基于主成分分析的城市防洪減災能力綜合評價

基于主成分分析的城市防洪減災能力綜合評價摘要本文研究主成分因子下城市防洪減災能力的綜合評價，第一部分為緒論，主要闡述本課題研究的背景和研究意義。第二部分為城市防洪減災能力綜合評價，選取樣本城市，結(jié)合實例對城市的防洪減災能力進行指標體系的分析。并且結(jié)合主成分因子綜合分析，對城市的防洪減災能力進行解讀。第三部分為結(jié)論及建議，從前文的分析中發(fā)現(xiàn)問題，并提出針對性的解決辦法和建議。關(guān)鍵詞：主成分分析；城市安全；防洪減災能力；綜合評價 AbstractInthispaper,thecomprehensiveevaluationofurbanfloodcontrolanddisastermitigationabilityundertheprincipalcomponentfactorisstudied,thefirstpartistheintroduction,thebackgroundandsignificanceoftheresearch.Thesecondpartisthecomprehensiveevaluationofurbanfloodcontrolanddisasterreductioncapability,choosesthesamplecity,combinestheexampletoanalyzethecity'sfloodpreventionandmitigationcapability.andcombinedwiththemaincomponentfactoranalysis,thecity'sfloodpreventionandmitigationcapabilityisinterpreted.Thethirdpartistheconclusionandthesuggestion,hasfoundtheprobleminthepreviousanalysis,andproposedthepertinentsolutionandthesuggestion.Keywords:principalcomponentanalysis,urbansafety,floodcontrolanddisastermitigationcapability,comprehensiveevaluation 目錄TOC\o"1-5"\h\z\u1緒論 11.1研究背景及意義 11.2文獻綜述 12城市防洪減災能力綜合評價 32.1樣本城市選取 32.2城市防洪減災能力綜合評價指標體系構(gòu)建 42.3指標數(shù)據(jù)來源與標準化 72.4城市防洪減災能力主成分綜合評價 73結(jié)論及建議 8參考文獻 10致謝 121緒論1.1研究背景及意義城市作為巨大的承災體，日益成為國際社會防災減災的中心和重點。城市災害的頻繁發(fā)生及其造成的各種損失，己經(jīng)對城市經(jīng)濟社會發(fā)展構(gòu)成了嚴重的威脅，城市對災害的預測、防御、救助及災后恢復的綜合能力，直接決定了城市可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和能力。人們對城市災害科學合理的管理已經(jīng)成為實現(xiàn)減災的最好手段。近年來，我國城市暴雨頻繁，極端暴雨事件時有發(fā)生，加上城市防汛管理機制不完善，排澇措施不夠得力，城市洪澇災害損失嚴重，影響巨大。特別是隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國的城市化率快速提高，大量的人口和財富都聚集到城市中來，洪澇災害頻發(fā)造成社會經(jīng)濟損失嚴重，人民生命財產(chǎn)安全受到巨大威脅。因此，亟需開展“城市防洪減災能力綜合評價”，進一步推進我國城市防洪減災機構(gòu)改革，完善城市防洪排澇減災體系，因地制宜的制定防洪減災政策，進而為全面提高我國城市防洪排澇能力提供理論依據(jù)。1.2文獻綜述國內(nèi)研究現(xiàn)狀中國在城市災害方面的研究和實踐活動開始的比較晚，20世紀80年代之后城市防災才作為一門學科被研究者予以關(guān)注。20世紀90年代聯(lián)合國“國際減災十年”活動之后，中國才從管理的層面上開始關(guān)注和研究災害問題。目前我國還缺乏綜合防災減災的法律，現(xiàn)行的多數(shù)單災種法律覆蓋面單一，沒有綜合減災的思路。近十年來我國學者對于城市災害的研究主要集中在城市防災減災規(guī)劃的研究和城市災害應急能力評價的研究兩個方面。呂元（2004）運用系統(tǒng)論的觀點，從城市防災空間系統(tǒng)規(guī)劃的意義和內(nèi)容入手，提出了空間系統(tǒng)規(guī)劃因遵循的四個基本原則，并且將每個基本原則結(jié)合我國不同城市的實例進行了詳細的分析和解讀；王薇（2007）在其博士論文中，界定了城市防災空間的內(nèi)涵及其構(gòu)成，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了城市防災空間綜合防災應急能力的評價指標體系，并且利用遞階層次結(jié)構(gòu)模型為指標體系中的指標確定權(quán)重，最后以長沙市為例進行了實證分析；樊旭宏（2009）以地震為重點研究對象，在借鑒日本防災空間研究規(guī)劃和實踐的基礎(chǔ)上，針對城市防災空間規(guī)劃的要求，著重對城市防災公園的建設(shè)，城市防救災通道的改進，城市已有地下空間的利用進行探討和思考。最后，文章以山西省晉中市為例進行城市防災空間規(guī)劃的實證研究。楊翼舲，張利華（2010）在系統(tǒng)分析城市災害綜合管理機制的基礎(chǔ)上，建立包含6個二級指標，44個三級指標的城市災害應急能力自評價指標體系并且進行了應急能力自評價的實證研究。但是在評價的過程中沒有詳細說明44個指標的量化方法，大量指標采取人工打分的方法，打分后采用取均值的方法確定各指標的權(quán)重，這樣在進行實證研究的過程中難免會出現(xiàn)偏差；李勇，李紀周（2010）從系統(tǒng)理論的角度出發(fā)，基于層次分析法的基本原理，在城市災害應急管理組織績效評估指標體系的基礎(chǔ)上，采用德爾菲法確定了各個評估指標的權(quán)重，構(gòu)建城市災害應急管理組織的績效評估模型。但在評估過程中，由于定性和定量的方法難以有效的結(jié)合，致使評估結(jié)果出現(xiàn)了一些誤差。國外研究現(xiàn)狀國外發(fā)達國家有關(guān)災害管理和防災減災的研究和實踐發(fā)展的很成熟，日本、美國在這方面最為突出。原因有二：其一，這些國家經(jīng)常發(fā)生較嚴重的自然災害，它們的城市現(xiàn)代化水平高，災發(fā)時經(jīng)常引起連鎖反應，致使受災損失巨大，它們迫切需要提高自身的災害管理水平來減少損失；其二，發(fā)達國家對于災害管理的研究和實踐活動發(fā)展較早，相關(guān)法律體制建設(shè)的更加成熟完善，在災害管理中的科技絕對投入值遠遠高于其它發(fā)展中國家，災害管理方法與技術(shù)進步較快。國外對災害的相關(guān)研究和實踐活動有：美國有全國性的防災法律近百部，其歷史可以追溯到1803年針對新罕布什爾大火制訂的國會法案。1959年美國政府制定了《災害救濟法》，并且先后于1966年、1969年、1974年進行修訂，而且每一次修訂都擴大了政府的救援范圍，強化了預防準備、應急管理、救災減災和恢復重建的全面協(xié)調(diào)關(guān)系。1963年，“美國災害研究中心”在美國正式成立，它是世界上第一個研究城市災害對社會發(fā)展影響的機構(gòu)，40多年來，“美國災害研究中心”對城市災害的影響做了大量研究工作。1979年，美國將全國多個聯(lián)邦應急機構(gòu)的職能進行合并，成立了聯(lián)邦應急管理署（FEMA），該機構(gòu)認為，冷戰(zhàn)結(jié)束以后，城市救災、減災和恢復重建成為城市應急管理的主要研究方向。OralOnculandSabanCavuslu（2005）提出了城市災害管理不能僅僅依靠嚴密的法律制度和高效率的應急管理體系，更應該從導致城市災害的根本入手，注重保護生態(tài)環(huán)境，將可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略作為災害管理的基礎(chǔ)；E.Klien,M.LutzandW.Kuhn（2006）從生態(tài)環(huán)境的變化給現(xiàn)代城市造成的新災種入手，利用“地理信息模擬技術(shù)”建立了全新的城市災害應急能力評價指標體系，并且根據(jù)指標體系對美國23個城市進行了災害應急能力的評價，針對評價中產(chǎn)生的新問題進行了細致的分析，提出了具體的對策和建議；OttoKoudelkaandP.Schrotter（2007）提出了將衛(wèi)星技術(shù)應用到城市災害的監(jiān)控和預防的設(shè)想，并且利用得到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對洛杉磯城市的災害管理進行了實證研究，同時從預算和回報的角度證明了方法的可行性。2城市防洪減災能力綜合評價2.1樣本城市選取貴州境內(nèi)地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，全省地貌可概括分為：高原、山地、丘陵和盆地四種基本類型，高原山地居多，素有“八山一水一分田”之說，是全國唯一沒有平原支撐的省份。屬亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明、春暖風和、雨量充沛、雨熱同期。貴州河流處在長江和珠江兩大水系上游交錯地帶，有69個縣屬長江防護林保護區(qū)范圍，是長江、珠江上游地區(qū)的重要生態(tài)屏障。全省水系順地勢由西部、中部向北、東、南三面分流。苗嶺是長江和珠江兩流域的分水嶺，以北屬長江流域，流域面積115747平方千米，占全省國土面積的66.1%，主要河流有烏江、赤水河、清水江、洪州河、舞陽河、錦江、松桃河、松坎河、牛欄江、橫江等。苗嶺以南屬珠江流域，流域面積60420平方千米，占全省國土面積的35%，主要河流有南盤江、北盤江、紅水河、都柳江、打狗河等。全省有大小河流200多條，湖泊500多個，水庫5000多座。這些河流湖泊在給人帶來自然美景的同時，也易在雨水多時漫堤致災。近年來，由于氣候不穩(wěn)定，降水年變率大等原因，貴州省成為洪水災害發(fā)生頻繁的省份之一，相比較江蘇、浙江等省份而言，貴州的經(jīng)濟較落后，災前投資防洪不足，災后投資恢復力較弱，洪災損失更為嚴重。2007年的洪災對貴州造成巨大的損失，根據(jù)2007年全國各地汛情的報道，貴州因洪水造成43人死亡，1650萬人受災，直接經(jīng)濟損失115億元。因此，選取洪災多發(fā)省份貴州2007年的洪災數(shù)據(jù)進行洪災損失影響因子評價，并因地制宜地制定防洪減災措施，提高防災抗災能力，減少經(jīng)濟損失，具有實際的研究價值。2.2城市防洪減災能力綜合評價指標體系構(gòu)建從致災因子、孕災環(huán)境、承載體易損性這幾個方面考慮，影響洪災損失大小的因子很多，若將所有的影響因子都列入到洪災損失評估指標體系，將會得到龐大的數(shù)據(jù)體系，而且有些因子之間的相關(guān)性較高，容易導致評價結(jié)果的不準確性。考慮到評估指標的代表性、綜合性、可操作性以及數(shù)據(jù)的可得性，筆者選取受災人口和直接經(jīng)濟損失2個指標反映各市災情，從降雨、經(jīng)濟、人口結(jié)構(gòu)、防洪標準等幾個方面選取了7個指標作為洪災損失影響因子：x1為7月降水量、2為65歲以上人口比例、3為森林覆蓋率、4為耕地面積、5為農(nóng)作物總播種面積、x6為工業(yè)總產(chǎn)值、7為防洪標準，對貴州省7個市洪災損失影響因子進行分析，具體參數(shù)見表103.2基本研究方法主成分分析法是把原來的多個變量劃分為少數(shù)幾個綜合指標的一種統(tǒng)計分析方法，和其他評價方法相比，避免了評價過程中權(quán)重確定的主觀性和隨意性，評價結(jié)果比較符合實際情況；同時，主成分分量表現(xiàn)為原變量的線性組合，至少可以保留85%以上的變差信息，使評價結(jié)果真實可靠。主成分分析法的計算步驟：計算相關(guān)系數(shù)矩陣R。式中rij（ij=1，2， ??，，）為原變量xi與xj的相關(guān)系。2.2.1巴特利特球度檢驗巴特利特球度檢驗（KaiserMeyerOlkin，KMO）是用于比較變量間偏相關(guān)系數(shù)和簡單相關(guān)系數(shù)的指標［9］。巴特利特球度檢驗的觀察值為351.834，通過Bartlett球度檢驗得出的伴隨概率p接近于0，如果顯著水平α=0.05，則p小于α，表現(xiàn)為高度顯著。因此，可判斷相關(guān)系數(shù)矩陣和單位矩陣相比具有較高的差異性，說明17個因素變量之間不獨立。同時KMO值為0.639，說明原始變量較為適合進行主成分分析。2.2.2方差貢獻率分析采用主成分分析法，對17個主要因素變量的相關(guān)矩陣進行計算，求出特征值，計算結(jié)果如表2所示。選取前5個特征值大于1的因子為主因子，其特征值分別為7.272，3.2，2.086，1.278，1.052，累積貢獻率達到了87.576%，從結(jié)果上看這些值基本上可以涵蓋全部指標的原始信息。因此，可以表明這5個因子可以解釋17個城市防洪減災能力的主要信息，是對大多數(shù)變量的充分概括和本質(zhì)反映。2.2.3旋轉(zhuǎn)后的主成分因子載荷矩陣分析為了便于對城市防洪減災能力進行評價，需要對原始矩陣旋轉(zhuǎn)和因子載荷矩陣分析，以便更加清楚地反映出因素變量之間的關(guān)系，進而明確每個公因子相對應的釋意。通過對17個變量做標準化的正交旋轉(zhuǎn)，使每個變量在5個公共因子上都有較大的載荷，經(jīng)過8次迭代后，得到旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣。旋轉(zhuǎn)后的載荷合理地分布在5個公共因子上，它們之間有比較明確的結(jié)構(gòu)關(guān)系。2.2.4因子載荷分析主成分因子前5個特征根值都比較大，特征值均大于1，對原有變量的解釋貢獻最大，幾乎可以影響整個城市防洪減災能力模型的全部信息解釋；從第6個因子開始逐漸變得平緩，對原有變量的解釋貢獻占比也比較??；而因子10之后的特征值都比較小，對解釋變量的貢獻最小，其意義幾乎可以忽略不計。從主成分因子碎石圖可以看出5大主成分因子對原始變量信息有很強的解釋力度，所以取前5個因子分析比較合適。2.2.5主成分因子解釋從城市防洪減災能力評價主成分因子模型中提取5個主成分因子。設(shè)F為主成分因子，則有效的反映城市防洪減災能力評價原始信息的主成分因子可以表示為：F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4和F5。（1）主成分因子F1主成分因子的方差貢獻率為25.192%，其在變量X6，X5，X4和X17上系數(shù)值最大，分別為0.839，0.804，0.66和0.619，大于其他幾個主成分變量的系數(shù)，其包含了建成區(qū)綠地率、建成區(qū)綠化覆蓋率、人均公園綠地面積和城市地面透水能力這4個變量。主成分因子F1主要從城市綠化和地面透水能力角度反映城市的防洪減災能力。因此，可以將F1命名為城市綠化及地面透水能力主成分因子。（2）主成分因子F2主成分因子F2的方差貢獻率為23.852%，其在變量X13，X12，X15和上系數(shù)值最大，分別為0.967，0.966，0.913和0.819，大于其他幾個主成分變量的系數(shù)。需要特別指出的是，雖然變量X3的系數(shù)值為0.38，但是由于主成分因子命名的需要，也應將其歸為此類。因此，主成分因子F2包含了城市防洪排澇系統(tǒng)建設(shè)支持率、城市防洪排澇法規(guī)及條例普及程度、城市防洪工程建設(shè)水平、城市防洪應急預案完善度和建成區(qū)排水管道密度這5個變量。主成分因子F2主要從城市防洪排澇建設(shè)、法律法規(guī)和應急預案方面角度反映城市的防洪減災能力。因此，可以將F1命名為城市防洪排澇體系主成分因子。（3）主成分因子F3主成分因子F3在變量X11，X10，X9和X8上系數(shù)值最大，分別為0.878，0.847，0.819和0.536，大于其他幾個主成分變量的系數(shù)，其方差貢獻率為21.21%，包含了人均城市維護建設(shè)資金支出、人均醫(yī)院、衛(wèi)生院床位數(shù)、人均科學技術(shù)支出和衛(wèi)生、社會保障、和社會福利業(yè)占從業(yè)人口比例這4個變量。主成分因子F3主要從城市維護、醫(yī)療條件和社會保障方面反映城市的防洪減災能力。因此，可以將F1命名為城市維護與保障體系主成分因子。（4）主成分因子F4主成分因子F4在變量X2上系數(shù)值最大，達到0.876，大于其他幾個主成分變量的系數(shù)，其方差貢獻率為8.748%，包含脆弱人口比例這個變量。主成分因子F3反映城市中脆弱人口（主要包括年齡在14歲以下的兒童和65歲以上的老人）在城市總?cè)丝谥兴嫉谋壤?。因此，可以將F1命名為城市脆弱人口主成分因子。（5）主成分因子F5主成分因子F5在變量X6上系數(shù)值最大，達到0.899，大于其他幾個主成分變量的系數(shù)，其方差貢獻率為8.574%，包含城市人口密度這個變量。因此，可以將主成分因子F5命名為城市人口密度主成分因子2.3指標數(shù)據(jù)來源與標準化表12007年貴州省部分市洪災損失影響因子為了能較準確地分析貴州省洪災損失影響因子，原始數(shù)據(jù)選自《2008年貴州統(tǒng)計年鑒》、《淮河流域防洪規(guī)劃概要》、貴州省水利志網(wǎng)站和《基于減災能力評價的洪澇災害綜合風險研究》等資料。同時要對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，以消除因不同指標數(shù)據(jù)間單位和量綱的不同而產(chǎn)生的對最終結(jié)果準確性和可靠性的影響。數(shù)據(jù)標準化處理的常用方法有標準差標準化、極大值標準化、極差標準化等。本文選用標準差標準化方法，公式如下：式中Xj，Sj：分別為第y項指標的均值和方差。2.4城市防洪減災能力主成分綜合評價利用貴州省洪災較嚴重的2007年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將7個指標進行標準化處理，利用SPSS軟件計算得到主成分特征值及貢獻率。根據(jù)主成分分析法主成分的確定原則，得到3個主成分（表2）及3個主成分的載荷系數(shù)（表3）。表2主成分特征值及貢獻率主成分特征值貢獻率/%累計貢獻率/%13.33547.64247．64222.14830．6837832531.06015．14293．467表3主成分載荷系數(shù)表3主成分載荷系數(shù)不同主成分下的載荷系數(shù)主成分1主成分2主成分30．0320.921-0.0300．0520．0580．9850．563-0.784-0.0070．6430．6900．2990.6290．6860．301-0.958-0.0020．199-0.8910.033-0.308由表2可知，前3個主成分貢獻率依次為47.642%，30.683%和15.142%，其累計貢獻率為93.467%>85%。說明前3個主成分基本包含了全部指標所具有的信息，完全符合分析要求。由表3可知，％（工業(yè)總產(chǎn)值）、7（防洪標準）在第1主成分上有較大的載荷系數(shù)，且都與洪災損失呈負相關(guān)。工業(yè)總產(chǎn)值是衡量當?shù)毓I(yè)發(fā)展水平和速度的指標，從長期來看，工業(yè)發(fā)達的地區(qū)人們生活水平較高，當洪水來臨時，當?shù)鼐用裼心芰陀密囕v和人力幫其搬離災害區(qū)，保證撤退的及時性，減少財產(chǎn)遭受洪水淹沒沖毀的可能性；另外，工業(yè)發(fā)達地區(qū)承災能力相對較強，在不完全依賴國家災后恢復補貼的情況下，能保證足夠的災害恢復投資資金，保證工業(yè)恢復正常生產(chǎn)運營可能性較大，能有效減輕洪災損失。防洪標準是指防洪保護對象達到防御洪水的水平和能力。防洪標準越高，說明防洪保護對象達到防御洪水的能力越大，保證洪災損失越小。由于年際降雨量的變化，7月份是洪災頻繁的時間段，在第2主成分中x1的主成分載荷系數(shù)為0.921，說明洪災損失與降雨量高度正相關(guān)，這與實際情況相符，降雨是發(fā)生洪災的首要因素，大規(guī)模的降雨是發(fā)生洪水災害的必要前提。在第3主成分中x2指標，即65歲以上人口比例的載荷系數(shù)為0.985，表明人口結(jié)構(gòu)與洪災損失高度正相關(guān)。年齡偏大的老年人身體抵抗力差，行動不便，加上他們有濃重的戀鄉(xiāng)情節(jié)以及較差的適應新環(huán)境的能力。在不能得到政府或鄰里足夠幫助的情況下，人員和財產(chǎn)轉(zhuǎn)移困難，受災情況較年輕人更為嚴重。結(jié)果表明：經(jīng)濟發(fā)展水平、防洪標準、降雨量、人口結(jié)構(gòu)4類因子對洪災損失影響較大。3結(jié)論及建議（1）主成分分析法是基于降維的思想，在排除多個指標間相關(guān)性的基礎(chǔ)上，將多個指標轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個互不相關(guān)的指標，從而使進一步研究變得更加簡單。本文采用該方法，將影響洪災損失大小的7個影響因子指標轉(zhuǎn)換為降雨強度、經(jīng)濟發(fā)展水平、人口結(jié)構(gòu)、防洪標準4個方面的指標使結(jié)果簡單化。（2）結(jié)合分析結(jié)果，降雨量屬自然情況不可人為控制，但可以從提高防洪工程標準、增強防洪能力、加強洪水預報預測、加強洪水管理等方面來做好防災減災對策：①政府應該組織專門的工作小組，在發(fā)生災害時幫助老幼或行動不便者及時、安全撤退，減輕人員的傷亡；②提高防洪工程標準；③政府應制定補償機制，確定合理的補償標準，減少居民在洪災中的損失，提高居民恢復正常生產(chǎn)生活的能力；④增大洪災宣傳力度，提高公眾防災意識；⑤加強災前預警工作，完善通訊設(shè)施。洪水災害是世界上危害最嚴重的自然災害之一，在全球所有自然災害造成的損失中占40%，并且往往分布在人口稠密、農(nóng)業(yè)墾殖度高、江河湖泊集中、降雨充沛的地方，如北半球暖溫帶、亞熱帶。中國、孟加拉國是世界上洪水災害最頻繁的地方。而且，隨著全球氣候變暖，年際降水變率的不穩(wěn)定，洪水災害的發(fā)生越來越頻繁，對人類社會的影響和生態(tài)環(huán)境的破壞越來越大，造成的經(jīng)濟損失也越來越嚴重。因洪水災害造成的損失在自然災害中占有很大的比重，也是制約國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素，對人民的生命財產(chǎn)、家庭、城鄉(xiāng)建筑物及區(qū)域經(jīng)濟造成巨大的損失，嚴重影響了國家或地區(qū)的經(jīng)濟和社會發(fā)展。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人口的增多，國內(nèi)因洪災造成的損失呈不斷增長的態(tài)勢，面對這一問題，分析洪災損失影響因子是進行洪災風險評估的基礎(chǔ)，也是防洪減災的需要。參考文獻[1]孫洋，盧毅，熊先明，吳敏.四川省21市州城市自然災害脆弱性評估研究[J].自然災害學報，2017，26（04）：116-124.[2]馮倩倩，劉德林.城市社區(qū)洪災抗逆力影響因素及其評價——以河南省新鄉(xiāng)市紅旗區(qū)為例[J].水土保持通報，2017，37（04）：230-235.[3]付冠男.可拓城市綜合防災規(guī)劃理論與方法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2017.[4]翁莉，周穎，趙曄輝.基于主成分-灰色關(guān)聯(lián)度的城市暴雨災害應對能力評價：以江蘇省13個地級城市為例[J].數(shù)學的實踐與認識，2016，46（12）：53-62.[5]城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