基于3D-3MIEIC Model的社区灾害韧性评价研究

2022-12-08宁世强高郭平李晓艳康与涛

西安科技大学学报 2022年6期

宁世强，高郭平，李晓艳，康与涛

（1.上海海事大学海洋科学与工程学院，上海 201306；2.上海海洋大学海洋生态与环境学院，上海 201306；3.中原工学院能源与环境学院，河南郑州 451191）

0 引言

随着全球气候变暖，海平面上升加速，极端天气事件频发且强度加剧，气候变化给人类带来愈多风险挑战[1]，高温热浪、干旱、山洪、低温、台风、风暴潮、洪涝等引起的灾害给城市带来的冲击愈加显著，严重威胁着城市系统的良性协调发展与安全运行。联合国政府间气候变化专门委员会于2022年发布的《气候变化2022：影响、适应和脆弱性》报告指出，在自然灾害发生不可避免的前提下，适应气候是减轻气候变化风险的重要方案[2]，基于工程措施和非工程措施提高全社会的自然灾害应对能力是适应气候变化的必然途径。

韧性（Resilience）一词最早源于拉丁语Resilio，意为‘弹回’，为系统在外界扰动下吸收、适应和恢复的能力[3]。城市韧性即城市系统和区域通过合理准备、缓冲和应对不确定性扰动，实现公共安全、社会秩序和经济建设等正常运行的能力[4]。现代城市安全管理关注点从对外在危险源的被动式防御到城市内部脆弱性研究，再到面对不确定性的扰动通过采取适应、调整和改进策略塑造城市系统安全韧性上侧重[5-6]。基于气候风险适应性理念，建设韧性城市，需增强城市防灾减灾和承灾能力，提高城市灾害韧性。

韧性研究方法主要包括：基于韧性曲线研究韧性在时间维的变化，通过统计分析、GIS和情景构建等进行系统建模，韧性综合评价指标体系构建等3方面[7]。韧性评价方面，CUTTER等较早提出DROP（Disaster Resilience of Place）模型[8]，基于自然环境、社会系统和建筑系统的交互侧重于研究社区层面的灾害韧性研究，将社区韧性指标划分生态、社会、经济、制度、基础设施和社区能力等6个维度，基于社区基线韧性指数BRIC（Baseline Resilience Index for Communities）为社区防灾减灾提供基线指标[9]；国际化标准组织分别于2014和2019年制定《ISO 37120城市可持续发展指标体系》和《ISO 37123社区可持续发展-韧性城市指标》，为城市服务及生活质量标准化和韧性评估提供方法[10-11]；洛克菲勒基金会提出城市韧性指标体系CRI，涉及健康与福利、经济与社会、基础设施与环境和领导与策略等4项156个具体问题[12]。安全与灾害韧性评估方面，黄弘等基于城市安全韧性三角形理论模型从承灾系统和安全韧性管理2个维度构建安全韧性指标体系对北京市进行安全韧性评价[13]；针对地铁火灾安全管理问题，黄亚江等建立环境、人员、设备、管理安全韧性评估体系，基于AHP-PSO与改进CRITIC的主客观赋权模糊评价法确定韧性指标体系及其权重，对上海市人民广场地铁站进行韧性评估验证[14]；LU等提出一种城市群韧性综合评估方法[15]，研究长三角城市群韧性水平动态演化过程，分析城市韧性空间集聚和分布特征；石媛从韧性城市视角构建社区减灾能力评价体系[16]，在南京7家湾社区进行实证得到较好评价效果。

综上可知，韧性评估方法与评价指标逐渐多元化和具体化，在气候变化加速，极端天气风险加剧的情况下，基于系统思维对气候扰动下进行社区等小尺度场所的防灾减灾韧性评估尚存在较大研究空间。目前韧性城市研究多集中于基础设施韧性、国土韧性和经济韧性等方面，同时国内城市韧性与气候变化适应研究以国家和地区尺度居多，对于社区和家庭尺度研究偏少[17-18]。社区是城市建设的基础单元，社区防灾减灾与人息息相关，通过社区韧性评价研究，找出并补齐韧性社区建设薄弱环节，有助于提高社区防灾减灾能力，提高社区灾害韧性，构建韧性社区对建设韧性城市具有重要意义[19]，基于此，作者结合现有韧性评价研究，结合安全科学方法，基于系统思维构建并应用3D-3MIEIC理论模型，提出一种社区韧性评价方法并进行实证研究。

1 模型构建

以系统视角审视城市和社区防灾减灾问题可知，系统安全韧性为系统安全的一个属性，黄浪等将系统安全韧性定义为系统在一定时空内面对风险的冲击与扰动时，吸收维持、恢复和优化系统安全状态的能力，强调了韧性的学习特性[20-21]。基于吴超提出的3MS-5Meic系统理论模型[22]和范维澄等提出的公共安全三角形模型[23]，构建气候变化背景下的3D-3MIEIC理论模型，如图1所示，3D-3MIEIC模型7要素分别为人（Man）、管理（Management）、物（Material）、基础设施（Infrastructure）、环境（Environment）、信息（Information）和文化（Culture）等，其中气候扰动即气候变化导致的灾害作用于城市系统后对其良性运行与协调发展所产生的影响，由于灾害的类型、程度以及系统安全脆弱性的差异，基于系统结构与功能进而表现出不同的防灾减灾能力，体现出不同的社区韧性；3D则指代韧性的吸收、适应和学习恢复等3个维度（Dimension），该模型基于系统思维，从气候灾害扰动对系统各要素的影响出发，通过研究各要素对灾害的吸收、适应和学习恢复能力进而提高系统的整体防灾减灾韧性。

图1 3D-3MIEIC理论模型Fig.1 3D-3MIEIC theoretical model

基于3D-3MIEIC理论模型将灾害韧性评价流程划分为8个步骤：确定气候扰动导致的灾害类型—确定系统尺度—界定系统元素—构建指标体系—确定评价方法—系统韧性评价—评价验证与改进。首先确定研究系统范围如国家、城市、社区和家庭等尺度；依据系统尺度确定所研究系统所包含的人、管理、物、基础设施、环境、信息和文化等7要素的部分或全部，进行系统要素界定；从韧性的吸收、适应和学习恢复等维度结合系统特性及相关研究，分析构建系统要素的韧性评价指标体系；选用相对客观的方法确定评价指标权重；基于指标体系进行系统韧性评价；最后通过评价结果结合实际情况进行验证，研究系统各韧性要素情况。

2 评价方法

2.1 韧性评价指标体系构建

依据3D-3MIEIC理论模型构建韧性评价流程，以滨海城市社区因气候变化引起的洪涝灾害为例，确定研究尺度为社区尺度，系统元素涉及人—基础设施—环境—管理—信息—文化等6要素，从韧性3维度审视社区安全系统，对系统要素内涵进行说明与界定。其中人的因素表现作为社区组成部分的人的灾害应对能力，包含其在应对气候扰动带来的自然灾害时的预防、响应、决策和学习能力等[24-26]；基础设施包含社区服务性基础设施和生产性基础设施等，具有工程性和社会性等属性[27]，社区层面的基础设施因素指标体系需考虑基础设施对于社区自然灾害的抵御、吸收和恢复等能力等；环境因素包含社区位置特征、空间结构和房屋抗灾能力等因素；管理因素则包含社区在应对自然灾害的预防、应急和恢复重建能力；风险沟通贯穿于防灾减灾管理全过程[28-29]，信息传递中预警信息的有效性、及时性与可信性以及救援信息的互动性等因素是促进社区灾害沟通应对的重要因素[30]；同时文化氛围是提高社区灾害韧性的软科学因素[31]，社区作为以一定‘地缘’或‘业缘’关系为基础，在社会互动关系和文化维系下形成，供成员进行社会活动的具有特定结构和功能的有机体，不同的社区安全文化氛围对于社区灾害的吸收、适应和恢复学习具有潜移默化的影响。同时基于时间维的扰动程度及其引发的社区系统结构与功能的动态变化研究有待后期开展。

参考韧性评价相关研究[13-14，19，24]，综合上述分析，结合专家意见增删修改后确定最终的社区灾害韧性评价指标体系，指标体系共涉及6个一级指标和28个二级评价指标，评价指标体系相对科学合理。从表1看出，人的因素有防灾减灾素养、潜在响应能力、日常备灾能力、信息沟通能力、灾害学习能力和灾害互救能力，具体表现为个体的灾害逃生技能和知识储备、应急物资的日常准备、个体信息素养等；基础设施评价指标包含给排水能力、能源供应能力、交通运转能力、医疗卫生水平、应急避难能力等6方面，具体表现为社区给排水建设情况、天然气等能源供应情况、社区日常交通拥堵情况、医疗设施配备和医疗人员情况、应急避难点建设情况等；社区环境方面涉及房屋抗灾能力和社区空间结构等；社区管理包括社区管理人员风险沟通能力、社区防灾减灾演练执行情况、管理人员的灾害教育培训情况、应急预案建设、志愿者队伍建设和灾害应对资金投入等；信息因素涉及灾害信息传播的有效性、及时性、可信度、交互性、动态性和针对性等；文化氛围因素包含安全文化宣教和居民灾害教育参与等，如社区安全文化宣传活动的开展和社区居民主动参与社区防灾减灾教育的积极程度等。

表1 基于3D-3MIEIC Model的社区灾害韧性评价体系

通过解释结构模型ISM方法构建指标因素的邻接矩阵和可达矩阵，进而求可达集、先行集和共同集，最后基于所得各因素的依赖性和驱动力，将社区灾害韧性评价因素归类，对各因素间影响程度进行分析[26，32]，其中依赖性为某因素受其他因素的影响程度，驱动力表示某因素对他因素的影响程度。评价因素归类如图2所示，第Ⅰ象限为自治簇，各因素依赖性和驱动力较低，主要集中在管理因素；信息和文化要素集中分布在第Ⅱ象限依赖簇，表明其依赖性较高；第Ⅳ象限为独立簇，独立簇因素中人的因素驱动力最高，表明社区防灾减灾过程中人的因素至关重要，与韧性社区建设以人为本的观念相符。ISM方法对各评价因素归类结果表明，基于3D-3MIEIC Model的社区灾害韧性评价各维度内对应指标因素分布相对集中，各一级维度间存在相对独立性，指标体系构建相对合理。

图2 社区灾害韧性评价因素归类Fig.2 Classification of community disaster resilience factors

2.2 评价方法

采用熵值法与主观赋权法相结合方式进行评价指标赋权[24]，以确保权重分配的客观性与科学性，灾害韧性评价方法步骤如下。

第1步，确定各指标主观赋权权重αj，主观赋权法通过德尔菲法确定各因素权重。

第2步，确定信息熵权重βij，主要步骤依次为：构建基于m个样本n个评价指标的标矩阵X得到标准化矩阵Z；计算概率矩阵P；计算每个指标的信息熵e；确定信息熵权重β。信息熵权重计算公式如下。

（1）

（2）

（3）

（4）

式中xmn为第m个样本第n个评价指标值；zij为标准化矩阵对应的评价指标值；Pij为指标有效信息量；ej为第j项指标的信息熵；Hj为第j项指标的信息效用值；βj为第j项指标的信息熵权重。

第3步，确定单一指标综合权重Wj，指标综合权重计算公式为

（5）

第4步，建立综合评价模型。综合评价公式为

（6）

式中R为灾害韧性综合值；Wj单项指标综合权重值，各指标综合权重和为1；Zj为各指标对应标准化值。

3 应用分析

3.1 应用

某市作为典型亚热带季风性气候的滨海城市，全年平均降雨量1 173 mm，每年5月至9月汛期面临着台风、风暴潮以及海水倒灌等复合影响导致的洪涝灾害事件的严重影响。以该市社区为研究对象，采用问卷调查方式，基于6名安全灾害领域专家学者意见确定评价指标主观权重，向3个社区（街道）线上发放灾害韧性评价问卷，共回收279份问卷，其中有效问卷244份，有效回收率87.46%，问卷整体Cronbach’α系数为0.963，指标对应问卷Cronbach’α系数区间为[0.801，0.925]，KMO值为0.945，因子载荷系数绝对值均大于0.5，表明信效度良好。人口统计学基本信息见表2，人口统计学变量分布相对合理。结合主观和客观权重确定各指标综合权重，从表3看出，通过比较综合权重结果与图2基于驱动力和依赖性的社区灾害韧性评价因素分布可知，各指标综合权重相对合理。

表2 人口统计学基本信息

对人口统计学因素编码后研究灾害韧性一级指标因素与其关系，如图3所示，分析可知，灾害韧性各一级因素间存在一定相关性，社区类别、性别和学历等差异未对整体评价结果造成干扰，评价结果受年龄因素影响，年龄大小与评价结果存在正相关关系，21～30岁年龄段样本整体评价分值较低，31～40岁年龄段样本评价波动较大，41～60年龄段样本整体分值较高，不同年龄阶段人群评价结果存在一定差异，表明评价方法对各社区具有一定适用性。

表3 社区灾害韧性指标综合权重

图3 各因素相关性比较Fig.3 Correlation of different factors

对3个社区灾害韧性评价结果分析，社区灾害韧性分值标准化区间为（0，5），分值越高表明社区灾害韧性越强，社区灾害韧性可视化结果如图4所示，社区A，B，C灾害韧性值分别为4.01，2.89，3.83，社区A和C灾害韧性相对较高，社区B灾害韧性整体水平较低。结合社区情况分析，社区A位于某卫星城临海区域，受气候扰动相对频繁，社区公众防灾减灾意识较强，灾害信息传播能力较好；社区C位于黄浦江西岸，近年实行老旧小区改造工程后，社区防灾减灾能力明显提高，同时社区C近年在灾害宣教活动取得较好效果，社区C居民参与积极性较高。相较于社区A和C，社区B在防灾减灾各方面相对薄弱，社区安全文化氛围有待改善，韧性社区建设需进一步提高，社区灾害韧性评价结果总体上与社区实际情况较吻合。

图4 社区灾害韧性雷达Fig.4 Radar of community disaster resilience

基于问卷调查，对影响研究社区灾害韧性的7个主要导向性二级因素排序：日常备灾能力>安全信息针对性>安全信息及时性>消防救援能力>资金投入>防灾减灾演练>社区应急避难能力。研究表明，居民日常备灾能力和安全信息传播的针对性和及时性等要素是影响社区灾害韧性的主要因素，因而为提升社区灾害韧性，应提升居民日常备灾能力，鼓励居民进行日常应急物资的科学储备和家庭应急预案的编制等；基于弱势群体因“数字鸿沟”等导致的安全信息传播隔阂现象，应在充分考虑受众特征和安全需求情况下，完善优化现有的灾害信息传播模式，提高社区凝聚力，促进安全信息最后一公里及时性、针对性的传播。

3.2 展望

不同于以往基于组织、生态、社会、经济、资本韧性等视角进行综合韧性评价[14，19]，研究基于安全科学思想与系统模型，构建社区灾害韧性评价指标体系，基于系统思维为社区防灾减灾研究提高新思路。然而，韧性评价属于社区灾害韧性提升研究的初步环节，在对影响社区灾害韧性的因素进行宏观层面的降维后，需开展面向各因素薄弱环节的针对性细化研究，因而基于时间维运用系统动力学方法研究社区韧性的动态演变有待深入研究；彦烨从韧性社区应急能力建设路径出发，侧重研究灾害发生后的社区内外部应急管理体系构建[33]，基于3D-3MIEIC理论模型构建的灾害韧性评价方法如何融入韧性社区应急管理体系有待进一步深入探讨；同时基于复杂系统理论，社区在气候扰动导致的不同灾害冲击下，所表现出的安全涌现状态是怎样的，如何基于顶层设计规划和安全沟通促进社区灾害韧性系统的安全设计优化，提高韧性社区应急管理能力有待后期探索实践。

结合上述分析，下一步研究工作将从以下方面开展：基于时间维对社区韧性演变过程进行研究；基于灾害韧性评价指标存在交叉性和复杂性，对韧性评价各指标关联路径及关联性进行完善；研究特定时空扰动下系统各要素的多级耦合所展现的安全涌现状态。