相鄰地區(qū)風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃成果集成方法初探及應(yīng)用

章曉潔 鄧艷芬 邱桔斐等

關(guān)鍵詞：風(fēng)暴潮;風(fēng)險(xiǎn)評估;風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃;成果集成;上海市

中圖分類號：P76;P731.22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-9857（2022）01-0043-06

0引言

我國是世界上遭受風(fēng)暴潮災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國家之一。我國沿海渤海灣底部沿岸和萊州灣沿岸是風(fēng)暴潮多發(fā)區(qū)，以溫帶天氣過程引發(fā)的風(fēng)暴潮占主導(dǎo)因素;而長江口沿岸，福建北部福州到浙江南部臺州，廣東惠州、珠江口到陽江、雷州半島東部沿岸等沿海區(qū)域以臺風(fēng)風(fēng)暴潮為主;南方風(fēng)暴潮災(zāi)害易發(fā)區(qū)發(fā)生特大潮災(zāi)的可能性比北方要大;長三角、珠三角一帶是我國沿海經(jīng)濟(jì)和人口分布密集區(qū)，屬于國家層面風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防范的重點(diǎn)區(qū)域[1]。風(fēng)暴潮過程往往造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和人口傷亡。根據(jù)2019 年度《中國海洋災(zāi)害公報(bào)》，2019年海洋災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失為117.03億元，其中風(fēng)暴潮災(zāi)害是造成直接經(jīng)濟(jì)損失最重的災(zāi)種，占總直接經(jīng)濟(jì)損失的99%。

自2008年河北省滄州市、唐山市和秦皇島市部分沿海區(qū)域的我國首份風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估圖問世以來，至今已有不少沿海地區(qū)陸續(xù)完成風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃工作[2-4]。從全局風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理的角度出發(fā)，可以預(yù)見，在不久的將來相鄰市、縣之間或相鄰省份之間的區(qū)劃成果集成或銜接將成為一個(gè)不可回避的問題。根據(jù)相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則[5]，風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃成果豐富，包括評估區(qū)域在不同風(fēng)暴潮等級條件下的潮位、增水、淹沒水深分布，災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)、脆弱性評價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評估和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果等。由于不同市、縣的風(fēng)場、風(fēng)暴潮構(gòu)建參數(shù)不同，基礎(chǔ)資料差異以及計(jì)算模型不同，可能導(dǎo)致即便在同一臺風(fēng)級別下的相鄰區(qū)域的評估結(jié)果出現(xiàn)無法直接銜接的問題。

上海市濱江臨海，易受風(fēng)暴潮災(zāi)害的影響，在原國家海洋局國家尺度風(fēng)暴潮災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果中，上海市的5個(gè)沿海區(qū)（金山區(qū)、寶山區(qū)、崇明區(qū)、浦東新區(qū)和奉賢區(qū)）均被評為危險(xiǎn)性等級Ⅰ級（高）[6]。從2017—2019年，上海市分區(qū)域完成了沿海5區(qū)的市級風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃工作[7]。本研究以該工作的成果為基礎(chǔ)，開展風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃成果集成的方法研究，并獲得了上海全市的相應(yīng)成果，可為全國其他省、市、縣的成果集成提供方法借鑒。

1研究區(qū)域及數(shù)

據(jù)根據(jù)《上海年鑒》（2019年）上海市地處120°51'E—122°12'E，30°40'N—31°53'N，位于太平洋西岸，亞洲大陸東沿，中國南北海岸中心點(diǎn)，長江和錢塘江入海匯合處，北界長江，東瀕東海，南臨杭州灣，西接江蘇和浙江兩省。上海地處長江三角洲沖積平原，平均海拔高度4m 左右，陸地地勢總趨勢由東向西低微傾斜。截至2018年年末，上海市總面積6340.5km2，常住人口2423.78萬人。上海氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏季和秋季常受臺風(fēng)侵?jǐn)_。

上海市2017—2019年，逐步完成了金山區(qū)、寶山區(qū)、崇明區(qū)、浦東新區(qū)和奉賢區(qū)的風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃工作，主要技術(shù)方法均參照自然資源部發(fā)布的技術(shù)導(dǎo)則[5]或其征求意見稿執(zhí)行。該工作分3年分區(qū)域進(jìn)行，共建立了3個(gè)區(qū)域風(fēng)暴潮模型，分別是：金山區(qū)模型;寶山區(qū)和崇明區(qū)模型;浦東新區(qū)和奉賢區(qū)模型（圖1）。3個(gè)模型區(qū)域的計(jì)算網(wǎng)格范圍均為115°E—134°E，16°N—41°N，包括了整個(gè)東中國海，陸上部分分別包括了沿海5區(qū)各個(gè)區(qū)域范圍，模型在相鄰區(qū)之間的陸域部分存在約10km的重疊區(qū)域。外海網(wǎng)格較大，靠近沿岸的網(wǎng)格較小，在沿岸海堤處網(wǎng)格做了重點(diǎn)局部加密，沿岸網(wǎng)格分辨率50～100m。

在上海市風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃工作中，對于每個(gè)區(qū)域風(fēng)暴潮數(shù)值模型，均通過驗(yàn)證、模擬得到潮位、增水、淹沒水深和危險(xiǎn)性等級等結(jié)果，結(jié)合海洋災(zāi)害承災(zāi)體分布數(shù)據(jù)和土地利用類型數(shù)據(jù)得到脆弱性等級結(jié)果，綜合危險(xiǎn)性和脆弱性得到風(fēng)險(xiǎn)等級結(jié)果，再綜合考慮各區(qū)的社區(qū)邊界數(shù)據(jù)或村隊(duì)界數(shù)據(jù)得到風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果。本研究利用這些單獨(dú)的區(qū)域模型在可能最大臺風(fēng)風(fēng)暴潮情景下的計(jì)算和評估結(jié)果（表1），開展上海市全市的風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃成果集成方法研究。

2集成方法

本研究按照成果數(shù)據(jù)的類型及其在相鄰區(qū)域模型中的重疊度，對其進(jìn)行再分類，分別研究其集成方法。按照數(shù)據(jù)類型包括矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)和矢量面數(shù)據(jù)。按照重疊度，潮位和增水為海域計(jì)算結(jié)果，整個(gè)大面完全重疊;其余為陸域計(jì)算或評價(jià)結(jié)果，其中相鄰區(qū)域模型的淹沒水深和危險(xiǎn)性為含陸域重疊區(qū)的計(jì)算結(jié)果，脆弱性、風(fēng)險(xiǎn)等級和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃均為完全獨(dú)立、不重疊的結(jié)果。

2.1潮位、增水集成方法

對于潮位和增水計(jì)算結(jié)果，均為包含經(jīng)度、緯度和潮位或增水的x、y、z3列點(diǎn)狀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)果覆蓋整個(gè)模型范圍，不同區(qū)域模型的計(jì)算結(jié)果之間具有充分的空間重疊度?？紤]到在風(fēng)險(xiǎn)評估工作中，往往對潛在風(fēng)險(xiǎn)采用就高不就低的原則，因此在可能最大臺風(fēng)風(fēng)暴潮的情景下，重疊區(qū)域的潮位或增水宜取所有區(qū)域模型中的最高潮位或最大增水。因此首先對3個(gè)區(qū)域模型的潮位、增水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，注意保持空間插值的范圍和像元大小一致，然后綜合所有區(qū)域模型的空間插值結(jié)果，按照平面分布中各處取最大值的原則得到最終的潮位或增水結(jié)果，即集成后的潮位或增水結(jié)果。有研究表明，在常用的GIS空間插值方法中，克里金（或稱克里格）插值方法對水環(huán)境信息的空間插值是較為合適的[8-10]，因此本研究中均采用克里金插值方法。進(jìn)行空間插值前，可預(yù)設(shè)一個(gè)插值的空間范圍，防止由于數(shù)據(jù)量過大導(dǎo)致計(jì)算時(shí)長過長或失敗。

2.2淹沒水深、危險(xiǎn)性集成方法

對于淹沒水深計(jì)算結(jié)果和危險(xiǎn)性等級評價(jià)結(jié)果，均為柵格數(shù)據(jù)，覆蓋范圍均為模型的陸地區(qū)域。與潮位和增水結(jié)果的集成不同的是，潮位和增水結(jié)果均為海域計(jì)算結(jié)果，整個(gè)海域是一個(gè)連通域，而淹沒水深結(jié)果是陸域計(jì)算結(jié)果，陸域各區(qū)域之間可能存在自然或人為的隔斷，如上海市浦東新區(qū)和寶山區(qū)之間被黃浦江隔斷。看似相鄰的兩個(gè)區(qū)域之間若存在隔斷，則無須考慮結(jié)果銜接的問題。同時(shí)，考慮到數(shù)值模型的邊界效應(yīng)，在陸上網(wǎng)格邊界處模型中水體會產(chǎn)生一定的堆積，導(dǎo)致網(wǎng)格邊界處淹沒水深偏大，并且相鄰模型的邊界效應(yīng)大小是不一致的，因此在區(qū)域模型構(gòu)建時(shí)陸域的網(wǎng)格覆蓋范圍往往略大于評估范圍以削弱邊界效應(yīng)。在本研究中，上海市3個(gè)區(qū)域模型的相鄰陸域之間存在約10km的重疊區(qū)，即每個(gè)區(qū)域模型均在行政區(qū)邊界外擴(kuò)約5km，以此來削弱淹沒水深在陸域邊界異常偏大的現(xiàn)象。因此在淹沒水深結(jié)果集成時(shí)，無須考慮將陸域重疊區(qū)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行融合，而是直接去除每個(gè)區(qū)域模型的陸域外擴(kuò)部分。若相鄰模型之間無重疊區(qū)，即區(qū)域模型網(wǎng)格未適當(dāng)外擴(kuò)，則在集成時(shí)邊界效應(yīng)將難以忽略。在難以重新構(gòu)建網(wǎng)格和計(jì)算的情況下，可以考慮在相鄰陸域邊界進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠交幚?，如均值濾波[11]。

目前危險(xiǎn)性等級評價(jià)結(jié)果是根據(jù)淹沒水深進(jìn)行劃分得到[3，5]，因此在得到淹沒水深的集成結(jié)果之后，直接對其按照淹沒深度進(jìn)行劃分即可得到危險(xiǎn)性等級評價(jià)的集成結(jié)果，無須另外研究集成方法。

2.3脆弱性、風(fēng)險(xiǎn)等級和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃集成方法

對于脆弱性等級評價(jià)結(jié)果、風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)結(jié)果和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果，均為矢量數(shù)據(jù)，可以直接利用GIS軟件進(jìn)行拼接。由于脆弱性等級評價(jià)結(jié)果是以土地利用現(xiàn)狀二級類區(qū)塊單元作為脆弱性評估空間單元，因此各評估區(qū)域的相鄰區(qū)塊單元本就是相互獨(dú)立的，可直接進(jìn)行矢量拼接。而風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)結(jié)果由危險(xiǎn)性等級評價(jià)結(jié)果和脆弱性等級評價(jià)結(jié)果綜合計(jì)算得到，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果是在風(fēng)險(xiǎn)等級結(jié)果的基礎(chǔ)上，以沿海社區(qū)（村）為基本單元，進(jìn)行風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分，因此各評估區(qū)域之間也是相互獨(dú)立的，可直接進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)拼接即可得到集成結(jié)果。

3結(jié)果與討論

本研究以上海市沿海5區(qū)在可能最大臺風(fēng)風(fēng)暴潮情景下的風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃結(jié)果為例進(jìn)行成果集成。

3.1潮位、增水集成結(jié)果

首先將金山區(qū)模型、寶山區(qū)和崇明區(qū)模型、浦東新區(qū)和奉賢區(qū)模型計(jì)算得到的潮位和增水結(jié)果進(jìn)行集成，結(jié)果如圖2和圖3所示?？梢钥闯?，集成后的潮位和增水大面整體較為平滑。潮位分布結(jié)果顯示，最大潮位在外海較低，進(jìn)入長江口和杭州灣后顯著增高。蘆潮港潮位約5.5m，沿著杭州灣北岸往西沿岸最高達(dá)8.3m，進(jìn)入長江口往上游最高達(dá)7.8m。增水分布結(jié)果類似，最大增水在外海較低，在長江口和杭州灣內(nèi)較高。蘆潮港增水約4.0m，沿著杭州灣北岸往西沿岸最高達(dá)7.0m，進(jìn)入長江口往上游最高也達(dá)7.0m。

3.2淹沒水深、危險(xiǎn)性集成結(jié)果

對于淹沒水深結(jié)果的集成，首先判斷上海市沿海5區(qū)之間是否存在隔斷，即能否直接拼接，或需進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后集成。由于上海市崇明區(qū)是由3個(gè)與大陸分離的海島構(gòu)成，故不存在與周邊區(qū)域銜接的問題;在寶山區(qū)與浦東新區(qū)之間由黃浦江分隔，且在區(qū)域模型構(gòu)建中已考慮了黃浦江的影響，因此這兩個(gè)區(qū)域也不存在銜接問題;浦東新區(qū)和奉賢區(qū)接壤，但是這兩個(gè)區(qū)的計(jì)算和評價(jià)結(jié)果均是源自同一個(gè)區(qū)域模型，所以也不存在銜接問題;最終可能存在銜接問題的是奉賢區(qū)和金山區(qū)之間。

金山區(qū)模型、浦東新區(qū)和奉賢區(qū)模型在構(gòu)建時(shí)就預(yù)設(shè)了約10km 的陸域重疊區(qū)，重疊區(qū)采用的陸地高程數(shù)據(jù)一致，可能最大臺風(fēng)風(fēng)暴潮的模擬方法也一致。淹沒水深和危險(xiǎn)性等級集成結(jié)果見圖4，其中危險(xiǎn)性等級集成結(jié)果是在淹沒水深集成結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行重分級得到?？梢钥闯觯蜎]水深集成結(jié)果在金山和奉賢區(qū)邊界附近過渡較為自然，該區(qū)域的危險(xiǎn)性等級均為II級，沒有出現(xiàn)淹沒水深或者危險(xiǎn)性等級突變的接邊問題。

淹沒水深和危險(xiǎn)性等級分布結(jié)果顯示，上海市沿海5區(qū)全境幾乎均遭到淹沒，危險(xiǎn)性等級基本都在I級到III級，其中從I級到IV 級表示危險(xiǎn)性從高到低（下同）。淹沒水深在崇明島西部、長興島、橫沙島、吳淞口附近黃浦江兩岸、奉賢區(qū)西北角黃浦江南岸、金山區(qū)沿海等地較大，這些區(qū)域出現(xiàn)了I級危險(xiǎn)性區(qū)域。I級危險(xiǎn)性區(qū)域面積較大處包括崇明島西部、寶山區(qū)北部沿海、奉賢區(qū)西北角沿江等地。I級危險(xiǎn)性區(qū)域和II級危險(xiǎn)性區(qū)域分布在幾乎整個(gè)崇明島、整個(gè)寶山區(qū)、整個(gè)長興島、整個(gè)橫沙島、黃浦江整條東岸、浦東新區(qū)整個(gè)東部沿海和金山區(qū)奉賢區(qū)部分區(qū)域?？梢园l(fā)現(xiàn)，沿海、沿江、上游都是高等級危險(xiǎn)性出現(xiàn)的因素。

3.3脆弱性、風(fēng)險(xiǎn)等級和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃集成結(jié)果

脆弱性、風(fēng)險(xiǎn)等級和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果均為獨(dú)立的矢量面數(shù)據(jù)，直接利用GIS軟件進(jìn)行拼接得到，分別見圖5和圖6。

上海市沿海5區(qū)的脆弱性等級評價(jià)主要依據(jù)土地利用現(xiàn)狀二級類和海洋災(zāi)害承災(zāi)體分布數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)參照技術(shù)導(dǎo)則。從圖5可以看出，上海市沿海各區(qū)脆弱性等級主要為IV 級，其次為I級，寶山區(qū)和崇明區(qū)的結(jié)果較為多樣化，其余3個(gè)區(qū)的結(jié)果兩極分化較為明顯。I級脆弱性等級主要分布在高人口密度區(qū)域、大型工業(yè)園區(qū)、?；菲髽I(yè)、修造船廠等重要海洋災(zāi)害承災(zāi)體分布區(qū)域。

從圖6可以看出，上海市存在較大的風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)（表2），大部分區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級為III級，其次是II級和I級，IV 級風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域面積最小。其中I級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在杭州灣內(nèi)沿海區(qū)域、寶山沿海區(qū)域、浦東北部沿海區(qū)域、黃浦江兩岸以及長興島。

奉賢區(qū)大部分區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級為IV 級，其次為III級和II級，I級所占面積最小，主要集中在西南部化工區(qū)和南橋鎮(zhèn)。

浦東新區(qū)大部分區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級為II級，其次是IV 級和I級。其中I級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在北部，沿黃浦江向東約8km 范圍內(nèi)，以及從高橋鎮(zhèn)到祝橋鎮(zhèn)沿海堤向陸約8km 范圍內(nèi)。

寶山區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級II級，面積占比最大，大部分區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)等級在I～I(xiàn)II級。其中I級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在沿海和沿黃浦江區(qū)域，包括羅涇鎮(zhèn)、月浦鎮(zhèn)、友誼路街道、吳淞街道、淞南鎮(zhèn)、高境鎮(zhèn)、張廟街道、廟行鎮(zhèn)等。

崇明區(qū)大部分區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級為III級，其次是II級和I級。其中I級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在長興鎮(zhèn)、堡鎮(zhèn)、城橋鎮(zhèn)、崇明工業(yè)園區(qū)以及農(nóng)村宅基地等，大面積農(nóng)用地（占崇明區(qū)陸地面積59.56%）風(fēng)險(xiǎn)等級均為III級。

金山區(qū)大部分區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級為III級和IV級。其中I級風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在石化街道、山陽鎮(zhèn)臨海大部分區(qū)域，以及楓涇鎮(zhèn)、朱涇鎮(zhèn)、亭林鎮(zhèn)部分區(qū)域。

4結(jié)論

本研究開展了相鄰區(qū)域風(fēng)暴潮災(zāi)害潮位、增水、淹沒水深、危險(xiǎn)性等級、脆弱性等級、風(fēng)險(xiǎn)等級和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃等計(jì)算和評估結(jié)果的集成方法研究，基于上海市沿海5區(qū)的3個(gè)區(qū)域模型結(jié)果進(jìn)行了方法應(yīng)用，獲得了上海市風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃的集成結(jié)果。值得注意的是，本方法的提出和成功應(yīng)用，有賴于上海市海洋管理部門在開展風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估工作時(shí)的前期統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，即雖然是分區(qū)域分年度開展工作，但是在前期設(shè)計(jì)階段即考慮到后期模型成果的銜接和集成問題，并采取措施，例如對模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的控制，對模型相鄰陸域的重疊區(qū)設(shè)置和模型構(gòu)建和計(jì)算方法的統(tǒng)一等。因此建議相鄰行政區(qū)在開展此類工作時(shí)，從項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段就開展充分的溝通交流，從而保證后期成果集成的順利實(shí)施。期望本方法的提出可為全國其他沿海?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）、縣的風(fēng)暴潮或其他海洋災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃成果集成提供借鑒和參考。