溧水河區(qū)域雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)用研究

高士佩， 許建平

(江蘇省水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210017)

近年來(lái)，大數(shù)據(jù)已在城市治理、智能交通、氣象監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域開(kāi)展了較為廣泛的研究，但在雨洪災(zāi)害管理領(lǐng)域的研究還處在起步階段。國(guó)內(nèi)學(xué)者早期構(gòu)建雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系時(shí)，在雨洪災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境方面，通過(guò)降水量[1]來(lái)反映；在雨洪災(zāi)害致災(zāi)因子方面，通過(guò)警戒水位、積水深度和時(shí)間、災(zāi)害重現(xiàn)期[2]等來(lái)描述。目前在防汛管理方面，水利部門(mén)已經(jīng)建設(shè)了防汛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于雨情、汛情、工情等監(jiān)測(cè)與管理。但由于雨洪管理涉及復(fù)雜海量的大數(shù)據(jù)，目前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)雨洪管理大數(shù)據(jù)分析處理的功能還不夠完善，風(fēng)險(xiǎn)管理和調(diào)控功能還存在欠缺，需在數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如何有效的將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)決策方法融合，在此基礎(chǔ)上，解決多源復(fù)雜的雨洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估難題，提高雨洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，對(duì)水利相關(guān)部門(mén)高效地進(jìn)行雨洪災(zāi)害防控具有重要的意義。南京市地處長(zhǎng)江下游寧鎮(zhèn)低山丘陵地帶，流域集水區(qū)呈扇型河谷平原。溧水河為秦淮河上游兩源之一，洪水源近流急，幾乎每年都出現(xiàn)雨洪災(zāi)害，2000年以來(lái)已發(fā)生4次較大洪澇災(zāi)情，其中2016年嚴(yán)重的雨洪災(zāi)害造成多處被淹，雨洪災(zāi)害已嚴(yán)重影響南京經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展?；诖?，文中選擇了2011—2016年期間雨洪災(zāi)害較重的溧水河區(qū)域引入云物元模型進(jìn)行評(píng)估并進(jìn)行結(jié)果分析。

1 區(qū)域雨洪概況

溧水河地處秦淮河上游，南起一、三干河交匯口，北至西北村，承接一、二、三干河等支流匯水，流域面積約831 km2，溧水河上段有一、三干河2支流，分別承中山水庫(kù)、西橫山水庫(kù)來(lái)水；而后在左岸江寧區(qū)有橫溪河匯入，承趙村水庫(kù)來(lái)水，右岸有二干河匯入，承接方便水庫(kù)和臥龍水庫(kù)來(lái)水。在下段右岸江寧區(qū)有高陽(yáng)河(又稱句容南河)匯入，至西北村和句容河交匯后注入秦淮河干流。天生橋河溝通秦淮河與石臼湖水系，在秦淮河與石臼湖水系分水嶺位置有天生橋套閘控制，天生橋河北片匯水在沙河口匯入一干河(圖1)。

圖1 溧水河區(qū)域水系地形

溧水河區(qū)域地形總體為東西高中間低，形成以溧水河為南北向軸線的河谷地形。南北向地勢(shì)則自南向北逐漸降低，南側(cè)為秦淮河流域與石臼湖水系的分水嶺，多為山丘和崗地；北側(cè)除東、西兩端為山丘和高地，中間為溧水河河谷圩區(qū)，并和秦淮河干流圩區(qū)綿延相接。溧水河支流上游主要為山丘區(qū)，中小型水庫(kù)多發(fā)源于此。溧水河干流兩岸及支流中下游兩岸為圩區(qū)。

秦淮河上游的溧水河區(qū)域包括江寧區(qū)祿口、秣陵、湖熟街道和溧水區(qū)柘塘鎮(zhèn)、永陽(yáng)鎮(zhèn)等行政區(qū)，祿口新城、永陽(yáng)新城、空港新城、溧水經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)等新城和園區(qū)，祿口國(guó)際機(jī)場(chǎng)、寧宣高速、沿江高速、寧高城際等重要基礎(chǔ)設(shè)施，為溧水河重要防護(hù)保護(hù)對(duì)象(圖2)。溧水河規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。

圖2 溧水河區(qū)域主要防洪保護(hù)對(duì)象及設(shè)施分布

區(qū)域多年平均降雨量1 027.5 mm，但降水量年際變化大，年最大降雨量達(dá)是年平均降雨量的2倍，年最小降雨量?jī)H為年平均降雨量的46.2%。年內(nèi)分布也不均勻，汛期6—9月約占全年55%，汛期雨量又集中在6—7月，雨量占汛期63%。由于梅雨期長(zhǎng)，雨量集中，面廣量大，歷次暴雨洪水多在此段時(shí)期發(fā)生。

溧水河支流大多為山丘型河道，洪水呈扇形向干流匯集，源近流急，河谷淺，蓄水能力低，暴雨后匯流迅速，洪水位漲幅大，洪峰高。溧水河口前垾村(秦淮河干流)水文站典型洪水年洪峰流量分別為：2015年6月27日1 100 m3/s、2016年7月7日1 200 m3/s[3]。溧水河上段一干河上游支流清溪河局部圩堤決口，洪水短時(shí)漫溢至圩內(nèi)，后決口被及時(shí)封堵，淹沒(méi)大約2.5 km2。

2 技術(shù)路線

建立區(qū)域雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建區(qū)域雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型進(jìn)行評(píng)估，技術(shù)路線如下：

基礎(chǔ)資料收集與整理。收集和整理溧水河區(qū)域的自然地理、水文與洪水、構(gòu)筑物及其運(yùn)用調(diào)度方案、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和洪澇災(zāi)害等基礎(chǔ)資料。

研究區(qū)域雨洪大數(shù)據(jù)源，建立區(qū)域雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估集成數(shù)據(jù)庫(kù)。為有效的進(jìn)行暴雨洪澇的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，需要對(duì)降雨數(shù)據(jù)、地物水文、地表地形、歷史災(zāi)情及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析，在此基礎(chǔ)上，解決數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)，并構(gòu)建區(qū)域雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估集成數(shù)據(jù)庫(kù)。

構(gòu)建區(qū)域雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型及算法。將云模型引入到物元分析中，采用云物元模型構(gòu)建雨洪風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估模型。

3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型建立

3.1 指標(biāo)體系構(gòu)成

區(qū)域雨洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因子由致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體共同作用構(gòu)成。進(jìn)行雨洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，可以分別從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境及承災(zāi)體三方面選取合適的指標(biāo)，開(kāi)展綜合評(píng)估。影響雨洪災(zāi)害的因素眾多，包含氣象、水文、降雨、地形地貌、綠化、水域、排水設(shè)施、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等，因此在構(gòu)建雨洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系時(shí)，需綜合考慮。指標(biāo)的選取應(yīng)遵循科學(xué)性、實(shí)用性、可行性、全面性等原則，使構(gòu)建的指標(biāo)體系能夠完整準(zhǔn)確地反映區(qū)域雨洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的狀況，且使指標(biāo)體系的規(guī)模盡可能小。參考已有文獻(xiàn)和研究成果[4]，選取了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)，構(gòu)建了區(qū)域雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)。指標(biāo)體系由目標(biāo)層、一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)組成，其中一級(jí)指標(biāo)由致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體3個(gè)指標(biāo)構(gòu)成；致災(zāi)因子分別由暴雨天數(shù)、24 h最大降雨量和月降雨量3個(gè)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)成，孕災(zāi)環(huán)境分別由區(qū)域平均高程、綠化覆蓋率、排水設(shè)施密度、不透水面積和水域面積百分比5個(gè)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)成，承災(zāi)體由人口密度、地均GDP、單位面積防洪投入和洪水應(yīng)急處置能力四個(gè)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)成。

3.2 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重確定

網(wǎng)絡(luò)分析法(Analytic Network Process, ANP)是在層次分析法(AHP)的基礎(chǔ)上，考慮到了不同元素以及相鄰層次之間的相互影響，為解決復(fù)雜系統(tǒng)中的方案選擇和指標(biāo)評(píng)價(jià)問(wèn)題提供了一種新的決策方法。網(wǎng)絡(luò)分析法的特點(diǎn)就是綜合考慮了不同層次之間的信息反饋和同一層次不同元素之間的相互影響，它并不要求像AHP那樣有嚴(yán)格的層次分明，利用超矩陣對(duì)各相互作用因素進(jìn)行綜合分析，從而得到其混合權(quán)重。由此得出的溧水河區(qū)域雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系和指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表1。

表1 溧水河區(qū)域雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系和指標(biāo)權(quán)重

3.3 指標(biāo)分級(jí)

參考國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室《防汛手冊(cè)》[5]和江蘇省、南京市防汛防旱應(yīng)急預(yù)案，綜合考慮南京市統(tǒng)計(jì)年鑒和流域氣象降雨數(shù)據(jù)，將溧水河區(qū)域雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為5個(gè)等級(jí)，得出具體的分級(jí)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 溧水河區(qū)域雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型建立

根據(jù)建立的雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，云物元模型將雨洪風(fēng)險(xiǎn)作為總目標(biāo)層，其中包括三個(gè)一級(jí)指標(biāo)層，致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體。每一個(gè)一級(jí)指標(biāo)物元都包含有各自的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)估模型主要包括構(gòu)建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估物元、建立雨洪災(zāi)害的標(biāo)準(zhǔn)云、計(jì)算一級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)類屬度和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的判定等步驟。

建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估物元。根據(jù)已建立的雨洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，將災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)作為總目標(biāo)層并建立評(píng)估對(duì)象的指標(biāo)層云物元模型。建立雨洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)云。云物元模型中各災(zāi)害指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)等級(jí)是通過(guò)云模型替代固定區(qū)間的方式表示。轉(zhuǎn)換計(jì)算得到相應(yīng)云參數(shù)，可以得到溧水河流域雨洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)云參數(shù)矩陣。

計(jì)算一級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)隸屬度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)云參數(shù)矩陣，可計(jì)算出各二級(jí)指標(biāo)關(guān)于各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度。通過(guò)二級(jí)指標(biāo)對(duì)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)的隸屬度的加權(quán)可直接得到一級(jí)指標(biāo)層物元關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定。在得到各一級(jí)指標(biāo)層物元對(duì)于各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度后，將各一級(jí)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行加權(quán)后，就可得出雨洪風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)隸屬度。

4 區(qū)域?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

溧水河區(qū)域大規(guī)模的降水主要集中在夏秋季，本文選取區(qū)域6—9月的雨洪災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，根據(jù)南京市統(tǒng)計(jì)年鑒和南京市氣象局國(guó)家基準(zhǔn)氣候站數(shù)據(jù)，計(jì)算2016年溧水河區(qū)域雨洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

圖3 2011—2016年溧水河區(qū)域6—9月雨洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)云參數(shù)矩陣，將溧水河區(qū)域的指標(biāo)數(shù)據(jù)代入，即可利用Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算迭代，計(jì)算出溧水河區(qū)域雨洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)見(jiàn)中各項(xiàng)指標(biāo)的等級(jí)隸屬度，并通過(guò)與相應(yīng)權(quán)重進(jìn)行組合即可獲得最終的溧水河區(qū)域雨洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的各級(jí)隸屬度。具體各等級(jí)隸屬度如表3所示。

表3 2011—2016年溧水河區(qū)域6—9月雨洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

最后根據(jù)隸屬度最大的原則對(duì)各物元所屬的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行判定，即可判斷該雨洪風(fēng)險(xiǎn)屬于哪一風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。溧水河區(qū)域雨洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)見(jiàn)圖4、圖5、圖6和圖7。

圖4 研究區(qū)域6月份雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

圖5 研究區(qū)域7月份雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

圖6 研究區(qū)域8月份雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

圖7 研究區(qū)域9月份雨洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

5 評(píng)估結(jié)果

從雨洪災(zāi)害一級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)來(lái)看，可以得出溧水河區(qū)域孕災(zāi)環(huán)境指標(biāo)處于V4等級(jí)，承災(zāi)體指標(biāo)處于V2等級(jí)，而致災(zāi)因子指標(biāo)則由于每月的降雨量與降雨持續(xù)時(shí)間的不同導(dǎo)致所處的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也不同，因此綜合得出的區(qū)域各月的雨洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也不相同。

從雨洪災(zāi)害各月的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)來(lái)看，2011年至2016年7月的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相較其他月的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高，一直處于V4等級(jí)，而9月的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低。主要是由于7月的降雨量和降雨持續(xù)時(shí)間要高于其他月份，而到9月之后區(qū)域降雨逐漸減少，就不易再發(fā)生雨洪災(zāi)害。

從雨洪災(zāi)害平均風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，2011—2016年溧水河區(qū)域雨洪的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在逐漸升高，主要是由于致災(zāi)因子中暴雨持續(xù)時(shí)間與短時(shí)間降雨量逐年增加，同時(shí)承災(zāi)體因子中人口密度和GDP也在快速增長(zhǎng)。說(shuō)明由于氣候變化的影響，導(dǎo)致區(qū)域夏季遭受強(qiáng)降雨的可能性越來(lái)越大，同時(shí)由于區(qū)域城市化進(jìn)程的速度不斷加快，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和人口激增導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地及不透水面積逐漸增加，而配套的排水設(shè)施與綠化建設(shè)卻沒(méi)有與之發(fā)展匹配，所以區(qū)域遭受雨洪風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害的可能性也越來(lái)越大。