阮鑫鑫,付小林,侯俊東,董雅深,呂 軍
(1.中國地質大學(武漢)經濟管理學院,湖北 武漢 430074;2.中國地質調查局武漢地質調查中心,湖北 武漢 430205)
湖北位居華中腹地,地處長江中上游,省內自然災害種類多、頻率高、分布廣,局部地區災情嚴重[1],各類自然災害的發生給社會帶來了重大的人員傷亡和經濟損失,嚴重威脅了區域經濟的可持續發展。因此,如何減災抗災、降低災害損失,成為科研工作者積極探索的重要課題之一。在傳統的自然災害風險管理研究領域,學術界主要研究氣象氣候特征、生態環境、地質地貌等不同災害類型,而缺少對承災體自身脆弱性的研究。隨著人類社會活動的日益活躍,自然災害研究開始從致災因子的自然脆弱性過渡到對承災體的社會脆弱性,由此,自然災害社會脆弱性術語得到廣泛應用。自然災害社會脆弱性作為災害研究的新視角,引起了當今國際社會和學術界的廣泛關注[2-5]。
脆弱性概念起源于自然災害的研究[6],20世紀80年代,Timmerman首次提出了脆弱性的概念,并被廣泛應用于各個研究領域。學術界較為普遍的觀點認為,脆弱性是系統受到外界沖擊的敏感性以及因應對能力不足導致系統機制變化的一種屬性,這一屬性既可以表現在自然環境中,又可以表現在社會情景中。因此,Blaikie根據不同學科領域視角,將脆弱性進一步劃分為自然脆弱性和社會脆弱性。受資料限制,早期國內學者注重自然災害的自然脆弱性研究,而忽視了自然災害可能帶來的社會影響[7-9]。在城市可持續發展戰略的引導下,學者們對自然災害的研究焦點已向人類社會系統轉移,以社會維度分析脆弱性的本源。由于不同學科領域的研究對象和研究視角存在差異,各研究領域學者對社會脆弱性的概念認定、形成機制、表現特征、評估方法等存在不同的認知和理解。目前,針對社會脆弱性主要有“沖擊論”、“風險論”、“社會關系呈現論”和“暴露論”等幾種典型定義[10-11]。如George等[12]、Cutter等[13]認為,社會脆弱性是人類社會系統在面對現存或預期將要發生的災害事件時所遭受的潛在損失;Waley[14]、Turner等[15]認為,社會脆弱性是人類社會系統在面對災害事件時遭受損失的可能性;Cutter等[16]、周利敏[17]認為,社會脆弱性是人類社會系統在災害事件發生前的一種既存狀態,是社會系統內在特征的固有屬性;林涓涓等[18]、李文彬等[19]認為,社會脆弱性是社會系統暴露于災害事件的潛在因素和損傷程度。
綜合國內外學者的社會脆弱性研究成果,本文認為社會脆弱性是系統面對已經發生或預期未來將要發生的災害事件的擾動所體現出來的容易遭受損失的程度,以及抵御不利影響的應對能力的大小[20]。可以細化為以下兩個方面來理解:①人類社會系統遭遇災害事件時的敏感性,體現在系統受到災害事件沖擊時,其內部要素暴露于災害事件不利影響下的受災程度,最終以災害損失的形式表現出來;②人類社會系統遭遇災害事件時的應對能力,體現在人類完善和優化系統內部要素,對系統中現存或預期的災害事件的擾動作出響應的能力。
社會脆弱性評價是對人類社會系統自身結構和功能進行探討,評價人類社會系統受到災害事件的不利影響以及抵抗不利影響的能力,可以推動人類社會的可持續發展。隨著相關研究的深入,不同領域的學者對社會脆弱性定量評價的角度不同,評價模型呈現出多元化、復雜化的發展趨勢[21]。目前,社會脆弱性量化評價方法主要有基于歷史災情評價方法、基于指標體系評價方法和基于災害損失曲線評價方法等[22-23]。其中,基于指標體系評價方法主要從自然災害社會脆弱性的內在成因、外在特征等方面選取評價指標,然后利用數理統計方法對各項指標進行量化和賦權,最后利用數學模型估算評價單元的社會脆弱性指數。該評價方法計算過程簡便、可操作性強,適用于探究不同空間尺度和時間跨度的社會脆弱性,能夠展現社會脆弱性的時空演變特征[28]。但是,該評價方法在指標的選取、指標數據的處理、指標的賦權以及評價結果的計算等方面尚未形成統一標準,由于存在人為的主觀性判斷,使評價指標體系等出現信息不完備和信息交叉重疊的情況[29]。為此,本文首先基于社會脆弱性的理論內涵,結合自然災害的社會屬性,以湖北省12個地級市為研究對象,在參考國內外研究成果的同時,綜合考慮研究單元的有限性、評價指標的模糊性以及相關指標數據的可靠性和可獲得性,基于文獻歸納法總結出31個使用頻率較高的評價指標,并利用相關分析和主成分分析對原始指標進行篩選[30-31],得到13個具有代表性的相互獨立的重要指標;然后采用熵權法對各項指標賦權,利用二級模糊綜合評價方法計算湖北省各地級市自然災害社會脆弱性指數,進而對湖北省自然災害社會脆弱性進行合理評估;最后運用數理分析工具和ArcGIS空間分析技術,研究了湖北省各地級市自然災害社會脆弱性的時空演變特征,以提高城市韌性,積極開展減災抗災的常態管理,為實現城市可持續發展提供有價值的參考信息。
鑒于指標數據的可獲得性,本文選取湖北省12個地級市作為基本研究單元,按行政區劃,將12個地級市劃歸鄂東、鄂中、鄂西三大區域。其中,鄂東地區包括武漢、黃石、鄂州、黃岡和咸寧;鄂中地區包括荊門、荊州、孝感和隨州;鄂西地區包括十堰、宜昌和襄樊。考慮到行政區劃的變更(2010年“襄樊”更名為“襄陽”),本文將襄樊2010年以前年份的數據作為襄陽同期數據。
為了能夠客觀地反映湖北省自然災害社會脆弱性特征,本文采取統計指標收集法,根據現有文獻中相關指標出現的頻率和數據的可獲得性,結合湖北省各地級市的實際情況,以中國統計局所編制的2001—2016年中國城市統計年鑒和湖北省各地級市統計年鑒為基礎,從人口狀況、生活水平、產業結構、基礎設施、教育資源、醫療條件等13個方面著手,初步歸納并總結出使用頻率較高的31個評價指標用來測度自然災害的社會脆弱性,詳見表1。

表1 自然災害的社會脆弱性評價指標
1.3.1 評價指標的篩選
由于自然災害社會脆弱性評價指標主要依托于中國統計局所編制的城市統計年鑒資料,大量的評價因子存在信息交叉重疊,并且評價因子個數大于樣本個數,故不適合將自然災害社會脆弱性評價指標直接作為評價因子。為了遵循評價指標設計SMART準則(即滿足特定性、可測性、可得性、相關性、可跟蹤性),有必要對自然災害社會脆弱性評價指標進行相關分析,并在此基礎上利用主成分分析的降維思想篩選出具有代表性的關鍵評價指標,從而構建一套科學、合理、能反映湖北省自然災害社會脆弱性的評價指標體系[32]。
首先,對2001—2016年湖北省12個地級市自然災害社會脆弱性標準化后的評價指標進行秩次相關分析,排除兩個指標之間相關系數大于0.8的情況;然后,在此基礎上利用主成分分析法對剩余的18個評價指標進行第二次篩選,由于指標載荷值的大小反映指標對評價結果的影響程度,其絕對值越大,表明指標對主成分的解釋越明確,指標越應保留;最后,篩選出13個具有代表性的相互獨立的重要評價指標,構建自然災害的社會脆弱性綜合評價指標體系,見表2。

表2 自然災害的社會脆弱性綜合評價指標體系
考慮到人類社會系統在面對自然災害時,自然災害的社會脆弱性必然受到特定的經濟狀況、社會地位、教育程度、人口結構等多種復雜因素的影響,也就是說,在同一致災強度下,不同地區自然災害社會脆弱性程度不同,災害事件造成的直接經濟損失也不相同,通常情況下敏感性越強,自然災害社會脆弱性越高,應對能力越強,自然災害社會脆弱性越低。因此,敏感性相關指標與自然災害的社會脆弱性呈正相關,敏感性越強,自然災害社會脆弱性越高,故屬于正向指標;應對能力相關指標與自然災害的社會脆弱性呈負相關,應對能力越強,自然災害社會脆弱性越低,故屬于負向指標[33]。
1.3.2 數據的標準化處理
由于自然災害社會脆弱性評價指標體系中各項指標的類型、量綱、數量級以及指標的正負取向均有所差異,為了保證評價指標具有可比性和可度量性,本文選用極差標準化法按正向指標和負向指標將原始數據進行無量綱化處理。
對于正向指標,有:
對于負向指標,有:

1.3.3 評價指標權重的確定
在對上述自然災害社會脆弱性綜合評價指標體系的測度中,可以利用主觀賦權法和客觀賦權法確定各評價指標的權重,前者依據評價者對各評價指標的主觀認知進行賦權,如德爾菲法、層次分析法等;后者則是根據各評價指標數據信息來決定其權重,如熵值法、主成分分析法等[34]。在客觀賦權法中,由于定量與定性相結合的熵值法可消除人為主觀臆斷的影響,能夠充分反映指標信息的效用價值,因此本文選用熵值法來確定各評價指標的權重,其主要步驟如下:
(1) 計算第i個地級市第j項指標的比重:
(2) 計算第i個地級市第j項指標的熵值:
(3) 計算第j項指標的差異系數:
bj=1-aj
(4) 計算第j項指標的熵權:
上式中:i表示湖北省地級市的個數,0≤i≤m;j表示評價指標的個數,0≤j≤n。
本文借助MATLAB 2014a軟件,計算得到2016年湖北省自然災害社會脆弱性各項指標的權重值(以2016年湖北省數據為例計算得到的各項指標權重值)。

表3 2016年湖北省自然災害社會脆弱性各項指標的權重值
考慮到評價自然災害社會脆弱性所涉及的評價指標較為復雜和模糊,且各項評價指標所占的權重較小,本文選用二級模糊綜合評價模型對評價指標進行梳理和分類,在敏感性和應對能力的基礎上逐步劃分層次,并在小范圍內精確定位各評價指標的主次程度,進而明確權向量和隸屬度矩陣,最終計算得到自然災害的社會脆弱性指數[35-38]。二級模糊綜合評價方法的具體步驟如下:
(1) 構建因素集U并對其進行分類:根據自然災害社會脆弱性評價指標體系的準則層,確定因素集為U={U1,U2}={敏感性,應對能力},將因素集U1、U2按照其相關屬性進一步劃分,得到U1={u11,u12,…,u14}={人口密度,第一產業GDP的比重,…,城鄉居民收入差距指數},U2={u21,u22,…,u29}={人均地區生產總值,人均鋪裝道路面積,…,國際互聯網用戶普及率}。
(2) 構建因素評判集:根據自然災害社會脆弱性的評價結果,參考其他文獻的相關方法,采用中位數法和平均值法確定評判集的分級標準[39],將自然災害社會脆弱性的每個具體評價指標分為5個等級,表示為V={v1,v2,v3,v4,v5},其中v1,v2,…,v5為連續的等級標準,下標的大小直接反映了等級的高低。

(4) 確定隸屬函數:隸屬度矩陣R代表了每個評價指標對每個評判等級的隸屬度,可以反映因素集U和因素評判集V之間的模糊關系,故隸屬度是社會脆弱性指標值和評判等級的函數。通過查閱參考文獻,結合自然災害社會脆弱性綜合評估的特點,本文選用偏小型降半梯形分布和偏大型升半梯形分布構建如下隸屬函數:
式中:xi(1≤i≤13)表示湖北省某個地級市的第i項社會脆弱性評價指標;λj(1≤j≤5)為各項指標5個評價等級標準的代表值。
(5) 構建隸屬度矩陣,逐一評價因素集:首先,進行一級模糊綜合評價,根據以上公式可以得到每項指標對各個因素評判集的隸屬度,以因素集U1為例,設一級模糊綜合評價的隸屬度矩陣為
式中:rkj表示第k項指標對第j個評價等級的隸屬度;隸屬度矩陣R1表示因素集U1中各項指標對每個評判集的隸屬性集合。
根據因素集U1各項指標的權重集和隸屬度矩陣R1,可以得到因素集U1的模糊綜合評價向量B1為
B1=W1·R1
=(b11,b12,…,b15)
以此類推,再評價指標數量較多的因素集U2,得到因素集U2的隸屬度矩陣R2和模糊綜合評價向量B2,由此形成綜合評價隸屬度矩陣R:
結合因素集的權重w={w1,w2},進行二級模糊綜合評價,得到綜合評價向量,具體表示為B=w·R。
為了更加精確地分析評價結果,本文采用加權平均值法計算自然災害的敏感性指數、應對能力指數和社會脆弱性指數。加權平均值法的計算公式如下:
式中:N表示加權平均值;k表示因素評判等級;bk表示相應的隸屬度。
本文以2016年武漢市的相關指標為例,構造因素集U1和U2的隸屬度矩陣R1和R2如下:
因素集U1、U2相對于目標層U的權重集為
w={0.447,0.553}
u11,u12,…,u14各項指標相對于因素集U1的權重集為
w1={0.158,0.122,0.263,0.458}
u21,u22,…,u29各項指標相對于因素集U2的權重集為
w2={0.108,0.182,0.096,0.068,0.078,0.085,0.205,0.106,0.072}
依據隸屬函數公式,可以求出因素集U1、U2的模糊綜合評價向量B1和B2,從而得到綜合評價隸屬度矩陣R和綜合評價向量B:
B1=w1·R1=(0.000,0.047 9,0.555 2,0.261 5,0.136 4)
B2=w2·R2=(0.722,0.069 3,0.137 0,0.072 0,0.000)

B=w·R=[0.399,0.060,0.324,0.157,0.061]
最后,采用加權平均值法計算得到湖北省武漢市自然災害的敏感性指數為3.486、應對能力指數為1.559、社會脆弱性指數為2.294。
同理,可以計算得到2016年湖北省其他各地級市自然災害的敏感性指數、應對能力指數和社會脆弱性指數,詳見表4。

表4 2016年湖北省各地級市自然災害的敏感性指數、應對能力指數和社會脆弱性指數
本文將湖北省12個地級市的自然災害社會脆弱性指數進行算術平均,計算得到湖北省自然災害的社會脆弱性指數,并繪制2001—2016年湖北省自然災害社會脆弱性的變化趨勢圖,見圖1。

圖1 2001—2016年湖北省自然災害社會脆弱性的變化 趨勢圖Fig.1 Trends of social vulnerability to natural disasters in Hubei Province during 2001—2016
由圖1可見,從整體上看,湖北省自然災害社會脆弱性指數以波動遞減為主,呈現出“由大差距高社會脆弱性向小差距低社會脆弱性演變”的趨勢;2001—2016年湖北省自然災害社會脆弱性指數可以分為兩個階段:第一階段(2001—2008年),自然災害社會脆弱性指數呈波動緩慢上升的趨勢,個別年份下降,從2001年的2.992上升到2008年的3.307,平均每年上升0.039,這是因為這一階段湖北省人口處于較快增長階段,社會人口基數的壓力大,且伴隨著城鎮化的快速推進,大量人口涌向城市,使得自然災害社會脆弱性指數較高且變化緩慢;第二階段(2009—2016年),湖北省城市的經濟規模不斷擴大、產業結構逐步優化、城市化效率逐漸提高,使得自然災害社會脆弱性指數明顯下降,從2009年的3.008減小到2016年的2.836,較2009年下降了5.72%。
本文基于數理分析的視角,利用極差、標準差、變異系數、泰爾系數等指標對湖北省自然災害社會脆弱性的區域差異性進行分析[40-41],其具體計算公式如下:
極差R=xmax-xmin


湖北省各地級市間的泰爾系數
T=∑(gi/G)·log[(gi/G)/(pi/P)]

本文結合2001—2016年湖北省各地級市自然災害社會脆弱性指數,并利用上述相關公式計算得到湖北省自然災害社會脆弱性的極差、標準差、變異系數和泰爾系數,其計算結果見表5。

表5 2001—2016年湖北省自然災害社會脆弱性的極差、標準差、變異系數和泰爾系數
由表5可知,湖北省自然災害社會脆弱性的極差呈現先增大再減小的特點;自然災害社會脆弱性的標準差從2001年的0.456上升到2004年的0.647,而后又下降到2016年的0.359,說明湖北省自然災害社會脆弱性的絕對差異呈現出先增大后縮小的變化趨勢,意味著湖北省各地級市間自然災害社會脆弱性的差距不斷縮小,呈現出均衡發展的態勢;自然災害社會脆弱性的變異系數呈現先增大、再減小、再增大、再減小的“M型”的變化趨勢,意味著湖北省自然災害社會脆弱性的相對差異呈現波動下降的特點;自然災害社會脆弱性的泰爾系數呈現先增后減、再增再減的變化趨勢,進一步驗證了2001—2016年間湖北省自然災害社會脆弱性呈現相對差異變化的特點,綜合絕對差異和相對差異,表明湖北省自然災害社會脆弱性經過16年的螺旋式發展,由區域差距大的高社會脆弱性向區域日趨均衡的中低社會脆弱性格局演變。
湖北省自然災害社會脆弱性存在明顯的“極差化”,武漢市的自然災害社會脆弱性最低,而黃岡市的自然災害社會脆弱性最高,但整體處于中度社會脆弱性狀態。例如以2016年為例,湖北省自然災害社會脆弱性指數的平均值為2.836,其中:武漢市的自然災害社會脆弱性指數最低,為2.294;其次為宜昌市,自然災害社會脆弱性指數為2.422;隨州市、鄂州市、十堰市、襄樊市處于中等社會脆弱性級別;荊州市、咸寧市則由于城鎮登記失業率較高、城鄉居民收入差距指數較大,承災體暴露的數量多、價值大、范圍廣,而抗災救災所需的經濟資源和人力資源不足,在自身敏感性較強、應對能力欠缺的情況下,綜合來看其自然災害社會脆弱性較高;黃岡市的自然災害社會脆弱性最高,可能的原因是一方面該市的經濟基礎薄弱、教育資源匱乏、醫療條件落后、城鎮化進程緩慢,極大地削弱了其社會系統的應對能力,另一方面黃岡市產業結構落后、第一產業占比偏大、經濟發展動力不足,且在人口增長和老齡化加速的壓力下,其城鄉居民收入失衡,城鎮登記失業率居高不下,大大增加了其敏感性,使得該市極易受到自然災害的影響和沖擊。

圖2 鄂東、中、西部地區不同級別自然災害社會脆弱 性地級市的分布圖Fig.2 Distribution map of different levels of social vulnerability to natural disasters in prefectural- level cities in eastern,central and western parts of Hubei Province
湖北省自然災害社會脆弱性存在顯著的“梯度化”空間分異,呈“東高西低”的空間布局,各城市間自然災害社會脆弱性的差別相對穩定。例如以2016年為例,從湖北省行政區域劃分來看,鄂東、鄂中、鄂西所涵蓋的地級市自然災害社會脆弱性指數的平均值分別為2.937、2.737、2.727,呈現鄂東>鄂中>鄂西的空間分異特征,這是因為宜昌市和襄陽市作為省域副中心城市,其經濟基礎相對雄厚、產業結構水平相對較高、城市化和工業化速度相對較快,在一定程度上推動了鄂西地區的經濟社會發展;從湖北省不同級別自然災害社會脆弱性地級市的分布來看,中度社會脆弱性地級市主要分布于鄂西地區,較低社會脆弱性地級市主要集中在鄂中地區,而高社會脆弱性地級市集中分布于鄂東地區,占比高達40%,見圖2;從鄂東、鄂中、鄂西地區內部各級別自然災害社會脆弱性城市的占比來看,鄂東地區高社會脆弱性城市的占比最高,低社會脆弱性、中度社會脆弱性和較高社會脆弱性城市的分布較為均勻,均占比為20%,鄂中地區的荊門市和孝感市的社會脆弱性較低,隨州市和荊州市的社會脆弱性級別分別為中度、較高,鄂西地區中度社會脆弱性城市的占比為66.67%,低社會脆弱性城市的占比為33.33%,見圖3。

圖3 鄂東、中、西部地區內部各級別自然災害社會脆弱性 城市占比示意圖Fig.3 Proportions of cities at all levels of social vulnerability to natural disasters in the east, middle and west of Hubei Province
為了進一步分析湖北省自然災害社會脆弱性在時空上的變化特征,本文根據計算得到的2001—2016年湖北省各地級市自然災害社會脆弱性指數,借助ArcGIS,采用自然斷點法繪制出2003—2015年湖北省各地級市自然災害社會脆弱性的時空分布演變圖,見圖4。

圖4 2003—2015年湖北省各地級市自然災害社會脆弱性的時空分布演變圖Fig.4 Temporal and spatial evolution map of social vulnerability to natural disasters of perfecture-level cities in Hubei Province during 2003—2015
由圖4可以看出:①2003—2015年間湖北省各地級市自然災害社會脆弱性水平呈動態變化,除黃岡市和黃石市的自然災害社會脆弱性明顯增加以外,其他城市的社會脆弱性指數均有不同程度的減少,尤其是荊州市和咸寧市,由高社會脆弱性下降為中度社會脆弱性;②2003—2015年間湖北省各地級市自然災害社會脆弱性水平存在明顯的空間分異規律,呈現“東高西低”的空間布局,武漢市一直保持低社會脆弱性,而黃岡市的社會脆弱性逐漸增高,到2015年黃岡市的社會脆弱性最高。
受地質條件、氣候變化、人類工程活動等因素的影響,湖北省自然災害愈發頻繁,帶來了嚴重的人員傷亡和經濟損失,故評估湖北省自然災害的社會脆弱性對實現防災減災抗災具有現實意義。本文從敏感性和應對能力兩個層面來定義自然災害的社會脆弱性,認為經濟社會系統的敏感性和應對能力存在相互影響、相互制約的關系,在此基礎上提出了自然災害社會脆弱性綜合評估體系和綜合測度模型,并對湖北省12個地級市自然災害的社會脆弱性進行了實證分析。
(1) 基于文獻歸納法,總結出31個自然災害社會脆弱性評價指標,并利用相關分析和主成分分析對原始指標進行篩選,得到13個具有代表性的相互獨立的關鍵指標,形成了湖北省自然災害社會脆弱性綜合評價指標體系。本文雖然采用了相關分析和主成分分析對原始指標數據進行了客觀處理,具備一定的數學理論基礎,在一定程度上解決了評價指標體系信息不全或信息重疊的情況,但是由于本文的研究時間跨度較大,研究區域指標數據欠缺,在數據收集和統計上存在一定的困難,直接導致原始評價指標的選取仍存在不可避免的主觀性[42]。此外,受限于自然災害相關指標數據的可獲得性,本文僅針對自然災害的社會脆弱性展開研究,對人類經濟社會系統和自然環境的耦合作用考慮欠缺,在今后的研究中需要不斷優化評價指標體系,以提高自然災害社會脆弱性評價的精度。
(2) 基于影響自然災害社會脆弱性的因素具有模糊性和復雜性的特點,本文選用熵值法對各評價指標進行客觀賦權,利用二級模糊綜合評價方法來計算湖北省各地級市自然災害的社會脆弱性指數,并對其展開分析,評價結果表明:從空間層面上看,湖北省自然災害社會脆弱性存在明顯的“梯度化”和“極差化”的空間分異特征,呈現“東高西低”的分布格局,整體上處于中度社會脆弱性的狀態;從時間層面上看,湖北省自然災害社會脆弱性多以波動遞減為主,呈現出由“區域大差距、高社會脆弱性向區域小差距、低社會脆弱性格局演變”的趨勢。
(3) 通過ArcGIS的可視化處理,可以清晰地看出湖北省自然災害各級別社會脆弱性的空間格局較為合理,時序演化較為科學,與預期設想和實際的經濟社會系統影響大致相符,在一定程度上證明了本文評價方法的合理性和適用性。但是,本文的評價方法與基于模糊層次分析法評價自然災害社會脆弱性的相關研究相比,在方法運用上存在很大差異[43],相互之間缺少可比性,無法得知所選評價方法的優劣性,在今后的研究中需要進一步的探索。此外,本文沒有針對某種特定類型自然災害來具體分析湖北省自然災害的社會脆弱性,也沒有對未來湖北省各地級市自然災害社會脆弱性的發展趨勢作出預測[44],這都將是未來的研究重點和方向。