基于熵權法的四川省城市韌性評價及其時空特征分析

楊 丹，周 波，趙薇可，成受明

(四川大學 建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610065)

1 引言

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，城市系統(tǒng)所面臨的不確定性因素和未知風險也在不斷增加，任何一個子系統(tǒng)遭到破壞或退化，都可能對整個城市造成致命的傷害，如：極端氣候引發(fā)的干旱與洪澇；地殼運動導致的地震與海嘯；恐怖襲擊和傳染病傳播帶來的社會恐慌；高密度開發(fā)與管理不善形成的空間混亂等[1～3]。傳統(tǒng)的城市安全與防災理念已經不能滿足未來城市的發(fā)展要求，如何提高城市系統(tǒng)面對災害事件等不確定因素的響應和適應能力，增強城市韌性，成為規(guī)劃界關注的熱點與焦點問題[4]。2013年3月，聯(lián)合國減災署在報告中提出建議，在全世界范圍建設“彈性城市”，來應對災害與風險[5]。

四川省是我國的資源大省、人口大省、經濟大省，人口高達8000多萬人，自然災害種類繁多、發(fā)生頻率高[6]。2008年發(fā)生的汶川大地震、2013年發(fā)生的雅安廬山地震都對城市安全發(fā)展帶來很大挑戰(zhàn)，如何增強城市韌性發(fā)展水平對保障城市安全與可持續(xù)發(fā)展有著重大意義。四川省共有21個地級行政區(qū)劃單位，其中包括18個地級市，3個自治州。但是，由于自治州相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)的缺失，在本次研究中暫不考慮，最終選取18個地級市作為本次研究的樣本，研究范圍如圖1所示。

本研究基于評價指標體系，對四川省各城市的城市韌性進行整體評價，分析四川省城市韌性的空間特征；取2008年汶川地震為時間節(jié)點，分別評價2007 年與2017年的城市韌性，通過比較10年前后各城市韌性指數(shù)，分析四川省城市韌性的時間特征；最后，通過對城市韌性的維度分析，判斷影響各城市韌性指數(shù)的主要因素，為城市韌性的建設工作提供可靠的依據(jù)。

圖1 研究區(qū)示意

2 城市韌性評價指標體系

2.1 城市韌性概念界定

1973年，生態(tài)學家霍林應用韌性思想定義生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的特征，被認為是現(xiàn)代韌性理論的起源[7]。2000年之后，韌性概念從社會—生態(tài)系統(tǒng)研究擴展到社會—經濟系統(tǒng)，并得到廣泛應用[8]。聯(lián)合國減災署對“韌性”的定義為:“韌性是一個系統(tǒng)、社區(qū)或者社會暴露于危險中時能夠通過及時有效的方式抵抗、吸收、適應并從其影響中恢復的能力，包括保護和恢復其必要基礎設施的功能[9]。”國際地方環(huán)境會對韌性城市的內涵進行闡述，即：在長期發(fā)展中形成面對外來干擾能迅速揮發(fā)，承受自身內在變化后能保持相對穩(wěn)定的城市[10]。綜上所述，城市韌性是穩(wěn)定能力、適應能力與恢復能力的結合。

2.2 評價指標體系的構建

國外對于韌性評價研究比較早,構建了初步的理論分析框架與研究體系雛形。Bruneau等學者構建了系統(tǒng)的韌性機能曲線評價模型，通過基礎設施機能隨時間的變化曲線計算地震韌性[4]；Woolf等人，提出ASPIRE模型，對外部資源、資產、能力和質量4個方面打分，對社區(qū)韌性進行評估[11]；Cutter等學者先提出DROP模型，從社會、經濟、制度和生態(tài)等6個方面構建評估指標體系,2014年，以DROP模型為基礎，將城市韌性分為社會韌性、經濟韌性、社區(qū)韌性、環(huán)境韌性等6個部分，構建社區(qū)基線韌性評價指標體系(BRIC)[4，12]。BRIC模型考慮的因素比較全面，可操作性強，在研究領域中，得到了廣泛的運用。

相較于國外城市韌性評估的研究進展，國內的研究尚且處于初級階段。多數(shù)研究選擇在借鑒國外理論的基礎上，因地制宜，構建符合實際情況的評估模型。劉江艷與曾忠平借鑒城市可持續(xù)發(fā)展的評價指標體系，通過城市生態(tài)彈性、經濟生態(tài)彈性、城市工程彈性和城市社會彈性等指標對城市韌性進行評價[13]。李亞以韌性基線模型(BRIC)為基礎，構建了我國的城市災害韌性評價指標體系[4]。趙丹等學者則借鑒奧雅納公司提出的韌性城市研究框架，從城市系統(tǒng)與韌性管理兩個維度出發(fā)，建立適應于北京市的韌性評價指標體系[14]。

對比不同評價模型的優(yōu)缺點，并出于對操作可行性的考慮，最終，選取韌性基線模型(BRIC)作為研究基礎，從經濟韌性、社會韌性、環(huán)境韌性、基礎設施韌性、社區(qū)韌性及組織韌性6個維度出發(fā)，構建針對四川省的城市韌性評價指標體系。本文參考國內外文獻的研究成果，根據(jù)評價因子在文獻中的出現(xiàn)頻率，結合四川省的實際情況與數(shù)據(jù)獲取的難易程度，確定評價因子。本次研究的基礎數(shù)據(jù)主要來源于《四川統(tǒng)計年鑒》，部分數(shù)據(jù)通過《四川省2010年人口普查資料》《四川省2000年人口普查資料》以及《中國城市統(tǒng)計年鑒》進行補充，還有一些數(shù)據(jù)則是通過基礎數(shù)據(jù)進行運算獲得。對于少數(shù)缺失數(shù)據(jù)，則通過選取其相鄰年份同類型數(shù)據(jù)進行替代。

構建的城市韌性評價指標體系如表1所示。

3 研究方法

本文采用熵權法進行韌性評價，將各單元的信息進行量化與綜合, 對各因子賦權，以簡化評價過程。熵權法根據(jù)指標變異性的大小，基于指標的本身來確定權重, 克服了傳統(tǒng)方法在確定評價指標權重因子時主觀因素的影響，能夠得到相對客觀的結果。

3.1 數(shù)據(jù)標準化處理

在多指標評價體系中，由于各評價指標的性質不同，通常具有不同的量綱與數(shù)量級。為了消除由此帶來的影響，保證結果的可靠性，需對原始指標的數(shù)據(jù)進行標準化的處理。本文選取極值法，對原始數(shù)據(jù)進行線性變換。

本文所選的指標存在正向指標與負向指標，其中失業(yè)率、生產總值能耗、65歲以上人口比重、人口密度、文盲占15歲以上人口比重、最低生活保障人口占比、工業(yè)二氧化硫排放量以及人均日生活用水量為負向指標，其余的18項指標為正向指標。針對不同類型的指標，采取不同的標準化方式。

表1 城市韌性評價指標體系及權重

對于原始標準越大越好的正向指標，處理公式為：

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

(1)

對于原始標準越小越好的負向指標，處理公式為：

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

(2)

公式(1)、(2)中,Xij為第i個單位的第j個指標的原始值，Yij為經過標準化處理后的第i個單位的第j個指標。

3.2 定義標準化

(3)

3.3 計算信息熵

(4)

公式(4)中，ej為第j項指標的信息熵值，某指標的熵值ej越小, 說明該指標提供的有用信息越多, 在綜合評價中所起到的作用越大, 其權重越大;反之亦然。

3.4 計算信息熵冗余度

dj=1-ej

(5)

公式(5)中，dj為信息效用值，dj值越大，表明指標越重要，對評價的重要性就越大。

3.5 計算指標權重

(6)

公式(6)中，Wj為第j項指標的權重，詳細結果見表1。

3.6 綜合評價

F=∑wjyij

(7)

4 結果分析

以兩年為間隔，將2007～2017年各城市年均數(shù)據(jù)代入公式，得到各指標權重，見圖2。在各項指標中，權重較大的有GDP、規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)個數(shù)、移動電話用戶數(shù)、互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)、醫(yī)療保險覆蓋率與失業(yè)保險覆蓋率，這些評價因子對城市韌性影響顯著。反之，人均日生活用水量與人口密度權重較小，對城市韌性的影響甚微。

4.1 四川省城市韌性空間特征分析

將2007～2017年的年均數(shù)據(jù)，代入公式(7)，可得四川省18個地級市的城市韌性指數(shù)，詳情見表2。

四川省18個地級市城市韌性的平均值為0.2860。成都市韌性指數(shù)高達0.8457；攀枝花市位列第二，韌性指數(shù)為0.3984，與成都市差距顯著；德陽市韌性指數(shù)為0.3496，位居第三，與第二名的差異明顯縮小；韌性指數(shù)最小的城市是巴中市，韌性指數(shù)為0.1945。城市韌性指數(shù)最大值約為最小值的4.35倍。

圖2 城市韌性指標權重

表2 四川省各地級市城市韌性指數(shù)

為了清晰地顯示結果，本研究采取標準差分類法，選取1倍的標準差的分類間隔對城市韌性指數(shù)的計算結果進行了分類，指標區(qū)間依次為0.1945～0.2137、0.2137～0.3583、0.3583～0.5028、0.5028～0.6474、0.6474～0.8457，城市韌性由差到優(yōu)，分別對應五級、四級、三級、二級、一級。

經統(tǒng)計，一級韌性城市與三級韌性城市各1個，四級韌性城市12個，五級韌性城市4個，二級城市出現(xiàn)斷層，大量城市處于四級水平，四級與五級城市共計16個，超過參評城市數(shù)量的4/5(圖3)。成都市作為四川的省會，城市韌性優(yōu)勢顯著，資陽市、眉山市與遂寧市雖與成都市相臨，韌性水平反而較低，與成都市形成鮮明的對比。成都市作為一級韌性城市，自身發(fā)展條件優(yōu)越，通過吸引周邊城市的資源，累積集聚優(yōu)勢，但對周邊城市輻射帶動作用不強，呈單中心極核式發(fā)展，空間分異現(xiàn)象顯著。

總體而言，四川省城市整體韌性水平不高，各城市韌性發(fā)展水平差異顯著，省域中心城市韌性水平優(yōu)勢顯著，其他各城市韌性呈低水平均衡分布態(tài)勢， 二級韌性城市斷層嚴重，省域中心城市邊緣地區(qū)韌性發(fā)展水平偏低。

4.2 四川省城市韌性時間特征分析

2007年與2017年四川省各地級市城市韌性水平如圖4所示。10年來，除攀枝花市的城市韌性趨勢類型為負向演變外，其余17個城市的城市韌性趨勢類型為正向演變。成都市一直保持較高韌性值，其余城市2007年與2017年的城市韌性指數(shù)均在0.2～0.4區(qū)間內變化，整體仍處于低韌性水平。

由于每個城市的韌性建設基礎不同，通過公式 “(2017年韌性指數(shù)-2007年韌性指數(shù))/2007年韌性指數(shù)”的計算值來分析每個城市的韌性波動幅度。結果如圖5所示，洪澇災害多發(fā)的瀘州市、南充市與地質災害多發(fā)的內江市、雅安市，韌性增長幅度顯著，而資陽市、達州市與綿陽市的增長不明顯。

進一步觀察不同維度的韌性演變趨勢，詳情見圖6。除卻個別有特殊情況的城市，四川省各維度韌性趨向于正向演變。其中，經濟韌性與基礎設施韌性發(fā)展不明顯，社會韌性發(fā)展趨于平緩，社區(qū)韌性演變趨勢不穩(wěn)定，環(huán)境韌性與組織韌性水平有顯著的提升。表明經濟發(fā)展與環(huán)境保護之間在近10年存在矛盾，如何正確處理經濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的關系，實現(xiàn)“雙贏”，是提高四川省城市韌性的要點。

總體而言，四川省城市韌性趨勢類型為平緩正向演變，城市韌性排名波動較大，災害多發(fā)城市積極主動地提高韌性應對災害與風險，但是，大多數(shù)城市韌性值依舊處于低韌性水平，有較大的提升空間。其中，環(huán)境韌性與組織韌性水平顯著提高，經濟韌性水平發(fā)展滯緩。

4.3 四川省城市韌性維度特征分析

為了便于對各個地區(qū)的城市韌性建設提出針對性的建議，基于2017年的數(shù)據(jù)，對不同維度下各個城市的韌性與不同城市的各個維度的韌性進行分析，具體情況如圖6與圖7所示。

不同維度下各城市的韌性進行對比，除環(huán)境韌性與社區(qū)韌性外，成都市均處于首位，尤其在經濟韌性與基礎設施韌性方面，優(yōu)勢顯著。就社會韌性而言，除成都市領先，宜賓市、達州市與瀘州市相對較好外，其他城市之間差異不明顯。對組織韌性進行分析，綿陽市與廣安市劣勢較明顯。在環(huán)境韌性方面，自貢市與南充市領先，達州市與攀枝花市有較大的上升空間。社區(qū)韌性維度下，攀枝花市水平優(yōu)越，成都市、廣元市、內江市與南充市良好，資陽市亟待提升。

進一步針對每個城市不同維度的韌性進行分析，普遍而言，社會韌性水平相對較高，社區(qū)韌性與基礎設施韌性水平相對較低。個別城市存在特殊情況，攀枝花市的社區(qū)韌性僅次于社會韌性，基礎設施韌性與環(huán)境韌性水平較差；除社區(qū)韌性外，成都市還需在環(huán)境韌性方面加強建設；綿陽市須在組織韌性上多下功夫；對達州市而言，環(huán)境韌性也是其不可忽視的短板；雅安市與巴中市的韌性短板還有經濟韌性。

圖3 2007～2017年四川省各地級市年均城市韌性空間分布

圖4 2007年與2017年四川省各地級市城市韌性

圖5 2007～2017年四川省各地級市城市韌性波動幅度

總體而言，不同維度，處于劣態(tài)的城市不同；不同城市，韌性短板不同。其中，在經濟韌性與基礎設施韌性方面，城市間的差距顯著；社區(qū)韌性與基礎設施韌性是大多數(shù)城市的韌性短板。只有找準城市的韌性短板，克服這些薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地進行提升，城市韌性建設才能得到更好的發(fā)展。

5 結論與建議

韌性評價有助于認識城市的韌性情況，是前期預判與后續(xù)決策的前提。本研究通過構建評價模型，利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行定量分析，得出以下結論：

(1)四川省城市整體韌性水平不高，韌性差異顯著，有明顯的空間分異特征。一級韌性城市具有絕對優(yōu)勢，二級韌性城市出現(xiàn)斷層，大量城市集中在四級與五級水平。成都市與其周邊城市韌性差異顯著。總體而言，城市應對風險時的穩(wěn)定能力、適應能力與恢復能力比較弱。

(2)四川省城市韌性趨勢類型為平緩正向演變。近10年間，除攀枝花市外，其余城市韌性均有所提高，但提升幅度不大，城市韌性還處于較低水平。環(huán)境韌性與組織韌性水平顯著提高，經濟韌性水平發(fā)展滯緩。

(3)不同維度，處于劣態(tài)的城市不同；不同城市，韌性短板不同。在經濟韌性與基礎設施韌性方面，城市間的差異較大。各城市的社會韌性得分相對較高，而其社區(qū)韌性與基礎設施韌性得分相對較低，是大多數(shù)城市的韌性短板。

針對所得的結論，結合影響因素的分析結果，提出如下建議：

(1)倡導全省區(qū)域協(xié)同韌性發(fā)展。成都市充分發(fā)揮輻射帶動作用，帶動周邊城市的發(fā)展；其余城市牢牢把握成都、重慶特大城市發(fā)展的溢出效應，借勢借力、相互促進、協(xié)調發(fā)展，縮小地區(qū)間的發(fā)展差距，提升四川省城市韌性的整體水平。關注成都市周邊地區(qū)城市韌性的提高，避免出現(xiàn)“燈下黑”現(xiàn)象。

(2)通過社區(qū)建設帶動城市韌性水平提升。隨著社區(qū)在社會治理中的作用日益提升，重視社區(qū)防災減災能力的提升，充分發(fā)揮社區(qū)在應急管理體系中的作用。以社區(qū)為單位，健全其救災體系，提高社區(qū)應對風險的能力，達到城市韌性水平的提升。

(3)提高城市基礎設施資金投入力度。城市基礎設施系統(tǒng)是安全防災的保障，為抗災救災提供硬件支撐。通過完善教育、醫(yī)療、民政、通信等公共服務設施，推動城市防洪、防震等防災減災體系建設。

(4)強化底線安全意識，形成綠色發(fā)展方式，平衡經濟發(fā)展與環(huán)境保護。環(huán)境保護與經濟發(fā)展之間存在著對立統(tǒng)一的關系，經濟發(fā)展要以保護保護環(huán)境為條件，環(huán)境保護亦需要經濟的支撐。通過傳統(tǒng)經濟向綠色經濟轉變，在轉變中實現(xiàn)結構增長，實現(xiàn)“效率、和諧、持續(xù)”三位一體的發(fā)展目標。強化空間管控邊界線的約束作用，為可持續(xù)發(fā)展預留空間。

圖6 2007年與2017年四川省各維度城市韌性比較

圖7 2017年四川省各城市不同維度韌性比較