城市韌性多因素綜合評估模型研究*

趙冬月，陳長坤，易 亮，雷 鵬，許麗麗

(中南大學(xué) 防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所,湖南 長沙 410075)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,城市地位不斷提升，城市區(qū)域內(nèi)各子系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)越發(fā)緊密，災(zāi)害級聯(lián)效應(yīng)凸顯，新型突發(fā)事件時有發(fā)生。面對新的公共安全形勢，城市管理者應(yīng)聚焦如何減輕災(zāi)害對城市的影響問題。

近年來，通過將韌性思想引入城市防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域,有助于城市管理者解決災(zāi)害對城市的影響問題[1]。各國學(xué)者針對城市韌性開展研究，其中以城市韌性評估作為焦點問題。目前，關(guān)于城市韌性評估方法的研究主要分為定性評估和定量評估2方面。在定性評估研究方面，Hudec等[2]采用經(jīng)濟、社會、社區(qū)管理能力3個維度12 個指標評價斯洛伐克應(yīng)對金融危機的城市韌性差異；白立敏等[3]采用經(jīng)濟、社會、生態(tài)、基礎(chǔ)設(shè)施等4個系統(tǒng)28項指標構(gòu)建城市韌性綜合測度指標體系。在定量評估研究方面主要包括以面積表征韌性的評估方法[4]、以系統(tǒng)功能狀態(tài)函數(shù)表征韌性的方法[5]和以時間為基礎(chǔ)的損失恢復(fù)率表征方法[6]等，大部分定量評估方法僅適用于交通、電網(wǎng)等單一場景，在城市韌性定量評估實踐過程中，部分指標計算所需實際數(shù)據(jù)獲取比較困難。鑒于此，本文將構(gòu)建1種基于災(zāi)害事件嚴重度、承災(zāi)體脆弱性、抵御力、適應(yīng)力、恢復(fù)力等多個因素的城市韌性綜合評估模型，以期為城市管理者開展城市韌性建設(shè)提供決策支持。

1 模型方法

城市韌性指在應(yīng)對各種災(zāi)害時城市系統(tǒng)展現(xiàn)出的抵御力、適應(yīng)力和恢復(fù)力。當(dāng)城市遭遇災(zāi)害時，承災(zāi)體將受到不同程度的影響，城市依靠抵御力抵御災(zāi)害事件沖擊，災(zāi)后通過恢復(fù)力將城市功能恢復(fù)至正常水平，然后城市管理者總結(jié)不足并優(yōu)化城市抵御力和恢復(fù)力，提升城市災(zāi)害適應(yīng)力。城市韌性受城市系統(tǒng)內(nèi)、外部因素共同影響，其中外部影響因素主要為災(zāi)害事件嚴重度，內(nèi)部因素主要為承災(zāi)體脆弱性、災(zāi)害抵御力、適應(yīng)力和恢復(fù)力[7],這5個影響因素共同體現(xiàn)城市韌性的完整作用機制，同時與城市韌性內(nèi)涵相契合。缺失災(zāi)害事件或承災(zāi)體，城市將不會發(fā)生災(zāi)害，城市韌性失去意義；缺失抵御力、適應(yīng)力和恢復(fù)力中的任意1個，城市都不能稱之為具有韌性。

5個因素對城市韌性的影響程度不同，災(zāi)害事件嚴重度和承災(zāi)體脆弱性會對城市韌性造成負面影響，城市災(zāi)害抵御力、適應(yīng)力和恢復(fù)力能在一定程度上增強城市韌性，給城市韌性帶來正面影響。為清晰表現(xiàn)5個因素對城市韌性的正面和負面影響特點，構(gòu)建城市韌性多因素綜合評估模型，如式(1)所示：

(1)

式中：USRi表示城市i的韌性水平；Di、Vi、Ri、Bi和Ai分別表示城市災(zāi)害事件嚴重度、承災(zāi)體脆弱性、恢復(fù)力、抵御力和適應(yīng)力。

1.1 災(zāi)害事件嚴重度Di

災(zāi)害事件指造成生命財產(chǎn)損失或環(huán)境破壞的事件，可分為自然性災(zāi)害事件(如臺風(fēng)、大暴雨、泥石流等)和技術(shù)性災(zāi)害事件(如火災(zāi)、爆炸、交通事故等)[8]。因此，本文用自然災(zāi)害嚴重度DNi與事故災(zāi)難嚴重度DAi共同衡量災(zāi)害事件嚴重度，如式(2)所示：

Di=DNi+DAi

(2)

一般可采用經(jīng)濟損失、傷亡人數(shù)等若干指標衡量自然災(zāi)害和事故災(zāi)難嚴重度。本文采用經(jīng)濟損失占地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值GDPi的比例間接表征2類災(zāi)害事件嚴重度;考慮數(shù)據(jù)可獲得性，采用自然災(zāi)害救助及恢復(fù)重建支出金額間接表示自然災(zāi)害經(jīng)濟損失HLNi[9];依據(jù)《工傷保險條例》關(guān)于一次性工亡賠償標準,將死亡人數(shù)折算為經(jīng)濟損失間接表示事故災(zāi)難經(jīng)濟損失HLAi;事故災(zāi)難死亡人數(shù)主要為生產(chǎn)安全事故死亡人數(shù)。自然災(zāi)害經(jīng)濟損失度DNi和事故災(zāi)難經(jīng)濟損失度DAi可用式(3)表示：

(3)

1.2 承災(zāi)體脆弱性Vi

承災(zāi)體脆弱性是承災(zāi)體在災(zāi)害外動力沖擊下引發(fā)災(zāi)害的期望損失程度，與承災(zāi)體的暴露性和災(zāi)損敏感性有關(guān)[10]。同等強度災(zāi)害下，承災(zāi)體暴露性和災(zāi)損敏感性越高，城市越脆弱，越容易遭受災(zāi)害損失。依據(jù)承災(zāi)體脆弱性概念、影響因素及因素影響方式，采用承災(zāi)體暴露性Ei與損失敏感性Mi的乘積表征承災(zāi)體脆弱性，如式(4)所示:

Vi=Ei·Mi

(4)

1)承災(zāi)體暴露性Ei

承災(zāi)體暴露性是指位于危險地區(qū)容易受到損害的人員、財產(chǎn)、系統(tǒng)或其他成分，可利用城市人口數(shù)量或資產(chǎn)數(shù)量對暴露性進行衡量[11]，承災(zāi)體暴露性越高，城市面臨的災(zāi)害風(fēng)險越大?；谖墨I[11]，采用人口密度ρpi和經(jīng)濟密度ρEi綜合表征承災(zāi)體暴露性，如式(5)所示:

Ei=ρpi+ρEi

(5)

2)災(zāi)損敏感性Mi

災(zāi)損敏感性指當(dāng)承災(zāi)體遭受一定強度外部擾動后受損失的容易程度[12]。災(zāi)損敏感性主要受災(zāi)害事件嚴重度和承災(zāi)體防災(zāi)能力2方面因素影響，災(zāi)害事件嚴重度越高，承災(zāi)體防災(zāi)能力越低，承災(zāi)體的災(zāi)損敏感性越高。根據(jù)2個主要因素的影響機理，承災(zāi)體災(zāi)損敏感性如式(6)所示:

Mi=Di/SNMi

(6)

承災(zāi)體防災(zāi)能力SNMi可用防災(zāi)資金投入力度間接表征[13]，如式(7)所示:

(7)

式中:Φi表示城市防災(zāi)資金投入金額，綜合考慮數(shù)據(jù)完備性，選用行政地區(qū)一般公共預(yù)算支出決算表中關(guān)于城市災(zāi)害防治支出金額間接表示。

1.3 災(zāi)害抵御力Bi

災(zāi)害抵御力是指在外界擾動下，保證城市主要功能結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和生產(chǎn)生活正常運行的能力[14]。城市災(zāi)害抵御力主要取決于城市建筑、設(shè)施和人員的抗干擾能力。衡量災(zāi)害抵御力指標較多，如城市建筑結(jié)構(gòu)剛度、基礎(chǔ)設(shè)施冗余度、人員的自救互救能力等?？紤]承災(zāi)體防災(zāi)能力(SNMi)和預(yù)警能力(EWi)能夠較好地體現(xiàn)城市建筑、設(shè)施和人員抗干擾能力，以此表征災(zāi)害抵御力Bi，如式(8)所示：

Bi=SNMi+EWi

(8)

在城市災(zāi)害預(yù)警能力方面，預(yù)警主要用于提醒潛在受災(zāi)區(qū)域人員及時采取應(yīng)對措施，可從硬件設(shè)施和預(yù)警覆蓋范圍2方面考量。目前，通過電視和移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獲取信息的人占多數(shù)，因此，本文選用電視綜合人口覆蓋率Teli、移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用戶數(shù)Mobi等代表性指標綜合表征城市災(zāi)害預(yù)警能力，如式(9)所示：

EWi=Teli+Mobi

(9)

1.4 恢復(fù)力Ri

恢復(fù)力是指災(zāi)后城市系統(tǒng)通過自我調(diào)節(jié)恢復(fù)到正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)的能力[15]，災(zāi)害造成的破壞程度越大，災(zāi)后恢復(fù)難度就越大。參考文獻[16]，綜合考慮災(zāi)害事件嚴重度Di、城市救援能力Xi衡量城市災(zāi)后恢復(fù)能力，如式(10)所示：

(10)

城市救援能力與城市社會功能和居民自救互救能力有關(guān)，考慮到千人病床數(shù)CSi和應(yīng)急管理事務(wù)支出金額數(shù)HSi在一定程度可表征社會功能在救援方面的作用，城市人口醫(yī)保比例MPi和人均GDPGPi在體現(xiàn)城市居民自救互救能力方面比較合適，因此，城市救援能力如式(11)所示：

Xi=MPi+GPi+CSi+HSi

(11)

1.5 適應(yīng)力Ai

適應(yīng)力是指當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時，城市系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗迅速作出反應(yīng)，降低災(zāi)害影響的能力，與城市經(jīng)濟狀況、居民受教育水平等因素有關(guān)[17]?？紤]教育支出EPi在一定程度上可反映居民受教育水平，人均GDP(GPi)廣泛用于間接表征城市經(jīng)濟狀況，因此適應(yīng)力Ai如式(12)所示：

Ai=EPi+GPi

(12)

2 實例應(yīng)用

2.1 應(yīng)用區(qū)域概述與數(shù)據(jù)收集

考慮數(shù)據(jù)可獲得性和完整性等實際問題，以湖南省14 個市州的實際數(shù)據(jù)信息為例，對建立的城市韌性多因素綜合評估模型進行實際應(yīng)用，并驗證模型可行性。數(shù)據(jù)來源于2020年《湖南統(tǒng)計年鑒》，以及2019年湖南省各市州一般公共預(yù)算支出決算報告、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報等官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)名稱見表1，湖南省14 市州基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息見表2。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)名稱Table 1 Basic data name

表2 湖南省14市州基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息Table 2 Basic data information of 14 cities in Hunan Province

為消除不同量綱對評價指標的影響，選用比重法對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理[18]，如式(13)所示:

(13)

式中:yj為標準化后的數(shù)據(jù);xj為原始數(shù)據(jù);n為城市數(shù)量。

2.2 城市韌性評估與分析

根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，結(jié)合城市韌性評估模型計算湖南省14 市州災(zāi)害事件嚴重度、承災(zāi)體脆弱性、抵御力、適應(yīng)力和恢復(fù)力指數(shù)以及韌性值，見表3。

表3 湖南省14市州城市韌性模型參數(shù)Table 3 Parameters of urban resilience model of 14 cities in Hunan Province

(14)

利用QGIS3.16軟件對湖南省14個市州的災(zāi)害事件嚴重度、承災(zāi)體脆弱性、災(zāi)害抵御力、適應(yīng)力和恢復(fù)力5個城市韌性主要因素以及韌性值進行空間劃分，同時采用自然斷點分類法對相應(yīng)指標進行5 類等級劃分，如圖1所示。

根據(jù)本文模型計算結(jié)果，結(jié)合表3和圖1(f)可知，2019年湖南省城市韌性水平總體呈北高南低的態(tài)勢，但有8個城市的韌性處于中等偏上水平，說明湖南省內(nèi)多數(shù)城市韌性水平較好;對于城市韌性造成負面影響的2 個因素，湖南省內(nèi)災(zāi)害事件嚴重度呈西高東低的趨勢，承災(zāi)體脆弱性呈中部高周邊低的形式，如圖1(a)～(b)所示，且承災(zāi)體脆弱性處于中等以下水平的城市有9個，表明湖南省內(nèi)大部分城市承災(zāi)體承受災(zāi)害能力較強；對于城市韌性具有正面影響的3個因素，湖南省內(nèi)災(zāi)害抵御力水平呈西高東低趨勢，適應(yīng)力和恢復(fù)力水平呈東高西低趨勢，如圖1(c)、(d)、(e)所示；此外，在3個因素中，恢復(fù)力處于較高以上水平的城市數(shù)量相對最多，說明湖南省內(nèi)大部分城市的恢復(fù)力水平較高。綜上，未來湖南省主要可從提升城市災(zāi)害抵御力和適應(yīng)力2方面著手提升城市韌性水平；韌性水平不高的個別城市則需要進一步從自救互救能力、醫(yī)療救助能力、應(yīng)急資金投入等恢復(fù)力因素著手提升城市韌性水平。

2.3 模型可行性分析

一般來說，數(shù)據(jù)是數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到實際場景的重要基礎(chǔ)。在本文構(gòu)建的模型中，所有模型參數(shù)對應(yīng)實際數(shù)據(jù)一般可在各地方統(tǒng)計年鑒、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報以及一般公共預(yù)算支出決算報告中獲取，即便存在個別年份數(shù)據(jù)不全的情況，也可通過向政府部門申請獲取相關(guān)缺失數(shù)據(jù)。另外，模型考慮了數(shù)據(jù)難以獲取的因素，便于在其他不同城市開展韌性評估工作，具可行性和可操作性。

3 結(jié)論

1)綜合考慮城市災(zāi)害事件嚴重度、承災(zāi)體脆弱性、抵御力、恢復(fù)力、適應(yīng)力5個主要因素，構(gòu)建城市韌性多因素綜合評估模型，模型通過逐層深入?；?個因素，使城市韌性綜合評估工作更具可操作性。

2)通過分析城市韌性主要因素特點，評價城市韌性水平，一方面可較好反映城市韌性分布情況，另一方面也可發(fā)掘城市安全發(fā)展中的薄弱環(huán)節(jié)，提出增強城市韌性的相應(yīng)政策建議。

3)本文通過考慮數(shù)據(jù)完備性、連續(xù)性和代表性選取參數(shù)指標，但該參數(shù)指標并不是唯一的，未來可深入探索數(shù)據(jù)獲取新方法及參數(shù)指標權(quán)重關(guān)系，繼續(xù)優(yōu)化評估模型，使模型更加客觀合理。