區(qū)域承災體脆弱性指標體系與精細量化模型研究＊

張 斌,趙前勝,姜瑜君

(1.清華大學公共安全研究中心,北京 100084;2.武漢大學測繪學院,湖北武漢 430079;3.浙江省氣象科學研究所,浙江杭州 310017)

災害(這里指自然災害)是指人類生存、生產環(huán)境因子的異變給人類及其社會帶來的災難[1]。災害中的災害源和承災體是相互關聯(lián)、相輔相成的。災害損失的嚴重程度由致災環(huán)境的危險性、承災體的脆弱性,以及區(qū)域的應急能力決定,大量的災害案例表明承災體的脆弱性是導致災害產生巨大損失的重要原因,基于災前的承災體脆弱性指標的確定則成為區(qū)域減災的首要任務[2]。承災體脆弱性評估指標指導決策部門對區(qū)域規(guī)劃進行宏觀調整,以達到降低可能發(fā)生的災害損失的目的。結合致災環(huán)境的危險性與區(qū)域的應急能力,在橫向比較中確定不同區(qū)域的脆弱性程度,為有關部門合理、公正地進行減災投資提供定量化依據,同時,在縱向比較中通過預測分析揭示社會在發(fā)展或防災減災等管理方面存在或將要出現的問題,既有利于應急管理,也有利于決策部門對下一步經濟發(fā)展布局進行調整,促進其協(xié)調發(fā)展[3]。

承災體脆弱性指各種承災體應對外部致災因子打擊的固有敏感性,通過對承災體脆弱性的分析來反映區(qū)域在遇到災害時可能受到的損失程度[3-12]。目前,在災害學研究中,對脆弱性有多種不同的理解。2004年ISDR將脆弱性定義為“一種狀態(tài),這種狀態(tài)決定于一系列能夠導致社會群體對災害影響的敏感性增加的自然、社會、經濟和環(huán)境因素或者過程”[13]。UNDP將脆弱性界定為“由自然、社會、經濟和環(huán)境等因素而導致的社會群體的一種狀態(tài)和過程,決定了群體受害的可能性和受害程度”[14-16]。葛全勝等(2008)給出了以下定義:承災體在面對潛在的災害致災因子危險性時,由于自然、社會、經濟和環(huán)境等因素的作用,所表現出來的物理暴露性、應對外部打擊的固有敏感性及與承災體相伴的人類防抗風險的能力[5]。本文更傾向于ISDR(2004)年的觀點,承災體脆弱性是指一定社會政治、經濟、文化背景下,區(qū)域容易受到傷害或損傷的程度大小,也就是承災體對災害的暴露程度、敏感性等,某孕災環(huán)境區(qū)域內特定承災體對某種致災因子表現出的易于受到傷害和損失的性質。這種性質是區(qū)域自然孕災環(huán)境與各種人類活動相互作用的綜合產物。本文綜合考慮人口、經濟、土地利用類型等脆弱性衡量因素。

1 自然災害承災體脆弱性因素分析

承災體脆弱性受承災體的暴露程度、應對打擊的敏感性、結構性脆弱,以及社會經濟因素的影響有不同的表現形式。

1.1 暴露程度

承災體的暴露是指暴露在致災因子影響范圍之內的承災體(如人口、房屋、道路、室內財產等)數量或者價值,它是災害風險存在的必要條件,承災體的暴露取決于致災因子的危險性和區(qū)域內承災體總量。暴露既是脆弱性的表現形式,又是脆弱性的影響因素。暴露使得承災體的脆弱性發(fā)生變化,在易受災地區(qū),暴露于災害的人口和財產的比例上升,是災害損失增加的一個重要原因。暴露是以社會和物質生活的地理分布以及人們集中活動的地點來描述的?？梢允羌彝?、工廠、道路、水域、生命線系統(tǒng)、農田、經濟作物等各種類型。

1.2 敏感性

承災體敏感性是指由承災體本身的物理特性決定的接受一定強度的打擊后受到損失的難易程度,是由承災體自身性質決定的脆弱性。比如,不同要素如溫度、降水、風、水陸接觸在界面處形成的水平梯度較大的區(qū)域,要素變化急劇,對人類活動干擾非常敏感,系統(tǒng)表現出內在的脆弱性。再如老人、孩子、殘疾者,或正在從其他災害中恢復的人,對各種災害的抗御能力顯著地低于正常人,而在各種災害中成為主要的受害者。某些類型的植被在干旱、炎熱的天氣下常常容易發(fā)生火災;某些土地類型易受臺風、暴雨等災害的打擊;木質房屋在地震后易發(fā)生火災等次生災害等等。

1.3 結構性脆弱

結構性脆弱與社會不利條件有關,諸如沒有土地,城市過分擁擠,缺乏接受培訓和教育的機會,沒有高收入的工作及利用各種資源和服務的權力等。這種脆弱性產生于社會生活結構,而不是致災條件或偶然變化。從某種程度上說,財富與安全成正比相關。因為充足的資金為防災減災投入提供了保障。發(fā)達國家可以依靠先進的科學技術、雄厚的資金,修建一系列現代化的防災減災設施,將人員傷亡降低到最低。盡管他們的財產損失絕對值巨大,但相對于其國民生產總值來說只占很小比例,因而具有很強的恢復力。貧窮落后地區(qū)則相反,即存在脆弱性“綜合癥”現象。

1.4 社會-經濟因素

在社會-經濟因素方面,承災體脆弱性具體因素可以分為人口、社會經濟、居民建筑物及農業(yè)經濟用地、公共基礎設施等幾個方面:

(1)人口

城市人口眾多,密度較大,因而災害造成的人員傷亡的人數和比例都遠遠超過了農村。另外,對于漸發(fā)性災害(如干旱),人在災害中的敏感性主要通過人體的忍耐力表現;對于突發(fā)性災害,因其持續(xù)時間相對較短,人在這種災害中的敏感性主要取決于應急自救的能力。

(2)經濟密度

經濟的高速發(fā)展,既帶來社會的進步、人類對自然環(huán)境改造的能力、人類物質和生活條件的改善,同時也造成人口不斷增長和膨脹、資源的大量消耗、環(huán)境的污染、自然生態(tài)環(huán)境的破壞,造成城市承災能力降低。值得指出的是,城市的經濟社會條件是一把雙刃劍,一方面,社會財富的集中會加劇城市的災害損失,另一方面,充足的財源有利于改善社會的防災減災體制,增強社會的防災減災能力。這里從經濟密度增加承災體脆弱性方面討論經濟因素,認為區(qū)域經濟密度越高,在同等致災因子條件下,受災地區(qū)的社會財富越多越集中,災害損失的絕對值就大。

(3)居民建筑物及農業(yè)經濟用地

居民建筑物是城市災害的主要承災體。城市的建筑物數量越多,密度越大,所造成的損失就可能越大。發(fā)生某種災害后,極易造成連續(xù)多家住戶遭受損失的后果。對于地震災害來說,建筑密度大,城市空曠地帶少,也會給地震后的人員疏散和安置問題帶來不利影響。農業(yè)經濟用地的類型很大程度了決定了針對某種特定災害的易損情況。比如,低溫災害對果園、茶葉用地的打擊尤為明顯,臺風災害對魚塘、大棚等用地的打擊明顯。

(4)公共基礎設施

公共基礎設施是指交通、供水、供電、供氣等與城市運轉緊密相關的系統(tǒng)工程。這些系統(tǒng)一旦遭到破壞,不僅會導致系統(tǒng)本身的破壞,還會引起次生災害,加重災害的程度。基礎設施在災后的完善程度,對于災后的救護和城市功能的恢復發(fā)揮著重要作用。例如,交通系統(tǒng)的完善對于區(qū)域疏散起到非常關鍵的作用,一般災害發(fā)生或者在預報狀態(tài)下將要發(fā)生,那么對于疏散轉移來說路網疏散難易程度對于生命財產的轉移都是非常重要的;另外完善的交通系統(tǒng)能夠使救災物資及時地被運往災區(qū),保證醫(yī)療、救助和搶險的順利進行,從而可以大大縮短災后的恢復時間,降低災害損失。

2 自然災害承災體綜合脆弱性評價指標選取

根據以上對自然災害承災體脆弱性因素分析,區(qū)域承災體綜合脆弱性指標選取如下所示。

2.1 人口密度指數

區(qū)域人口密度指數計算公式為:

式中:POP為區(qū)域內人口總數;S為區(qū)域總面積(km2)。人口密度指數越高,說明人群越容易受到災害影響,承災體風險水平越高。

2.2 人口年齡結構指數

人口年齡結構指數計算公式為:

式中:Pvul(age)為區(qū)域人口體能指數;POPelder為區(qū)域內老年(≥65歲)人口數;POPchild為區(qū)域內兒童(≤14歲)人口數;POP為區(qū)域人口總人數。人口年齡結構指數越高,說明該區(qū)域人口中老年人和兒童所占比例越高,他們的承災能力就越差。

2.3 經濟密度指數

區(qū)域經濟密度指數計算公式為:

式中:GDP為區(qū)域內經濟總量;S為區(qū)域總面積(km2)。經濟密度指數越高,說明區(qū)域越容易受到災害影響,承災體脆弱性就越高,但是經濟密度在災害防御能力中起到正面的降低風險的作用。

2.4 建筑物密度指數

建筑物密度指數計算公式為:

式中:Sh為區(qū)域內建筑物總面積;S為區(qū)域總面積(km2)。建筑密度指數越高,其承災能力越差,越容易受到損害。

2.5 公路敏感性指數

公路的敏感性主要表現為路基和路面抵抗各種外部沖擊力、抗冰凍等的能力,這與公路的等級密切相關,高速公路抵抗能力最強,其次為國道、省道……因此可以采用公路等級作為其敏感性指標。對于某一個評估單元而言,內部一般具有多種等級的公路,可以采用低等級公路長度占公路總長度的比例作為公路的敏感性指標,數值越大表示公路敏感性越高,越容易受到損失,其計算公式如下:

式中:Klow和K分別為被評估區(qū)域的低等級公路(三級以下)長度和各級公路的總長度。

2.6 生命線工程密度指數

對于一個評估單元而言,內部生命線(水、電、氣、熱)越密集,相對來說該區(qū)域的生命線越脆弱,計算公式如下:

式中:Llength和Sarea分別為區(qū)域內生命線的總長度和區(qū)域總面積。

2.7 區(qū)域疏散脆弱性指數

區(qū)域疏散脆弱性指數通過區(qū)域路網和人口密度來體現,區(qū)域內路網越發(fā)達、人口密度越低則疏散能力越強。區(qū)域疏散脆弱性指數計算公式如下:

式中:i為區(qū)域內道路的等級;Llength為區(qū)域內某等級道路的長度;POPd為區(qū)域內人口密度;S為區(qū)域總面積(km2)。

2.8 精細化土地類型易損指數

地物作為災害的主要承災對象,其不同的類型針對不同的災害具有不同程度的易損性。其易損指數計算公式如下:

式中:某區(qū)域內存在n種地物類型;kn為第n種地物針對某一災害類型易損系數;Sn表示第n種地物在區(qū)域內的面積;S表示區(qū)域總面積(km2)。

3 基于精細網格的承災體綜合脆弱性量化計算模型

承災體脆弱性量化是在建立各指標評定標準的基礎上,根據指標值確定出區(qū)域在該指標方面的脆弱性量化程度。目前,隨著承災體脆弱性研究的深入,脆弱性評價或計算方法也日益多樣化、復雜化。承災體脆弱性評價不僅要對評價區(qū)域的脆弱性程度給出科學合理的度量,同時還要將這種定量評價轉化為指導實踐的有用信息傳達給決策者。這就要求評價者必須要在數據的轉換和評價結果的解釋之間作到合理的平衡。此外,承災體脆弱性評價的客體都是具有動態(tài)開放性的多結構、多層次、多形態(tài)的高度復雜的系統(tǒng),但脆弱性評價不能面面俱到,需要抓住復雜系統(tǒng)脆弱性產生的關鍵過程。

近幾年來,隨著GIS技術的日益普及和完善,應用GIS技術評估自然災害承災體脆弱性已呈上升趨勢。圖層疊置法就是基于GIS技術發(fā)展起來的一種脆弱性評價方法,其思路是將脆弱性構成要素圖層間的疊置[5]。這種方法能夠反映區(qū)域災害承災體脆弱性的空間差異,還能反映區(qū)域受災害影響的風險性、敏感性等的空間差異。本文在GIS平臺上,將所有的數據落實到1 km×1 km的格網上進行處理(圖1)。承災體脆弱性以100 m×100 m網格為單元進行計算量化。以浙江省德清縣自然災害區(qū)劃為例進行試驗。

圖1 落實到1 km×1 km的格網的土地利用類型數據

選取2007、2008年德清縣各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口數據,各經濟產業(yè)數據、建筑物、道路、生命線,以及選取德清精細化土地利用類型,根據土地利用類型數據來量化區(qū)域承災體的脆弱性。土地利用類型數據包含21種:21林地、22灌木林地、23疏林地、24其他林地、31高覆蓋草地、32中覆蓋草地、33低覆蓋草地、41河渠、42湖泊、43水庫、51城鎮(zhèn)用地、52居民用地、53工交建設用地、66裸巖、111山區(qū)水田、112丘陵水田、113平原水田、121山區(qū)旱地、122丘陵旱地、123平原旱地(以上數字為類型代碼)。根據土地利用類型的一級分類標準以及德清的實際情況,將以上分為居民用地(52、53)、城鎮(zhèn)用地(51)、水域(41、42、43)、旱地(121、122、123)、林地(21、22、23、24)、草地(31、32、33)、水田(111、112、113)。下面就將上述指標中的精細化土地類型易損指數做個量化計算。

在自然災害中,針對不同的災害類型,不同的土地利用類型很大程度上決定了其承災體脆弱性的程度。在德清縣區(qū)域內,定義某土地類型針對某一災害的最大值潛在易損性為1,其最小值潛在易損性為0(表1),不同土地類型針對不同災害的潛在易損性因子。

表1 不同土地類型針對不同災害的潛在易損性因子

如圖2所示,研究區(qū)域按照土地利用類型可劃分為多個多邊形區(qū)域,各區(qū)的屬性信息見圖例。現將研究區(qū)域劃分為1 km×1 km的格網狀區(qū)域。不可避免地,網格化后得到的格網區(qū)域可能有落在多個源區(qū)域的情況。目前,我們采用面積權重內插法來實現最大限度地合理推定這些格網區(qū)域上的屬性值(可通過一定的線性規(guī)則轉化為該格網區(qū)域的承災體脆弱程度)。此方法根據規(guī)則格網區(qū)域內各源區(qū)域所占面積的百分比來確定格網區(qū)域的屬性數值。主要步驟如下:①找出落在各個規(guī)則格網區(qū)域上的源區(qū)域;②確定各個源區(qū)域與規(guī)則格網區(qū)域相交部分的面積,并計算其占格網區(qū)域面積的百分比;③按照面積比例的多少來分配屬性值。

圖2 德清縣某一區(qū)域的1 km×1 km的格網的土地利用類型圖

圖3為一個格網單位,A、B、C、D為此格網內的土地利用類型。由表1得,針對某一種特定災害而言,不同土地利用類型的相應潛在易損性因子為IA、IB、IC、ID。格網中A、B、C、D的面積為SA、SB、SC、SD。其單元格網內的精細化土地類型易損指數量化值(I)可表達為:

圖3 單個格網類型示意圖

以臺風災害為例,計算其I值。圖4中,字段“typh”為針對臺風災害的值。

圖4 針對臺風災害的精細化土地類型易損指數量化值(“typh”字段)

圖5 德清縣針對臺風災害承災體脆弱性分布圖

以上計算得出了針對臺風災害的精細化土地類型易損指數量化值Kland(見式(8)),同理,其他的承災體脆弱性指標如人口(Pd)、經濟(Ed)、建筑物(Hd)、道路(Rvul)、區(qū)域疏散(Ev)等也按照類似的網格化思路求得。最后,求得針對臺風災害區(qū)域承災體綜合脆弱性指濟、建筑物、道路、區(qū)域疏散、土地利用類型等的脆弱性指數,xn表示各種指數構成承災體綜合脆弱性指數的權重)。將綜合指數據落實到格網中心點上,根據三次樣條函數插值為100 m×100 m網格距的柵格分布圖,進而得出整個德清區(qū)域的針對臺風災害的承災體綜合脆弱性空間分布(圖5)。

4 小結

本文認為承災體脆弱性評估應從單個災種的評估入手,在對單個災種的區(qū)域承災體脆弱性有了一個較精細認識的基礎上,再選用復雜的評估方法進行整體的分析。由于承災體脆弱性概念的模糊性及脆弱系統(tǒng)的復雜性,脆弱性評估方法的研究進展緩慢,使脆弱性研究在實踐中的應用受到限制。本文提出精細化土地類型易損指數以及基于GIS精細化網格的指數量化模型,在浙江德清災害規(guī)劃、嘉興災害規(guī)劃的實際應用中取得良好的效果。另外,在以后的研究中,希望在多個系統(tǒng)耦合中的承災體脆弱性、在不同尺度的承災體脆弱性等方面進一步深入。

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