流域洪災風險傳遞規(guī)律研究

殷 闖，何 理,2，聶倩文，唐 孟，田沛佩，梁東哲

(1.華北電力大學水利與水電工程學院，北京 102206；2.天津大學建筑工程學院 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

洪水災害是一種突發(fā)性強、發(fā)生頻率高、危害嚴重的自然災害，而我國是世界上洪水發(fā)生最頻繁的國家之一。在全球變暖的氣候背景下，極端水文事件大幅增加，洪水災害發(fā)生概率與強度呈現持續(xù)上升的趨勢[1]。因此，精確掌握洪災風險的時空格局并識別其內部的傳遞規(guī)律，對于流域洪水災害管理和防災減災決策具有重要意義[2]。

近年來，國內外學者針對洪災風險評估與管理方面開展了許多的研究。在國外，學者對于洪水風險方面的研究主要集中在洪水危險性評估、洪水易損性評估、洪水災害綜合風險評估和災害風險區(qū)劃等方面，并形成了比較完善的概念體系和評估方法[3]。Motevalli等人運用HEC-RAS水文模型重現及模擬了洪水演進與深度,得到洪水風險圖[4]。Louise等人研究討論了洪水風險背景下的恢復能力，通過空間化城市洪水恢復力指數的多標準指數對洪水恢復力進行建模和空間化，并將其用于測量和可視化不同情景下洪水恢復力的變化[5]。Tomohiro等人以洪水頻率分析為洪水風險基礎，建立降雨洪水模型分析上游洪水風險對于下游洪水風險影響[6]。在國內，學者主要從洪水風險方面的研究主要有洪災風險形成機理、洪災風險評估方法、洪災風險評估與區(qū)劃等方面展開研究[7]。汪婷等人將云模型運用到洪災風險評價中，使用逆向云發(fā)生器結合熵值的洪災風險綜合評價模型對神農架林區(qū)內洪災風險做出評價[8]。張力瀾等人運用博弈論耦合賦權法,構建基于模糊綜合評價法的流域洪災風險評價模型，揭示洪災風險年代際的時空演變特征[9]。

以往的研究集中于洪災評估模型的建立和風險區(qū)劃的劃分，而對于流域洪災風險的時空尺度耦合關系及內部傳遞特征和規(guī)律研究較少，難以反映洪災風險內部傳遞的不確定性特征。因此，本文以珠江流域為典型實證區(qū)，提出了一套“風險因子識別-風險評估-風險傳遞規(guī)律解析”的研究方法體系，用于探明流域內洪災風險的內部傳遞效應。通過建立洪災風險評估體系，利用可拓模型對其洪災風險進行測度并運用馬爾科夫模型研究風險時間變化，最后應用空間馬爾科夫鏈驗證了洪災風險在流域系統(tǒng)內部的傳遞效應[10,11]。研究結果可為今后流域內洪水災害的區(qū)域統(tǒng)籌管理、洪災風險調控以及防災減災決策提供科學性的指導。

1 研究區(qū)域概況

珠江流域地處東經102°12′～115°53′，北緯21°31′～26°49′之間，跨云南、貴州、廣西、廣東、湖南、江西等6省(自治區(qū))，全長2 214 km(圖1)。氣候溫和多雨，是我國降水量最豐富的地區(qū)之一[12]。珠江流域洪災多發(fā)，洪水峰高量大，遭受洪水災害損失巨大。因此，加強珠江流域洪災風險評估、流域內部洪災風險傳遞規(guī)律的研究具有重要的理論意義和實用價值。

2 研究方法

本研究從危險性、暴露性、脆弱性和防災減災能力出發(fā)來構建洪災風險評估指標體系，運用可拓模型和層次分析法對珠江流域洪災等級進行評估，并利用馬爾科夫模型驗證了洪災風險在流域系統(tǒng)內部的傳遞效應(見圖2)。具體方法描述見圖2。

圖2 風險因子識別-風險評估-風險傳遞規(guī)律解析研究方法

2.1 珠江流域洪災風險評估體系構建

基于自然災害風險概念模型理論，從危險性、暴露性、脆弱性和防災減災能力出發(fā)，選取洪災風險評價的指標因子，構建了珠江流域洪災評估體系。具體步驟如下。

(1)洪災風險評價體系的構建：洪災是由致災因子的危險性、孕災環(huán)境的暴露性、承災體的脆弱性和防災減災能力相互作用造成的?；诤闉男纬蓹C制和災害四因子學說，構建洪災評價體系[13](見表1)。

(2)評價指標選?。壕C合考慮洪水災害的影響因素，選取了10個指標因子來構建珠江流域洪災風險指標體系[14]。致災因子包含年降水量、暴雨頻次2個指標因子，其中暴雨頻次是指暴雨事件發(fā)生的次數，計算公式為：

F=0.1N1+0.2N2+0.3N3

(1)

式中：N1、N2、N3分別為暴雨(日降雨量50～100 mm)、大暴雨(日降雨量100～250 mm)、特大暴雨(日降雨量>250 mm)的次數。

孕災環(huán)境包含植被覆蓋指數、坡度、高程3個指標因子；承災體包含人口密度、GDP密度、耕地面積百分比3個指標因子；防災減災能力為防洪庫容密度和興利庫容密度2個指標因子。(見表1)。本研究的數據主要從中國氣象數據網、地理空間數據云、中國科學院資源環(huán)境科學數據中心、水利發(fā)展研究中心、水資源公報中獲得。

(3)洪災風險等級劃分與閾值確定：參考已有的洪災風險評價體系研究成果及相關研究，將珠江流域洪災風險劃分為五個等級，分別為高風險、中高風險、中風險、中低風險、低風險。本文對洪災評估指標閾值是根據國家、行業(yè)及國際相關標準、指標本底標準、類比標準、流域實際情況及歷史數據統(tǒng)計分析以及現有研究成果等綜合確定[15](見表1)。

表1 珠江流域洪災風險指標體系

2.2 基于可拓理論和層次分析法的洪災風險評估模型

基于可拓理論構建洪災風險評價模型[16]，利用層次分析法確定各指標權重，構建洪災風險評估模型，主要步驟如下。

(1)構建洪災風險物元。將洪災風險記作N，N的特征即洪災風險特征記作C，N關于C的量值記作V，則共同構成有序三元組R=(N，C，V)，即洪災風險物元。

(2)確定洪災風險的經典域與節(jié)域矩陣。洪災風險的經典域矩陣可表示為Rj=(Nj，Ci，Vji)，其中，Rj為經典域，Nj為洪災等級的j評價等級，Ci為第i個評價指標，Vji為第i個特征向量對應等級j的量值范圍。洪災風險節(jié)域矩陣可表示為Rp=(Np，Ci，Vpi)，其中，Rp為節(jié)域，Np為洪災評價等級的全體，Vpi為Np關于Ci所取的量值范圍。

(3)進行關聯函數及單一指標關聯度的計算，計算公式為：

(2)

(3)

式中：Kj(vi)為第i項指標對應于j等級的關聯度；ρij為點與對應特征向量有限區(qū)間Vij的距離；ρpi為點與對應特征向量節(jié)域Vpi的距離；vi，Vij，Vpi分別表示待評洪災物元的量值、經典域物元的量值范圍、節(jié)域物元的量值范圍。

(4)確定指標權重。利用層次分析法[17]確定洪災風險評價模型中各個指標的權重，權重結果見表1。

(5)評定風險綜合關聯度。綜合關聯度計算公式為：

(4)

式中：ωi為各指標的權重；Kj(N)表示為風險對象N關于風險等級j的綜合關聯度；Kj(vi)為第i項指標關于風險等級j的關聯度。

2.3 基于馬爾科夫的風險傳遞模型

馬爾科夫風險傳遞模型研究洪災等級的狀態(tài)及狀態(tài)之間轉移規(guī)律理論的隨機過程，把洪災風險傳遞過程看成一系列狀態(tài)的不斷轉移，可通過分析洪災等級的目前狀態(tài)和動向來預測洪災未來某個時期的狀態(tài)和動向[18]。

馬爾科夫風險傳遞模型分為時間上和空間上兩種：

(1)馬爾科夫轉移概率矩陣：馬爾科夫鏈中狀態(tài)轉移概率與轉移出發(fā)狀態(tài)i、轉移步數k、轉移到狀態(tài)j有關，與轉移起始時刻無關。有一步狀態(tài)轉移矩陣P：

式中：Pij=nij/ni；nij指的是時刻n到n+1時刻，狀態(tài)i轉移到狀態(tài)j的樣本數目。

(2)空間馬爾科夫鏈風險傳遞模型：空間馬爾科夫鏈模型結合了傳統(tǒng)的馬爾科夫模型和“空間滯后”的概念，同時在時間和空間上對問題進行研究[19]。運用空間馬爾科夫鏈風險傳遞模型就可以有效地分析水資源區(qū)之間的空間關系對洪災風險變化的影響，該方法可用于分析驗證在不同區(qū)域背景下流域內部風險的傳遞效應。

3 結果分析

3.1 洪災風險時空分布

由圖3、圖4可知，高洪災風險區(qū)主要位于流域下游的珠江三角洲，而南北盤江多年洪災風險處于較低水平。南北盤江位于珠江流域上游，降雨相對較少，其危險性較低；紅柳江、郁江位于流域中部,經濟發(fā)展落后，但其防洪能力較強，洪災風險狀態(tài)多為中-低風險；西江、珠江三角洲降水豐盛，年暴雨天數較多，且該區(qū)域人口密集，經濟發(fā)達，洪災危險性、脆弱性皆處于較高水平；北江降水量相較于珠江三角洲等較少，但其脆弱性及暴露性皆為較高水平，且防洪能力較弱，故其風險處于較高風險水平。下游水資源區(qū)會受到上游水資源區(qū)匯流的影響，洪災風險具有積聚效應。由模型得到的評估結果與實際一致，說明模型具有一定的可靠性。

圖3 珠江流域洪災風險子系統(tǒng)等級分布

圖4 2000-2018年珠江二級水資源區(qū)洪災風險等級

3.2 洪災風險轉移規(guī)律

根據洪災風險等級，統(tǒng)計各個二級水資源區(qū)洪災風險區(qū)劃狀態(tài)出現的次數和轉移的概率，可得到各個狀態(tài)之間的轉移規(guī)律見圖5。

由圖5可知對角線轉移分布較多且轉移概率多在0.5以上，說明流域洪災風險狀態(tài)不易發(fā)生改變。位于兩邊的低風險和高風險兩種類型的穩(wěn)定性高于中間的3種類型；中低風險、中風險和中高風險仍有向上轉移的趨勢，說明氣候變化導致暴雨集中及經濟迅速發(fā)展等原因，洪災發(fā)生概率即受災損失逐漸增大。同一個水資源區(qū)相鄰年份洪災風險狀態(tài)變化情況多為相鄰等級漸變，不會出現跨兩級的轉移，說明影響洪災風險的因子的變化是一個漸變的過程，在短時間內較難跨越式發(fā)展。

圖5 珠江流域2000-2018年洪災風險等級狀態(tài)轉移

3.3 洪災風險空間傳遞

通過對洪災風險變量進行相關性檢驗發(fā)現，在α=0.05，95%的置信區(qū)間時，未鄰接流域之間的線性關系不明顯，洪災風險未發(fā)生跨流域傳遞，構建的風險傳遞路徑如圖6所示，將研究序列珠江流域二級水資源區(qū)洪災風險值的多年均值，計算各個流域風險值的歸一化比例，分析其在路徑上的傳遞情況，得到每個傳遞路徑上的風險傳遞值如圖6所示。將研究序列分為四段，取5年的洪災風險平均值為短周期辨識流域內部的傳遞情況，結果見圖6。

由圖6可知，2000-2004年紅柳江-西江、西江-北江、西江-珠江三角洲風險傳遞數值為負，與西江相鄰的水資源區(qū)多是正向傳遞，其他二級水資源區(qū)之間皆為負向傳遞，東江向珠江三角洲洪災風險傳遞數值最大；2005-2009年紅柳江-西江、西江-珠江三角洲、東江-珠江三角洲洪災風險傳遞數值均為負值，但負向傳遞風險值較小。其他流域為正向傳遞；2010-2014年洪災風險傳遞中郁江向西江、西江向北江、東江向珠江三角洲風險傳遞數值均為負值，風險傳遞最大為紅柳江向西江傳遞；2015-2018年負值傳遞較多，僅有西江-北江、西江-珠江三角洲、東江-珠江三角洲洪災風險傳遞為正向傳遞，其他均為負向傳遞。綜合來看，流域內洪災風險上游對下游的正向傳遞多于負向傳遞，西江流域風險傳遞效應最為明顯。

圖6 珠江流域洪災風險傳遞圖

3.4 洪災風險空間傳遞效應

根據2000-2018年珠江流域7個二級水資源區(qū)洪災等級，運用空間馬爾科夫鏈辨別不同鄰域類型對流域洪災類型轉換概率的影響，得到珠江流域洪災風險等級空間馬爾科夫矩陣(表2)。

由表2可知，一個洪災風險較低的區(qū)域若與風險較高的區(qū)域為鄰，則其洪災風險等級上升的可能性較大，鄰域對該區(qū)域的風險傳遞類型為增強型傳遞，反之為衰減型傳遞。這是由于流域間不同風險要素，比如人員的轉移及防洪基礎措施資金的協(xié)調促使流域洪災風險發(fā)生溢出現象。經濟水平高、發(fā)展速度快的地區(qū)對周邊水資源區(qū)有較強的帶動作用。對于洪災風險較高的區(qū)域來說，在鄰域類型為4、5時，其風險增加的概率高于鄰域類型為1、2時的概率，說明其對洪災風險高的鄰域更敏感，受其影響突出。這是由于風險較高的流域致災性較強但對洪災的防御能力相對較弱，高風險鄰域經濟快速發(fā)展，從而更注重于自身的防災減災，促使高風險鄰區(qū)的風險上升。因此，在洪災管理和風險調度中應注重風險的傳遞效應，在減少風險源的同時遏制風險在子系統(tǒng)間的傳遞。同時在風險的調控上不能單一考慮高風險區(qū)域的防災措施，要統(tǒng)籌兼顧、突破流域界限，協(xié)同管控。

表2 2000-2018年珠江流域洪災等級空間馬爾科夫矩陣

4 結 論

本研究首次建立了一套“風險因子識別-風險評估-風險傳遞規(guī)律解析”的研究方法體系，識別了流域內洪災風險的傳遞效應，并應用于珠江流域洪災風險傳遞規(guī)律研究，主要得出以下結論。

(1)珠江流域高洪災風險區(qū)主要位于下游的珠江三角洲，低風險區(qū)主要位于上游南北盤江。

(2)流域洪災風險等級保持不變的概率較大，發(fā)生變化時多為相鄰等級漸變，未發(fā)生風險跨兩個等級的躍變，由于上游水資源區(qū)匯流對下游水資源區(qū)的影響，洪災風險具有積聚效應。

(3)流域內洪災風險上游對下游的正向傳遞多于負向傳遞，下游風險經累積有所增高。

(4)高風險區(qū)對其周圍水資源區(qū)風險傳遞類型為增強型傳遞，而低風險區(qū)為衰減型傳遞。

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