Research on Infrastructure Resilience and Evaluation under the Background of Extreme Weather

喬天璐

QIAO Tian-lu

（南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院）

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應(yīng)對(duì)極端天氣城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性能力評(píng)價(jià)研究

Research on Infrastructure Resilience and Evaluation under the Background of Extreme Weather

喬天璐

QIAO Tian-lu

（南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院）

1 引言

全球氣候正發(fā)生變化，引發(fā)的極端天氣事件頻發(fā)，給城市安全和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。例如2010年1月，我國(guó)大部分地區(qū)遭受寒潮及降雪天氣影響，北京、天津等地出現(xiàn)大到暴雪，最低氣溫突破歷史極值，對(duì)城市道路、供電等基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)造成重創(chuàng)。2011年7月，南京、武漢等眾多城市遭遇極端降水事件，引發(fā)城市內(nèi)澇，暴露出城市排水系統(tǒng)彈性能力不足的問(wèn)題。這一系列災(zāi)害事件都說(shuō)明極端天氣會(huì)對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)產(chǎn)生巨大影響。

在國(guó)際減災(zāi)戰(zhàn)略（ISDR）和國(guó)際減災(zāi)10年（IDNDR）活動(dòng)相繼實(shí)施的大背景下，彈性概念興起國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究新熱潮[1]。但目前彈性評(píng)價(jià)研究仍處于初步探索階段，在極端天氣條件下，彈性能力研究對(duì)象很少為基礎(chǔ)設(shè)施層面所涉及。因此，本文研究目的在于拓展城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性能力相關(guān)理論在應(yīng)對(duì)極端天氣尺度上的應(yīng)用，構(gòu)建應(yīng)對(duì)極端天氣城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性能力評(píng)價(jià)模型，為優(yōu)化城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，制定應(yīng)對(duì)極端天氣相關(guān)策略提供基礎(chǔ)科學(xué)支撐。

2 理論體系

城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性概念是在彈性概念基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展和豐富起來(lái)的，因此，在研究城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性之前需要對(duì)彈性概念進(jìn)行必要梳理。彈性（Resilience）一詞來(lái)源于拉丁語(yǔ)“resi-lire”，意思是彈回。1973年Holling將彈性概念引申到生態(tài)學(xué)，將生態(tài)系統(tǒng)彈性描述為吸收外界干擾保持存在的能力[2]。隨后，彈性概念在生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境學(xué)等方面都有所發(fā)展。當(dāng)彈性概念與城市學(xué)結(jié)合后，吸取各領(lǐng)域?qū)椥愿拍畹慕庾x，提出彈性城市概念。彈性聯(lián)盟（Resilience Alliance）將彈性城市定義為：“城市或城市系統(tǒng)能夠消化吸收外界干擾，保持原有結(jié)構(gòu)、功能和主要特征的能力”。彈性城市理論基本內(nèi)涵包括生態(tài)彈性、工程彈性、社會(huì)彈性以及經(jīng)濟(jì)彈性[4]。本文所研究的基礎(chǔ)設(shè)施彈性屬于工程彈性范疇，工程彈性主要強(qiáng)調(diào)城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)、社區(qū)和城市人口從自然和人為災(zāi)難中快速而有效地恢復(fù)的能力。研究?jī)?nèi)容主要包括：評(píng)估城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性和采用減災(zāi)技術(shù)，堅(jiān)固基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，確保其在經(jīng)濟(jì)社會(huì)中正常運(yùn)行等方面。彈性基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，特別是給排水、供電、醫(yī)療衛(wèi)生等生命線工程，對(duì)于減少極端天氣不良影響具有重要意義。

基礎(chǔ)設(shè)施彈性基本內(nèi)涵包括快速性（rapidity）和堅(jiān)固性（robustness）。如圖1所示，地震工程跨學(xué)科研究中心(Multidisciplinary Centerfor Earthquake Engineering Research，MCEER)構(gòu)建了城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性能力框架圖，用快速性和堅(jiān)固性反映城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性能力。堅(jiān)固性代表一定外界壓力下的系統(tǒng)保持功能不退化和喪失的能力；而快速性則代表系統(tǒng)為減少損失以及避免未來(lái)系統(tǒng)功能紊亂，在最短時(shí)間內(nèi)滿足當(dāng)務(wù)之需的能力[5]。McDaniels根據(jù)堅(jiān)固性和快速性?xún)?nèi)涵，設(shè)計(jì)影響城市基礎(chǔ)設(shè)施能力的概念性框架[6]，并以醫(yī)院為例，通過(guò)流程圖的形式，闡述如何培育城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性[5]。Bruneau 等從堅(jiān)固性和快速性?xún)?nèi)涵出發(fā)構(gòu)建定量模型，計(jì)算城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為，其中R 表示城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性，Q(t)表示堅(jiān)固性，dt 表示快速性。通過(guò)數(shù)量上退化的程度，以及恢復(fù)到正常水平所需要的時(shí)間，可以用上述微積分的形式進(jìn)行測(cè)量。

3 評(píng)價(jià)實(shí)例3.1 指標(biāo)體系

城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中道路交通系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)是維持城市居民生活和生產(chǎn)活動(dòng)所必不可少的城市生命線系統(tǒng)。這些系統(tǒng)抵御災(zāi)害破壞的能力直接決定著一個(gè)城市能否保持其正常功能。另外，城市經(jīng)濟(jì)水平對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性能力具有重大影響。本文根據(jù)極端天氣對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)各方面影響，從以下幾個(gè)方面選取指標(biāo)（見(jiàn)表1）。

3.2 數(shù)據(jù)采集

3.2.1 研究對(duì)象選擇

本文將中國(guó)內(nèi)地劃分為華東、華北、東北、西南、西北、中南6大區(qū)域，并在此基礎(chǔ)上選取中國(guó)常住人口大于100萬(wàn)的二線城市作為研究對(duì)象[8]。18個(gè)城市選擇如表2所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)資料來(lái)源于中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒2014以及相關(guān)政府網(wǎng)站上所公開(kāi)的數(shù)據(jù)資料（見(jiàn)表3）。

3.3 求解主成分

運(yùn)用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行分析，按照特征值大于1的原則提取2個(gè)主成分因子（累積貢獻(xiàn)率為75.831%），實(shí)現(xiàn)了指標(biāo)因子的降維處理（見(jiàn)表4）。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 研究對(duì)象

表3 具體數(shù)據(jù)

表4 解釋的總方差

由碎石圖2亦可以看出前兩個(gè)成分對(duì)應(yīng)的斜率較大，選取作為主成分因子；其后的成分對(duì)應(yīng)的斜率幾乎沒(méi)有變化，包含的數(shù)據(jù)較少，舍棄處理。

3.3.1 主成分綜合評(píng)價(jià)權(quán)重的確定

將各指標(biāo)的值定義為X1，X2，…，X11，則兩個(gè)主成分的表達(dá)式分別為：

圖2 碎石圖

續(xù)表3 具體數(shù)據(jù)

成分矩陣及各城市得分見(jiàn)表5、表6。

表5 成分矩陣

3.3.2 主成分綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的評(píng)估

把主成分1和主成分2的數(shù)值分別乘以各自的方差的算術(shù)平方根，得出各地區(qū)主成分1和主成分2的得分。綜合主成分值越高的城市，應(yīng)對(duì)極端天氣基礎(chǔ)設(shè)施彈性能力越強(qiáng)，反之越弱。根據(jù)18個(gè)城市的綜合主成分值，按照等間距法將城市分為四類(lèi)。

第一類(lèi)城市（≥2）為應(yīng)對(duì)極端天氣城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性能力最高城市，為廈門(mén)市。與其他城市相比，廈門(mén)市為沿海城市，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)完善，有適當(dāng)冗余，彈性能力高。

第二類(lèi)城市（0～2）為應(yīng)對(duì)極端天氣城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性能力較高城市，包括杭州、武漢、成都、南京、天津、昆明、沈陽(yáng)和西安。這些城市分別代表華東、華北、東北、西南、西北、中南六大區(qū)域中經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的城市，說(shuō)明經(jīng)濟(jì)實(shí)力與其有一定的相關(guān)性。

第三類(lèi)城市（-2～0）為應(yīng)對(duì)極端天氣城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性能力較低城市，包括大連、青島、呼和浩特、蘭州、福州和哈爾濱。地理上，除了福州都屬于高緯度地區(qū)，受極端天氣影響壓力大。

第四類(lèi)城市（-4～-2）為應(yīng)對(duì)極端天氣城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性能力低城市，包括吉林和保定，這兩個(gè)城市都為內(nèi)地城市，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低，氣候條件不如沿海城市適宜。

綜合六大區(qū)域來(lái)看，文中六大區(qū)域代表城市的平均得分從高到低分別為：中南地區(qū)（1.494）；華東地區(qū)（1.047）；西南地區(qū)（0.599）；西北地區(qū)（-0.498）；東北地區(qū)（-1.036）；華北地區(qū)（-1.131）。

表6 各城市得分情況

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，極端高溫、暴雨、干旱等極端天氣事件對(duì)城市造成巨大損害，主動(dòng)適應(yīng)極端天氣成為國(guó)家發(fā)展重大戰(zhàn)略需求。彈性理論是應(yīng)對(duì)極端天氣較有效的措施，但國(guó)內(nèi)在這方面的研究仍處于起步階段。本文將彈性理論研究對(duì)象發(fā)展到城市基礎(chǔ)設(shè)施層面，對(duì)目前國(guó)內(nèi)六大區(qū)域城市基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)對(duì)極端天氣彈性能力現(xiàn)狀進(jìn)行初步探索。彈性理論在城市學(xué)和應(yīng)對(duì)氣候變化方面的應(yīng)用還需進(jìn)一步探索。

參考文獻(xiàn)

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【摘要】從城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性概念和內(nèi)涵出發(fā)，結(jié)合極端天氣相關(guān)理論，基于道路交通、醫(yī)療、給排水、通信、能源和城市經(jīng)濟(jì)水平6個(gè)系統(tǒng)選取指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。隨后，根據(jù)指標(biāo)體系收集整理全國(guó)18個(gè)不同地域的城市數(shù)據(jù)。運(yùn)用主成分分析法建立評(píng)價(jià)體系，對(duì)極端天氣條件下城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性評(píng)分。根據(jù)城市得分，劃分城市基礎(chǔ)設(shè)施彈性等級(jí)，給出評(píng)價(jià)結(jié)果。

(College of Civil Engineering，Nanjing Tech University)

【Abstract】With the concept of urban infrastructure,this paper establishes an evaluation system for resilience of urban infrastructure in extreme weather conditions.Indicators of the evaluation system are chosen from 6 factors.They are transportation,medical system,Water supply and drainage,telecommunications,energy supply and economics.Then this paper collect data of 18 cities located in different regions of china according to the indicators.The data is processed using Principle component analysis and presented in the form of scoring.At last,levels of urban infrastructure resilience are set based on the scores.

【關(guān)鍵詞】城市基礎(chǔ)設(shè)施；極端天氣；彈性

【Keywords】city infrastructure; extreme weather; resilience