基于投影追蹤—HAZUS原理的洪災評估
——以馬洋溪流域為例

鄧 楠，王 瀟，劉天齊，曲 娜

(沈陽航空航天大學 安全工程學院，沈陽 110136)

洪水災害是目前最常見的自然災害，具有不確定性等特點。洪水災害風險評估涉及不確定性和多種相互沖突的標準，因此更難確定。我國是世界上飽受洪水災害困擾的國家之一，每年洪水災害都會造成巨大的經(jīng)濟損失。2018年，中國國家減災委員會和應急管理部啟動的17項國家4級救災和應急響應中，13項都是由于洪水和臺風造成的。在暴雨頻繁、臺風影響較大的地區(qū)，洪澇災害頻繁發(fā)生，嚴重影響了人們的正常生活。

在洪災風險評估方面，研究熱點主要集中在兩個方面。首先，從災害風險的某個要素，如危害性、暴露性或脆弱性等來評估風險等級。程曉陶等[1]從廣州市暴雨內(nèi)澇問題著手，從孕災環(huán)境、致災因子、承災體和防災力角度對我國城市型水災災害的特點進行了分析，又分別針對不同類型的城市提出不同的水災應對策略。陳靖等[2]以福州市城區(qū)地表和明渠河道為主要模擬對象，建立福州城市暴雨內(nèi)澇數(shù)學模型，利用模型對不同重現(xiàn)期降雨下福州市城區(qū)內(nèi)澇災害風險進行評估，反映不同重現(xiàn)期降雨過程下福州市城區(qū)內(nèi)澇災害風險分布 。另一方面，建立災害風險指數(shù)或綜合評估框架結(jié)合GIS、遙感影像等技術手段，能夠確定區(qū)域風險等級以及影響風險大小的因素。申欣凱等[3]選取山西省30年氣象資料，結(jié)合層級分析法和專家打分法，構(gòu)建了山西省暴雨風險評估模型，并利用ARCGIS對山西暴雨風險進行評估，并對山西暴雨特征及其危險進行了分析。張巍[4]結(jié)合GIS空間疊加技術，提出山洪災害損失定量評估方法體系，綜合定量確定不同等級洪水下其淹沒范圍內(nèi)影響的人口數(shù)量、用地淹沒面積以及社會經(jīng)濟財產(chǎn)損失量。

在洪災損失評估方面，我國研究起步較晚。石勇[5]針對不同收入水平的居民住宅，利用合成法構(gòu)造城市水災中內(nèi)部財產(chǎn)的脆弱性曲線，利用GIS技術進行空間展布，得到龍華鎮(zhèn)3種潮水水位時居民住宅內(nèi)部財產(chǎn)的脆弱性分布圖。2014年，曹詩嘉等[6]以“威馬遜”及“海鷗”臺風次生海岸洪水災害為例，構(gòu)建了居民住房室內(nèi)財產(chǎn)脆弱性曲線。國外發(fā)達國家對洪災風險評估與損失評估方面的研究較為成熟，開發(fā)了專門軟件。美國現(xiàn)用的洪災評估模型為HAZUS-MH，它利用不同類型住宅和商業(yè)建筑物深度-損失關系估算洪水損失的方法，對災后損失進行快速評估[7]。ECLAC系統(tǒng)是2003年由聯(lián)合國拉丁美洲和加勒比海經(jīng)社理事會提出的一個災害損失評估理論，將損失評估與社會經(jīng)濟發(fā)展結(jié)合到一起，側(cè)重于災害的整體影響。聯(lián)合國成立領導組開發(fā)的PDNA，能夠在掌握災前災后信息的基礎上對洪災損失進行評估，其重點在于為災后早期恢復提供策略和指導[8]。雖然各國使用的洪災評估系統(tǒng)各不相同，但都具有豐富的國家數(shù)據(jù)庫，詳細的歷史損失信息，形成一個完整的體系，并定期對數(shù)據(jù)進行更新完善。我國若想要在洪災評估方面更加成熟，勢必要學習其他國家的評估方法，并結(jié)合具體實際加以修改，才能不斷優(yōu)化現(xiàn)有的洪災損失評估方法。

因此，本文構(gòu)建了馬洋溪流域洪災風險評估框架。首先，將馬洋溪流域的3個村莊分成3個研究區(qū)域，分別對其洪水災害風險等級進行分析。然后，利用HAZUS-MH評估模型中洪水模型損失評估的理論方法，嘗試對該區(qū)域住宅建筑室內(nèi)財產(chǎn)進行洪水災害損失評估，建立深度-損失百分比函數(shù)，從而快速估計洪災對住宅建筑室內(nèi)財產(chǎn)可能造成的損失。最后，根據(jù)損失情況提出保險建議，對科學、系統(tǒng)、快速的進行洪災損失評估具有重要意義。

1 洪災評估模型建立

1.1 基于投影追蹤原理的洪災風險評估模型

洪水災害的風險大小受多種因素的影響和約束，本文利用投影追蹤法構(gòu)建洪災風險模型。具體步驟如下：

(1)建立洪水風險評價指標體系。影響洪水風險大小的指標類型多種多樣，評價指標的選取主要圍繞人口和經(jīng)濟兩大主題。人口因素主要包含受災人數(shù)、死亡人數(shù)、人口密度等[9]。經(jīng)濟因素主要包括總經(jīng)濟損失、受災農(nóng)田面積、工業(yè)產(chǎn)值密度、排水管道密度等[10]。對評價指標樣本數(shù)據(jù)進行無量綱處理，得到各單指標評價值{x(i，j)∣i=1～m,j=1～n}。根據(jù)具體情況，本文采用的無量綱處理公式為式(1)。

(1)

式中x(i,j)為第i個樣本的第j個洪災損失統(tǒng)計指標相對值；m為樣本數(shù)目；n為指標數(shù)目；xmin(j)和xmax(j)分別為第j個指標樣本集中的最小值和最大值[11]。

(2)構(gòu)造投影指標函數(shù)。投影尋蹤評價方法就是把n維評價指標數(shù)據(jù)綜合成以a=[a(1),a(2),…,a(n)]為投影方向的一維投影值，使用式(2)。

(2)

然后根據(jù)投影值的投影點分布圖進行分類排序。設z(j)為非負實數(shù)，則投影點的密集型指標函數(shù)如式(3)所示。

(3)

基于上述內(nèi)容投影指標函數(shù)可構(gòu)造如式(4)所示。

Q(a)=SCE

(4)

(3)求解投影指標函數(shù)。通過求解投影指標函數(shù)最大化問題來估計最佳投影方向[12]。

(4)評價洪水風險。求解出的最佳投影方向a*帶入式(2)中，得到區(qū)域洪水投影值z*(i)，將z*(i)由小到大進行排序，值越大，說明洪水風險程度越高。并使用洪災程度綜合指標均值與標準差對洪水風險進行分級，如式(5)所示。

(5)

具體分級標準見表1。

表1 風險程度分級

1.2 基于HAZUS原理的洪災損失評估模型

HAZUS-MH是美國現(xiàn)用的洪災評估模型，它利用自20世紀60年代陸軍工程師兵團(USACE)提出的用不同類型住宅和商業(yè)建筑物深度-損失關系估算洪水損失的方法，不斷吸收更多的建筑環(huán)境因素和更新洪災損失數(shù)據(jù)，具有災后快速損失估計的功能。HAZUS旨在生成損失估計，供聯(lián)邦、州、地區(qū)和地方政府以及私營企業(yè)在規(guī)劃風險緩解、應急準備、響應和恢復時使用。該方法幾乎涉及建筑環(huán)境的所有方面，以及各種不同類型的損失。HAZUS方法具有足夠的靈活性，因此可以替代當?shù)鼐幹频那鍐魏推渌鼫蚀_反映當?shù)丨h(huán)境的數(shù)據(jù)，從而提高準確性。

利用HAZUS-MH 洪水模型的損失評估方法，根據(jù)現(xiàn)有的災害歷史損失記錄，計算淹沒深度與財產(chǎn)損失百分比的關系確定深度-損失百分比函數(shù)。

2 實例分析與評估

2.1 研究區(qū)域概況

馬洋溪流域位于福建省漳州市長泰縣，是福建省長泰縣的主要河流，全長約30.4 km，河道落差222 m，河道坡降7.3‰。區(qū)內(nèi)年均降雨量1 688 mm，最高海拔965.8 m，平均海拔450 m左右，高程自東北向西南逐漸降低，地理地貌較為復雜，山體面積達76%。馬洋溪流經(jīng)上游山重村、中游后坊村和下游十里村3大村莊。由于地勢、天氣、氣溫以及經(jīng)濟發(fā)展等原因，3個村莊的差異較大，上游山重村臨近紅巖水庫，該水庫上游坡陡，水流緩急交錯，常年發(fā)生山洪災害。中游后坊村地勢較為平緩，以果樹種植業(yè)為主。下游十里村是馬洋溪旅游區(qū)的中心區(qū)域，有10多家企業(yè)落戶該區(qū)域，經(jīng)濟最為發(fā)達[15]。馬洋溪流域示意圖如圖1所示。各村莊具體情況如表2所示。

圖1 馬洋溪流域示意圖

表2 各村莊基本情況

2016年9月15日，由于臺風“莫蘭蒂”登陸帶來的強降雨，造成馬洋溪流域各村莊被淹沒，造成巨大經(jīng)濟損失。從凌晨4時～7時，臺風中心經(jīng)過馬洋溪流域，帶來的強風暴雨使降雨量從40 mm暴增到275 mm，致使山洪暴發(fā)，河水暴漲，淹沒山重村、后坊村以及十里村。6時左右，暴漲近 2 m 高的溪水漫過十里村道路、民房，全村斷水斷電，村民無法維持正常生活，部分區(qū)域遭水淹沒后淤泥堆積達 30～40 cm，受災村民遭受巨大經(jīng)濟損失。根據(jù)調(diào)查顯示，從9月15日6時開始，洪水攜帶大量淤泥涌進陳巷鎮(zhèn)，其中山重村的平均淹沒高度約0.3 m，后坊村約為0.7 m，十里村約為1.7 m，持續(xù)時間將近一天。造成的損失情況見表3。

表3 2016年洪災損失統(tǒng)計數(shù)據(jù)

2.2 洪水風險分析

根據(jù)以往研究表明，洪災風險分析主要圍繞人員和經(jīng)濟兩大方面，因此，本文選擇受災人口數(shù)、死亡人數(shù)、總經(jīng)濟損失以及農(nóng)作物受災面積4個指標構(gòu)建洪水風險評價指標體系。為了避免數(shù)據(jù)誤差，使用相對值：受災人口/2016年人口總數(shù)、死亡人口/2016年人口總數(shù)、直接經(jīng)濟損失/2016年GDP總值以及農(nóng)作物受災面積/2016年耕地總面積，將表2中3個村莊的4個評價指標的樣本數(shù)據(jù)按式(1)處理后，得到3個村莊洪水風險各單指標評價值 ，通過建立的投影追蹤模型，計算各樣品點的投影值并按照表1中劃分的洪災風險等級進行分級處理,分級標準為：一般災害z(i)∈[0,0.588 2);較大災害z(i)∈[0.588 2，1.2989 )；重大災害z(i)∈[1.298 9,2.009 6)；特別重大災害z(i)∈[2.009 6,∞)，計算詳細結(jié)果見表4。

表4 三個村莊洪水風險單指標評價值及其評價結(jié)果

表4說明十里村的洪災風險最高為Ⅱ級，山重村和后坊村的洪水風險等級為Ⅲ級。其中十里村由于受災人口以及受災農(nóng)田面積較大的原因，洪水風險尤其突出，因此要從洪災預警、群眾轉(zhuǎn)移的方面采取措施，盡量減少因洪水災害所導致的生命和財產(chǎn)損失。

2.3 洪水損失評估

2.3.1 室內(nèi)財產(chǎn)價值及分類

隨著我國整體經(jīng)濟實力的不斷提高，貧富差異加大，不同收入水平的地區(qū)室內(nèi)財產(chǎn)價值差距較大。因此由洪災導致的室內(nèi)財產(chǎn)損失呈現(xiàn)較強的區(qū)域性。根據(jù)2016年洪水災害后的抽樣調(diào)查、問卷調(diào)查等方法對房屋的損失進行統(tǒng)計，得到了各個淹沒水深下居民室內(nèi)財產(chǎn)的損失價值[16]。

一個家庭的室內(nèi)財產(chǎn)價值和種類與經(jīng)濟收入息息相關，由于收入水平不同，區(qū)域居民內(nèi)部財產(chǎn)的價值差異很大。因此，本文以年人均收入情況來反映居民室內(nèi)財產(chǎn)的價值大小，即收入水平越高，室內(nèi)財產(chǎn)的價值越大。最后在建立不同收入水平家庭的室內(nèi)財產(chǎn)模型的基礎上，分別建立深度-損失百分比函數(shù)[17]。根據(jù)調(diào)查問卷數(shù)據(jù)顯示，山重村的年人均收入為14 194元，后坊村為11 502元，十里村為18 238元。將研究區(qū)域住戶按年人均收入劃分為中收入?yún)^(qū)、中高收入?yún)^(qū)和高收入?yún)^(qū)3個等級，參照京東上2016年市場不同價格的各類家電和購買數(shù)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，選擇不同檔次的各種家庭內(nèi)部財產(chǎn)銷量前十產(chǎn)品的平均價格作為不同檔次的各種室內(nèi)財產(chǎn)的平均價格。其中大型家用電器包括電視、冰箱、洗衣機；食品包括米、面、油；家具包括沙發(fā)、衣柜、床；床上用品包括床墊、被。具體情況見表5。

表5 室內(nèi)財產(chǎn)的分類與平均價格表(元)

2.3.2 深度-損失百分比函數(shù)的建立

深度-損失百分比函數(shù)是由聯(lián)邦保險管理局和美國陸軍工程兵團開發(fā)的用于表示洪水深度與損壞百分比的關系圖，針對各種建筑類型和占用情況繪制[18]。對結(jié)構(gòu)部件和內(nèi)容物的損害程度和嚴重性是根據(jù)淹沒深度和指定深度-損害曲線的應用來估計的。它提供了根據(jù)折余價值估算損失的能力[19]。假定該地區(qū)以上室內(nèi)財產(chǎn)全部包括，求出損失與室內(nèi)財產(chǎn)總價值的比值，可得到各個洪水深度的損失百分比，建立的深度-損失百分比函數(shù)如圖2所示。

圖2 住宅建筑室內(nèi)財產(chǎn)的深度-損失百分比函數(shù)

從深度-損失百分比函數(shù)的分布來看，當洪水深度在0～0.1 m時，對室內(nèi)財產(chǎn)造成的損失是輕微的，基本沒有影響。當洪水深度從0.1 m上升到0.4 m時，損害程度變?yōu)橹械龋覂?nèi)財產(chǎn)的損失值快速上升，主要是因為這時一樓地板及地下室財產(chǎn)受到了洪水侵蝕。水位繼續(xù)上升到1.2 m的過程中，室內(nèi)家具、地面物品以及床上用品就會受到損失，因此損失狀態(tài)變?yōu)閲乐?，這時大多數(shù)家用電器和廚房用具并沒有損壞。洪水深度在1.2 m以上時，大量家用電器和廚房用具受到影響，家庭中過半的財產(chǎn)都遭到損失，損失狀態(tài)為災難性的。1.7 m之后，不管洪水深度再如何增加，損失基本維持在70%左右，家庭主要財產(chǎn)損失殆盡。通過對比3個村莊的深度-損失百分比函數(shù)，可以較為清晰地看出，其損失百分比與洪水深度的關系具有較強的一致性和極為相似的趨勢。因此，將3個曲線擬合得到馬洋溪流域的住宅建筑室內(nèi)財產(chǎn)洪災損失百分比(y)與洪水深度(x)的對應關系：y=4.276 3x3-32.479x2+82.005x+1.690 4。

3 保險建議

為了轉(zhuǎn)移馬洋溪流域居民室內(nèi)財產(chǎn)面臨的洪水損失風險，選擇投保家庭財產(chǎn)災害損失保險是一種有效的方法和措施。家庭財產(chǎn)災害損失險對由于洪水災害造成的家庭財產(chǎn)損失，以及在災害發(fā)生后為防止災害損失擴大，積極搶救、施救、保護保險標的而支出的費用，保險人將按約定負責提供補償[20]。利用山重村、后坊村、十里村的住宅建筑數(shù)量與室內(nèi)財產(chǎn)價值的乘積，確定家庭財產(chǎn)總價值。根據(jù)深度-損失百分比函數(shù)，可以確定3個村莊的財產(chǎn)損失百分比，最終得到總保險金額。

我國目前開辦的家庭財產(chǎn)保險在區(qū)域范圍內(nèi)實行無差別費率，費率的標準在2‰～5‰之間。根據(jù)中國人民財產(chǎn)保險股份有限公司規(guī)定的家財險費率表，普通家財險的基本費率為r0=1‰，洪水附加保險的基本費率為0.1‰～0.2‰。由于馬洋溪流域洪水災害發(fā)生頻率較高，且以往發(fā)生的洪水等級、洪水淹沒范圍和深度都較為嚴重，因此取附加保險費率為r’=0.2‰。即總費率為：r=r0+r’=1.2‰。最終確定各村莊保險金額與保費計算情況如表6所示。

表6 各村莊保險金額與保費計算情況

4 結(jié)論

本文首先提出以受災人口、死亡人口、總經(jīng)濟損失、受災農(nóng)田面積等作為評價指標來構(gòu)建洪水災害風險評估模型，最大程度地涵蓋了影響洪水損失大小的人口和經(jīng)濟因素。其次，嘗試運用投影追蹤原理評估洪水風險大小，結(jié)果表明：馬洋溪流域洪水風險最高的地區(qū)為十里村，風險等級為Ⅱ級。該方法直觀簡便，不需要參數(shù)估計以及客觀評價打分，適用性、可操作性強，具有推廣應用價值。最后，基于HAZUS原理建立與區(qū)域居民收入水平相關的深度-損失百分比函數(shù)，為災后初步損失評估提供依據(jù)。針對損失評估結(jié)果設計保險方案，最終確定該地區(qū)投保家庭財產(chǎn)災害損失保險的保額和保費。