基于PSR框架的城市洪涝弹性评估以苏锡常地区为例

刘 钢,2,袁晓梅,黄 晶,王慧敏

(1.河海大学 管理科学研究所,江苏 南京 211100;2.沿海开发与保护协调创新中心,江苏 南京 210098)

1 引言

随着城市化进程加快,我国城市洪涝灾害越发严重,给城市发展带来了巨大威胁。据住房和城乡建设部统计,2008—2010年期间我国有62%的城市发生过程度不一的内涝灾害。2016年,我国共出现51次强降雨天气过程,平均降雨量达到自1951年以来的最大值;同年,南京、武汉等192座城市发生严重内涝灾害,据统计受淹面积达到1542km2,受灾人口389万人,直接经济损失91亿元。“十三五”规划提出“海绵城市”是新型城镇化发展的重要方向。“海绵城市”具有适应环境变化和应对雨洪灾害的弹性,建设“海绵城市”有助于解决城市内涝问题,改善城市生态环境,提高民众生活质量。在海绵城市建设中,对城市洪涝弹性的评估是提高城市弹性的基础,为提高城市应对洪涝灾害的能力提供了科学依据。

我国学者对城市洪涝展开了大量研究工作,从20世纪90年代开始进行基于灾情系统理论的洪灾风险评价。史培军等[1]学者首次提出由孕灾环境、致灾因子、承灾体三者相互作用的灾情系统理论,此后致灾因子危险性、承灾体暴露性与脆弱性、孕灾环境的稳定性三方面及其综合作用成为我国研究的重点[2]。近年来,减灾抗灾能力也已融入洪灾风险评价之中[3,4]。

弹性概念源于20世纪70年代,由美国学者Holling提出,认为弹性是系统受到干扰后维持一种状态的能力,是系统吸收各种干扰并保持稳定的能力的度量[5]。我国学者对弹性城市和城市水系统弹性的研究才刚刚起步,大多是对我国弹性城市建设理论的初步探索[6]以及国内外弹性城市研究的文献综述[7,8]。目前,有学者初步探讨了我国城市的水系统弹性,将城市水系统弹性比喻为“海绵”,提出通过工程措施、非工程措施多种手段跨尺度构建城市水系统基础设施[9,10];张灵等[11]对水灾恢复力进行了研究,选择不同角度构建了水灾恢复力评价模型,以此评价地区的洪涝弹性;许涛等[12]从抵御能力、恢复能力、适应能力三个维度出发,直接建立城市内涝弹性评价体系。

从灾情系统理论出发的方法虽具有系统性,但无法刻画具有动态性和循环性的过程;而弹性城市研究虽然考虑了系统受到干扰后的状态改变,但目前城市弹性与洪涝弹性的概念尚未明确,对弹性评价指标体系的选取标准不一。“压力—状态—响应”(PSR)框架是一种概念框架,解释人类活动对环境施加压力,环境进行自我调节,社会根据环境调节状况做出响应。由于模型的系统论思想,已被应用到越来越多的领域,如生态安全评价[13,14]、环境承载力评估[15,16]和各类灾害风险评价中[17,18]。PSR分析即具备系统性又兼具动态性,同时考虑压力、状态、响应三层的相互作用。

2 基于PSR框架的城市洪涝弹性分析

2.1 城市洪涝系统PSR分析框架

城市洪涝系统涉及城市气候状况、生态环境、经济发展水平、防洪工程设施等诸多方面,这些方面的因素可依据支配力量划归自然世界和社会世界,因此本文从自然系统、社会系统两个维度对城市洪涝系统的压力、状态和响应进行分析(图1)。自然系统的气候、地理因素变化,如降雨、地形起伏变化等,社会系统的人口增长、土地利用方式不合理等“压力刺激”,会影响城市洪涝系统状态;植被覆盖率降低、人口密度变大等“状态改变”,使城市洪涝弹性降低;系统收到状态改变信号后做出“响应措施”,如雨水的土壤下渗、完善防洪工程、加强洪水监测等,减缓了系统压力,协调和改善了系统状态,使城市洪涝弹性提高。

图1 基于PSR框架的城市洪涝系统

压力层表示给城市洪涝系统施压的因素。从自然系统角度出发,主要包括气候、地理两类因素,降雨过多、时间过长都会引发洪涝灾害;低洼平坦的地形加剧了洪涝灾害。从社会系统角度出发,人口、经济、土地利用方式、居民生活方式等,都可能给城市洪涝系统带来压力,改变自然系统和社会系统的状态。状态层主要反映目前城市洪涝系统的状态,与压力层因素的刺激有关。河湖容量、防洪的植被覆盖率、河网密度等因素反映出自然系统的状态,若植被覆盖率低则不利于雨水土壤下渗,容易引发洪涝灾害。自然系统状态受自然系统、社会系统两方面压力刺激作用,如工业用地扩张可能会降低植被覆盖率。社会系统状态受到人口密度、经济发展程度、城市化水平等因素影响,系统改变主要来自社会系统自身的压力刺激。响应层是自然系统、社会系统根据洪涝灾害所发出的信号做出应对洪灾风险的调整措施。为了缓解洪涝压力,自然系统会自发地采取河湖蓄洪、地面雨水下渗等行为。而人类社会可从多方面对洪涝灾害进行管理,包括完善防洪工程、加强地区抽水能力、完善地区交通网络等工程措施;加强防洪监测、完善防洪规划、设计防洪预案、加强公众参与、合理规划城市发展布局等非工程措施。社会系统的这些响应措施反作用于系统状态因素和社会系统压力因素,达到缓解洪涝压力、改善现状的效果。

2.2 城市洪涝弹性定义与内涵

基于PSR框架分析城市洪涝系统,城市洪涝系统受到压力刺激,导致系统状态发生变化,易发生洪灾；城市根据洪灾信号采取相应的响应措施进行洪灾风险管理,同时反作用于压力层与状态层因素。这是一个典型的弹性循环过程,该过程既有稳定的一面,又强调变化因素。城市洪涝弹性(R)是过程中压力层的刺激性(H)、状态层的敏感性(E)、响应层适应性(V)的综合作用结果，因此本文对城市洪涝弹性的定义为:城市洪涝弹性是城市在面对来自自然系统和社会系统洪涝灾害压力时,为了保持原有的特征、结构和关键功能不变,采取工程及非工程措施来抵抗、吸收、适应洪涝风险的响应能力。

结合对城市洪涝弹性的定义及分析,给出以下三点城市洪涝弹性内涵:①城市洪涝弹性是一种响应能力。将城市洪涝弹性定义为一种响应能力,该响应能力是压力层因素的刺激性、状态层因素的敏感性和响应层因素的适应性的综合作用结果,是城市应对洪涝灾害弹性水平的度量。②提高城市洪涝弹性目的是为了维持城市的特征、结构和关键功能不变。自然系统和社会系统压力因素会给洪涝系统带来压力刺激,使洪涝系统状态发生变化,易于引发洪灾。在面对洪涝灾害时,洪涝弹性较好的城市更能保证城市的健康发展、维持城市系统的经济结构、社会秩序和保护城市人民财产的安全。③提高城市洪涝弹性能力是通过采取工程及非工程措施抵抗、吸收、适应洪涝风险来实现。为了维持城市结构和功能,必须采取加强地区抽水能力等工程措施、完善防洪规划等非工程措施提升城市抵抗、吸收、适应洪涝风险的响应能力。

3 城市洪涝弹性评估模型建立

3.1 城市洪涝弹性评价指标

城市洪涝弹性(R)是压力层因素的刺激性(H)、状态层因素的敏感性(E)、响应层因素的适应性(V)的综合作用结果,因此从这三个方面建立评估指标体系见图2。刺激性因素是给城市洪涝系统带来压力刺激的因素。自然系统的气候、地理两类因素会影响城市洪涝系统压力,降雨过多、海拔较低都容易引起洪灾;同时,城市洪涝系统压力还受到社会系统中人口、经济、土地利用方式等因素的影响,人口增长会使更多的人面临洪灾威胁,从而加大系统压力,因此选取年降雨量、海拔、人口密度三个指标。敏感性因素主要反映城市洪涝系统状态的敏感性。生态脆弱性、社会财产暴露性是系统状态敏感性的主要影响因子,而生态脆弱性又受到植被、湿地等因素的影响。社会财产暴露性就是考虑易被洪水破坏的财产价值与密度,以固定资产密度和建筑密度为典型代表,固定资产越密集,则洪灾来临时受到的损失越多,因此评估系统状态敏感性选取图2的四个指标。适应性是城市应对洪涝灾害做出的响应措施,主要体现在洪灾来临前和来临时的防洪应急能力、洪灾过后的恢复能力,以及整个过程中的社会服务体系三个方面。防洪应急能力表现为对洪涝灾害的应急抵抗能力,关键在于防洪政策规章制度、洪水监测预警体系、防洪基础设施三方面,因此选取防洪预案、水文水位站点数密度、排水管网长度三个指标。与洪涝灾害密切相关的社会服务主要包括地区交通网络、医疗水平和社会保障水平三项内容,因此评估社会服务体系选取图2的三个指标。灾后恢复能力关键在于地区的经济水平、经济结构和人员素质,因此选取地区生产总值、第三产业占比、普通高等学校毕业生数三个指标。

图2 城市洪涝弹性评价指标体系

3.2 指标标准化

城市洪涝弹性评估指标体系中防洪预案为定性指标,为了便于定量评价对该指标进行赋值处理,赋值1—4,分别表示没有防洪预案、部分地区有防洪预案、整体但不完备的防洪预案、完备的防洪预案。城市洪涝弹性评估共计16个指标值均为非负值。年降雨量、人口密度、城市建设用地面积、人均固定资产投资等4项指标与城市洪涝弹性呈负相关关系(简称“反向指标”);其他指标与城市洪涝弹性呈正相关关系，其值越大,城市洪涝弹性越大(简称“正向指标”)。但各个指标的量纲差别很大,为消除其带来的影响,需对指标值进行标准化处理。

由于各个指数对城市洪涝弹性的作用性质不同,其中刺激性、敏感性指数与城市洪涝弹性呈负相关关系，适应性指数与城市洪涝弹性呈正相关关系,因此不同指数指标标准化方法不同。对刺激性和敏感性指数来说,正向指标的标准化为:

yi=1-ximax(xi)

(1)

反向指标的标准化为:

yi=ximax(xi)

(2)

对适应性指数的指标标准化为:

yi=ximax(xi)

(3)

式中,yi为第i个指标的标准化值;xi为第i个指标的原始值;max(xi)为第i个指标的最大值。

3.3 权重确定

本文采用主观和客观相结合的方法来确定指标权重。主观权重由层次分析法计算得出,客观权重由熵权法计算得出,最后取两者的算数平均值为综合权重wi,避免了单一赋权方法的片面性。

3.4 城市洪涝弹性风险评价模型

本文综合考虑刺激性(H)、敏感姓(E)、适应性(V)对城市洪涝弹性(R)的影响程度,构建城市洪涝弹性评估模型,公式为:

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

(4)

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

4 苏锡常城市洪涝弹性评估实例

4.1 研究区域概况

苏州、无锡、常州三市地理位置优越,位于我国长三角冲积平原,构成了长江三角洲城市群的重要部分,在我国现代化建设中的地位不可替代。2015年,三市的地区生产总值占江苏省国内生产总值的40.36%,占全国国内生产总值的4.13%,常住人口占江苏省总人口的27.39%。该区域是我国经济较发达、城镇集聚程度较高的地域。然而,随着全球气候的变化,洪水内涝灾害的不确定性给苏锡常地区发展带来了巨大威胁。2015年6月,常州发生了“两百年一遇”的特大洪水,直接经济损失61.359亿元,受灾人口35.71万人。

4.2 权重确定

本文使用的数据资料来自2010年、2013年、2016年的《苏州统计年鉴》、《无锡统计年鉴》和《常州统计年鉴》。采用上文提及的指标处理方法,对城市洪涝弹性评价指标进行标准化处理。

通过对来自太湖流域管理局、江苏省水利厅、苏锡常三市水利局、城市规划局、河海大学国家重点实验室等部门的专家进行问卷调查,计算AHP权重。本次调研共收回250份问卷,有效问卷207份。城市洪涝弹性评价指标权重见表1。

表1 城市洪涝弹性评价指标权重

4.3 苏锡常地区城市洪涝弹性评估结果分析

根据本文构建的城市洪涝弹性综合评价模型,对苏锡常三市2009年、2012年、2015年的刺激性、敏感性、适应性和城市洪涝弹性进行评价。从计算结果中可见,总体上苏锡常地区城市洪涝弹性整体波动起伏较大,且时空差异较显著。从地区来看,苏州城市洪涝弹性最优,无锡次之,常州最弱;从时间来看,2009—2012年苏州和常州的城市洪涝弹性变化甚微,无锡上升;2012—2015年苏州城市洪涝弹性上升,无锡变化甚微,而常州城市洪涝弹性下降。

从地区来看,城市洪涝弹性空间差异显著,各城市洪涝弹性差别较大,苏州市城市洪涝弹性最优,无锡次之,常州最弱(图3)。苏州市历年的弹性指数最高(0.7)，常州市历年的弹性指数最低(0.6);2012年三个城市洪涝弹性差距最小为0.201,2015年三个城市间洪涝弹性差距最大为0.351。

图3 苏锡常三城市洪涝弹性指数

进一步分析城市洪涝系统的刺激性、敏感性和适应性指数,苏州市适应性指数相对最高,但敏感性指数也最高。以2012年为例(图4),苏州市适应性指数最高(0.320),是常州的1.62倍、无锡的1.16倍,说明苏州市在应对洪涝灾害上比其他两个城市做出了更有效的响应措施,而常州城市洪涝系统适应性还有较大的提升空间。从敏感性指数分析,苏州市最高,常州市最低,敏感性指数越高,城市洪涝弹性越低。说明苏州市的生态脆弱性和社会财产暴露性是三个城市中相对最高的,在遭遇洪水时的损失可能最大。刺激性主要是给城市洪涝系统带来的压力,包括降雨、海拔、人口等方面,三个城市在刺激性上相对差距不大,无锡市最高(0.251),常州市最低(0.198)。

图4 2012年城市洪涝弹性评价各指数

从上述分析可见,苏州市城市洪涝弹性较高是由于该城市洪涝系统适应能力强,地区综合服务水平高,但苏州市城市洪涝系统状态敏感性较高,受到强降雨等压力刺激作用时易遭受财产损失。究其根本原因,苏州市发展迅速,地区GDP常年位列江苏省内第一;交通便捷,处于长三角的交通接点和沪宁杭、沪苏杭的中心位置,形成纵横交错立体型开放式的大交通框架;地区教育水平较高,区域内设有苏州大学,吸引外地人才流入;同时,城市建设用地面积逐年扩张,加大了雨水的土壤下渗难度。无锡市城市洪涝弹性居中是由于该市的适应性和敏感性指数居中,但无锡市的洪涝系统刺激性相对较高。究其原因,无锡市面积相对较小,但流入人口较多,2015年无锡市流入人口占比达到35.4%,因此人口密度在三个城市中最大,使无锡市人口压力较大。常州市城市洪涝弹性最弱,是由于该市的城市洪涝系统适应性较差,遇暴雨极易引发洪涝灾害;而防洪工程设施有待完善,2015年常州市排水管网长度仅相当于无锡的42.5%;经济上升缓慢,在苏锡常都市圈中经济排名末位,2015年地区GDP仅相当于苏州的36.4%。

从时间来看,城市洪涝弹性呈波动起伏状态。总体来说,苏州市和无锡市呈上升趋势,而常州市呈下降趋势(图5)。2009—2012年苏州和常州城市洪涝弹性变化甚微,无锡上升7.6%;2012—2015年苏州城市洪涝弹性上升13.6%,达到最高值的0.895,无锡城市洪涝弹性变化甚微,而常州城市洪涝弹性下降7.5%,达到最低值0.543。总体上来说,城市洪涝弹性随着时间的波动较大,各地区随时间波动的幅度不一。

图5 2009—2015年城市洪涝弹性指数

图6 苏州市城市洪涝弹性评价各指数

进一步分析城市洪涝系统的刺激性、敏感性和适应性指数,以苏州市为例(图6),发现2009—2015年期间刺激性、敏感性和适应性指数总体呈上升趋势。说明随着城市发展和气候变化,城市洪涝系统所受压力逐渐加大,系统状态更加敏感;另一方面由于防洪观念的转变和防洪措施的实施,城市应对洪涝灾害的能力逐渐加强,社会服务能力稳步提升。具体分析苏州市和常州市的各指数波动幅度,发现苏州市2012—2015年的适应性指数上升幅度较大,达到13.6%,这说明苏州市做出了有效应对洪涝灾害的响应措施;常州市总体上适应性指数增长较缓,以2009年为基准年,平均每三年增长了12.5%,2012—2015年刺激性指数上升幅度较大,达到21.2%(图7),说明该期间系统所受压力的刺激作用加大。

图7 常州市城市洪涝弹性评价各指数

从上述分析可见,2012—2015年苏州市城市洪涝弹性上升是因为在此期间系统的适应性得到提高。其原因是：2012—2015年苏州市医疗水平和交通水平较上一期有了较大改进,2015年末实际医疗床位数达到59304张,超过“十二五”规划目标的18.6%,因此适应性指数在此期间涨幅较大。此外,2009—2015年是苏州市推行城乡一体化发展的关键时期,城市化水平迅速提高,2015年末城市化率达到74.9%,社会综合服务能力也得到迅速提升,但随之而来的是人口与环境的巨大压力,使苏州市刺激性和敏感性指数持续上升。2012—2015年,常州市系统刺激性加大，导致城市洪涝弹性下降,这是因为2015年汛期常州市遭遇到强降雨袭击,系统降雨压力陡然加大。此外,2009—2015年常州市发展缓慢,地区GDP已被南通、徐州等城市超越,导致其适应性指数增长相对较缓,所以常州市的城市洪涝弹性总体呈下降趋势。

5 结论

研究结果表明:苏锡常地区城市洪涝弹性区域间差别显著,其中苏州城市洪涝弹性最强,无锡次之,常州最弱;城市洪涝弹性在不同时期差别较大,总体上苏州和无锡城市洪涝弹性呈上升趋势,常州呈下降趋势。在苏州、无锡、常州三个城市中,苏州市适应性指数最高,且敏感性指数也最高;无锡市刺激性指数最高,而敏感性和适应性指数居中;常州市适应性指数最低。因此,苏锡常三市应因地制宜提高各自城市的洪涝弹性：①苏州市应在追求发展同时注重生态环境建设,优化产业结构,控制固定资产密度,缓解系统状态敏感性。②无锡市应注意缓解人口压力,避免人口过度增长;同时改善交通水平、发展经济、提高地区综合服务能力。③常州市应增设城市排水管道,完善水利工程设施,加强地区洪水调度能力;加强洪水应急能力,做好防汛队伍建设和防汛物资储备工作;注重社会经济发展,提高地区经济实力。

由于城市洪涝系统的结构复杂,影响因素较多,难以完全分析城市洪涝系统弹性,本文构建的城市洪涝弹性评估体系能为其他区域开展城市洪涝弹性评估提供借鉴,评估结果可为苏锡常地区的防洪规划与弹性城市构建等提供参考。

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