應對極端天氣城市基礎設施彈性能力評價研究

Research on Infrastructure Resilience and Evaluation under the Background of Extreme Weather

喬天璐

QIAO Tian-lu

（南京工業大學土木工程學院）

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應對極端天氣城市基礎設施彈性能力評價研究

Research on Infrastructure Resilience and Evaluation under the Background of Extreme Weather

喬天璐

QIAO Tian-lu

（南京工業大學土木工程學院）

1 引言

全球氣候正發生變化，引發的極端天氣事件頻發，給城市安全和基礎設施建設帶來嚴重威脅。例如2010年1月，我國大部分地區遭受寒潮及降雪天氣影響，北京、天津等地出現大到暴雪，最低氣溫突破歷史極值，對城市道路、供電等基礎設施系統造成重創。2011年7月，南京、武漢等眾多城市遭遇極端降水事件，引發城市內澇，暴露出城市排水系統彈性能力不足的問題。這一系列災害事件都說明極端天氣會對城市基礎設施建設產生巨大影響。

在國際減災戰略（ISDR）和國際減災10年（IDNDR）活動相繼實施的大背景下，彈性概念興起國內外學者研究新熱潮[1]。但目前彈性評價研究仍處于初步探索階段，在極端天氣條件下，彈性能力研究對象很少為基礎設施層面所涉及。因此，本文研究目的在于拓展城市基礎設施彈性能力相關理論在應對極端天氣尺度上的應用，構建應對極端天氣城市基礎設施彈性能力評價模型，為優化城市基礎設施建設，制定應對極端天氣相關策略提供基礎科學支撐。

2 理論體系

城市基礎設施彈性概念是在彈性概念基礎上逐漸發展和豐富起來的，因此，在研究城市基礎設施彈性之前需要對彈性概念進行必要梳理。彈性（Resilience）一詞來源于拉丁語“resi-lire”，意思是彈回。1973年Holling將彈性概念引申到生態學，將生態系統彈性描述為吸收外界干擾保持存在的能力[2]。隨后，彈性概念在生態學、經濟學、環境學等方面都有所發展。當彈性概念與城市學結合后，吸取各領域對彈性概念的解讀，提出彈性城市概念。彈性聯盟（Resilience Alliance）將彈性城市定義為：“城市或城市系統能夠消化吸收外界干擾，保持原有結構、功能和主要特征的能力”。彈性城市理論基本內涵包括生態彈性、工程彈性、社會彈性以及經濟彈性[4]。本文所研究的基礎設施彈性屬于工程彈性范疇，工程彈性主要強調城市基礎設施系統、社區和城市人口從自然和人為災難中快速而有效地恢復的能力。研究內容主要包括：評估城市基礎設施彈性和采用減災技術，堅固基礎設施系統，確保其在經濟社會中正常運行等方面。彈性基礎設施系統，特別是給排水、供電、醫療衛生等生命線工程，對于減少極端天氣不良影響具有重要意義。

基礎設施彈性基本內涵包括快速性（rapidity）和堅固性（robustness）。如圖1所示，地震工程跨學科研究中心(Multidisciplinary Centerfor Earthquake Engineering Research，MCEER)構建了城市基礎設施彈性能力框架圖，用快速性和堅固性反映城市基礎設施彈性能力。堅固性代表一定外界壓力下的系統保持功能不退化和喪失的能力；而快速性則代表系統為減少損失以及避免未來系統功能紊亂，在最短時間內滿足當務之需的能力[5]。McDaniels根據堅固性和快速性內涵，設計影響城市基礎設施能力的概念性框架[6]，并以醫院為例，通過流程圖的形式，闡述如何培育城市基礎設施彈性[5]。Bruneau 等從堅固性和快速性內涵出發構建定量模型，計算城市基礎設施彈性，其數學表達式為，其中R 表示城市基礎設施彈性，Q(t)表示堅固性，dt 表示快速性。通過數量上退化的程度，以及恢復到正常水平所需要的時間，可以用上述微積分的形式進行測量。

3 評價實例3.1 指標體系

城市基礎設施系統中道路交通系統、能源系統、給排水系統、通信系統、醫療系統是維持城市居民生活和生產活動所必不可少的城市生命線系統。這些系統抵御災害破壞的能力直接決定著一個城市能否保持其正常功能。另外，城市經濟水平對城市基礎設施彈性能力具有重大影響。本文根據極端天氣對城市基礎設施系統各方面影響，從以下幾個方面選取指標（見表1）。

3.2 數據采集

3.2.1 研究對象選擇

本文將中國內地劃分為華東、華北、東北、西南、西北、中南6大區域，并在此基礎上選取中國常住人口大于100萬的二線城市作為研究對象[8]。18個城市選擇如表2所示。

3.2.2 數據來源

本文數據資料來源于中國城市統計年鑒2014以及相關政府網站上所公開的數據資料（見表3）。

3.3 求解主成分

運用SPSS19.0統計分析軟件對上述指標進行分析，按照特征值大于1的原則提取2個主成分因子（累積貢獻率為75.831%），實現了指標因子的降維處理（見表4）。

表1 評價指標體系

表2 研究對象

表3 具體數據

表4 解釋的總方差

由碎石圖2亦可以看出前兩個成分對應的斜率較大，選取作為主成分因子；其后的成分對應的斜率幾乎沒有變化，包含的數據較少，舍棄處理。

3.3.1 主成分綜合評價權重的確定

將各指標的值定義為X1，X2，…，X11，則兩個主成分的表達式分別為：

圖2 碎石圖

續表3 具體數據

成分矩陣及各城市得分見表5、表6。

表5 成分矩陣

3.3.2 主成分綜合評價結果的評估

把主成分1和主成分2的數值分別乘以各自的方差的算術平方根，得出各地區主成分1和主成分2的得分。綜合主成分值越高的城市，應對極端天氣基礎設施彈性能力越強，反之越弱。根據18個城市的綜合主成分值，按照等間距法將城市分為四類。

第一類城市（≥2）為應對極端天氣城市基礎設施彈性能力最高城市，為廈門市。與其他城市相比，廈門市為沿海城市，經濟發達，基礎設施系統完善，有適當冗余，彈性能力高。

第二類城市（0～2）為應對極端天氣城市基礎設施彈性能力較高城市，包括杭州、武漢、成都、南京、天津、昆明、沈陽和西安。這些城市分別代表華東、華北、東北、西南、西北、中南六大區域中經濟較發達的城市，說明經濟實力與其有一定的相關性。

第三類城市（-2～0）為應對極端天氣城市基礎設施彈性能力較低城市，包括大連、青島、呼和浩特、蘭州、福州和哈爾濱。地理上，除了福州都屬于高緯度地區，受極端天氣影響壓力大。

第四類城市（-4～-2）為應對極端天氣城市基礎設施彈性能力低城市，包括吉林和保定，這兩個城市都為內地城市，經濟發展水平低，氣候條件不如沿海城市適宜。

綜合六大區域來看，文中六大區域代表城市的平均得分從高到低分別為：中南地區（1.494）；華東地區（1.047）；西南地區（0.599）；西北地區（-0.498）；東北地區（-1.036）；華北地區（-1.131）。

表6 各城市得分情況

5 結束語

近年來，極端高溫、暴雨、干旱等極端天氣事件對城市造成巨大損害，主動適應極端天氣成為國家發展重大戰略需求。彈性理論是應對極端天氣較有效的措施，但國內在這方面的研究仍處于起步階段。本文將彈性理論研究對象發展到城市基礎設施層面，對目前國內六大區域城市基礎設施應對極端天氣彈性能力現狀進行初步探索。彈性理論在城市學和應對氣候變化方面的應用還需進一步探索。

參考文獻

[1]劉婧,史培軍,葛怡等.災害恢復力研究進展綜述[J].地球科學進展,2006,21(2):211-218.

[2]Holling C S.Resilience and stability of ecological systems[J].Annual review of ecology and systematics,1973:1-23.

[3]邵亦文,徐江.城市韌性:基于國際文獻綜述的概念解析[J].國際城市規劃,2015,2:009.

[4]蔡建明,郭華,汪德根.國外彈性城市研究述評[J].地理科學進展,2012,31(10):1245-1255.

[5]Alberti M.Urban patterns and environmental performance:what do we know?[J].Journal of planning education and research,1999,19(2):151-163.

[6]McDaniels T,Chang S,Cole D,et al.Fostering resilience to extreme events within infrastructure systems:Characterizing decision contexts for mitigation and adaptation[J].Global Environmental Change,2008,18(2):310-318.

[7]韓小孩,張耀輝,孫福軍,等.基于主成分分析的指標權重確定方法[J].四川兵工學報,2012,33(10):124-126.

[8]金桃.中國城市應對氣候變化能力評估[D].上海:上海師范大學,2012.

【摘要】從城市基礎設施彈性概念和內涵出發，結合極端天氣相關理論，基于道路交通、醫療、給排水、通信、能源和城市經濟水平6個系統選取指標構建評價指標體系。隨后，根據指標體系收集整理全國18個不同地域的城市數據。運用主成分分析法建立評價體系，對極端天氣條件下城市基礎設施彈性評分。根據城市得分，劃分城市基礎設施彈性等級，給出評價結果。

(College of Civil Engineering，Nanjing Tech University)

【Abstract】With the concept of urban infrastructure,this paper establishes an evaluation system for resilience of urban infrastructure in extreme weather conditions.Indicators of the evaluation system are chosen from 6 factors.They are transportation,medical system,Water supply and drainage,telecommunications,energy supply and economics.Then this paper collect data of 18 cities located in different regions of china according to the indicators.The data is processed using Principle component analysis and presented in the form of scoring.At last,levels of urban infrastructure resilience are set based on the scores.

【關鍵詞】城市基礎設施；極端天氣；彈性

【Keywords】city infrastructure; extreme weather; resilience