应对极端天气城市基础设施弹性能力评价研究

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

乔天璐

QIAO Tian-lu

（南京工业大学土木工程学院）



应对极端天气城市基础设施弹性能力评价研究

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

乔天璐

QIAO Tian-lu

（南京工业大学土木工程学院）

1 引言

全球气候正发生变化，引发的极端天气事件频发，给城市安全和基础设施建设带来严重威胁。例如2010年1月，我国大部分地区遭受寒潮及降雪天气影响，北京、天津等地出现大到暴雪，最低气温突破历史极值，对城市道路、供电等基础设施系统造成重创。2011年7月，南京、武汉等众多城市遭遇极端降水事件，引发城市内涝，暴露出城市排水系统弹性能力不足的问题。这一系列灾害事件都说明极端天气会对城市基础设施建设产生巨大影响。

在国际减灾战略（ISDR）和国际减灾10年（IDNDR）活动相继实施的大背景下，弹性概念兴起国内外学者研究新热潮[1]。但目前弹性评价研究仍处于初步探索阶段，在极端天气条件下，弹性能力研究对象很少为基础设施层面所涉及。因此，本文研究目的在于拓展城市基础设施弹性能力相关理论在应对极端天气尺度上的应用，构建应对极端天气城市基础设施弹性能力评价模型，为优化城市基础设施建设，制定应对极端天气相关策略提供基础科学支撑。

2 理论体系

城市基础设施弹性概念是在弹性概念基础上逐渐发展和丰富起来的，因此，在研究城市基础设施弹性之前需要对弹性概念进行必要梳理。弹性（Resilience）一词来源于拉丁语“resi-lire”，意思是弹回。1973年Holling将弹性概念引申到生态学，将生态系统弹性描述为吸收外界干扰保持存在的能力[2]。随后，弹性概念在生态学、经济学、环境学等方面都有所发展。当弹性概念与城市学结合后，吸取各领域对弹性概念的解读，提出弹性城市概念。弹性联盟（Resilience Alliance）将弹性城市定义为：“城市或城市系统能够消化吸收外界干扰，保持原有结构、功能和主要特征的能力”。弹性城市理论基本内涵包括生态弹性、工程弹性、社会弹性以及经济弹性[4]。本文所研究的基础设施弹性属于工程弹性范畴，工程弹性主要强调城市基础设施系统、社区和城市人口从自然和人为灾难中快速而有效地恢复的能力。研究内容主要包括：评估城市基础设施弹性和采用减灾技术，坚固基础设施系统，确保其在经济社会中正常运行等方面。弹性基础设施系统，特别是给排水、供电、医疗卫生等生命线工程，对于减少极端天气不良影响具有重要意义。

基础设施弹性基本内涵包括快速性（rapidity）和坚固性（robustness）。如图1所示，地震工程跨学科研究中心(Multidisciplinary Centerfor Earthquake Engineering Research，MCEER)构建了城市基础设施弹性能力框架图，用快速性和坚固性反映城市基础设施弹性能力。坚固性代表一定外界压力下的系统保持功能不退化和丧失的能力；而快速性则代表系统为减少损失以及避免未来系统功能紊乱，在最短时间内满足当务之需的能力[5]。McDaniels根据坚固性和快速性内涵，设计影响城市基础设施能力的概念性框架[6]，并以医院为例，通过流程图的形式，阐述如何培育城市基础设施弹性[5]。Bruneau 等从坚固性和快速性内涵出发构建定量模型，计算城市基础设施弹性，其数学表达式为，其中R 表示城市基础设施弹性，Q(t)表示坚固性，dt 表示快速性。通过数量上退化的程度，以及恢复到正常水平所需要的时间，可以用上述微积分的形式进行测量。

3 评价实例3.1 指标体系

城市基础设施系统中道路交通系统、能源系统、给排水系统、通信系统、医疗系统是维持城市居民生活和生产活动所必不可少的城市生命线系统。这些系统抵御灾害破坏的能力直接决定着一个城市能否保持其正常功能。另外，城市经济水平对城市基础设施弹性能力具有重大影响。本文根据极端天气对城市基础设施系统各方面影响，从以下几个方面选取指标（见表1）。

3.2 数据采集

3.2.1 研究对象选择

本文将中国内地划分为华东、华北、东北、西南、西北、中南6大区域，并在此基础上选取中国常住人口大于100万的二线城市作为研究对象[8]。18个城市选择如表2所示。

3.2.2 数据来源

本文数据资料来源于中国城市统计年鉴2014以及相关政府网站上所公开的数据资料（见表3）。

3.3 求解主成分

运用SPSS19.0统计分析软件对上述指标进行分析，按照特征值大于1的原则提取2个主成分因子（累积贡献率为75.831%），实现了指标因子的降维处理（见表4）。

表1 评价指标体系

表2 研究对象

表3 具体数据

表4 解释的总方差

由碎石图2亦可以看出前两个成分对应的斜率较大，选取作为主成分因子；其后的成分对应的斜率几乎没有变化，包含的数据较少，舍弃处理。

3.3.1 主成分综合评价权重的确定

将各指标的值定义为X1，X2，…，X11，则两个主成分的表达式分别为：

图2 碎石图

续表3 具体数据

成分矩阵及各城市得分见表5、表6。

表5 成分矩阵

3.3.2 主成分综合评价结果的评估

把主成分1和主成分2的数值分别乘以各自的方差的算术平方根，得出各地区主成分1和主成分2的得分。综合主成分值越高的城市，应对极端天气基础设施弹性能力越强，反之越弱。根据18个城市的综合主成分值，按照等间距法将城市分为四类。

第一类城市（≥2）为应对极端天气城市基础设施弹性能力最高城市，为厦门市。与其他城市相比，厦门市为沿海城市，经济发达，基础设施系统完善，有适当冗余，弹性能力高。

第二类城市（0～2）为应对极端天气城市基础设施弹性能力较高城市，包括杭州、武汉、成都、南京、天津、昆明、沈阳和西安。这些城市分别代表华东、华北、东北、西南、西北、中南六大区域中经济较发达的城市，说明经济实力与其有一定的相关性。

第三类城市（-2～0）为应对极端天气城市基础设施弹性能力较低城市，包括大连、青岛、呼和浩特、兰州、福州和哈尔滨。地理上，除了福州都属于高纬度地区，受极端天气影响压力大。

第四类城市（-4～-2）为应对极端天气城市基础设施弹性能力低城市，包括吉林和保定，这两个城市都为内地城市，经济发展水平低，气候条件不如沿海城市适宜。

综合六大区域来看，文中六大区域代表城市的平均得分从高到低分别为：中南地区（1.494）；华东地区（1.047）；西南地区（0.599）；西北地区（-0.498）；东北地区（-1.036）；华北地区（-1.131）。

表6 各城市得分情况

5 结束语

近年来，极端高温、暴雨、干旱等极端天气事件对城市造成巨大损害，主动适应极端天气成为国家发展重大战略需求。弹性理论是应对极端天气较有效的措施，但国内在这方面的研究仍处于起步阶段。本文将弹性理论研究对象发展到城市基础设施层面，对目前国内六大区域城市基础设施应对极端天气弹性能力现状进行初步探索。弹性理论在城市学和应对气候变化方面的应用还需进一步探索。

参考文献

[1]刘婧,史培军,葛怡等.灾害恢复力研究进展综述[J].地球科学进展,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.城市韧性:基于国际文献综述的概念解析[J].国际城市规划,2015,2:009.

[4]蔡建明,郭华,汪德根.国外弹性城市研究述评[J].地理科学进展,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]韩小孩,张耀辉,孙福军,等.基于主成分分析的指标权重确定方法[J].四川兵工学报,2012,33(10):124-126.

[8]金桃.中国城市应对气候变化能力评估[D].上海:上海师范大学,2012.

【摘要】从城市基础设施弹性概念和内涵出发，结合极端天气相关理论，基于道路交通、医疗、给排水、通信、能源和城市经济水平6个系统选取指标构建评价指标体系。随后，根据指标体系收集整理全国18个不同地域的城市数据。运用主成分分析法建立评价体系，对极端天气条件下城市基础设施弹性评分。根据城市得分，划分城市基础设施弹性等级，给出评价结果。

(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.

【关键词】城市基础设施；极端天气；弹性

【Keywords】city infrastructure; extreme weather; resilience