基于AHP和GIS的廣西巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究

羅日洪，黃錦林

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東省山洪災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635)

廣西境內(nèi)巖溶地貌分布廣泛，集中連片分布于區(qū)內(nèi)西南、西北、中部和東北區(qū)，面積9.87萬km2，約占土地總面積的41.2%。巖溶內(nèi)澇災(zāi)害是巖溶地區(qū)特有的，是一種與巖溶生態(tài)環(huán)境和人類活動密切相關(guān)的災(zāi)害類型[1]，一般發(fā)生于巖溶峰叢洼地和峰林谷地中。巖溶內(nèi)澇災(zāi)害主要是由于汛期地下河因當(dāng)?shù)乇┯暝龃罅髁?，受巖溶管道斷面所限，使其排泄受阻，地下水位迅速上升，通過巖溶洼地或谷地中的天窗、落水洞溢出，從而淹沒了洼地中的農(nóng)田、村鎮(zhèn)和公共基礎(chǔ)設(shè)施[2]。廣西易澇區(qū)約70%散布在巖溶石山區(qū)，區(qū)內(nèi)巖溶內(nèi)澇災(zāi)害具有范圍大、頻次高的特點，對當(dāng)?shù)鼐用?、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展危害極大[3]。因此，基于巖溶內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生機(jī)理，研究廣西不同地區(qū)巖溶內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險,為巖溶內(nèi)澇災(zāi)害防治提供科學(xué)支撐是十分必要的。

國內(nèi)學(xué)者對巖溶內(nèi)澇災(zāi)害成因研究比較深入，主要從降雨、地形地貌、人類活動等3大方面對其形成機(jī)制進(jìn)行剖析[3-5]，但對巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險的研究較為缺乏。巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險是指在巖溶多重介質(zhì)環(huán)境中可能發(fā)生的災(zāi)害事件及其破壞損失[6]。為加強(qiáng)對巖溶內(nèi)澇災(zāi)害的防御和治理，加深風(fēng)險意識，國內(nèi)學(xué)者以巖溶內(nèi)澇災(zāi)害成因研究為基礎(chǔ)，對巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險開展研究。由于巖溶內(nèi)澇災(zāi)害的復(fù)雜性，目前相關(guān)研究還處于起步階段。郭純青等[6]對巖溶浸沒內(nèi)澇災(zāi)害的風(fēng)險評估方法進(jìn)行了探討，用系統(tǒng)原理指導(dǎo)災(zāi)害識別，進(jìn)行危險性分析，開展易損性評估，構(gòu)建災(zāi)害風(fēng)險綜合評價體系；曾家俊等[7]利用基于GIS技術(shù)和層次分析法的災(zāi)害風(fēng)險評價模型對廣西德?？h巖溶內(nèi)澇災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險評價。但在中大尺度巖溶內(nèi)澇風(fēng)險評估中，由于受到數(shù)據(jù)和大尺度模型方法的限制，則更傾向于從災(zāi)害風(fēng)險系統(tǒng)角度結(jié)合較為成熟的地理信息系統(tǒng)(GIS)方法進(jìn)行評估，以構(gòu)建準(zhǔn)確可靠的巖溶內(nèi)澇風(fēng)險圖。因此，本文先構(gòu)建巖溶內(nèi)澇風(fēng)險評估模型，運用層次分析法將復(fù)雜的巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評估問題進(jìn)行分解，利用GIS空間分析功能，研究各指標(biāo)空間分布特征及相互關(guān)系，得到巖溶內(nèi)澇災(zāi)害的風(fēng)險分布圖。最后，根據(jù)其結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險區(qū)劃，進(jìn)而為巖溶內(nèi)澇災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 構(gòu)建風(fēng)險評估模型

風(fēng)險評估包括對風(fēng)險物質(zhì)的、社會的、經(jīng)濟(jì)的、環(huán)境的原因和結(jié)果進(jìn)行具體的定性和定量分析。聯(lián)合國國際減災(zāi)署(ISDR)2004年給出了自然災(zāi)害風(fēng)險評價分析的定義，分析可能造成破壞的潛在致災(zāi)因子、評估各類承災(zāi)體的易損性、判斷風(fēng)險性質(zhì)和范圍的綜合方法，并提出自然災(zāi)害風(fēng)險的概念公式如下[8]：

Risk(風(fēng)險性)=Hazard(危險性)×Vulnerability(易損性)

(1)

在實踐中，公式(1)中危險性和易損性的相乘一般采用對二者的加權(quán)疊加來代替[9-10]。即：

R=WHH+WVV

(2)

式中，WH—危險性權(quán)重；WV—易損性權(quán)重。

該公式是目前國際上主流的自然災(zāi)害風(fēng)險評估方法，認(rèn)為災(zāi)害風(fēng)險是危險性和社會經(jīng)濟(jì)易損性的共同結(jié)果，危險分析主要針對引發(fā)災(zāi)害的致災(zāi)因子以及為災(zāi)害提供條件的孕災(zāi)環(huán)境等自然屬性；而易損性分析則是針對災(zāi)害的承災(zāi)體即社會屬性。巖溶內(nèi)澇災(zāi)害評估模型按照該公式進(jìn)行構(gòu)建，并適當(dāng)考慮危險性和易損性在巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評估中的重要程度，賦予不同權(quán)重，危險性H和易損性V分別為：

H=WH1H1+WH2H2+…+WHnHn

(3)

V=WV1V1+Wv2V2+…+WVnVn

(4)

式中，WH1、WH2，…、WHn—危險性指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重；WV1、WV2，…、WVn—易損性指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重。

2 建立風(fēng)險評估指標(biāo)體系

2.1 指標(biāo)選取及數(shù)據(jù)來源

廣西巖溶內(nèi)澇主要由歷時較長的暴雨引發(fā)的，下墊面因素以地形起伏度、坡度、巖性等因素對巖溶內(nèi)澇危險性影響最大，故主要考慮最大3d降雨量、地形起伏度、坡度、巖性、地下水埋深、地下水徑流模數(shù)6個自然屬性指標(biāo)來進(jìn)行巖溶內(nèi)澇發(fā)生的危險性評價。易損性采用人口空間分布、土地利用類型、GDP 空間分布3個具有典型社會經(jīng)濟(jì)屬性的因素作為巖溶內(nèi)澇災(zāi)害易損性評價指標(biāo)，以上指標(biāo)數(shù)據(jù)來源情況見表1。

表1 指標(biāo)數(shù)據(jù)來源

2.2 指標(biāo)分析和處理

各個指標(biāo)的分析及處理情況見表2。

表2 指標(biāo)分析及處理情況

根據(jù)上述處理得到的危險性和易損性指標(biāo)對巖溶內(nèi)澇災(zāi)害影響是正面還是負(fù)面的，可通過式(5)或式(6)進(jìn)行歸一化。

(5)

(6)

式中，x—危險性或易損性指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)；xmin—危險性或易損性指標(biāo)數(shù)據(jù)中的最小值；xmax—危險性或易損性指標(biāo)數(shù)據(jù)中的最大值。

歸一化處理后各指標(biāo)圖層如圖1所示。

圖1 歸一化指標(biāo)圖

2.3 建立指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)

由于巖溶內(nèi)澇風(fēng)險評估是一個系統(tǒng)化、層次化的復(fù)雜決策分析問題，層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評估層次圖

3 指標(biāo)賦權(quán)分析

3.1 層次分析法

根據(jù)巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評估問題的層析性，可以采用層次分析法(AHP法)計算各個層次指標(biāo)的權(quán)重。采用1—9標(biāo)度法根據(jù)專家意見和經(jīng)驗對指標(biāo)進(jìn)行比較判斷定量化，規(guī)定要素i和要素j兩兩比較的結(jié)果1、3、5、7、9分別代表同樣重要、稍微重要、較強(qiáng)重要、強(qiáng)烈重要、絕對重要，而2、4、6、8表示上述兩判斷級之間的折衷值。步驟如下：

(1)構(gòu)建判斷矩陣A。矩陣A中的元素滿足：

(7)

(2)采用“和法”求矩陣A的特征值(權(quán)重)

將判斷矩陣A按列歸一化(即列元素之和為1)：bij=aij/∑aij。

將歸一化的矩陣按行求和：ci=∑bij，(i=1，2，…，n)。

將ci歸一化，得到特征向量W=(w1，w2，…，wn)T，wi=ci/∑ci。

W即為權(quán)重向量。最后還需對權(quán)重向量進(jìn)行一致性檢驗。

3.2 指標(biāo)權(quán)重計算

按照以上AHP法計算權(quán)重的步驟，得到各層次指標(biāo)的權(quán)重，見表3。

表3 巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)權(quán)重

4 巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險評估與區(qū)劃

4.1 風(fēng)險評估

按照公式(2)—(4)以及表3的權(quán)重結(jié)果，對相應(yīng)的圖層進(jìn)行加權(quán)疊加，得到廣西巖溶內(nèi)澇災(zāi)害危險性圖、易損性圖以及風(fēng)險圖，如圖3—5所示。從危險性圖可以看出，巖溶內(nèi)澇災(zāi)害次高、高危險區(qū)主要分布在桂中、桂西以及桂東北等地區(qū)；從易損性圖可以看到，巖溶內(nèi)澇災(zāi)害易損性主要集中于南寧、柳州、桂林、貴港、賀州等局部地區(qū)。其中為了驗證危險性圖的準(zhǔn)確性，將文獻(xiàn)[15]中所調(diào)查的84個巖溶易澇區(qū)疊加到危險性圖中，其中有68個均位于次高、高危險性區(qū)域，達(dá)81.0%。

圖3 巖溶內(nèi)澇災(zāi)害危險性分布圖

圖4 巖溶內(nèi)澇災(zāi)害易損性分布圖

圖5 巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險分布圖

為了更清晰地看到巖溶內(nèi)澇災(zāi)害次高、高風(fēng)險區(qū)的分布情況，將縣(區(qū))界疊加到風(fēng)險區(qū)圖中，結(jié)合文獻(xiàn)[11]溶洼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類劃分，結(jié)果可以看到廣西巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險區(qū)主要分布于桂西南低峰叢洼地、桂西南高峰叢洼地、桂西北低峰叢洼地、桂中低峰叢洼地、桂中峰簇洼地以及桂東北峰簇洼地和低峰叢洼地。

4.2 風(fēng)險區(qū)劃

為了便于管理部門對巖溶內(nèi)澇災(zāi)害進(jìn)行管理，能開展相應(yīng)的防治工作，將風(fēng)險分布圖按區(qū)(縣)級研究單元進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計，計算區(qū)(縣)域范圍內(nèi)巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險值均值，生成區(qū)(縣)級洪災(zāi)風(fēng)險矢量分布圖，按自然斷點法從低到高分為5個風(fēng)險等級，結(jié)果表明：廣西中北部、西南部巖溶內(nèi)澇災(zāi)害危險性普遍高于東部和南部地區(qū)，在災(zāi)害預(yù)防及整治措施的實施中應(yīng)當(dāng)列為重點防治地區(qū)。

4.3 空間集聚分析

為了進(jìn)一步驗證廣西巖溶內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果，采用全局Moran指數(shù)(Moran’s I)對區(qū)縣風(fēng)險值進(jìn)行空間相關(guān)分析。全局Moran指數(shù)代表了空間鄰接或鄰近區(qū)域單元屬性值的相似程度[16]。反映了變量在空間上的依賴關(guān)系和集聚程度。它的取值范圍在-1到1之間，越接近-1，代表地域單元間的指標(biāo)值相差越大或者越分散；越接近1，代表單元越相似，相鄰的地域單元聯(lián)系越緊密(高值聚集或低值聚集)；取值接近于0，代表單元間無相關(guān)性[17]。廣西區(qū)縣巖溶內(nèi)澇風(fēng)險空間相關(guān)分析結(jié)果如圖6所示，全局Moran I指數(shù)為0.614，說明研究區(qū)縣域水平上的巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險得分呈現(xiàn)較為顯著的空間正相關(guān)關(guān)系。

圖6 區(qū)縣巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險空間自相關(guān)結(jié)果圖

再利用G指數(shù)(Getis-Ord local G)對巖溶內(nèi)澇災(zāi)害區(qū)縣進(jìn)行高值聚類和低值聚類進(jìn)行檢測，得到G指數(shù)高低聚類分布圖，如圖7所示。

圖7 區(qū)縣巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險空間聚集情況

圖7中巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險高-高聚類地區(qū)與廣西巖溶內(nèi)澇災(zāi)害區(qū)(縣)風(fēng)險區(qū)劃圖中次高、高風(fēng)險區(qū)的分布基本一致，這些地區(qū)巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險水平較高且空間差異較小，有很強(qiáng)的正相關(guān)性，屬于高值被高值包圍的區(qū)域，分布呈現(xiàn)明顯的空間集聚現(xiàn)象，形成集中連片的高風(fēng)險地區(qū)，給區(qū)域巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險防范和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險低-低聚類地區(qū)的分布則與風(fēng)險區(qū)劃圖中次低、低風(fēng)險區(qū)的分布較為吻合，這些地區(qū)巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險水平較低。

5 結(jié)論

(1)從巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險自然屬性和社會屬性因素進(jìn)行分析，構(gòu)建綜合了危險性和易損性的巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險層次結(jié)構(gòu)評價模型。通過分析與巖溶內(nèi)澇災(zāi)害密切相關(guān)的影響因素，建立了由反映自然屬性的6個危險性因子和反映社會屬性的3個易損因子所構(gòu)成的指標(biāo)體系。然后基于各指標(biāo)的重要程度，采用層次分析法賦予各個指標(biāo)合理的權(quán)重系數(shù)，經(jīng)過空間加權(quán)綜合疊加，獲得了廣西巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險分布圖。在此基礎(chǔ)上，以區(qū)縣為行政單元，進(jìn)行區(qū)劃分析，并基于Moran指數(shù)和G指數(shù)對區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行空間相關(guān)分析和集聚分析，驗證結(jié)果的準(zhǔn)確性，為識別巖溶內(nèi)澇災(zāi)害易發(fā)區(qū)，合理規(guī)劃城鎮(zhèn)建設(shè)和土地利用等提供了科學(xué)依據(jù)。

(2)按照溶洼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類，廣西巖溶內(nèi)澇災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)主要分布于桂西南低峰叢洼地、桂西南高峰叢洼地、桂西北低峰叢洼地、桂中低峰叢洼地、桂中峰簇洼地以及桂東北峰簇洼地和低峰叢洼地；按照行政區(qū)劃分類，巖溶內(nèi)澇災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)主要分布于崇左市中北部、百色市南部、南寧市北部、來賓市西部、河池市南部、柳州市南部，桂林市區(qū)、賀州北部，這些區(qū)域為廣西的主要巖溶地區(qū)，且降雨量較為豐沛，人口相對密集，經(jīng)濟(jì)整體水平較高，峰叢洼地地貌分布廣泛，水流容易匯集，易形成嚴(yán)重的巖溶內(nèi)澇災(zāi)害，需加強(qiáng)巖溶內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險識別和防御措施。