基于熵权法的四川省城市韧性评价及其时空特征分析

杨 丹，周 波，赵薇可，成受明

(四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065)

1 引言

随着城镇化进程的加快，城市系统所面临的不确定性因素和未知风险也在不断增加，任何一个子系统遭到破坏或退化，都可能对整个城市造成致命的伤害，如：极端气候引发的干旱与洪涝；地壳运动导致的地震与海啸；恐怖袭击和传染病传播带来的社会恐慌；高密度开发与管理不善形成的空间混乱等[1～3]。传统的城市安全与防灾理念已经不能满足未来城市的发展要求，如何提高城市系统面对灾害事件等不确定因素的响应和适应能力，增强城市韧性，成为规划界关注的热点与焦点问题[4]。2013年3月，联合国减灾署在报告中提出建议，在全世界范围建设“弹性城市”，来应对灾害与风险[5]。

四川省是我国的资源大省、人口大省、经济大省，人口高达8000多万人，自然灾害种类繁多、发生频率高[6]。2008年发生的汶川大地震、2013年发生的雅安庐山地震都对城市安全发展带来很大挑战，如何增强城市韧性发展水平对保障城市安全与可持续发展有着重大意义。四川省共有21个地级行政区划单位，其中包括18个地级市，3个自治州。但是，由于自治州相关统计数据的缺失，在本次研究中暂不考虑，最终选取18个地级市作为本次研究的样本，研究范围如图1所示。

本研究基于评价指标体系，对四川省各城市的城市韧性进行整体评价，分析四川省城市韧性的空间特征；取2008年汶川地震为时间节点，分别评价2007 年与2017年的城市韧性，通过比较10年前后各城市韧性指数，分析四川省城市韧性的时间特征；最后，通过对城市韧性的维度分析，判断影响各城市韧性指数的主要因素，为城市韧性的建设工作提供可靠的依据。

图1 研究区示意

2 城市韧性评价指标体系

2.1 城市韧性概念界定

1973年，生态学家霍林应用韧性思想定义生态系统稳定状态的特征，被认为是现代韧性理论的起源[7]。2000年之后，韧性概念从社会—生态系统研究扩展到社会—经济系统，并得到广泛应用[8]。联合国减灾署对“韧性”的定义为:“韧性是一个系统、社区或者社会暴露于危险中时能够通过及时有效的方式抵抗、吸收、适应并从其影响中恢复的能力，包括保护和恢复其必要基础设施的功能[9]。”国际地方环境会对韧性城市的内涵进行阐述，即：在长期发展中形成面对外来干扰能迅速挥发，承受自身内在变化后能保持相对稳定的城市[10]。综上所述，城市韧性是稳定能力、适应能力与恢复能力的结合。

2.2 评价指标体系的构建

国外对于韧性评价研究比较早,构建了初步的理论分析框架与研究体系雏形。Bruneau等学者构建了系统的韧性机能曲线评价模型，通过基础设施机能随时间的变化曲线计算地震韧性[4]；Woolf等人，提出ASPIRE模型，对外部资源、资产、能力和质量4个方面打分，对社区韧性进行评估[11]；Cutter等学者先提出DROP模型，从社会、经济、制度和生态等6个方面构建评估指标体系,2014年，以DROP模型为基础，将城市韧性分为社会韧性、经济韧性、社区韧性、环境韧性等6个部分，构建社区基线韧性评价指标体系(BRIC)[4，12]。BRIC模型考虑的因素比较全面，可操作性强，在研究领域中，得到了广泛的运用。

相较于国外城市韧性评估的研究进展，国内的研究尚且处于初级阶段。多数研究选择在借鉴国外理论的基础上，因地制宜，构建符合实际情况的评估模型。刘江艳与曾忠平借鉴城市可持续发展的评价指标体系，通过城市生态弹性、经济生态弹性、城市工程弹性和城市社会弹性等指标对城市韧性进行评价[13]。李亚以韧性基线模型(BRIC)为基础，构建了我国的城市灾害韧性评价指标体系[4]。赵丹等学者则借鉴奥雅纳公司提出的韧性城市研究框架，从城市系统与韧性管理两个维度出发，建立适应于北京市的韧性评价指标体系[14]。

对比不同评价模型的优缺点，并出于对操作可行性的考虑，最终，选取韧性基线模型(BRIC)作为研究基础，从经济韧性、社会韧性、环境韧性、基础设施韧性、社区韧性及组织韧性6个维度出发，构建针对四川省的城市韧性评价指标体系。本文参考国内外文献的研究成果，根据评价因子在文献中的出现频率，结合四川省的实际情况与数据获取的难易程度，确定评价因子。本次研究的基础数据主要来源于《四川统计年鉴》，部分数据通过《四川省2010年人口普查资料》《四川省2000年人口普查资料》以及《中国城市统计年鉴》进行补充，还有一些数据则是通过基础数据进行运算获得。对于少数缺失数据，则通过选取其相邻年份同类型数据进行替代。

构建的城市韧性评价指标体系如表1所示。

3 研究方法

本文采用熵权法进行韧性评价，将各单元的信息进行量化与综合, 对各因子赋权，以简化评价过程。熵权法根据指标变异性的大小，基于指标的本身来确定权重, 克服了传统方法在确定评价指标权重因子时主观因素的影响，能够得到相对客观的结果。

3.1 数据标准化处理

在多指标评价体系中，由于各评价指标的性质不同，通常具有不同的量纲与数量级。为了消除由此带来的影响，保证结果的可靠性，需对原始指标的数据进行标准化的处理。本文选取极值法，对原始数据进行线性变换。

本文所选的指标存在正向指标与负向指标，其中失业率、生产总值能耗、65岁以上人口比重、人口密度、文盲占15岁以上人口比重、最低生活保障人口占比、工业二氧化硫排放量以及人均日生活用水量为负向指标，其余的18项指标为正向指标。针对不同类型的指标，采取不同的标准化方式。

表1 城市韧性评价指标体系及权重

对于原始标准越大越好的正向指标，处理公式为：

Yij=Xij-Min(Xij)/Max(Xij)-Min(Xij)

(1)

对于原始标准越小越好的负向指标，处理公式为：

Yij=Max(Xij)-Xij/Max(Xij)-Min(Xij)

(2)

公式(1)、(2)中,Xij为第i个单位的第j个指标的原始值，Yij为经过标准化处理后的第i个单位的第j个指标。

3.2 定义标准化

(3)

3.3 计算信息熵

(4)

公式(4)中，ej为第j项指标的信息熵值，某指标的熵值ej越小, 说明该指标提供的有用信息越多, 在综合评价中所起到的作用越大, 其权重越大;反之亦然。

3.4 计算信息熵冗余度

dj=1-ej

(5)

公式(5)中，dj为信息效用值，dj值越大，表明指标越重要，对评价的重要性就越大。

3.5 计算指标权重

(6)

公式(6)中，Wj为第j项指标的权重，详细结果见表1。

3.6 综合评价

F=∑wjyij

(7)

4 结果分析

以两年为间隔，将2007～2017年各城市年均数据代入公式，得到各指标权重，见图2。在各项指标中，权重较大的有GDP、规模以上工业企业个数、移动电话用户数、互联网用户数、医疗保险覆盖率与失业保险覆盖率，这些评价因子对城市韧性影响显著。反之，人均日生活用水量与人口密度权重较小，对城市韧性的影响甚微。

4.1 四川省城市韧性空间特征分析

将2007～2017年的年均数据，代入公式(7)，可得四川省18个地级市的城市韧性指数，详情见表2。

四川省18个地级市城市韧性的平均值为0.2860。成都市韧性指数高达0.8457；攀枝花市位列第二，韧性指数为0.3984，与成都市差距显著；德阳市韧性指数为0.3496，位居第三，与第二名的差异明显缩小；韧性指数最小的城市是巴中市，韧性指数为0.1945。城市韧性指数最大值约为最小值的4.35倍。

图2 城市韧性指标权重

表2 四川省各地级市城市韧性指数

为了清晰地显示结果，本研究采取标准差分类法，选取1倍的标准差的分类间隔对城市韧性指数的计算结果进行了分类，指标区间依次为0.1945～0.2137、0.2137～0.3583、0.3583～0.5028、0.5028～0.6474、0.6474～0.8457，城市韧性由差到优，分别对应五级、四级、三级、二级、一级。

经统计，一级韧性城市与三级韧性城市各1个，四级韧性城市12个，五级韧性城市4个，二级城市出现断层，大量城市处于四级水平，四级与五级城市共计16个，超过参评城市数量的4/5(图3)。成都市作为四川的省会，城市韧性优势显著，资阳市、眉山市与遂宁市虽与成都市相临，韧性水平反而较低，与成都市形成鲜明的对比。成都市作为一级韧性城市，自身发展条件优越，通过吸引周边城市的资源，累积集聚优势，但对周边城市辐射带动作用不强，呈单中心极核式发展，空间分异现象显著。

总体而言，四川省城市整体韧性水平不高，各城市韧性发展水平差异显著，省域中心城市韧性水平优势显著，其他各城市韧性呈低水平均衡分布态势， 二级韧性城市断层严重，省域中心城市边缘地区韧性发展水平偏低。

4.2 四川省城市韧性时间特征分析

2007年与2017年四川省各地级市城市韧性水平如图4所示。10年来，除攀枝花市的城市韧性趋势类型为负向演变外，其余17个城市的城市韧性趋势类型为正向演变。成都市一直保持较高韧性值，其余城市2007年与2017年的城市韧性指数均在0.2～0.4区间内变化，整体仍处于低韧性水平。

由于每个城市的韧性建设基础不同，通过公式 “(2017年韧性指数-2007年韧性指数)/2007年韧性指数”的计算值来分析每个城市的韧性波动幅度。结果如图5所示，洪涝灾害多发的泸州市、南充市与地质灾害多发的内江市、雅安市，韧性增长幅度显著，而资阳市、达州市与绵阳市的增长不明显。

进一步观察不同维度的韧性演变趋势，详情见图6。除却个别有特殊情况的城市，四川省各维度韧性趋向于正向演变。其中，经济韧性与基础设施韧性发展不明显，社会韧性发展趋于平缓，社区韧性演变趋势不稳定，环境韧性与组织韧性水平有显著的提升。表明经济发展与环境保护之间在近10年存在矛盾，如何正确处理经济发展与生态环境的关系，实现“双赢”，是提高四川省城市韧性的要点。

总体而言，四川省城市韧性趋势类型为平缓正向演变，城市韧性排名波动较大，灾害多发城市积极主动地提高韧性应对灾害与风险，但是，大多数城市韧性值依旧处于低韧性水平，有较大的提升空间。其中，环境韧性与组织韧性水平显著提高，经济韧性水平发展滞缓。

4.3 四川省城市韧性维度特征分析

为了便于对各个地区的城市韧性建设提出针对性的建议，基于2017年的数据，对不同维度下各个城市的韧性与不同城市的各个维度的韧性进行分析，具体情况如图6与图7所示。

不同维度下各城市的韧性进行对比，除环境韧性与社区韧性外，成都市均处于首位，尤其在经济韧性与基础设施韧性方面，优势显著。就社会韧性而言，除成都市领先，宜宾市、达州市与泸州市相对较好外，其他城市之间差异不明显。对组织韧性进行分析，绵阳市与广安市劣势较明显。在环境韧性方面，自贡市与南充市领先，达州市与攀枝花市有较大的上升空间。社区韧性维度下，攀枝花市水平优越，成都市、广元市、内江市与南充市良好，资阳市亟待提升。

进一步针对每个城市不同维度的韧性进行分析，普遍而言，社会韧性水平相对较高，社区韧性与基础设施韧性水平相对较低。个别城市存在特殊情况，攀枝花市的社区韧性仅次于社会韧性，基础设施韧性与环境韧性水平较差；除社区韧性外，成都市还需在环境韧性方面加强建设；绵阳市须在组织韧性上多下功夫；对达州市而言，环境韧性也是其不可忽视的短板；雅安市与巴中市的韧性短板还有经济韧性。

图3 2007～2017年四川省各地级市年均城市韧性空间分布

图4 2007年与2017年四川省各地级市城市韧性

图5 2007～2017年四川省各地级市城市韧性波动幅度

总体而言，不同维度，处于劣态的城市不同；不同城市，韧性短板不同。其中，在经济韧性与基础设施韧性方面，城市间的差距显著；社区韧性与基础设施韧性是大多数城市的韧性短板。只有找准城市的韧性短板，克服这些薄弱环节，有针对性地进行提升，城市韧性建设才能得到更好的发展。

5 结论与建议

韧性评价有助于认识城市的韧性情况，是前期预判与后续决策的前提。本研究通过构建评价模型，利用统计数据进行定量分析，得出以下结论：

(1)四川省城市整体韧性水平不高，韧性差异显著，有明显的空间分异特征。一级韧性城市具有绝对优势，二级韧性城市出现断层，大量城市集中在四级与五级水平。成都市与其周边城市韧性差异显著。总体而言，城市应对风险时的稳定能力、适应能力与恢复能力比较弱。

(2)四川省城市韧性趋势类型为平缓正向演变。近10年间，除攀枝花市外，其余城市韧性均有所提高，但提升幅度不大，城市韧性还处于较低水平。环境韧性与组织韧性水平显著提高，经济韧性水平发展滞缓。

(3)不同维度，处于劣态的城市不同；不同城市，韧性短板不同。在经济韧性与基础设施韧性方面，城市间的差异较大。各城市的社会韧性得分相对较高，而其社区韧性与基础设施韧性得分相对较低，是大多数城市的韧性短板。

针对所得的结论，结合影响因素的分析结果，提出如下建议：

(1)倡导全省区域协同韧性发展。成都市充分发挥辐射带动作用，带动周边城市的发展；其余城市牢牢把握成都、重庆特大城市发展的溢出效应，借势借力、相互促进、协调发展，缩小地区间的发展差距，提升四川省城市韧性的整体水平。关注成都市周边地区城市韧性的提高，避免出现“灯下黑”现象。

(2)通过社区建设带动城市韧性水平提升。随着社区在社会治理中的作用日益提升，重视社区防灾减灾能力的提升，充分发挥社区在应急管理体系中的作用。以社区为单位，健全其救灾体系，提高社区应对风险的能力，达到城市韧性水平的提升。

(3)提高城市基础设施资金投入力度。城市基础设施系统是安全防灾的保障，为抗灾救灾提供硬件支撑。通过完善教育、医疗、民政、通信等公共服务设施，推动城市防洪、防震等防灾减灾体系建设。

(4)强化底线安全意识，形成绿色发展方式，平衡经济发展与环境保护。环境保护与经济发展之间存在着对立统一的关系，经济发展要以保护保护环境为条件，环境保护亦需要经济的支撑。通过传统经济向绿色经济转变，在转变中实现结构增长，实现“效率、和谐、持续”三位一体的发展目标。强化空间管控边界线的约束作用，为可持续发展预留空间。

图6 2007年与2017年四川省各维度城市韧性比较

图7 2017年四川省各城市不同维度韧性比较