浙江省城市韌性及其時空變化分析

斯港杰,鄒逸江,孔家輝

（寧波大學 土木工程與地理環境學院,浙江 寧波 315211）

自1978 年改革開放以來,中國常住人口的城鎮化率從1978 年的17.9%上升至2021 年的64.7%,城市化發展取得了巨大的成就[1].位于長江三角洲地區的浙江省城市化發展迅猛,2021 年的城鎮化率高達72.7%,遠超全國平均水平[2].城市化發展給人類帶來了福祉,如經濟高速發展、就業機會增加、居民生活水平提高等.但扎根于城市生態系統的基礎上,人類頻繁的社會經濟活動對其造成了無可避免的擾動與沖擊,帶來了日益嚴峻的城市問題,如交通擁堵、資源短缺、環境污染等.城市人口高度集中,城市生態系統一方面遭受著自然災害引發的擾動,另一方面也受到了突發公共安全事件造成的沖擊,尤其是2020 年新型冠狀病毒肺炎疫情全球肆虐的公共衛生事件,給全球城市帶來重創,城市生態系統直接暴露出了脆弱性.如何提高城市韌性即抗沖擊能力、自適應能力和受災后的恢復力,成為了亟待解決的重大城市議題[3].

城市韌性的定義為: 由城市經濟、社會、制度、生態、基礎設施等組成的高度復雜耦合系統,在面對自然和人為災害的擾動時所表現的抵御能力、吸收能力和恢復能力[4-5].在城市韌性研究中,城市韌性評價一直是研究重點,研究方向主要集中在評價方法和評價體系的構建上.目前主要的城市韌性評價方法有綜合指數法、函數模型法、圖層疊置法等,雖然都能在一定程度上分析出城市的韌性情況,但方法上都存在不足之處.學者們在城市韌性評價的構建上也做出了許多嘗試,較多研究了指標維度的選取,指標維度涵蓋了社會、經濟、自然、環境、基礎設施等各方面.這樣的評價體系雖然能夠直接應用于城市韌性研究,具有一定的可操作性,但仍存在著許多不足,如評價體系的指標維度是否具有科學性、指標之間的權重大小如何權衡、評價體系存在著地區適用性限制等問題[6-8].

綜合來看,城市的不確定性因子擾動增多,城市韌性不能集中于單一的因子上,系統地、動態地評價城市韌性成為了難題,單一范式的研究已無法滿足于指導城市發展,亟需更加客觀、合理、全面、可操作的方法.本研究以位于長江三角洲地區的浙江省各城市作為研究對象,借鑒了修春亮等[9]提出的基于“規模-密度-形態”的三維城市韌性研究框架,采用了基于城市規模、城市密度、城市形態、城市基礎設施四位一體的城市韌性描述體系以及時空分析方法,為浙江省的城市發展方向和增強城市韌性提供了路徑依據.

1 研究數據與研究方法

1.1 研究區域

浙江省下轄有十一個地級及以上城市,包括杭州、寧波、溫州、湖州、嘉興、紹興、金華、衢州、舟山、臺州、麗水.地形以山地丘陵為主,東臨東海,受亞熱帶季風氣候的影響,臺風和洪澇等自然災害頻繁,加上近二十年來快速發展的城市化和城市用地的建設開發,加劇了自然災害和人為災害的危害.在這樣的大環境下,提高浙江省的城市韌性和防災救災能力變得尤為重要,這也是浙江省各地區面臨的重大挑戰.

1.2 數據來源

(1)土地利用遙感影像數據: 2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年浙江省土地利用數據均來源于中國科學院資源環境科學與數據中心,根據土地資源及其利用屬性,分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地六大類,綜合評價精度達到93%以上.

(2)年鑒數據: 研究所使用的年鑒數據主要來源于《浙江省統計年鑒》(2001—2021)、《中國城市統計年鑒》(2001—2021)、《中國能源統計年鑒》(2001—2021)、浙江省各地市統計年鑒(2001—2020).

(3)規劃數據: 浙江省行政區劃矢量數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心,《浙江省生態保護紅線劃定方案》規劃文件來源于浙江省生態環境廳.

1.3 浙江省城市韌性描述

1.3.1 城市規模韌性描述

根據景觀生態學中的景觀安全格局理論和生態基礎設施理論,當城市建成區規模超過生態基礎設施的服務范圍或侵占了其應有用地時,城市的災害應對能力和平衡恢復能力便相應減弱[3].因此城市規模韌性的測算由城市已建設用地與生態基礎設施的關系來確定[9].從土地利用遙感影像數據中提取浙江省研究期間城市已建設用地面積.根據《浙江省生態保護紅線劃定方案》規劃文件來確定浙江省的生態保護功能區,包括陸域生態保護紅線和海洋生態保護紅線.將陸域生態保護區和海洋生態保護區區域疊加后得到滿足生態安全要求的生態基礎設施EI 邊界,匯總浙江省除EI 邊界之外的區域則為適宜建設用地,得到浙江省的城市規模韌性指數,公式為

式中:Rs為城市規模韌性指數;Ls為適宜建設用地;Ld為已建設用地.

1.3.2 城市密度韌性描述

根據生態足跡與生態承載力理論[10],生態足跡與生態承載力的比較,實際上也是人類索取與生態環境供給能力的關系.依據浙江省的生產消費狀況,確定物質資源和化石能源的年消費量,折算成對應的生物生產性土地面積.各項物質與能源所需的土地面積需要乘上均衡因子,均衡因子考慮了浙江省的實際消費與生產能力,具體可參考相關學者的研究成果[11].根據已有的研究成果[12],生態足跡的測算公式為

式中:ea為該地區的人均生態足跡;i表示生物類消費品類別;ri為均衡因子;Ci為第i種消費品的人均物質與能源年消費量;Pi為第i種消費品的全球標準年平均生產力;Ea為該地區的總生態足跡;N為區域總人口.

對研究期間的浙江省土地利用遙感影像數據進行面積提取,得到這五個年份的浙江省各地市耕地、林地、草地、水域、化石燃料用地、建筑用地的實際覆蓋面積.參考相關學者的研究成果[11],需要在生產性土地實際覆蓋面積前乘上產量因子,同時留出12%的生物生產性土地面積[12],生態承載力Ec的測算公式為

式中:j表示用地類型;Sj為該地區第j類生產性土地實際覆蓋面積;mj為產量因子.

城市密度韌性指數Rd的測算由生態足跡與生態承載力之間的關系來確定:

1.3.3 城市形態韌性描述

根據景觀生態學中的“源-匯”理論來測得城市形態韌性指數[13],源景觀包括建設用地,而匯景觀包括耕地、林地、草地、水域.根據浙江省土地利用遙感影像,對柵格數據進行重分類處理,分成源景觀和匯景觀兩大類,城市形態韌性指數mR的測算由源匯景觀之間的距離指數來確定:

式中:L為2000 年浙江省全省源匯景觀的平均最近距離指數;Ld為浙江省各市歷年的源匯景觀平均最近距離指數.

1.3.4 城市基礎設施韌性描述

城市基礎設施韌性的評價體系由交通設施、能源設施、水資源設施、通信設施以及社會設施這五個維度構成(表1),每個維度下選取了具有重要意義的指標作為因子,再利用熵值法確定每一個因子的權重[14],經過加權計算后得出城市基礎設施韌性指數Rt.

表1 浙江省城市基礎設施韌性指標體系及權重

1.3.5 四位一體城市韌性描述體系

從城市規模、城市密度、城市形態、城市基礎設施四個維度來共同構成四位一體城市韌性描述體系.本文參考了多邊形法來測算浙江省的綜合韌性[15],多邊形法以O為原點,OA、OB、OC、OD四條邊分別代表城市規模韌性指數、城市密度韌性指數、城市形態韌性指數、城市基礎設施韌性指數這四個維度,共同構成浙江省四位一體城市韌性描述體系多邊形,如圖1 所示,多邊形面積即為浙江省城市韌性指數R[1].

圖1 浙江省四位一體城市韌性描述體系多邊形

2 結果與分析

2.1 浙江省城市韌性水平

2.1.1 城市規模韌性

研究期間浙江省的城市規模韌性指數逐年下降,其中2000 年至2005 年下降速度較快且幅度較大,2005年至2020年下降趨勢變緩,整體而言浙江省各地市的城市規模安全情況并不樂觀(表2).這一下降趨勢與空間布局和浙江省的城市化進程有著緊密關系,2000 年以來,浙江省加快了城市化的建設,大片土地被劃入城市化建設用地,存在著城市區域盲目開發與粗放式發展的問題,導致了城市規模韌性指數快速下降,忽視了城市規模安全.但是隨著城市化進程的加快,人們開始重視規模安全的問題,不再盲目地為追求經濟發展而大量開發建設用地,城市規模韌性指數下降速度開始放緩.總體的下降趨勢和空間布局與各市的土地面積也有著密切關系.面積較大的城市(如麗水、溫州)經過大規模開發建設用地后,仍存在著大量的未開發用地,留有規模安全的余地較大,而面積較小的城市(如舟山、嘉興)經過大強度的開發建設城市用地,再除去生態紅線用地保護區之后,所剩的適宜建設用地也逐年減少.

表2 2000 年至2020 年浙江省各城市規模韌性指數

2.1.2 城市密度韌性

浙江省2000 年至2020年城市密度韌性指數逐年下降(表3),表明生態足跡逐漸高于生態承載力,生態足跡逐年加深,存在著人口擁擠、糧食安全有隱患、能源結構不合理的城市問題.從總體而言,城市密度韌性指數雖有下降,但是下降的趨勢有所緩和,而且雖各城市間數值差距也不是很大,但普遍存在著城市密度安全的問題.隨著2000 年來高速發展,浙江省的城市綜合實力大大增強,吸引了全國大量的勞動力,人口密度變大,消耗的糧食和能源也逐年增加,但是升級生產方式、調整優化能源結構、減少資源浪費等一系列舉措沒有跟上,導致城市密度韌性逐年下降,這也是未來浙江省城市發展建設需要重視的地方.

表3 2000 年至2020 年浙江省各城市密度韌性指數

2.1.3 城市形態韌性

研究期間浙江省的城市形態韌性在整體上有所下降,但是下降的幅度并不大,個別年份韌性指數有一定的回升(表4).浙江省各城市在2000 年至2005 年間城市形態韌性普遍下降,但在2005 年至2020 年這十五年間,少數城市的形態韌性指數有小幅度上升的情況,不過總體趨勢依舊向下.這與城市的空間布局和開發模式有關,2000 年至2005年浙江省各城市開發建設速度較快,空間布局上也以邊緣式擴張為主,沒能協調好城市建設用地和城市生態用地的均衡配置.而在2005 年之后,浙江省各城市開始逐漸重視城市生態和開發建設模式的重要性,不僅僅追求城市化建設的速度,也開始多種城市開發模式并存,不再單一地由中心區向外擴張,這讓城市的空間形態有所優化,也大大增加了城市用地到生態用地的可達性,改善了城市環境.

表4 2000 年至2020 年浙江省各城市形態韌性指數

2.1.4 城市基礎設施韌性

浙江省2000—2020 年城市基礎設施韌性整體呈螺旋上升趨勢,這與浙江省近二十年來基礎設施的發展有著直接關系,但個別城市呈下降趨勢,且城市間差距逐漸縮小(表5).除了杭州、寧波、金華,浙江其他城市2020 年的基礎設施韌性指數均高于二十一世紀初.城市基礎設施的建設是城市運作的物質基礎,自2000 年以來,浙江省城市化水平逐年提高,大量資金投入到城市基礎設施建設中,基礎設施水平不斷完善,因此城市基礎設施韌性呈現出螺旋上升的趨勢.然而杭州、寧波、金華雖然基礎設施逐年提高,但是外來人員數量多,城市居民基數大,出現了基礎設施總量大但人均小的困境,存在著基礎設施人均不足的問題,所以這三個城市的基礎設施韌性不升反降.

表5 2000 年至2020 年浙江省各城市基礎設韌性指數

2.2 浙江省城市韌性時空變化分析

2.2.1 城市韌性時序演變分析

經上述研究,由四位一體的城市韌性描述體系測得浙江省各城市按城市韌性劃為三類: 高韌性城市(0.2＜R≤1)、中韌性城市(0.1＜R≤0.2)、低韌性城市(0≤R≤0.1).在時間尺度上,浙江省各城市的城市韌性整體上呈現出由高韌性向低韌性下滑的發展趨勢,如圖2 所示.2000 年低韌性城市僅有嘉興一座城市,其余城市均處于高韌性或中韌性的階段,其中最高值為麗水,達到了二十年來浙江省各城市的頂峰.2000 年至2005 年浙江省各城市的城市韌性急劇下降,臺州、紹興、溫州和湖州這四座城市均由高韌性城市急劇下滑至中韌性城市,寧波、金華和舟山這三座城市也從中韌性城市落入低韌性城市的范圍中.2005 年至2010 年間麗水和臺州兩市城市韌性有所回升,其他各市城市韌性雖在下降,但下降的幅度有所收窄,從2010年開始,低韌性城市成了浙江省的大部分城市韌性類型.2010 年至2015 年浙江省各城市韌性除了嘉興有小幅度的回升,整體上還是處于下滑趨勢,下降的幅度雖然較小,但大多數城市陷入了低韌性城市的困境中.2015 年至2020 年浙江省各城市韌性下降的幅度放緩,舟山和紹興有小幅度的回升,但是全省的城市韌性處于近二十年間的最低位.

圖2 2000 年至2020 年浙江省城市韌性水平

2.2.2 城市韌性空間演變分析

(1)浙江省城市韌性空間格局特征

浙江省城市韌性呈梯度化的空間格局特征,西部城市韌性明顯高于東部城市韌性(圖3).浙江省在2000 年時城市韌性梯度化空間格局并不明顯,東西部地區城市韌性都較高.2000 年之后,全省城市韌性整體下降,城市韌性梯度化的空間格局特征開始逐漸顯現,2005 年從浙江省的西部到東部,大致呈現出高韌性城市-中韌性城市-低韌性城市的空間格局.在2005 年至2010 年期間,中部地區的城市韌性明顯下降,從中韌性城市跌落至低韌性城市的行列中,此時浙江省大致呈現出東西高-中間低的空間格局.在2010 年至2020 年期間,浙江省東部沿海城市韌性持續降低,沿海城市都陷入了低韌性城市的困境中,而西部的城市韌性指數普遍高于東部,在2020 年浙江西南角的麗水更是成為全省唯一的高韌性城市.浙江省城市韌性的梯度化空間格局特征形成由城市發展、城市生態環境等多種因素共同造成.東部沿海地區高速發展,城市化速度快卻忽視了城市規模、城市密度、城市形態和城市基礎設施韌性四個方面,造成了城市韌性低的困境.而浙江省西部的省會城市杭州,雖然在近二十年間經濟高速騰飛,城市化發展迅猛,但協調了城市生態環境和城市發展的關系,城市韌性相對較好.浙江省城市韌性呈集聚化的空間格局特征,相同韌性類型的城市集中分布.集聚化特征在近二十年來一直都比較明顯,到2020年時浙江省唯一的高韌性城市僅剩麗水,而中韌性城市相鄰的衢州和杭州均分布在浙江省西部,八座低韌性城市集中分布在浙江省中部和東部沿海地區.

圖3 2000 年至2020 年浙江省城市韌性空間格局

(2)浙江省城市韌性空間變化特征

2000 年至2020 年期間,浙江省城市韌性標準差橢圓大致呈“東北-西南”的分布格局,標準差橢圓的內部包括了浙江省除舟山外的各城市(圖4).

圖4 2000 年至2020 年浙江省城市韌性標準差橢圓及其重心遷移路徑

從標準差橢圓的分布形狀和方位變化來看(表6),2000 年至2010 年標準差橢圓的面積先擴大后縮小,浙江省城市韌性呈現出先擴散后集中的趨勢,而2010 年至2020 年期間,標準差橢圓的面積緩慢增加,浙江省的城市韌性整體上逐漸呈現出擴張的趨勢,橢圓內的地區城市韌性提升速度小于橢圓外地區.標準差橢圓的短軸長度在二十年期間波動式增大,而長軸長度卻小幅減小,橢圓的形狀沒有發生明顯的變化,說明了浙江省南北方向的城市對全省整體城市韌性有一定的拉動作用.其中方位角變化的幅度不大,浙江省的標準差橢圓在研究期間位置相對穩定.

表6 浙江省2000 年至2020 年城市韌性橢圓參數

從城市韌性重心變化來看,浙江省的城市韌性重心明顯往西南方向遷移.城市韌性重心始終分布在金華地區內部,其中2000 年至2005 年主要向西南方向遷移,且遷移距離最長;2005 年至2010年韌性重心向正南方向遷移,遷移距離與上一時間段相比有所下降;2010 年至2015 年韌性重心向西北方向遷移,韌性重心大致位于浙江省的中部;2015 年至2020 年韌性重心向西南方向遷移,遷移的距離與前幾次相比都更短.從城市韌性重心變化特征可以看出,浙江省的西南地區城市韌性一直都較高,其中浙江省西南角落的城市麗水更是全省韌性的最高值.

3 城市發展方向建議

3.1 高韌性城市發展建議

2020 年浙江省高韌性城市僅剩麗水這一座城市,城市密度和城市基礎設施建設是麗水的短板,就城市發展方向提出以下建議.第一,要加快城市基礎設施的建設,為城市社會經濟的發展提供強有力的保障.加快完善傳統基礎設施,大力發展交通道路設施,增加鋪裝道路面積,提高公共交通水平,改善全市各地區之間的可達性,為吸引資金流入和優秀人才提供更好的便捷條件.第二,要優化生態農業的生產模式,在整體和循環的角度上優化農業產業結構,提高農業用地的生產效率.麗水要改善城市密度韌性,擺脫生態赤字困境,就必須提高農業產品的生產效率,在可用的耕地上提高綜合生產能力,確保現有耕地的質量,推動農業的可持續發展.

3.2 中韌性城市發展建議

浙江省的中韌性城市在2020 年僅剩杭州和衢州兩座城市.杭州的基礎設施韌性在全省是領先的,短板在于規模韌性;而衢州的四個城市韌性指標是相對均衡的水平,沒有明顯的長處與短板.因此,在城市發展方向上對這兩座城市有以下建議.第一,要重視城市的生態文明建設,平衡好城市建設與生態建設的關系.在研究期間,杭州和衢州城市規模擴張速度快,適宜建設用地逐年減少.因此要控制城市建設用地增長的速度,城市建設不能一味地粗放式發展,要嚴格執行浙江省生態保護紅線的規劃文件,確保人類生存發展必要的生態用地面積.第二,要進一步提升城市基礎設施的質量,推動新基建的發展.杭州作為浙江的省會城市,有大量的資金和科技人才,擁有較強的綜合實力,在基礎設施水平較高的基礎上尤其需要重視新基建的建設.

3.3 低韌性城市發展建議

2020 年浙江省有八座城市在低韌性城市梯隊,占據了全省的大多數地區.各城市存在著不同的短板,因此在城市發展方向上,對低韌性城市有以下建議.第一,需要嚴格控制城市建設用地的擴張,保留必要的城市生態保護用地.尤其是城市規模韌性較低的嘉興和舟山,要做好城市功能區和城市建設開發強度的規劃,同時也要提高已建設用地的土地利用效率,避免出現大量的閑置地、低效用地的情況.第二,需要加強城市生態保護,深化生態保護補償機制.浙江省各城市普遍存在生態赤字的問題,而且城市密度韌性整體上都較低.就生態足跡而言,一方面需要改善能源消耗結構,做到節約能源和減少消耗來降低能源資源類賬戶的生態足跡,另一方面也要控制生態適度人口,減少資源消耗和降低人口擁擠程度來緩解生物資源類賬戶的生態足跡過深的問題.就生態承載力而言,要嚴格守好浙江省的生態紅線保護用地,提高生產性土地的利用效率,才能進一步地提高生態承載力.第三,建設城市生態公園,形成良好的城市生態,緩解城市的生態壓力.要做好城市生態斑塊的規劃,縮短城市建設用地到城市綠地的距離,提高可達性,建設綠色可持續發展城市.第四,要加快完善城市基礎設施,提高城市韌性.浙江省的基礎設施水平在研究期間雖逐年提高,但有些城市如嘉興、溫州存在著基礎設施總量大但是人均小的問題,因此要進一步完善城市基礎設施,保障城市的高效生產運作.