安全韌性理念下的城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評估

董 偉 楊 玲 副教授 康銘洋

(首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué),北京 100070)

0 引言

城市在經(jīng)濟和社會發(fā)展中發(fā)揮著主導(dǎo)作用,而自然災(zāi)害和事故的頻繁發(fā)生嚴(yán)重威脅著城市安全系統(tǒng)的穩(wěn)定。內(nèi)澇作為一種影響極其嚴(yán)重的自然災(zāi)害,對城市安全和可持續(xù)發(fā)展等帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為更好地應(yīng)對以內(nèi)澇為代表的城市災(zāi)害,韌性城市的理念被提出來。近年來,已有國內(nèi)學(xué)者從韌性角度探索應(yīng)對城市內(nèi)澇災(zāi)害的風(fēng)險評估模型。趙民等[1]結(jié)合災(zāi)害特征和韌性特征,從致災(zāi)因子危險性和承災(zāi)因子暴露性、恢復(fù)力等方面構(gòu)建濟南市災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系;李彤玥[2]從冗余度、功能度、智慧度、敏捷度4個方面提出并研究韌性評估指標(biāo)體系。然而上述研究多是將風(fēng)險與韌性分開研究,對于從韌性方面考慮城市風(fēng)險研究甚少。因此,本文將韌性理念與城市內(nèi)澇風(fēng)險相結(jié)合,從安全韌性角度提出一套指標(biāo)體系,系統(tǒng)研究安全韌性理念下的城市內(nèi)澇風(fēng)險評估方法,對提升城市內(nèi)澇災(zāi)害的防控能力具有重要意義。

1 風(fēng)險與韌性

1.1 風(fēng)險的基本定義

風(fēng)險(Risk)一詞最早出現(xiàn)在19世紀(jì)末的西方經(jīng)濟學(xué)中。1992年聯(lián)合國給出風(fēng)險定義:在某個一定的區(qū)域或一定的未來時期內(nèi),特定的自然災(zāi)害可能引起的人民生命財產(chǎn)和經(jīng)濟活動的潛在損失[3]。

風(fēng)險評估是風(fēng)險管理的主要內(nèi)容,一般包括致災(zāi)因子危險性、承災(zāi)體脆弱性及潛在損失,根據(jù)這3個方面構(gòu)建指標(biāo)體系,進行定量計算得出風(fēng)險值。方建等[4]完成全球尺度下暴雨洪水災(zāi)害風(fēng)險的評估與制圖工作;Kamierczak等[5]完成曼徹斯特市致災(zāi)因子危險性與孕災(zāi)環(huán)境敏感性的定量評估工作。傳統(tǒng)的災(zāi)害風(fēng)險分析仍停留在“風(fēng)險=危險×脆弱性”這一公式的理解中。從城市韌性理論可以看出,傳統(tǒng)的風(fēng)險評估方法缺少針對城市恢復(fù)力的評估,從而缺少城市韌性的研究。

1.2 城市安全韌性定義及特性

城市韌性是近年來城市規(guī)劃和公共安全領(lǐng)域的一個新興概念,根據(jù)聯(lián)合國國際減災(zāi)戰(zhàn)略的定義,“城市安全韌性”是指當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時,城市能夠承受沖擊,依靠自身抗災(zāi)能力,減少災(zāi)害損失,快速響應(yīng),合理配置資源,快速恢復(fù)城市功能[6]。目前,基于復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)(Complex Adaptive Systems,CAS)理論研究韌性特性逐步成為當(dāng)下共識,城市安全韌性能力是由韌性的特性顯現(xiàn)并可加以度量。

本文基于安全科學(xué)理論、城市韌性的概念和特征,優(yōu)化城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系,對城市韌性的特性即魯棒性、迅速性、冗余性、智慧性4方面進行研究分析,更加強調(diào)城市在面對內(nèi)澇災(zāi)害時的應(yīng)對能力及恢復(fù)能力,并構(gòu)建城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評估模型。

2 構(gòu)建城市內(nèi)澇災(zāi)害指標(biāo)體系

為客觀評價城市內(nèi)澇的風(fēng)險水平,根據(jù)城市內(nèi)澇現(xiàn)狀,安全韌性的概念、特征及內(nèi)涵,綜合考慮各評價指標(biāo)之間的復(fù)雜關(guān)系,從城市韌性的特性,即魯棒性、迅速性、冗余性和智慧性4方面選取相應(yīng)指標(biāo)進行內(nèi)澇風(fēng)險體系的構(gòu)建。魯棒性指內(nèi)澇災(zāi)害中系統(tǒng)的某部分被破壞,城市系統(tǒng)還能夠繼續(xù)維持其功能,側(cè)重于城市遭受暴雨后發(fā)生內(nèi)澇的穩(wěn)定性;迅速性指在最短時間內(nèi)控制住對基礎(chǔ)設(shè)施的破壞,控制災(zāi)害造成的破壞,避免二次災(zāi)害,快速恢復(fù)基礎(chǔ)設(shè)施功能的能力[7];冗余性指基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的可替代性,即在發(fā)生災(zāi)害時,有足夠的資源來替代基礎(chǔ)設(shè)施功能的能力;智慧性指有基本的救災(zāi)資源儲備以及能夠合理調(diào)配資源的能力,包括災(zāi)前預(yù)測、災(zāi)中及時應(yīng)對和災(zāi)后及時修復(fù)。

本文采用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的總目標(biāo)層權(quán)重,為避免城市內(nèi)澇風(fēng)險評估的不確定性,本文在城市內(nèi)澇風(fēng)險評估過程中引入正態(tài)云的概念,為城市內(nèi)澇風(fēng)險的定性評估提供可靠的方法。以城市內(nèi)澇風(fēng)險為目標(biāo)層,準(zhǔn)則層則根據(jù)韌性特性包含魯棒性、迅速性、冗余性、智慧性4個方面,指標(biāo)層是評價各標(biāo)準(zhǔn)層程度的特征因子,見表1。

表1 內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系Tab.1 Risk assessment index system of waterlogging disaster

3 城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評估模型

3.1 理論分析

熵權(quán)法被定義為利用數(shù)據(jù)的信息熵[8],描述數(shù)據(jù)指標(biāo)差異程度。根據(jù)熵權(quán)法的基本理論[9],數(shù)據(jù)指標(biāo)的數(shù)值差異程度越大,該指標(biāo)的離散程度越大,對綜合評價結(jié)果的影響越大,即對應(yīng)的權(quán)重值越高。根據(jù)熵權(quán)理論,假設(shè)評價問題中有m個評價指標(biāo)和n年數(shù)據(jù),先對各指標(biāo)的數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化,獲得規(guī)范化矩陣X=(xij),xij為第i個指標(biāo)在第j年的指標(biāo)值。第i個評價指標(biāo)的熵Hi為:

(1)

第i個評價指標(biāo)的熵權(quán)Wi為:

(2)

云模型[9]是在隨機數(shù)學(xué)和模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上提出的一種數(shù)學(xué)模型,能夠?qū)崿F(xiàn)定性概念與定量值之間的不確定性轉(zhuǎn)換。云模型有3個數(shù)字特征Ex、En、He。其中期望值Ex反映評價指標(biāo)的定性概念;熵En反映表征定性概念的云滴離散的程度,以及該概念在這個域空間中可以接受的云滴的數(shù)值范圍;超熵He是熵En的熵,反映云滴聚集在一起的程度。

3.2 評估模型的建立

(1)首先,建立城市內(nèi)澇風(fēng)險評估指標(biāo)體系C={c1,c2,…,cn}和風(fēng)險評估等級閾值V={v1,v2,…,vn}。

(2)根據(jù)上述熵權(quán)理論,確定災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)的權(quán)重向量W。

(3)構(gòu)建隸屬度矩陣R=(riv)。其中,riv表示評估指標(biāo)i在對應(yīng)評估等級v下的隸屬度。計算特征值Ex、En、He。

Ex=min(i)+max(i)/2

(3)

En=max(i)-min(i)/2.355

(4)

He=k

(5)

式中:

min(i)、max(i)—風(fēng)險等級區(qū)間評估值的下限、上限;

k—常數(shù),一般通過實驗得到,本文取經(jīng)驗值k=0.01。

(4)評估結(jié)果。通過權(quán)重向量W與隸屬度矩陣R之間的模糊變換,構(gòu)造評價等級閾值V的模糊子集S:

S=WR=(s1,s2,…,sn)

(6)

(7)

式中:

wi—評估指標(biāo)i的權(quán)重值。

根據(jù)最大隸屬度原則,選擇最大隸屬度對應(yīng)的評估等級作為最終評估結(jié)果。

4 應(yīng)用舉例

4.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

河南鄭州市區(qū)城區(qū)面積約1 010km2,本研究區(qū)面積約550km2,范圍主要是城市建成區(qū)部分,主要包括中原區(qū)、惠濟區(qū)、金水區(qū)、二七區(qū)和管城回族區(qū),由繞城高速所環(huán)繞[10](如圖1),其數(shù)據(jù)均來源于河南省統(tǒng)計年鑒。

圖1 鄭州市研究范圍Fig.1 Research scope of Zhengzhou City

4.2 鄭州市內(nèi)澇風(fēng)險評估

結(jié)合鄭州市經(jīng)濟發(fā)展和自然環(huán)境特點,從城市安全韌性出發(fā),綜合考慮風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn),將城市內(nèi)澇風(fēng)險劃分為低風(fēng)險、中風(fēng)險、較高風(fēng)險、高風(fēng)險4個等級[11],見表2。

表2 城市內(nèi)澇風(fēng)險指標(biāo)評估等級Tab.2 Evaluation grade of urban waterlogging risk index

根據(jù)表2內(nèi)澇風(fēng)險評估指標(biāo)數(shù)據(jù)和公式(3)-(5),確定云模型參數(shù)Ex、En、He,見表3。

表3 風(fēng)險評估指標(biāo)正態(tài)云標(biāo)準(zhǔn)值Tab.3 Risk assessment index normal cloud standard value

等級指標(biāo) ⅠⅡⅢⅣ低風(fēng)險中風(fēng)險較高風(fēng)險高風(fēng)險C410,4.25,0.0125,8.49,0.0145,8.49,0.0165,8.49,0.01C515,8.49,0.0137.5,10.62,0.0175,21.23,0.01150,42.46,0.01C680,8.49,0.0160,8.49,0.0140,8.49,0.0120,8.49,0.01C775,21.23,0.01125,21.23,0.01175,21.23,0.01225,21.23,0.01C812,1.70,0.019,0.85,0.016,1.70,0.013,0.85,0.01C94.5,0.42,0.013.5,0.42,0.012.5,0.42,0.011.5,0.42,0.01C101250,212.31,0.011750,212.31,0.012250,212.31,0.012750,212.31,0.01C119,0.85,0.017,0.85,0.015,0.85,0.012,1.70,0.01C122250,212.31,0.011750,212.31,0.011250,212.31,0.01750,212.31,0.01C1315,4.25,0.0125,4.25,0.0135,4.25,0.0145,4.25,0.01C1425,4.25,0.0118,1.70,0.0113,2.55,0.017,2.55,0.01C15450,42.46,0.01350,42.46,0.01250,42.46,0.01150,42.46,0.01C1685,8.49,0.0165,8.49,0.0145,8.49,0.0120,12.74,0.01C17450,42.46,0.01350,42.46,0.01250,42.46,0.01150,42.46,0.01

將降雨強度指標(biāo)的量化數(shù)據(jù)代入正態(tài)云的隸屬函數(shù)中,為提高計算結(jié)果的可靠性,重復(fù)計算不同隸屬度下各指標(biāo)的平均綜合評價值,見表4。

表4 各評價指標(biāo)平均綜合評價值計算結(jié)果Fig.4 Calculation result of average comprehensive evaluation value of each evaluation index

對各個評價指標(biāo)的權(quán)重利用熵權(quán)法和公式(6)進行求解,結(jié)果如下:

W={w1=0.056,w2=0.224,w3=0.04,w4=0.003,w5=0.067,w6=0.078,w7=0.065,w8=0.013,w9=0.03,w10=0.023,w11=0.047,w12=0.067,w13=0.034,w14=0.14,w15=0.046,w16=0.059,w17=0.083}

利用表4及各指標(biāo)權(quán)重計算城市內(nèi)澇綜合評估結(jié)果,見表5。

表5 城市內(nèi)澇綜合評估結(jié)果Fig.5 Results of comprehensive assessment of urban waterlogging

4.3 城市內(nèi)澇風(fēng)險評估等級分析

由表4可知,鄭州市道路鋪裝面積、植被覆蓋率風(fēng)險評估處于高風(fēng)險等級,表明該市道路鋪裝面積占比過大,植被覆蓋率小,排水能力下降,可通過多植樹、增加綠地面積等措施提高該市魯棒性和迅速性;人均可支配收入、防汛科技支撐風(fēng)險評估處于高風(fēng)險等級,可通過人才引進、鼓勵防汛科技研發(fā)等措施增強城市智慧性和冗余能力[12]。

由表5可以看出,城市內(nèi)澇風(fēng)險綜合評價等級由低到高的隸屬度分別為0.003、0.016、0.434、0.301,根據(jù)最大隸屬度原則,鄭州市內(nèi)澇風(fēng)險等級屬于III級,屬于內(nèi)澇較高風(fēng)險地區(qū)。根據(jù)準(zhǔn)則層隸屬度可以看出,鄭州市的冗余性較差,災(zāi)害突發(fā)造成部分設(shè)施功能受損,備用資源不足,導(dǎo)致城市癱瘓[13]。分析原因有2點:首先,在經(jīng)濟和社會方面,保障城市安全韌性的提升需要經(jīng)過長期積累才能顯現(xiàn)出明顯的效果,這是城市整體經(jīng)濟水平和社會安全保障能力的提升[14];其次,通過制定詳細(xì)的計劃和采取具體的措施,可以在短時間內(nèi)提高城市的智慧性。因此,在不斷提高城市安全韌性的冗余性和迅速性的同時,還應(yīng)全面加強經(jīng)濟、社會韌性的提升。

5 結(jié)論

(1)將韌性理論引入城市內(nèi)澇中,綜合考慮城市韌性的4大特征——魯棒性、迅速性、冗余性、智慧性,構(gòu)建城市內(nèi)澇風(fēng)險評估指標(biāo)體系?；陟貦?quán)法和云理論,建立城市內(nèi)澇風(fēng)險評估模型,利用熵權(quán)法確定賦權(quán),大大提高評估結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。此外,該模型引用正態(tài)云理論,實現(xiàn)了定性概念與定量數(shù)據(jù)之間的不確定性轉(zhuǎn)換,解決了定性概念中的模糊性與隨機性問題。

(2)將這一模型應(yīng)用到河南鄭州的內(nèi)澇情況中,評估出鄭州市內(nèi)澇風(fēng)險處于較高水平,評估結(jié)果與實際狀態(tài)較為符合。結(jié)合各指標(biāo)層權(quán)重,可以確定各指標(biāo)的韌性提升潛力和效率,結(jié)合評估結(jié)果找到其影響城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險的關(guān)鍵因素,評估結(jié)果對于城市安全治理及應(yīng)對未來內(nèi)澇災(zāi)害的發(fā)展規(guī)劃有著良好的借鑒依據(jù)。