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弗林，c.d.和c.i.戴维森，2016。适应城市雨水管理的社会生态系统框架:采用绿色基础设施的案例。生态和社会21(4): 19。
http://dx.doi.org/10.5751/ES-08756-210419
适应城市雨水管理的社会生态系统框架:采用绿色基础设施的案例
摘要
雨水管理长期以来一直是社区面临的一个重要的社会和环境挑战。越来越多的城市正在转向新的方法，如绿色基础设施，以开发更可持续的雨水管理系统。然而，有必要更好地理解在城市雨水治理系统中导致具体结果的技术决策过程。我们使用社会生态系统(SES)框架构建了一个分类系统，以识别影响与绿色基础设施采用相关的城市雨水治理决策的重要变量。为了适应该框架，我们依靠在全国雨水会议上的观察结果，结合对绿色基础设施采用相关影响因素的系统文献综述。我们讨论了我们对框架的修订，这有助于我们理解市政府采用绿色基础设施的决定。讨论了关于开发城市雨水SES框架作为知识积累和综合的分类工具的剩余研究需求和挑战。介绍
在过去的一个世纪里，由于缺乏综合良好的城市雨水管理战略，留下了一系列环境和社会问题，决策者今天仍在继续应对这些问题。许多发达国家的市政雨水管理计划都倾向于使用灰色基础设施(例如，污水分隔工程、深层储存隧道和区域处理设施)。这些工程解决方案成本高昂，往往需要采用集中的井下传输系统和管端处理，通常需要数年时间才能完成。尽管对雨水基础设施进行了重大投资，但城市地区在管理水流方面仍然面临严重问题，包括洪水、地表水减损和综合下水道溢流(美国环保局2004年，国家研究委员会2009年，Coles等人2012年)。
最近雨水管理方法的进步寻求提高城市供水系统的可持续性。例如，包括绿色基础设施(GI)的雨水系统，也被称为低影响发展，被认为是一种更可持续的方法。GI技术旨在保护或恢复场地的自然水文，通过使用模拟自然水文系统的工程系统捕获雨水量。综合GI项目可以实现多种结果，包括洪水控制、地表水质量改善和水收集，以及一系列其他结果，如生态系统恢复、空气质量改善和城市减热(哈特等人，2004年，维拉雷亚尔等人，2004年，沃尔什等人，2005年，Tzoulas等人，2007年)。然而，GI在为城市实现可持续成果方面存在潜在的实际限制，例如储存和渗透雨水的能力有限。
采用综合GI计划的决定受到一系列复杂的社会和生物物理因素的影响。为了探究这种复杂性，城市水系统可以被理解为一个社会生态系统(SES)，或一个动态系统的集合，通过参与者、机构和水系统(如水源水、地下水、废水和雨水)之间的相互作用共同进化(Berkes et al. 1998, Holling和Gunderson 2002)。城市水系统内的雨水流量和蓄水量代表了公共池资源，因为随着径流流经城市环境，水质和可用蓄水量会减少。这些问题促使公共当局建立与雨水管理相关的各种标准。
城市雨水SESs的一个基本组成部分是技术作为社会和生态结构之间的关键界面的作用，它允许参与者塑造不同的过程，以实现系统功能的结果(Ferguson et al. 2013)。技术还作为社会经济系统的社会和生物物理系统之间的反馈机制。Walker等人(2004)描述了当现有系统的条件被削弱时，SES干预创建新系统的潜力。完全由灰色基础设施组成的雨水管理系统可能导致城市水系统的削弱，因为这些技术系统被认为既不可持续，也没有足够的弹性来适应气候变化，并可能导致不可预见的结果，如高经济成本和环境正义问题(Pahl-Wostl 2007, Novotny等人2010,Dominguez等人2011,Pyke等人2011,Wendel等人2011,De Sousa等人2012)。另外，在雨水管理中广泛使用GI代表了城市水SESs从点源解决方案向分散、系统化技术的转型机会，这也可能为社区带来多重利益(Shuster和Garmestani 2015)。
有必要更容易地将城市雨水SESs的属性和配置与特定结果联系起来，例如综合GI项目的开发。现有的一些框架将SES动力学概念化和操作化，每个框架都可以提供不同类型的诊断见解。因此，分析师必须清楚任何诊断程序的目的和目的，因此，哪个分析框架将支持正在进行的特定程序(Ferguson等人，2013年)。Binder等人(2013)概述了分析SESs的主流框架，并为选择合适的框架提供了指导。研究水系统的学者已经开发了框架，确定了影响其治理的关键过程和结构(Pahl-Wostl等人2010年，Wiek和Larson 2012年)。由于GI代表了许多城市水SESs的一套创新技术，在建立连接条件和治理结果的因果机制之前，有必要首先识别和定义可能被证明在社会-生态相互作用中具有重要意义的属性。提供一个框架来组织和文档SES属性可以提供这个功能。
我们的主要目标是确定具有影响力的SES属性，这些属性与以GI为特色的市政城市雨水项目的开发相关。我们选择SES框架是因为它为定义系统属性和识别与感兴趣的结果相关的属性提供了一种系统和全面的方法(Ostrom 2007, 2009)。许多环境案例研究都应用了SES框架，同时添加或重新定义属性，以最佳地描述感兴趣的SES (Fleischman等人2010,Gutiérrez等人2011,Cinner等人2012,Basurto等人2013,Nagendra和Ostrom 2014, Marshall 2015, Partelow和Boda 2015)。以前还没有进行过这样的努力来评估SES框架对城市雨水管理系统特征的适用性。我们使用定性的方法来识别和定义与市政城市雨水项目中GI最常相关的属性。
方法
对市政城市雨水项目中GI采用相关属性的识别包括几个阶段的数据收集和分析(图1)。探索性工作始于2013年和2014年GI峰会的观察，在峰会上，来自美国市政当局的代表受邀讨论各自社区的GI项目。两次会议的大量现场记录被逐行编码，以确定影响采用市政GI计划决定的因素。生成的代码被分组到分析过程中出现的属性的一般类别中。然后，这些类别被纳入到SES框架中，使用第一和第二层级的修改，如McGinnis和Ostrom(2014)、Epstein等人(2013)和Vogt等人(2015)建议的那样，作为初始框架。
数据收集的另一个阶段包括对在城市雨水系统中采用和实施GI的原始研究成果的文献综述。绿色基础设施、绿色雨水基础设施(GSI)、低影响设计(LID)和最佳管理实践(bmp)是用于各种城市雨水管理技术套件的术语。我们将GI、GSI和LID技术称为“GI”，因为这些术语通常是同义词使用(Fletcher et al. 2014)。使用Scopus、Web of Knowledge和谷歌Scholar进行搜索。文献综述的关键词包括“绿色基础设施”、“低影响发展”、“雨水”和“市政”。对2000年至2015年发表的研究进行了搜索。共审查了135篇文章、论文和报告，以确定它们与影响城市规划中GI技术采用和实施的因素的相关性。排除的原因包括，研究重点是采用雨水以外的水系统(如饮用水、废水)，或在市政雨水管理计划实施的背景之外专门关注GI技术设计属性(如实验结果)。研究不排除在研究设计、讨论的雨水技术的规模或主要设计目标的基础上，也不排除研究的地理位置;然而，大多数研究都是在美国或澳大利亚进行的。 This process resulted in 83 studies that met the criteria, and thus formed the basis of the review.
定性文档分析技术被用来确定因素影响市政GI项目的收集研究。这些方法通常涉及“方案”的开发，对每个分析单元进行测试，并根据结果的质量和可能的效率进行修订(Altheide et al. 2008)。SES框架改编的初始研究阶段作为开始的协议,它包括确定属性相关的胃肠道收养。在分析了文献综述中的每一项研究后，新的发现被组织在方案中。在对所有研究进行分析后，每项研究都进行了第二次审查，以测试该方案。这一过程导致了第二层SES框架属性的添加或重新定义，以及表1所示的新的第三、第四和第五层属性的开发。为每个属性开发了工作定义，并包括在附录1中，以及在文献综述中收集的对添加到SES框架的每个嵌套属性的最高层的说明性研究的至少三次引用。列出的每个属性的引用没有作为确定的权威来源，也没有作为确定该属性的所有研究的全面清单。相反，它们代表了学者们如何在其他研究中应用这一概念的例子。
结果
SES框架将系统属性组织到嵌套层中。为城市雨水管理系统定义的SES框架的第一级属性如图2所示。资源系统(RS)被定义为城市雨水系统;也就是说，由于潮湿天气而产生的水流系统。多组资源单位(俄文)可以被定义在一个城市雨水系统,如单位的雨水或整个系统可用的存储卷雨水。治理系统(GS)包括由国家、州和地方组织商定的一系列管理城市雨水的规则。行动者(A)类包括与城市雨水系统相互作用的个人和团体。可以定义多种类型的参与者，包括参与规则制定过程的个人和团体，以及受雨水管理决策影响的财产所有者。这些类别中的每一个属性都为行动情况提供了输入，行动者之间的相互作用(I)将这些输入转化为各种结果，这些结果可以通过结果标准(O)来衡量。额外的影响在焦点SES属性和相关生态系统(ECO)之间流动;生态规则(ER); and social, economic, and political settings (S).
表1总结了SES框架所做的更改。附录1提供了修改的详细摘要，以及工作定义和说明性参考。因为研究的重点仅仅是与资源管理程序相关的变化，所以研究结果导致了多重治理系统和参与者属性的详细扩展。除了McGinnis和Ostrom等人(2014)和Vogt等人(2015)提出的二级修改之外，RU、ECO、ER和S的属性没有进行修改，尽管其中许多属性对市政雨水管理方案的设计具有直接和重要的影响。对实施各种技术设计的进一步研究可能会更详细地说明这些类别中有影响的属性。
添加了多个第三、第四和第五层变量来描述SES (A9)中参与者可用的雨水管理技术的各种属性，例如研究支持(A9.2)、相关成本(A9.3)和对特定技术的感知(A9.4)。第三、第四和第五层变量与人工建造的设施(RS4)相关，指定了现有和潜在雨水基础设施的类型和功能。与GI技术建设相关的一个显著因素是潜在设施的合适位置的可用性(RS4.1.1)，这通常与其他因素相关，如当地土壤特征(RS8.1) (Shuster et al. 2014)。额外的层允许对组织用于管理GI技术的资源和规则的分类进行详细说明。雨水条例(GS6.1.1)经常成为GI实施的障碍(Nowacek et al. 2003, Lassiter 2007, Stockwell 2009, Dochow 2013)。另一个常见障碍是缺乏足够的项目资金(美国清洁水联盟2011年，Siglin 2012年，Winz等人2014年)，这与规则制定组织可用的经济资源有限(GS5.3)、雨水公用事业资助计划类型(GS6.1.2)和参与者的社会经济属性(A2)有关。研究发现，与雨水资源相互作用并管理雨水资源的参与者的多个属性会影响GI计划的采用，例如政策企业家的领导努力(A5)和政策社区(A5.2)、多参与者知识类型(A7.1)、实验(即技术试点项目)(A3.1)和环境不公正(A3.2)。
讨论
从最广泛的意义上讲，将GI集成到城市雨水管理系统中可以理解为利用现有技术(A9)在扩散位置(RS4.1)上开发人工建造的设施(RS4)来改变城市雨水系统(RS8)的存储特性。在开发这个SES框架时，需要额外的第三、第四和第五层变量来解释影响GI实施的社会和生物物理因素的复杂安排。操作选择规则(GS6.1)，如条例、资助计划和综合管理计划，被发现是最复杂的因素。这些规则往往被相关的SES法规(GS6.1.4)进一步复杂化，如分区、建筑规范和拆除实践(Lassiter 2007, Carter和Fowler 2008, Shuster等人2014)。这些相关的法规通常由不同的组织管理，如果法规是禁止的，可能会对GI的实施造成障碍。包含先验占用原则(GS7.1.1)的产权制度可能限制GI技术的选择(例如，美国西部一些社区的雨水收集系统)(Jensen 2008, Salkin 2009)。
研究发现，资金是最常被引用的GI障碍之一(Godwin等人2008,Roy等人2008,Brown等人2009,Earles等人2009,Ruppert和Clark 2009, Stockwell 2009，清洁水美国联盟2011)，最常与执法机构有限的经济资源(GS5.1.1.2)和缺乏GI的成本效益信息(A9.3)有关。在审查的研究中，雨水管理项目主要由公共组织执行，这些组织选择了雨水管理技术，以符合成本效益的方式达到结果标准。与GI (A9.2.1.2)相关的环境服务，如减少城市热岛效应或促进娱乐机会，被引用为采用的驱动因素，当这些好处是可量化的(Nowacek et al. 2003, Madden 2010)。这表明,很难保持清晰的制度边界在评估胃肠道的市场和非市场价值,因为可能会有额外的好处,胃肠道可以给社区带来雨水管理之外。
由于设计了有效的雨水公用事业资助计划(GS6.1.2)，执法机构的财务问题变得更加复杂。许多资助计划基于城市地块的总不透水面积，因为这一指标经常被用于预测雨水径流造成的地表水损害水平(Booth和Jackson, 1997年，Parikh等人，2005年)。然而，研究表明，将径流通过污水管道直接引入地表水的不透水表面子集(称为直连不透水区或有效不透水区)可能是城市化造成的大部分地表水损害的原因(Brabec等人2002年，Walsh 2004年，Walsh等人2005年，Roy和Shuster 2009年)。因此，基于总不透水面积而不是有效不透水面积的雨水公用事业资助计划可能不会带来预期的SES结果。如果GI的财务信用是根据初始安装计算的一次性信用，而不包括持续的性能和维护标准，或者如果住宅业主不包括在财务激励计划中，公用事业资助计划可能会产生其他限制(Parikh等人，2005年)。
技术属性在SES框架的社会和生态领域都有描述。虽然有人认为没有必要创建一个单独的技术领域(McGinnis和Ostrom 2014)，但我们证明，有必要在城市雨水SESs中更全面地开发技术属性的健壮描述，因为这些属性是社会和生态领域之间的关键反馈机制。从历史上看，城市水体SESs的技术创新已被证明能带来所需的社会和生态制度转变，例如由于接收水体富营养化状态而导致的水媒疾病的减少和藻华频率的降低(Melosi 1999, Smith et al. 1999)。城市水基础设施的选择也可能在长期内导致不可预见的后果。例如，由于成本效益和溢流处理水道的可用性等因素，联合排污系统一度被认为是城市环境中最合适的选择(Tarr 1979)。这些决定给许多社区留下了水污染问题的遗留问题，因为综合污水溢流继续破坏地表水，并对人类健康造成危害(美国环保局2004年，Donovan等人2008年，Gooré Bi等人2015年)。通过在经济系统系统框架内对技术属性进行全面分类，决策者将能够更好地就城市水经济系统预期结果的技术选择作出明智的决策。
虽然在一些二级类别中没有添加额外的特征，如资源单位(RU)和结果标准(O)，但这些类别中的属性对雨水管理技术决策具有重要意义。例如，传统的雨水管理方案是根据城市地区雨水流量的时空分布(RU7)设计的，这将受到当地降水模式变化(RU2)的影响。城市环境中雨水量的时空分布明确了在城市环境中应该考虑哪些技术以及这些技术应该放在哪里(Askarizadeh et al. 2015)。此外,用于选择雨水管理的标准技术,相对成本效益或生态性能等措施,往往会强烈影响执法官员的决策过程(弗林et al . 2014年)。在考虑与特定雨水技术设计或特定结果标准的影响有关的研究问题时，可能需要扩展这些属性类别。
应该注意修改后的框架属性的一些局限性。由于文献中回顾的几个程序都处于开发的早期阶段，因此一些SES框架属性可能只与刚开始的GI实现相关。然而，在更长的时间尺度上分析城市雨水SESs的GI技术可能会导致其他变量产生更大的影响(Brown et al. 2013)。我们回顾的很多研究都依赖于案例研究方法，比如征求特定行为者的看法。因此，列出的一些因素可能与特定的行为者或机构有关，如工程公司、市政官员、开发商或社区居民。更多的研究可以进一步深入了解在特定情况下参与者之间共享的、互补的互动的可能性，从而导致GI项目的成功发展。还需要注意的是，虽然文献综述并不局限于来自特定地理位置的研究，但大多数研究都是在美国或澳大利亚进行的，这两个国家规定了类似的雨水治理结构。在社区雨水治理制度的研究中使用修订的SES框架的研究人员可能需要添加特定属性的更详细的特征描述(如产权系统或集体选择规则)，或者可能需要省略其他属性(如特定的操作规则)。
结论
我们开发了一个改进的SES框架，以识别与广泛使用GI技术的市政城市雨水管理项目开发相关的影响变量的组合。修改SES框架显示需要额外属性层相关变量如可用技术,演员特征和operational-choice规则。我们的研究结果表明，影响城市雨水系统建成结构的变化涉及到一个SES中参与者和治理系统的多个相互作用属性。
我们开发的框架应该被解释为一个灵活的拟议框架，而不是一组与所有城市雨水SES案例相关的确定变量。其他研究强调了在适应的SES框架中特定属性的品质，以探索动态交互和感兴趣的结果(Fleischman等人2010年，Basurto等人2013年，Nagendra和Ostrom 2014年，Leslie等人2015年，Partelow和Boda 2015年)。我们提出的修订框架强调了GI采用的关键因素，可以使用各种理论和模型进一步探索，以评估与寻求采用GI技术的城市雨水SESs相关的成果(Flynn et al. 2014)。层级可以增加或减少，以适应特定的理论和研究问题。
有必要探讨影响在城市雨水SESs中采用特定管理方法的决策的具体的环境因素。城市GI系统的日益普及带来了一个风险，即这些技术将被视为雨水管理的万灵药(Ostrom 2007)。然而，仍然需要对GI技术如何产生特定的SES结果进行更复杂的量化理解。在任何地方，完全绿色或完全灰色的基础设施管理方法都不可能是最佳的。相反，长期的解决办法必须围绕提高对影响城市地区水量和水质的因素的认识，并利用灰色和绿色基础设施的服务和能力。这种理解应包括考虑到某一城市供水系统的独特特征。
致谢
这项工作部分得到了美国国家科学基金会拨款#1444755的支持，城市极端弹性可持续发展研究网络。我们也感谢SURDNA基金会为这项工作的一部分提供资金。我们非常感谢伯内尔·费舍尔博士、杰西卡·沃格特博士以及印第安纳州布卢明顿市印第安纳大学文森特和埃莉诺·奥斯特罗姆政治理论和政策分析研讨班的同事们提供的有益反馈。我们还感谢埃丽诺·奥斯特罗姆的工作。
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