王穎 南京信息工程大學(xué)遙感學(xué)院,南京 210044
基于GIS的青島環(huán)灣地區(qū)暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估
王穎 南京信息工程大學(xué)遙感學(xué)院,南京 210044
基于1971-2007年基準(zhǔn)站和自動(dòng)站降水資料,在災(zāi)害成因機(jī)制分析的基礎(chǔ)上,從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體三個(gè)方面入手選擇指標(biāo),構(gòu)建暴雨災(zāi)害評估的指標(biāo)體系,并基于GIS對青島環(huán)灣地區(qū)暴雨災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估和繪制風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖。
暴雨災(zāi)害;風(fēng)險(xiǎn)評估;GIS
rainstorm disaster; risk asses;smGeISnt
20世紀(jì)以來,伴隨著全球工業(yè)化進(jìn)程,自然環(huán)境不斷惡化,從而誘發(fā)和加劇了全球自然災(zāi)害的發(fā)生。在各類自然災(zāi)害中絕大部分是氣象災(zāi)害,對人類生存安全威脅最大的也是氣象災(zāi)害。城市是抵御氣象災(zāi)害能力最為薄弱的地方。暴雨災(zāi)害是許多城市頻發(fā)的主要自然災(zāi)害類型,在青島環(huán)灣地區(qū)1984~2007年由暴雨引發(fā)的各類災(zāi)害30次,受災(zāi)人口累計(jì)345.4萬人,造成直接經(jīng)濟(jì)損失19.0億元。在防御城市氣象災(zāi)害工作中,氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估是最重要的工作之一。國內(nèi)學(xué)者在暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估方面進(jìn)行了一些有益嘗試。蔣新宇等[1]基于GIS評估了松花江干流暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。劉荊等[2]基于相關(guān)分析評估了淮河流域暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。陳香[3]通過構(gòu)建一個(gè)簡單的集洪災(zāi)致災(zāi)因子、承災(zāi)體和防災(zāi)水平于一體的區(qū)域暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估模型,借助數(shù)字地圖技術(shù),編制以縣域?yàn)閱卧母=ū┯旰闈碁?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布圖和時(shí)間變化圖。解以揚(yáng)[4]等在分析天津市暴雨頻次分布的基礎(chǔ)上,利用天津市內(nèi)澇災(zāi)害仿真模型,對不同類型的降水過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對暴雨引起內(nèi)澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了初步的量化評估。這些研究工作對后續(xù)研究具有非常大的指導(dǎo)意義,但是在研究中在存在著一些不足,主要是研究對象集中在大范圍的流域或省域,對小范圍的城市研究相對數(shù)量比較少。本文以青島的環(huán)灣地區(qū)為研究區(qū)域,以暴雨災(zāi)害為研究對象,在災(zāi)害成因機(jī)制分析的基礎(chǔ)上,從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體三個(gè)方面入手選擇指標(biāo),構(gòu)建暴雨災(zāi)害評估的指標(biāo)體系,基于GIS評估災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)并繪制風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖,期望能為該地區(qū)區(qū)域發(fā)展規(guī)劃中的防災(zāi)和減災(zāi)的規(guī)劃布局提供科學(xué)依據(jù),為城市氣象災(zāi)害的研究提供新的案例。
1.1 研究區(qū)域
2008年9 月青島市啟動(dòng)了新一輪城市總體規(guī)劃(2006~2020),以科學(xué)發(fā)展觀為統(tǒng)領(lǐng),全面融入“環(huán)灣保護(hù)、擁灣發(fā)展”戰(zhàn)略思想,將環(huán)膠州灣區(qū)域規(guī)劃建設(shè)成以軸向發(fā)展、圈層放射、生態(tài)相間為空間結(jié)構(gòu)的國際化、生態(tài)型、花園式的環(huán)灣城市組群。本文研 究范圍選擇環(huán)灣地區(qū)正是基于這個(gè)背景,具體范圍為環(huán)膠州灣的青島市、膠州市和膠南市,以市域行政界線為評估界線,青島市區(qū)以區(qū)級行政單位為基本研究單位,包括市南區(qū)、市北區(qū)、四方區(qū)、黃島區(qū)、嶗山區(qū)、城陽區(qū)、李滄區(qū)。膠州、膠南由于數(shù)據(jù)獲取的原因以市級行政單位為基本研究單位。
1.2 資料來源
研究所用的主要數(shù)據(jù)包括青島氣象局提供的1971~2007年七個(gè)基準(zhǔn)站和自動(dòng)站降水資料、1984~2007年的各地區(qū)各類氣象災(zāi)情普查資料、《青島統(tǒng)計(jì)年鑒》(2008年)、1:250000青島地形圖(2003年)、1:10000青島電子地圖(2008年)。
1.3 研究方法
1.3.1 氣象災(zāi)害系統(tǒng)模型
自然災(zāi)害是地球表層異變過程的產(chǎn)物,是社會(huì)與自然綜合作用的產(chǎn)物。在自然災(zāi)害的形成過程中,致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境與承災(zāi)體缺一不可。災(zāi)害(D)是致災(zāi)因子(H)、孕災(zāi)環(huán)境(E)與承災(zāi)體(S)綜合作用的產(chǎn)物[5],即:
式中,H為致災(zāi)因子的危險(xiǎn)度,是災(zāi)害產(chǎn)生的充分條件,S為承載體的暴露度,是放大或縮小災(zāi)害的必要條件,E為孕災(zāi)環(huán)境的敏感度,是影響致災(zāi)因子和承災(zāi)體的背景條件。
1.3.2 構(gòu)建評估指標(biāo)體系
作為衡量城市氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的評估指標(biāo),不僅應(yīng)遵循客觀性、科學(xué)性、完整性、有效性等普遍原則,還應(yīng)該滿足綜合分析與主導(dǎo)因素相結(jié)合的原則、層次性的原則和可操作性的原則。根據(jù)上述原則,構(gòu)建如圖2所示的指標(biāo)體系,采用層次分析法[6]確定各指標(biāo)權(quán)重值。
1.3.3 評估指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理
由于各個(gè)指標(biāo)的單位不同、量綱不同、數(shù)量級不同,無法直接比較和分析,所以首先要對所有評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,以消除量綱,將其轉(zhuǎn)化成無量綱、無數(shù)量級差別的標(biāo)準(zhǔn)值,然后再進(jìn)行分析評價(jià)。這里選擇的指標(biāo)都是正性指標(biāo),因此采用線性比例變換法把指標(biāo)值轉(zhuǎn)化成 [0,1]區(qū)間的值,公式如下所示:
式中, yi為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值,xi為指標(biāo)值,xmax為該類指標(biāo)的最大值。
1.3.4 構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評估的指標(biāo)加權(quán)綜合模型
暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估的方法有很多種,指標(biāo)模型是其中一種。它著重從災(zāi)害形成的背景與機(jī)理,通過對影響災(zāi)害形成的各種因子的分析,構(gòu)建指標(biāo)體系,并賦予每種指標(biāo)一定權(quán)重,借助加權(quán)綜合模型進(jìn)行綜合,以求得風(fēng)險(xiǎn)度值。
氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度指標(biāo)模型公式如下:
式中,R為風(fēng)險(xiǎn)度,W1、W2、W3分別為致災(zāi)因子危險(xiǎn)度(H)、孕災(zāi)環(huán)境敏感度(S)、承災(zāi)體暴露度(V)的權(quán)重值。
2.1致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性分析
青島暴雨多發(fā)生在夏季,其次是春夏之交和夏秋之間最頻繁。長時(shí)間降水過多或區(qū)域性持續(xù)的暴雨以及局部性短時(shí)強(qiáng)降水常常引發(fā)洪澇、山洪、地質(zhì)災(zāi)害等次生災(zāi)害,沖毀堤壩、房屋、道路、橋梁、輸電線路等設(shè)施,中斷城市的運(yùn)輸、供水供電,淹沒城鎮(zhèn)等,影響城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)和市民正常生活,造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。
國家氣象局規(guī)定的暴雨是指日降水量R≥50mm的大強(qiáng)度降水。由強(qiáng)降水造成的直接和間接的損害稱為暴雨災(zāi)害。利用1971~2007年青島氣象站和采用多元回歸方法續(xù)齊的自動(dòng)站的逐日降水量數(shù)據(jù),按照5 0~100mm、100~150mm、≥150mm分為三級,統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)不同等級的暴雨日數(shù),按照暴雨頻率公式計(jì)算不同等級的暴雨頻率,根據(jù)暴雨等級分別對不同等級的暴雨頻率取權(quán)重0.17、0.33、0.50,最后利用危險(xiǎn)度公式計(jì)算致災(zāi)因子的危險(xiǎn)度值,繪制暴雨災(zāi)害致災(zāi)因子危險(xiǎn)性空間分布圖,如下頁圖1。
從圖1不難發(fā)現(xiàn),青島環(huán)灣地區(qū)暴雨危險(xiǎn)度值存在較明顯的空間差異,最小值為0.30,最大值為1。嶗山區(qū)東南沿海和膠州西南部是暴雨的兩個(gè)極高值中心。其次,嶗山區(qū)的東北部、城陽區(qū)的北部,市南區(qū)、市北區(qū)的西部,膠州、膠南的局部地區(qū)危險(xiǎn)度值相對較高,在均值以上。
2.2 孕災(zāi)環(huán)境的敏感性分析
青島常見的暴雨災(zāi)害主要是由暴雨引發(fā)的洪澇和泥石流等次生災(zāi)害。這些災(zāi)害的發(fā)生與自然環(huán)境中的地形和河網(wǎng)有著密切的關(guān)系,因此選用地形指數(shù)和綜合河網(wǎng)密度指數(shù)來描述孕災(zāi)環(huán)境的敏感性。
(1)地形指數(shù)(S1)
青島的絕大多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害及隱患點(diǎn)分布在海拔250m以下[7],其中高程50~250m和坡度>10°的區(qū)域是暴雨山洪及泥石流等災(zāi)害的多發(fā)區(qū)。采用高程指數(shù)和坡度指數(shù)構(gòu)成地形指數(shù),高程指數(shù)是指50~250m高程范圍的面積比重。坡度指數(shù)是指不同等級坡度的面積比重加權(quán)求和值,坡度10°~20°、20°~30°和>30°權(quán)重分別取0.16、0.30和0.54。地形指數(shù)公式如下所示:
利用ArcGIS軟件在1:250000青島地形圖上統(tǒng)計(jì)50~250m高程范圍和不同坡度面積,分別計(jì)算其面積比重,并加權(quán)求和得出地形指數(shù)值。
(2)綜合河網(wǎng)密度指數(shù)(S2)
青島環(huán)灣地區(qū)的水體主要有河流、湖泊和水庫。河流均為季風(fēng)區(qū)雨源型,多為獨(dú)立入海的山溪性小河。綜合河網(wǎng)密度指數(shù)由河網(wǎng)密度和湖泊水庫面積比例加權(quán)綜合得到,考慮河流和湖泊水庫對暴雨災(zāi)害的影響程度,權(quán)重分別取0.8和0.2,具體公式如下所示:
利用ArcGIS軟件在1:250000青島地形圖上統(tǒng)計(jì)河流長度值和湖泊水庫面積值,經(jīng)計(jì)算得出綜合河網(wǎng)密度指數(shù)值。
(3)孕災(zāi)環(huán)境敏感度指數(shù)
暴雨災(zāi)害的敏感度計(jì)算公式為:
式中,w1、w2分別為地形指數(shù)(S1)和綜合河網(wǎng)密度指數(shù)(S2)的權(quán)重,分別取值為0.32和0.68。從統(tǒng)計(jì)特征出發(fā),選取均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為指標(biāo),將敏感度分成4級(表5),分別為極低值區(qū)(<0.28),低值區(qū)(0.28~0.50),高值區(qū)(0.50~0.73),極高值區(qū)(>0.73)。
分析圖2可知,青島環(huán)膠州灣地區(qū)孕災(zāi)環(huán)境敏感度最高的是嶗山區(qū),其地形指數(shù)和綜合河網(wǎng)密度指數(shù)都較高;其次是膠南區(qū)、市北區(qū)、李滄區(qū)、四方區(qū)、膠州市,敏感度指數(shù)都在均值之上;城陽區(qū)、黃島區(qū)和市南區(qū)均低于平均值,其中市南區(qū)值最小。
2.3 承災(zāi)體的暴露性分析
暴雨災(zāi)害損害的對象主要是人和建筑、設(shè)施,考慮指標(biāo)的可取得性,采用人口密度指標(biāo)和地均GDP指標(biāo)來表征人和物的損失。從2008年《青島市統(tǒng)計(jì)年鑒》獲取人口、GDP、各區(qū)市面積的數(shù)據(jù),計(jì)算人口密度和地均GDP,再根據(jù)下式計(jì)算承災(zāi)體的暴露度指標(biāo)。
式中,w1、w2分別為人口密度標(biāo)準(zhǔn)值(v1)和地均GDP指數(shù)(v2)的權(quán)重,分別取值為0.39、0.61。從統(tǒng)計(jì)特征出發(fā),選取均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為指標(biāo),將暴露度分成4級(表6),分別為極低值區(qū)(<0.29),高值區(qū)(0.29~0.62),極高值區(qū)(0.62~0.95),超高值區(qū)(>0.95)。
由圖3可知,青島環(huán)灣地區(qū)承災(zāi)體暴露度空間差異很大,市南區(qū)、市北區(qū)、四方區(qū)是人口密集、經(jīng)濟(jì)密集的地方,也是暴露度較高的區(qū)域。李滄區(qū)、黃島區(qū)、城陽區(qū)、嶗山區(qū)、膠州市和膠南市暴露度均遠(yuǎn)低于平均值。
2.4 風(fēng)險(xiǎn)分析
基于ArcGIS空間分析平臺(tái),利用氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度指標(biāo)加權(quán)綜合模型,計(jì)算暴雨災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)度值。由圖4可知,青島環(huán)灣地區(qū)暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)最高的地區(qū)在嶗山區(qū)東部和北部、市北區(qū),這是暴雨災(zāi)害重點(diǎn)防御區(qū)。嶗山區(qū)風(fēng)險(xiǎn)度值高的主要原因是致災(zāi)因子危險(xiǎn)度和孕災(zāi)環(huán)境敏感度值均較高,該區(qū)的暴雨頻率、50~250m高程指數(shù)、坡度指數(shù)和綜合河網(wǎng)密度指數(shù)都很高。暴雨引起的山洪、泥石流等災(zāi)害是該區(qū)防御的重點(diǎn)。市北區(qū)是由于其河網(wǎng)密度、人口密度和地均GDP這些因素值較高導(dǎo)致該區(qū)風(fēng)險(xiǎn)度高,其主要防御的是暴雨引起的洪澇災(zāi)害。
嶗山區(qū)的其他地區(qū)、市南區(qū)、四方區(qū)、李滄區(qū)和膠南的大部分地區(qū)、膠州的西南局部地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)值大于平均值,屬于高危險(xiǎn)區(qū)。四方區(qū)是由于河網(wǎng)密度和人口密度、地均GDP值高,其重點(diǎn)防御的是暴雨引起的洪澇災(zāi)害。市南區(qū)是由于人口密度、地均GDP值極高,東部地區(qū)致災(zāi)因子危險(xiǎn)度值較高,導(dǎo)致其風(fēng)險(xiǎn)度較高。
暴雨災(zāi)害的發(fā)生,絕大部分是由于暴雨在短時(shí)間內(nèi)降落,雨水來不及滲入地下,滯留在地面或在地面上流淌形成徑流,最后引發(fā)洪澇和其他災(zāi)害。
城市規(guī)劃和城市建設(shè)中,為了防御暴雨災(zāi)害,主要的防御措施有:(1)綠化造林。在暴雨高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)綠化造林能促進(jìn)土壤吸收較多的水分,減弱暴雨對地面的直接沖刷,防止水土流失,避免造成下游湖泊、河道淤積,確保河道的泄洪能力和湖泊的蓄洪能力。(2)加強(qiáng)防洪工程建設(shè)。根據(jù)暴雨災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級和江河河流的自然地理?xiàng)l件,開展綜合治理,整治河道,修筑堤防,保護(hù)兩岸地區(qū)不受洪水淹沒。
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Risk Assessment of Rainstorm Disaster around the Jiaozhou bay in Qingdao based on GIS
Wang Ying School of Remote Sensing, NUIST, Nanjing 210044,China
Using the precipitation data of base stations and automatic stations during 1971-2007, based on the analysis of the formation mechanism of hazard, the indices are selected from three aspects of the hazard -formative factors, the hazard-formative environments and hazard-affected bodies.The index system of risk assessment for rainstorm disaster is built and the risk is evaluated and zoned based on GIS around the Jiaozhou bay in Qingdao.
486
A
10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.008
王穎(1977-),女,博士,講師,主要從事氣象災(zāi)害和城市氣象研究。