基于多维空间耦合模型的综合灾害风险评价*--以南阳市中心城区为例

孙 忠，庞 磊，卢钖钖

(1.南阳理工学院 建筑学院，河南 南阳 473004；2.天津大学 建筑学院，天津 300072)

随着全球气候环境变化，灾害发生频率增加，城市作为地区政治、经济、文化中心，较高的建设密度及人口、经济集聚性[1]，重大灾害发生使城市受到严重威胁。为维护城市安全，应根据灾害系统特征，先对灾害风险评价，明确风险等级及影响因素[2]。灾害系统论认为灾害风险影响要素包括致灾因子和承灾体[3]；MASKREY认为灾害风险是危险性与易损性之和[4]；联合国国际减灾战略署认为灾害风险是灾害与承灾体脆弱性作用的结果[5]；而潘耀忠与史培军认为灾害是孕灾环境、致灾因子与承灾体相互作用结果[6-8]。灾害风险评价是通过对致灾因子及承灾体脆弱性研究，判定风险性质与范围[9]，长期以来多利用GIS[10-11]、VIKOR扩展法[12]、主成分分析法[13-14]、组合赋权-TOPSIS法[15]等对单灾种分析[16]，而灾害高连锁效应使综合灾害风险评价更具现实意义，薛晔[17]、HOTSPOT[18]、哥伦比亚马尼塞莱斯市[19]、刘爱华[20]、王望珍[21]、李双双[22]等虽然对多灾种进行了研究，仍采用单灾种加剧系数或多灾种简单叠加，未考虑要素联系性及灾害成因的复杂性，使灾害风险评价模型构建、指标体系建立及测算方法仍存在一定缺陷。因此在2021年国家出台了《安全韧性城市评价指南》[23]，指出综合灾害风险评价应从致灾因子、孕灾环境和承灾体整体出发，增强脆弱性、承暴露性及危险性综合分析，因此本研究从“孕灾环境脆弱性、承灾体暴露性及致灾因子危险性”等层面构建了多维空间耦合模型，建立了3大类、13中类、36小类的综合灾害风险评价体系，并采用加权综合评价法对综合灾害风险评价，从灾害构成要素“源头--根本--基础”进行分析，根据评价结果提出改善策略，降低灾害风险的同时，提高城市安全性。南阳市中心城区环境复杂，人口数量较多，各类灾害均有发生且连锁效应明显，为保证城市居民安全，利用多维空间耦合模型对南阳市中心城区灾害风险分析，并对南阳市中心城区灾难风险进行测算，通过不同年份及同一年份灾害风险形成的“源头--根本--基础”空间数据进行纵横向对比分析，明确灾害风险变化情况及主要影响因素，并提出“源头改善、基础提升、根本保证”的南阳市中心城区灾害风险降低策略，不仅为南阳市可持续发展及安全城市建设提供指导，也为我国其他城市灾害风险评价提供新的方法及技术。

1 多维空间耦合模型构建

城市作为复杂巨系统，构成要素复杂，各要素既存在多样联系，又具有较强独立性。随着全球环境变化及城市快速发展，城市原有空间发生较大变化，安全及灾害事件频发，特别是洪涝、火灾、爆炸、滑坡、泥石流等，严重影响着居民生命安全及正常生活。根据灾害形成机理及国内外灾害风险研究发现，灾害风险是多维和动态的[7]，不同评价时间、周期，灾害风险也会发生变化。灾害风险是多种因素共同作用的结果[24]，不仅包括直接导致灾害发生的致灾因子，也要有承载体，即灾害时受到影响且造成一定损失的受灾对象，也有能够被破坏且孕育灾害的外部环境，也就是孕灾环境三部分构成[25]，三部分存在着多元联系。致灾因子作为灾害风险源头，由孕灾环境所引发出来，没有孕灾环境无法形成灾害，同时致灾因子反馈到孕灾环境中，致灾因子越复杂，孕灾环境越脆弱，导致致灾因子数量增加；孕灾环境作为灾害风险形成的根本条件，不仅需要承灾体支撑，也是致灾因子表现为灾害的载体，同时孕灾环境是致灾因子发挥作用的前提，无适宜的孕灾环境，致灾因子也无法形成；承载体作为灾害风险发生基础，孕灾环境是承灾体作用的主要对象，也是直接承载灾害的空间，三部分属于不同空间系统且处于城市不同空间体系，只有将灾害风险“源头--根本--基础”综合性考虑，构建基于“孕灾环境脆弱性、承灾体暴露性及致灾因子危险性”的多维空间耦合模型，才能实现合理的灾害风险评价(图1)。在模型构建时，以X轴表示孕灾环境脆弱性，Y轴表示承灾体暴露性，Z轴表示致灾因子危险性，M为灾害风险，X1、X2为不同时期的孕灾环境脆弱性，Y1、Y2为不同时期的承灾体暴露性，Z1、Z2为不同时期的致灾因子危险性，M1、M2为不同时期的灾害风险值，A、b分布为O点与M1和M2之间的连接线，由于一个空间变量变化会引起其他空间变化，而其变化量远小于主变量所造成的影响，M并不在一条直线上，因此使空间模型呈现出的线形并不是直线关系，而是呈扭曲的“S”型(图2)。

图1 灾害风险形成机理及相互耦合关系

图2 综合灾害风险多维空间耦合模型

2 多维空间耦合的综合灾害风险测算及评价指标体系建立

2.1 综合灾害风险测算方法

在对灾害风险计算时，从不同空间维度出发，对各空间维度要素计算。各空间维度由不同因子构成，为确保计算精准性，对各因子权重计算，再利用加权综合评价法对综合灾害风险评价。各空间维度存在着较强联系性，且各空间维度互相支撑，通过对相关研究及实验分析发现，各空间维度存在着一定的函数关系，当某一维度数据改变时，其他空间维度也会发生变化，这就需要在灾害风险计算时，在单纯要素加权综合评价基础上增加相应常数，当1～2两个空间发生变化时，另外空间也会发生变化，其数值基本保持在(-0.2～0.2)之间，多维空间耦合的综合灾害风险测算方法如下：

(1)

R=(1-α)·Rz·X·Wz+(1-β)·Rc·X·Wc+(1-λ)·Rh·X·Wh。

(2)

式中：yij为第i指标的j值，Wi为第i指标权重值，Rz、Rc、Rh分别为灾害风险指数值，Wz、Wc、Wh分别为Z、C、H的权重值，α、β、λ其值均为-0.2～0.2，如其中仅有一个维度数值变化时，α在0～0.2之间，β、λ均在-0.1～0之间；当有两个数值变化时，α、β均在0～0.05之间，λ在-0.15～0之间。

2.2 评价指标筛选及构建

为了对综合灾害风险计算，对不同空间维度要素分析，选取合理的评价指标体系。根据综合灾害形成空间特征，考虑不同类型灾害的孕灾环境、致灾规律、灾害发生情况及不同灾害综合影响，参考国内外相关灾害风险研究及国家灾害防治、管理条例，将“致灾因子危险性、承灾体暴露性、孕灾环境脆弱性”三个空间维度指标作为准则层，并选取13个评价指标、36个评价因子，构成城市综合灾害风险评价指标体系，并根据加权综合评价法对其权重值进行计算(表1)。

表1 城市灾害风险评价指标体系

3 基于多维空间模型的南阳市中心城区综合灾害风险评价

3.1 研究区域概况及数据来源

3.1.1 研究区域概况

南阳市位于河南省西南部，位于鄂豫陕三省交界处，也是河南省副中心城市。南阳地处我国南北气候分界线，中心城区周边山地环绕，区域性河流白河从中心城区穿过，城市内部也有多条河流，受盆地地形影响，降雨强度及频率均较大。南阳市中心城区由19个街道(乡)组成，总面积414.7 km2。南阳市作为我国第二批历史文化名城，老城区建筑密度较高，道路较窄，设施较不完善，绿地等空间缺乏，周边区域城中村较多。通过对南阳市历年灾害数据查询及分析发现，南阳市洪涝、火灾等频发，多条地震断裂带从中心城区穿过，且均为活动断裂，北部区域有一泥石流、滑坡等风险，因此有必要对洪涝、火灾、爆炸、地震、泥石流、滑坡等灾害类型研究。

3.1.2 数据来源

为了对南阳市灾害风险评价，选取2010年、2015年及2021年数据，数据来源于南阳市统计年鉴、政府工作报告、DEM数据、矢量数据、POI数据、土壤类型数据、城市建设情况、气象数据、灾害情况等。

3.2 南阳市中心城区不同年份综合灾害风险评价

在灾害风险评价时，将2010、2015和2021年数据代入式(2)，得到南阳市综合灾害风险值(图3)，南阳市中心城区综合灾害风险水平不断提高，增速由快变缓，但灾害风险一直均较大。主要是由于城市快速建设，周边地区开发速度加快，但各项设施建设较慢，城市人口数量不断增加，老城区及城中村较多区域环境未得到改善，灾害风险不断增加。

图3 2010-2021年南阳市中心城区综合灾害风险水平

3.3 综合灾害风险纵向分析

3.3.1 灾害风险纵向变化

通过对南阳市中心城区三个年份综合灾害风险分析，各区域灾害风险随时间变化(图4)，从中心向周边逐渐提升。由于2010年周边区域建设较慢，多为农村地区及空地，灾害风险较低，中心区域的老城区设施落后、建筑老旧，且受白河影响，洪涝、火灾等频发，灾害风险从老城区向外围逐渐降低。2015年随着城中村拆迁，周边区域开发，灾害风险较大区域逐渐向外围扩展，特别是张衡街道和高新产业集聚区的建设，同时老城区部分地区设施及环境改善，灾害危险性降低，但周边工业企业建设使灾害风险进一步增加，尤其是光武街道。2021年随着城市建设及更新进行，老城区各项设施建设相对较为完善，但老城区由于其先天劣势，灾害风险仍相对较高，周边区域建设也在内部增加了一些易燃易爆工业企业、加油站、变电站等，同时各区域人口数量及密度差距也在逐渐减小，而白河周边环境改善及治理，洪涝威胁减小，各区域发展相对较为平衡，原有绿地、农田等被占用，土地易损性、生态敏感性均在增加，区域灾害风险水平均有提高，中心城区灾害风险差别在逐渐缩小。

图4 2010、2015、2021年各街道(乡)灾害风险变化

3.3.2 不同因子的危险性评价

通过对三个年份多维空间要素纵向对比，不同街道(乡)灾害因子影响各不相同，灾害风险如图5。

图5 2010、2015、2021年各要素灾害风险水平

在致灾因子危险性方面，新华街道、东关街道、仲景街道、汉冶街道2等逐渐降低，而枣林街道1、姜营街道、五里堡街道、高新产业集聚区工业园、武侯街道、张衡街道逐渐增加。这些区域位于地震断裂带附近，排水标准较低，且临近白河，易受洪涝和内涝影响，同时内部易燃易爆企业及加油站等数量较多，区域致灾因子数量仍在增加；在承灾体暴露性方面，由于城市改造及周边区域建设，中心区域基础设施更加完善，同时随着周边地区开发，城市建设强度增大、人口数量增加、工业企业数量也在增加，但各项设施建设较不完善，老城区承灾体暴露性降低、周边区域承灾体暴露性增加；在孕灾环境脆弱性方面，各区域差别较大。老城区由于建设密度较大、建筑老旧、建设年代久远、结构较差、河流密度较高且绿地率较低，生态敏感性及土地易损性较高。周边区域建设规模不断增加、建筑高度增加，但绿地率降低，生态敏感性及土地易损性等增加，孕灾环境脆弱性增加。

3.4 同一年份综合灾害风险横向评价

3.4.1 致灾因子危险性评价

通过对南阳市洪涝(Z1)、地震(Z2)、火灾(Z3)、泥石流等其他灾害(Z4)危险性分析，得到致灾因子危险性(Z)评价结果(图6)。由于近年来白河防洪堤建设，白河周边洪涝危险性降低，城市内部原有建设区地势较低、排水设施不全，洪涝风险较大。致灾因子危险性极高和较高区域为城市周边易燃易爆企业、加油站较多，地震断裂带穿过区域，位于中心城区西部及西南部。致灾因子危险性较低和极低区域为致灾因子数量较少、距离地震断裂带较远、工业企业建设数量较少及大量农田分布区，主要位于城市南部及东南部。

图6 2021年致灾因子危险性评价结果

3.4.2 承灾体暴露性风险评价

通过对人口(C1)、经济(C2)、土地(C3)、公共服务设施(C4)及基础设施(C5)暴露性分析，得到承灾体暴露性(C)评价结果(图7)。承灾体暴露性极高和较高区域为人口数量较多、建筑密度较高、土地开发强度较大且生命线设施建设相对不完善区域，位于白河以北的老城区和新开发以居住为主的区域，位于城市中部，白河以南主要为枣林街道1区域，人口数量较多、经济较为发达、土地开发强度较大，但多为一些老建筑及城中村，设施相对不完善。承灾体暴露性较低和极低区域为人口数量相对较少、开发强度较小且经济发展较慢区域，包括姜营街道、五里堡街道、百里奚街道。

图7 2021年承灾体暴露性评价结果

3.4.3 孕灾环境脆弱性风险评价

通过对建筑(H1)、地形(H2)、生态(H3)、土地(H4)脆弱性等分析，得到孕灾环境脆弱性(H)评价结果(图8)。孕灾环境脆弱性极高和较高区域大多数建设时间较长，建筑老旧、建筑密度较高、建筑材料多为砖木结构，以城中村和老城区为主区域，也有一些建设相对较早的工业区，内部绿地率较低、生态敏感性及土地易损性均较高，主要为沿白河的老城区及新店乡。孕灾环境脆弱性较低和极低区域为近些年新开发区域及开发强度不大的地区，内部多为农田，建筑密度较低，新建建筑质量较好且建筑密度相对较低，主要位于七里园乡、百里奚街道、卧龙岗街道、姜营街道、白河街道、高新产业集聚工业园等。

图8 2021年孕灾环境脆弱性评价结果

4 基于多维空间耦合模型的南阳市中心城区综合灾害风险降低策略

南阳市中心城区独特的环境及城市建设情况，使灾害风险居高不下，各空间维度因子影响仍较强，为降低灾害风险，从“源头-基础-根本”三个空间维度提出以下策略。

1)源头改善。加快城市改造更新及环境提升，增强城市韧性，降低致灾因子危险性。

对中心城区内部环境及建设空间改造，提升建筑抗灾能力及灾害应对能力，降低灾害发生概率及灾害风险等级。因此应加快城市改造及更新，对老城区进行改造及内部环境提升，对于质量较差建筑，更换结构及替换原有材料，增加其抗灾能力，并对内部道路梳理，提高避难疏散功能，对于裸露、老旧电力、燃气管线改造，防止火灾等发生。同时对城市内部现状空间改造，利用改造空间建设防灾避难场所，形成等级完善且人均规模均等的防灾避难场所布局，从源头增强城市韧性，降低致灾因子数量及危险性。

2)基础提升。加快公共服务及基础设施建设，提升城市管理及灾害预警能力，降低承载体暴露性。

公共服务设施及基础设施建设是灾害应急管理的基础，也是灾害时社会救治及人员安全的重要保证，也是降低灾害风险的重要基础。因此先对老城空间梳理及建筑评估，拆除无价值及私搭乱建建筑，并将拆除后的空间用来建设基础设施，完善各类生命线设施，提高城市排水能力。在新开发地区增加公共服务设施建设力度，特别是新开发住宅区，应增加医疗、消防、治安等设施建设水平，提高其服务覆盖率及综合服务能力，保证灾后快速救援及人员救治。同时结合现代智能技术手段，提高灾害预警及监测能力，建设城市灾害应急管理系统，利用GIS与气象监测、烟雾感应、智慧监测等平台，进行灾害模拟及合理预判，利用网格化技术分区域、分地区管控，对重点地区实时监控，降低承灾体暴露性。

3)根本保证。提高城市生态环境质量及建设水平，降低孕灾环境脆弱性。

生态环境是保证韧性城市及安全城市建设的基础，降低城市灾害风险的保障，不仅能够降低火灾、洪涝等影响程度，也能够在灾害时提供充足的蓄渗水空间及人员避难空间。因此应加快城市内部环境整治，结合国土空间规划及河流的流域治理，实现生态、生产、生活三生空间协同。充分利用城市内部绿地、公园等空间，提高城市生态环境建设标准及绿化覆盖率，降低城中村及老城区内建筑密度，建设点状、楔形与线状、面状结合的绿地空间，实现见缝插绿。对于河流沿线，严格控制两侧防护带，建设街道、城市、区域结合的生态空间，提升火灾阻隔及渗排水功能，降低生态敏感度及土地易损性。

5 结论

由于全球气候变化及灾害活跃度增加，城市面临的灾害风险及冲击不断加大，为降低城市内部洪涝、火灾、地震等灾害造成影响，在梳理不同类型灾害成因、影响及危险性等基础上，根据城市灾害形成的不同空间要素及安全韧性城市评价指南要求，选取孕灾环境、承灾体及致灾因子等不同空间维度的城市综合灾害风险因素，从“源头--根本--基础”方面构建“孕灾环境脆弱性、承灾体暴露性及致灾因子危险性”等多维空间耦合模型，并提出了结合加权综合评价法的灾害风险测算新方法对南阳市中心城区综合灾害风险评价，得到以下结论：

1)南阳市中心城区综合灾害风险总体不断增加，但增速逐渐放缓。主要是周边区域大规模建设，而老城区改造较慢，仍有大量的老旧建筑，各项设施不完善，只有加强老城区改造、完善设施水平、增加内部绿地等空间，提升新开发地区的设施完善度及公共服务设施建设水平，才能降低灾害风险。

2)南阳市中心城区不同区域灾害风险差别较大，不同时期致灾因子、承灾体及孕灾环境变化对灾害风险均有着较大影响。尤其是老城区致灾因子危险性较大区域，承灾体暴露性及孕灾环境脆弱性也较大。由于城市向外扩张，灾害风险极大和较大区域随着时间变化也在不断向外扩张。

3)目前南阳市中心城区灾害风险水平仍相对较高，致灾因子危险性在向周边城中村、工业集中区域蔓延，老城区由于环境改善致灾因子危险性降低，但承灾体暴露性和孕灾环境脆弱性仍较高，呈现从老城区向新开发区域逐渐降低的圈层式结构，因此应加快老城区城市更新，增加生命线设施建设完善度及冗余度，增加绿地及避难疏散等空间，降低灾害影响。

城市作为复杂系统，城市建设及环境改善对降低城市灾害风险水平具有重要作用，但不同要素交叉及复合作用，使研究仍存在一定不足，同时各灾种中不同要素的影响强度及所占比例不同，也使研究存在一定不足，未来可以结合灾害风险与韧性城市、安全城市建设的耦合关系，增加多维空间属性及要素，对多维空间模型及评价指标体系合理优化。