劉 妍,司海燕,楊澤運(yùn),黨夢(mèng)鑫,趙志彪
(1.黑龍江工程學(xué)院 測(cè)繪工程學(xué)院,哈爾濱 150050;2.自然資源部第一地形測(cè)量隊(duì),西安 710000;3.中交綜合規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100020)
隨著智慧城市發(fā)展,越來(lái)越多的城市進(jìn)入發(fā)展快車道,城市面積也不斷擴(kuò)大,但“城市病”造成的不滲水面積也逐年增大,加劇了城市面對(duì)極端暴雨天氣的窘狀。圖1顯示近幾年全國(guó)降水量一直都高于歷史均值[1-2];圖2中2020年合肥市各市區(qū)降雨量明顯比2019年增加。城市內(nèi)澇災(zāi)害評(píng)估被越來(lái)越多智慧政務(wù)部門重視。
圖2 合肥市各區(qū)(縣)2019—2020年降水量對(duì)比分析圖
目前,內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法主要有歷史災(zāi)情法、情景模擬法和指標(biāo)體系法[3]。文中顧及合肥市DEM地形、地理現(xiàn)狀、經(jīng)濟(jì)人口現(xiàn)狀及既有降雨量數(shù)據(jù)等復(fù)雜因子的影響,基于有效DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行條件函數(shù)模擬分析,采用加權(quán)疊加指標(biāo)體系法構(gòu)建城市內(nèi)澇災(zāi)害評(píng)估體系,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)利用層次分析法確定評(píng)估指標(biāo)權(quán)值、驗(yàn)證一致性。
合肥市地處華北平原安徽省中部地區(qū),雨水豐沛、河流密布,適宜以其為例構(gòu)建城市內(nèi)澇災(zāi)害評(píng)估體系。需獲取行政區(qū)劃、DEM、土地利用、水系分布、土地利用、人口分布和GDP分布等合肥市相關(guān)時(shí)空數(shù)據(jù)(圖3),以及2011—2015年平均降水量等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
圖3 合肥市相關(guān)時(shí)空數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
利用有限的條件函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)澇積水區(qū)域的初步評(píng)估與模擬,文中采取無(wú)源淹沒分析進(jìn)行積水模擬,即是僅考慮水位超過(guò)地區(qū)高程值來(lái)判斷是否為積水淹沒區(qū)的分析方法,主要考慮降水量對(duì)積水區(qū)的影響,忽略次要條件河流的流通以及地下管網(wǎng)等的影響。具體流程如圖4所示,根據(jù)年平均降水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),利用條件函數(shù)Con(合肥市DEM≤年平均降水量最小值,1,0)和Con(合肥市DEM≤年平均降水量最大值,1,0),判斷得出合肥市最小降水量和最大降水量時(shí)積水分布模擬。
圖4 基于條件函數(shù)的無(wú)源淹沒分析流程圖
影響城市內(nèi)澇災(zāi)害評(píng)估的指標(biāo)要遵循科學(xué)性、客觀性、廣泛性、代表性、系統(tǒng)性和可獲得性。為了使選取的指標(biāo)能夠合理的對(duì)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,還需對(duì)不同的指標(biāo)賦予不同的權(quán)重,在賦值時(shí)通常用到的方法為特爾菲法、因素成對(duì)比較法和熵權(quán)法三種,文中采用熵權(quán)法從致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性和承災(zāi)體脆弱性三方面確定評(píng)估指標(biāo)[4]。
合肥市地處華北平原安徽省中部地區(qū),每年降雨量巨大,并且境內(nèi)河流眾多,據(jù)合肥市水文水資源局統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),2020年合肥市降雨量較常年同時(shí)期多了8成,其中最為嚴(yán)重的為廬江縣多了9成。降雨總量也比往年同時(shí)期多了2.8倍,達(dá)到了歷史水位的第二位,因此,足以證明合肥市存在較大的內(nèi)澇災(zāi)害致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[5]。致災(zāi)因子是城市內(nèi)澇產(chǎn)生的主要誘導(dǎo)因素和先決條件,主要包括降雨量和積水區(qū)域面積,文中將合肥市2011—2015年平均降雨量(P1)和內(nèi)澇空間分布范圍(P2)作為致災(zāi)因子危險(xiǎn)性(S1)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
孕災(zāi)環(huán)境敏感性是準(zhǔn)確預(yù)警的重要依據(jù)。孕災(zāi)區(qū)域多數(shù)發(fā)生在河網(wǎng)緩沖區(qū)附近,或受坡度和起伏度影響而形成匯水區(qū)域,暴雨后極易形成地表徑流,存在潛在城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn),其主要分為自然地理孕災(zāi)環(huán)境和人為孕災(zāi)環(huán)境。[6]自然孕災(zāi)地理環(huán)境主要表現(xiàn)在地形上,研究發(fā)現(xiàn)坡度越小,起伏度越小,越容易形成積水區(qū)。[7]人為孕災(zāi)環(huán)境主要指道路、河流、植被等地表的社會(huì)人文環(huán)境,最突出的風(fēng)險(xiǎn)是距離河流越近,越容易產(chǎn)生地表徑流,越容易產(chǎn)生內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。因此,文中將河流緩沖區(qū)距離(P3)、坡度(P4)、起伏度(P5)作為孕災(zāi)環(huán)境敏感性(S2)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
城市內(nèi)澇損失主要體現(xiàn)在承災(zāi)體上,災(zāi)害相同承災(zāi)體不同,其影響也不盡相同。顯然在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集的地區(qū)會(huì)受到更為嚴(yán)重的影響;對(duì)于不同利用類型土地的承災(zāi)能力不盡相同,建筑物密集的主城區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部的耕地區(qū)域可能導(dǎo)致的人員傷亡、房屋倒塌和農(nóng)作物減產(chǎn)等內(nèi)澇損失也有較大差別[8]。文中將人口分布(P6)、土地利用狀況(P7)、GDP分布(P8)作為承災(zāi)體脆弱性(S3)的3個(gè) 重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。
層次分析法是一種分析決策法,該分析法思路清晰、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)。它是通過(guò)各個(gè)指標(biāo)層之間的關(guān)系進(jìn)行深度分析,將每一層指標(biāo)進(jìn)行相互對(duì)比,達(dá)到橫向縱向的科學(xué)對(duì)比分析[9]。按照致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承載體脆弱性3個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估指標(biāo)的選擇,并將各指標(biāo)進(jìn)行分組,一般分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層。
將處于同一層的指標(biāo)兩兩進(jìn)行比較,得出兩指標(biāo)之間的重要程度gij,其取值范圍見表1。通過(guò)兩兩指標(biāo)間比較,得到每一層的判斷矩陣見式(1)[10]。
表1 判斷矩陣取值及其含義
(1)
求矩陣P的最大特征值λmax,得對(duì)應(yīng)的最大特征向量,即為各評(píng)估指標(biāo)g對(duì)應(yīng)的權(quán)重[11]。記為ω=(ω1,ω2…ωn),使用求和法計(jì)算特征值。先對(duì)矩陣同一列元素進(jìn)行歸一化得到矩陣R=(rij)n×n,算式為:
(2)
對(duì)R的同行元素求和的向量M=(M1,M2,…,Mn)T,算式如下:
(3)
對(duì)向量M進(jìn)行歸一化得到ω=(ω1,ω2,…,ωn)T,算式如下:
(4)
矩陣構(gòu)建后,由于二階矩陣只有兩個(gè)元素,彼此不會(huì)出現(xiàn)矛盾,不需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。但對(duì)于三階及以上的就要檢驗(yàn)指標(biāo)元素之間是否存在不合理的邏輯。其檢驗(yàn)算式如下:
(5)
(6)
式中:CI表示一致性指標(biāo),CR為隨機(jī)一致性比率,n表示元素個(gè)數(shù),RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo),取值如表2。
表2 RI的取值
表中N為矩陣的階數(shù)。當(dāng)CR小于0.1時(shí),說(shuō)明該判斷矩陣一致性良好,等于0.1時(shí)說(shuō)明一致性較好,大于0.1時(shí),矩陣不符合要求,需重確定。
文中采用層次分析法分別給不同的指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán),對(duì)3個(gè)準(zhǔn)則層構(gòu)建矩陣計(jì)算城市內(nèi)澇積水影響評(píng)估的判斷矩陣結(jié)果見表3[12]。
表3 城市內(nèi)澇積水指標(biāo)權(quán)重賦值
CR=0.04<0.1,一致性檢驗(yàn)正確。
通過(guò)上文計(jì)算出的指標(biāo)層中的每個(gè)因素在該準(zhǔn)則層中所占的比例。致災(zāi)因子判斷矩陣為二階矩陣,不需驗(yàn)證;孕災(zāi)環(huán)境判斷矩陣CR=0.04<0.1,承災(zāi)體判斷矩陣CR=0.05 <0.1,一致性檢驗(yàn)均正確,每個(gè)指標(biāo)在整個(gè)評(píng)價(jià)體系中所占的權(quán)重見表4。
表4 加權(quán)疊加評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重
根據(jù)資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心的權(quán)威發(fā)布下載2011—2015年全國(guó)年降雨量空間插值數(shù)據(jù)集,與合肥市行政區(qū)劃疊加裁剪生成如圖5所示2011—2015年年降雨量圖(單位為0.1 mm),顯然合肥市降雨量存在自北向南逐漸增加的趨勢(shì)。使用柵格計(jì)算器將2011—2015年的年降雨量求平均,得圖5(f)歷史年平均降雨量分布圖,得最大值為1.428 01 m,最小值為0.919 989 m,進(jìn)行積水的淹沒范圍分析。
利用Con條件函數(shù)進(jìn)行淹沒分析表達(dá)式為:
Con(合肥市DEM≤0.919 989,1,0),
(7)
Con(合肥市DEM≤1.428 01,1,0).
(8)
判斷“合肥市DEM”中的像元值小于或等于0.919 989 m,則輸出柵格賦值為1(真),即為最小降雨量時(shí)的城市積水區(qū);否則像元值大于0.919 989 m,則該輸出柵格賦值為0(假),即為非積水區(qū)。判斷“合肥市DEM”中的像元值小于或等于1.428 01 m,則輸出柵格賦值為1(真),即為最大降雨量時(shí)的城市積水區(qū);否則像元值大于1.428 01 m,則該輸出柵格賦值為0(假),即為非積水區(qū)。
基于條件函數(shù)的淹沒分析來(lái)進(jìn)行內(nèi)澇積水范圍模擬。考慮研究范圍存在偽洼地,基于圖5(f),因此還需對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充,分別進(jìn)行范圍模擬得到圖6。[13]其中,圖6(a)表示年平均降雨量最小時(shí)無(wú)填洼情況下的積水范圍;圖6(b)表示年平均降雨量最大時(shí)無(wú)填洼情況下的積水范圍;圖6(c)表示年平均降雨量最小時(shí)填洼情況下的積水范圍;圖6(d)表示年平均降雨量最大時(shí)填洼情況下的積水范圍。通過(guò)對(duì)比圖6(a)和圖6(c)、圖6(b)和圖6(d),顯然DEM填洼后模擬積水影響范圍較明顯且集中,但有所減少,結(jié)果更為準(zhǔn)確,統(tǒng)計(jì)積水區(qū)面積即淹沒面積參見表5。
圖5 合肥市2011—2015年年平均降雨量及歷史年平均降雨量(單位:0.1 mm)
圖6 降雨量為0.919 989 m和1.428 01 m對(duì)應(yīng)的填洼前后積水范圍
表5 模擬積水區(qū)面積統(tǒng)計(jì)值
對(duì)不同降雨量和內(nèi)澇積水分布重分類,對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)量化和標(biāo)準(zhǔn)化處理,積水區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化分積水區(qū)(1)和非積水區(qū)(0)為兩類。如圖7降雨量重分類標(biāo)準(zhǔn)為10級(jí)。根據(jù)前文5.2指標(biāo)權(quán)重利用柵格計(jì)算器對(duì)致災(zāi)因子進(jìn)行評(píng)估(圖8),10級(jí)對(duì)應(yīng)5種風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。圖8中小部分地區(qū)為高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū),大多數(shù)地區(qū)屬于低風(fēng)險(xiǎn)和次低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。且危險(xiǎn)地區(qū)大多數(shù)集中于合肥市的南部。當(dāng)發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)地面的降雨會(huì)順著地勢(shì)往較低的地方匯聚,由于合肥市地勢(shì)呈西北向東南傾斜,因此主要的危險(xiǎn)區(qū)域分布于南部。同時(shí)通過(guò)圖8也可以看出在靠近巢湖的地區(qū)危險(xiǎn)性相對(duì)較高,其原因主要是強(qiáng)降雨會(huì)使得降雨向河流處匯聚也就使得靠近河流處容易形成大量的地表徑流,這些都會(huì)導(dǎo)致靠近河流、湖泊的地區(qū)形成內(nèi)澇積水區(qū)。綜上所述,通過(guò)近5年合肥市年降雨量和DEM數(shù)據(jù)模擬的內(nèi)澇積水區(qū)當(dāng)作要素,對(duì)內(nèi)澇致災(zāi)因子危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估而獲得的危險(xiǎn)性評(píng)估圖,能夠較好地反映出合肥市內(nèi)澇致災(zāi)因子所造成的影響,與實(shí)際情況符合。
圖7 歷史平均年降水量10級(jí)重分類
圖8 合肥市致災(zāi)因子危險(xiǎn)性評(píng)估
基于孕災(zāi)環(huán)境敏感性評(píng)估,結(jié)合表4中權(quán)重值建立模型,得式(9)。
Q=0.69×P3+0.22×P4+0.09×P5.
(9)
借助焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算合肥市地形起伏度,文中按起伏度由低到高依次賦值從10到1的10級(jí)。見圖9分析由于大別山脈余脈的影響,南部的巢湖市和廬江縣的部分地區(qū)地勢(shì)起伏度較大,不易形成積水區(qū);其余大部分地區(qū)較為平坦,內(nèi)澇積水風(fēng)險(xiǎn)較高。河流的標(biāo)準(zhǔn)化處理即距離河流遠(yuǎn)近程度標(biāo)準(zhǔn)化。應(yīng)用歐氏距離計(jì)算工具標(biāo)準(zhǔn)化處理,按河流距離由近到遠(yuǎn)依次賦值為從10到1的10級(jí)。
圖9 合肥市起伏度圖
通過(guò)上文可得孕災(zāi)環(huán)境危險(xiǎn)性評(píng)估圖(見圖10),可以表明合肥市孕災(zāi)環(huán)境敏感度較高的地區(qū)主要為巢湖周圍和南部地區(qū)。分析其形成原因發(fā)現(xiàn),由于這些地區(qū)比較靠近巢湖,在強(qiáng)降雨過(guò)后巢湖為地表徑流的流向地,因此在其周圍較易形成積水區(qū)。其次在南部山區(qū)由于山的原因也極易形成內(nèi)澇積水區(qū)。低敏感地區(qū)主要分布在大別山脈余脈處,在這些地區(qū)地形較高,強(qiáng)降雨產(chǎn)生的地表徑流會(huì)往低洼地區(qū)匯集。
圖10 孕災(zāi)環(huán)境危險(xiǎn)性評(píng)估圖
參考表4建立承災(zāi)體易損性評(píng)估模型,見式(10)。
Q=0.16×P6+0.59×P7+0.25×P8.
(10)
標(biāo)準(zhǔn)化處理后對(duì)合肥市人口分布進(jìn)行重分類,利用自然斷點(diǎn)法對(duì)其分為10級(jí),按人口密集程度從高到低依次賦值從10到1,得人口分布標(biāo)準(zhǔn)化圖11,顯然人口密集地區(qū)受影響較大,損失較嚴(yán)重。GDP分布標(biāo)準(zhǔn)化處理和人口分布相同,不再贅述。
圖11 人口分布標(biāo)準(zhǔn)化圖
土地利用標(biāo)準(zhǔn)化處理將人工地表和城市建設(shè)用地賦值為10,農(nóng)用地賦值為7,草地、水體為1;水庫(kù)、灘地賦值為5,林地為3,裸土地之類為Nodata,圖12分析河流湖泊、山區(qū)、耕地處人口較少,人口主要集中在城區(qū)范圍。從土地利用重分類上可看出城市內(nèi)澇積水對(duì)人工地表的影響比較大。利用柵格計(jì)算器進(jìn)行承災(zāi)體脆弱性評(píng)估,承災(zāi)體危險(xiǎn)性評(píng)估圖見圖13,分析可知,若僅以承載體來(lái)進(jìn)行評(píng)估,合肥市受內(nèi)澇災(zāi)害影響比較大的區(qū)域主要集中在合肥市主城區(qū),其它小部分受影響區(qū)域呈零星分布,影響較低的地區(qū)主要存在于湖泊以及南部山區(qū)。分析其原因,首先主城區(qū)的經(jīng)濟(jì)以及人口分布都比較密集,受內(nèi)澇災(zāi)害后產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡較大。其次在主城區(qū)和零星分布的人工建設(shè)地區(qū)由于人工對(duì)自然環(huán)境進(jìn)行改造,容易造成城市地面硬化面積的增加,不滲水區(qū)域面積增加,使得城市內(nèi)的積水不易排出,對(duì)城市建筑物造成損害。
圖13 承災(zāi)體危險(xiǎn)性評(píng)估圖
通過(guò)對(duì)比致災(zāi)因子危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果、孕災(zāi)環(huán)境危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果和承災(zāi)體危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果(圖14—圖16),發(fā)現(xiàn)在致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體的評(píng)估中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)主要都集中在巢湖流域周圍,結(jié)論一致。特別是致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境主要都集中在合肥市南部以及巢湖流域。除了該區(qū)域外還有一部分集中在南部山區(qū),究其原因主要是因?yàn)槟喜拷涤炅枯^多,并且有大量的山區(qū)周圍易形成低洼內(nèi)澇災(zāi)害比較嚴(yán)重;而承災(zāi)體由于其評(píng)估指標(biāo)(人口分布、GDP分布)的特殊性,其主要受災(zāi)地區(qū)多為各縣(區(qū))的主城區(qū)。
圖14 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性評(píng)估圖
圖15 孕災(zāi)環(huán)境危險(xiǎn)性評(píng)估圖
圖16 承災(zāi)體危險(xiǎn)性評(píng)估圖
根據(jù)河流距離、坡度、起伏度、人口分布、積水分布范圍、土地利用、GDP分布等數(shù)據(jù)的重分類和標(biāo)準(zhǔn)化處理,依據(jù)加權(quán)疊加指標(biāo)分析法,生成合肥市內(nèi)澇積水綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估圖。為了量化城市內(nèi)澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),按照自然斷點(diǎn)法分為5段(圖17),對(duì)應(yīng)5類風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),即高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、次低風(fēng)險(xiǎn)去、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。[14]圖18中可見影響比較大地區(qū)主要集中在巢湖周圍及南部山區(qū)的小部分地區(qū),其次是各縣區(qū)主要行政中心。究其原因是這些地區(qū)距離河流較近且地勢(shì)低洼,強(qiáng)降雨時(shí)易產(chǎn)生積水形成匯流;同時(shí)人口密集、經(jīng)濟(jì)繁榮等人工地表也極易形成內(nèi)澇積水。
圖17 降水量按自然斷點(diǎn)分5段
圖18 合肥市內(nèi)澇積水綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估圖
鑒于致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性涉及的8個(gè)指標(biāo)、權(quán)重及重分類標(biāo)準(zhǔn)化等級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等情況,現(xiàn)構(gòu)建城市內(nèi)澇災(zāi)害評(píng)估體系,見圖19[15-16]。
圖19 智慧城市內(nèi)澇災(zāi)害評(píng)估體系結(jié)構(gòu)
經(jīng)上述研究與驗(yàn)證,得出如下結(jié)論:可以通過(guò)構(gòu)建復(fù)雜條件函數(shù)和更全面的評(píng)估指標(biāo)構(gòu)建通用性城市內(nèi)澇災(zāi)害評(píng)估體系,通過(guò)加權(quán)疊加指標(biāo)法和層次分析法可以正確評(píng)估、分析出城市內(nèi)澇災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí),評(píng)價(jià)分析結(jié)果和實(shí)際情況相符,該智慧城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系具有良好的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值,是智慧政務(wù)平臺(tái)和應(yīng)急決策部門的理論依據(jù)和智慧支持。