生態(tài)水文系統(tǒng)支撐城市韌性安全建設(shè)的若干思考

【編者按】

2023 年11 月8 日下午，首都師范大學原校長宮輝力教授接受了《上海國土資源》期刊的專訪。宮教授是俄羅斯工程院外籍院士、俄羅斯自然科學院外籍院士、國際歐亞科學院院士，城市環(huán)境過程和數(shù)字模擬國家重點實驗室培育基地主任、水資源安全北京實驗室主任、地面沉降機理與防控教育部重點實驗室主任，曾任聯(lián)合國教科文組織信息水文與生態(tài)水文學組首屆主席、中國地理學會副理事長、中國地理信息產(chǎn)業(yè)協(xié)會副會長。本文為宮教授審定的專訪整理稿。

摘 要：近40 年城市生態(tài)水文學應(yīng)用研究的重要進展，特別是區(qū)域水循環(huán)要素的優(yōu)化調(diào)控，有效地支撐了韌性安全城市建設(shè)。在城市生態(tài)水文系統(tǒng)理念的指導下，北美、歐洲和中國相繼出現(xiàn)了低影響開發(fā)、水框架指令、海綿城市與氣候適應(yīng)型城市建設(shè)。全球變化和人為活動相互作用產(chǎn)生了復(fù)雜的城市生態(tài)水文過程，自然水循環(huán)模式已轉(zhuǎn)變?yōu)椤白匀? 社會”相互作用的二元水循環(huán)模式。面對全球變化，韌性安全城市的建設(shè)更加關(guān)注對氣候變化的減緩和適應(yīng)，特別是對極端天氣氣候事件的適應(yīng)能力。我國長期持續(xù)大規(guī)模的城市開發(fā)建設(shè)，強烈影響和改變著區(qū)域水循環(huán)關(guān)鍵要素，城市地下空間開發(fā)利用和地面沉降面臨著極端天氣氣候情境下的災(zāi)害風險。因此，地學基礎(chǔ)條件及其韌性構(gòu)成了城市韌性安全底座的基礎(chǔ)。基于二元水循環(huán)關(guān)鍵要素調(diào)控設(shè)計的減緩和適應(yīng)對策，在新一輪氣候適應(yīng)型城市建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。“氣候變化—區(qū)域二元水循環(huán)—水平衡調(diào)控—災(zāi)害風險”“遙感大數(shù)據(jù)—臺站網(wǎng)小數(shù)據(jù)—傳遞函數(shù)—云孿生”，可作為一種地球大數(shù)據(jù)支撐韌性城市建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)框架和方法組合。上海作為長江流域的龍頭和海陸交互敏感區(qū)域，城市韌性安全還面臨著海平面上升的考驗。在氣候變化情景下區(qū)域二元水循環(huán)關(guān)鍵要素調(diào)控，可作為地學服務(wù)上海地下空間安全及城市韌性安全的一個策略。

關(guān)鍵詞：生態(tài)水文；氣候承載力；二元水循環(huán)調(diào)控；遙感大數(shù)據(jù)；韌性安全城市；策略建議

中圖分類號：P339；P641.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1329（2024）01-0001-05

1 城市生態(tài)水文學的發(fā)展歷程

生態(tài)水文、環(huán)境過程、韌性城市，這些關(guān)鍵詞涉及的內(nèi)容非常經(jīng)典。關(guān)于生態(tài)水文，聯(lián)合國開發(fā)計劃署（UNDP）和聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）都對其持續(xù)重點關(guān)注。生態(tài)水文理念是北美在上世紀70 年代末提出的，到90 年代末逐漸發(fā)展形成低影響開發(fā)理念（LID）。這些開拓性理念試圖把環(huán)境開發(fā)的代價降至最低，甚至恢復(fù)到開發(fā)前，并引領(lǐng)了一系列有針對性的研究計劃。歐洲跟隨了北美的策略，在2000 年也制定了水框架指令。大家基本上認同的是，生態(tài)水文學是從水文學角度看生態(tài)。我國近些年城市水文學的應(yīng)用研究也取得了重要進展，有效地支撐了海綿城市、韌性安全城市建設(shè)。我國人口眾多、城市規(guī)模和區(qū)域環(huán)境與國外一些大都市發(fā)展情況并不完全一樣，由于發(fā)展條件的差異性，我們有些城市發(fā)展更像是攤大餅。歐美的一些城市還保留著其基本形態(tài)，例如：上城區(qū)（uptown）、中城區(qū)（midtown）、下城區(qū)（downtown），它本身就是一個具有層次感的空間結(jié)構(gòu)，這樣很容易把生態(tài)水文系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)帶進來。然而，我們的城市把這種生態(tài)水文的空間結(jié)構(gòu)帶進來并不容易。所以，我們韌性城市建設(shè)堅持“一城一策”，創(chuàng)造了適合國情特點的城市生態(tài)水文系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

關(guān)于環(huán)境過程，城市的環(huán)境過程非常復(fù)雜，我國很多部委、中國科學院等都有研究機構(gòu)做這方面的研究，我們關(guān)注的是與地質(zhì)災(zāi)害密切相關(guān)的這一部分。

關(guān)于韌性城市，國家高度關(guān)注。韌性城市是指城市或城市系統(tǒng)在預(yù)設(shè)程度上能夠化解和抵御外界的沖擊，保持其主要特征和功能不受明顯影響的能力。當災(zāi)害發(fā)生的時候，韌性城市能夠承受沖擊，快速應(yīng)對、恢復(fù)，保持城市功能正常運行，并通過適應(yīng)來更好地應(yīng)對未來的災(zāi)害風險。目前也在建設(shè)智慧城市，其特點體現(xiàn)在技術(shù)體系中投入了很多傳感器，大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)方法支撐城市綜合管理決策。

近40 年來，城市生態(tài)水文系統(tǒng)的建設(shè)、發(fā)展，對解決城市生態(tài)問題的針對性越來越強。例如：英國降雨多，其城市考慮的就是排水，韌性城市功能或者是海綿城市功能或者生態(tài)城市功能，都是做持續(xù)排水的；澳大利亞相對干旱，多是水敏感性的都市和區(qū)域。這些都是結(jié)合各地區(qū)具體情況制定的。我國也出臺了一系列的針對性政策、措施，例如海綿城市，我國建設(shè)了30 多個海綿城市，效果如何？鄭州、濟南、北京等，經(jīng)受了極端天氣氣候事件的大考，表明海綿城市、韌性城市建設(shè)還有較大深化、優(yōu)化空間。

我國很多城市在生態(tài)水文系統(tǒng)和韌性城市建設(shè)方面特色鮮明、效果顯著。例如：大運河沿線的滄州，湖州、蘇州、嘉興，也包括三角洲地區(qū)的上海以及中國南方一些城市。這些城市的共性是分布在水網(wǎng)發(fā)達、經(jīng)濟繁榮地區(qū)，城市建設(shè)在高強度的人類活動和生態(tài)水文間系統(tǒng)間找到了適應(yīng)與平衡。此外，韌性城市建設(shè)堅持的“一城一策”模式，每個城市找到各自針對性的生態(tài)水文平衡關(guān)鍵問題，城市的韌性效果就凸顯出來了。

2 生態(tài)水文過程與城市安全韌性

目前，城市生態(tài)水文系統(tǒng)綜合建設(shè)進入了一個新階段。《國家適應(yīng)氣候變化戰(zhàn)略2035》，是《國家應(yīng)對氣候變化規(guī)劃（2014—2020 年）》的延續(xù)。前期的規(guī)劃關(guān)注的是局部的、區(qū)域的或者是系統(tǒng)綜合（包括水系系統(tǒng)、流域等），新階段的戰(zhàn)略體現(xiàn)了更加綜合、更多的協(xié)同、更多的整體性，氣候適應(yīng)型城市或氣候友好型城市建設(shè)，國家出臺了一系列針對性的政策措施。

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）將韌性定義為：“社會或生態(tài)系統(tǒng)吸收干擾的能力，同時保持相同的基本結(jié)構(gòu)和運作方式，自我組織能力，以及適應(yīng)壓力和變化的能力。”近幾年城市承載力對氣候變化極端事件出現(xiàn)了無法適應(yīng)的情況，例如鄭州、濟南和北京對極端暴雨的適應(yīng)情況。在此背景下，對于未來的氣候變化、城市的韌性如何適應(yīng)極端天氣氣候事件、如何減緩極端天氣氣候事件帶來的災(zāi)害風險與災(zāi)變的研究，已經(jīng)成為熱點問題。以前關(guān)注較多的是極端氣象事件，現(xiàn)在更加關(guān)注極端天氣氣候事件及其疊加效應(yīng)。當然，這也要求城市區(qū)域加強生態(tài)水文系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施的韌性建設(shè)，不斷增強城市抵抗極端天氣氣候事件的能力，提高城市整體的韌性安全水平。

韌性城市建設(shè)與區(qū)域二元水循環(huán)問題。二元水循環(huán)是自然和人類共同作用的結(jié)果，是近二十年來本領(lǐng)域一個重要的研究方向。2022 年10 月美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）發(fā)布了水循環(huán)概念框架圖，實際上中國科學家早在上個世紀（王浩，1999）就提出了二元水循環(huán)概念及其應(yīng)用分析。面對全球氣候變化，針對二元水循環(huán)關(guān)鍵要素調(diào)控的減緩和適應(yīng)對策，將在新一輪氣候適應(yīng)型城市建設(shè)中發(fā)揮非常重要的作用。相關(guān)研究表明，20 世紀中葉以來，全球每10 年平均氣溫升高0.15℃，中國每10 年平均氣溫升高0.26℃，這個量是巨大的。平均氣溫每升高1℃，大氣水汽含量增加7%～9%，這使得降雨的不確定性大大增加。氣候變化及其極端事件帶來了巨大的驅(qū)動力，強烈影響和改變著區(qū)域水循環(huán)的水熱條件。在這樣背景下，所有的城市系統(tǒng)，脆弱、敏感的區(qū)域都要對此適應(yīng)、響應(yīng)，區(qū)域水循環(huán)、地面沉降和地下空間的協(xié)同演化應(yīng)該是突出問題之一。

全球氣候變化不可抗拒的改變了區(qū)域二元水循環(huán)。氣候韌性通常可定義為社會生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)能力：（1） 在氣候變化施加的外部壓力時吸收壓力并保持基本功能；（2） 適應(yīng)、重組并進化出為更理想的功能配置，以提高系統(tǒng)的可持續(xù)性，更好地為未來氣候變化的影響做好準備。區(qū)域水循環(huán)改變、控制著地下水位的變化，對于類似上海這樣的大都市的地下工程、地下的管線、過江通道、地鐵隧道空間工程等都帶來了相應(yīng)影響、適應(yīng)和調(diào)控問題。北京也存在類似問題，北京地鐵線路長度已經(jīng)超過1000km，地下空間開發(fā)利用與機場、路面交通系統(tǒng)、巨大的中央商業(yè)區(qū)（CBD）的動靜荷載疊加，加上區(qū)域水循環(huán)的變化，地下水位回升，使城市韌性的“地質(zhì)底座”存在不均勻沉降、回彈變化及災(zāi)變風險。

隨著對氣候變化影響的認知水平不斷提高，氣候韌性建設(shè)已成為政策制定者考慮的重要內(nèi)容。目前，氣候韌性工作的重點是優(yōu)先解決城市存在的氣候脆弱性短板。大都市的生命線工程，無論是地下空間開發(fā)利用的廊道管線、地鐵空間，還是路表的高鐵、機場系統(tǒng)，如果持續(xù)疊加城市的雨島、熱島，加上CBD 荷載影響，城市韌性薄弱區(qū)域?qū)⒚媾R巨大考驗。因此，關(guān)鍵問題是將氣候適應(yīng)型城市的建設(shè)納入?yún)^(qū)域城鄉(xiāng)發(fā)展的綜合規(guī)劃，將氣候變化新階段的驅(qū)動、影響納入到當?shù)貒窠?jīng)濟社會發(fā)展的綜合規(guī)劃，同時考慮各項專項規(guī)劃的銜接、協(xié)同，例如海綿城市建設(shè)規(guī)劃、韌性城市建設(shè)規(guī)劃，并將所有的相關(guān)規(guī)劃形成一個有機整體。氣候韌性底座構(gòu)成了應(yīng)對風險和落實規(guī)劃的共同基礎(chǔ)。

上海的城市韌性還涉及了海平面上升。自然資源部2022 年《中國海平面公報》表明全球氣候變暖背景下，中國沿海海平面變化總體呈加速上升趨勢。過去42 年（1980 年至2022 年），中國沿海海平面上升速率為每年3.5 毫米。過去30 年（1993 年至2022 年），中國沿海海平面上升速率為每年4.0 毫米，高于同時段全球平均水平。其中，2022 年，中國沿海海平面較常年（1993 年至2011 年） 高94 毫米，為1980 年以來最高。過去11 年（2012 年至2022 年）中國沿海海平面均處于有觀測記錄以來的高位。其中海陸相互作用、海岸帶的變化和三角洲海陸交互作用的特殊性，控制和改變著區(qū)域二元水循環(huán)與地面沉降的耦合演化。上海地面沉降精準防控的經(jīng)驗與著名案例，為韌性安全城市建設(shè)提供了新的內(nèi)涵。

3 城市韌性安全二元水循環(huán)調(diào)控

快速城市化與氣候變化改變了區(qū)域自然水循環(huán)，引發(fā)了以內(nèi)澇、洪災(zāi)、污染為主的一系列城市水問題，也改變了城市與自然的關(guān)系。應(yīng)對和防控極端天氣氣候事件災(zāi)害及其緩慢持續(xù)的影響風險，需要建立統(tǒng)一的二元水循環(huán)、城市空間管理的對策和行動框架，統(tǒng)籌物理、社會和信息空間，需要管理體制、政策規(guī)劃、工程技術(shù)和應(yīng)對能力建設(shè)的一體化，包括綜合規(guī)劃、行動方案，以及防災(zāi)減災(zāi)智慧管理決策平臺、監(jiān)測預(yù)警業(yè)務(wù)平臺。

針對不同區(qū)域氣候變化帶來的風險，氣候適應(yīng)型城市建設(shè)的“一城一策”，形成監(jiān)測—評估—預(yù)警—督辦的應(yīng)對鏈條，比較好地體現(xiàn)了針對性、協(xié)同性與整體性。統(tǒng)籌規(guī)劃、建設(shè)以人為核心的韌性城市，國際上已經(jīng)出現(xiàn)了一批城市韌性評估參考指標系統(tǒng)，如奧雅納和洛克菲勒基金會聯(lián)合發(fā)布了韌性城市指數(shù)，對城市韌性建設(shè)、評估提供了一個比較全面的參考、分析指標。國際標準化組織于2019 年發(fā)布了《韌性城市指標體系》，提供了一個可以在全球范圍內(nèi)參考應(yīng)用的韌性評估框架。2022 年，我國也完成了《城市和社區(qū)可持續(xù)發(fā)展韌性城市指標》國家標準（征求意見稿）。城市韌性關(guān)注的重要指標也發(fā)生了調(diào)整，由以往關(guān)注的生態(tài)水文承載力、地基承載力轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在關(guān)注的極端天氣氣候承載力。針對氣候承載力，需要從不同的專業(yè)視角去評估，包括綜合評估影響強度、承載體的脆弱性以及持續(xù)沖擊帶來的反應(yīng)等。

城市水循環(huán)關(guān)鍵要素演變機理及過程是當前水文水資源學研究的熱點問題。隨著全球氣候變化和快速城鎮(zhèn)化發(fā)展，深刻剖析城市水問題的產(chǎn)生根源及發(fā)展情勢，科學認識未來城市水循環(huán)變化面臨的主要問題，是實現(xiàn)城市良性水循環(huán)的關(guān)鍵。一些發(fā)達國家結(jié)合當?shù)厍闆r，建設(shè)氣候適應(yīng)型城市，積極調(diào)控區(qū)域二元水循環(huán)與生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)，針對性措施特點突出。近50 年來，歐美國家的大都市開發(fā)、建設(shè)強度并不是很大，相比之下，中國城市一直處于快速的開發(fā)建設(shè)狀態(tài)，其中地下空間的開發(fā)利用與二元水循環(huán)變化問題更為突出。根據(jù)《中國氣候變化藍皮書（2020）》，1961—2019 年期間年平均降水量、極端強降水事件也呈增長趨勢，年累計暴雨站日數(shù)平均每10 年增加3.8%。二元水循環(huán)變化是多尺度的，包括城區(qū)尺度、區(qū)域尺度和流域尺度，都在影響城市韌性，但作用強度尚不十分清楚。針對多尺度、變分辨率的水循環(huán)變化強度的歸因，綜合考慮氣候變化承載力特別是與極端天氣事件驅(qū)動之間的復(fù)雜關(guān)系，產(chǎn)生了驅(qū)動—響應(yīng)—閾值—適應(yīng)性的調(diào)控理念。

氣候變化帶來的極端天氣氣候事件愈發(fā)頻繁，其強度也越來越難以預(yù)測。建設(shè)海綿城市是城市加強基礎(chǔ)設(shè)施氣候韌性以適應(yīng)氣候變化的重要方式之一。實際上，海綿城市建設(shè)為氣候適應(yīng)型城市建設(shè)提供了扎實的基礎(chǔ)，現(xiàn)在要把海綿城市和氣候適應(yīng)型城市建設(shè)一體化。海綿城市建設(shè)考慮的多是單因素，氣候適應(yīng)型城市則考慮了諸多因素。當前韌性安全城市建設(shè)，從氣候變化監(jiān)測評估、理論分析，到實踐應(yīng)用，都取得了一些重要進展。

遙感大數(shù)據(jù)、臺站小數(shù)據(jù)與智能算法相結(jié)合，為韌性城市建設(shè)提供了重要科學技術(shù)與方法支撐。例如，極端天氣氣候事件驅(qū)動的災(zāi)害鏈、風險鏈的監(jiān)測評估，綜合防災(zāi)減災(zāi)韌性區(qū)劃等。在氣候變化—海平面上升—二元水循環(huán)—海陸相互作用—自然災(zāi)害系統(tǒng)演化框架下，針對自然災(zāi)害系統(tǒng)演化及其災(zāi)害鏈、風險鏈的不確定性問題，開展韌性安全與脆弱性風險評估，為重新審視生態(tài)城市建設(shè)、城市生態(tài)環(huán)境過程和韌性安全城市提供了新視角。目前水家族在軌衛(wèi)星數(shù)量將近20 顆，通過上百個傳感器獲取水循環(huán)變化和微動態(tài)數(shù)據(jù)集。尤其是2022 年12月16 日SWOT 衛(wèi)星在軌以來，水循環(huán)關(guān)鍵要素變化及微動態(tài)數(shù)據(jù)更加豐富。例如，超過100 m 的河流、250 m×250 m 的湖泊的面積，水面高度和坡度的測量值（CM），每21 天至少2 次對地表水和海面進行掃描測量等數(shù)據(jù)。水量平衡、熱量平衡原理是監(jiān)測地下水儲量變化的基礎(chǔ)，GRACE 衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)可分離出陸地總水儲量中的地下水量。GRACE衛(wèi)星監(jiān)測的垂直水層水儲量變化包括了地表水、土壤水、地下水和雪水。遙感大數(shù)據(jù)、臺站小數(shù)據(jù)與智能算法相結(jié)合，從多尺度、多分辨率視角回答了水從哪里來到哪里去，水循環(huán)的全周期、全流程都可以通過云平臺監(jiān)測、評估和共享。

世界氣候研究計劃的耦合模型比較項目與共同框架。隨著全球各大氣候模擬中心發(fā)布的大氣和海洋模擬數(shù)據(jù)量快速增長，迫切需要專門組織對結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，為適應(yīng)這一需求，國際耦合模式比較計劃（CMIP）逐漸發(fā)展為“以推動模式發(fā)展和增進對地球氣候系統(tǒng)的科學理解”為目標的龐大計劃。為此，CMIP 以標準化格式公開提供多模型輸出數(shù)據(jù)集，供研究人員和用戶使用。例如第六次國際耦合模式比較計劃（CMIP6）通過衛(wèi)星對地觀測、模擬產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)集，包括分鐘級、0.5 小時級以及幾小時級。不同觀測計劃之間的協(xié)同合作，可以有效支撐“氣候變化—海平面上升—二元水循環(huán)—海陸相互作用—韌性城市”的研究框架。

氣候變化和極端天氣氣候事件。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會第六次評估報告中，觀測的極端天氣氣候事件變化證據(jù)，特別是歸因于人為影響的證據(jù)明顯增強。人類活動貢獻的氣候變化已影響到全球每個區(qū)域的諸多極端天氣氣候事件。隨著未來全球變暖進一步加劇，預(yù)估極端熱事件、強降水、干旱的強度和頻次以及強臺風（颶風）等更加困難。這些結(jié)論凸顯了生態(tài)水文系統(tǒng)支撐城市安全韌性建設(shè)，應(yīng)對氣候變化和極端天氣氣候事件的必要性和緊迫性。

根據(jù)上海《本市系統(tǒng)化全域推進海綿城市建設(shè)的實施意見》，到2030 年底，本市建成區(qū)80% 以上的面積達到海綿城市建設(shè)目標要求。具體將構(gòu)建生態(tài)、安全、可持續(xù)的城市水循環(huán)系統(tǒng)，通過完善海綿城市規(guī)劃技術(shù)體系、加強區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護修復(fù)、構(gòu)建韌性安全城市河湖系統(tǒng)、完善城市排水防澇設(shè)施建設(shè)、全域推進海綿城市項目建設(shè)、提升海綿城市建設(shè)管理能力。

氣候變化與區(qū)域地面沉降。目前我國有全球最大的地下水超采區(qū)和全球最大的地面沉降區(qū)，我們實驗室在京津冀地面沉降歸因研究方面形成了“氣候變化—二元水循環(huán)—地面沉降—調(diào)控方案”的研究、應(yīng)用框架，這個綜合框架包括兩方面內(nèi)容，分別是“氣候變化—區(qū)域二元水循環(huán)—水平衡—地面沉降—調(diào)控方案”應(yīng)用研究框架和“遙感大數(shù)據(jù)—臺站網(wǎng)小數(shù)據(jù)—傳遞函數(shù)—云孿生”技術(shù)支撐框架。事實上，地下水循環(huán)已經(jīng)成為地面沉降、地裂縫、沉降回彈和塌陷等地質(zhì)災(zāi)害問題的主控因素，通過技術(shù)框架及其組合調(diào)控、優(yōu)化地下水位閾值，可以為韌性安全城市建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。上海作為長江流域的龍頭和海陸交互敏感區(qū)域，在全球氣候變化背景下的區(qū)域二元水循環(huán)調(diào)控，可作為地學支撐地下空間安全和城市韌性建設(shè)的一個重要策略。