基于GIS的大連市暴雨洪澇災害綜合風險評估

鄭德鳳，高 敏，李 鈺，烏日娜

(遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連 116029)

受極端氣候的影響，洪澇災害發(fā)生的頻次、強度以及災損程度日趨嚴峻[1]，暴雨洪澇災害已成為社會普遍關(guān)注的重點問題之一[2-3]。近年來，暴雨洪澇災害事件嚴重威脅了城市化進程和社會穩(wěn)定[4-5]。洪澇災害風險評估是落實風險管理的重要內(nèi)容，因此，暴雨洪澇災害分析具有理論和實踐的雙重意義。在氣候變暖的背景下，極端暴雨天氣具有更大的不確定性，因此暴雨洪澇災害的研究面臨極大的挑戰(zhàn)[6]。目前，國內(nèi)外已有眾多學者運用多種方法對城市暴雨洪澇災害展開研究，并取得了一定的研究成果[7-8]。暴雨洪澇災害的研究方法以構(gòu)造水文水力學模型[9-10]、隨機森林法[11]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[12]、層次分析法(AHP)[13]等方法為主。灰色關(guān)聯(lián)分析法是通過數(shù)據(jù)的相似或相異程度來反映其關(guān)聯(lián)程度的強弱，其確定的各項指標的最優(yōu)值具有一定的主觀性和不確定性。相比之下，AHP不需要確定各項指標的最優(yōu)值，通過定性與定量相結(jié)合進行決策分析。本文結(jié)合熵權(quán)法[13]和AHP，對城市暴雨洪澇災害的綜合風險進行量化評估。

大連市是東北地區(qū)夏季風雨帶控制最早、消退最晚的地區(qū)，也是東北地區(qū)臺風登陸的前沿陣地，極易引發(fā)洪澇災害[14-15]。王秀萍等[16]對大連地區(qū)暴雨氣候特征分析結(jié)果表明，1964—2013年大連地區(qū)的年暴雨日數(shù)與暴雨強度均呈現(xiàn)弱上升趨勢，且主汛期(7—8月)是暴雨洪澇災害高發(fā)期。對已有文獻分析表明，關(guān)于大連市暴雨洪澇災害風險的研究還較少，且研究內(nèi)容多集中在典型暴雨天氣的分析。因此，本文基于大連市氣象資料和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，從自然災害風險形成的危險性、暴露性、脆弱性和防災減災能力(以下簡稱“四因子”)入手，構(gòu)建大連市暴雨洪澇災害綜合風險評估模型，對大連市暴雨洪澇災害綜合風險進行評價，以期為大連市防洪減災工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

大連市(圖1)屬于暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候，降水主要集中在夏季，多以暴雨形式出現(xiàn)。大連市境內(nèi)的河流具有流程短、河道窄、汛期易暴漲暴落等特點。20世紀80年代以來，受自然條件和人為因素的雙重影響，極端降雨的強度和頻次顯著增加，在城市地區(qū)表現(xiàn)得更加明顯[17]。2018年8月20日，受臺風“溫比亞”襲擊，強暴雨天氣導致大連市多處路段積水，數(shù)萬公頃作物發(fā)生內(nèi)澇，經(jīng)濟損失嚴重。作為中國北方沿海重要的發(fā)展城市，暴雨洪澇災害發(fā)生的次數(shù)和造成的損失直接影響了大連市的經(jīng)濟發(fā)展和社會安定。因此，在極端降水事件趨于增多的背景下，大連市有必要進行暴雨洪澇災害的風險評估。

圖1 大連市地形和氣象站點分布Fig.1 Topography and meteorological station distribution in Dalian City

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

綜合考慮大連市暴雨洪澇災害的自然和社會環(huán)境特征，大連市暴雨洪澇災害綜合風險評估的數(shù)據(jù)主要包括：①1987—2016年的氣象數(shù)據(jù)(由中國氣象網(wǎng)站中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)的每日降水數(shù)據(jù)組成(https：//data.cma.cn))；②2015年的DEM數(shù)據(jù)(來源于地理空間數(shù)據(jù)云提供的(ASTER GDEM 30 m×30 m)DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)(https：//www.gscloud.cn))；③2015年6月的水體數(shù)據(jù)(通過地理空間數(shù)據(jù)云提供的遙感影像數(shù)據(jù)獲取(https：//www.gscloud.cn)；④大連市2015年(30 m×30 m)的土地利用數(shù)據(jù)(來源于地理國情監(jiān)測云(https：//www.dsac.cn))；⑤社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)(來源于2016年大連市統(tǒng)計年鑒(https：//www.stats.dl.gov.cn))；⑥基礎地理信息數(shù)據(jù)(來源于國家基礎地理信息中心(https：//www.ngcc.cn))。

2.2 暴雨洪澇災害綜合風險評估指標選取

基于大連市的地理環(huán)境特征和數(shù)據(jù)的可獲得性，從暴雨洪澇災害的危險性(H)、暴露性(E)、脆弱性(V)和防災減災能力(R)4個方面選取了18個暴雨洪澇災害綜合風險評價指標。

2.2.1 危險性

危險性指標體系包括致災因子和孕災環(huán)境兩方面。

2.2.1.1 致災因子

連續(xù)性的集中降雨是導致大連市暴雨洪澇災害發(fā)生的主要原因。根據(jù)1987—2016年中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)的每日降雨數(shù)據(jù)，計算得到綜合等級暴雨過程頻次(H1)和降水變率(H2)兩個子指標作為致災因子。

暴雨過程和持續(xù)時間的定義和標準源自《暴雨年鑒(2017)》[18]。若大連地區(qū)1個及以上站點開始出現(xiàn)降水，且日降雨量大于等于50 mm，則判定大連市開始出現(xiàn)暴雨，為暴雨過程首日；1次暴雨過程開始之后，大連市單日不再出現(xiàn)1個及以上站點日降雨量大于等于50 mm的前1日為當次暴雨過程結(jié)束日；一次暴雨過程開始日至暴雨過程結(jié)束日之間持續(xù)的天數(shù)稱為一次暴雨過程持續(xù)時間[19]。

統(tǒng)計大連市所有氣象站1987—2016年中每次暴雨過程的累計降水量，根據(jù)暴雨過程持續(xù)時間，分別建立持續(xù)1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d及以上暴雨過程累計降水量升序序列。運用百分位法[6]，將每個序列的后40%的暴雨過程累計降水量分別按第60%、80%、90%、95%、98%位從低到高劃分為5個等級，結(jié)果如表1所示。由于統(tǒng)計數(shù)據(jù)中持續(xù)6 d及以上的暴雨過程次數(shù)較少，因此缺少4級和5級的分級標準。

表1 暴雨持續(xù)時間的致災暴雨強度分級標準

統(tǒng)計每個站點在不同致災暴雨強度等級的暴雨過程次數(shù)，得到各站點不同致災暴雨強度等級的暴雨過程頻次(表2)。利用ArcGIS對各級別的暴雨過程頻次進行插值計算，并將5個級別的暴雨過程頻次加權(quán)求和，得到大連市綜合等級暴雨過程頻次。

表2 氣象站點的暴雨過程頻次分布

降水變率是指降水事件可能的波動或者震蕩的范圍。在全球變暖背景下，降水變率的變化會影響社會和生態(tài)系統(tǒng)的氣候恢復能力，是應對當前氣候變化必須要考慮的重要因素[20]。因此，利用式(1)計算大連市所有氣象站點1987—2016年的平均降水變率有利于全面考慮大連市暴雨洪澇災害的綜合風險：

(1)

式中：Q為多年平均降水變率；Gt為第t年某時段內(nèi)實際降水量(t=1，2，…，k)；G為多年平均降水量。

2.2.1.2 孕災環(huán)境

大連市暴雨洪澇災害的孕災環(huán)境主要考慮了水文環(huán)境和地貌環(huán)境，具體指標由土地利用類型(H3)、坡度(H4)、高程(H5)、距河流距離(H6)、距面狀水體距離(H7)構(gòu)成。彭建等[21]研究表明，由于內(nèi)部組成及耐水特性存在差異，所以不同土地類型對于暴雨洪澇災害受到的影響不同。低海拔地區(qū)比高海拔地區(qū)更容易發(fā)生洪澇災害，坡度越陡的地區(qū)越不容易發(fā)生洪澇災害[22]。本文選用距河流的距離和距面狀水體的距離來度量大連市暴雨洪澇災害受河流影響的程度。

2.2.2 暴露性

暴露性是指暴露在孕災環(huán)境和致災因子中的承災體的數(shù)量、種類和價值量。大連市經(jīng)濟發(fā)展迅速，人口密集，對于暴雨洪澇災害的暴露程度較高，本文從人口暴露性和經(jīng)濟暴露性兩方面來選取暴露性指標，包括人口密度(E1)、第一產(chǎn)業(yè)地均生產(chǎn)值(E2)、第二產(chǎn)業(yè)地均生產(chǎn)值(E3)和第三產(chǎn)業(yè)地均生產(chǎn)值(E4)。一個地區(qū)的人口密度和GDP越高，該地區(qū)由于暴雨洪澇災害受到的損失越高[23]。

2.2.3 脆弱性

脆弱性也稱易損性，是指承災體本身的內(nèi)在屬性對承災體遭受損失的作用，其作用越大，脆弱性越大，承災體的災害損失也越大。通常選取的指標有年齡結(jié)構(gòu)、公民受教育程度、易受災耕地面積所占比例等。本文選擇的暴雨洪澇災害脆弱性指標包括0～14歲及65歲以上人口占總?cè)丝诘谋壤?V1)、中學生數(shù)量占總?cè)丝诘谋壤?V2)、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)值占國民生產(chǎn)總值的比例(V3)和谷物農(nóng)作物面積占種植業(yè)面積的比例(V4)。受數(shù)據(jù)獲取限制，用中學生數(shù)量占總?cè)丝诒壤硎芙逃潭龋芙逃潭仍礁?，則人口脆弱性越小。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大連市谷物農(nóng)作物播種面積較大，易受到暴雨洪澇災害的影響[24]。第三產(chǎn)業(yè)受自然條件影響小，因此，用V3作為經(jīng)濟脆弱性的負向指標來衡量各地區(qū)的經(jīng)濟脆弱性。

2.2.4 防災減災能力

防災減災能力是指承災體的災前準備能力、災中應急能力和災后恢復能力。常用指標有人均GDP、避難所數(shù)量、人均醫(yī)療機構(gòu)床位數(shù)占有量等。由于數(shù)據(jù)獲取的局限性，選取人均GDP(R1)來表征災前準備能力，選取單位面積擁有的村、居委會個數(shù)(R2)作為災中應急能力指標，選取人均醫(yī)療機構(gòu)床位數(shù)占有量(R3)代表災后恢復能力。

2.2.5 標準化處理

由于暴雨洪澇災害綜合風險評估所選取的指標含義和量綱各不相同，需將指標數(shù)據(jù)進行標準化處理，標準化數(shù)值能更有效地反映指標對暴雨洪澇災害風險影響的大小。正、負向指標標準化的計算公式分別為

(2)

(3)

式中：Xij、Yij分別為第i個指標(i=1，2，…，m)第j個評價對象(j=1，2，…，n)的原始指標值和標準化值；Xmax、Xmin分別為m個評價指標的最大值和最小值。

2.3 暴雨洪澇災害綜合風險評估指標權(quán)重確定

2.3.1 層次分析法確定主觀權(quán)重

層次分析法(AHP)是Saaty[25]提出的一種定性和定量相結(jié)合的權(quán)重分析與決策方法。本文利用AHP來確定各指標的主觀權(quán)重。確定權(quán)重的具體步驟如下：①構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)模型；②采用1～9及其倒數(shù)標度法構(gòu)造指標判斷矩陣；③一致性檢驗，當CR<0.1時，表示判斷矩陣的一致性是合理的，反之，需要重新進行一致性檢驗[26]；④計算指標主觀權(quán)重WAi。

2.3.2 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

熵權(quán)法是利用已有的客觀數(shù)據(jù)得到評價指標權(quán)重的客觀賦權(quán)法，近年來在國內(nèi)外得到廣泛的應用[27-28]。評價指標的熵值越小，表示指標的變異程度越大，提供的信息量越大，則該指標的權(quán)重也越大。設大連市評價對象數(shù)為n，評價指標個數(shù)為m，指標矩陣為

Z=(rij)m×n

熵權(quán)法確定評價指標權(quán)重的計算公式為

(4)

(5)

(6)

2.3.3 綜合權(quán)重

通過AHP和熵權(quán)法分別得到綜合風險評價指標的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，采用將主、客觀權(quán)重相結(jié)合的方法計算大連市暴雨洪澇災害各綜合風險評價指標的綜合權(quán)重Wi：

(7)

權(quán)重結(jié)果如表3所示。

表3 大連市暴雨洪澇災害綜合風險評估指標權(quán)重值

2.4 大連市暴雨洪澇災害綜合風險評估模型的建立

史培軍[29]提出的災害系統(tǒng)功能體系，為自然災害的風險評估理論提供了主要思路。張繼權(quán)等[30-31]在災害系統(tǒng)理論的基礎上提出自然災害風險“四因子”理論，對災害系統(tǒng)進行風險評估，即對致災因子的危險性、承災體的暴露性和脆弱性以及防災減災能力進行災害風險評估。本文研究的暴雨洪澇災害綜合風險是指致災因子和孕災環(huán)境的危險性、承災體的暴露性和脆弱性以及防災減災能力4個方面的綜合函數(shù)。大連市暴雨洪澇災害綜合風險評估模型可由下式計算得到：

F=XHWHXEWEXVWV(1-XR)WR

(8)

式中：F為暴雨洪澇災害綜合風險指數(shù)；XH、XE、XV和XR分別代表H、E、V和R評價指數(shù)值；WH、WE、WV和WR分別代表H、E、V、R的權(quán)重；xi、wi分別為各單項評價選用的指標標準化數(shù)據(jù)和相應的權(quán)重；u為各單項評價的指標個數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 危險性

大連市暴雨洪澇災害的危險性評價結(jié)果如圖2(a)所示，空間分布上無明顯的界限?？傮w來看，東北部、西南部較高，中部較低。高危險區(qū)和較高危險區(qū)分別占總面積的17.04%和25.48%，主要分布在莊河市的東部、東南部和旅順口區(qū)南部，這些地區(qū)因暴雨頻繁，建設用地和耕地面積占比大，導致暴雨洪澇災害的危險性處于較高水平。低危險區(qū)占大連市總面積的8.88%，主要分布在瓦房店市和長?？h，這些地區(qū)降水變率小，林業(yè)資源豐富，發(fā)生暴洪澇災害的危險性較低。

圖2 大連市暴雨洪澇災害危險性、暴露性、脆弱性及防災減災能力分布趨勢 Fig.2 Distribution trends of hazard, exposure, vulnerability and emergency response & recover capability of rainstorm-flood disaster in Dalian City

3.2 暴露性

暴露性表現(xiàn)了大連市人口密度和經(jīng)濟發(fā)展特征。如圖2(b)所示，大連市暴雨洪澇災害的高暴露區(qū)主要分布在沙河口區(qū)和長?？h，這與沙河口區(qū)人口稠密、長?？h第一產(chǎn)業(yè)地均生產(chǎn)值高密切相關(guān)。大連市北部地區(qū)人口密度和經(jīng)濟發(fā)展的暴露程度較低，其中瓦房店市暴露性最低，因該地山區(qū)面積大，經(jīng)濟發(fā)展較緩慢。

3.3 脆弱性

由圖2(c)可見，大連市暴雨洪澇災害的脆弱性等級空間分布趨勢呈現(xiàn)西南部、中部地區(qū)較高，東北部、南部地區(qū)較低的特點。高脆弱區(qū)主要分布在瓦房店市、普蘭店區(qū)和旅順口區(qū)，這些地區(qū)兒童和老年人的人口比例大，經(jīng)濟發(fā)展水平較低，受損后的恢復能力和自建能力較弱。低脆弱性區(qū)和較低脆弱性區(qū)分布在第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平高、科技發(fā)展迅速、勞動力水平高的西崗區(qū)和中山區(qū)。

3.4 防災減災能力

防災減災能力體現(xiàn)了社會和個人兩方面對暴雨洪澇災害的防范能力。圖2(d)顯示大連市暴雨洪澇災害的防災減災能力等級的空間分布是北側(cè)低、南側(cè)高。低和較低防災減災能力區(qū)主要分布在大連市北部的莊河市、瓦房店市、普蘭店區(qū)和長?？h，這些地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展速度較慢、醫(yī)療水平較差，對暴雨洪澇災害的防范能力也較低。高防災減災能力區(qū)主要分布在經(jīng)濟發(fā)展和醫(yī)療水平較高的沙河口區(qū)、中山區(qū)、西崗區(qū)和金州區(qū)。

3.5 綜合風險評估結(jié)果

將暴雨洪澇災害的危險性值、暴露性值、脆弱性值和防災減災能力值及其相應權(quán)重輸入暴雨洪澇災害綜合風險評估模型中，得到大連市暴雨洪澇災害的綜合風險指數(shù)值。利用GIS中的自然斷點法將暴雨洪澇災害的綜合風險劃分為高、較高、中、較低、低5個級別，結(jié)果如圖3所示，5種風險面積占比分別為0.72%、0.65%、41.3%、36.4%和20.93%。大連市暴雨洪澇災害綜合風險以中風險為主，中風險區(qū)域占大連市總面積的41.3%，呈片狀分布在大連市的東北—西南方向，多為降水變率較小，地勢平緩，人口密度和第二、三產(chǎn)業(yè)地均生產(chǎn)值較低的地區(qū)。低風險區(qū)主要分布在莊河市西北部和瓦房店市，其降水變率小，境內(nèi)的林地和未利用土地面積較大。高風險區(qū)和較高風險區(qū)占總面積的1.37%，集中分布在沙河口區(qū)和長?？h。

圖3 大連市暴雨洪澇災害綜合風險評估Fig.3 Risk assessment of rainstorm-flood disaster in Dalian City

由于沙河口區(qū)降水頻次高、降水變率大，加上人口密集、經(jīng)濟發(fā)展迅速，導致沙河口區(qū)發(fā)生暴雨洪澇災害的危險性與承災體的易損程度較高。雖然對于暴雨洪澇災害的防御能力較強，但綜合評估“四因子”，沙河口區(qū)仍是發(fā)生暴雨洪澇災害的高風險地區(qū)。長海縣經(jīng)濟發(fā)展水平低，對于暴雨洪澇災害的災后恢復和重建能力較低，致使長?？h存在較高的暴雨洪澇災害風險。所以，沙河口區(qū)和長海縣是今后在極端暴雨天氣下進行預報預測以及防洪工作的重點地區(qū)。

4 討 論

暴雨是大連地區(qū)最主要的災害性天氣之一[16]。在暴雨洪澇災害的危險性評估中，除了選擇以往的綜合等級暴雨過程頻次外，還增加了降水變率來表征危險性，以突出氣象站點的降水變率帶來的區(qū)域差異。在大連市暴雨洪澇災害脆弱性評估中，結(jié)合大連市農(nóng)業(yè)種植面積的實際情況，用谷物農(nóng)作物面積占種植業(yè)面積的比例來代替以往研究中的易澇耕地面積比例[31]，更加準確地評估了大連市的經(jīng)濟脆弱性。運用“四因子”建立的暴雨洪澇災害綜合風險評估模型[31-33]得出的大連市暴雨洪澇災害綜合風險結(jié)果與《中國氣象災害大典·遼寧卷》[34]中1987—2000年的暴雨洪澇災害主要受災區(qū)域以及2017年11月大連市氣象局公布的大連市暴雨災害風險等級區(qū)劃[35]結(jié)果相近(圖4)，符合實際情況。

圖4 2017年11月大連市暴雨災害風險區(qū)劃等級Fig.4 Grade map of rainstorm disaster risk zoning in Dalian City in November 2017

由于綜合風險評價指標體系中的防災減災能力各項指標均屬于非工程措施，使得防災減災能力的評估不夠全面。因此，在后續(xù)研究中將盡量克服其局限性，并嘗試以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為尺度進行研究，可以更加細化重點防范區(qū)域，以期研究成果更加符合實際。

5 結(jié) 論

a.大連市暴雨洪澇災害危險性的空間分布具有東北部、西南部地區(qū)較高，中部地區(qū)較低的特點。高危險區(qū)和較高危險區(qū)占大連市總面積的42.52%，主要分布在莊河市東部、東南部和旅順口區(qū)南部地區(qū)；低危險區(qū)占大連市總面積的8.88%，主要分布在瓦房店市和長?？h。

b.大連市北部地區(qū)的暴雨洪澇災害暴露性和防災減災能力均較低，南部地區(qū)較高。

c.大連市西南部、中部地區(qū)暴雨洪澇災害脆弱性較高，東北部、南部地區(qū)暴雨洪澇災害脆弱性較低；高脆弱區(qū)主要分布在瓦房店市、普蘭店區(qū)和旅順口區(qū)；低脆弱性區(qū)和較低脆弱性區(qū)為中山區(qū)和西崗區(qū)。

d.大連市暴雨洪澇災害綜合風險等級以中風險為主，占大連市總面積的41.3%，從大連市的東北到西南方向呈片狀分布。低風險區(qū)占全市總面積的20.93%，主要分布在莊河市西北部和瓦房店市。高風險區(qū)域面積很小，集中分布在大連市的沙河口區(qū)和長?？h。