城市韧性多因素综合评估模型研究*

赵冬月，陈长坤，易 亮，雷 鹏，许丽丽

(中南大学 防灾科学与安全技术研究所,湖南 长沙 410075)

0 引言

随着社会经济的不断发展,城市地位不断提升，城市区域内各子系统间关联越发紧密，灾害级联效应凸显，新型突发事件时有发生。面对新的公共安全形势，城市管理者应聚焦如何减轻灾害对城市的影响问题。

近年来，通过将韧性思想引入城市防灾减灾领域,有助于城市管理者解决灾害对城市的影响问题[1]。各国学者针对城市韧性开展研究，其中以城市韧性评估作为焦点问题。目前，关于城市韧性评估方法的研究主要分为定性评估和定量评估2方面。在定性评估研究方面，Hudec等[2]采用经济、社会、社区管理能力3个维度12 个指标评价斯洛伐克应对金融危机的城市韧性差异；白立敏等[3]采用经济、社会、生态、基础设施等4个系统28项指标构建城市韧性综合测度指标体系。在定量评估研究方面主要包括以面积表征韧性的评估方法[4]、以系统功能状态函数表征韧性的方法[5]和以时间为基础的损失恢复率表征方法[6]等，大部分定量评估方法仅适用于交通、电网等单一场景，在城市韧性定量评估实践过程中，部分指标计算所需实际数据获取比较困难。鉴于此，本文将构建1种基于灾害事件严重度、承灾体脆弱性、抵御力、适应力、恢复力等多个因素的城市韧性综合评估模型，以期为城市管理者开展城市韧性建设提供决策支持。

1 模型方法

城市韧性指在应对各种灾害时城市系统展现出的抵御力、适应力和恢复力。当城市遭遇灾害时，承灾体将受到不同程度的影响，城市依靠抵御力抵御灾害事件冲击，灾后通过恢复力将城市功能恢复至正常水平，然后城市管理者总结不足并优化城市抵御力和恢复力，提升城市灾害适应力。城市韧性受城市系统内、外部因素共同影响，其中外部影响因素主要为灾害事件严重度，内部因素主要为承灾体脆弱性、灾害抵御力、适应力和恢复力[7],这5个影响因素共同体现城市韧性的完整作用机制，同时与城市韧性内涵相契合。缺失灾害事件或承灾体，城市将不会发生灾害，城市韧性失去意义；缺失抵御力、适应力和恢复力中的任意1个，城市都不能称之为具有韧性。

5个因素对城市韧性的影响程度不同，灾害事件严重度和承灾体脆弱性会对城市韧性造成负面影响，城市灾害抵御力、适应力和恢复力能在一定程度上增强城市韧性，给城市韧性带来正面影响。为清晰表现5个因素对城市韧性的正面和负面影响特点，构建城市韧性多因素综合评估模型，如式(1)所示：

(1)

式中：USRi表示城市i的韧性水平；Di、Vi、Ri、Bi和Ai分别表示城市灾害事件严重度、承灾体脆弱性、恢复力、抵御力和适应力。

1.1 灾害事件严重度Di

灾害事件指造成生命财产损失或环境破坏的事件，可分为自然性灾害事件(如台风、大暴雨、泥石流等)和技术性灾害事件(如火灾、爆炸、交通事故等)[8]。因此，本文用自然灾害严重度DNi与事故灾难严重度DAi共同衡量灾害事件严重度，如式(2)所示：

Di=DNi+DAi

(2)

一般可采用经济损失、伤亡人数等若干指标衡量自然灾害和事故灾难严重度。本文采用经济损失占地区国内生产总值GDPi的比例间接表征2类灾害事件严重度;考虑数据可获得性，采用自然灾害救助及恢复重建支出金额间接表示自然灾害经济损失HLNi[9];依据《工伤保险条例》关于一次性工亡赔偿标准,将死亡人数折算为经济损失间接表示事故灾难经济损失HLAi;事故灾难死亡人数主要为生产安全事故死亡人数。自然灾害经济损失度DNi和事故灾难经济损失度DAi可用式(3)表示：

(3)

1.2 承灾体脆弱性Vi

承灾体脆弱性是承灾体在灾害外动力冲击下引发灾害的期望损失程度，与承灾体的暴露性和灾损敏感性有关[10]。同等强度灾害下，承灾体暴露性和灾损敏感性越高，城市越脆弱，越容易遭受灾害损失。依据承灾体脆弱性概念、影响因素及因素影响方式，采用承灾体暴露性Ei与损失敏感性Mi的乘积表征承灾体脆弱性，如式(4)所示:

Vi=Ei·Mi

(4)

1)承灾体暴露性Ei

承灾体暴露性是指位于危险地区容易受到损害的人员、财产、系统或其他成分，可利用城市人口数量或资产数量对暴露性进行衡量[11]，承灾体暴露性越高，城市面临的灾害风险越大。基于文献[11]，采用人口密度ρpi和经济密度ρEi综合表征承灾体暴露性，如式(5)所示:

Ei=ρpi+ρEi

(5)

2)灾损敏感性Mi

灾损敏感性指当承灾体遭受一定强度外部扰动后受损失的容易程度[12]。灾损敏感性主要受灾害事件严重度和承灾体防灾能力2方面因素影响，灾害事件严重度越高，承灾体防灾能力越低，承灾体的灾损敏感性越高。根据2个主要因素的影响机理，承灾体灾损敏感性如式(6)所示:

Mi=Di/SNMi

(6)

承灾体防灾能力SNMi可用防灾资金投入力度间接表征[13]，如式(7)所示:

(7)

式中:Φi表示城市防灾资金投入金额，综合考虑数据完备性，选用行政地区一般公共预算支出决算表中关于城市灾害防治支出金额间接表示。

1.3 灾害抵御力Bi

灾害抵御力是指在外界扰动下，保证城市主要功能结构稳定和生产生活正常运行的能力[14]。城市灾害抵御力主要取决于城市建筑、设施和人员的抗干扰能力。衡量灾害抵御力指标较多，如城市建筑结构刚度、基础设施冗余度、人员的自救互救能力等。考虑承灾体防灾能力(SNMi)和预警能力(EWi)能够较好地体现城市建筑、设施和人员抗干扰能力，以此表征灾害抵御力Bi，如式(8)所示：

Bi=SNMi+EWi

(8)

在城市灾害预警能力方面，预警主要用于提醒潜在受灾区域人员及时采取应对措施，可从硬件设施和预警覆盖范围2方面考量。目前，通过电视和移动网络设备获取信息的人占多数，因此，本文选用电视综合人口覆盖率Teli、移动网络设备用户数Mobi等代表性指标综合表征城市灾害预警能力，如式(9)所示：

EWi=Teli+Mobi

(9)

1.4 恢复力Ri

恢复力是指灾后城市系统通过自我调节恢复到正常运转状态的能力[15]，灾害造成的破坏程度越大，灾后恢复难度就越大。参考文献[16]，综合考虑灾害事件严重度Di、城市救援能力Xi衡量城市灾后恢复能力，如式(10)所示：

(10)

城市救援能力与城市社会功能和居民自救互救能力有关，考虑到千人病床数CSi和应急管理事务支出金额数HSi在一定程度可表征社会功能在救援方面的作用，城市人口医保比例MPi和人均GDPGPi在体现城市居民自救互救能力方面比较合适，因此，城市救援能力如式(11)所示：

Xi=MPi+GPi+CSi+HSi

(11)

1.5 适应力Ai

适应力是指当灾害发生时，城市系统根据经验迅速作出反应，降低灾害影响的能力，与城市经济状况、居民受教育水平等因素有关[17]。考虑教育支出EPi在一定程度上可反映居民受教育水平，人均GDP(GPi)广泛用于间接表征城市经济状况，因此适应力Ai如式(12)所示：

Ai=EPi+GPi

(12)

2 实例应用

2.1 应用区域概述与数据收集

考虑数据可获得性和完整性等实际问题，以湖南省14 个市州的实际数据信息为例，对建立的城市韧性多因素综合评估模型进行实际应用，并验证模型可行性。数据来源于2020年《湖南统计年鉴》，以及2019年湖南省各市州一般公共预算支出决算报告、国民经济和社会发展统计公报等官方统计数据。基础数据名称见表1，湖南省14 市州基础数据信息见表2。

表1 基础数据名称Table 1 Basic data name

表2 湖南省14市州基础数据信息Table 2 Basic data information of 14 cities in Hunan Province

为消除不同量纲对评价指标的影响，选用比重法对数据进行无量纲化处理[18]，如式(13)所示:

(13)

式中:yj为标准化后的数据;xj为原始数据;n为城市数量。

2.2 城市韧性评估与分析

根据收集到的数据，结合城市韧性评估模型计算湖南省14 市州灾害事件严重度、承灾体脆弱性、抵御力、适应力和恢复力指数以及韧性值，见表3。

表3 湖南省14市州城市韧性模型参数Table 3 Parameters of urban resilience model of 14 cities in Hunan Province

(14)

利用QGIS3.16软件对湖南省14个市州的灾害事件严重度、承灾体脆弱性、灾害抵御力、适应力和恢复力5个城市韧性主要因素以及韧性值进行空间划分，同时采用自然断点分类法对相应指标进行5 类等级划分，如图1所示。

根据本文模型计算结果，结合表3和图1(f)可知，2019年湖南省城市韧性水平总体呈北高南低的态势，但有8个城市的韧性处于中等偏上水平，说明湖南省内多数城市韧性水平较好;对于城市韧性造成负面影响的2 个因素，湖南省内灾害事件严重度呈西高东低的趋势，承灾体脆弱性呈中部高周边低的形式，如图1(a)～(b)所示，且承灾体脆弱性处于中等以下水平的城市有9个，表明湖南省内大部分城市承灾体承受灾害能力较强；对于城市韧性具有正面影响的3个因素，湖南省内灾害抵御力水平呈西高东低趋势，适应力和恢复力水平呈东高西低趋势，如图1(c)、(d)、(e)所示；此外，在3个因素中，恢复力处于较高以上水平的城市数量相对最多，说明湖南省内大部分城市的恢复力水平较高。综上，未来湖南省主要可从提升城市灾害抵御力和适应力2方面着手提升城市韧性水平；韧性水平不高的个别城市则需要进一步从自救互救能力、医疗救助能力、应急资金投入等恢复力因素着手提升城市韧性水平。

2.3 模型可行性分析

一般来说，数据是数学模型应用到实际场景的重要基础。在本文构建的模型中，所有模型参数对应实际数据一般可在各地方统计年鉴、国民经济和社会发展统计公报以及一般公共预算支出决算报告中获取，即便存在个别年份数据不全的情况，也可通过向政府部门申请获取相关缺失数据。另外，模型考虑了数据难以获取的因素，便于在其他不同城市开展韧性评估工作，具可行性和可操作性。

3 结论

1)综合考虑城市灾害事件严重度、承灾体脆弱性、抵御力、恢复力、适应力5个主要因素，构建城市韧性多因素综合评估模型，模型通过逐层深入模化5个因素，使城市韧性综合评估工作更具可操作性。

2)通过分析城市韧性主要因素特点，评价城市韧性水平，一方面可较好反映城市韧性分布情况，另一方面也可发掘城市安全发展中的薄弱环节，提出增强城市韧性的相应政策建议。

3)本文通过考虑数据完备性、连续性和代表性选取参数指标，但该参数指标并不是唯一的，未来可深入探索数据获取新方法及参数指标权重关系，继续优化评估模型，使模型更加客观合理。