河南省城市韧性时空格局演变及子系统耦合协调研究

李东海，张丹洋

（安徽建筑大学公共管理学院，安徽 合肥 230601）

城市面临问题的复杂性与不确定性日益突出，传统被动式减灾策略难以适应城市可持续发展要求，提升城市韧性治理能力已成为全球城市治理领域研究者的共识［1］。2020年10月《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》首次将“韧性城市”理念纳入国家战略规划［2－3］。近年来，随着城市化进程的加快，河南省各地市在快速发展的同时，城市安全问题也愈发突显。2021年7月河南省郑州市遭遇特大暴雨灾害，全省因灾死亡失踪398人，直接经济损失达1 200.6亿元。因此，面对突发性的重大危机事件，如何提高城市韧性以预防、应对危机以及在危机后快速恢复城市功能，成为城市治理的重要课题。

城市韧性是指城市及其子系统通过合理准备以防范、回应、适应公共危机带来的冲击并维持系统正常功能的能力。学者们对其研究主要集中于以下三方面：一是对其理论内涵研究，多以适应系统［4］、风险灾害防治［5］、城市治理［6］等为研究视角，理论内涵从基础设施延伸到人文环境，不断得到丰富拓展；二是量化评估研究，研究范围从全国［7］、省域［8］、城市群［9］、单个地级市［10］再到县域［11］，研究方法包括层次分析法［12］、BP神经网络［13］、DPSIR模型［14］、GIS空间分析［15］等；三是城市韧性的交叉研究，包括城市韧性与产业结构［16］、城镇化水平［17］、土地利用效益［18］等的耦合协调研究。

关于城市韧性的研究已经发展到了一定阶段，学者对城市韧性的测度评估多以城市不同的子系统建立评价体系，而对系统间的相互关系研究尚少。城市韧性的建设是一个典型的多维决策问题，韧性水平的提升需要针对城市各子系统不断提质优化并协调发展，在面临危机时应确保每个系统均能正常运转。本文以经济、社会、生态、基础设施4个维度构建河南省城市韧性评价体系，借助TOPSIS熵权法模型测度河南省城市韧性水平以及时空演变特征。在此基础上，进一步运用耦合协调模型测算城市韧性子系统间的相互作用，以期为河南省城市韧性水平和安全指数的提升提供决策参考，同时为其他具有相似背景的城市韧性建设提供经验借鉴。

1 研究区域概况

河南省，简称“豫”，是中华民族和华夏文明的重要发源地。地处我国中东部（北纬31°23′～36°22′，东经110°21′～116°39′），地势西高东低，跨长江、黄河、淮河、海河等四大流域，属北温带向暖温带过渡的大陆性季风气候，气候复杂，自然灾害频发。全省总面积16.7万km2，截至2022年末，全省常住人口为9 872万人。河南省共有18个地级市，其中济源市是省级直辖县级市，未纳入研究范围。各地级市2016—2021年的数据主要摘自《河南省统计年鉴》《中国城市统计年鉴》。

2 指标体系建构

本文参考刘江艳等［19］、张振等［10］以经济、社会、生态、基础设施构建4个准则层（包含23个指标层），建立河南省城市韧性评价指标体系（见表1）。

表1 河南省城市韧性评价指标体系

3 研究设计

3.1 指标数值的预处理

（1）构建原始指标矩阵。

假设选取n个地级以上城市作为样本，设计m个评价指标，Xij表示第i个城市的第j个评价指标值，进而构建原始矩阵X，公式为

（2）指标无量纲化处理。

为使指标数据间具有可比性，需要对所有指标数据进行无量纲化处理。

正向指标处理

负向指标处理

式中：xij为第i个城市的第j个评价指标的原始值；x′ij为经过无量纲化处理后的值。

3.2 指标赋权

计算指标权重是TOPSIS建立模型的关键［20］，为避免人为主观赋权产生的偏差，采用熵权法确定权重。

（1）计算第j项指标下第i个城市占该指标的比重或贡献度

（2）计算各项指标的熵值

（3）计算各项指标熵值ej的差异性系数dj，公式为

（4）计算各项指标的权重wj并构建加权矩阵Zij，公式为

式中：Wj为权重矩阵；X′ij为标准化后矩阵。

3.3 城市韧性评估模型

TOPSIS常用于多目标决策，而对城市韧性度进行评价是一个典型的多准则决策问题［20］，所以此方法适用于城市韧性的评价。

最优解I＋和最劣解I－公式为

式中最优解I＋和最劣解I－由I中每列的最大值和最小值构成。

每一个评价指标与I＋和I－的欧式距离和公式为

各评价城市与最优方案的贴近度公式为

式中Ci为第i个城市的综合韧性贴近最优水平的程度。Ci取［0，1］，Ci越大，该城市韧性水平越高。

3.4 城市韧性子系统耦合协调模型

城市韧性是多个子系统耦合作用的复合系统，本文采用来自物理学的容量耦合系数模型。耦合度计算公式为

式中：C表示城市韧性子系统的耦合度，且0＜C≤1，C值越接近1，各子系统之间的相关性越强；U1、U2、U3、U4分别表示经济、社会、生态、基础设施的发展指数。

耦合协调度计算公式为

式中：D为耦合协调度，0＜D≤1，D值越接近1，各子系统间协调发展程度越高；α、β、χ、δ分别代表经济、社会、生态、基础设施4个准则层的权重系数，且α＋β＋χ＋δ＝1。考虑到4个子系统对城市韧性建设同等重要，故α、β、χ、δ取值均为0.25。

4 结果与分析

4.1 河南省城市韧性时空演变分析

4.1.1 城市韧性的时序演变

计算可得河南省城市韧性值与城市子系统韧性值如图1、图2所示。

图1 河南省城市韧性值

图2 河南省城市子系统韧性值

由图1可知，河南省城市韧性水平整体呈逐年增长趋势，其中2020—2021年城市韧性水平增长较快，2017—2020年增长趋势呈平缓状态。相比于2016年的韧性水平，2021年河南省城市韧性水平增长了0.062，表明随着河南省城镇化水平的不断提升，各市经济、社会、生态、基础设施等方面得到了提升和完善。

由图2可知，河南省城市4个子系统韧性水平均呈上升趋势，呈现“生态韧性＞基础设施韧性＞经济韧性＞社会韧性”的特征。具体而言，生态韧性水平最高，增长趋势最为明显，这是因为河南省自2015年提出绿色发展理念之后，在“十三五”规划中明确了“生态环境质量总体改善”的发展目标并较好地组织实施。2021年河南省人民政府发布《河南省“十四五”生态环境保护和生态经济发展规划》，指出“‘十四五’时期是实现生态环境质量改善由量变到质变的关键时期”。2021年河南省基础设施韧性快速增长，创历史新高，表明在遭遇特大暴雨灾害之后，各市更加注重基础设施的资金投入和项目完善。经济韧性在2017—2018年有所下降，是因为2017—2018年河南省大范围遭遇了近十年最严重的秋季连阴雨、山洪、泥石流、雪灾等多种自然灾害，全省大面积的农作物严重受灾，经济损失惨重。2021年河南省遭遇严重降雨天气，而全省经济韧性不降反增，一方面反映了我国“一方有难，八方支援”的强劲凝聚力和建设力，另一方面反映了河南省产业结构的优化升级，经济发展更加多元化。2016—2019年社会韧性值最低，且年增长趋势不明显，是因为河南省人口较多造成的多种社会问题一定程度上制约了社会发展，但在2019—2021呈明显增长趋势，说明此期间河南省的社会发展水平有所提高。

4.1.2 城市韧性的空间格局演变

2016—2021年河南省各地市综合韧性水平如表2所示。郑州市作为省会城市，同时也是国家中心城市和国际综合交通枢纽中心，有着得天独厚的资源聚集能力，城市韧性水平始终居于首位。《郑州市城市总体规划（2018—2035年）》进一步促进郑州市经济、社会、生态、基础设施的发展和完善，为持续增强城市韧性提供战略引领。其他地市韧性水平与郑州市相比差距较大。近年来许昌市城市韧性水平增长迅速，韧性值在2016—2017年增长迅猛，上涨幅度最大。许昌市韧性水平的大幅提高得益于“郑许融合”“郑许一体化”的省级战略规划以及许昌市“智造之都，宜居之城”的城市定位。三门峡市一直居于最末，2021年与郑州市的城市韧性值相差0.693，差距有所增大。三门峡地处河南西部，多为山地、丘陵地区，地形复杂，交通不便，说明城市所在地的地形地貌与城市韧性建设也有关联。濮阳市作为资源枯竭型城市，城市韧性水平排在第15位或第16位，相比于2016年的城市韧性综合评价值，2021年上涨了0.050，其中2018—2021年上涨幅度较大，说明濮阳市城市转型发展效果突出，推动了城市韧性水平的提升。平顶山市在2016年城市韧性水平处于第7位，自2017年开始韧性水平排名跌落至第11位，说明平顶山市在推动自身经济转型发展方面稍显不足，地理原因与城市交通问题也是困扰平顶山市韧性发展的重要因素。

表2 2016—2021年河南省各地市综合韧性水平排名

利用ArcMap10.8软件将各市韧性水平的时空变化通过可视化方式呈现（见图3）。河南省城市韧性水平划分：“0.105～0.125”为低韧性水平；“0.126～0.152”为中低韧性水平；“0.153～0.176”为中等韧性水平；“0.177～0.247”为中高韧性水平；“0.248～0.840”为高韧性水平。

图3 城市韧性空间分布

由图3可知，河南省城市韧性水平变动呈现多样化趋势，区域间韧性水平差异明显。中西部城市韧性水平较高，逐年形成高水平、中高水平的连绵分布区，东部地区城市韧性提升较快，逐年形成以中等水平、中高水平为主的连绵分布区。中西部地区城市韧性水平总体高于其他区域，西部和北部区域部分城市韧性水平提升缓慢，常年处于低韧性和中低韧性水平。2016年，河南省高韧性水平的城市只有郑州市，中高韧性城市有洛阳市和南阳市，处于低等韧性水平的有鹤壁市、濮阳市、漯河、三门峡市，中低水平的有开封市、许昌市、信阳市，其他城市处于中等韧性水平，中等韧性水平城市与中低、低韧性水平城市在东部呈双“C”环扣式分布（见图3（a））。2018年高韧性水平城市仍集中分布于西北地区，以郑州市、洛阳市为主，多数中等韧性水平城市达到中高韧性水平（见图3（b））；2021年高韧性水平城市增至3个，集中分布于中西部和西南部，分别是郑州市、洛阳市、南阳市，全省仅有一个中低韧性水平城市，分布于西部地区（见图3（c））。北部部分城市尚处于中等韧性水平，其他区域多数城市达到中高韧性水平。

4.2 城市韧性子系统耦合协调分析

为了能够反映各子系统间的耦合度和耦合协调关系，参考王淑佳等［21］的研究结果构建耦合评价等级（见表3）。

表3 耦合评价等级

4.2.1 耦合度分析

河南省城市韧性子系统耦合度均大于0.6，在2016—2021年处于极度耦合和高度耦合两种状态（见表3、图4）。由图4可知，郑州市、洛阳市、安阳市、平顶山市、新乡市、南阳市和商丘市一直保持极度耦合状态，说明这些城市的经济、社会、生态、基础设施韧性间关联性大，联系紧密。耦合度下降趋势较为明显的为开封市、南阳市和鹤壁市。开封市在2016—2021年的耦合度呈直线下降趋势，2021年其耦合度从极度耦合降为高度耦合。鹤壁市城市韧性子系统耦合度在2021年出现明显下降趋势。南阳市自2018年耦合度大幅下降后，此后三年未有上升。开封市、鹤壁市的城市韧性子系统间关联性的大幅下降，说明此3个城市发展策略需要进一步调整。濮阳市、漯河市、三门峡市和周口市城市韧性子系统始终保持高度耦合状态。许昌市和信阳市在2021年的耦合度达到极度耦合。随着许昌加入郑州都市圈以及郑州都市圈一体化发展快速推进，许昌市乃至郑州都市圈内其他城市的城市韧性子系统耦合度有望在今后得到进一步优化。

图4 不同城市耦合度值年际变化

4.2.2 耦合协调度分析

河南省城市韧性子系统耦合协调度均大于0.3，城市韧性子系统耦合协调度处于良好协调、勉强协调和濒临失调三种层次，随着时间的推移，轻度失调城市消失，勉强协调城市增多，初级协调城市显现（见表3、图5）。由图5可知，郑州市耦合协调层次最高，且耦合协调度在近年来呈不断上升趋势，2021年达到0.869 1，随着郑州都市圈一体化建设，郑州发展潜力和活力将不断被激发，未来郑州市极有可能晋升为优质协调层次。洛阳在2016—2019年处于勉强协调层次，2020年一跃晋升初级协调层次，说明洛阳近年来“不断提升城市品质，完善城市功能”的发展规划效果突出。南阳市在2020—2021年的城市韧性子系统耦合协调度上升较快，2021年城市韧性子系统耦合协调度达到0.609 0，进入初级协调层次，说明该市近年来积极进行城市建设与规划效果明显。三门峡市在2016—2017年处于轻度失调层次，2018—2021年进入勉强协调层次，六年间耦合协调度最低，发展缓慢，这是因为三门峡市本身工业基础薄弱，加上地形限制，城市发展受限，县市发展不协调，市区规模小，“供血”能力疲弱，导致社会、经济、生态、基础设施等方面发展不平衡且发展缓慢。

图5 不同城市耦合协调度值年际变化

5 研究结论

通过对河南省17个地级以上城市2016—2021年城市韧性水平的测量和评价，得出以下结论：

（1）从时序演变上看，河南省各城市韧性水平呈缓慢上升趋势，4个子系统韧性水平呈现“生态韧性＞基础设施韧性＞经济韧性＞社会韧性”的特征，其中，生态韧性水平较高，增长趋势明显。

（2）从空间格局演变来看，中西部城市韧性水平较高，逐年形成高水平、中高水平的连绵分布区。东部地区城市韧性提升较快，逐年形成以中等水平、中高水平为主的连绵分布区。中西部地区城市韧性水平总体高于其他区域，西部和北部区域部分城市韧性提升缓慢，常年处于低韧性和中低韧性水平。截至2021年，中西部与西南部韧性较高，西部韧性较低，多数区域达到中高韧性水平。

（3）河南省城市韧性4个子系统在2016—2021年的耦合度处于极度耦合和高度耦合两种状态。城市韧性子系统耦合协调度大多处于良好协调、勉强协调和濒临失调等3种层次，随着时间的推移，轻度失调城市消失，勉强协调城市增多，初级协调城市显现。

（4）研究中发现地势地貌也是影响城市韧性水平的重要因素，因此以地形地貌角度对城市韧性水平的评价还需进一步探讨。

6 河南省城市韧性提升策略

加强城市韧性建设，提高城市韧性水平是城市抵御侵扰、保障人民安全的重要举措。河南省城市韧性的提升策略有以下几方面：

（1）转变发展理念，促进区域协调发展。加强顶层设计，转变发展理念，完善政策制定，改变郑州市在全省战略发展布局中一家独大局面，促进资源在各区域间合理分配，对落后区域给予适当的政策倾斜和资源帮扶。激活省会城市经济活力，加快推进郑州都市圈“1＋8”建设和区域示范区建设，同时河南省“门户型城市”要借势利用周边地区的国家级发展规划，抓住辐射带动机遇，促进自身发展。

（2）优化产业结构，实现产业多样化发展。在保证国家粮食安全基础上，优化产业结构，促进第三产业的发展。继续推进农业现代化发展，实现农业智慧化和数字化转型，提高农业综合生产力、提升农产品附加值。坚持创新驱动，科技兴省战略，优化创新创业环境，落实政策红利，吸引高新技术产业来豫建设投资，促进产业链深度融合，推动新兴产业和产业多元化发展。同时加强完善省重点实验室、产业研究院建设，审时度势，抢占未来产业新赛道。

（3）优化公共服务供给，守牢民生底盘。河南省是人口大省，任何一项民生问题均至关重要。牢牢守住民生底盘，继续推进幼有所育、学有所教、老有所得、病有所医、老有所养、住有所居、弱有所扶等公共服务的优化供给，规范和简化公共服务流程，加快建设“15分钟服务圈”，推动医疗、教育体系的数字赋能。加大科学技术和教育财政支出，继续推进“双一流”高校建设，鼓励地方科研教育工作，加快“人人持证、技能河南”建设，完善落实人才岗位使用机制，优化就业环境，促进和保障就业。

（4）坚持绿色发展理念，强化生态治理。深入贯彻落实绿色发展理念，强化生态治理，健全生态保护管理体系，促进生态系统多样化发展，增强生态环境风险防范意识，依靠大数据、卫星遥感等技术建立健全自然灾害监控预警机制。持续打好污染防治攻坚战，严格控制污染物排放，推进“无废城市”建设，促进生产方式绿色低碳发展，合理规划城市绿色空间，全面推动生态强省建设。

（5）增强忧患意识，加强“里子工程”建设。道路、桥梁、管线、水系建设是城市的骨骼、血脉，其他各类设施都是对城市机体功能的完善和补充［22］。提高基础设施供给质量，推进老旧设施换代升级。完善基础设施管理体系，做好对基础设施的日常养护和定期检查工作。加强城市地下排水网、燃气网等“里子工程”建设，合理布局，排除隐患。加快推进城市数字基础设施和智慧平台建设，借鉴浙江省宁波市“一网统管、一屏智控”的“智治”平台建设，利用GIS地图热区、风险色块等工具绘制“一张图”界面以全面感知和监测道路、地下管道、在建工程等状况，并建立多部门数据共享联合防控体系，有利于实现城市管理部门应对危机及突发状况的科学决策与精准、高效的行动部署。