城市綜合應災能力的耦合協調度評估

王文和，劉林精，張 爽，李 鳳，米紅甫

(1.重慶科技學院安全工程學院，重慶 401331；2.重慶市安全生產科學研究院，重慶401331；3.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044)

隨著我國經濟和社會的高速發展，城市的規模、人口密度等不斷擴大，各種事故的發生頻率也隨之增長，給國家經濟和人民的生命、財產、生存環境造成難以估量的損失[1]。而城市綜合應災能力，就是從災害發生前，直至災害消失的整個時期內，城市調動自身力量，用科學的方法對災害加以干預和控制，使災害盡快消滅和使其帶來的損失降到最低的能力[2]。由于城市災害綜合應對是一個巨大的系統，涉及到政府、社會、個體，因此在城市災害發生過程中，城市綜合應災能力的內部關聯強度與外部表現是否協調，則關系到人們能否有效地應對城市災害，保障城市安全。因此，針對城市應災能力方面的研究就顯得尤為重要。

關于城市綜合應災能力的研究，目前國內外的研究主要集中在以下兩方面：一方面，主要是依托技術手段提升城市的綜合應災能力。如：現今美國主要是依托遙感、地理信息系統等先進技術，輔助現有的災害應對措施，用來提升城市的綜合應災能力[3]；我國王新賽等[4]則提出了短波紅外成像、多尺度紅外成像預處理、圖像自適應增強、環境自適應紅外成像、災情定位及報警等關鍵技術，探討了紅外成像技術在地下空間災場的應用，為城市地下空間防災監測和應急搜救提供基礎保障；張靖巖等[5]提出利用數字化技術實現災害的在線監測、預警、評估和控制，最終達到信息化防災減災的目的。另一方面，則是運用技術手段或數學方法對城市綜合應災能力進行評估。如：Klien等[6]利用“地理信息模擬技術”建立了全新的城市災害應對能力評價指標體系，并根據該評價指標體系對美國23個城市災害應對能力進行了評價，同時針對評價結果提出了具體的對策和建議；Prashar等[7]開發了災害下城市社區行動評估工具，該工具可以評估在災害發生時社區應首先采取哪些行動才能更有利于保障人民的生命和財產安全;王薇等[8]建立了城市綜合應災能力評價指標體系，并利用可拓學理論建立了可拓評價模型，同時運用該模型對長沙市城市綜合應災能力進行了評價;杜鵬等[9]采用層次分析法構建了城市自然災害綜合應對能力評價指標體系和評估模型，并對珠江三角洲城市自然災害綜合應對能力進行了實證性研究。

綜上研究可見，目前尚無關于城市綜合應災能力的耦合協調度方面的研究，而城市綜合應災能力的耦合協調度能夠更好地度量城市綜合應災能力的內部關聯強度和耦合協調程度，預測在災害發生時城市能否有效地應對災害[10]。目前國內外對于耦合協調的研究主要集中在企業管理[11]、生態環境[12]、社會發展[13]等方面，其研究相對成熟，有較高的應用潛力。

鑒于此，本文結合熵權法、耦合理論、耦合協調理論，建立了能夠評價城市綜合應災能力關聯程度的耦合度模型和能夠評價城市綜合應災能力協調程度的耦合協調度模型，并以某一典型城市為例，利用建立的模型對該城市綜合應災能力之間的關聯程度和協調程度進行了綜合評估，預測該城市在災害發生時能否有效地應對，為我國城市綜合應災能力的發展提供科學的理論指導。

1 城市綜合應災能力評估指標體系的建立

城市應災能力的原則就是運用科學的方法使災害盡快消失和使其帶來的損失降至最低的能力[14]，根據這一目標，再結合近幾年國內外對城市災害應對的經驗與目標，本文將應災投入力度、交通發達度、相關規章制度、救災臨時集散中心、應急響應速度、消防救助能力、醫療救助能力、應災宣傳教育、災害自救能力、年齡結構、醫療投入、人口密度作為表征一座城市綜合應災能力的評價指標，并根據其所屬主體的不同，將其分為政府應災能力、社會應災能力、個體應災能力3個分目標，從多個角度來衡量城市綜合應災能力，建立的城市綜合應災能力評價指標體系，見表1。

表1 城市綜合應災能力評價指標體系Table 1 Evaluation indexes of urban comprehensive response capability

2 城市綜合應災能力耦合協調發展的機理

城市綜合應災能力最終的目標就是使各組成部分互相適應、互相融合、互相支撐、互相促進，并在整體結構功能上走向完善，以有效地應對城市災害。具體表現為，政府為社會和個體提供政策和資金上的支持，提高社會和個體的應災儲備能力和應災意識；社會和個體應災能力的需求反作用于政府，使其在加大政策和資金投入的基礎上，不得不考慮交通的便利性和應急救災集散中心的容納量。社會則根據政府的政策、資金的投入和人口的數量合理地配置自身的消防力量和醫療力量，使其能保障區域的消防任務和醫療救助，而又不至于過多，導致資源過剩；同時社會通過對災害的宣傳，會加大個體對應災和應急救災知識學習的重視，增加對醫療資金的投入。個體除了響應政府的號召外，由于自身年齡的差異和人口數量的增減，使得政府必須根據他們的情況調整相關的應災規章制度和資金投入。因此，在城市綜合應災過程中，政府應災能力是基礎，社會應災能力是關鍵，個體應災能力是協助和補充。由此可見，組成城市綜合應災能力的政府、社會、個體應災各子能力之間存在著不同程度的關聯關系(見圖1)，而這種關聯關系的強弱程度和協調程度可以用耦合度模型和耦合協調度模型進行評判。

圖1 城市綜合應災能力耦合關系圖Fig.1 Coupling relationship diagram of urban comprehensive disaster response capability

3 城市綜合應災能力耦合協調度評估模型的建立

3.1 城市綜合應災能力評估模型

在不考慮因素耦合作用的情況下，城市綜合應災能力系統的政府、社會、個體應災能力子系統的綜合評價函數可分別表示如下：

(1)

(2)

(3)

式中：xi′、yi′、zi′分別為政府、社會、個體應災各子能力中各評價指標的指標值，且均經過Decimal scaling小數定標標準化；ai、bi、zi分別為政府、社會、個體應災各子能力中各評價指標的權重。

評價指標的權重直接影響評價結果，客觀、合理地確定評價指標的權重是準確地評估城市綜合應災子能力內部各應災子能力之間關聯程度和協調程度的關鍵。在信息論中，熵是系統無序程度的度量，它還可以度量數據提供的有效信息量[15]。本文采用熵權法確定評價指標的權重，具體步驟如下:

(1) 評價指標矩陣的構建。設有m個待評價對象，n項評價指標，經過Decimal scaling小數定標標準化，則各待評價對象關于多項評價指標的評價指標矩陣為

(4)

即初始評價指標矩陣Rij=(rij)m×n，其中rij表示第i個評價對象的第j個應災子能力評價指標值。

(2) 評價指標的標準化處理。由于經Decimal scaling小數定標標準化的數據沒有均勻分布在0～1之間，需對其進行標準化處理，使其均勻分布在0～1之間。本文采用Min-Max標準化方法處理，則有

Yij=(rij-rminj)/(rmaxj-rminj)

(5)

式中:Yij為標準化處理后評價指標的數值；rmaxj、rminj分別為針對同一評價指標、不同評價對象所得的最大值和最小值。

(3) 評價指標熵值的計算。根據標準化處理后的評價指標數值，采用熵權法計算各評價指標的熵值，則第j個評價指標的熵值Ej按下式計算：

(6)

(7)

(4) 評價指標熵權的計算。根據各評價指標的熵值Ej，即可計算各評價指標的熵權wj：

(8)

式中：wj為第j個評價指標的熵權。

據此，可計算得到政府應災子能力各評價指標的權重ai、社會應災子能力各評價指標的權重bi、個體應災子能力各評價指標的權重ci。

3.2 城市綜合應災能力耦合度模型的建立

耦合是指2個(或2個以上)體系通過相互作用而互相影響的現象，耦合度則表示2個(或2個以上)體系的互相依賴程度[16 ]。根據此概念，可將城市綜合應災能力中的政府應災能力、社會應災能力、個體應災能力三者通過各自的耦合元素產生相互作用的現象定義為政府—社會—個體應災能力耦合，用耦合度模型來量化城市綜合應災能力內部的關聯強度。借助物理學中的耦合模型，可得到城市綜合應災能力的耦合度計算模型為

(9)

式中：C表示城市綜合應災能力(即政府—社會—個體)的耦合度；f(x)、g(y)、h(z)分別表示政府、社會、個體應災各子能力的評價函數。

根據物理學對耦合度的劃分，耦合度的取值在0～1之間，體現了系統內部因素間從無關到強耦合的變化過程[17]。而在城市綜合應災能力的耦合度評估中，C=0，表明城市綜合應災能力內部各子能力處于無關狀態；C=1時，表明城市綜合應災能力內部各子能力處于強相關狀態，具體劃分標準見表2。但耦合度大小只能說明城市綜合應災能力內部各應災子能力相互作用程度的強弱，卻無法反映它們之間協調發展水平的高低。

表2 城市綜合應災能力耦合度的劃分標準Table 2 Division criterion of coupling degree of urban comprehensive disaster response capability

3.3 城市綜合應災能力耦合協調度模型的建立

系統內各要素間的關系是一個不斷調整變化的動態過程，耦合協調度模型能夠直觀地反映系統內部各子系統間協調狀況的變化[19]。因此，為了更好地評判政府、社會、個體各應災子能力之間交互耦合的協調程度，本文引入城市綜合應災能力的耦合協調度評估模型如下：

T=αf(x)+βg(y)+δh(z)

(10)

式中:C為城市綜合應災能力的耦合度；D為城市綜合應災能力的耦合協調度；T為城市綜合應災能力的綜合評價指數；α、β、δ分別為政府、社會、個體各應災子能力的熵權系數。

耦合協調度能反映出城市綜合應災能力協調程度的高低，它的取值在0～1之間，最大值表示最佳協調狀態，其值越小則表示越不協調[18]，具體劃分標準見表3。

表3 城市綜合應災能力耦合協調度的劃分標準Table 3 Division standard of coupling coordination degree of urban comprehensive disaster response capability

4 案例應用與分析

某城市東、南、北三面環水，西面通陸，是面積為23.71 m2的東西向狹長半島。2007年該城市常駐人口為63.076 2萬人，由于經濟發展和人才引進的需要，人口以每年1%的速度增長。該地區屬亞熱帶季風氣候，再加上人口眾多、建筑密集、城市建設活動頻繁，自然環境易受擾動，易發生滑坡、暴雨、洪澇等自然災害、交通、火災等安全責任事故。該城市經2008年“汶川大地震”和“南方冰雪災害”后，一直注重城市綜合應災能力建設，加大預防和應對城市災害的資金投入，并加強城市災害的管理。

從該城市的人口規模、經濟發展、產業結構等方面來看，其均處于我國的平均水平，對其進行城市綜合應災能力的耦合協調度評估對我國城市災害管理具有一定的指導意義。因此，本文利用上述建立的模型對該城市的綜合應災能力進行評估。首先獲取該城市綜合應災能力評價指標體系的初始數據值；然后運用熵權法得到其權重，并求得該城市綜合應災能力的綜合評價指數；最后計算該城市綜合應災能力耦合度和耦合協調度，分析該城市綜合應災能力內部各應災子能力之間子系統的關聯程度和耦合協調程度。

4.1 評價指標初始數據值的獲取

該城市綜合應災能力的相關評價指標數據主要來源于《××城市2007—2018年統計年鑒》以及該城市人力資源和社會保障網、人民政府網等，且均經過Decimal scaling小數定標標準化，見表4。

表4 某城市綜合應災能力評價指標體系評價指標初始數據值Table 4 Initial data values of the comprehensive disaster response capability evaluation index system of a city

4.2 計算結果與分析

根據公式(4)至(8)，計算得到該城市綜合應災能力各評價指標的權重值，見表5。

表5 某城市綜合應災能力各評價指標的權重Table 5 Weight values of the evaluation indexes of urban comprehensive disaster response capability

由表5可知，該城市的消防救助能力F和醫療救助能力G指標的權重值最高，符合實際情況。

根據公式(1)至(3)和公式(9)至(10)，計算得到該城市綜合應災能力的綜合評價指數、耦合度和耦合協調度，詳見表6和圖2。

由表6和圖2可見，2007—2018年該城市間綜合應災能力的耦合度一直處于高水平耦合狀態，其值一直在0.980左右，且波動幅度很小，表明該城市綜合應災能力是一個內部各應急子能力系統之間關聯程度極強的系統，即城市綜合應災能力內部的政府、社會、個體子能力之間有很強的交互作用，互相影響明顯；該城市綜合應災能力的耦合協調度并不是穩定不變的，耦合協調度一直呈穩步上升趨勢，其耦合協調度從2007年的0.662變為2018年的0.830，耦合協調類型也從初級協調型變為了良好協調型。由此可見，2007—2018年間該城市的綜合應災能力一直呈高耦合狀態，且其協調程度也一直呈穩步上升趨勢，表明該城市的綜合應災能力呈良好發展態勢。

表6 某城市綜合應災能力的綜合評價指數、耦合度和耦合協調度Table 6 Comprehensive evaluation index,coupling degree and coupling coordination degree of the comprehensive response capability of a city

圖2 2007—2018年間某城市綜合應災能力的綜合評價 指數、耦合度和耦合協調度的變化曲線Fig.2 Variation curves of comprehensive assessment index,coupling degree and coupling coordination degree of the comprehensive disaster response capability of a city from 2007 to 2018

通過查閱資料和咨詢相關專家可知，2007—2018年間該城市能將政府的應災資金投入有效地運用到社會應災建設上去，而社會也能夠根據政府的資金投入、規章制度和人口數量有效地規劃和提高城市的消防力量、醫療水平，并進行應災宣傳教育；同時，該城市的交通完全能夠滿足災害應急響應和應急疏散的需要，不會因為人口數量過大而導致交通癱瘓，且應急臨時疏散點也可以承擔起該城市的災害臨時疏散，不會因為面積不夠導致不能完全容納受災人群；個體也能根據自身的年齡差異和政府的規章制度、社會的應災宣傳進行應災知識學習，提高應災能力和醫療投入，確保災害時能保障自身的人身安全。上述分析結果與通過計算得到的該城市綜合應災能力耦合協調度呈良好發展態勢的結果基本相符。

5 結 論

城市綜合應災能力評估是一個復雜的課題，對城市綜合應災能力內部各子系統之間的關聯程度和耦合協調程度進行科學的評估對推動城市可持續發展具有十分重要的意義。本文建立了城市綜合應災能力的耦合度模型和耦合協調度模型，并利用建立的模型對某城市城市綜合應災能力進行評估，得到以下結論：

(1) 2007—2018年間某城市的綜合應災能力的耦合度一直處于高水平耦合狀態，其值波動幅度很小，且并不受城市綜合應災能力評價指數高低的影響，說明該城市綜合應災能力內部各應災子能力之間的關聯程度極強。

(2) 2007—2018年間某城市綜合應災能力的耦合協調類型由最初的初級協調型變為后來的良好協調型，一直呈穩步上升趨勢，且有可能在未來幾年內發展成為優質協調類型，且當災害發生時，政府、社會、個體之間能夠互相配合，共同有效地應對災害。