【《城市雨水管理的弹性策略研究的国内外文献综述》7000字】

城市雨水管理的弹性策略研究的国内外文献综述（1）弹性的定义弹性（resilience）的定义是当今城市研究中讨论非常多的话题。Holling[49]以两种不同的方式定义了系统的弹性。一种是工程弹性，指维持系统稳定性的能力，其中抗干扰能力和恢复系统稳定的速度是弹性的特征；另一种是生态弹性，以动态方式定义弹性，指从一种稳定状态转换到另一种稳定状态的能力，其中系统改变之前，吸收干扰的能力是生态弹性主要特征，有关工程弹性与生态弹性的概念见图1.2-1。图1.2-1工程弹性和生态弹性的概念图[55]Fig.1.2-1.Conceptualmapsofengineeringresilienceandecologicalresilience随着越来越多的学者对弹性研究的关注，对于弹性的定义存在不同的见解。Holling[50]强调工程弹性侧重于效率性、持续性和可预测性，而生态弹性侧重于变化性和不可预测性。通常，弹性理念可以扩展到个人、社区、城市或国家抵御、吸收或从干扰（如极端洪水或干旱等灾害）中恢复的能力，或及时有效地适应极端环境或不同条件下的变化（如气候变化或城市化）的能力[51-53]。Wong和Brown[54]指出，弹性的概念意味着城市的设计能够更好地面对不断增加的风险以及减少潜在破坏的影响。Liao[55]强调指出，工程弹性在当前社区弹性的定义中通常占主导地位。但是，在讨论抗洪能力时，作者认为城市化的洪泛区是人与自然的系统。气候、社会经济趋势、已建成的城市系统和河流过程均会对随之而来的洪水灾害产生影响。它们的行为特征是复杂的，并且这样的动态系统不会停留在（或简单地返回）预定状态。因此，作者提出生态弹性的概念可能更适合洪水风险管理，因为它依赖于更实际的多种平衡状态范式，务实地关注系统持久性。作者提出了“城市洪水弹性”理论，作为城市洪水灾害管理的替代框架。该理论挑战了传统观点，即城市不进行防洪就无法生存，提倡用洪水弹性代替防洪来减轻洪涝灾害。Birkland和Waterman[69]定义的社区弹性可能涉及三个主要特征：预防损害，快速恢复和维护社区功能。同样，Miguez和Veról[70]将弹性能力（在城市防洪的背景下）定义为：系统即使在超出设计标准所确定的压力条件下仍能继续抵抗的能力；系统结构从灾害中恢复的能力；系统快速重建功能的能力，并继续提供其服务。2010年，英国建筑工业研究与情报协会（CIRIA）[71]将弹性定义为基础设施即使在极端事件下也能维持其功能的能力，例如极端的洪水，以及在事件发生后恢复到其正常功能的能力。一旦此概念的全部意义上与社会方面密切相关，则以上所述是对整个弹性的片面观点。但是，这在土木工程术语中是一个有用的定义，重点在于考虑系统的物理响应。2012年，联合国国际减少灾害战略（UNISDR）将弹性定义为“受灾害影响的系统或社会及时有效地抵抗、吸收、适应和消除灾害影响的能力，包括通过维护和恢复其基本的结构和功能”。Marcelo和Aline[70]认为区分洪水弹性和抗洪能力很重要，二者均是重要的概念，相互关联，但扮演着不同的角色。抗洪能力通常是指一种确定的防洪能力，它与防洪策略有关，大多数水利工程的建设都与这个概念有关。而另一方洪水弹性在很大程度上是指城市对洪水事件的自我适应能力，损失较小，恢复能力较强。作者认为随着时间的推移，抵抗力可以被视为是弹性的一部分。提高抵抗力和弹性的方案可以被投入工程设计中，可以在预先定义的阈值范围内防止洪水灾害的发生，而且还可以在发生特大洪水时将损失降至最低。城市弹性能力可以通过多种策略来提升，包括多功能、冗余和模块化、多尺度分析、适应性规划和设计等[56]。城市雨水管理的弹性策略是指可以增加和巩固城市雨水管理的灵活性，应对不确定的干扰并适应各种变化的方法[57,58]。研究人员从不同角度提出了对弹性的定义，城市雨水管理的弹性策略大致可以分为两种类型的措施。第一类是工程性措施[59-61]，主要涉及雨水管理系统中的基础设施，例如城市排水系统[62]和绿色基础设施系统[63]。另一种类型涉及非工程性措施，例如适应性管理[64]。适应性管理已被认定为在突然变化时期控制社会生态系统的必要条件[65,66]，以往的研究从学习和适应性角度出发，提出了一些弹性策略的措施[67,68]。（2）工程性措施CIRIA指出提高城市弹性能力基本上可以通过两种主要行动方式来实现：防止城市与洪水直接接触。通过禁止在洪水危险地区建设的分区条例或应用防汛建筑的概念来实现。减少由降雨-径流产生的径流量，并重新组织由此产生的径流量模式。这种方法运用了分布式的渗透和储存措施。近年来，弹性的定量评估一直是城市雨水管理的重点。评价指标体系的概念已成功构建，以衡量城市雨水管理的弹性。构建指标体系有两种方法：第一种方法考虑了许多方面，包括社会，生态，基础设施，经济，体制和危险性[72-75]。Kusumastuti等[76]提出了评估框架用于评估印尼易受灾地区的城市弹性，并通过比较准备情况（代表克服灾难的能力）与脆弱性（代表遭受灾害的程度）来确定。较高的准备程度将导致较高的弹性，而较高的脆弱性将导致较低的弹性。使用层次分析法确定准备情况和脆弱性评分。评估框架中包含了49个准备指标和18个脆弱性指标。Batica和Gourbesville[72]开发了一个具有91个指标的洪水风险管理弹性评估矩阵。这种类型的弹性系统通常需要足够多的数据和多样性指标。此外，他们的研究重点是检查当前的洪水管理策略及其在减少洪水破坏和评估洪水弹性方面的有效性。构建指标体系的第二种方法是研究在不断变化的外部环境（例如不断增长的城市化或气候变化）下城市排水系统的结构弹性[51,62,70,77]。众所周知，气候变化和城市化可能引发更多意想不到的系统故障，人员和财产将会面临更大的风险[78,79]。气候变化改变了许多地区的水文循环，导致降雨强度增加和降雨模式变化，以及极端天气事件发生的可能性升高。城市化通过增加不透水面积和改变径流路径来加剧洪灾。如果这些外部环境因素被城市规划和设计者忽略，则导致城市排水系统的设计标准与实际需求不符，从而增加城市洪涝灾害发生的几率[52]。Rezende等[52]提出了一个多标准指标，称为城市洪水弹性能力指标（UrbanFloodResilienceindex，UFR），以定量确定城市抗洪能力。该指标将基础设施的剩余风险考虑在内，对具有不同降雨重现期的若干水文事件进行模拟，并比较了不同排水系统条件（例如大型和集中水库，或小型和分布式水库）下的洪水行为（深度，流速和洪水持续时间）。Mugume等[80]研究了一种基于全局弹性分析的分析方法，将链路故障程度和故障持续时间组合成为一个弹性指标，基于系统性能函数用于量化城市排水系统在遭受累积链路故障而导致的系统内部结构损坏情况下的系统剩余功能。在全局弹性分析中，使用单个、非区域性的极端事件来表示最坏的功能加载情况。这种评估指标体系被认为是一种可行的弹性评估方法或模式，因为它对指标的要求相对简单，并考虑了未来的不确定性。国内学者将弹性概念引入经济、社会、环境、灾害等不同领域，经过几十年的发展，弹性已经成为实施可持续发展的重要途径之一。也有些学者将“resilience”翻译为恢复力展开研究。黄定华[81]以典型平原地区的灌溉农业区为研究对象，以农业旱灾恢复性作为评价指标，从自然生态环境、农业生产系统、农户生活系统和外部输入系统四大方面考虑，构建灌溉区农业旱灾恢复性评价的指标体系与综合模型。陈燕飞等人[82]从水资源及开发利用程度、环境容量及纳污水平、河流生态、社会经济、环境治理与管理水平5个方面探讨如何恢复和维系健康的河流水环境，构建了一个可以量化水环境恢复性的评价模型，对汉江中下游流域水环境系统可恢复性的年际变化与空间变化进行深入分析。别朝红等人[83]介绍了弹性电网及其恢复力的基本概念，详细分析弹性电网及恢复力的研究方向和重点以及在智能电网框架下构建弹性电网的具体措施。于翠松和郝振纯[84]从水资源系统的角度对城市弹性进行了定义，从系统内部要素和外部因素两类影响因子对水资源弹性指标进行筛选，并通过模糊聚类的方法对水资源系统进行了弹性等级划分。柯庆等人[85]提出了排水管网恢复力评价方法，根据外界扰动确定了管网故障率与系统恢复力相关关系。周蕾等人[86]论述了恢复力的重要性，总结了影响洪灾恢复力的因素，并且分别就评估尺度和方法对相关研究进行述评。唐桂娟[87]提出了由技术维、经济维、组织维和社会维构成的四维城市灾害恢复力评价模型，构建了灾害恢复力评价指标体系，为城市防灾减灾提供了新的方法和思路。对于弹性指标权重的确定通常是通过专家咨询、专家打分，抑或直接为各项指标赋予相等的权重。这种主观赋权方法很大程度上依赖于专家的知识、经验以及个人偏好，或者具有地方特点，导致指标权重存在很大的不确定性。（3）非工程性措施在过去的十几年中，世界各地的研究人员都在积极探索城市雨水系统的管理模式。综合城市水管理（IUWM）被作为传统城市水管理的替代方案出现在人们的视野中[88]。综合城市水管理在设计和构造方面不同于传统的管理理念，它强调全面性和系统性。综合城市水管理理念可以通过多种方式实现，许多国家纷纷根据国家自身问题，提出了可以适应其自然环境和社会需要的城市水管理策略，并制定了相关政策来解决城市用水问题[89]。例如，英国建立了可持续排水系统（SuDS），该系统综合考虑了水质、水量以及公共休闲设施（例如，雨水花园用于收集、吸收和净化屋顶或地面的雨水，与此同时具有观赏性）。达到降低流量，净化进入管网的雨水的水质并保持自然环境的需水量的目的[90-92]。澳大利亚实施了水敏感城市设计（WSUD），以解决因国家气候差异巨大而引起的城市缺水问题。从城市总体规划的角度来看，该设计在实施区域规划和建设之前要考虑与水文循环和节水措施有关的问题[93-95]。美国实行低影响开发策略（LID）以便从源头上系统地管理和控制雨水，旨在恢复城市水文循环，或者将其恢复为发展以前的自然状态[96-98]。德国在雨水控制管理方面技术成熟，采用住宅雨水回收系统、建筑雨水收集利用系统、雨水去污净化过滤系统三种主要雨水回收方式，科学合理地将雨水资源化[99-101]。为解决我国城市化进程中的水问题，我国提出了符合国情的水资源管理战略。从以上各国的管理策略中模仿、吸收和借鉴最优实践措施，融入中国特色。2013年12月，在中央城镇化工作会议上，党的领导人习近平指出，“要优先利用更多的自然力量排水，建设自然积累、自然渗透、自然净化的‘海绵城市’”[102]。由此，中国形成了一条以生态文明为基础，以海绵城市建设为重点的城市可持续发展新路径。2014年10月，住房和城乡建设部发布了关于海绵城市建设的指导思想、设计理念和控制目标的相关文件。海绵城市的概念由此在中国家喻户晓[103,104]。尽管对于城市雨水系统的研究在持续进行，雨水管理模式由单一目标转变为多目标，但是城市雨水系统的功能仍然面临崩溃，城市仍然受到内涝灾害的困扰。这是由于城市内涝防治系统面临着大量外部因素的深度不确定性，如气候变化、人口增长、新技术、经济发展及其影响。此外，不仅环境条件，而且社会观点和偏好可能会随着时间而改变，包括利益相关者的利益和他们对计划的评估[105]。传统上，许多政策领域的决策者，包括雨水管理，都假定未来是可以预测的。他们利用单一的“最有可能的”未来（通常基于趋势的外延）或静态的“稳健的”规划来开发一个静态的“最优”方案，该方案将在最可信的未来情景中产生可接受的结果[106,107]。然而如果未来与假设情况不同，则方案很可能无效。因此，随着未来的发展，决策者应学会通过调整规划或方案以适应新的现实来应对新的情况。在一段时间内的适应不仅取决于目前已知或预期的东西，还取决于随着未来的发展所经历和学到的东西以及对事件的政策反应。因此，决策成为管理过程的一部分，从而成为总体不确定性的一个重要组成部分。Hallegatte等人[107]将决策随时间的变化纳入“深度不确定性”的定义中。为了解决这些深度的不确定性，出现了一种新的规划模式。这种模式认为，鉴于深度的不确定性，人们需要设计动态的适应性管理体系[108-110]。适应性管理的思想已经在生态系统管理中讨论了很长一段时间[111]，它的核心理念是：预测影响生态系统以及系统行为和响应的未来关键驱动因素的能力是有限的。因此，适应性的管理思想认为管理必须具有适应性，包括基于新的经验和见解改变管理实践的能力。适应性管理是指通过学习实施管理战略的结果，不断改进管理政策和实践的系统过程。适应性管理最有效的形式是采用管理程序，通过评估关于被管理的系统的替代假设来试验比较选择的政策或实践方案[112,113]。这意味着可以制定假设，试验的结果允许区分不同的假设。这是一种非常积极的方法，复杂的社会生态系统的现实可能不允许这样明确的结论。可以通过对试验结果的学习——归纳，总结来自于新的信息和动态假设指导推理和结构化的论证。在学习的过程中生成动态假设，同时增强人们对意外事件的意识并做好准备。正如Bormann等人[114]所定义的：“自适应管理是通过管理学习来学习管理”。适应能力可以定义为一个系统通过改变其特征或行为来更好地应对现有和未来的压力的潜力或能力[115]。因此，系统管理的适应能力可以被看作系统非结构性的弹性能力。适应性管理是提高（水）系统弹性能力的目标之一。适应性管理的早期主要应用在环境管理领域[111,116]，近年来，这种管理模式以多种形式在各类领域受到越来越多的重视。动态的适应性管理计划被应用于纽约[117,118]、新西兰[119]、莱茵河三角洲[120]以及泰晤士河口开发[121]等水资源管理项目。在方法方面，泰晤士河口开发项目使用决策树来分析连续的决策，为泰晤士河河口未来海平面上升做准备。在荷兰，实物期权分析已被用于评估西南三角洲淡水供应途径的最佳成本和效益，并用于研究如何将在洪水风险基础设施中融入灵活性[122]。为了显示航运选择的依赖性，荷兰三角洲项目使用了决策树。路线图已经被用来说明水管理研究中的一系列行动。回溯分析法可以描述为开发和评估“备选未来情境”的相对可行性，或者构造预期的未来目标，然后从构造的未来回顾当前，以制定战略并计划如何实现[123]。回溯分析的出发点是以回溯的方式建立起从当前状态到预期未来的桥梁，同时制定能够促成此未来目标的政策行动[124]。稳健决策法，使用许多计算实验来创建一个方案集，针对这些方案对备选措施进行评估，从而制定较为稳健的行动措施[125]。另外，存在一些规划管理方法考虑了重新评估以及基于环状规划的新认识改变政策的能力。美国气候选择小组将其称为“迭代风险管理”，“这是一个评估风险、确定在一系列可能的未来中稳健的选择，并在新信息出现时评估和修订这些选择的系统”[126]。国内对适应性管理的研究起步较晚，但在近几年对适应性管理的应用研究逐渐增多。研究领域广泛，包括社会生态系统[127]、产业发展、城市建设[128]、市场经济、教育管理等方面。刘炎序等人[129]构建了生态适应性循环框架，以城市社会-生态系统作为评价对象，将评价准则扩展为潜力、连通度与恢复力相结合的三维结构，利用有序加权算法进行情景设置，能够满足不同发展思路下的城市开发布局需求。李博等人[130]以适应性为切入点，对环渤海地区的人海经济系统的环境适应性进行分析。建立敏感性、稳定性与响应的评估框架，评估人海经济系统的时空差异以及影响因素的影响力度。陈佳等人[131]将适应性定义为风险干扰与适应能力，以评估水土流失风险为目的，构建适应性函数模型，分析榆林市的水土流失风险与适应性演化的驱动因素。洪思等人[132]对气候变化下的水资源适应性管理进行了应用研究，基于一套水资源综合指标体系，提出了一种多目标的适应性决策方法，并将其应用于气候变化条件下水资源可持续利用、水环境保护和生态用水需求的适应性管理。利用综合目标函数和综合决策模型优选得到的方案，能够在未来气候变化的不利情景下，降低21.3%的水资源脆弱性，提高18.4%的社会经济和水环境可持续性。全球变化环境背景下，城市尺度的弹性研究已经成为全球变化科学的核心理念之一。虽然国内外对弹性策略的定义和侧重点不同，但是均将人类社会的可持续发展作为重要准则。开展城市内涝防治弹性策略研究，科学认识弹性策略与机制，对城市建设具有重要的理论意义和应用价值。参考文献[1] 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