度 √
每千人拥有卫生人员数 √ √
危机管理框架有效性 √ √
防灾减灾经验与培训 √ √ √
城市治理能力 √ √ √ √
防灾支出 √ √
灾害保险参保率 √
设施 人均道路面积 √ √ √ √ √
排水管道密度 √ √ √
燃气普及率 √ √
每万人拥有公共汽车数 √
住房设施用地 √ √ √
土地利用混合度 √
移动电话户数 √ √
国际互联网用户数 √ √ √ √ √
物资供应保障度 √ √ √ √
防灾减灾设施完善度 √ √ √
人均公共卫生设施 √ √ √

2.4 城市韧性模拟

城市韧性模拟根据人与环境系统内在运行机制、作用机理、因果链,预测城市系统应对不确定性的适应过程和空间异质性的范围,可为韧性治理提供相应的规划思路和应对方案。Bruneau等[67]第一次应用概率函数、脆弱性和韧性的数学思路来构建基础设施系统的韧性机能曲线模型,为韧性模拟研究带来可操作性的思路;Davidson等[68]提出电力基础设施的灾害韧性过程模型,通过计算经济损失的恢复时间来模拟韧性过程。近年国内一些研究人员也开始关注城市韧性模拟,如仇保兴[69]基于复杂系统理论的主体自适应性、演进过程的“隐秩序”与韧性特征,建立韧性城市系统函数进行模拟;张行等[70]基于多智能体和有序加权平均(OVA)对社会生态空间韧性(SELR)进行模拟,预测了SELR的未来发展情景,为城市韧性空间模拟、灾害预警提供了参考;吴波鸿等[71]利用灾害强度与城市系统功能性变化率的函数来进行韧性城市的恢复力模拟,依次分为恢复、损失、强化和丧失4个阶段,其扰动性以风险扰动强度相对指标来衡量。此外,社会网络模型也是城市韧性模拟的有效途径,通过从复杂网络视角对城市网络结构的可靠性、关键节点及风险扩散的因果机理进行模拟,强调从网络结构角度来分析系统的功能,将不同要素层简化为由拓扑结构或图论组合成的模型[72],可设置情景模式来模拟不同重建策略下的城市韧性效率。
综上,城市韧性模拟主要有韧性过程模拟和韧性空间模拟2种类型,其中：①韧性过程模拟是对不同阶段的韧性发生过程进行模拟,从时间变化上来模拟应对某类风险扰动的韧性指标变化,强调系统的动态适应性;②空间韧性模拟主要从城市系统的整体出发,以多个角度对城市要素、结构、功能进行分析[73],主要融合GIS技术与数学模型等多种技术手段进行城市韧性空间模拟[74]。实际上城市韧性模拟就是一种强调关注城市系统的动态适应性的视角,用于解释韧性恢复过程的非线性和空间的异质性[75]。由于当前城市韧性模拟研究都集中于单一扰动或低维度分析,未来城市韧性模拟需要进行多层次、多维度、多情景的动态轨迹分析和空间可视化。

3 城市韧性研究存在的薄弱环节

目前城市韧性研究主要集中于地理学、灾害学、社会学、城市规划学等学科领域,近几年研究发展迅速,并取得一批丰富的研究成果。本文在概述城市韧性的研究缘起与概念内涵的基础上,从多种要素(人文要素、环境要素、灾害扰动)对城市韧性的影响、城市韧性框架、城市韧性评价、城市韧性模拟4个方面梳理了城市韧性的研究现状,但当前研究在城市韧性理论框架、作用机制、实证研究、多重扰动的差异性等方面仍存在诸多薄弱之处。
(1) 尚未形成公认的城市韧性理论框架。由于不同学科对城市韧性概念的理解、分析视角存在较大差异,故城市韧性理论框架存在不同的侧重点。防灾减灾、生态学等自然科学主要侧重于如何减少灾害风险带来的影响和损失,研究偏重于城市物理层面;城市规划、社会学、地理学等人文科学则呼吁通过规划、管理、多方共同参与等方式来应对城市风险,重视社会层面对城市韧性的影响。由于城市系统的复杂性、韧性概念的交叉性,目前多数韧性评价研究在得到评价结果就会戛然而止,不去进行可靠性检验,而且评价指标也有较大差异,这些问题制约着城市韧性理论框架的推广应用。究其核心,理论框架是对客观事物和现象的简单抽象,通过提炼城市韧性的特征、内涵来建立可接受的框架。但因研究视角的差异,大多数城市韧性从减灾、生态、社会等单一视角进行研究,缺乏综合性的考虑,不仅未能深入揭示城市要素层间的作用机理,也存在概念界定不清、内涵混淆、缺乏统一的理论框架等问题。
(2) 较少关注城市韧性作用机制与调控研究。城市韧性研究多侧重于韧性的特征和城市韧性的静态评价,虽然一些韧性特定案例涉及简单的作用机制,但对城市韧性的动态过程、作用机制及调控研究仍显不足。目前多采用线性回归模型、Probit模型、二元Logit模型、SEM模型等分析城市韧性要素的相互作用,但未能从整合的角度深入城市韧性的作用机制和影响机理。“未来地球”框架文件,要求我们不仅要认知地球功能的各种过程和生命进化的模式和驱动力,还要知道如何管理和调控我们的行为[20]。城市韧性不应该被视作为一种结果导向的行动,而是一种过程导向的行为[6],目前城市韧性不仅涉及韧性评价、动力机制、影响方式等结果导向研究,而且调控策略开发、利益相关者在韧性调控中的参与、风险的适应性管理等过程研究也应提上日程。因此,关于城市韧性的要素间相互反馈性、作用机制以及过程调控研究仍是今后应用研究的重点。
(3) 较少关注应用性的城市韧性实证研究。典型城市的引导作用是推进城市韧性实证研究的重要环节,目前一些发达国家的城市开始积极探索建设韧性城市的路径、寻求减缓与适应的方案,例如美国纽约的“一个强大、更有韧性的纽约”[76]、日本的“国土强韧化基本计划”[77]、英国伦敦的“管理风险和增强韧性”[78],通过建立韧性政策的执行机构和多部门的协同机制,积极应对气候变化和人为灾害的城市风险。相比之下,当前中国在城市韧性应用方面存在较多不足,宏观上缺乏对于韧性城市建设的政策引导[79],微观上社会整体和个人又缺乏对城市韧性的科学认知,规划建设上更缺乏城市韧性的应用治理研究,但中国的城市化及城市可持续发展问题已经成为国际合作研究的重点方向之一。目前,德阳、黄石、义乌、海盐4个城市先后入选“全球100韧性城市”计划,开始参与城市韧性建设。但由于中国城市之间有明显的地域差异,并在城市基础设施、社会文化、自然生态等与欧美国家存在较大差别,这些区情和国别的差异给中国推进城市韧性应用和实证研究上带来一定困难。
(4) 较少关注多重扰动对城市韧性影响的差异性研究。城市韧性会受系统结构性、胁迫性因素、快慢性压力的综合影响,其不仅包括各种自然因素变化的冲击,也包括一系列人文因素的扰动压力[80,81]。不同类型的风险扰动由于对城市韧性的影响程度、作用频率及持续时间的差异,不仅会表现在对城市韧性的扰动影响不同,而且体现在各种压力交织在一起的危害放大效应和不同尺度上影响的转化性。可见,城市韧性研究离不开各种压力源的辨析,同样也需要厘清城市风险与结构性因素间的复杂关系,明确城市韧性是什么以及如何起作用。目前多以突发性灾害等单一自然扰动研究较多,而多重压力扰动对城市韧性的影响研究不足,表现为未深入剖析多重扰动风险间的相互关系[82]、多重扰动对城市韧性的近远程与近远期影响[83,84]、城市韧性对多重扰动的适应等问题。

4 研究展望

4.1 以理论框架为引领,推动多要素、多层次、多目标的系统评价研究

完善的理论框架和评价体系对城市韧性研究至关重要。唯有明确了城市韧性的概念,才能够准确把握研究对象与内容。指标体系的构建是城市韧性评价的核心内容,韧性评价结果对指标体系、指标权重及模型选择有很强的依赖性,任何一个环节都会影响韧性评价的合理性与准确性。未来应逐步建立统一公认的理论框架,明晰城市韧性评价的多要素(环境、设施、制度等)、多目标(安全、适应、创新等)、多层次(社区、城市、区域等),基于统一的理论框架及综合性、可操作性等原则,逐步完善韧性评价体系。发挥好地理学定性与定量综合集成方法在处理复杂系统问题方面的优势,逐步强化对人类—环境耦合系统韧性的研究,不断增强城市韧性研究的系统性、科学性与实用性。

4.2 以机理解析为支撑,实现城市韧性的动态模拟与决策预警的新突破

城市系统在其发展过程中会不断遭受来自自然、人为方面多种风险的影响,现实生活中城市韧性的许多影响因素存在多维结构,各因素间是牵一发而动全身,还是相互独立、互不影响,这些影响机理至今仍不太清楚。地理学关注地球表层环境的结构、演化过程、区域分异以及人类对环境的利用和适应,其优势就在于阐释与把握区域差异性及区域间的相互依赖性[85],目前研究多以单一视角或一维结构的城市韧性影响因素为主,对城市韧性的时空格局、演变过程与机制关注较少。一直以来,人类与环境系统之间存在复杂的非线性交互过程,如何科学模拟这一复杂动态过程是城市韧性模拟研究的关键。当前城市韧性研究已从理论探讨、定性描述逐渐走向定量、空间可视化和系统化模拟的研究阶段,未来可通过GIS、大数据、人工智能等技术加强城市韧性影响机理等研究,实现城市韧性研究从静态到动态、从过程到模式的转变,并在动态模拟、决策预警方面实现新突破。

4.3 以实证研究为导向,继续加强多学科融合和探索城市韧性应用模式

多学科的交叉融合和互补对于解决城市韧性复杂性问题具有更好的效果,当前城市韧性研究涵盖了地理学、生态学、灾害学、环境学、社会学和城市规划学等不同学科领域,融合了不同学科的研究特色,并产生了一系列城市韧性研究成果。当前中国处于社会经济快速转型时期,由于前期的产业结构、能源消耗、环境污染、快速城镇化等带来了各种慢性压力,从而整个城市系统面临着越来越多的风险扰动,这些扰动呈现出种类繁多、不确定性高、随机性强及破坏性大等特征,因此,城市韧性研究需要整合多学科理论和方法,来对不同类型的城市问题进行科学解析。在各种风险的挑战面前,如何在应对这些干扰时保持韧性、如何实现在风险中的快速恢复,这些都是城市韧性实际应用的关键,也是当前政府、学术界和公众等关注的热点,未来应注重城市韧性的变化趋势预测与情景分析,在实证性研究基础上逐步加强城市韧性应用模式的新探索。

4.4 遵循差异性规律,实现城市规划从统一的“多城一策”向灵活的“一城一策”转变

由于城市韧性的系统性能和发生过程会受到多种因素的影响,包括气候、地理环境、当前的社会经济形势、人口密度、社会资本、管理体制、基础设施质量等方面,另外城市本身的异质性导致其韧性不同,故不同区域、不同规模、不同制度、不同发展阶段城市的韧性存在较大差异性,除了设定全球可持续性目标之外,在实践过程中更需关注区域需求,不同时空尺度的城市韧性研究理应有所区别。以自然灾害为例,中国东部沿海城市易遭受洪涝、台风、高温、海平面上升等灾害风险,中西部内陆城市多发干旱、沙尘暴、雾霾、地质灾害等风险,可见,不同区域的城市面临的风险灾害存在着显著差异性,很有必要转变当前城市规划、防灾减灾领域的应急管理模式,实现从“多城一策”的统一性向“一城一策”的灵活性转变,进行因人、因时、因地制宜地的差异化分析。因此,阐述清不同时空尺度的城市韧性差异对于韧性研究非常关键,未来要根据城市本身异质性特征来为城市韧性的应用“把脉问诊”,提升城市应对不确定性的能力,为实现城市安全和可持续发展提供科学支撑。

5 结语

城市韧性作为城市可持续性的核心目标和具体体现,是城市健康安全领域的重要研究环节,其形成、影响及转化不仅与自然灾害风险要素、人为因素密切相关,而且也是一种解决城市经济、社会、环境等可持续性问题的创新途径,受到政府、学术界和公众的广泛关注。本文在概述城市韧性的研究缘起与概念内涵的基础上,从多种要素(人文要素、环境要素、灾害扰动)对城市韧性的影响、城市韧性框架、城市韧性评价、城市韧性模拟等方面梳理了城市韧性的研究现状,发现当前研究在城市韧性理论框架及其作用机制、实证研究、多重扰动的差异性研究等方面仍存在诸多薄弱之处。今后,应以理论框架为引领,明晰城市韧性内涵、把握评价对象和构建科学的评价体系,推动多目标、多层次、多视角的系统评价研究;以机理解析为支撑,通过关注要素的多维性、要素间的相互依赖性、系统间的交互耦合性以及空间可视化技术,在城市韧性影响机理、动态模拟、决策预警方面实现新突破;以实证研究为导向,基于各种不确定风险、多学科理论方法、趋势预测和情景分析方法,继续加强多学科融合和探索城市韧性的应用模式;遵循差异性规律,实现城市规划从统一的“多城一策”向灵活的“一城一策”转变。当前中国正处于快速城市化和社会经济转型期,城市系统的复杂性和脆弱性大大增加,各种不确定风险制约着城市安全发展,已成为全球环境变化和城市化研究的热点区域,亟需加强针对城市系统韧性的评价研究、影响机理研究,以满足城市安全和应急管理的实际需求。地理学以综合性、区域性、交叉性为主要研究特色,在未来城市韧性的研究中应发挥其“经世致用”的优势,主动与其他学科进行融合,关注国家和社会发展的重大需求,紧密结合新型城镇化、美丽中国、生态文明、城市安全等国家需求来开展城市韧性研究,进一步探索富有地域特色城市韧性的应用模式,为城市安全和城市可持续发展研究提供研究参考。

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