韌性視角下的城市區(qū)域洪澇承災(zāi)能力評估方法研究

宋英華 施申亮

(1.武漢理工大學(xué)中國應(yīng)急管理研究中心 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院 武漢 430070)

0 引言

自21世紀(jì)以來，全球變暖造成海平面不斷上升，極端天氣頻發(fā)，城鎮(zhèn)化建設(shè)和城市人口增加，導(dǎo)致城市內(nèi)澇嚴(yán)重、損失慘重，評估城市對洪澇災(zāi)害的承災(zāi)能力對完善城市建設(shè)、做好防范應(yīng)對具有積極意義。

目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對于城市區(qū)域洪澇災(zāi)害相關(guān)的研究，主要集中在洪澇災(zāi)害致災(zāi)因素、承災(zāi)體和風(fēng)險評價等方面。2009年，BALICA S F等[1]首次提出以指標(biāo)計算洪水脆弱性指數(shù)，評估在不同空間尺度(流域、子流域和城市地區(qū))影響洪水損害的條件。HALLEGATTE S等[2]從人口和資產(chǎn)的增長、氣候的變化以及海平面的下降來探索沿海城市的洪澇風(fēng)險。2002年，劉蘭芳等[3]依據(jù)長時間序列的氣象資料和經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)研究，認(rèn)為洪澇是自然驅(qū)動力和人為驅(qū)動力在特定時空條件下耦合的產(chǎn)物，第一次從數(shù)據(jù)統(tǒng)計出發(fā)，奠定了運用大數(shù)據(jù)研究洪澇災(zāi)害的基礎(chǔ)。盧雪翠等[4]以證據(jù)權(quán)重法評估洪澇災(zāi)害風(fēng)險。徐宗學(xué)等[5]、李世豪[6]從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體等方面，對城市洪澇災(zāi)害的形成機理進(jìn)行了研究。雖然這些研究為防范城市區(qū)域洪澇災(zāi)害提供了寶貴了思路和方法，然而沒有從韌性的理論和視角來探索和研究城市區(qū)域的洪澇災(zāi)害。韌性建設(shè)旨在使人居環(huán)境在重重挑戰(zhàn)和危機中，從容面對各種變化，保持自身發(fā)展活力，實現(xiàn)空間可持續(xù)發(fā)展[7]。韌性理論逐漸成為當(dāng)前研究城市災(zāi)害方面的重要方法，因此為了更好的從本質(zhì)上防控城市區(qū)域的洪澇風(fēng)險，需要從韌性理論層面對城市區(qū)域的洪澇風(fēng)險開展相關(guān)研究。本文從韌性理論出發(fā)，以城市區(qū)域洪澇災(zāi)害為研究對象，綜合考慮了自然地理條件、城市建設(shè)程度和社會應(yīng)急管理等方面的因素，構(gòu)建洪澇災(zāi)害承災(zāi)能力評價指標(biāo)體系和評價模型，進(jìn)而來研究分析城市區(qū)域洪澇災(zāi)害的承災(zāi)能力，為城市區(qū)域洪澇災(zāi)害的預(yù)防和控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 韌性理論下的評價體系構(gòu)建

城市韌性可以認(rèn)為是系統(tǒng)提升適應(yīng)性并不斷適應(yīng)風(fēng)險與擾動的過程。在這一過程中系統(tǒng)經(jīng)歷了從風(fēng)險沖擊后維持自身穩(wěn)定再到迅速穩(wěn)定，甚至將危機轉(zhuǎn)化為機遇，實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展等的不同階段。參考陳丹羽[8]對城市系統(tǒng)受沖擊的過程曲線研究以及洪澇災(zāi)害的時間階段特點，將城市洪澇承災(zāi)能力分成4個層面，分別為抵抗力、承受力、恢復(fù)力、學(xué)習(xí)力。由于影響城市洪澇承災(zāi)能力的因素有很多，評價指標(biāo)的選取成為了韌性視角下城市洪澇承災(zāi)能力評價的關(guān)鍵所在。本文通過研究城市區(qū)域洪澇災(zāi)害的大量事例，發(fā)現(xiàn)影響城市區(qū)域洪澇承災(zāi)能力的因素不僅是自然地理條件，還有城市建設(shè)程度和災(zāi)后應(yīng)急救援能力等多維度因素。因此，本文從城市區(qū)域洪澇災(zāi)害的事例研究，結(jié)合前人學(xué)者對洪澇韌性評價指標(biāo)的研究，統(tǒng)計得到影響城市區(qū)域洪澇承災(zāi)能力的31個主要影響因素，剔除了導(dǎo)致洪澇災(zāi)害較小和伴隨其他因素而發(fā)生的因素，篩選得到了26個因素作為評價城市區(qū)域洪澇承災(zāi)能力的指標(biāo)，如圖1所示。其中人口密度為中間型指標(biāo)，經(jīng)查閱資料取中間值為15 000；老齡化人口比例、年降水量、建成區(qū)面積占城市面積比重、與長江漢水邊界線接壤長度占總邊界線比例，這4個指標(biāo)為負(fù)向型指標(biāo)。

圖1 評價指標(biāo)體系

2 洪澇災(zāi)害承災(zāi)能力評價模型的構(gòu)建

TOPSIS法是一種常用的組內(nèi)綜合評估方法，能充分利用原始數(shù)據(jù)的信息，其核心思想是通過計算評價對象與最優(yōu)解和最劣解的距離進(jìn)行評價對象的優(yōu)劣排序。在TOPSIS法中，權(quán)重的確定對于評價結(jié)果的合理性具有重要的影響，因此筆者采用熵權(quán)法對評價指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)[9]。通過熵權(quán)法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重，運用優(yōu)劣解距離得出城市區(qū)域洪澇承災(zāi)能力與理想能力的接近度，實行對城市洪澇承災(zāi)能力的客觀評價。

2.1 構(gòu)造原始洪澇承災(zāi)能力評價矩陣

設(shè)參與評價洪澇承災(zāi)能力的城市區(qū)域有n個，評價的指標(biāo)m個，構(gòu)造原始洪澇承災(zāi)能力評價矩陣A:

(1)

2.2 洪澇承災(zāi)能力評價指標(biāo)正向化

由于洪澇承災(zāi)能力評估的指標(biāo)類型不一樣，需要將所有的指標(biāo)進(jìn)行正向化處理，即統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為洪澇承災(zāi)能力極大型指標(biāo)。極大型(效益型)指標(biāo)特點越大越好，極小型(成本型)指標(biāo)特點越小越好，中間型指標(biāo)特點越接近某個值越好。設(shè){xi}是一組洪澇承災(zāi)能力評估指標(biāo)。

極小型指標(biāo)轉(zhuǎn)化為極大型指標(biāo)公式：

(2)

中間型指標(biāo)轉(zhuǎn)化為極大型指標(biāo)公式：設(shè)最佳的數(shù)據(jù)為xbest(指該指標(biāo)中最符合現(xiàn)實科學(xué)規(guī)律的數(shù)值)，那么正向化的公式如下：

(3)

正向化后得到洪澇承災(zāi)能力評估矩陣X:

X=(xij)n×m

(4)

2.3 構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化洪澇承災(zāi)能力評價矩陣

為了消除不同指標(biāo)量綱的影響，將正向化后的矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，記標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣為洪澇承災(zāi)能力評估Z，Z中每一個元素為：

(5)

即(每一個元素/根號下所在列元素的平方和)得到標(biāo)準(zhǔn)化洪澇承災(zāi)能力評估矩陣Z：

(6)

2.4 指標(biāo)權(quán)重的確定

熵權(quán)法是一種基于數(shù)據(jù)內(nèi)部信息的客觀權(quán)重計算方法，首先計算概率矩陣P,其中P中每一個元素為：

(7)

然后計算每一個指標(biāo)的信息熵，對于第j個洪澇承災(zāi)能力評估指標(biāo)而言，其信息熵為：

(8)

定義信息效用值為dj：

dj=1-ej

(9)

那么信息效用值越大，其對應(yīng)的信息就越多。將信息效用值進(jìn)行歸一化，就能得到每個洪澇承災(zāi)能力評估指標(biāo)的熵權(quán)Wj：

(10)

2.5 基于熵權(quán)的洪澇承災(zāi)能力評估矩陣的構(gòu)建

將由信息熵得到的權(quán)重向量W=(W1,W2，…，Wm)與標(biāo)準(zhǔn)化洪澇承災(zāi)能力評估矩陣Z相乘，得到熵權(quán)的洪澇承災(zāi)能力評估矩陣T:

(11)

其中:tik表示第k個評價指標(biāo)對第i個城市區(qū)域洪澇承災(zāi)能力的加權(quán)值，tik=Wkzik，WK表示第k個洪澇承災(zāi)能力評估指標(biāo)權(quán)重。

2.6 正負(fù)理想解的確定

正理想解是評價數(shù)據(jù)中第i個洪澇承災(zāi)能力的指標(biāo)對第j個行政區(qū)中的最偏好的點，也就是最大值記為T+,負(fù)理想解是評價數(shù)據(jù)中第i個指標(biāo)對第j個行政區(qū)中最不偏好的點，也就是最小值記為T-。計算公式如下：

(12)

(13)

2.7 城區(qū)洪澇承災(zāi)能力與理想能力接近度的計算

(14)

(15)

(16)

(17)

3 實例分析

3.1 研究對象選取

選取武漢市作為研究對象，武漢市位于湖北省東部、長江與漢水交匯處，下轄13個行政區(qū)。武漢市江河縱橫、湖泊眾多，形成湖沼水網(wǎng)。每年的6—8月是武漢降雨集中期，約占全年降雨量40%，也是武漢城市內(nèi)澇的多發(fā)期，嚴(yán)重影響居民的正常生活。

3.2 指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取

(1)x1至x18指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于《武漢市2019年統(tǒng)計年鑒》、武漢市各區(qū)的統(tǒng)計年鑒、百度百科，2018年度《中國主要城市道路網(wǎng)密度監(jiān)測報告》、《2018年武漢人口老齡化形勢白皮書》以及武漢市政府的年度報告。

(2)x19至x26指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于問卷調(diào)查打分。每個問題的分制設(shè)為10分，6分為對該指標(biāo)基本認(rèn)可，8分為對該指標(biāo)的充分認(rèn)可。發(fā)放數(shù)據(jù)問卷400份，回收數(shù)據(jù)問卷328份，其中43份數(shù)據(jù)問卷數(shù)據(jù)不足、數(shù)據(jù)異常，最終得到285份數(shù)據(jù)問卷。

3.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)式(7)—(10)與洪澇災(zāi)害承災(zāi)能力評價模型，得到武漢市城區(qū)洪澇承災(zāi)能力評價指標(biāo)綜合權(quán)重。見表1，并且對各個層面的指標(biāo)求和，得到各層面承災(zāi)能力指標(biāo)權(quán)重。由表1可以看出對于城市洪澇災(zāi)害來說，其抵抗力和承受力所占整個城區(qū)洪澇承災(zāi)的權(quán)重較大，即城區(qū)所自有的抵御洪災(zāi)和承受洪災(zāi)的能力十分重要。

表1 城區(qū)洪澇承災(zāi)能力評價指標(biāo)綜合權(quán)重

3.4 洪澇承災(zāi)能力的計算

根據(jù)表1的權(quán)重值，結(jié)合式(12)—(17)計算得到武漢市各行政區(qū)洪澇韌性評估值，并對其進(jìn)行了排序，見表2。按照城市區(qū)域洪澇承災(zāi)能力與理想能力的接近度的大小對各城市區(qū)域承災(zāi)能力進(jìn)行分級，分級原則見表3。根據(jù)表3的分級原則，得到城市區(qū)域洪澇承災(zāi)能力為弱的有2個區(qū)域，分別為江漢區(qū)、漢陽區(qū)；較弱的有3個區(qū)域，分別為東西湖區(qū)、硚口區(qū)、漢南區(qū)；處于洪澇承災(zāi)能力強的有江夏區(qū)和黃陂區(qū)2個區(qū)域。同時根據(jù)接近度Si的值繪制武漢各行政區(qū)洪澇承災(zāi)能力圖，見圖2。

表2 武漢市各行政區(qū)洪澇承災(zāi)能力與理想能力接近度

表3 城市區(qū)域洪澇承災(zāi)能力分級原則

圖2 武漢市各區(qū)洪澇承災(zāi)能力

3.5 各行政區(qū)各層面洪澇承災(zāi)能力

用同樣的方法，即基于熵權(quán)的TOPSIS法計算出各行政區(qū)的洪澇層次韌性值，即武漢市各行政區(qū)抵抗力、承受力、恢復(fù)力、學(xué)習(xí)力。通過ARCGIS繪制，見圖3?？梢钥闯龈鞒菂^(qū)抵抗力變化較小，恢復(fù)力變化較大；對于洪澇承災(zāi)能力較弱的江漢區(qū)和漢陽區(qū)，其主要原因是抵抗力和承受力較弱。其次，各層面洪澇承災(zāi)能力在一定程度上反映了各行政區(qū)在面對洪澇災(zāi)害的薄弱環(huán)節(jié)，為城市區(qū)域洪澇承災(zāi)能力的提升提供方法和依據(jù)。

圖3 各層面洪澇承災(zāi)能力

3.6 不同城市區(qū)域洪澇承災(zāi)能力級別的應(yīng)對策略

對于分析和計算的不同級別洪澇承災(zāi)能力的區(qū)域，結(jié)合各層面的洪澇承災(zāi)能力和其具體指標(biāo)，給出相應(yīng)的應(yīng)對改進(jìn)策略，供決策者參考，見圖4。

圖4 不同洪澇承災(zāi)能力級別的應(yīng)對策略

4 結(jié)論

(1)利用熵權(quán)法和TOPSIS法對城市區(qū)域洪澇承災(zāi)能力進(jìn)行評估，該方法通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計和數(shù)據(jù)的變異程度確定了評估指標(biāo)權(quán)重，有效的克服了評估指標(biāo)權(quán)重主觀性問題。

(2)在選取武漢市作為研究對象時發(fā)現(xiàn)，江漢區(qū)和漢陽區(qū)作為武漢市經(jīng)濟繁榮和人口集中的地區(qū)，其洪澇承災(zāi)能力較弱，而發(fā)展程度較弱的江夏區(qū)和黃陂區(qū)洪澇承災(zāi)能力較強。由此，建議城市經(jīng)濟建設(shè)與洪澇承災(zāi)能力的增強要統(tǒng)籌兼顧，協(xié)調(diào)發(fā)展。

(3)運用構(gòu)建的洪澇承災(zāi)能力評估指標(biāo)體系和評價模型對武漢市洪澇承災(zāi)能力進(jìn)行了評估，同時，根據(jù)不同洪澇承災(zāi)能力，給出了不同洪澇承災(zāi)能力級別的應(yīng)對策略，為決策者提供參考。