基于PSR框架的城市洪澇彈性評估以蘇錫常地區為例

劉 鋼,2,袁曉梅,黃 晶,王慧敏

(1.河海大學 管理科學研究所,江蘇 南京 211100;2.沿海開發與保護協調創新中心,江蘇 南京 210098)

1 引言

隨著城市化進程加快,我國城市洪澇災害越發嚴重,給城市發展帶來了巨大威脅。據住房和城鄉建設部統計,2008—2010年期間我國有62%的城市發生過程度不一的內澇災害。2016年,我國共出現51次強降雨天氣過程,平均降雨量達到自1951年以來的最大值;同年,南京、武漢等192座城市發生嚴重內澇災害,據統計受淹面積達到1542km2,受災人口389萬人,直接經濟損失91億元。“十三五”規劃提出“海綿城市”是新型城鎮化發展的重要方向。“海綿城市”具有適應環境變化和應對雨洪災害的彈性,建設“海綿城市”有助于解決城市內澇問題,改善城市生態環境,提高民眾生活質量。在海綿城市建設中,對城市洪澇彈性的評估是提高城市彈性的基礎,為提高城市應對洪澇災害的能力提供了科學依據。

我國學者對城市洪澇展開了大量研究工作,從20世紀90年代開始進行基于災情系統理論的洪災風險評價。史培軍等[1]學者首次提出由孕災環境、致災因子、承災體三者相互作用的災情系統理論,此后致災因子危險性、承災體暴露性與脆弱性、孕災環境的穩定性三方面及其綜合作用成為我國研究的重點[2]。近年來,減災抗災能力也已融入洪災風險評價之中[3,4]。

彈性概念源于20世紀70年代,由美國學者Holling提出,認為彈性是系統受到干擾后維持一種狀態的能力,是系統吸收各種干擾并保持穩定的能力的度量[5]。我國學者對彈性城市和城市水系統彈性的研究才剛剛起步,大多是對我國彈性城市建設理論的初步探索[6]以及國內外彈性城市研究的文獻綜述[7,8]。目前,有學者初步探討了我國城市的水系統彈性,將城市水系統彈性比喻為“海綿”,提出通過工程措施、非工程措施多種手段跨尺度構建城市水系統基礎設施[9,10];張靈等[11]對水災恢復力進行了研究,選擇不同角度構建了水災恢復力評價模型,以此評價地區的洪澇彈性;許濤等[12]從抵御能力、恢復能力、適應能力三個維度出發,直接建立城市內澇彈性評價體系。

從災情系統理論出發的方法雖具有系統性,但無法刻畫具有動態性和循環性的過程;而彈性城市研究雖然考慮了系統受到干擾后的狀態改變,但目前城市彈性與洪澇彈性的概念尚未明確,對彈性評價指標體系的選取標準不一。“壓力—狀態—響應”(PSR)框架是一種概念框架,解釋人類活動對環境施加壓力,環境進行自我調節,社會根據環境調節狀況做出響應。由于模型的系統論思想,已被應用到越來越多的領域,如生態安全評價[13,14]、環境承載力評估[15,16]和各類災害風險評價中[17,18]。PSR分析即具備系統性又兼具動態性,同時考慮壓力、狀態、響應三層的相互作用。

2 基于PSR框架的城市洪澇彈性分析

2.1 城市洪澇系統PSR分析框架

城市洪澇系統涉及城市氣候狀況、生態環境、經濟發展水平、防洪工程設施等諸多方面,這些方面的因素可依據支配力量劃歸自然世界和社會世界,因此本文從自然系統、社會系統兩個維度對城市洪澇系統的壓力、狀態和響應進行分析(圖1)。自然系統的氣候、地理因素變化,如降雨、地形起伏變化等,社會系統的人口增長、土地利用方式不合理等“壓力刺激”,會影響城市洪澇系統狀態;植被覆蓋率降低、人口密度變大等“狀態改變”,使城市洪澇彈性降低;系統收到狀態改變信號后做出“響應措施”,如雨水的土壤下滲、完善防洪工程、加強洪水監測等,減緩了系統壓力,協調和改善了系統狀態,使城市洪澇彈性提高。

圖1 基于PSR框架的城市洪澇系統

壓力層表示給城市洪澇系統施壓的因素。從自然系統角度出發,主要包括氣候、地理兩類因素,降雨過多、時間過長都會引發洪澇災害;低洼平坦的地形加劇了洪澇災害。從社會系統角度出發,人口、經濟、土地利用方式、居民生活方式等,都可能給城市洪澇系統帶來壓力,改變自然系統和社會系統的狀態。狀態層主要反映目前城市洪澇系統的狀態,與壓力層因素的刺激有關。河湖容量、防洪的植被覆蓋率、河網密度等因素反映出自然系統的狀態,若植被覆蓋率低則不利于雨水土壤下滲,容易引發洪澇災害。自然系統狀態受自然系統、社會系統兩方面壓力刺激作用,如工業用地擴張可能會降低植被覆蓋率。社會系統狀態受到人口密度、經濟發展程度、城市化水平等因素影響,系統改變主要來自社會系統自身的壓力刺激。響應層是自然系統、社會系統根據洪澇災害所發出的信號做出應對洪災風險的調整措施。為了緩解洪澇壓力,自然系統會自發地采取河湖蓄洪、地面雨水下滲等行為。而人類社會可從多方面對洪澇災害進行管理,包括完善防洪工程、加強地區抽水能力、完善地區交通網絡等工程措施;加強防洪監測、完善防洪規劃、設計防洪預案、加強公眾參與、合理規劃城市發展布局等非工程措施。社會系統的這些響應措施反作用于系統狀態因素和社會系統壓力因素,達到緩解洪澇壓力、改善現狀的效果。

2.2 城市洪澇彈性定義與內涵

基于PSR框架分析城市洪澇系統,城市洪澇系統受到壓力刺激,導致系統狀態發生變化,易發生洪災；城市根據洪災信號采取相應的響應措施進行洪災風險管理,同時反作用于壓力層與狀態層因素。這是一個典型的彈性循環過程,該過程既有穩定的一面,又強調變化因素。城市洪澇彈性(R)是過程中壓力層的刺激性(H)、狀態層的敏感性(E)、響應層適應性(V)的綜合作用結果，因此本文對城市洪澇彈性的定義為:城市洪澇彈性是城市在面對來自自然系統和社會系統洪澇災害壓力時,為了保持原有的特征、結構和關鍵功能不變,采取工程及非工程措施來抵抗、吸收、適應洪澇風險的響應能力。

結合對城市洪澇彈性的定義及分析,給出以下三點城市洪澇彈性內涵:①城市洪澇彈性是一種響應能力。將城市洪澇彈性定義為一種響應能力,該響應能力是壓力層因素的刺激性、狀態層因素的敏感性和響應層因素的適應性的綜合作用結果,是城市應對洪澇災害彈性水平的度量。②提高城市洪澇彈性目的是為了維持城市的特征、結構和關鍵功能不變。自然系統和社會系統壓力因素會給洪澇系統帶來壓力刺激,使洪澇系統狀態發生變化,易于引發洪災。在面對洪澇災害時,洪澇彈性較好的城市更能保證城市的健康發展、維持城市系統的經濟結構、社會秩序和保護城市人民財產的安全。③提高城市洪澇彈性能力是通過采取工程及非工程措施抵抗、吸收、適應洪澇風險來實現。為了維持城市結構和功能,必須采取加強地區抽水能力等工程措施、完善防洪規劃等非工程措施提升城市抵抗、吸收、適應洪澇風險的響應能力。

3 城市洪澇彈性評估模型建立

3.1 城市洪澇彈性評價指標

城市洪澇彈性(R)是壓力層因素的刺激性(H)、狀態層因素的敏感性(E)、響應層因素的適應性(V)的綜合作用結果,因此從這三個方面建立評估指標體系見圖2。刺激性因素是給城市洪澇系統帶來壓力刺激的因素。自然系統的氣候、地理兩類因素會影響城市洪澇系統壓力,降雨過多、海拔較低都容易引起洪災;同時,城市洪澇系統壓力還受到社會系統中人口、經濟、土地利用方式等因素的影響,人口增長會使更多的人面臨洪災威脅,從而加大系統壓力,因此選取年降雨量、海拔、人口密度三個指標。敏感性因素主要反映城市洪澇系統狀態的敏感性。生態脆弱性、社會財產暴露性是系統狀態敏感性的主要影響因子,而生態脆弱性又受到植被、濕地等因素的影響。社會財產暴露性就是考慮易被洪水破壞的財產價值與密度,以固定資產密度和建筑密度為典型代表,固定資產越密集,則洪災來臨時受到的損失越多,因此評估系統狀態敏感性選取圖2的四個指標。適應性是城市應對洪澇災害做出的響應措施,主要體現在洪災來臨前和來臨時的防洪應急能力、洪災過后的恢復能力,以及整個過程中的社會服務體系三個方面。防洪應急能力表現為對洪澇災害的應急抵抗能力,關鍵在于防洪政策規章制度、洪水監測預警體系、防洪基礎設施三方面,因此選取防洪預案、水文水位站點數密度、排水管網長度三個指標。與洪澇災害密切相關的社會服務主要包括地區交通網絡、醫療水平和社會保障水平三項內容,因此評估社會服務體系選取圖2的三個指標。災后恢復能力關鍵在于地區的經濟水平、經濟結構和人員素質,因此選取地區生產總值、第三產業占比、普通高等學校畢業生數三個指標。

圖2 城市洪澇彈性評價指標體系

3.2 指標標準化

城市洪澇彈性評估指標體系中防洪預案為定性指標,為了便于定量評價對該指標進行賦值處理,賦值1—4,分別表示沒有防洪預案、部分地區有防洪預案、整體但不完備的防洪預案、完備的防洪預案。城市洪澇彈性評估共計16個指標值均為非負值。年降雨量、人口密度、城市建設用地面積、人均固定資產投資等4項指標與城市洪澇彈性呈負相關關系(簡稱“反向指標”);其他指標與城市洪澇彈性呈正相關關系，其值越大,城市洪澇彈性越大(簡稱“正向指標”)。但各個指標的量綱差別很大,為消除其帶來的影響,需對指標值進行標準化處理。

由于各個指數對城市洪澇彈性的作用性質不同,其中刺激性、敏感性指數與城市洪澇彈性呈負相關關系，適應性指數與城市洪澇彈性呈正相關關系,因此不同指數指標標準化方法不同。對刺激性和敏感性指數來說,正向指標的標準化為:

yi=1-ximax(xi)

(1)

反向指標的標準化為:

yi=ximax(xi)

(2)

對適應性指數的指標標準化為:

yi=ximax(xi)

(3)

式中,yi為第i個指標的標準化值;xi為第i個指標的原始值;max(xi)為第i個指標的最大值。

3.3 權重確定

本文采用主觀和客觀相結合的方法來確定指標權重。主觀權重由層次分析法計算得出,客觀權重由熵權法計算得出,最后取兩者的算數平均值為綜合權重wi,避免了單一賦權方法的片面性。

3.4 城市洪澇彈性風險評價模型

本文綜合考慮刺激性(H)、敏感姓(E)、適應性(V)對城市洪澇彈性(R)的影響程度,構建城市洪澇彈性評估模型,公式為:

R=f(H,E,V)=V/(H+E)

(4)

式中,H=Σ3i=1yi×wi，E=Σ4i=1yi×wi，V=Σ9i=1yi×wi。

4 蘇錫常城市洪澇彈性評估實例

4.1 研究區域概況

蘇州、無錫、常州三市地理位置優越,位于我國長三角沖積平原,構成了長江三角洲城市群的重要部分,在我國現代化建設中的地位不可替代。2015年,三市的地區生產總值占江蘇省國內生產總值的40.36%,占全國國內生產總值的4.13%,常住人口占江蘇省總人口的27.39%。該區域是我國經濟較發達、城鎮集聚程度較高的地域。然而,隨著全球氣候的變化,洪水內澇災害的不確定性給蘇錫常地區發展帶來了巨大威脅。2015年6月,常州發生了“兩百年一遇”的特大洪水,直接經濟損失61.359億元,受災人口35.71萬人。

4.2 權重確定

本文使用的數據資料來自2010年、2013年、2016年的《蘇州統計年鑒》、《無錫統計年鑒》和《常州統計年鑒》。采用上文提及的指標處理方法,對城市洪澇彈性評價指標進行標準化處理。

通過對來自太湖流域管理局、江蘇省水利廳、蘇錫常三市水利局、城市規劃局、河海大學國家重點實驗室等部門的專家進行問卷調查,計算AHP權重。本次調研共收回250份問卷,有效問卷207份。城市洪澇彈性評價指標權重見表1。

表1 城市洪澇彈性評價指標權重

4.3 蘇錫常地區城市洪澇彈性評估結果分析

根據本文構建的城市洪澇彈性綜合評價模型,對蘇錫常三市2009年、2012年、2015年的刺激性、敏感性、適應性和城市洪澇彈性進行評價。從計算結果中可見,總體上蘇錫常地區城市洪澇彈性整體波動起伏較大,且時空差異較顯著。從地區來看,蘇州城市洪澇彈性最優,無錫次之,常州最弱;從時間來看,2009—2012年蘇州和常州的城市洪澇彈性變化甚微,無錫上升;2012—2015年蘇州城市洪澇彈性上升,無錫變化甚微,而常州城市洪澇彈性下降。

從地區來看,城市洪澇彈性空間差異顯著,各城市洪澇彈性差別較大,蘇州市城市洪澇彈性最優,無錫次之,常州最弱(圖3)。蘇州市歷年的彈性指數最高(0.7)，常州市歷年的彈性指數最低(0.6);2012年三個城市洪澇彈性差距最小為0.201,2015年三個城市間洪澇彈性差距最大為0.351。

圖3 蘇錫常三城市洪澇彈性指數

進一步分析城市洪澇系統的刺激性、敏感性和適應性指數,蘇州市適應性指數相對最高,但敏感性指數也最高。以2012年為例(圖4),蘇州市適應性指數最高(0.320),是常州的1.62倍、無錫的1.16倍,說明蘇州市在應對洪澇災害上比其他兩個城市做出了更有效的響應措施,而常州城市洪澇系統適應性還有較大的提升空間。從敏感性指數分析,蘇州市最高,常州市最低,敏感性指數越高,城市洪澇彈性越低。說明蘇州市的生態脆弱性和社會財產暴露性是三個城市中相對最高的,在遭遇洪水時的損失可能最大。刺激性主要是給城市洪澇系統帶來的壓力,包括降雨、海拔、人口等方面,三個城市在刺激性上相對差距不大,無錫市最高(0.251),常州市最低(0.198)。

圖4 2012年城市洪澇彈性評價各指數

從上述分析可見,蘇州市城市洪澇彈性較高是由于該城市洪澇系統適應能力強,地區綜合服務水平高,但蘇州市城市洪澇系統狀態敏感性較高,受到強降雨等壓力刺激作用時易遭受財產損失。究其根本原因,蘇州市發展迅速,地區GDP常年位列江蘇省內第一;交通便捷,處于長三角的交通接點和滬寧杭、滬蘇杭的中心位置,形成縱橫交錯立體型開放式的大交通框架;地區教育水平較高,區域內設有蘇州大學,吸引外地人才流入;同時,城市建設用地面積逐年擴張,加大了雨水的土壤下滲難度。無錫市城市洪澇彈性居中是由于該市的適應性和敏感性指數居中,但無錫市的洪澇系統刺激性相對較高。究其原因,無錫市面積相對較小,但流入人口較多,2015年無錫市流入人口占比達到35.4%,因此人口密度在三個城市中最大,使無錫市人口壓力較大。常州市城市洪澇彈性最弱,是由于該市的城市洪澇系統適應性較差,遇暴雨極易引發洪澇災害;而防洪工程設施有待完善,2015年常州市排水管網長度僅相當于無錫的42.5%;經濟上升緩慢,在蘇錫常都市圈中經濟排名末位,2015年地區GDP僅相當于蘇州的36.4%。

從時間來看,城市洪澇彈性呈波動起伏狀態。總體來說,蘇州市和無錫市呈上升趨勢,而常州市呈下降趨勢(圖5)。2009—2012年蘇州和常州城市洪澇彈性變化甚微,無錫上升7.6%;2012—2015年蘇州城市洪澇彈性上升13.6%,達到最高值的0.895,無錫城市洪澇彈性變化甚微,而常州城市洪澇彈性下降7.5%,達到最低值0.543。總體上來說,城市洪澇彈性隨著時間的波動較大,各地區隨時間波動的幅度不一。

圖5 2009—2015年城市洪澇彈性指數

圖6 蘇州市城市洪澇彈性評價各指數

進一步分析城市洪澇系統的刺激性、敏感性和適應性指數,以蘇州市為例(圖6),發現2009—2015年期間刺激性、敏感性和適應性指數總體呈上升趨勢。說明隨著城市發展和氣候變化,城市洪澇系統所受壓力逐漸加大,系統狀態更加敏感;另一方面由于防洪觀念的轉變和防洪措施的實施,城市應對洪澇災害的能力逐漸加強,社會服務能力穩步提升。具體分析蘇州市和常州市的各指數波動幅度,發現蘇州市2012—2015年的適應性指數上升幅度較大,達到13.6%,這說明蘇州市做出了有效應對洪澇災害的響應措施;常州市總體上適應性指數增長較緩,以2009年為基準年,平均每三年增長了12.5%,2012—2015年刺激性指數上升幅度較大,達到21.2%(圖7),說明該期間系統所受壓力的刺激作用加大。

圖7 常州市城市洪澇彈性評價各指數

從上述分析可見,2012—2015年蘇州市城市洪澇彈性上升是因為在此期間系統的適應性得到提高。其原因是：2012—2015年蘇州市醫療水平和交通水平較上一期有了較大改進,2015年末實際醫療床位數達到59304張,超過“十二五”規劃目標的18.6%,因此適應性指數在此期間漲幅較大。此外,2009—2015年是蘇州市推行城鄉一體化發展的關鍵時期,城市化水平迅速提高,2015年末城市化率達到74.9%,社會綜合服務能力也得到迅速提升,但隨之而來的是人口與環境的巨大壓力,使蘇州市刺激性和敏感性指數持續上升。2012—2015年,常州市系統刺激性加大，導致城市洪澇彈性下降,這是因為2015年汛期常州市遭遇到強降雨襲擊,系統降雨壓力陡然加大。此外,2009—2015年常州市發展緩慢,地區GDP已被南通、徐州等城市超越,導致其適應性指數增長相對較緩,所以常州市的城市洪澇彈性總體呈下降趨勢。

5 結論

研究結果表明:蘇錫常地區城市洪澇彈性區域間差別顯著,其中蘇州城市洪澇彈性最強,無錫次之,常州最弱;城市洪澇彈性在不同時期差別較大,總體上蘇州和無錫城市洪澇彈性呈上升趨勢,常州呈下降趨勢。在蘇州、無錫、常州三個城市中,蘇州市適應性指數最高,且敏感性指數也最高;無錫市刺激性指數最高,而敏感性和適應性指數居中;常州市適應性指數最低。因此,蘇錫常三市應因地制宜提高各自城市的洪澇彈性：①蘇州市應在追求發展同時注重生態環境建設,優化產業結構,控制固定資產密度,緩解系統狀態敏感性。②無錫市應注意緩解人口壓力,避免人口過度增長;同時改善交通水平、發展經濟、提高地區綜合服務能力。③常州市應增設城市排水管道,完善水利工程設施,加強地區洪水調度能力;加強洪水應急能力,做好防汛隊伍建設和防汛物資儲備工作;注重社會經濟發展,提高地區經濟實力。

由于城市洪澇系統的結構復雜,影響因素較多,難以完全分析城市洪澇系統彈性,本文構建的城市洪澇彈性評估體系能為其他區域開展城市洪澇彈性評估提供借鑒,評估結果可為蘇錫常地區的防洪規劃與彈性城市構建等提供參考。

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