重大疫情下城市脆弱性及规划应对研究框架

　【摘要】新冠肺炎疫情导致城市脆弱性暴露无遗。提高城市抵御灾害能力是城市规划的基本职责，此次疫情致灾的规划应对成效需要及时总结。文献调查发现：基于健康灾害的城市脆弱性理论及规划实践研究，国内外可资借鉴的学术成果十分缺乏，急需建立研究框架。本文由此提出的研究框架聚焦探索疫情扩散条件下的城市脆弱性空间响应规律，运用城市规划、预防医学等知识开展交叉学科研究，借助 GIS、空间图谱、元胞自动机、血清流行病学调查等技术手段，探讨城市重大疫情与脆弱性的空间相互作用关系。总体思路上，研究从疫情扩散和城市脆弱性两个方面，分别建立疫情传播网格动力学模拟模型和城市脆弱性空间图谱模型，通过对两者进行空间耦合，描述其耦合机理、揭示其耦合规律，据此制订规划应对疫情的技术调控策略。期望研究结果有利于丰富完善综合防灾减灾规划理论，有利于保障城市安全，有利于建设“健康安全”人居环境。

　【关键词】重大疫情；城市脆弱性；空间图谱；空间耦合；规划应对 RESEARCH FRAMEWORK OF CITY VULNERABILITY AND PLANNING RESPONSE IN THE OUTBREAK OF MAJOR EPIDEMICS ABSTRACT：City vulnerability was completely unmasked during the COVID-19 epidemic. It is the basic responsibility of city planning to improve the ability of cities to resist disasters. The results of planning response to this epidemic should be summarized in time. Literature review shows that the academic

　studies regarding city vulnerability theory and planning practice based on the health hazard are rare both in China and abroad, which thus calls for the establishment of research frameworks. The framework proposed in this paper focuses on exploring the spatial response law of city vulnerability in the context of epidemic spread. Using GIS, spatial map, cellular automata, seroepidemiological survey, and other technical approaches, the paper carries out an interdisciplinary research involving the knowledge of city planning and preventive medicine and studies the spatial interactive relationship between major epidemics and city vulnerability. From the two perspectives of epidemic spread and city vulnerability, the paper establishes the grid dynamic simulation model of epidemic spread and the spatial map model of city vulnerability respectively, carries out spatial coupling of the two models, and then describes the coupling mechanism and reveals the coupling law. On such a basis, the technical regulation and control strategies for planning response to epidemics are accordingly formulated. It is expected that the research findings can enrich and improve the comprehensive disaster prevention and mitigation planning theory, safeguard the cities, and building the “healthy and safe” human settlements.

　KEYWORDS：major epidemics; city vulnerability; spatial map; spatial coupling; planning response

　新冠肺炎(COVID-19)疫情演化为世界性重大公共卫生事件，给人类社会带来巨大健康灾难。疫情导致武汉等多座国内外城市运行一度“停摆”，表明城市规划应对健康灾害的实践成效问题不容忽视；重大疫情导致城市脆弱性暴露无遗①，而文献调查未发现相关研究成果报道，证明城市规划应对健康风险的理论认识问题亟待解决。疫病的发生、传播和防控都与空间密切相关，城市规划以统筹空间组织为核心使命，揭示疫病致灾背景下城市脆弱性的空间响应规律具有重要的理论创新价值；据此构建基于重大疫情的规划应对研究框架、探寻规划技术方法，更好地发挥规划抵御健康灾害的作用，对保障城市安全、建设“健康安全”人居环境具有急迫的现实指导意义。

　1

　相关研究回顾 1.1

　疫情传播

　疫情传播研究属于流行病学范畴，体系较为完善，一般通过建立疫情传播模型来研究传染病流行规律、预测时空流行趋势、制定防控策略。传播模型大致分为 3 类：单一群体模型、复合群体模型和微观个体模型。单一群体模型从宏观角度描述易感者、感染者等各类人群数量的变化，应用最广泛的是仓室模型，经典的仓室模型是 SIR 模型，由柯马克(Kermack)等人在 1927年提出[1]。其他学者在 SIR 模型基础上采用不同仓室设置、综合考虑人口动力学因素等发展出 SI、SIS、SIRS、SEIR、MSEIR、SEQIJR 等模型。通过分析模型推导出基本再生数 R0 和仿真模拟不同防控措施下的疾病流行趋势，有助于防控策略的制定和干预措施的效果评估。复合群体模型将人群划分为多个子群体，子群体之间因人员移动传播，适合研究具有空间异质性的跨地区传染病传播问题。微观个体模型出发点是个体状态和行为，所有个体形成接触网络，有理想网络和现实网络两个研究方向[2]，理想网络关注接触网络特性对传染病传播动力学的影响，现实网络致力于揭示社会接触的实际特征，构建足够真实的模拟网络，研究传染病的传播[3]。有学者借助元胞自动机(Cellular Automata)模拟传染病传播的复杂过程[4-6]，如余雷等以“非典”传播过程为例成功进行了北京的疫情模拟，得到与实际数据相一致的结果，证明其在疫情空间传播模拟方面具有可行性[7]。

　此次新冠肺炎疫情发生后，国内外学者沿用了上述模型原理和方法，但更多凭借互联网、大数据等技术手段，实现了疫情扩

　散时间和空间演化分布趋势的快速模拟预测。如香港大学梁卓伟教授(Gabriel M Leung)研究团队根据现有扩散病例数量，借助官方航空航班预定数据和腾讯数据库人员流动数据，及时预测了国内和全球流行病的公共卫生风险程度[8]。

　1.2

　脆弱性 脆弱性概念最早起源于自然灾害领域，1945 年美国地理学家怀特(White)针对洪水灾害首先开展脆弱性研究[9]。最初脆弱性定义与“风险”概念相似，指系统暴露于不利影响或遭受损害的可能性②③。半个世纪后脆弱性逐渐发展为跨学科、多尺度的研究主题，变成暴露性、敏感性、适应性和恢复力等概念集合[10]。目前，学术界没有统一的“脆弱性”定义，国内外比较权威的是IPCC(2001)《气候变化 2001：影响、适应和脆弱性》报告中的定义[11]，“脆弱性指系统易受或没有能力应对气候变化不利影响的程度，包括多变的和极端的气候情形，是气候变化特征、变化幅度和变化速率的函数，表征系统暴露在此条件下的敏感性和适应能力”[12]。国内脆弱性研究起始于 1951 年，区至培分析了美国战争经济的脆弱性[13]；1980 年代研究热点转向气候变化和生态环境，主要集中在灾害学和生态学两大学科领域[14]；进入 21 世纪后开始关注特定区域社会、人口、资源、贫困、经济、城市等脆弱性问题，对脆弱性概念、研究方法和研究内容等做了比较全面的总结，脆弱性逐渐扩展到经济学、社会学和管理学等

　领域，成为风险评估的重要组成部分和衡量地区未来发展规划的依据。

　1.3

　城市脆弱性 城市脆弱性属于较新的研究方向，由于视角不同，概念也不尽相同，学者往往从自然灾害[15]、城市经济系统[16]、社会系统[17]、生态系统[18]等角度对其进行定义。国外关注外部环境影响的城市脆弱性分析，遵循“概念内涵—分析框架[19]—定量测度”的研究脉络[20]，已有的分析框架包括：风险-灾害分析框架(RH)[21]、压力释放分析框架(PAR)[22]、地方灾害脆弱性分析框架[23]、人-环境耦合系统分析模型[24]、MOVE 框架[25]、UPE框架[26]、全球气候变化角度的脆弱性分析框架等[27]。定量测度基本模式为，首先构建测度指标体系，然后运用数学方法对指标进行赋值处理得到脆弱性指数，根据指数值判断城市脆弱性大小。已有城市脆弱性指数计算方法包括线性加权求和法、函数模型法、集对分析法[28]、数据包络分析法[29]、情景分析法、GIS图层叠加法等[20]。

　国内更多在生态环境和自然灾害的脆弱性评估基础上研究城市脆弱性[20]，也有学者关注城市脆弱性的动态演化和综合调控[30-32]。近 20 年来出现从城市系统的角度开展脆弱性研究[33-34]。

　城市脆弱性研究起步较晚，发展迅速，但针对城市安全风险预警的应用研究较少[35]，而尚未发现基于疫病致灾因子的城市脆弱性研究。基于文中文献研究的脆弱性和城市脆弱性概念，本文所称重大疫情下城市脆弱性特指在传染病致灾条件下，城市“自然-社会”系统抵抗重大疫情干扰时表现出的敏感性和缺乏抵抗力而造成的系统结构和功能容易发生改变的一种属性。

　1.4

　防灾减灾规划 1950 年，美国制定了第一部防灾计划，随后建立起以 FEMA为核心的灾害防治管理体系，包含规划编制、实施、监督、评估、更新，并将其纳入城市规划体系，在规划编制之前需先进行灾害辨识、脆弱性评估、防灾目标确立等工作[36]。

　在日本，防灾是城市规划的三大职能之一，防灾规划是有着与城市规划同等地位和法律效力的综合性规划，形成了“灾害评估-预防计划-应急对策”三位一体的循环危机管理模式[37]，注重防灾工作的系统性、综合性，不仅强调防灾物质基础设施的安排，更注重整个地域综合防灾系统的建设、软实力的提升[38]。

　进入 21 世纪以来，我国各地灾害频发，不少学者在城市防灾基本概念、编制方法[39-42]、空间体系[43-45]、国内外比较[46]、建设模式[47]、困境与出路[48]、规划对策[49]等方面开展了创新性研究，致灾因子考虑了地震、火灾、洪水、风灾、地质

　破坏等，实践中分别针对这五大类灾害编制防灾减灾专项规划，另有专门的人防专项规划，其主要内容纳入了城市总体规划。

　1.5

　问题辨识 针对疫病致灾背景下城市抵御灾害的脆弱性研究，国内外可资借鉴的直接理论成果十分缺乏，未见具有可操作性的规划实践应用研究成果[20]；基于重大疫情空间传播的城市脆弱性相关领域研究处于空白状态；传染病疫情在防灾减灾规划和医疗卫生专项规划中少有涉及，相关的公共卫生安全专项规划缺失[50]，更鲜有成功的实践案例。为充实防灾减灾规划理论体系，急需从空间视角开展应对重大疫情传播的规划基础理论与方法研究。

　 2

　总体研究思路 基于疫情扩散与城市脆弱性所反映出的空间特征，以疫病致灾的城市脆弱性空间响应为研究内容，重点运用城市规划学与预防医学相关理论、方法和成果进行交叉学科探索，应用流行病学、灾害学、地理学、数学等学科知识，借助 GIS、空间图谱、元胞自动机、血清流行病学调查等技术手段，探讨城市重大疫情与脆

　弱性的空间相互作用关系及规划应对策略，促进“健康安全”人居环境建设。研究框架总体思路见图 1。

　▲ 图 1

　研究框架总体思路示意 Fig.1 Research framework 如图 1 所示：研究框架一方面通过血清流行病学调查辨识重大疫情传播的时空特征，构建疫情扩散网格动力学模拟模型，奠定规划应对重大疫情研究的时空情景基础；另一方面，建构重大

　疫情下城市脆弱性评价体系及空间图谱模型，为重大疫情传播与城市脆弱性空间耦合模型建构提供城市空间图谱数据；在此基础上，对上述两个模型进行空间耦合，描述其耦合机理，揭示其耦合规律；最后据此形成城市协同应对重大疫情的规划调控技术方法。以下分别加以叙述。

　 3

　重大疫情传播时空模型模拟 疫情传播具有时间和空间两个维度，寻找不同时间点的空间分布特征和规律是建立与城市脆弱性空间相关性的基础。元胞自动机具备独特的自下而上、由局部到整体的建模方式和强大的并行计算能力，有空间特征的系统动态演变分析的优势，可模拟复杂系统的时空演化过程，从传染病的传播速度、空间范围、传播途径、动力学机理等方面建立重大疫情传播的时空模型。

　具体而言，假设重大疫情在某座城市突发而呈现出混沌状态，发挥 SEIR 等模型预测疫情传播趋势的优势，引入疫情传播因子，运用元胞自动机探索主要空间、传播途径、地理特征表达，进行面向不同重大疫情的自适应元胞自动机转换规则设计，模拟不同种类传染病的传播空间描述；再利用已有的新冠肺炎和甲型

　H1N1 流感等数据样本，结合开源时空大数据和历史区际人口流动数据，进行元胞的疫情空间传播模型仿真评估及参数调优，提高其性能、可用性和准确性；最后根据元胞自动机的动力学原理，建立基于重大疫情传播的城际时空相互作用网格动力学模拟模型，寻找重大疫情传播扩散时空规律，为规划应对重大疫情研究奠定时空情景基础[51-52]。

　4

　城市脆弱性评价体系

　及空间图谱建构 4.1

　建立城市脆弱性理论框架及评价体系 评价体系的建立是脆弱性评价和空间图谱建构的基础。基于传染病致灾条件下城市抵抗重大疫情干扰所呈现的脆弱性这一演进过程，辨析城市“自然-社会”系统抵御重大疫情灾害能力的影响要素，建立重大疫情影响下城市脆弱性评价理论框架，为整个研究奠定理论基础。据此构建多因素、多层次的疫病致灾城市脆弱性评价指标体系，初步构想如下：将突发重大疫情影响城市脆弱性(Y)的 4 个要素设定为一级指标，包括易受攻击程度(X1)、敏感程度(X2)、应对能力(X3)和恢复能力(X4)，函数关系为

　Y=f(X1，X2，X3，X4)；根据国土空间规划编制所涉及的城市基础信息，将城市这一极其复杂的系统归纳为自然资源、生态环境、经济水平、社会发展 4 个子系统，并将其作为城市脆弱性评价的二级指标，均分别对应于 4 个一级指标；二级指标由相关三级指标构成，如社会发展脆弱性下可能包括人类发展指数、基础设施脆弱性指数、传染病传播指数等；每个三级指标由若干个可以量化的四级指标构成，如人类发展指数指标包含平均寿命指数(LEI)、教育指数(EI)等；传染病传播指数包含扩散强度、续发率、代间距等，由此形成“4+4+N+n”的 4 级城市脆弱性测度模型评价指标体系④。在此基础上，运用德尔菲法(专家评价法)、层次分析法(AHP)、熵权法等方法计算城市脆弱性相关指标权 重[53-54]，参考城市脆弱性综合测度计量模型[55]对数据进行标准化处理，建立疫病致灾的城市脆弱性测度模型，形成城市脆弱性评价体系。在现场踏勘和资料收集基础上，借助大数据支撑将模型应用于所研究城市，进行应对重大疫情的脆弱性测度计算。

　4.2

　识别城市脆弱性空间图谱 城市脆弱性的空间表达及其规律探索是重大疫情传播与城市脆弱性空间耦合机理探寻的基础。图谱理论根据图论和组合数学方法研究图的结构性质及其与图的其他属性(如色度、形状、连通度)之间的关系，引入临接矩阵、关联矩阵、距离矩阵、拉普拉斯矩阵等数学概念后，图的性质可以通过这些矩阵的特征值

　加以描述和刻画，从而将复杂的空间问题转化为抽象的数理问题，基于图谱理论几何空间结构变换的核聚类算法，进一步将该理论的应用向大规模数据分类处理领域拓展[56-65]，其理论框架和技术方法有助于深化对城市脆弱性空间属性的认识，对重大疫情影响下城市脆弱性空间图谱识别具有直接参考价值。

　通过对城市(城市群)开展大数据调查并补充现场踏勘资料，收集每个城市与脆弱性相关的年鉴数据和规划资料，应用上述城市脆弱性测度模型对城市脆弱性进行测度计算，形成评价结果；根据图谱理论建立城市脆弱性空间图谱数据库，运用类型学方法，探寻各城市脆弱性空间图谱结构特征，定义特征向量，以此来抽象表达空间图谱，并对空间图谱的识别、解析进行聚类分析，建立不同类别的城市脆弱性空间图谱与不同特征样本之间的对应关系，构建城市脆弱性空间图谱模型，为重大疫情传播与城市脆弱性空间耦合模型的建立提供城市空间图谱数据基础。

　5

　城市重大疫情传播

　与脆弱性空间耦合机理分析

　城市重大疫情传播与脆弱性空间耦合的机理分析和规律探寻是规划技术调控及策略制定的科学依据。空间耦合涉及众多参数，具有偶然性和不确定性，表现在一是疫情发生时间、空间、状态都离散，疫情传播状态在时空改变上呈现出随机性；二是自然资源、生态环境、经济水平、社会发展等因素的差异性使每个城市在面对疫情时的易受攻击程度、敏感程度、应对能力和恢复能力都不相同，导致在预测重大疫情突发时城市脆弱性各因素响应及其相互影响具有模糊性；三是各城市的规划及实施数据样本的数量可能不足或质量缺损，以及样本之间空间相似性、自组织性都会造成分形的不确定性。

　地理图像信息模型是在地形模型、物理模型、数学模型基础上提出的一种新模型，该模型可基于独立变量将数理方程与数理统计结合起来，从而反映灰色和模糊问题的客观规律及其成因关系。

　根据上述图谱理论和地理图像信息模型，针对所涉及自然资源、生态环境、经济水平、社会发展等因子无量纲限制、并允许开放地选择自变量的特点，希望在流行病学、数学、计算机科学、地理学与城市规划学科交叉领域探寻出新理论或新方法，应用前述重大疫情传播空间网格动力学模拟模型和城市脆弱性空间图谱模型，探讨两者的空间耦合规律及其与各因子的数理关系，提

　取城市脆弱性空间图谱中的优化基因，建立疫情传播与城市脆弱性的空间耦合模型。

　在此基础上，将空间图谱由形象表达转换为抽象表达，并在抽象空间里探寻数理关系，以此研究空间耦合的一般规律；通过样本关联抽象城市空间图谱与具象的样本属性，将重大疫情传播空间和城市脆弱性空间特征与对应的属性指标联系起来，将抽象表达还原到形象空间，在图谱理论支撑下，探究重大疫情下城市(城市群)系统脆弱性各影响因素相互联系、相互作用的原理和运行规则，寻找出这些因素对空间耦合的影响程度和方向，确定关键影响因子，最终寻找、发现空间耦合机理，为探讨应对重大疫情的规划调控技术方法提供理论支撑。

　 6

　应对疫情的规划调控策略探讨 在上述理论研究支撑下，提出国土空间规划改革及编制过程中城市(城市群)协同应对重大疫情的规划技术调控策略，以健全完善综合防灾减灾规划体系，科学弥补设施短板，增强城市、区域协同防灾(疫)能力。包括但不限于：

　(1) 城际协同防疫规划：针对城市群之间因规模大、密度高而疫情防控难度大的问题，通过调控城市群地区城市规模、空间结构和人口密度，构建城市群安全合理的疫病救灾空间格局，建立防疫信息城际共享平台，以实现各城市之间、城市各部门之间的信息传递和共享，促进防疫工作合作、协同开展。

　(2) 城市防疫专项规划：针对重大疫情致灾给城市规划理论和实践带来的巨大挑战，将城市应急预留空间纳入规划建设用地分类标准，确保诸如武汉火神山、雷神山医院用地的及时并合理、合规、合法供给；加强与城市绿地系统专项规划的技术协同，规划设计有利于城市通风的用地布局结构，缓解城市脆弱性短板效应；建构完善的绿色交通设施和应对机制，保障疫情发生时城市充足的生活物资、医疗物资供给，建构城市抗击疫情的绿色生命通道[65]；研究编制重大疫情定点救治、隔离的设施配置规划，确定医院的救治、隔离空间布局与既有公共设施改造，建立紧急医疗设备储备库，实现疫病救治的针对性、时效性和可实施性。

　(3) 平灾(疫)结合的空间布局及设施配置：针对重大疫情导致城市运行“停摆”现象，调配交通物流、大数据等基础设施和医疗、防疫等公共服务设施配置与城镇体系空间布局相适应，实现横向区域协同，城际分工协作、联防联控，纵向“区域—城—镇—村”合理配置，强化城市-社区公共卫生安全的保障；按照平灾(疫)结合的原则调整相关设施规划技术标准和规范，满足体育场

　馆、会展中心等设施及附属空间改造为如方舱医院时的应急功能需要。

　(4) 多灾种规划技术协同：针对多灾种综合风险评估中存在的忽略灾害间相互作用、对城市用地规划指导不足的问题，应用上述理论，进一步探讨地震、火灾、洪水等灾种致灾因子与城市脆弱性的关系，分别建立空间耦合模型，分析耦合机理，探寻关键影响要素及其作用方式，提出基于多灾种的空间脆弱性评估方法及城市用地协同规划技术，为多种灾害影响地区防灾减灾规划提供理论与技术支撑。

　7

　结语 以上从重大疫情防控视角对城市脆弱性及规划应对问题研究框架的建构进行了阐述，主要内容可以总结归纳为图 2。

　 ▲ 图 2

　重大疫情视角下的城市脆弱性及规划应对研究框架

　Fig.2 Research framework for city vulnerability and planning response from the perspective of major epidemics 人类文明的进程始终伴随着人类与瘟疫之间的斗争，传染病防控的初衷和行动是建立公共卫生体制和开展现代城市规划活动的开端⑤。新冠肺炎疫情全球扩散，再次给人类社会生命财产造成惨重损失。城市在抵御疫情灾害时暴露出的脆弱性再次表明：传染病疫情防控必须尽快纳入以统筹空间组织为己任的城市规划并实施严格的规划管控，相关理论研究必须及时跟进。通过揭示疫病致灾背景下城市脆弱性的空间响应规律，基于城市重大疫情传播与脆弱性空间耦合机理提出城市规划调控应对技术的研究框架，即是为此目的而建立。随着后续工作的展开，该框架还会进一步充实完善，期望研究成果能够为丰富综合防灾减灾规划和空间规划治理体系提供新的研究视角和方法，为“健康安全”的人居环境建设实践提供理论与技术支撑。

　释 注释 ① 本文重大疫情特指诸如新冠肺炎这种传染性疾病造成的突发重大公共卫生事件，表现为疫情在人群中迅速、大面积传播，并且严重危害公共健康、生命安全和经济发展。

　② 风险的含义是未来结果的不确定性或损失，即发生不幸事件的概率，早期的脆弱性概念与之相关，并与自然灾害研究中的风险概念相似，指系统暴露于不利影响或遭受损害的可能性(Cutter，1993)。随着研究的开展，脆弱性概念和内涵得到丰富和拓展，逐渐演变成暴露、敏感性、适应性和恢复力(韧性)的集合概念(Adger，2006；刘燕华等，2007)，以及系统对扰动的敏感性和缺乏抵抗力而造成的系统结构和功能容易发生改变的一种属性(李鹤等，2008)。

　③ “韧性”(resilience)是与“脆弱性”内涵有交叉而各有侧重的概念，两者都是系统自身的属性，先于干扰或暴露程度而存在，但是又与干扰或暴露程度的特征相关。韧性是系统在不同吸引域内的一种状态转换，而脆弱性倾向于指系统在同一稳定结构模式内的结构变化(方修琦等，2007)。各领域所指的韧性，多侧重于系统“吸收”和“适应”破坏性事件的能力，而“恢复”则被认为是韧性的关键部分(黄晓军等，2015)。

　④ 基于对脆弱性概念的一般认知，即反映系统易受攻击程度、敏感程度、应对能力、恢复能力 4 个方面，设立疫病致灾城市脆弱性一级指标；当重大疫情发生时，各二级指标状况分别反映在每个一级指标上，与城市脆弱性有负相关关系，例如，针对一级指标易受攻击程度，一个城市自然资源越贫乏，或者生态环境承载力越低，或者经济水平越落后，或者社会发展越滞

　后，其遭受疫情攻击的程度就越高，脆弱性就越突显，反之亦然；三级指标是二级指标概念的外延，二者是从属关系，如三级指标传染病传播指数从一方面反映了社会发展程度；同理，每个三级指标也由若干个可以量化的四级指标构成。

　⑤ 世界第一部《公共卫生法》于 1848 年在英国诞生，规定了城市内卫生设施和住宅最低建设水准，改善自 14 世纪始即在包含英国在内的欧洲人口稠密地区城市造成大规模伤亡的传染病蔓延现象，1909 年，英国颁布了第一部《住宅与城市规划诸法》，城市规划正式成为政府管理职能，现代城市规划体系随之建立。

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