基于PSR模型的黄河流域城市韧性评价

李博雅, 史维良

(西安财经大学 统计学院, 西安 710100)

保护黄河是事关中华民族伟大复兴的千秋大业。黄河流域面临的灾害风险构成较为复杂,灾害种类较多,给沿岸百姓带来深重灾难。在各类灾害风险交织叠加背景下,黄河流域城市存在抵御能力不足、恢复能力弱等特点,严重制约着区域联动与城市的可持续发展。

目前,传统的防灾理念已无法满足城市应对不确定因素的需求,韧性思想随着国际减灾经验的深入逐渐被引入城市规划与灾害风险管理。在“十四五”规划中,首次将韧性城市建设作为国家战略规划被提出,提倡“建设韧性城市,提高城市治理水平,加强特大城市治理中的风险防控”。党的二十大报告提出“实施城市更新行动,加强城市基础设施建设,打造宜居、韧性、智慧城市”。在新的时代背景下,面对各种不确定因素,韧性城市的发展与构建是必不可少的。

1 研究综述

韧性最早被应用到生态学的研究中,此后学者逐渐将概念拓展到多领域中。最初Alberti等[1]将城市韧性定义为随着城市发展的内外驱动力改变后,城市依然可以保持原有的结构与发展的能力;之后洛克菲勒基金协会将其定义为在面对压力时,城市中个人、社区、机构的延续发展的能力[2]。赵瑞东等[3]通过梳理关于城市韧性的概念,认为城市韧性是由城市经济、社会、生态、制度、基础设施等人文、环境系统组成的高度复杂耦合系统,可以在应对自然和人文灾害等干扰时展现出城市系统的适应、恢复和学习能力。目前关于城市韧性的评价主要侧重于指标体系的构建。主要以城市基本组成要素构成为核心。Joerin等[4]初探社区韧性评价,从基础设施、社会、经济、机构与自然方面构建指标评价体系。张振等[5]从社会、生态、基础设施和经济韧性4个维度进行指标选择并对社区韧性差异性进行评价。其次以韧性城市特征为核心的体系。朱金鹤和孙红雪[6]从生态学角度出发,以抗扰性、冗余性、智慧性和迅速性4个特征构建城市应对雨洪灾害的指标评价体系。部分学者以韧性阶段过程为核心建立指标体系,关注城市韧性建设动态过程。缪惠全等[7]结合中国城市发展的现状,基于对城市灾后实际恢复过程的系统考察建立城市韧性评价体系。

总体来看,已有研究以城市韧性的概念及实践规划等定性研究为主,指标体系的评价及构建等定量研究为辅。通过文献梳理,目前学者一是在基于灾害风险的城市韧性研究,较少会对各类多灾种城市韧性评价的综合考虑;二是目前城市韧性评价指标体系关注韧性发挥作用的过程构建较少,主要是作为某种结果状态加以描述。基于此,通过考虑到黄河流域多种灾害的影响下,运用压力-状态-响应(pressure-state-response,PSR)模型的过程思维对黄河流域2006—2020年城市韧性水平进行评价,运用核密度函数等方法对黄河流域城市韧性水平进行实证分析,探究城市韧性水平的时空分布特征和影响因素,从而帮助黄河流域各个省份从不同阶段与层面提升韧性水平,推动黄河流域城市韧性建设。

2 研究方法与指标体系构建

2.1 研究方法

2.1.1 TOPSISI熵权法

熵权法是一种客观赋权方法,熵权法根据样本的数据分布决定指标权重,为多指标综合评价提供依据。逼近理想解排序(technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)法作为一种常用的综合评价模型,能够充分利用数据信息,充分客观地反映各评价指标之间的差距。将两种方法进行结合,用熵值法确定权重,TOPSIS法确定各个指标的得分情况并进行排序。

2.1.2 核密度估计模型

核密度估计是一种通过样本数据本身进行研究分布特征的非参数估计方法,具有无须利用相关数据分布的先验知识和无须假定数据分布的特点。运用概率论中用于估计位置密度函数的核密度估计方法,观察不同年份彼此间分布的关联以及如何进行变化,公式为

(1)

广西梧州市龙圩区税务局全面推行“放管服”改革后，不断优化纳税服务，极大地方便了纳税人办理涉税业务，节约了办税时间和成本，赢得了广大纳税人的点赞，纳税人的满意度也随之得到进一步提高。2017年在全市纳税人满意度测评中，从原来的第七名跃上到中上水平。另外，通过不折不扣地落实税收优惠政策，让纳税人应享尽享税收优惠，惠及面达100%。据统计，2017年度享受小型微利企业所得税优惠的企业共180户，优惠减免5726.9万元；享受政策性减免优惠2700户，减免增值税150万元。

2.1.3 障碍因子诊断模型

为探究城市韧性水平的影响因素,采用障碍度模型分析城市韧性水平的障碍因子,公式为

Iij=1-mij

(2)

(3)

式中:Iij为指标偏离度;Wj为因子贡献度;mij为单项指标的标准化值;Qij为障碍度,Qij越大,说明该因子对黄河流域城市韧性水平影响越大,障碍程度越强。

2.2 城市韧性评价指标体系构建

2.2.1 PSR模型

PSR模型常用来评估不同领域生态系统状况,在生态安全评价方面,该模型指通过压力指标、状态指标和响应指标,综合表征人类的活动对资源环境造成的压力和随之所做出的反应,自提出以后有广泛的应用[8]。近年来,由于各种自然灾害或社会事件的频发,一些学者开始探究 PSR 模型在城市韧性评价的适用性,当PSR模型应用到城市韧性研究中[9],其“压力-状态-响应”过程不仅可以考虑到城市所面临的灾害危险程度,还可以描述在面对灾害风险时城市韧性发挥作用的过程。

2.2.2 基于PSR模型的城市韧性框架

从压力、状态以及响应3个方面构城市韧性评价指标体系,具有非常清晰的因果关系。随着城市的快速发展,城市所面临的灾害风险压力增大,城市的各个子系运作的状态随之发生一定改变,促使人类社会对城市灾害风险的变化做出响应,采取措施提升城市韧性能力,增强抵抗风险的能力。将PSR模型和城市韧性理论两者结合,可以将城市韧性的形成过程分解为压力韧性、状态韧性、响应韧性。

压力韧性指城市面临的灾害风险类型,体现致灾因子的危险性。通过对黄河流域灾害种类进行剖析,灾害类型主要为自然灾害、事故灾难和社会安全问题,所以主要从自然灾害与人为灾害进行指标的选取;状态韧性从城市各个子系统出发,即经济、社会、生态资源和基础设施建设,主要反映各子系统目前的暴露状态,体现韧性特点的冗余性、多样性等特点;响应韧性指城市面对灾害风险的抵抗、恢复、吸收能力,这是一个城市韧性能力发挥作用的重要阶段,体现城市韧性的鲁棒性、恢复性、适应性和学习性。考虑到城市韧性内涵以及学者的研究成果[10-13],考虑到指标科学性、客观性、独立性和可获性等原则,构建了黄河流域城市韧性评价指标体系,见表1。

表1 城市韧性综合评价指标体系

3 黄河流域城市韧性水平的时序变化分析

采用核密度估计方法,从分布位置、分布形态、分布延展性以及极化趋势等方面,对黄河流域城市韧性发展水平的整体非均衡性及其动态演化趋势进行分析。图1为黄河流域整体韧性水平在2006—2020年的三维核密度图。

图1 城市韧性三维核密度图

总的来看,黄河流域城市韧性发展水平逐年增加,但在发展过程中存在着“独大的城市”,主要存在两个不同发展阶段:第1阶段:2006—2008年和2011—2020年属于省份间城市韧性水平差异减小阶段,该阶段各省份间的差异在逐年缩小。由于在2014年国家明确了黄河流域是我国生态环境保护和经济社会发展的重点区域,从专项财政资金的引导、基础设施建设、生态环境保护等方面不断加强和完善黄河流域城市建设,政策的实施有效地推动了黄河流域城市韧性发展水平的提升,缩小了各省份之间的差异。第2阶段:2008—2011年,各省份城市韧性发展水平属于差异变大的阶段,该阶段极化趋势趋于明显。原因在于2008年以来,受到金融危机的负向效应和突发事件等方面的综合影响,给国内地方政府的经济和社会发展等产生较大冲击,黄河流域各省份城市韧性建设资金受到不同程度的影响。

具体来看,2006—2020黄河流域城市韧性水平的分布动态呈现如下特征:从分布位置来看,2006—2020年不同观察年份分布曲线的中心呈现不同幅度的右移变化,说明在此期间内,黄河流域的城市韧性的水平整体稳步提升的时序特征;从分布形态来看,分布曲线的主峰高度在2008—2009年明显升高,曲线宽度变窄,其余年份主峰高度属于持续变低、变缓,且曲线的宽度不断变大;说明在此期间,城市韧性的水平的集中趋势有大幅度提升,不同地区间城市韧性水平的两极分化严重;可以看出2006—2008年与2009—2020年,城市韧性发展水平较低的省份对较高省份的“追赶”,各省份的城市韧性水平趋于均衡;从分布曲线的延展性来看,曲线右侧尾部逐年向右蔓延,且拖尾现象一直存在,表明黄河流域城市韧性水平发展差异较大,存在个别“独大城市”;从极化趋势来看,观测期内曲线波峰数量经历了“一主一侧双峰-一主峰双侧峰三峰-单峰”的演变过程,两极分化特征趋于减弱。具体来看,2006—2008年黄河流域城市韧性水平主要存在一个主单峰和一个较低的侧峰,至 2008—2014年则除一个主峰之外,还有两个不太明显的侧峰,此后在 2014—2020年均呈现单峰形态,黄河流域城市韧性分布逐步从发散走向收敛。

4 黄河流域城市韧性空间特征分析

为了反映各省城市韧性水平的空间格局及其变化,参考前人的研究,以城市韧性指数平均值的50%、100%及150%,运用ArcGIS10.2软件对黄河流域城市韧性测度指数(C)进行分级聚类,将各城市依次划分为低水平韧性城市(0.159 5≤C<0.160 2)、较低水平韧性城市(0.160 2≤C<0.320 4)、较高水平韧性城市(0.320 4≤C<0.480 5)、高水平韧性城市(0.480 5

审图号:GS(2020)4619号图2 2006年、2010年、2015年、2020年黄河流域城市韧性空间格局分布

从黄河流域9省区城市韧性水平空间特征来看,在2006—2020年城市韧性水平呈上升趋势,总体呈现“东高西低,南高北低”的格局,即黄河流域东部省份韧性水平总体高于西部省份,黄河流域南部省份韧性水平总体高于北部省份。其中,黄河下游东部省份的山东省得益于经济、环境、设施、制度等多方面优势一直处于领先地位;黄河中游南部的四川省递增最明显;而由于历史、自然条件等原因,位于黄河上游的青海、甘肃、宁夏是典型的生态脆弱区,荒漠和沙化面积占比较大,经济社会发展相对滞后;黄河中游的山西、陕西、内蒙古是能源富集区,地区产业结构单一且偏重,流域生态环境风险高,城市的韧性能力与其他省份相比较弱。

从时间变化的具体情况来看:2006年,黄河流域各城市间城市韧性水平总体差异性不大,除四川处于低韧性水平外,城市韧性水平发展度处于较低阶段。2010年,黄河流域城市韧性逐渐出现差异,其中,山东省由于地理位置的优势和政策的倾向率先进行了发展晋升为较高韧性水平,四川省的城市韧性水平也提升为低韧性水平,其余省份的城市韧性水平变化形式不大。2015年黄河流域城市韧性水平差异明显,山东省快速发展为高韧性水平;增加了4个较高韧性水平城市,即黄河中部城市内蒙古、陕西、河南、四川,这由于丰富的人口资源、完善的产业结构带动经济的快速增长,在交通基础设施建设、社会发展、环境共治等方面取得了良好的成效,有效地提高了城市韧性水平;但黄河上游青海、甘肃、宁夏由于可用自然资源较为匮乏、基础设施建设困难,经济发展增速较缓,影响了城市韧性水平的发展。2020年,黄河上游地区的青海、甘肃、宁夏和中游地区的山西有了较快的发展,从较低韧性水平发展为较高韧性水平;河南和四川也由较高韧性水平发展为同山东省一样的高韧性水平,说明其抵御外来干扰的能力和自我恢复能力更强。西部和中部省份受国家西部大开发战略和“一带一路”倡议等影响,改善了中、西部省区的环境、交通等基础设施条件,使经济基础相对落后的省份城市韧性水平得以加快发展,与黄河下游东部地区的差距逐渐缩小。

5 黄河流域城市韧性水平影响因素分析

通过运用障碍度模型对2006—2020年的各省份的韧性水平障碍因素进行识别,可以判断出各省份相邻年份的部分主要障碍因素具有一定共性,因此选取2006年、2020年排名前5的障碍因素进行展示,见表2。

表2 各省份城市韧性水平障碍因子指标排序

从总体上看,研究期内影响黄河流域绿色发展前5的障碍指标,按照频次出现较高的依次是:D32R&D经费内部支出(出现33次,覆盖面91%)、D17经济密度(出现22次,覆盖面81%)、D33本年城市市政公用设施建设固定资产投资完成额(出现26次,覆盖面69.4%)、D25财政收入和D27社会保障和就业,对应指标层为响应韧性中的恢复和适应能力,状态韧性中的城市环境资源和经济状态,可以看出,经济状态和创新能力和是黄河流域城市韧性发展最大障碍因素,当城市遭到人为灾害或自然灾害侵袭时,雄厚的经济实力为城市灾后恢复和发展提供必要的经济基础和物质保障。

不同省份来看:位于黄河下游的山东省城市韧性水平的障碍因素随时间较大变化。2012年 R&D经费内部支出(D32)和经济密度(D17)对其韧性发展的障碍作用较大,山东省经济状态不足以支持城市韧性的发展,但随着时间的变化,山东省的经济密度和经济创新能力提升,其障碍作用逐渐减弱;2020年以来,城市人口密度(D14)和人均拥有公共图书馆藏量(D35)成为阻碍山东城市韧性发展最大的因素,说明随着人口数量增多,面临的人口压力逐渐增大,社会人口问题成为制约城市韧性发展的重要因素。

四川、河南和陕西障碍因子变化情况类似,四川省的城市韧性发展最初受 R&D经费内部支出(D32)和经济密度(D17)影响最大,但随着时间的推移,排名前5的障碍因子发生了变化,即本年城市市政公用设施建设固定资产投资完成额(D33)和社会保障和就业(D27)指标被固体废物利用率(D30)和电力消费量(D12),说明这3个省份随着社会经济的发展,遇到灾情的保障能力和灾后城市基础设施建设能力逐年增加,但同时城市发展也会产生如能源消费量大、废气和废水处理压力大等问题。

山西和内蒙古障碍度变化不明显,主要在排名前5的障碍度次序上的改变,青海和宁夏障碍因子没有变化。总的来看,这些省份的主要障碍因素来源几乎相同,其中响应韧性的障碍度最高,状态韧性位于其后,出现较为频繁的状态韧性障碍因素为经济密度(D17),响应韧性的障碍因素为R&D经费内部支出(D32)、本年城市市政公用设施建设固定资产投资完成额(D33)、财政收入(D25)。可以看出,青海和宁夏、内蒙古受限于地理位置偏远、生态环境脆弱等方面,经济基础相对薄弱,缺少充足的资金来支持科技创新的投入。山西和甘肃在2020年固体废物利用率(D30)和电力消费量(D12)的障碍度变大进入前5,山西的经济发展主要依靠资源密集型产业,环境保护压力较大,除了需要在经济和基础设施建设方面发展,在能源利用技术与环境环保方面有所提高,增强城市系统的自我修复能力,强化城市抗击各种风险干扰的能力。

6 结论与建议

基于PSR模型评价黄河流域城市韧性水平,运用综合指数法测算城市韧性评价指数,通过核密度估计和空间分析探索了城市韧性水平的时空分异特征,依据障碍度模型识别影响黄河流域城市韧性水平的因素,得出如下结论,并提出相应建议。

黄河流域城市韧性水平整体呈现上升趋势。其中山东、河南、四川韧性水平的提升更加明显;黄河流域城市韧性水平的空间差异显著,在空间上总体呈现“东高西低,南高北低”的格局,即黄河流域东部省份韧性水平总体高于西部省份,黄河流域南部省份韧性水平总体高于北部省份,其中山东省城市韧性发展水平相对较高。因此未来在促进黄河流域城市韧性发展水平稳步提升的同时,需要缩小不同省份间的绝对差异,减弱极化程度。

从障碍因子分析来看,影响黄河流域城市韧性水平的主要障碍因子分别为R&D经费内部支出、经济密度、本年城市市政公用设施建设固定资产投资完成额、财政收入、社会保障和就业,表明黄河流域城市韧性发展水平是经济状态、创新能力和保障能力等多重干扰综合作用的结果。因此,未来要将提升城市经济实力、创新能力和社会保障能力作为各个省份发展城市韧性水平的主要目标。