城市空间脆弱性的定量测度及其保护策略

1）空间脆弱性特点

在现代社会，城市经济、社会等“人”的层面具有高度的开放性和流动性，这表现在城市之间具有高度频繁和密切的贸易、人员、资金等经济社会要素的交流和往来，而这种交流和往来在一定程度上有利于降低和减轻城市经济社会的非空间脆弱性。例如，城市产业发展缺乏矿产资源，但可以通过贸易手段来获得充足的原材料，从而确保自身产业获得持续发展，这方面最好的例子应是日本；又如，新兴城市常常缺乏人才、资金支持，其可以通过制定人才吸引政策和金融政策而实现引智、引资目标。这些例子都说明，城市非空间脆弱性具有相对性，城市之间通过交流往来而实现经济社会发展的互补和资源共享，从而降低和减轻城市的非空间脆弱性。

相对于城市非空间脆弱性的上述特点，城市空间脆弱性是城市地理空间实体和生态要素对干扰和压力的敏感性与恢复力，是城市生态空间的固有属性在干扰和压力作用下的表现，具有不可互补性、不可替代性和易变性。首先，城市都是具有一定边界的封闭区域，其拥有的山脉、河流、湖泊、农田、植被等生态要素都是具有固定地理坐标的空间实体，是不可移动、复制和交易的。这意味着这些生态空间是城市的自然禀赋，其构成了城市固有的生态本底，是不可与其他城市共享、互补的“私人物品”。同时，从可持续发展理论层面来分析，其是不可完全替代的自然资本，“望得见山，看得见水，记得住乡愁”正是这种不可互补性、不可替代性生动而形象的写照。

其次，城市生态空间是城市在漫长的发展演化历程中所形成的一种相对稳定的构造和格局，但是这种稳定具有相对性，在日益剧烈的人类活动的干扰和压力下，其构造和格局具有易变性。当人类活动符合生态规律时，生态空间会保持其稳定性，脆弱性处于较低水平；当人类活动违反生态规律时，将会导致生态空间在格局和过程上发生不利于其稳定和平衡的变化，这种变化可能是不显著的，但当达到或超过生态空间的承载极限时就会产生剧烈的波动，甚至是严重的退化，此时，脆弱性会被快速放大。例如，太湖蓝藻暴发就是由于长期不合理地开发利用太湖水资源所造成的，也是人类经济社会活动对太湖的干扰超过了太湖本身的自净能力而出现的必然结果。

生态空间是城市经济社会发展的物质载体，也是城市发展建设的基础和开发对象。从强可持续发展的观点来看，关键自然资本不能在城市发展过程中减少。通过城市空间脆弱性的定量测度，把那些空间脆弱性高的区域作为关键自然资本保护起来，形成城市发展建设不可逾越的生态红线。生态红线内的区域是对城市总体生态环境起着决定作用的生态要素和生态实体，这些区域对城市可持续发展的影响较大，要进行保护并作为关键自然资本在代与代之间传承下去，从而为实现关键自然资本不减少的强可持续发展奠定生态基础。

综上所述，城市空间脆弱性测度的核心就是城市生态空间对城市经济社会等非空间发展所带来干扰的敏感性和恢复力，目的就是要分析城市空间脆弱性的格局特点，进而划定空间脆弱性的等级分区以及城市生态空间对经济社会等非空间要素发展的适宜程度，从而为构建城市脆弱性的综合调控体系奠定基础。

2）方法概述

如前所述，城市空间脆弱性反映了城市生态空间对外界变化的响应程度，是度量城市生态空间对干扰和压力的敏感性和恢复力，因此，城市空间脆弱性可以从两大方面进行测度，即空间敏感性和空间恢复力。由于城市空间脆弱性的定量测度要基于城市地形地貌、土地利用、水体、植被、湿地等生态要素和实体的空间数据进行，本书采用基于GIS空间分析的方法来定量测度城市的空间脆弱性，从而获得空间脆弱性指数（Spatial Vulnerability Index，SVI）。

（1）空间敏感性

空间敏感性是指城市生态空间内的生态实体和生态要素（或称生态因子）对干扰和压力的敏感程度，即生态空间在遇到干扰时出现问题的概率大小，反映了其抵抗干扰的能力，也就是面对干扰和压力的不稳定性和易变性。空间敏感性和常用的生态敏感性具有内涵和意义上的一致性，可以用生态敏感性的理论和方法予以测度。

生态敏感性是评价生态系统健康活力和进行生态功能区划的重要指标。进行生态敏感性评价、研究生态敏感性的区域内部差异、制定生态环境保护规划是解决生态环境问题、维持生态安全、保护生态系统行之有效的方法（欧阳志云等，2000），更能为区域生态环境和社会经济建设提供参考（杨志峰等，2002）。生态敏感区也被称为生态敏感地带，是指对区域总体生态环境状况起主要决定作用的生态要素和生态实体，这些要素和实体对内外因素的干扰具有较强的敏感性，其保护、生长、发育程度决定了区域生态环境的总体状况。生态空间的生态敏感性（空间敏感性）越高，遇到干扰时其稳定性就越容易改变，出现生态环境问题的概率越大，则空间脆弱性也就越高，反之空间脆弱性越低。

生态敏感性评价是把生态规划的思想、理论和方法运用于敏感性评价，就是在综合分析生态因子的基础上，研究生态敏感性的区域内部差异，并对这种差异进行分等定级，从而为合理利用有限的生态空间资源提供依据（宗跃光等，2007），其是进行国土空间分析、评价和规划的一项重要的基础性工作。进入21世纪以来，中国的快速城镇化和工业化引发了建设用地的急剧扩展，对城市和区域的生态平衡造成巨大压力（何书金等，2001），也由此导致了中国城市的脆弱性被严重放大。显然，生态敏感性评价从方法论的角度对城市空间脆弱性的定量测度具有较重要的实用价值。

（2）空间恢复力

空间恢复力是指城市生态空间在被干扰或发生变化后的自我调节与自我恢复的能力，也可称之为空间弹性。与敏感性一样，空间恢复力也是城市生态空间的一个固有属性，类似于物理学中弹性形变的概念。外部干扰给城市生态空间带来了压力，当这种压力在生态空间的恢复力范围内时，则生态空间是安全的，即使发生了变化也能够得到恢复，这好比弹簧被拉伸后又可恢复一样。但当压力超出了生态空间的恢复力阈值范围时，生态空间将发生不可逆转的变化，相应的生态功能将部分或全部丧失，这如同弹簧被拉伸超过了其弹性形变的范围而损坏一样。显然，空间恢复力越好，表明城市生态空间的自我调节和恢复的能力越大，则空间脆弱性越低，反之则空间脆弱性越强。

城市空间脆弱性是空间敏感性和空间恢复力的有机统一，两者缺一都不能完整系统地反映城市空间脆弱性的状况。同时，两者在某些情况下又处于一种对立统一的平衡状态。举例来说，在地形坡度大的地区，降水容易引发水土流失、滑坡、泥石流等自然灾害，空间敏感性大，脆弱性强；但同时降水有利于植被生长，而植被具有较好的固土、固坡和减蚀作用，这将提高该地区的生态恢复能力，从而减轻脆弱性。此时，如果没有人类活动的干扰，该地区的空间敏感性和空间恢复力就能在自然状态下逐渐取得一种相对平衡。因此，单纯以空间敏感性或空间恢复力等同于空间脆弱性是不够科学和严谨的，只有对空间敏感性和空间恢复力都进行评价，才能全面认识和把握城市的空间脆弱性。

在此指出的是，有些研究在生态脆弱性评价中还考虑了生态压力因素（郭晓峰等，2011；裴欢等，2013），通过选择人口密度、人均国内生产总值（GDP）等经济社会发展指标来反映生态环境的压力。其理由是，如果没有外界的干扰，生态环境会向着逐渐稳定的状态演变。此时，人类的经济社会活动对生态系统演变的方向至关重要，不合理的活动就有可能打破生态环境的稳定性进程，从而使生态环境趋于脆弱化，因此，在生态脆弱性评价中要考虑生态压力的影响。

但是，在本书中，“非空间—空间”的分析框架把“人”的层面和“地”的层面进行了区分，因此，上述经济社会发展指标所反映的生态压力在本书中被归入到由“人”的层面构成的城市非空间脆弱性评价中。这样做还有一个优点，即经济社会发展指标都是基于统计数据的属性指标，而空间敏感性和空间恢复力都是由基于地理坐标的空间数据所代表，已有研究把属性数据和空间数据放到一个脆弱性评价系统中，这在数据分析与综合中会带来一些问题。而在本书的“非空间—空间”分析框架中，属性数据属于非空间脆弱性评价，空间数据属于空间脆弱性评价，两者进行了很好的区分，将能使得数据分析与综合更为合理、更有逻辑性，也由此保证了能获得更为精确、科学的测度结果。

综上所述，空间敏感性和空间恢复力是对城市生态空间固有属性的一种客观评价，是建立在不考虑人类经济社会活动影响的前提下，分析城市生态空间发生生态问题的可能性大小、区域范围、程度以及恢复情况。对两者进行综合集成分析，将能全面、客观地评价城市生态空间对外界变化的响应程度，由此实现对城市空间脆弱性的定量测度。

3）方法步骤(www.xing528.com)

本书将以生态规划的奠基人、美国景观规划师麦克哈格所创立的千层饼法（也称之为要素叠加法）为基本依据（McHarg，1969；Steinitz et al，1976）来定量测度城市空间脆弱性。最初的千层饼法都采取人工作图的方式，若涉及的生态因子较多，操作起来就相当繁琐，而且千层饼法忽视了生态因子之间的差异性和重要性等级，因此存在一定的弊端。随着GIS技术的引入，有效克服了传统千层饼法的技术不足，大大推动了生态评价技术的应用和发展，把相关生态评价方法推上了一个新台阶，使其成为现代城市规划、区域规划、旅游规划、资源保护和景观规划等领域中极为重要的分析手段（Jankonwski et al，1994；Malczewski，1999），这也为本书中的城市空间脆弱性定量测度奠定了坚实的技术方法基础。

从定量化的角度来看，城市空间脆弱性指数（SVI）是空间敏感性指数（Spatial Sensitivity Index，SSI）和空间恢复力指数（Spatial Resilience Index，SRI）的函数，公式为

而空间敏感性和空间恢复力又分别是一组生态因子按照一定规则组合后形成的新的评价等级，其基本表达形式可用下式表示：

式中，xi（i＝1，2，3，…，n）是用于评价空间敏感性的一组生态因子；yj（j＝1，2，3，…，n）是用于评价空间恢复力的一组生态因子。目前常用的基本模型是权重修正法，即

式中，S为空间敏感性指数或空间恢复力指数；Xi为生态因子值；Wi为生态因子权重。最终的城市空间脆弱性指数计算公式为

式中，WSS和WSR分别为空间敏感性和空间恢复力的权重。上述定量测度城市空间脆弱性的具体技术方法流程可总结为如图3－6所示。

图3－6　城市空间脆弱性测度方法示意图

根据图3－6可知，基于GIS空间分析的城市空间脆弱性测度的步骤如下：

（1）构建空间敏感性、空间恢复力评价的生态因子体系。空间敏感性的生态因子体系可包括高程、坡度、水体、植被、保护区等城市生态要素和生态实体，空间恢复力的生态因子体系可包括植被覆盖率、生态功能等指标，进而通过对研究区遥感影像的解译得到相应生态因子的空间数据。

（2）每个因子对应GIS中的一个空间数据图层，对其进行不同等级的缓冲区分析，并进行因子内部的敏感性或恢复力等级赋值。评价值一般分5级，用9、7、5、3、1代表敏感性或恢复力的高低，对于划分等级较多的因子，可采用8、6、4、2作为中值。

（3）确定每个因子的权重，可采用多种方法求解因子权重，如前文所述的排序法或AHP。

（4）在GIS平台上对生态因子的空间数据进行空间叠加分析，包括线性加权和叠加计算与逻辑叠加计算两种类型，从而分别得到空间敏感性和空间恢复力的评价结果。

（5）在GIS平台上对空间敏感性和空间恢复力进行线性加权和叠加计算，完成城市空间脆弱性的定量测度，并根据SVI值的大小，对城市空间脆弱性的大小程度进行分等定级，从而划定城市空间脆弱性的等级分区，如低脆弱性分区、较低脆弱性分区、中脆弱性分区、较高脆弱性分区和高脆弱性分区。

这样，基于空间敏感性和空间恢复力并利用GIS的空间分析技术，完成了城市空间脆弱性的定量测度。