城市综合应灾能力的耦合协调度评估

2019-12-05王文和刘林精米红甫

安全与环境工程 2019年6期

王文和，刘林精，张爽，李凤，米红甫

(1.重庆科技学院安全工程学院，重庆 401331；2.重庆市安全生产科学研究院，重庆401331；3.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044)

随着我国经济和社会的高速发展，城市的规模、人口密度等不断扩大，各种事故的发生频率也随之增长，给国家经济和人民的生命、财产、生存环境造成难以估量的损失[1]。而城市综合应灾能力，就是从灾害发生前，直至灾害消失的整个时期内，城市调动自身力量，用科学的方法对灾害加以干预和控制，使灾害尽快消灭和使其带来的损失降到最低的能力[2]。由于城市灾害综合应对是一个巨大的系统，涉及到政府、社会、个体，因此在城市灾害发生过程中，城市综合应灾能力的内部关联强度与外部表现是否协调，则关系到人们能否有效地应对城市灾害，保障城市安全。因此，针对城市应灾能力方面的研究就显得尤为重要。

关于城市综合应灾能力的研究，目前国内外的研究主要集中在以下两方面：一方面，主要是依托技术手段提升城市的综合应灾能力。如：现今美国主要是依托遥感、地理信息系统等先进技术，辅助现有的灾害应对措施，用来提升城市的综合应灾能力[3]；我国王新赛等[4]则提出了短波红外成像、多尺度红外成像预处理、图像自适应增强、环境自适应红外成像、灾情定位及报警等关键技术，探讨了红外成像技术在地下空间灾场的应用，为城市地下空间防灾监测和应急搜救提供基础保障；张靖岩等[5]提出利用数字化技术实现灾害的在线监测、预警、评估和控制，最终达到信息化防灾减灾的目的。另一方面，则是运用技术手段或数学方法对城市综合应灾能力进行评估。如：Klien等[6]利用“地理信息模拟技术”建立了全新的城市灾害应对能力评价指标体系，并根据该评价指标体系对美国23个城市灾害应对能力进行了评价，同时针对评价结果提出了具体的对策和建议；Prashar等[7]开发了灾害下城市社区行动评估工具，该工具可以评估在灾害发生时社区应首先采取哪些行动才能更有利于保障人民的生命和财产安全;王薇等[8]建立了城市综合应灾能力评价指标体系，并利用可拓学理论建立了可拓评价模型，同时运用该模型对长沙市城市综合应灾能力进行了评价;杜鹏等[9]采用层次分析法构建了城市自然灾害综合应对能力评价指标体系和评估模型，并对珠江三角洲城市自然灾害综合应对能力进行了实证性研究。

综上研究可见，目前尚无关于城市综合应灾能力的耦合协调度方面的研究，而城市综合应灾能力的耦合协调度能够更好地度量城市综合应灾能力的内部关联强度和耦合协调程度，预测在灾害发生时城市能否有效地应对灾害[10]。目前国内外对于耦合协调的研究主要集中在企业管理[11]、生态环境[12]、社会发展[13]等方面，其研究相对成熟，有较高的应用潜力。

鉴于此，本文结合熵权法、耦合理论、耦合协调理论，建立了能够评价城市综合应灾能力关联程度的耦合度模型和能够评价城市综合应灾能力协调程度的耦合协调度模型，并以某一典型城市为例，利用建立的模型对该城市综合应灾能力之间的关联程度和协调程度进行了综合评估，预测该城市在灾害发生时能否有效地应对，为我国城市综合应灾能力的发展提供科学的理论指导。

1 城市综合应灾能力评估指标体系的建立

城市应灾能力的原则就是运用科学的方法使灾害尽快消失和使其带来的损失降至最低的能力[14]，根据这一目标，再结合近几年国内外对城市灾害应对的经验与目标，本文将应灾投入力度、交通发达度、相关规章制度、救灾临时集散中心、应急响应速度、消防救助能力、医疗救助能力、应灾宣传教育、灾害自救能力、年龄结构、医疗投入、人口密度作为表征一座城市综合应灾能力的评价指标，并根据其所属主体的不同，将其分为政府应灾能力、社会应灾能力、个体应灾能力3个分目标，从多个角度来衡量城市综合应灾能力，建立的城市综合应灾能力评价指标体系，见表1。

表1 城市综合应灾能力评价指标体系Table 1 Evaluation indexes of urban comprehensive response capability

2 城市综合应灾能力耦合协调发展的机理

城市综合应灾能力最终的目标就是使各组成部分互相适应、互相融合、互相支撑、互相促进，并在整体结构功能上走向完善，以有效地应对城市灾害。具体表现为，政府为社会和个体提供政策和资金上的支持，提高社会和个体的应灾储备能力和应灾意识；社会和个体应灾能力的需求反作用于政府，使其在加大政策和资金投入的基础上，不得不考虑交通的便利性和应急救灾集散中心的容纳量。社会则根据政府的政策、资金的投入和人口的数量合理地配置自身的消防力量和医疗力量，使其能保障区域的消防任务和医疗救助，而又不至于过多，导致资源过剩；同时社会通过对灾害的宣传，会加大个体对应灾和应急救灾知识学习的重视，增加对医疗资金的投入。个体除了响应政府的号召外，由于自身年龄的差异和人口数量的增减，使得政府必须根据他们的情况调整相关的应灾规章制度和资金投入。因此，在城市综合应灾过程中，政府应灾能力是基础，社会应灾能力是关键，个体应灾能力是协助和补充。由此可见，组成城市综合应灾能力的政府、社会、个体应灾各子能力之间存在着不同程度的关联关系(见图1)，而这种关联关系的强弱程度和协调程度可以用耦合度模型和耦合协调度模型进行评判。

图1 城市综合应灾能力耦合关系图Fig.1 Coupling relationship diagram of urban comprehensive disaster response capability

3 城市综合应灾能力耦合协调度评估模型的建立

3.1 城市综合应灾能力评估模型

在不考虑因素耦合作用的情况下，城市综合应灾能力系统的政府、社会、个体应灾能力子系统的综合评价函数可分别表示如下：

(1)

(2)

(3)

式中：xi′、yi′、zi′分别为政府、社会、个体应灾各子能力中各评价指标的指标值，且均经过Decimal scaling小数定标标准化；ai、bi、zi分别为政府、社会、个体应灾各子能力中各评价指标的权重。

评价指标的权重直接影响评价结果，客观、合理地确定评价指标的权重是准确地评估城市综合应灾子能力内部各应灾子能力之间关联程度和协调程度的关键。在信息论中，熵是系统无序程度的度量，它还可以度量数据提供的有效信息量[15]。本文采用熵权法确定评价指标的权重，具体步骤如下:

(1) 评价指标矩阵的构建。设有m个待评价对象，n项评价指标，经过Decimal scaling小数定标标准化，则各待评价对象关于多项评价指标的评价指标矩阵为

(4)

即初始评价指标矩阵Rij=(rij)m×n，其中rij表示第i个评价对象的第j个应灾子能力评价指标值。

(2) 评价指标的标准化处理。由于经Decimal scaling小数定标标准化的数据没有均匀分布在0～1之间，需对其进行标准化处理，使其均匀分布在0～1之间。本文采用Min-Max标准化方法处理，则有

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

(5)

式中:Yij为标准化处理后评价指标的数值；rmaxj、rminj分别为针对同一评价指标、不同评价对象所得的最大值和最小值。

(3) 评价指标熵值的计算。根据标准化处理后的评价指标数值，采用熵权法计算各评价指标的熵值，则第j个评价指标的熵值Ej按下式计算：

(6)

(7)

(4) 评价指标熵权的计算。根据各评价指标的熵值Ej，即可计算各评价指标的熵权wj：

(8)

式中：wj为第j个评价指标的熵权。

据此，可计算得到政府应灾子能力各评价指标的权重ai、社会应灾子能力各评价指标的权重bi、个体应灾子能力各评价指标的权重ci。

3.2 城市综合应灾能力耦合度模型的建立

耦合是指2个(或2个以上)体系通过相互作用而互相影响的现象，耦合度则表示2个(或2个以上)体系的互相依赖程度[16 ]。根据此概念，可将城市综合应灾能力中的政府应灾能力、社会应灾能力、个体应灾能力三者通过各自的耦合元素产生相互作用的现象定义为政府—社会—个体应灾能力耦合，用耦合度模型来量化城市综合应灾能力内部的关联强度。借助物理学中的耦合模型，可得到城市综合应灾能力的耦合度计算模型为

(9)

式中：C表示城市综合应灾能力(即政府—社会—个体)的耦合度；f(x)、g(y)、h(z)分别表示政府、社会、个体应灾各子能力的评价函数。

根据物理学对耦合度的划分，耦合度的取值在0～1之间，体现了系统内部因素间从无关到强耦合的变化过程[17]。而在城市综合应灾能力的耦合度评估中，C=0，表明城市综合应灾能力内部各子能力处于无关状态；C=1时，表明城市综合应灾能力内部各子能力处于强相关状态，具体划分标准见表2。但耦合度大小只能说明城市综合应灾能力内部各应灾子能力相互作用程度的强弱，却无法反映它们之间协调发展水平的高低。

表2 城市综合应灾能力耦合度的划分标准Table 2 Division criterion of coupling degree of urban comprehensive disaster response capability

3.3 城市综合应灾能力耦合协调度模型的建立

系统内各要素间的关系是一个不断调整变化的动态过程，耦合协调度模型能够直观地反映系统内部各子系统间协调状况的变化[19]。因此，为了更好地评判政府、社会、个体各应灾子能力之间交互耦合的协调程度，本文引入城市综合应灾能力的耦合协调度评估模型如下：

T=αf(x)+βg(y)+δh(z)

(10)

式中:C为城市综合应灾能力的耦合度；D为城市综合应灾能力的耦合协调度；T为城市综合应灾能力的综合评价指数；α、β、δ分别为政府、社会、个体各应灾子能力的熵权系数。

耦合协调度能反映出城市综合应灾能力协调程度的高低，它的取值在0～1之间，最大值表示最佳协调状态，其值越小则表示越不协调[18]，具体划分标准见表3。

表3 城市综合应灾能力耦合协调度的划分标准Table 3 Division standard of coupling coordination degree of urban comprehensive disaster response capability

4 案例应用与分析

某城市东、南、北三面环水，西面通陆，是面积为23.71 m2的东西向狭长半岛。2007年该城市常驻人口为63.076 2万人，由于经济发展和人才引进的需要，人口以每年1%的速度增长。该地区属亚热带季风气候，再加上人口众多、建筑密集、城市建设活动频繁，自然环境易受扰动，易发生滑坡、暴雨、洪涝等自然灾害、交通、火灾等安全责任事故。该城市经2008年“汶川大地震”和“南方冰雪灾害”后，一直注重城市综合应灾能力建设，加大预防和应对城市灾害的资金投入，并加强城市灾害的管理。

从该城市的人口规模、经济发展、产业结构等方面来看，其均处于我国的平均水平，对其进行城市综合应灾能力的耦合协调度评估对我国城市灾害管理具有一定的指导意义。因此，本文利用上述建立的模型对该城市的综合应灾能力进行评估。首先获取该城市综合应灾能力评价指标体系的初始数据值；然后运用熵权法得到其权重，并求得该城市综合应灾能力的综合评价指数；最后计算该城市综合应灾能力耦合度和耦合协调度，分析该城市综合应灾能力内部各应灾子能力之间子系统的关联程度和耦合协调程度。

4.1 评价指标初始数据值的获取

该城市综合应灾能力的相关评价指标数据主要来源于《××城市2007—2018年统计年鉴》以及该城市人力资源和社会保障网、人民政府网等，且均经过Decimal scaling小数定标标准化，见表4。

表4 某城市综合应灾能力评价指标体系评价指标初始数据值Table 4 Initial data values of the comprehensive disaster response capability evaluation index system of a city

4.2 计算结果与分析

根据公式(4)至(8)，计算得到该城市综合应灾能力各评价指标的权重值，见表5。

表5 某城市综合应灾能力各评价指标的权重Table 5 Weight values of the evaluation indexes of urban comprehensive disaster response capability

由表5可知，该城市的消防救助能力F和医疗救助能力G指标的权重值最高，符合实际情况。

根据公式(1)至(3)和公式(9)至(10)，计算得到该城市综合应灾能力的综合评价指数、耦合度和耦合协调度，详见表6和图2。

由表6和图2可见，2007—2018年该城市间综合应灾能力的耦合度一直处于高水平耦合状态，其值一直在0.980左右，且波动幅度很小，表明该城市综合应灾能力是一个内部各应急子能力系统之间关联程度极强的系统，即城市综合应灾能力内部的政府、社会、个体子能力之间有很强的交互作用，互相影响明显；该城市综合应灾能力的耦合协调度并不是稳定不变的，耦合协调度一直呈稳步上升趋势，其耦合协调度从2007年的0.662变为2018年的0.830，耦合协调类型也从初级协调型变为了良好协调型。由此可见，2007—2018年间该城市的综合应灾能力一直呈高耦合状态，且其协调程度也一直呈稳步上升趋势，表明该城市的综合应灾能力呈良好发展态势。

表6 某城市综合应灾能力的综合评价指数、耦合度和耦合协调度Table 6 Comprehensive evaluation index,coupling degree and coupling coordination degree of the comprehensive response capability of a city

图2 2007—2018年间某城市综合应灾能力的综合评价指数、耦合度和耦合协调度的变化曲线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

通过查阅资料和咨询相关专家可知，2007—2018年间该城市能将政府的应灾资金投入有效地运用到社会应灾建设上去，而社会也能够根据政府的资金投入、规章制度和人口数量有效地规划和提高城市的消防力量、医疗水平，并进行应灾宣传教育；同时，该城市的交通完全能够满足灾害应急响应和应急疏散的需要，不会因为人口数量过大而导致交通瘫痪，且应急临时疏散点也可以承担起该城市的灾害临时疏散，不会因为面积不够导致不能完全容纳受灾人群；个体也能根据自身的年龄差异和政府的规章制度、社会的应灾宣传进行应灾知识学习，提高应灾能力和医疗投入，确保灾害时能保障自身的人身安全。上述分析结果与通过计算得到的该城市综合应灾能力耦合协调度呈良好发展态势的结果基本相符。