文｜中國城市科學(xué)研究會/智慧城市聯(lián)合實驗室/中城智慧（北京）城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司/智慧城市（合肥）標準化研究院有限公司 杜青峰 萬碧玉 姜棟 李玲玲；中國城市科學(xué)研究會/智慧城市聯(lián)合實驗室/智慧城市（合肥）標準化研究院有限公司/佛山市南海區(qū)中城數(shù)字城市促進中心 馬蓉；中國城市科學(xué)研究會/智慧城市聯(lián)合實驗室/中城智慧（北京）城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司/佛山市南海區(qū)中城數(shù)字城市促進中心 陳宇藝；中國城市科學(xué)研究會/智慧城市聯(lián)合實驗室/中城智慧（北京）城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 陳慧文

1 韌性城市綜述

《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二 三五年遠景目標的建議》中首提“韌性城市”。“推進以人為核心的新型城鎮(zhèn)化，強化歷史文化保護、塑造城市風貌，加強城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造和社區(qū)建設(shè)，增強城市防洪排澇能力，建設(shè)海綿城市、韌性城市。”從全球環(huán)境變化和城市可持續(xù)性科學(xué)領(lǐng)域，城市韌性是研究視角和分析工具。主流的研究是單一的社會或災(zāi)害治理，也有強調(diào)物理設(shè)施、忽視人的能動性，重災(zāi)后恢復(fù)、輕災(zāi)前預(yù)防等問題。

韌性物理學(xué)定義：“回到最初的狀態(tài)”?！绊g性城市”遭受突發(fā)事件時，能夠自我修復(fù)。韌性城市能夠快速分散風險、自動調(diào)整恢復(fù)，從而有效抵御外來沖擊和減緩內(nèi)部災(zāi)害?？偠灾凇盀?zāi)難”面前，讓城市既能有效防范，又能快速復(fù)原，這就是“韌性城市”。

城市是人類文明的承載體，城市的韌性發(fā)展已成為疫情和災(zāi)害頻發(fā)的首要問題。當前四川德陽市、湖北黃石市、浙江義烏市，入選全球“100 韌性城市”。韌性城市是具有吸收未來的對其社會，經(jīng)濟，技術(shù)系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施的沖擊和壓力，仍能維持基本的功能，結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)和特征的城市。[1]建設(shè)安全靈敏的韌性城市也是新型城鎮(zhèn)化試點示范等地區(qū)典型做法。隨著災(zāi)害問題和公共衛(wèi)生突發(fā)事件發(fā)生，城市系統(tǒng)屢遭重創(chuàng)，城市居民的生命財產(chǎn)和相關(guān)人身安全遭到了極大的威脅。韌性城市提供了一種新的系統(tǒng)視角和理論體系以支撐災(zāi)害、突發(fā)事件等潛在擾動威脅下的城市的可持續(xù)發(fā)展。

2 城市仿真的技術(shù)方法

根據(jù)《中共中央國務(wù)院關(guān)于深入推進城市執(zhí)法體制改革改進城市管理工作的指導(dǎo)意見》構(gòu)建智慧城市。“探索加強城市基礎(chǔ)設(shè)施智慧化管理與監(jiān)控服務(wù)，加快市政公用設(shè)施智慧化改造升級，構(gòu)建城市虛擬仿真系統(tǒng)，強化城鎮(zhèn)重點應(yīng)用工程建設(shè)。”因此構(gòu)建城市虛擬仿真系統(tǒng)，提高韌性城市演化機理和評估方法，提高城市應(yīng)對自然、經(jīng)濟與社會環(huán)境中潛在風險和突發(fā)事件的防御、恢復(fù)和適應(yīng)能力。韌性城市智能規(guī)劃正在起步階段，亟需根據(jù)現(xiàn)階段韌性城市發(fā)展需求加快研制基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵共性技術(shù)標準及基礎(chǔ)平臺開發(fā)，以促進城市智慧化建設(shè)、可持續(xù)化發(fā)展。

近年來，高速發(fā)展的城市化進程中，已經(jīng)引起城市水文特性的顯著變化：城市房屋建筑容積率不斷加大，混凝土覆蓋地面的面積增大，雨水滲透減少，雨水排澇與調(diào)蓄功能下降；大多數(shù)城市對地下設(shè)施開發(fā)利用率普遍提高，城市資產(chǎn)高密集，綜合承災(zāi)能力脆弱。

3 韌性城市研究目標

仇保興認為“從韌性城市的結(jié)構(gòu)韌性、過程韌性和系統(tǒng)韌性三個方面，韌性城市有六個要素，即主體性、多樣性、自治性、冗余、慢變量管理、標識，在堅持主體自主能動性基礎(chǔ)上，進而形成豐富的標識系統(tǒng)，城市的韌性才可以變得越來越強?！?/p>

通過模擬仿真，提出城市發(fā)展模型，在城市發(fā)展過程中獲取同步信息，明確城市規(guī)劃決策的內(nèi)在規(guī)律，作出更明智的決策，優(yōu)化資源配置，可以有效提高結(jié)構(gòu)韌性、過程韌性和系統(tǒng)韌性。在可持續(xù)發(fā)展時期對城市規(guī)劃提出必要的干預(yù)措施，以及公共政策。城市系統(tǒng)優(yōu)化和相關(guān)技術(shù)的更新，可以極大的改善城市的宜居性、交通擁堵、污染等城市問題。

基于我國城市的背景提出研究目標研究韌性城市理論基礎(chǔ)及技術(shù)集成，提出跨學(xué)科融合可行的韌性城市理論模型，構(gòu)建綜合量化評估指標體系，制定相關(guān)標準?；诔鞘谐B(tài)與應(yīng)急狀態(tài)韌性城市要素數(shù)據(jù)規(guī)范，形成韌性城市數(shù)字仿真環(huán)境模型，利用城市多源大數(shù)據(jù)及其建模/分析/診斷技術(shù)進行韌性城市智能規(guī)劃。最后利用韌性城市信息監(jiān)測預(yù)警管理基礎(chǔ)平臺、韌性城市智能模擬預(yù)測推演平臺、韌性城市自適應(yīng)規(guī)劃決策平臺，對城市主要風險點和災(zāi)害進行智能監(jiān)測、檢測預(yù)警、協(xié)調(diào)聯(lián)動，保障城市基礎(chǔ)設(shè)施、規(guī)劃要素從突發(fā)事件發(fā)生到恢復(fù)過程的適應(yīng)性循環(huán)機制正常實施。

4 強降雨模擬仿真模型的韌性城市探究理論

城市空間安全韌性是城市安全可持續(xù)發(fā)展的保障。[2]本模型以水文學(xué)概念為基礎(chǔ)，通過全區(qū)域大尺度模擬仿真對研究區(qū)域的主要易澇點進行定位，模擬不同降雨條件下城市的內(nèi)澇情況，結(jié)合城市的敏感基礎(chǔ)設(shè)施空間信息，獲取高風險地點的暴雨易澇等級。在宏觀模擬的基礎(chǔ)上，通過計算流體力學(xué)模擬強降雨在城市高風險和核心區(qū)域的內(nèi)澇發(fā)生規(guī)律，為城市排水和應(yīng)急響應(yīng)提供更為精確的信息。

業(yè)務(wù)上由ArcGIS（或SuperMap）生成相關(guān)數(shù)據(jù)集，在仿真系統(tǒng)水模型與算法上計算，根據(jù)仿真區(qū)域要求的各項指標對城市水淹等進行分析，將相關(guān)數(shù)據(jù)指標在城市仿真系統(tǒng)（CSS）或3DGIS 業(yè)務(wù)平臺上進行可視化展示與業(yè)務(wù)管理。

4.1 強降雨模擬仿真模型建立

依據(jù)為水文學(xué)為基礎(chǔ)的宏觀模擬仿真主要以水量平衡方程建立基礎(chǔ)模型：

P=I+E+Ao+Au+Q

其中降雨量 (P) 等于植被攔截量 (I) 加蒸發(fā)量 (E) 加地表徑流量 (Ao) 加土壤滲透和下水道系統(tǒng)排水量 (Au) 加本地沉降量(Q)。在大暴雨的條件下，徑流條件近乎于絕對，攔截、蒸發(fā)與土壤滲透的降水量都可假設(shè)為零，在易澇點填滿之前，過量徑流(Ao) 同樣不會對此方程產(chǎn)生影響，因此原方程可以簡化為P = Au + Q，單位時間降水量等于單位時間下水道系統(tǒng)處理量加本地沉降量。

4.2 易澇區(qū)域識別

通過實驗用的高分辨率DEM 數(shù)字高程模型 (2m×2m) 和政數(shù)局提供的建筑物覆蓋矢量圖層作為初始數(shù)據(jù)，在ArcGIS 平臺上，應(yīng)用多種水文分析工具構(gòu)建宏觀模擬模型，識別出易澇區(qū)域位置。該模型可以計算出易澇區(qū)域的面積和填充易澇區(qū)域所需的降水量，在其他因素相同的情況下，易澇區(qū)域可容納的降雨量越小，該區(qū)域的建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施受到的洪災(zāi)風險越大。

經(jīng)過模型計算，共識別出面積不等、風險級別各異的易澇區(qū)域。基于排水設(shè)施可以應(yīng)對3年一遇至5年一遇強降水的實際情況，進行驗證。

4.3 基于CFD 的水環(huán)境仿真建立

結(jié)合CFD 計算流體計算、混合云計算、機器視覺、大規(guī)模拓撲網(wǎng)絡(luò)計算、認知反演、計算流體分析等跨學(xué)科領(lǐng)域的頂尖能力，基于基本空間數(shù)據(jù)GIS（包括DEM、DOM、3D 建筑物模型）與城市規(guī)劃以及相關(guān)基本數(shù)據(jù)及三維數(shù)據(jù)，根據(jù)所在規(guī)劃區(qū)域的氣象、水文與水務(wù)數(shù)據(jù)等設(shè)定相關(guān)邊界條件，進行城市水環(huán)境等仿真。模型的建立使得城市海量多源數(shù)據(jù)的收集、實時處理與智能計算。

求解系統(tǒng)基礎(chǔ)CFD 方程式，求解公式：

（1）質(zhì)量守恒方程式；

（2）動量守恒方程式；

（3）能量守恒方程式；

（4）K-epsiron 湍流模型。

經(jīng)過與歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)對照，水淹范圍和水淹深度邊界條件限定。

在易澇區(qū)域的基礎(chǔ)上，結(jié)合SS-WE 水環(huán)境仿真模擬軟件中的計算流體力學(xué)模型，與歷史水浸點數(shù)據(jù)做具體對比驗證，評估易澇區(qū)域微觀模擬的準確度。在研究建設(shè)過程中，選取測試點周邊的歷史易澇點作為計算區(qū)域，利用計算流體力學(xué)模型模擬歷史降雨條件下的內(nèi)澇情況。

5 展望

本研究中仿真技術(shù)廣泛運用于經(jīng)濟發(fā)展、公共服務(wù)及社會生活等各個領(lǐng)域，更準確快捷配置資源、提升城市整體運行效率。城市仿真是一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程。制定措施防范各種風險，保證研究順利實施。

從城市空間環(huán)境優(yōu)化的角度，韌性城市的實施具有更加直接的緊迫性和必要性，結(jié)合中國城市當前及今后的發(fā)展需求，從形態(tài)布局，自然環(huán)境，公共設(shè)施，社會生活4 個維度提出中國韌性城市空間規(guī)劃的策略和發(fā)展途徑。[3]城市仿真技術(shù)作為信息技術(shù)中的一種新興技術(shù)，正在逐漸成為幫助城市規(guī)劃和管理的重要手段，它對于城市規(guī)劃的影響不僅表現(xiàn)在對城市規(guī)劃所需信息的采集、處理和利用方面，更為重要的是它能夠改變城市規(guī)劃內(nèi)部信息流程和城市規(guī)劃部門與社會的信息交流與反饋機制，進而對城市規(guī)劃的管理體制產(chǎn)生積極影響。

重建城市微循環(huán)是建設(shè)韌性城市、加快綠色低碳轉(zhuǎn)型和提升城市宜居與活力的重要途徑，也是城市和規(guī)劃建設(shè)模式變革的未來趨勢，這方面的新理念和新技術(shù)應(yīng)當在北京率先得到推廣應(yīng)用。[4]在智慧城市與仿真技術(shù)過程中，本實驗通過汶川、廣州佛山南海等數(shù)字城市仿真建設(shè)實踐，提出實體城市空間與虛擬城市空間與社會空間共融互動，從人、物理世界的感知、同步搭建智慧設(shè)施以“大平臺、大數(shù)據(jù)、大應(yīng)用”構(gòu)建數(shù)字孿生的虛擬空間支撐智慧發(fā)展的韌性城市發(fā)展理念。

“以人民為中心和綠色發(fā)展”的新型城鎮(zhèn)化，就必須要考慮韌性城市的建設(shè)問題。[5]基于計算流體力學(xué)（CFD）的城市仿真、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字信息化手段，構(gòu)建城市神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳感系統(tǒng)，在規(guī)范統(tǒng)一的制度標準基礎(chǔ)上，構(gòu)建以人為本、跨學(xué)科融合的復(fù)雜城市韌性理論。未來選擇不同類型城市試點示范，推動技術(shù)理論成果、標準、平臺等的規(guī)?；瘧?yīng)用，提升我國在城市監(jiān)測預(yù)警預(yù)測、模擬推演、應(yīng)急防控等領(lǐng)域的技術(shù)支撐和決策能力。