焦俊超,馬安青,李福建

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100;2.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266100)

自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值是未來(lái)若干年可能達(dá)到的災(zāi)害程度及其發(fā)生的可能[1]。青島嶗山區(qū)地貌類型眾多,雨季集中,洪水災(zāi)害時(shí)有發(fā)生,洪水災(zāi)害的危險(xiǎn)評(píng)判顯得極為重要。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判是對(duì)一特定期間內(nèi)安全、健康、生態(tài)、財(cái)政等受到損害的可能性及可能的程度做出評(píng)估的系統(tǒng)過(guò)程[2]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,GIS在企業(yè)信息管理、土地規(guī)劃、燃?xì)夤芫W(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等方面得到了廣泛的應(yīng)用。其中,將GIS技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境評(píng)價(jià)中,實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)特有的集成管理與空間分析功能是其它系統(tǒng)和應(yīng)用軟件難以替代的[3]。模糊綜合評(píng)判決策是對(duì)受多種因素影響的事物做出全面評(píng)判的一種十分有效的多因素決策方法,而洪水災(zāi)害的災(zāi)情是由各種自然環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多種因素綜合作用的結(jié)果[4],因此將模糊數(shù)學(xué)方法引入災(zāi)情評(píng)判是十分有必要的。

目前為止,利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和GIS技術(shù)研究洪水災(zāi)害是一個(gè)熱點(diǎn)[5-6],但大部分基于GIS的模糊評(píng)判方法都是借助ArcGIS軟件,利用柵格圖層疊加完成的[7-8]。這需要使用者必須對(duì)GIS軟件有很強(qiáng)的操作能力,這就在一定程度上限制了用戶的范圍,甚至?xí)绊懙阶罱K評(píng)估結(jié)果的正確性。本研究把嶗山區(qū)劃成一定面積的矢量網(wǎng)格,運(yùn)用模糊綜合評(píng)判方法構(gòu)建評(píng)判模型,結(jié)合組件GIS開(kāi)發(fā)嶗山區(qū)洪水危險(xiǎn)性分級(jí)評(píng)判系統(tǒng),使用時(shí)只需按照界面提示輸入相關(guān)數(shù)據(jù)即可得到評(píng)價(jià)結(jié)果,從而為相關(guān)部門提供易操作的輔助決策系統(tǒng)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)資料

1.1 研究區(qū)概況

青島市嶗山區(qū)位于青島市東南部,位于120°24′—120°37′E,36°4′—36°8′N 之間,面積 390 km2。轄有中韓、沙子口、北宅、王哥莊 4個(gè)街道辦事處,是山東經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一[9]。嶗山主峰海拔1 132.7 m,區(qū)域平均高程 55 m;山區(qū)丘陵面積360.44 km2,占總面積的92.6%;山區(qū)坡度陡峭,最大超過(guò)7°;區(qū)域內(nèi)河流23條,特點(diǎn)是源短,流急,多直流入海;該區(qū)屬溫帶大陸季風(fēng)氣候,降水時(shí)空差異較為顯著,夏秋季(6—10月)降水量占全年降水量的62.3%。這些地形、氣候等特征成為嶗山區(qū)洪水災(zāi)害的發(fā)生的主要誘因。

1.2 數(shù)據(jù)資料

數(shù)據(jù)主要包括1∶2.5萬(wàn)的嶗山區(qū)地形圖,1∶5萬(wàn)的青島市地貌圖,1∶5萬(wàn)嶗山區(qū)河流水系圖,1∶4.7萬(wàn)嶗山區(qū)行政區(qū)劃圖,1985—2008年嶗山區(qū)各個(gè)氣象觀測(cè)站的降雨量數(shù)據(jù)。另外還有嶗山區(qū)市情資料庫(kù)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)等。

2 研究方法和實(shí)施技術(shù)

2.1 模糊評(píng)判法

自美國(guó)控制專家Zadeh L A提出模糊集合的概念以來(lái),模糊綜合評(píng)判理論被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域[10-11]。把要評(píng)判的事物看成是由多種因素組成的模糊集合(稱為因素集U),再設(shè)定這些因素所能選取的評(píng)審等級(jí),組成模糊集合(稱為評(píng)判集V),利用隸屬度函數(shù)求評(píng)價(jià)因子對(duì)危險(xiǎn)級(jí)別的隸屬度,分別求出各單一因素對(duì)各評(píng)審等級(jí)的歸屬程度(稱為模糊矩陣R)。根據(jù)層次分析法[12]得到各因子權(quán)重A,最終得到評(píng)判等級(jí)B=A×R。

2.2 GIS技術(shù)

國(guó)外尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家將GIS技術(shù)應(yīng)用于洪水災(zāi)害研究方面已做了很多研究,對(duì)洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性及其時(shí)空分布的研究,成為這些研究中的一個(gè)重要內(nèi)容[13-14]。組件式GIS是指基于組件對(duì)象的平臺(tái),以組件的形式提供基本功能,是GIS與組件技術(shù)相結(jié)合的新一代地理信息系統(tǒng)[15]。組件式GIS與通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)結(jié)合,成為當(dāng)今GIS模型實(shí)用化發(fā)展所采用的一種主要方式。

3 模型建立和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 建立模糊評(píng)判模型

嶗山區(qū)洪水災(zāi)害危險(xiǎn)評(píng)判系統(tǒng)技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 嶗山區(qū)洪水災(zāi)害危險(xiǎn)評(píng)判系統(tǒng)技術(shù)路線圖

3.1.1 選取致災(zāi)因子 嶗山區(qū)夏秋季降水的總量和強(qiáng)度都是最大的,洪水災(zāi)害也基本上都發(fā)生在夏秋季節(jié)。因此評(píng)判系統(tǒng)主要基于夏秋季的各種數(shù)據(jù),評(píng)判結(jié)果也是針對(duì)夏秋季而言的。在評(píng)判體系中,根據(jù)實(shí)際情況和前人的研究[16],遴選了夏秋季的降水強(qiáng)度(U1)、坡度(U2)、河網(wǎng)密度(U3)、人口密度(U4)、植被覆蓋(U5)和降雨量(U6)6個(gè)致災(zāi)因子來(lái)進(jìn)行危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)判。由嶗山區(qū)各氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)通過(guò)插值方法得到降水量與降水強(qiáng)度空間分布圖,其中降雨量是夏秋季節(jié)的總降水量,降雨強(qiáng)度是日降水量大于50 mm的天數(shù)和。坡度由嶗山區(qū)地形圖的DEM得到,河流由嶗山區(qū)水系分布圖得到。人口密度由嶗山區(qū)市情資料庫(kù)查閱并通過(guò)插值得到,植被覆蓋由青島市地貌得到。

3.1.2 矢量網(wǎng)格數(shù)據(jù) 用ArcGIS軟件將1∶4.7萬(wàn)青島嶗山區(qū)地形圖數(shù)字化為9 750個(gè)邊長(zhǎng)為200 m的ShapeFile矢量網(wǎng)格,每個(gè)網(wǎng)格都將被看作是一個(gè)獨(dú)立的響應(yīng)單元。該分辨率基本保證了每個(gè)評(píng)判單元內(nèi),致災(zāi)因子空間變化的一致性以及單元間變化的連續(xù)性。對(duì)照各因子的地圖分布進(jìn)行評(píng)判單元數(shù)據(jù)入庫(kù)操作,把要進(jìn)行綜合評(píng)判的因素作為字段存儲(chǔ)在矢量數(shù)據(jù)庫(kù)中。把嶗山區(qū)域離散為這些均勻矢量網(wǎng)格,評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)中的字段對(duì)應(yīng)模糊評(píng)價(jià)模型中的影響因子,每條記錄實(shí)際代表200 m×200 m的地塊,相當(dāng)于一個(gè)評(píng)判單元。

3.1.3 決斷集及隸屬度 重點(diǎn)根據(jù)已有洪水調(diào)查數(shù)據(jù),結(jié)合相關(guān)的研究[17]和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,將各評(píng)判因子進(jìn)行量化分級(jí),建立了嶗山區(qū)洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)判因子等級(jí)劃分表(表1)。

鑒于災(zāi)害環(huán)境系統(tǒng)的復(fù)雜性,因此其風(fēng)險(xiǎn)并不具有絕對(duì)的含義。常用的分級(jí)方法為邏輯信息分類法和特征分類法,將級(jí)別劃分為3級(jí)或5級(jí)[18]。在這里分為5級(jí),決斷集V=(1,2,3,4,5),每一個(gè)影響因子都分為5個(gè)等級(jí),最安全(1級(jí))、安全(2級(jí))、一般(3級(jí))、不安全(4級(jí))、最不安全(5級(jí))。

表1 致災(zāi)因子分級(jí)

3.1.4 建立權(quán)重集 致災(zāi)因子對(duì)引發(fā)洪水災(zāi)害的作用有大小之分,因此,分析指標(biāo)體系中的各項(xiàng)因素的相互作用和相互聯(lián)系,確定它們?cè)谠u(píng)價(jià)體系中的相對(duì)地位和相對(duì)影響即所占的權(quán)重,是正確進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的重要條件。

按照AHP層次分析法[19-20],通過(guò)兩兩比較,構(gòu)造出判斷矩陣,計(jì)算出各因子權(quán)重,如表2所示。

表2 因子權(quán)重值

3.1.5 評(píng)價(jià)計(jì)算 根據(jù)上面介紹的模糊評(píng)判原理,采用M(?,+)——加權(quán)平均模型,對(duì)每個(gè)網(wǎng)格的數(shù)據(jù)按照隸屬函數(shù)計(jì)算得到各因子的隸屬度,得到矩陣R。綜合評(píng)判等級(jí)矩陣B=A×R。再根據(jù)加權(quán)平均模型對(duì)矩陣B進(jìn)行歸一化整理,得到最終的評(píng)判等級(jí)值。

3.2 GIS系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

借助于VB.Net 2005和ArcEngine 9.2開(kāi)發(fā)出以GIS為基礎(chǔ),模糊評(píng)判模型為核心的系統(tǒng)。在評(píng)判系統(tǒng)中,用戶應(yīng)先新建最終評(píng)判等級(jí)字段,在等級(jí)計(jì)算對(duì)話框里可以選擇相關(guān)的評(píng)判因子,然后輸入各個(gè)因子的分級(jí)值以及權(quán)重,依據(jù)嵌入的模糊評(píng)判模型進(jìn)行運(yùn)算,最后得到評(píng)判等級(jí)。利用評(píng)價(jià)等級(jí)字段制作專題圖,對(duì)危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)判結(jié)果以專題圖形式顯示,得到嶗山區(qū)洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)判的最終可視化效果(圖2)。

3.3 評(píng)判結(jié)果分析

由系統(tǒng)評(píng)判出的結(jié)果圖2可以看出,嶗山區(qū)洪水災(zāi)害最不安全區(qū)占全區(qū)總面積的1.8%。主要分布在王哥莊辦事處的白石頭窖、孢子崮、桑石屋和東西岐以及沙子口辦事處的后曹等地。歷史上因洪水而引起的大河?xùn)|村泥石流災(zāi)害就發(fā)生在這個(gè)地區(qū),這與評(píng)價(jià)結(jié)果相吻合。

圖2 嶗山區(qū)洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)最終評(píng)判結(jié)果

不安全區(qū)占全區(qū)總面積的14.1%,主要分布在王哥莊辦事處北部的石屋澗、解家河地區(qū),中部的張家村、劉家村、蔡家村,南部的前尖、大平嵐一帶,在北宅辦事處的東部也有零星分布。

一般區(qū)占全區(qū)面積的42.6%。主要分布在沙子口街道北部的竹窩、柳樹(shù)臺(tái)、周嵐,中部的小河?xùn)|、大庵子,南部的黑石溝、幸福村,北宅街道的李家、孫家村地區(qū)以及王哥莊街道北部的埔里、劉家窩附近。

安全區(qū)占全區(qū)面積的37.6%?；靖采w中韓全部、沙子口西南區(qū)、北宅的中部和西部地區(qū)。

最安全區(qū)主要分布在北宅街道的畢家村、五龍村、東陳村和沙子口街道的北龍口和南龍口。

最不安全和不安全區(qū)域主要分布在王哥莊地區(qū),一般區(qū)在北宅和沙子口分布較多,中韓發(fā)生洪水災(zāi)害的危險(xiǎn)等級(jí)最小。因此,應(yīng)該加強(qiáng)防御的地區(qū)是王哥莊地區(qū)。

4 結(jié)論

模糊數(shù)學(xué)與GIS相結(jié)合,使洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)更加效率化,科學(xué)化,可信度更高。系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單,效果直觀,能提供良好的可視化界面,空間分析及各種專題地圖制作功能,無(wú)須專業(yè)的GIS知識(shí),只需按提示輸入隸屬函數(shù)分級(jí)值和權(quán)重值即可。評(píng)判結(jié)果與以往實(shí)際發(fā)生點(diǎn),基本一致,這表明研究所采用的評(píng)價(jià)方法較為科學(xué),選用的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系較為準(zhǔn)確。該系統(tǒng)嵌入的模型具有通用性強(qiáng)的特點(diǎn),這就可以在修改相應(yīng)參數(shù)后移植到其它區(qū)域,進(jìn)而擴(kuò)大GIS在水土保持方面的應(yīng)用范圍。但在模型設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中也存在一些需要完善的方面,如致災(zāi)因子的全面性和計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度等。

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