绿色基础设施提升关键基础设施应对极端天气事件韧性：一项系统文献综述

《Sustainable Environment》：The use of green infrastructure to increase the resilience of critical infrastructure to extreme weather events – A systematic literature review

　　

摘要 关键基础设施（CI）免受气候驱动的极端天气影响的需求日益迫切，因为其失效正威胁着公共安全与基本服务。本研究探讨绿色基础设施（GI）在增强关键基础设施系统气候韧性方面的潜力。本研究开展了一项基于PRISMA的系统文献综述，检索了Scopus和Web of Science数据库中的2536条记录，其中21项研究满足全文纳入标准。综合结果表明，将绿色屋顶、雨水花园和透水铺装等绿色基础设施要素与传统工程相结合的混合解决方案，能够显著缓解气候影响，实现温度降低约2°C、径流减少约30%的效果。尽管绿色基础设施提供了重要的生态系统和社会经济协同效益，但其更广泛的推广应用仍受制于资金障碍以及集中于欧洲、北美和亚洲的不均衡地理分布。研究结论表明，将绿色基础设施纳入关键基础设施规划可显著增强各行业的气候韧性。将基于自然的适应措施纳入主流实践，需要标准化的评估指标、加强跨部门应用，并完善国家及国际监管框架内的政策整合。

1. 保护关键基础设施（CI）的相关性

关键基础设施被定义为对社会正常运行至关重要的组织或设施，其失效或受损将导致持续的供应短缺、公共安全重大扰动或其他严重后果。欧盟《关键实体韧性指令》（CER指令，EU/2022/2557）强调，基础设施与行业间日益增长的相互依赖源于联盟内日益跨境和相互依存的、利用关键基础设施提供服务网络。德国识别出十个关键基础设施部门，包括卫生、能源、食品、金融市场、数字基础设施、交通、饮用水和废水、媒体/文化、废弃物和公共行政。极端天气事件的频率和强度因气候变化而加剧，增加了关键基础设施韧性面临的风险。例如，2021年德国强降雨对道路、铁路和桥梁造成严重侵蚀，导致约16.5万人断水、断电或失去移动网络连接。交通中断导致运输成本上升、出行时间延长和社会经济损失，而卫生部门基础设施的受损则扰乱了受灾地区的常规医疗服务，并在随后数月对公共健康产生负面影响。

2. 绿色基础设施（GI）在保护关键基础设施中的作用

欧盟将绿色基础设施定义为“经过战略规划的自然和半自然区域网络，连同其他环境特征，经设计和管理的目的是提供广泛的生态系统服务，同时增强生物多样性”。绿色基础设施包含五个核心要素：战略规划、自然和半自然区域、其他环境特征、生态系统服务的提供以及生物多样性的促进。在城市环境中，地表和三维结构的转换改变了地球表面与近地面大气的相互作用方式，可能导致周边区域因太阳辐射的吸收、储存和反射而过热。过热城市区域对老年人、病患和儿童等群体构成健康风险，且多项研究表明极端气温与较高死亡率之间存在关联。公园和开放绿色空间可通过充当空气通道，将周边冷空气引入城市，从而降低城市内部温度。树木通过提供遮荫、防止阳光直射地表以及通过叶片蒸发冷却和蒸腾作用降低空气温度，多途径改善城市气候条件。然而，德国城市面临日益增长的用地压力，每天约有0.52平方公里的自然区域被转化为密封地表。1881年至2021年间，德国年平均气温已上升1.6°C，高温天数从1950年的3天增至2021年的9天。

3. 研究现状

已有研究表明，绿色基础设施有助于在极端天气事件中保护建筑物。Rehfeldt等人的研究调查了慕尼黑两个社区绿色基础设施对气候韧性的潜力和影响，结果显示绿色屋顶和立面等措施可降低社区局部温度，并减少地表径流。Li等人研究了2022年热浪对英国铁路客运系统的影响，提出了一种利用气候变化研究数据创建网络失效情景和系统扰动的方法，以评估基础设施系统的气候韧性。Stürmer等人通过研究级联效应，考察了德克萨斯州电网对飓风的韧性，并得出结论认为该示意性表示可用于识别值得保护的关键基础设施。为系统评估绿色基础设施对关键基础设施韧性的增强效应，本研究提出三个研究问题：第一，文献中已识别出哪些关于绿色基础设施在极端天气事件中提升关键基础设施韧性的影响的方法和途径？第二，基于自然的解决方案（NBS）在何种程度上被考虑及其重要性如何？第三，在出版物的研究范围中是否存在可识别的地理重点区域，若存在，其具体是什么以及可能的原因是什么？

4. 方法论

本研究遵循Zach提出的五阶段方法论结构开展系统文献综述。初步阶段进行探索性检索以获得现有文献的初步概览。第二阶段使用由多个主题组成部分组成的预定检索字符串进行系统检索，选用Scopus和Web of Science科学数据库，因其具备高级检索和筛选功能、引文追踪功能以及学科专属索引。第三阶段涉及向后检索，检查已识别出版物的参考文献列表以发现额外相关研究。第四阶段评估已识别文献的完整性和相关性。第五阶段系统记录综述过程和所获结果。检索字符串由三个部分和两个附加组件组成，各部分间以“AND”连接，各部分内部以“OR”连接可互换术语。文献筛选按照PRISMA流程图进行，包括去重（455条）、排除不可用文献（333条）、基于标题筛选（排除1667条）、基于摘要筛选（排除60条），最终21篇开放获取文献纳入全文分析。

5. 结果与讨论

5.1 文献中已识别出哪些关于绿色基础设施在极端天气事件中提升关键基础设施韧性的影响的方法和途径？

综述文献中提及的增强关键基础设施韧性的方法多种多样，很少仅基于单一方法。这些方法包括绿色基础设施与技术措施的结合、基于GIS的风险分析、模拟模型、网络分析、经济评估以及不同的规划和适应方法。反复出现的方法是绿色基础设施与技术措施的组合，绿色基础设施通常被视为传统基础设施的补充措施而非替代方案。GIS和其他数字技术被用于识别特别易受极端天气事件影响的区域。模拟和建模方法也被频繁使用，包括ENVI-Met模拟、水动力模拟和系统完整性指数等。网络方法被用于评估关键基础设施系统的韧性。各关键基础设施部门之间的方法存在差异：交通部门研究聚焦于高温对铁路基础设施的影响及适应措施；能源部门研究关注电力系统韧性增强方法和极端天气对电网网络的影响；部分研究侧重于经济、规划和组织层面，包括成本效益分析、Living Labs方法和基于关键性的风险评估方法。

5.2 基于自然的解决方案（NBS）在何种程度上被考虑及其重要性如何？

基于自然的解决方案被认为在气候韧性城市中扮演重要且不可或缺的角色。它们在水资源滞留和提供降温功能方面发挥重要作用，被视为技术保护措施的重要补充。然而，基于自然的解决方案很少被视为保护关键基础设施的独立解决方案，而主要被理解为可减少极端天气事件特定影响的补充措施，同时技术基础设施继续提供所需的可靠性水平。绿色基础设施的另一个积极方面是其社会经济效益，可提升城市公共空间的休闲价值并改善城市居民的生活质量。在沿海等暴露和脆弱地区，红树林或湿地等绿色基础设施保护措施可在抵御极端天气事件的同时促进生物多样性。研究结果表明，基于自然的解决方案的重要性已得到普遍认可，但其在关键基础设施保护中的角色尚未明确定义。

5.3 在出版物的研究范围中是否存在可识别的地理重点区域，若存在，其具体是什么以及可能的原因是什么？

研究区域主要集中在欧洲（英国和德国）、北美（美国）和亚洲（印度尼西亚、伊朗）。德国研究侧重于基于GIS的风险评估和据此制定的城市适应策略；英国研究倾向于关注基于自然的解决方案对关键基础设施的影响，特别是绿色基础设施对铁路交通设施韧性的作用；美国研究主要考察防洪措施的成本效益分析以及现有城市基础设施系统中基于自然的解决方案的实施；印度尼西亚和伊朗的研究强调将绿色基础设施整合到发展中城市所面临的挑战。地理差异和研究区域选择可归因于显著不同的当地气候条件、政治和城市结构及框架条件。在21篇文献中，仅有10篇可确定地理分类，其余文献未指明特定研究区域或涉及通用、跨区域建模。

5.4 综述文献的部门重点领域

在21项综述研究中，交通基础设施是最常被研究的部门，占38.1%，其次是水和洪水管理（28.6%）、跨部门或城市尺度分析（23.8%）和能源部门（9.5%）。值得注意的是，没有纳入的研究明确针对卫生部门。这种部门聚焦可归因于几个驱动因素：交通部门近期反复遭受极端天气事件的严重影响；洪水是最常被研究的极端天气灾害，解释了水相关研究的强势代表；能源部门研究数量有限令人瞩目，现有研究集中于电网对飓风的韧性和级联失效分析；卫生部门研究的缺失凸显了明确的研究空白，特别是医院和护理设施对高温和洪水事件的韧性方面。

5.5 关键发现与局限性的综合

综述结果揭示了四个总体发现。第一，综述文献使用非常不同的方法来研究绿色基础设施的效应和关键基础设施的韧性，这种方法多样性反映了所研究的不同灾害、关键基础设施部门和区域，但绿色基础设施效应与关键基础设施韧性之间的关联仍然有限。第二，基于自然的解决方案和绿色基础设施被一致描述为技术保护的补充措施而非替代方案，表明绿色基础设施的主要潜力在于其与现有基础设施和适应措施的结合，但文献对如何确定不同关键基础设施系统和风险水平下绿色基础设施与技术措施的适当组合提供的证据有限。第三，综述文献表现出强烈的部门集中性，交通基础设施和水相关或洪水管理研究占大多数，而卫生部门未被明确代表，由于关键基础设施系统高度互联，当前研究为理解绿色基础设施如何促进互联关键基础设施系统的韧性提供的依据有限。第四，研究格局在地理上不均衡，可用研究集中于欧洲、北美和亚洲部分地区，而若干区域未被代表，这限制了研究结果的可转移性。

6. 结论

本研究源于关键基础设施系统对气候变化和极端天气事件日益加剧的脆弱性，以及传统工程方法不足以实现长期韧性的日益增长的认识。综合结果表明，将绿色屋顶、透水铺装和雨水花园等绿色基础设施要素与传统技术措施相结合的混合适应策略在缓解气候风险方面非常有效，可实现约2°C的城市降温和约30%的径流减少。主要差距不在于缺乏绿色基础设施可减少环境影响的证据，而在于缺乏将这些减少与关键基础设施韧性可测量改善联系起来的证据。将绿色基础设施纳入主流的关键基础设施保护需要超越孤立的部门应用，转向综合的多部门韧性规划。未来研究应优先发展生态系统服务的标准化量化指标、解决跨部门相互依赖的部门特定风险评估，以及支持大规模实施的健全政策和治理框架。