城市抗震防災(zāi)能力評價指標(biāo)體系和評價方法

韓冰，倪國葳

(華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引言

過去的千百年以來，伴隨著人類社會文明和科技的快速發(fā)展，人類與自然環(huán)境的矛盾不斷加劇。人類為了爭取更大的自由發(fā)展空間，肆意改變已有的生存環(huán)境，經(jīng)歷了與自然環(huán)境的長期斗爭，嚴(yán)重透支有限的自然資源，雖然地球多次不停地向人類發(fā)出警告，但人類破壞自然環(huán)境的錯誤行為卻完全沒有得到有效遏止。全球各地每天都會發(fā)生大大小小的不同級別地震，輕微或者偏遠(yuǎn)地區(qū)地震，尚不能對人類生活造成較大的威脅。但是，較大震級的地震卻嚴(yán)重影響了人類的正常生活，造成了一定人員傷亡，破壞了既有建筑物[1]。相關(guān)學(xué)者預(yù)測，隨著地震頻發(fā)區(qū)域人口的持續(xù)增加以及地震破壞能力的不斷增強，本世紀(jì)因地震而引發(fā)的人類傷亡和經(jīng)濟(jì)損失會明顯擴(kuò)大，地震災(zāi)害對我國人民生產(chǎn)生活的威脅形勢相當(dāng)嚴(yán)峻。

綜上所述，通過恰當(dāng)方法來評價一個城市的抗震防災(zāi)能力，發(fā)現(xiàn)城市抗震工作的薄弱環(huán)節(jié)從而逐步提高城市抗震能力，是所有地震工程研究者關(guān)注的課題。多年來，國外專家學(xué)者開展了關(guān)于地震等自然災(zāi)害風(fēng)險評估的大量研究，其中，對城市地震災(zāi)害的理論研究已較為完善，取得了較為豐碩的研究成果，關(guān)于城市抗震防災(zāi)領(lǐng)域研究的認(rèn)識逐漸提高。Rache Davidson和Haresh Sbah[2]等在總結(jié)已有研究成果基礎(chǔ)上，通過定義EDRI綜合指數(shù)來刻畫不同城市遭遇震害時的嚴(yán)重程度。根據(jù)EDRI綜合指數(shù)對10個樣本城市進(jìn)行評價，通過實例分析驗證EDRI綜合指數(shù)評價結(jié)果的可信性與實用性。Kunihiro Amakuni[3]詳細(xì)分析了日本阪神地震引發(fā)的災(zāi)害，提出評價城市抗震能力的強弱取決于自然條件、社會資源、救災(zāi)資源以及風(fēng)險管理能力等40多種影響因素，通過采用專家咨詢和主成分分析相結(jié)合的方法，建立了綜合性較強的城市抗震能力評價方法，并選取日本13個城市對其抗震能力進(jìn)行評價。Michel Bruneau等提出如果評價某區(qū)域的抗震減災(zāi)能力，應(yīng)對該區(qū)域的恢復(fù)力指標(biāo)定量測量，他們認(rèn)為區(qū)域恢復(fù)力可為抗震減災(zāi)提供科學(xué)性較強的依據(jù)。

國內(nèi)諸多學(xué)者也對城市抗震防災(zāi)能力開展了大量研究工作，其中，薄濤[4]分析比較了現(xiàn)有的不同評價方法，歸納出影響城市防震減災(zāi)能力的6個因素，以4R理論為評價準(zhǔn)則，構(gòu)建了基于綜合指數(shù)的城市防震減災(zāi)能力評價體系。利用該指標(biāo)體系得出哈爾濱城市抗震能力等級，并為該市提出了改進(jìn)的對策與建議。劉莉等[5]將城市抗震減災(zāi)綜合指數(shù)界定為社會可接受地震風(fēng)險水平和實際地震災(zāi)害產(chǎn)生的風(fēng)險兩者的加權(quán)關(guān)聯(lián)度，以此評價城市抗震能力強弱。在開展相關(guān)課題研究的背景下，基于不同社會可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)，對上海市浦東新區(qū)抗震減災(zāi)能力進(jìn)行了評價，得到該區(qū)抗震減災(zāi)能力綜合指數(shù)。王琦開展了中小城鎮(zhèn)抗震減災(zāi)能力評價體系研究[6]。根據(jù)建立的指標(biāo)體系評價了特定中小城鎮(zhèn)寧強縣的抗震減災(zāi)能力，發(fā)現(xiàn)我國較多中小城鎮(zhèn)抗震減災(zāi)能力較弱，應(yīng)加大完善抗震建設(shè)薄弱環(huán)節(jié)的力度。

城市抗震防災(zāi)工作屬于涉及多領(lǐng)域多專業(yè)且具有較高復(fù)雜性的系統(tǒng)工程，它主要包括地震災(zāi)害前期監(jiān)測預(yù)警、中期抗震救災(zāi)以及后期災(zāi)區(qū)重建3個重要部分。目前，我國城市抗震防災(zāi)能力指標(biāo)體系研究尚處于探索階段，雖然開展了較多的研究工作，但與國外先進(jìn)的體系研究相比還具有一定的差距，仍然有許多需要深入研究的技術(shù)問題尚未解決。該項研究以建立城市抗震防災(zāi)能力指標(biāo)體系為手段，提出了城市抗震防災(zāi)能力評價方法，基于上述理論對唐山市2015～2017年的抗震防災(zāi)能力進(jìn)行了實證分析，從而為我國城市抗震防災(zāi)研究提供有價值、有借鑒意義的理論參考。

1 城市抗震防災(zāi)能力評價指標(biāo)體系研究

城市抗震防災(zāi)通常按照地震災(zāi)害的時間順序來開展地震工作，根據(jù)抗震防災(zāi)工作的時間順序來講，一般分為地震監(jiān)測預(yù)警、地震災(zāi)害防御、應(yīng)急處置與救援、震后恢復(fù)與重建4個階段，其中，地震監(jiān)測預(yù)報、地震災(zāi)害防御、地震應(yīng)急救援構(gòu)成了我國綜合減災(zāi)三大體系。在這4個階段所包含的一切影響因素構(gòu)成了我國城市抗震防災(zāi)能力評價指標(biāo)體系。

1.1 評價指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)

該項研究是基于城市抗震防災(zāi)能力指標(biāo)體系建立的層次結(jié)構(gòu)模型，對城市面臨地震災(zāi)害時所表現(xiàn)的綜合抗震能力進(jìn)行評價，主要由以下4個層次組成：

(1)目標(biāo)層：處于模型的最高層，是城市抗震防災(zāi)能力評價要達(dá)到的總目標(biāo)，該層次得到的評價結(jié)果將直接反映城市抗御地震的能力大小。

(2)系統(tǒng)層：針對以上4個階段的特點，將總目標(biāo)劃分為地震危險性評估能力、工程抗震防御能力、社會基礎(chǔ)支持能力、災(zāi)害管理能力、救援與恢復(fù)能力5個方面，該層次是實現(xiàn)層次分析總目標(biāo)的原則要求。

(3)要素層：該層次是實現(xiàn)系統(tǒng)層5個方面的具體手段，從而達(dá)到評價層次分析總目標(biāo)的目的。

(4)指標(biāo)層：處于模型的最低層，基于要素層所劃分的17種要素，針對地震災(zāi)害以及指標(biāo)體系設(shè)計原則，客觀科學(xué)地選取評價指標(biāo)，構(gòu)成城市綜合抗震能力指標(biāo)體系的最基本要素。

1.2 指標(biāo)體系的建立

城市抗震防災(zāi)能力是反映一個城市防御和應(yīng)對地震災(zāi)害的綜合能力，如何綜合考慮社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等各因素對城市抗御地震災(zāi)害的影響，是建立評價指標(biāo)體系的關(guān)鍵。該研究基于現(xiàn)有研究成果，根據(jù)各層次指標(biāo)的具體要素，構(gòu)建了包含1個目標(biāo)層、5個系統(tǒng)層、17個要素層及多個指標(biāo)層的城市抗震防災(zāi)能力評價指標(biāo)體系(見表1)。

2 城市抗震防災(zāi)能力評價方法研究

2.1 評價模型構(gòu)建

通過構(gòu)建城市綜合抗震能力評價模型統(tǒng)一評價各個指標(biāo)，針對樣本城市在不同觀測點的達(dá)標(biāo)情況，得出城市抗震防災(zāi)能力總評分，按照0～1區(qū)間5等分，分別為優(yōu)秀、良好、中等、一般、較差，該項研究構(gòu)建的區(qū)域綜合減災(zāi)能力評價的理論模型如式(1)所示。

(1)

其中，P為抗震防災(zāi)能力總評分，Wj為各子指標(biāo)的權(quán)重，Xj為各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)。

2.2 模型參數(shù)確定

采用AHP-熵值法確定綜合權(quán)重，計算步驟如下：(1)層次分析法確定主觀權(quán)重按照式(1)確定的城市抗震減災(zāi)能力多層次結(jié)構(gòu)模型，利用1-9標(biāo)度法構(gòu)建系統(tǒng)層、要素層和指標(biāo)層的兩兩判斷矩陣。運行yaahp軟件進(jìn)行一致性檢驗，一致性檢驗指標(biāo)CR計算公式如式(2)所示。

CR=CI/RI

(2)

式中：

CR—隨機(jī)一致性比率；

CI—判斷矩陣一致性指標(biāo)；

RI—平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

若CR<0.1時，代表判斷矩陣具有可接受的不一致性，可得出各個指標(biāo)的主觀權(quán)重；否則，則需要改變各個指標(biāo)相對重要性調(diào)整判斷矩陣，直至一致性檢驗通過。計算流程圖如圖1所示。

(2)熵值法確定客觀權(quán)重熵權(quán)法可以突出指標(biāo)數(shù)據(jù)的局部差異性，通過計算各個指標(biāo)的熵值，根據(jù)其表現(xiàn)的差異程度來反映出評價指標(biāo)的重要程度。為了得到更為客觀的評價結(jié)果，采取熵權(quán)法計算客觀權(quán)重。熵權(quán)法的計算過程如式(3)所示。

a.構(gòu)建評價指標(biāo)判斷矩陣設(shè)多屬性矩陣如下：

(3)

計算第j個指標(biāo)第i個方案的貢獻(xiàn)度pij，

(4)

b.信息熵ej的確定：

(5)

其中，ej∈[0，1]，如果pij=0，則定義ln(pij)=0。

c.差異系數(shù)dj的確定：

dj=1-ej

(6)

d.熵權(quán)μj的確定：

(7)

e.計算綜合權(quán)重

對各個城市綜合抗震能力的評價指標(biāo)組合賦權(quán)，具體步驟按式(8)計算。

Wj=αωj+(1-α)μj

(8)

式中：

Wj—綜合權(quán)重；

α—加權(quán)系數(shù)，取主客觀權(quán)重的平均值作為綜合權(quán)重，故α=0.5。

3 模型實例計算與分析

唐山市位于多條活動構(gòu)造帶的交匯之處，因具有所處地理位置獨特以及地質(zhì)構(gòu)造頗為復(fù)雜的特點，所以時常遭受地震災(zāi)害襲擊。因此，該項目選取唐山市為研究對象，對唐山市2015～2017年的抗震防災(zāi)能力進(jìn)行評價。

3.1 數(shù)據(jù)來源

樣本數(shù)據(jù)大部分通過唐山城市年鑒、國家統(tǒng)計局、河北省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫、唐山市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等級獲取，定性指標(biāo)數(shù)據(jù)主要借助文獻(xiàn)參考或?qū)＜易稍兊确绞竭M(jìn)行等級賦分。

3.2 指標(biāo)權(quán)重確定

該項研究依據(jù)各個指標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部不同評價目標(biāo)的特性，結(jié)合AHP法和熵值法，組成綜合權(quán)重(見表2)，滿足城市抗震防災(zāi)能力綜合評價過程中對指標(biāo)賦權(quán)的科學(xué)合理性。

表2 綜合權(quán)重

3.3 評價結(jié)果

基于上述評價步驟和方法，利用AHP-熵值法確定指標(biāo)權(quán)重，并通過構(gòu)建抗震防災(zāi)能力評價模型進(jìn)行多指標(biāo)擬合計算，最后得出2015～2017年唐山市抗震防災(zāi)能力評價得分分別為0.530 8、0.591 7、0.692 2，可以看出2015～2016年的城市抗震防災(zāi)能力處于中等水平，需要采取相應(yīng)措施提高，2017年城市抗震防災(zāi)能力達(dá)到良好。但是抗震防災(zāi)能力水平仍具有較高提升空間，應(yīng)不斷加強抗震防災(zāi)工作中薄弱環(huán)節(jié)，以減少地震災(zāi)害人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失為目標(biāo)，持續(xù)提高城市抗震防災(zāi)能力，爭取唐山市抗震防災(zāi)工作水平邁向新臺階、實現(xiàn)新跨越。

4 結(jié)論

(1)構(gòu)建城市抗震防災(zāi)能力評價模型，評價中采用AHP-熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，能夠較為客觀的考慮城市抗震防災(zāi)能力的影響因素，避免城市抗震防災(zāi)能力評價過程中的不確定性和模糊性。

(2)通過算例結(jié)果可知，唐山市整體抗震防災(zāi)能力等級為良好，指標(biāo)體系與評價模型具有較高可行性和可信度，可對城市抗震防災(zāi)能力進(jìn)行定量化評價，為我國城市抗震防災(zāi)工作提供理論依據(jù)。