基于云物元的老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)*

李昌順，周科平，林 允

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

0 引言

社區(qū)是城市的重要組成部分，承載居民生產(chǎn)生活等重要功能。隨著我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，部分社區(qū)建設(shè)時(shí)間久遠(yuǎn)，呈現(xiàn)出基礎(chǔ)設(shè)施老化、配套服務(wù)缺失等問題，對(duì)居民生活安全產(chǎn)生直接威脅[1]。全國各地極端惡劣天氣頻發(fā)，對(duì)城市尤其是老舊社區(qū)帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)。其中，以“小雨濕鞋、中雨積水、大雨內(nèi)澇”為代表的城市老舊社區(qū)水系統(tǒng)問題是重點(diǎn)問題之一。2016年2月，我國老舊社區(qū)改造工作正式啟動(dòng)，盡管目前已形成一定的可復(fù)制經(jīng)驗(yàn)，但在實(shí)際推進(jìn)過程中也暴露出改造工作系統(tǒng)性不足、個(gè)性化不強(qiáng)、可持續(xù)性不長、居民滿意度不高等問題，這與對(duì)老舊社區(qū)脆弱性現(xiàn)狀認(rèn)識(shí)不夠全面、評(píng)價(jià)不夠精準(zhǔn)有直接關(guān)系。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)展開一定研究。1)基于歷史災(zāi)情的評(píng)價(jià)方法，該方法基于對(duì)歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)的歸納分析，準(zhǔn)確識(shí)別致災(zāi)因子，確定歷史人員或財(cái)產(chǎn)損失率，進(jìn)而估算不同程度災(zāi)害下的損失情況；王豫燕等[2]、張馨仁等[3]通過分析歷史暴雨洪澇災(zāi)情數(shù)據(jù)構(gòu)建脆弱性曲線，展開脆弱性評(píng)價(jià)。2)基于指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)方法，其核心是建立脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)不同原則選取合適指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)和數(shù)據(jù)處理，劃分脆弱性等級(jí)構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，并計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)脆弱性等級(jí)的隸屬度，常見評(píng)價(jià)模型包括逼近理想排序法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,TOPSIS)、Z-numbers模糊數(shù)評(píng)價(jià)體系、壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure-State-Response,PSR)模型、層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)、熵權(quán)法、對(duì)抗交叉評(píng)價(jià)方法等[4-10]。3)基于情景模擬的評(píng)價(jià)方法，該方法一般借助地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)、暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model,SWMM)、流域水文模型、MIKE軟件等三維地質(zhì)或水文水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)內(nèi)澇情景進(jìn)行可視化模擬，評(píng)價(jià)不同災(zāi)害情景下的脆弱性程度[11-13]。上述研究主要從城市全局視角展開，難以細(xì)化到社區(qū)尺度，無法對(duì)社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和評(píng)價(jià)。同時(shí)，內(nèi)澇災(zāi)害致災(zāi)因子自身模糊性與不確定性、內(nèi)澇災(zāi)害防治與老舊社區(qū)改造之間的矛盾沖突問題也沒有得到有效解決。

因此，本文擬結(jié)合老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性特征，通過AHP-熵權(quán)法建立老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用可拓物元分析理論對(duì)老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并借助云模型對(duì)可拓物元評(píng)價(jià)進(jìn)行改進(jìn)，以期建立基于云物元的老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)模型。研究結(jié)果可為老舊社區(qū)適災(zāi)化和海綿化改造提供依據(jù)。

1 老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系確定

自然災(zāi)害脆弱性與致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性和承災(zāi)體易損性密切相關(guān)。因此，通過結(jié)合自然災(zāi)害相關(guān)理論，并遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、獨(dú)立性和易獲取性原則，在文獻(xiàn)研究和實(shí)地調(diào)研基礎(chǔ)上邀請(qǐng)8名相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?，采用德爾菲法識(shí)別并確定老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)相關(guān)指標(biāo)，建立老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。同時(shí)，參照《中華人民共和國防汛條例》(2011年1月8日修正版)、《防汛搶險(xiǎn)技術(shù)手冊(cè)》以及各地防汛應(yīng)急預(yù)案，分析中國地面氣象站數(shù)據(jù)集和2016—2020年國家與地方統(tǒng)計(jì)年鑒。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范得到各指標(biāo)在不同脆弱性等級(jí)下的參考范圍，見表1。

表1 老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

在老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成顯著影響，因此，本文運(yùn)用層次分析法獲取主觀權(quán)重，運(yùn)用熵權(quán)法獲取客觀權(quán)重，通過加法合成法獲得各指標(biāo)的組合權(quán)重。

1)主觀權(quán)重確定

結(jié)合表1及專家打分，按照1～9標(biāo)度法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較構(gòu)造判斷矩陣，并進(jìn)行歸一化處理，如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

式中：Mi為判斷矩陣每行元素的乘積；aij為所屬判斷矩陣中第i行第j列元素；Wi為Mi的n次方根；n為判斷矩陣階數(shù)；Wi為判斷矩陣的特征向量。

權(quán)重向量如式(3)所示：

(3)

計(jì)算判斷矩陣A的特征向量和最大特征根如式(4)～(5)所示：

(4)

(5)

式中：λ為判斷矩陣的特征根；λmax為判斷矩陣的最大特征根；(AW)i為向量AW的第i個(gè)元素。

對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，如式(6)～(7)所示：

CR=CI/RI

(6)

(7)

式中：CR為判斷矩陣隨機(jī)一致性比率；CI為判斷矩陣一般一致性指標(biāo)；RI為判斷矩陣平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

當(dāng)CR<0.1，判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn)，各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重合理，可得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重。

2)客觀權(quán)重確定

首先，根據(jù)專家打分結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理并計(jì)算信息熵，如式(8)～(10)所示：

(8)

(9)

(10)

式中：Yij和pij為專家打分結(jié)果判斷矩陣的歸一化過程值；Hi為信息熵。

計(jì)算指標(biāo)層和準(zhǔn)則層的客觀權(quán)重，如式(11)～(12)所示：

(11)

(12)

式中：ωi為指標(biāo)層客觀權(quán)重；Wk為準(zhǔn)則層客觀權(quán)重；n為指標(biāo)數(shù)；N為準(zhǔn)則數(shù)。

3)組合權(quán)重確定

老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)體系的主觀權(quán)重ω1和客觀權(quán)重ω2均已求出，為了使權(quán)重更具可靠性，采用加法合成法計(jì)算組合權(quán)重，如式(13)所示：

W=0.5ω1+0.5ω2

(13)

2 老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)模型建立

2.1 云模型改進(jìn)的可拓物元評(píng)價(jià)概述

可拓物元評(píng)價(jià)理論主要用于處理問題的矛盾性，但在分析和評(píng)價(jià)過程中不可避免地存在量化值的模糊性和隨機(jī)性問題[14]。云模型通過將隨機(jī)確定度賦予樣本點(diǎn)，從而得以將定性概念和定量表達(dá)集成在一起，統(tǒng)一刻畫概念中的隨機(jī)性、模糊性和關(guān)聯(lián)性[15]。云模型改進(jìn)的可拓物元評(píng)價(jià)將有效解決傳統(tǒng)物元模型在隨機(jī)性和模糊性等方面的不足，使評(píng)價(jià)結(jié)論更具可信度。云物元模型如式(14)所示：

(14)

式中：R表示物元；Ex表示期望；En表示熵；He為超熵。

在云物元模型中，以評(píng)價(jià)指標(biāo)的不同等級(jí)分值作為參照，通過固定區(qū)間[cmin,cmax]代表脆弱性等級(jí)，根據(jù)云模型的“3En”規(guī)則將區(qū)間數(shù)值轉(zhuǎn)換為云參數(shù)，如式(15)～(17)所示：

(15)

(16)

He=s

(17)

式中：s為常數(shù)。

超熵He大小決定云圖厚度。根據(jù)信息熵的基本特征，熵值越大，定性概念的模糊性越大。由于在老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)估中無需對(duì)邊界進(jìn)行嚴(yán)格劃分，因此云模型要足夠模糊，此時(shí)熵值En采用式(18)進(jìn)行計(jì)算：

(18)

由式(15)～(18)計(jì)算云參數(shù)(Ex,En,He)，建立以En為期望、He為標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)分布，確定隨機(jī)數(shù)En′，其中，x為指標(biāo)值。按照式(19)～(20)計(jì)算其對(duì)不同脆弱性等級(jí)云的隸屬度：

(19)

En′=r×He+En

(20)

式中：r為隨機(jī)數(shù)。

2.2 老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性云物元評(píng)價(jià)模型

綜合文獻(xiàn)研究[16-17]并征求專家意見，將老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各指標(biāo)劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 5個(gè)等級(jí)，各等級(jí)對(duì)應(yīng)分值見表2，并據(jù)此對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

表2 老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性等級(jí)與指標(biāo)分值

根據(jù)式(15)和式(18)分別計(jì)算Ex和En，并通過MATLAB軟件繪制不同He下的老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性等級(jí)隸屬云云圖，如圖1所示。

圖1 老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性等級(jí)隸屬云云圖

由圖1可知，當(dāng)He=0.6時(shí)，云模型中隸屬度大于0.5的部分比較清晰，小于0.5的部分模糊和交叉，模糊性適中，相對(duì)于其他He值得到的隸屬度更加精確。因此，本文選取He=0.6用于老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)估，得到老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中不同等級(jí)的云物元模型。標(biāo)準(zhǔn)云物元數(shù)字特征見表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)云物元數(shù)字特征

基于表3可計(jì)算脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)不同脆弱性等級(jí)的隸屬度，考慮其中引入隨機(jī)數(shù)r，計(jì)算結(jié)果存在較大隨機(jī)性，因此，重復(fù)計(jì)算1 500次后取中位數(shù)作為各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)不同脆弱性等級(jí)的隸屬度。

準(zhǔn)則層內(nèi)各準(zhǔn)則對(duì)不同脆弱性等級(jí)的隸屬度通過將該準(zhǔn)則下各指標(biāo)對(duì)不同脆弱性等級(jí)的隸屬度加權(quán)得到，如式(21)所示：

(21)

式中：μj(Bi)是第i個(gè)準(zhǔn)則層物元對(duì)不同脆弱性等級(jí)j的隸屬度；Wis是第s個(gè)指標(biāo)對(duì)于第i個(gè)準(zhǔn)則層的組合權(quán)重；μj(Iis)是第s個(gè)指標(biāo)層物元對(duì)不同脆弱性等級(jí)j的隸屬度。

計(jì)算目標(biāo)層對(duì)不同脆弱性等級(jí)的隸屬度同上。根據(jù)最大隸屬度原則，不同物元所屬的脆弱性等級(jí)L如式(22)所示：

(22)

3 案例分析

3.1 長沙市某社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)

本文以長沙市科學(xué)村社區(qū)為例，對(duì)上述評(píng)價(jià)模型進(jìn)行驗(yàn)證和分析。該社區(qū)截止2021年已建成并投入使用達(dá)29 a，屬于典型的老舊社區(qū)，隨周邊配套設(shè)施建設(shè)，該社區(qū)得以提質(zhì)提檔改造，社區(qū)綠地、雨污管網(wǎng)、外部空間得到極大優(yōu)化。經(jīng)實(shí)地測(cè)算，該社區(qū)占地面積約85 000 m2，其中綠化面積約10 000 m2，相對(duì)高程差約5 m，居住人口約3 000人。

以J=(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ)作為科學(xué)村社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)脆弱性低、較低、中等、較高、高。在實(shí)地調(diào)研及專家訪談基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用德爾菲法識(shí)別建立老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和各指標(biāo)權(quán)重，并結(jié)合專家打分結(jié)果運(yùn)用AHP-熵權(quán)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重和各指標(biāo)分值，見表4。

基于本文模型及表4打分結(jié)果，按照式(21)～(22)計(jì)算各指標(biāo)脆弱性等級(jí)隸屬度，以每個(gè)指標(biāo)為1個(gè)云滴，云滴隸屬度是服從正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)試驗(yàn)1 500次后取中位數(shù)作為該云滴對(duì)科學(xué)村社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，見表5。

表4 科學(xué)村社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

由表4可知，無論主觀權(quán)重或客觀權(quán)重，承災(zāi)體的易損性對(duì)于老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性影響相對(duì)最大，組合權(quán)重為0.598 4，這與建成時(shí)間長、基礎(chǔ)設(shè)施落后等條件直接關(guān)聯(lián)。孕災(zāi)環(huán)境的敏感性和致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性同樣對(duì)老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害的脆弱性有直接影響，孕災(zāi)環(huán)境的敏感性影響略大，這與社區(qū)建造和城市發(fā)展進(jìn)程之間的不平衡有關(guān)。

由表5可知，科學(xué)村社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性對(duì)于各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度分別為0.349 3，0.670 1，0.086 5，0.000 0，0.000 0，根據(jù)最大隸屬度原則，科學(xué)村社區(qū)的內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，即脆弱性較低。根據(jù)準(zhǔn)則層隸屬度，科學(xué)村社區(qū)的致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性和承災(zāi)體易損性脆弱性都比較低。細(xì)化研究各指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，科學(xué)村社區(qū)在綠化面積、不透水面積和排水管網(wǎng)年限等方面控制較好，這與之前進(jìn)行的老舊社區(qū)改造密切相關(guān)，同時(shí)印證前期老舊社區(qū)的改造方向、舉措是有效的。因此，在下一步工作中可繼續(xù)通過加強(qiáng)對(duì)外部空間的優(yōu)化設(shè)計(jì)，尤其在是綠地的改擴(kuò)建、排水管網(wǎng)的更新等方面降低老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性，也可以通過進(jìn)一步優(yōu)化社區(qū)網(wǎng)格化服務(wù)、加大內(nèi)澇災(zāi)害防御宣傳教育等方式進(jìn)一步提高老舊社區(qū)居民主動(dòng)抵御內(nèi)澇災(zāi)害的能力。

表5 科學(xué)村社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度

4 結(jié)論

1)綜合運(yùn)用德爾菲法、AHP-熵權(quán)法建立老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)體系，涵蓋致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性和承災(zāi)體易損性3個(gè)1級(jí)指標(biāo)和年度暴雨及以上天氣頻率、社區(qū)相對(duì)高程、人口密度等15個(gè)2級(jí)指標(biāo)。

2)基于可拓物元評(píng)價(jià)理論和云模型，構(gòu)建老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)云物元模型，該模型較傳統(tǒng)物元分析模型具有更好的隨機(jī)性和模糊性，可以準(zhǔn)確、直觀地反映老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性的影響因素，為老舊社區(qū)適災(zāi)化和海綿化改造提供切實(shí)可行工具。

3)老舊社區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)是城市內(nèi)澇防治的微小縮影，本文只初步探究社區(qū)層面內(nèi)澇災(zāi)害脆弱性評(píng)價(jià)的方法和步驟，指標(biāo)選取、權(quán)重計(jì)算和脆弱性等級(jí)劃分等方面有待進(jìn)行更加深入的研究。