韧性视角下城市综合应灾能力评估与优化

刘 硕，王志强，2，王陶陶，马婷婷

(1.青岛理工大学 管理工程学院，山东 青岛 266520；2.智慧城市建设管理研究中心(新型智库)，山东 青岛 266520)

0 引言

近年来，城市系统不断遭受人为、自然灾害不确定性的干扰与冲击，给经济与社会的发展带来难以估量的负面影响。 而韧性城市理论强调城市系统凭借自身能力抵御灾害，并通过恰当配置内部资源来适应灾害不确定性的侵扰，俨然已成为解决城市系统危机的新路径。 2016 年通过的《新城市议程》中提出，具备动态与发展特征的韧性城市理论已成为指导国际社会实现可持续发展的基本共识[1]。 综合应灾能力评估作为城市灾害韧性建设和防灾减灾的关键一环，系统内部在防灾过程中协调作用、相互促进是衡量城市可持续发展的核心指标。 如何提高韧性城市综合应灾能力成为学者们的研究热点[2]。

国内外有关韧性城市应灾能力评估方面已取得较丰硕的研究成果。 Bruneau 等[3]通过建立定量评估模型计算基础设施韧性；Rose[4]定义与衡量了经济应灾能力；Cutter 等[5]针对社区层面构建灾害韧性评估(DROP)模型，确定社会灾害韧性评估的定量标准。 自韧性理论引入国内，陈长坤等[6]基于韧性理论与TOPSIS 方法建模评估城市应对雨洪灾害的能力；许兆丰等[7]选取基础设施、经济、社会、组织韧性4 个方面，应用云物元方法建模分析城市灾害韧性；李亚等[8]以韧性基线模型(BRIC)为主线，选取社区、环境、组织韧性等6 个方面建模评估全国288 个城市灾害韧性。

与传统城市防灾独立系统不同，韧性城市防灾系统内部协调作用、互相促进，而耦合协调理论能够客观反映城市系统内部作用与协调程度，有效地应对灾害、预防灾害。 截至目前，有关耦合协调理论多应用于社会发展[9]、生态发展[10]、资源管理[11]，具有极高应用潜力。 鉴于上述研究，本文基于系统间耦合协调原理，综合应用耦合协调理论与熵值法，紧密结合城市灾害韧性建设特征，构建韧性城市综合应灾能力耦合协调度模型，以期定量评估城市灾害韧性综合水平，达到防灾减灾的效果。

1 韧性城市综合应灾能力评估指标体系

1.1 综合应灾能力评估指标体系

综合应灾能力评估的主要目标是应用科学客观的方法预防灾害，降低灾害带来的损失，促进城市灾害韧性建设。 根据这一目标，结合对城市灾害韧性内涵的理解以及对国内外城市灾害韧性评价指标的整理，借鉴Cutter[5]、刘江艳[12]以及郭小东[13]等学者的研究成果，遵循指标体系建立的科学性、代表性、可获得性等原则，选取基础设施韧性、经济韧性、社会韧性、组织韧性、生态韧性5 个层面，15 个指标，采用复合指标法构建韧性城市综合应灾能力评级指标体系(表1)，具备较强的理论解释力。

表1 韧性城市综合应灾能力评估指标体系与权重Tab.1 Evaluation index system and weight of comprehensive disaster response capacity of resilient city

1.2 评估指标分析

韧性城市理论中基础设施韧性确保城市应灾系统稳定性；经济韧性强调系统经济结构多元化，降低灾害对经济的冲击；社会韧性强调人员防灾应灾过程中的互助与自救能力；组织韧性强调人员在防灾应灾过程中的自主能动性；生态韧性则强调防灾应灾时生态环境的适应能力。

2 韧性城市综合应灾能力耦合协调度评估模型

2.1 耦合协调度模型

2 个(或2 个以上)体系或运动形式在相互作用下彼此影响、彼此约束的现象叫做耦合；2 个(或2 个以上)体系或运动形式朝着实现系统目标良性作用的过程叫做协调[14-15]。 在韧性城市综合应灾系统中，基础设施韧性、经济韧性、社会韧性、组织韧性、生态韧性5 个元素不再作为独立系统发挥功能，它们之间存在着不同程度的耦合协调关系。 耦合协调度模型能够恰当的度量各子系统间耦合程度的强弱以及协调状态的变化。

(1)综合评价指数能够客观地反映出5 个子系统之间的差异，该系统中综合评价指数T 的表达式如下:式中， f(x)、f(y)、f(z)、f(h)、f(r) 分别表示基础设施韧性、经济韧性、社会韧性、组织韧性、生态韧性评价函数；α、β、γ、δ、θ 表示各子系统对整个系统良性发展的贡献值，在本文中设置为各子系统熵值。

5 个子系统的评价函数公式分别如下:

式中， wi、wj、wk、wl、wo分别表示各子系统中评价指标的权重；xi、yj、zk、hl、ro分别表示各子系统中评价指标经Decimal scaling 标准化后的值。

(2)本文应用耦合度模型来度量韧性城市综合应灾子系统的协调性，5 者间的耦合度C 表达式如下:

式中，C 表示韧性城市综合应灾5 个系统间耦合度，取值范围为[0，1]。 其值越大，表明系统内部相互作用程度越高，当C ＝1 时，系统内部达到高度耦合状态；反之，当C ＝0 时，系统内部之间无相互作用、无关联。

(3)由于耦合度函数无法描述系统整体发展水平，常出现高耦合度但低发展水平现象。特此引入耦合协调度模型，精准地描述韧性城市应灾子系统之间的协调性与发展水平，其表达式如下:

式中:D 表示韧性城市综合应灾系统耦合协调度，其值越大，表明系统内部协调作用、相互促进，城市灾害韧性建设高水平发展。 为了进一步对韧性城市综合应灾能力作出客观评判，参考华坚等[16]研究成果，本文对耦合协调度发展等级进行划分(表2)。

表2 耦合协调度发展等级划分Tab.2 Development level division of coupling coordination degree

2.2 熵值法

韧性城市综合应灾子系统中各评价指标权重的确定关乎评价结果的准确性、客观性。 确定评价指标权重的方法主要分为主观赋权法与客观赋权法，考虑到主观赋权法难免掺杂个人风险偏好，导致评价结果产生偏差，本文应用熵值法对灾害韧性指标进行客观评价。 源于热力学的熵值法被普遍应用到系统理论中，根据熵的大小判断综合指标离散程度[17]。 本文应用熵值法确定指标权重的具体步骤如下:

(1)构建指标值原始矩阵:有m 个年份，n 个评价指标，则指标原始矩阵U ＝ uij{ }m×n(0 ≤i ≤m，0 ≤j ≤n)，其中uij表示第i 个年份第j 个评价指标的指标值。

(2)对韧性城市综合应灾各子系统中评价指标进行Min-Max 标准化处理得到Vij，使得指标值处于0～1。

(3)评价指标归一化处理:

(4)计算评价指标熵值:

(5)计算评价指标权重:

3 实例应用与优化策略

3.1 数据来源

以某城市为研究对象，该城市常年受到自然灾害的侵袭，并且在2020 年初爆发的新型肺炎中遭受严重损失，所以该城市异常重视城市灾害韧性的建设。 该城市经济规模、人口密度等指标均处于我国平均水平，对其进行综合应灾能力耦合协调度研究具有一定的代表意义。 数据主要来源于2008—2019 年的梯度范围内《某城市统计年鉴》以及中国政府网、某城市人力资源网等，对于无法直接获取的部分数据来源于指数平滑法计算或通过中国宏观数据挖掘分析系统查询分析得到，数据均已经过标准化处理(表3)。

表3 评价指标指标值Tab.3 Evaluation index value

3.2 评价结果与分析

3.2.1 指标权重值分析

按照熵值法确定评价指标权重步骤公式(9)～(11)求取该城市综合应灾各子系统中指标权重值(表1)。 从表1 中可知，权重排序前3 的准则层依次为基础设施韧性、生态韧性与组织韧性；权重排序前5 的指标中医疗救助能力A12、应灾交通能力A13属于基础设施韧性，应灾人员投入A43属于组织韧性，人均绿地面积A52、工业废气处理率A53属于生态韧性。 通过分析发现，在该城市灾害韧性建设过程中，应继续完善基础设施建设、生态环境保护、组织与制度保障，并应在提高经济发展水平与社会保障水平上继续探索，寻求进一步的突破。

3.2.2 综合评价分析

利用综合评价指数模型公式(1)～(6)求取基础设施韧性、经济韧性、社会韧性、组织韧性、生态韧性子系统评价指数及综合评价指数(见表4与图1)。

图1 2008—2019 年某城市综合应灾子系统评价指数与综合评价指数变化曲线Fig.1 Change curve of evaluation index and comprehensive evaluation index of a city's comprehensive disaster response subsystem from 2008 to 2019

表4 2008—2019 年某城市综合应灾子系统评价指数与综合评价指数Tab.4 Evaluation index and comprehensive evaluation index of comprehensive disaster response subsystem of a city from 2008 to 2019

由表4 与图1 可见，基础设施韧性评价指数水平相对较高，整体态势呈现上升趋势，2008—2010 年份上升态势显著，2011—2019 年份呈现出波动态势；社会韧性评价指数水平相对较低，趋势变化缓慢，但整体态势仍然呈现出上升趋势；经济韧性、组织韧性、生态韧性评价指数水平都呈现出良好的上升趋势。 得益于5 个子系统呈现出的上升趋势，该城市综合应灾系统综合评价指数同样呈现出良好的整体上升态势，无明显波动，从研究初期2008 年的0.054 增加到2019 年的0.107。

3.2.3 耦合协调度分析

利用耦合度模型与耦合协调度模型公式(7)～(8)对该城市综合应灾子系统耦合协调度进行测算，并按照耦合协调类型与发展等级进行划分(表5 与图2)。

由表5 及图2 可见，该城市综合应灾子系统间耦合度处于较高水平，且一直稳定在0.95 以上，表明该城市综合应灾各子系统间相互作用程度强烈，交互显著。 然而，该城市综合应灾子系统间耦合协调度虽一直在缓慢提高，由2008 年的0.231 增长到2019 年的0.319，但整体趋势仍较低，勉强达到轻度失调水平，发展等级仅为失调发展等级。 由此可见，该城市综合应灾能力于2008—2019 年间虽有提高，但发展相对缓慢，仍存在一定的进步空间。

图2 2008—2019 年某城市综合应灾子系统耦合度与耦合协调度变化曲线Fig.2 Coupling degree and coupling scheduling change curve of comprehensive disaster response subsystem of a city in 2008—2019

3.3 灾害韧性建设重心与优化策略

富有灾害韧性的城市在应对灾害不确定性侵扰时要具备动态适应能力，即要在基础设施层面具备冗余性，在经济层面具备可恢复性，在社会层面具备协同性，在组织层面具备智慧性，在生态层面具备适应性。 灾害韧性被看作为城市的一种综合应灾能力，韧性城市被看作为一种系统，系统内部元素应相互作用，协调促进。 对于如何提高韧性城市综合应灾能力、促进灾害韧性建设，仍是该领域研究热点。

表5 2008—2019 年某城市综合应灾子系统耦合协调度及发展等级划分Tab.5 Coupling coordination degree and development level division of comprehensive disaster response subsystem of a city from 2008 to 2019

(1)城市精准规划，融入城市更新理念

城市规模的扩张为经济快速发展提供了契机，同时导致了本就不富足的资源更加匮乏。 在大数据分析的基础上，对城市区域内的功能区、产业布局、基础设施等进行科学精准规划，确保灾害发生时资源的合理利用。 此外，应当在城市发展过程中融入城市更新理念，针对各区域的功能与特点制定对应的更新规划，确保城市基础设施冗余性。

(2)促进经济结构多元化发展

目前，我国大多数城市经济发展模式大有雷同，多为单一经济结构，未能充分显现城市的特点。 城市经济应依据城市发展规划与实际情况，一改往日粗放型发展模式，转向内涵式、集约式发展，因地制宜，充分发挥地域优势，推动产业结构的转型升级，从而促进经济结构的多元化发展，提升城市经济可恢复性。

(3)建构共意，强化应急处突能力

目前，尚未具备完善的应灾法规文件，应灾过程中，社会与组织共意驱使人们成为城市救灾的主要力量，具备高度协同性。 对城市居民进行防灾减灾安全教育，演练教学应灾自救互救能力，强化居民在面临灾害时应急处突能力。 此外，在灾害来临时，建立高效、透明的城市综合应灾联控数据平台，允许居民实时掌握应灾、受灾实情，增强信息沟通，避免居民产生恐慌。

(4)生态环境建设，提升修复速率

城市管理者应积极借鉴他国成功应灾的案例，汲取灾害韧性建设经验，统筹生态环境与城市区域的交互、融合。 通过将河流、道路、公园、城市绿化带有机结合，提高建成区的绿地覆盖率；严格控制工业废气、废料、生活污水等污染物的排放，针对区域制定对应的环保政策，促进生态环境建设，提升城市灾后修复速率。

4 结论

(1)为提高城市灾害韧性建设，评估城市综合应灾能力，构建韧性城市综合应灾能力评估指标体系，选取基础设施韧性、经济韧性、社会韧性、组织韧性、生态韧性5 个层面，15 个指标。

(2)借助耦合协调理论与熵值法，构建城市综合应灾能力耦合协调度模型，并利用构建的模型对某城市综合应灾能力进行定量评估，为城市灾害韧性建设评估提供了新思路。

(3)某城市于2008—2019 年间综合应灾子系统间的耦合度一直处于极高的稳定水平，而耦合协调程度较低，仅为失调发展等级，针对某城市灾害韧性建设的薄弱环节，给出对应的优化策略。

(4)城市综合应灾能力评估作为灾害韧性建设的关键一环，涉及到多个领域指标的选取，文中仅选取部分代表性指标进行探讨，指标的选取仍需进一步完善。