基于集對分析的社區(qū)洪澇災害脆弱性評價研究

王興鵬教授 韓曉雨

(石家莊鐵道大學 管理學院,河北 石家莊 050043)

0 引言

近幾年,城市洪澇災害頻繁發(fā)生,造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。例如,2012年的北京特大暴雨,造成160.2萬人受災、經(jīng)濟損失116.44億元;2021年鄭州暴雨導致1478.6萬人受災,直接經(jīng)濟損失1200.6億元等。社區(qū)作為城市風險治理的基本單元[1],對社區(qū)洪澇災害進行科學評價是做好社區(qū)洪澇災害防治工作的前提和基礎(chǔ),可利用衡量城市自然災害的重要指標——脆弱性來實現(xiàn)。

脆弱性起源于自然系統(tǒng)領(lǐng)域,其本意是指災害發(fā)生時系統(tǒng)所需要承受和應對風險事件的能力[2]。近年來,關(guān)于洪澇災害脆弱性的研究受到很多學者的關(guān)注,從空間上來看,主要涉及區(qū)域(流域)、省(市)、城市、區(qū)縣等多個層次[3-7];從評價方法來看,主要采用超效率數(shù)據(jù)包絡分析模型(data envelopment analysis,DEA)[3]、灰色關(guān)聯(lián)法和曲線擬合法[4]、改進區(qū)域脆弱模型(hazard of place model,HOP)[5]、模糊綜合評價法[6]、修正后的徑流曲線模型(soil conservation service,SCS)[7]等模型與方法。從現(xiàn)有社區(qū)洪澇災害相關(guān)文獻看,主要從社區(qū)韌性、風險管控和災害治理等方面進行研究[3-5],對社區(qū)層面的洪澇災害脆弱性研究較少,對社區(qū)洪澇災害脆弱性評價的指標體系還不夠全面和系統(tǒng),使用的評價方法和模型對于評價過程的不確定性分析具有一定局限性。因此,本文擬采用能夠?qū)⒃u價系統(tǒng)中的確定性與不確定性因素均能很好度量的集對分析方法對城市社區(qū)洪澇災害脆弱性進行研究。

1 社區(qū)洪澇災害脆弱性影響因子分析

災害脆弱性主要由突發(fā)事件作用于承災體而顯現(xiàn),承災體是災害發(fā)生過程中受影響的客體,一般指人及其社會資源與環(huán)境。在社區(qū)層面,洪澇災害的承災體主要包括居民、建筑、經(jīng)濟、基礎(chǔ)設(shè)施等[8]。關(guān)于災害脆弱性的內(nèi)涵,很多學者從不同角度進行闡釋,主要涉及洪澇災害的物理、社會、經(jīng)濟、基礎(chǔ)設(shè)施、制度、風險感知等維度的測度[9]。根據(jù)已有成果,本文結(jié)合社區(qū)洪澇災害發(fā)生過程中承災體的特點和防控重點,認為社區(qū)洪澇災害脆弱性由暴露度、敏感度、適應度3個維度構(gòu)成。

暴露度指承災體暴露于災害風險中的程度;敏感度指承災體由于自身內(nèi)部屬性的差異而遭受不同災害的損傷程度;適應度指承災體從遭受災害打擊的后果中恢復的速度和程度。其中,暴露度和敏感度屬于消極部分,即值越大,脆弱性越大;適應度為積極部分,脆弱性隨適應度的增加而減小。在實際研究中,需將承災體與構(gòu)成脆弱性的3因素進行綜合分析,構(gòu)建社區(qū)洪澇災害脆弱性影響因子矩陣示意圖[10],如圖1。

圖1 社區(qū)洪澇災害脆弱性影響因子矩陣Fig.1 The influence factor matrix of the community vulnerability to the flood disaster

1.1 暴露度影響因子分析

在社區(qū)發(fā)生洪澇災害時,承災體暴露于風險之中,其密度可作為暴露度評價指標,計算道路密度、建筑物密度、經(jīng)濟密度和居民密度公式如下:

(1)道路密度。

(1)

式中:

Rd—道路密度,km2/km2;

Rs—社區(qū)內(nèi)道路總面積,km2;

Ts—社區(qū)區(qū)域總面積,km2。

(2)建筑物密度。

(2)

式中:

Bd—建筑密度,km2/km2;

Bs—社區(qū)內(nèi)建筑物總面積,km2。

(3)經(jīng)濟密度。

(3)

式中:

Ed—經(jīng)濟密度,萬元/km2;

GDP—社區(qū)內(nèi)經(jīng)濟總量,萬元。

(4)人口密度。

(4)

式中:

Pd—人口密度,萬人/km2;

P—社區(qū)內(nèi)人口總數(shù),萬人。

1.2 敏感度影響因子分析

道路的敏感度主要表現(xiàn)為路基和路面抵抗各種外部沖擊力、抗冰凍等的能力[11];使用年限不同的建筑物對于災害的承受能力也不同,建筑物越老舊,敏感度越大[12];對于遭受災害的人群來說,貧困人口與弱勢群體的敏感度更高,抵抗能力更弱,因此均可作為敏感度評價指標。

(1) 道路敏感指數(shù)。

(5)

式中:

Rvul—道路敏感指數(shù);

Llow—社區(qū)內(nèi)被評估為低等級道路的長度,km;

Ls—社區(qū)內(nèi)道路總長度, km。其中,路面等級根據(jù)國家標準GB/T 920—2023《公路路面等級與面層類型代碼》確定。

(2) 老舊建筑物所占比重。

(6)

式中:

Prob—老舊建筑物所占比重;

Nold—社區(qū)內(nèi)老舊建筑物數(shù)量,個;

Nt—社區(qū)內(nèi)建筑物總數(shù),個。其中,老舊建筑物的評價準則為使用年限為20年以上的建筑。

(3) 貧困人口所占比重。

(7)

式中:

Prop—貧困人口所占比重。國家通常將年人均純收入低于1205元的家庭人口定義為貧困人口。

Pold—社區(qū)內(nèi)貧困人口數(shù)量,人;

Pt—社區(qū)內(nèi)人口總數(shù),人。

(4) 弱勢群體所占比重。

(8)

式中:

Prow—弱勢群體所占比重。弱勢群體指65歲以上的老人和0～14歲的兒童。

Pweak—社區(qū)內(nèi)弱勢群體數(shù)量,人。

1.3 適應度影響因子分析

適應度影響因子主要包括:道路排澇能力、基礎(chǔ)設(shè)施防洪能力、應急物資儲備能力及管控人員應急指揮能力。其中,社區(qū)道路的排澇能力指排水管網(wǎng)的密度及排澇水平,其密度與排澇能力反映了社區(qū)抵御洪澇災害的難易程度,道路的排澇能力越強,則社區(qū)發(fā)生洪水蓄積的概率越小;基礎(chǔ)設(shè)施承災能力指社區(qū)內(nèi)的公共設(shè)施在遭受洪澇災害時是否會被損壞,其承災能力越強,對居民的生活影響越小;應急物資儲備能力是社區(qū)應對災害的重要保障,其能力越強,居民在發(fā)生洪澇災害時的保障水平越高;管控人員應急指揮能力指社區(qū)的管理人員應對災害風險的知識儲備水平以及面對緊急情況的應急處置能力,其能力越高,居民的生命越有保障。

2 構(gòu)建社區(qū)洪澇災害脆弱性評價模型

2.1 集對分析法

集對分析是由我國學者趙克勤[13]提出的一種利用聯(lián)系度處理不確定性問題的新型系統(tǒng)分析方法。其核心思想是將評價系統(tǒng)中的確定性聯(lián)系與不確定性聯(lián)系均作為不確定性聯(lián)系來進行分析處理,該方法能夠從同一度、對立度、差異度3個方面進行分析。集對分析理論是在一定的背景下,對集對中有一定關(guān)聯(lián)的2個集合的相互作用進行系統(tǒng)性的數(shù)學分析,可用來處理由隨機性、模糊性、不完整性等不確定因素引起的不確定系統(tǒng),且可從中發(fā)現(xiàn)其暗含的知識,并揭示內(nèi)在的規(guī)律。

采用集對分析進行脆弱性評價時,將評價對象的脆弱性與評價標準組成一個集對H(X,Y),通過對兩者的同一度、對立度、差異度進行分析計算,對脆弱性進行量化評價。其中設(shè)評價指標的集合為X={x1,x2,…,x12},脆弱性評價標準有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5個等級,其集合為Y={y1,y2,…,y5}。

根據(jù)同、異、反三者之間的關(guān)系,同、異、反聯(lián)系度表達式為:

μ(X,Y)=a+bi+cj

(9)

a+b+c=1

(10)

式中:

a—兩集合的同一度;

b—兩集合的差異度;

c—兩集合的對立度;

i—差異性系數(shù),可根據(jù)具體情況在(-1,1)區(qū)間取值;

j—對立性系數(shù)。

由于實際問題的復雜性,可得多元聯(lián)系度μ,若記bi=b1i1+b2i2+…+beie,則可以寫為μ(X,Y)=a+b1i1+b2i2+…+beie+cj稱為e元聯(lián)系度方程,e為差異度分量數(shù),b1,b2,…,be為差異度分量,i1,i2,…,ie為差異度分量系數(shù)。

2.2 構(gòu)建社區(qū)洪澇災害脆弱性評價模型

2.2.1 構(gòu)建社區(qū)洪澇災害脆弱性評價指標體系

根據(jù)上文對影響因子的分析,構(gòu)建社區(qū)洪澇災害脆弱性評價指標體系(見表1),并將評價指標體系分為:目標層、準則層及指標層。其中,脆弱性等級的評價標準包括低、較低、中等、較高、高5個等級,不同指標的等級閾值參考GB/T 33680—2017《暴雨災害等級》并綜合專家意見設(shè)定。

表1 社區(qū)洪澇災害脆弱性評價指標體系Tab.1 The evaluation index system of the community vulnerability to the flood disaster

表1中,方向為“+”的指標為效益型指標,其取值越大越好;方向為“-”的指標為成本型指標,其取值越小越好。其中,暴露度指標和敏感度指標是客觀指標,其取值根據(jù)社區(qū)基本情況數(shù)據(jù)計算獲得,適應度指標是主觀指標,其取值由專家打分獲得。

2.2.2 確定指標權(quán)重

同時邀請專家對評價指標的重要度進行排序以及權(quán)重打分,主觀權(quán)重采用G1賦權(quán)法[14]進行計算,其步驟如下:

(2)確定相鄰指標的重要程度。設(shè)ωk為第k項指標的主觀權(quán)重,則專家對于相鄰的評價指標xk-1與xk的重要程度之比ωk-1/ωk的理性判斷為:

(11)

式中:

k—n個排序指標中的第k個指標;

rk—相鄰評價指標的重要程度之比,由專家獨自判定后取平均值。

(12)

可進一步計算其他指標的權(quán)重,第k-1個指標的權(quán)重為:

ωk-1=ωkrk(k=n,n-1,…,2)

(13)

2.2.3 計算聯(lián)系度

第一步,計算指標層聯(lián)系度。

(1)效益型指標。

(14)

式中:

S1,S2,S3,S4,S5—評價指標的脆弱性等級閾值;

xl—第l個評價指標的實際取值;

μl—第l個評價指標的聯(lián)系度。

(2)成本型指標。

(15)

第二步,計算準則層聯(lián)系度。

(16)

式中:

μm—第m個準則層聯(lián)系度,m=1,2,3;

ωl—該準則層中第l個評價指標的權(quán)重,l=1,2,3,4;

μl—該準則層中第l個評價指標的聯(lián)系度;

al—該準則層中第l個評價指標的同一度;

b1l,b2l,b3l—該準則層中第l個評價指標的第1,2,3個差異度分量;

cl—該準則層中第l個評價指標的對立度。

第三步,計算目標層聯(lián)系度。

(17)

式中:

μ—目標層聯(lián)系度;

ωm—準則層指標權(quán)重。

2.2.4 計算脆弱性指數(shù)并確定等級

(18)

式中:

dg—社區(qū)洪澇災害脆弱性第g個等級的閾值,見表2。

表2 社區(qū)洪澇災害脆弱性等級劃分標準Tab.2 The grade criteria for the community vulnerability to the flood disaster

將計算所得的脆弱性指數(shù)H與社區(qū)洪澇災害脆弱性等級劃分標準[15]進行比較,確定社區(qū)洪澇災害脆弱性等級,劃分標準,見表2。

3 實例應用

本文選取河南省某市A社區(qū),應用上述模型對其洪澇災害脆弱性進行評價。該社區(qū)總面積為0.17km2,建筑物總面積為0.1066km2,道路總面積為0.0527km2;社區(qū)總?cè)丝跒?500人,貧困人口占4.3%,弱勢群體占37.7%。

3.1 確定指標取值和主觀權(quán)重

邀請5位專家為指標進行排序以及主觀指標的權(quán)重打分。給每位專家介紹社區(qū)基本情況和指標含義,收集專家意見以及對指標取值和權(quán)重的打分情況,對專家意見進行統(tǒng)計、處理、分析和歸納,綜合專家經(jīng)驗與主觀判斷得到計算結(jié)果,見表3。

表3 社區(qū)洪澇災害脆弱性指標權(quán)重分析Tab.3 The weight analyses on the community vulnerability to the flood disaster

3.2 確定聯(lián)系度

利用式(14)、(15)計算各指標層聯(lián)系度,得到脆弱性評價指標體系的指標層聯(lián)系度結(jié)果,見表4。其中,a為兩集合的同一度,b1,b2,b3為兩集合的差異度分量,c為兩集合的對立度。

表4 評價指標體系指標層聯(lián)系度計算結(jié)果Tab.4 The calculation results of the correlation degree of the index layer in the evaluation index system

基于主觀權(quán)重和指標層聯(lián)系度進行耦合計算,依據(jù)式(16)計算準則層聯(lián)系度,計算結(jié)果,見表5。

表5 評價指標體系準則層聯(lián)系度計算結(jié)果Tab.5 The calculation results of the correlation degree of the criterion layer in the evaluation index system

將準則層的權(quán)重與聯(lián)系度進行耦合計算,依據(jù)式(17)計算目標層聯(lián)系度,得到目標層聯(lián)系度為:μ=0.026+0.054i1+0.133i2+0.12i3+0.036j。

3.3 脆弱性指數(shù)計算并確定等級

利用社區(qū)洪澇災害脆弱性等級劃分標準和式(18)計算脆弱性指數(shù),則得到該社區(qū)的脆弱性指數(shù)為:H=0.026×1+0.054×0.6+0.133×0.2+0.12×(-0.2)+0.036×(-0.6)=0.039。與表2對照可知,該社區(qū)的洪澇災害脆弱性等級為Ⅲ級,屬于中等水平。各指標層與準則層脆弱性指數(shù)與評價等級,見表6。

表6 脆弱性等級匯總Tab.6 The summary of the vulnerability grade

3.4 結(jié)果分析

從上面模型計算結(jié)果(表6)可知,該社區(qū)的洪澇災害總體脆弱性以及其暴露度、敏感度、適應度均處于中等水平;從具體指標來看,道路密度處于較高等級,道路敏感指數(shù)、老舊建筑物占比、貧困人口占比、弱勢群體占比均處于較高及以上等級,其余指標均處于中等及以下等級。因此,該社區(qū)在下一步治理計劃中,應致力于加快完善基礎(chǔ)設(shè)施、擴建道路并完善道路排澇能力、加快社區(qū)建筑的改造升級、提高社區(qū)經(jīng)濟水平和活力、吸引年輕人落戶居住、不斷優(yōu)化社區(qū)居民結(jié)構(gòu)、從而全面提高社區(qū)洪澇災害防御能力。綜合來看,模型評價結(jié)果與該社區(qū)的實際狀況相吻合,表明該模型具有較好適用性。

4 結(jié)論

本文基于集對分析方法,對社區(qū)洪澇災害脆弱性等級進行評價分析,主要結(jié)論如下:

(1)從承災體視角,以災害脆弱性3要素暴露度、敏感度、適應度維度和道路、建筑、經(jīng)濟、居民維度構(gòu)建了社區(qū)洪澇災害脆弱性影響因子矩陣。

(2)在對各影響因子進行分析的基礎(chǔ)上形成社區(qū)洪澇災害脆弱性評價指標體系。采用基于G1主觀賦權(quán)的集對分析法構(gòu)建社區(qū)洪澇災害脆弱性評價模型,并以河南省某市A社區(qū)為例,對評價模型進行驗證,其驗證結(jié)果顯示該模型的評價結(jié)果與實際情況相符,具有較好的適用性。