基于ISM的城市脆弱性影響因素研究:以日本城市地震救援恢復為例

佘 廉，王光榮，許 晶

(華中科技大學 公共管理學院，武漢430074)

0 引言

脆弱性的概念最初被用于生態(tài)環(huán)境方面，主要指系統(tǒng)對干擾的敏感性以及恢復能力。近年來，脆弱性的概念開始出現(xiàn)在災害學、社會危機和突發(fā)事件的分析中［1］，主要是指在一定社會、經(jīng)濟和文化背景下，孕災環(huán)境區(qū)域內(nèi)特定承災體對某種自然災害表現(xiàn)出的易于受到傷害和損失的性質(zhì)［2］。一些學者認為，脆弱性是決定災害性質(zhì)和強度的基本要素［3-4］。

城市是人口與產(chǎn)業(yè)的主要聚集區(qū)，在自然災害的影響下，其脆弱性更易產(chǎn)生連鎖效應與放大效應，帶來巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失［5］。城市脆弱性關乎自然災害情景下的城市安全，不僅引起了城市管理部門的高度重視，也引起了學術界對城市脆弱性的影響因素、成因機理、表現(xiàn)形式、定量評估和應對措施的大量研究。其中，影響因素研究是評估與減少城市脆弱性的先決條件，也是城市綜合應急管理的基礎性研究。深入研究城市脆弱性的影響因素，理清各因素之間的關系，系統(tǒng)規(guī)劃和管理脆弱性影響因素，對系統(tǒng)認識城市風險、增強城市安全具有理論和實踐意義。

1 城市脆弱性影響因素研究現(xiàn)狀

城市脆弱性是城市系統(tǒng)內(nèi)部的一種固有屬性，敏感性、應對能力與恢復力是其構成要素［1］。敏感性是指城市系統(tǒng)對災害的反應程度或易感程度;抵抗力是指城市系統(tǒng)抵抗和防御各種災害的能力;恢復力則是指城市系統(tǒng)對災害的應急反應處理能力以及從災難中自我恢復的能力［6-7］。城市脆弱性通過氣象、地質(zhì)等自然災害而被揭露，而社會、經(jīng)濟、制度等人文因素又能影響自然致災因子作用于城市的范圍和強度［8］?？偟恼f來，城市脆弱性受到暴露、承災體自身性質(zhì)、社會經(jīng)濟等因素的綜合影響［9］。

目前，國內(nèi)對自然災害情景下城市脆弱性影響因素的研究主要有3類:一是運用統(tǒng)計學的方法對城市宏觀統(tǒng)計指標和自然災害損失進行相關性分析。孫阿麗等采用主成分分析法得出人均產(chǎn)值、居民消費水平、人口密度和地均產(chǎn)值等是影響沿海省區(qū)洪災脆弱性的主要因素［10］。程林選取城市經(jīng)濟社會發(fā)展水平、人口因素、空間布局等19個城市宏觀指標，用AHP法評估了北京等19個城市的脆弱性［11］。二是通過分析城市經(jīng)濟社會系統(tǒng)的內(nèi)在不穩(wěn)定性與缺陷，揭示城市脆弱性的來源。馬穎分析了城市交通生命線系統(tǒng)的脆弱性影響因素［12］。金磊針對城市安全和工程安全規(guī)劃設計所涉及的備災系統(tǒng)，給出了城市基礎設施災害、地質(zhì)災害、城市生態(tài)安全風險等指標［13］。單菁菁指出汶川特大地震中城市水、電、氣等生命線系統(tǒng)及醫(yī)療衛(wèi)生、文化教育等公共服務部門的建設及運行缺乏對災害因素和城市安全的考慮，使得災后的城市運行、組織救援、醫(yī)療救護等功能幾近癱瘓［5］。三是研究城市災害管理體系建設，如風險補償機制在減少城市脆弱性中的作用和效果。城市綜合減災除了需要建設結構性工程設施外，還應完善救災培訓、資源利用規(guī)劃和調(diào)整、災害管理以及減災政策制定等非結構性措施［2］。劉鐵民認為災害監(jiān)測預警系統(tǒng)不完善、安全管理方法落后、法制不夠健全、監(jiān)督檢查不力、公眾風險意識較差等是導致突發(fā)事件頻現(xiàn)的具體原因，大多都可追溯為城市系統(tǒng)脆弱性［14］。

國外對城市脆弱性影響因素的研究主要體現(xiàn)為建立綜合性的指標體系。如聯(lián)合國開發(fā)計劃署等開發(fā)的災害風險指標計劃(DRI)［15］、世界銀行等開發(fā)的涵蓋地震、洪水、滑坡、干旱等多災種的全球熱點計劃(HOTSPOTS)、佛羅里達大學開發(fā)的卡特里娜颶風海岸帶脆弱性評估項目［16］以及Davidson開發(fā)的針對城市物理基礎設施和人口的脆弱性的地震災害風險指數(shù)(EDRI)與針對城市人口、建筑、經(jīng)濟脆弱性的颶風災害風險指數(shù)(HDRI)［17］等。

綜上所述，雖然對自然災害情境下的城市脆弱性影響因素的研究很多，但存在以下問題:對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的相關性分析是對靜態(tài)的統(tǒng)計指標進行分析，有助于發(fā)現(xiàn)關鍵因素，但忽視了各影響因素之間錯綜復雜的關系和相互作用;對城市脆弱性內(nèi)在缺陷及災害管理體系不足的分析能揭示脆弱性的根源及因素之間的關聯(lián)，但往往基于特定視角，得出的結論過于片面。這些不足影響我們認識城市脆弱性影響因素的全貌與層次關系以及內(nèi)部傳導過程?；诖?，本研究將引入系統(tǒng)工程方法，用解釋結構模型對城市脆弱性影響因素進行分析，獲得動態(tài)的、層次分明的全局信息。

2 城市脆弱性影響因素解釋結構模型

解釋結構模型法(interpretative structural modeling，ISM)是由美國J·華費爾特教授開發(fā)的一種結構模型化技術和方法，主要用于復雜的社會經(jīng)濟系統(tǒng)有關問題分析，其具體步驟是:確定系統(tǒng)相關變量，根據(jù)系統(tǒng)要素的鄰接關系，求出要素之間的可達矩陣，將它分離成獨立子系統(tǒng)或分解成有層次的子系統(tǒng)，最后得到的遞階結構模型可以揭示出要素之間的層次關系［18］。

2.1 城市脆弱性影響因素系統(tǒng)拓撲結構圖

將城市脆弱性影響因素集合定義為系統(tǒng)S，各要素對城市脆弱性有正向或負向影響。按照ISM的建模步驟，建立城市脆弱性影響因素解釋結構模型。

城市脆弱性影響因素，按城市的組成要素和維度可分為經(jīng)濟維度、社會維度和自然環(huán)境維度［1］。各維度影響因素眾多，不可能一一列舉，本研究將從城市自然因素、經(jīng)濟因素、社會因素中按照系統(tǒng)性、選擇指標最優(yōu)化等基本原則［19］，選取合并城市脆弱性的影響因素，確定模型相關變量。

影響城市脆弱性的自然環(huán)境因素包括城市形態(tài)(空間布局)、城市規(guī)模、資產(chǎn)密度等［11］。城市規(guī)模的大小、布局的差異、產(chǎn)業(yè)密度在城市遭受突發(fā)事件擾動時對敏感性的貢獻率不同。

另外，影響城市脆弱性的經(jīng)濟因素包括人均產(chǎn)值、地均生產(chǎn)總值、產(chǎn)業(yè)比結構等經(jīng)濟結構指標［10］，政府財政投入、城市居民可支配收入、儲蓄保險［20］、救助體系［11］等用于災害預防、恢復的經(jīng)濟資源狀況指標和受災地區(qū)、受災人群所擁有的各類資源狀況指標［2］。日本在20世紀70年代就開始建立以政府為主導、家庭財產(chǎn)與企業(yè)財產(chǎn)相分離的地震保險制度，地震保險現(xiàn)已成為日本一項重要的地震預防與救災措施［21］。

社會因素對脆弱性影響甚多。一是年齡結構、人口密度、性別比例等人口因素［11］，因人口密度過大而加劇災害損失的案例比比皆是［19］。二是城市水、電、氣、交通、通信等生命線系統(tǒng)與政府機構、醫(yī)療衛(wèi)生、文化教育等公共服務［5］、城市基礎設施的完備程度直接影響災害救援人員及設備到達災害現(xiàn)場的時間、救援活動的實施效率等。三是社會公眾的防災意識與防災知識的普及程度［5］。日本將每年的9月1日定為全國防災日，已持續(xù)50多年從未間斷;防災教育培訓特別強調(diào)女性、兒童、殘疾人等的參與［22］。四是以城市安全為核心的法律法規(guī)體系的完善程度［14］。日本專門制定了包括災害對策基本法、災害預防和防災規(guī)劃相關法等在內(nèi)的5大類、共53部災害對策法律法案［23］。五是防災工程等結構性防減災硬件的整備以及防災教育、救災培訓、應急預案管理、減災政策制定等非結構性措施的實施［2］。在上述研究基礎上綜合遴選，本研究從經(jīng)濟維度、社會維度和自然環(huán)境維度3個維度最終選擇25個影響因素進行城市脆弱性分析(表1)。根據(jù)各因素間的因果、包含等關系，繪制城市脆弱性影響因素系統(tǒng)拓撲結構圖(圖1)。

表1 城市脆弱性影響因素Tab.1 Influential factors of city vulnerability

圖1 影響因素系統(tǒng)結構Fig.1 System structure of influential factors

2.2 鄰接矩陣與可達矩陣

用鄰接矩陣A來表達圖1中的各要素之間的關系。鄰接矩陣是一個布爾矩陣，表示的是各相鄰要素之間的直接關系，這種關系可用“引起”“影響”等因果關系來描述，矩陣中元素aij含義為:

最終得到鄰接矩陣A(矩陣中a，b，c為脆弱性的構成要素:敏感性、抵抗能力、恢復力，下同。):

定義可達矩陣R，可達矩陣中的元素rij表示因素Si能否到達因素Sj，即表示因素Si能否影響因素Sj。一般認為每個因素到它本身也是可達的，因此，對一個n×n的矩陣A，用布爾運算法則計算(A+I)的n次冪，就可得到可達矩陣R。通過MATLAB軟件計算得到基于A的可達矩陣R，如下:

2.3 級間分解

對可達矩陣進行區(qū)域分解和區(qū)域內(nèi)分級，得到因素關系的遞階結構，就是城市脆弱性影響因素的結構模型。具體過程為:設Li為所有可以從要素Si出發(fā)可以到達的要素集合，稱為可達集。Di為所有可以到達Si的要素 集合，稱為先行集。設L0，L1，L2，…，Lk為元素分級集合，k為級數(shù)，令第0級為空集，即L0=φ，按照下面的方法進行循環(huán)運算:Ln={n∈S-L0-L1-…-Ln-1|Li∩Di=Li}，當S-L0-L1-…-Ln-1=φ時，停止運算。

最后分解結果為 S={L1，L2，L3，L4，L5}。將城市脆弱性置為頂上事件，依次畫出各級間元素的關系，就可得到完整的城市脆弱性影響因素解釋結構模型(圖2)。

圖2 城市脆弱性影響因素解釋結構模型Fig.2 ISM of urban vulnerability influential factors

2.4 模型解釋

圖2清晰地顯示了城市脆弱性影響因素的結構和層次關系，考慮到圖中所示連接線的邏輯意義，該圖實際上揭示了影響城市脆弱性的直接因素、間接因素與根本因素的層次脈絡。

L1層可定義為城市脆弱性的指標層，是直接影響城市系統(tǒng)脆弱性的因素。脆弱性的來源有結構和物理脆弱性、功能和經(jīng)濟脆弱性、社會和組織脆弱性之分［24］。城市的地理位置和結構受歷史、地形地貌、資源環(huán)境等多方面因素影響，它決定了暴露于各種自然災害的風險水平和城市在災變擾動的敏感性，城市形態(tài)、城市規(guī)模屬于結構層次的脆弱性。根據(jù)脆弱性評價模型［25］V=R/S(V為大城市脆弱性指數(shù)，S，R分別為敏感性指數(shù)和應對能力指數(shù))，在易災地區(qū)，一方面，經(jīng)濟總量的增加使暴露于自然災害之下的財產(chǎn)比率上升，使得在相同災害水平下財產(chǎn)損失增加，城市敏感性指數(shù)變大;另一方面，城市經(jīng)濟發(fā)展使城市有更多的應急資源用于災害響應救援與恢復重建，增加城市的應對能力指數(shù)。自然災害經(jīng)濟損失絕對量增加與城市應對能力與恢復能力提升是功能和經(jīng)濟脆弱性問題的兩個方面。人類與自然環(huán)境的互動，使得自然災害情景下社會和組織脆弱性表現(xiàn)出動態(tài)性:人口密度、年齡結構等人口學特征直接影響暴露于自然災害之下的敏感性水平;人類的主觀能動性使自身能從頻發(fā)的災害中吸取經(jīng)驗教訓，不斷改善城市整體的安全狀況。加強對災害敏感部門、產(chǎn)業(yè)或地區(qū)的監(jiān)視、防護，能使該區(qū)的社會脆弱性弱化［26］。因此，加強城市的災害管理，制定相關的法律法規(guī)，提高公眾防災救災意識，建立覆蓋面廣的救助體系，將是社會為弱化城市脆弱性進行的有益嘗試。

L2層可定義為城市脆弱性的操作層，是間接影響城市系統(tǒng)脆弱性的因素。城市建設作為一項系統(tǒng)工程需要從不同的學科視角進行綜合考量，優(yōu)化城市的各項功能以及實施完善而具體的防災減災措施能間接提高城市應對災變的防御恢復能力。從人口學的角度出發(fā)，降低人口密度可以分散人群遭受自然災害的風險，降低城市脆弱性;從城市經(jīng)濟運行上看，調(diào)整對自然災害敏感產(chǎn)業(yè)的布局與結構、降低自然災害風險下的資產(chǎn)密度能分散自然災害給城市產(chǎn)業(yè)帶來的風險，居民儲蓄、災害保險、信貸支持等金融活動將重振城市居民的災后恢復能力;就公共管理而言，通過提升基礎設施、建設救援隊伍、配備救援裝備、建設防災工程、改善應急指揮、普及災害教育等措施可以提高城市的災害和風險抵御能力，使脆弱性盡可能降低。

L3與L4層是城市脆弱性影響因素的基礎層，是決定城市系統(tǒng)脆弱性水平的根本因素。城市經(jīng)濟總量居于影響城市脆弱性各影響因素的核心地位。各種自然災害的頻發(fā)侵蝕了大量經(jīng)濟成果，使人類意識到了風險管理的必要性與緊迫性，而經(jīng)濟發(fā)展、應急資源與技術的豐富使得城市減災防災具有了可行性。宏觀上，政府對城市脆弱性體系的財政投入將決定城市面對自然災害等外部擾動下城市整體風險水平;對微觀個人而言，可支配收入也是擺脫災害影響、恢復重建的重要資源。

3 案例分析

日本處于地震頻繁發(fā)生的地帶，一方面，稠密的人口、密集的產(chǎn)業(yè)使城市對地震海嘯更敏感，同時，也給城市帶來相對更為嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。而另一方面，日本城市建立起了世界先進的，集監(jiān)測、預警、救援與災后重建為一體的地震應急管理體系，其抵抗與恢復能力為全世界所稱道。由于本研究建立的城市脆弱性影響因素模型是以共性的、關鍵的影響因素為基準，較少受到地域差異的影響，所以，本研究將以東日本3.11地震海嘯的城市救援復興為例，驗證ISM模型在城市脆弱性影響因素研究中的有效性與自然災害管理的實用價值。

北京時間2011年3月11日下午1時46分，東日本發(fā)生里氏 9.0級地震，震中位于北緯38.1度，東經(jīng)142.6度，震源深度約10 km。隨即引發(fā)了巨大海嘯和福島第一核電站事故。此次地震的能量相當于1995年里氏7.3級阪神大地震的約180倍，大約是超過1.1萬顆廣島原子彈的破壞能力。災區(qū)直接經(jīng)濟損失達約16.9萬億日元(內(nèi)閣府估算)，死亡人數(shù)為15 839人，失蹤人口約3 640人，避難人數(shù)為71 565人。受地震、海嘯、核電站泄漏事故等帶來的復合災害影響前所未有。

日本的地震救援系統(tǒng)建立了從中央到地方的防災應急指揮體系，各級防災應急對策有完善的通訊系統(tǒng)、先進的防災救災綜合軟件系統(tǒng)、暢通的指揮調(diào)度系統(tǒng)、國際現(xiàn)代化的應急指揮手段，建起完善的防災抗災應急通訊網(wǎng)絡;災后制定了由國家統(tǒng)領全局的東日本大地震開放式復興計劃，出臺“東日本大震災復舊復興對策基本法案”等17部相關草案，制定“事業(yè)繼續(xù)計劃”，應用可再生能源與生態(tài)系統(tǒng)實施產(chǎn)業(yè)振興;最后各級財政共斥資15.1萬億日元用于巖宮福三縣震災復舊復興，補償復興費用與其他收入分開管理，各級政府支持企業(yè)進入東北災區(qū)投資興業(yè)等提高城市抵抗能力與恢復力，降低城市脆弱性。結合ISM分析方法，本研究給出了日本3.11地震受災城市脆弱性影響因素的示意圖(圖3)，以佐證本方法的定性研究結論。

圖3 日本3.11地震案例分析Fig.3 A case study of Japan earthquake

4 結語

由于目前人類對諸如地震、海嘯等自然災害的規(guī)律尚未完全掌握，尚不能對這些自然致災因子進行有效控制。因此，努力削減城市的脆弱性將是當前提升城市防災能力、增強城市安全的最直接和最有效的途徑。我國作為自然災害頻發(fā)的國家，日本城市在自然災害預警與應急管理實踐能為改善我國城市脆弱性狀況提供參考借鑒與經(jīng)驗教訓。我國城市災害風險管理要將城市脆弱性ISM模型中的各層影響因素納入其中:首先，要充分考慮防災減災因素，對指標層的各項因素進行科學規(guī)劃，從安全角度選址布局城市功能;其次，需要政府與公眾共同參與，在操作層上建立和完善政府和社會兩個層面的社會安全網(wǎng)絡，政府應盡快建立城市綜合防災減災管理體系，城市社區(qū)要通過教育和培訓提高城市居民應對突發(fā)性災害的自我救助能力，在城市整體和居民個人兩個層次提高抵御自然風險的能力;最后，要科學發(fā)展，強化經(jīng)濟基礎，增加對城市自然風險和災害管理的投入，不斷提高城市居民的生活水平和收入支配能力，最終提高城市系統(tǒng)自然災害抵御能力、應急反應能力和自我恢復能力，達到增強城市綜合防災能力、減少或避免災害發(fā)生的目標。

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