肖啟華，張建新，黃冬梅

(上海海洋大學(xué)信息學(xué)院，上海201306)

城市風(fēng)暴潮災(zāi)害快速評估的模糊決策方法*
——以廈門市為例

肖啟華，張建新，黃冬梅

(上海海洋大學(xué)信息學(xué)院，上海201306)

綜合考慮了反映風(fēng)暴潮災(zāi)害的自然特征和社會屬性的4個指標(biāo)，將其作為評估指標(biāo)，建立了基于模糊決策的風(fēng)暴潮發(fā)生過程中城市災(zāi)害的快速評估模型，并以街道為最小評估單元，對廈門市進(jìn)行了一次模擬風(fēng)暴潮的災(zāi)害綜合快速評估。由于模型考慮了少量具有代表性的因素，故能保證評估過程的快速性、評估結(jié)果的時效性，能為政府在有限的時間和資源下做出救災(zāi)減災(zāi)的優(yōu)先工作策略提供決策依據(jù)。

風(fēng)暴潮災(zāi)害;快速評估;模糊決策;模糊模式識別;模糊綜合評判;城市;福建廈門

風(fēng)暴潮是一種由強(qiáng)風(fēng)掀起的巨浪，在高潮位時發(fā)生的猛烈增水現(xiàn)象。中國是遭受風(fēng)暴潮災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，風(fēng)暴潮的年均經(jīng)濟(jì)損失已由1950年代初期的1億元左右發(fā)展到現(xiàn)在的上百億元［1－2］。隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，風(fēng)暴潮作為我國主要的海洋災(zāi)害，已成為國家減災(zāi)防災(zāi)工作的重點之一。

對于風(fēng)暴潮災(zāi)害的評估，包括災(zāi)前的預(yù)評估(在災(zāi)害發(fā)生之前的預(yù)測性評估)，災(zāi)中的監(jiān)測性評估(災(zāi)害發(fā)生時迅速估算其大概的損失)，災(zāi)后評估(即災(zāi)后對損失現(xiàn)場實際調(diào)查測算)［3］。三者具有不同的意義和用途。本文通過選取適當(dāng)?shù)臑?zāi)害評估指標(biāo)，運用模糊決策，對風(fēng)暴潮發(fā)生過程中某個城市遭受的風(fēng)暴潮災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測性評估，目的在于對災(zāi)害發(fā)生時城市不同區(qū)域遭受的綜合災(zāi)害情況做出快速評估，以便及時為搶險救災(zāi)決策提供參考依據(jù)。

1 風(fēng)暴潮災(zāi)害綜合評估體系

1.1 風(fēng)暴潮災(zāi)害評估承災(zāi)體指標(biāo)體系

風(fēng)暴潮災(zāi)害評估既要分析反映災(zāi)害災(zāi)情的自然特征，又要分析描述承災(zāi)體狀況的災(zāi)害社會特征。潮災(zāi)自然屬性特征由潮災(zāi)的發(fā)生時間、位置、范圍、程度、動態(tài)變化等來描述，潮災(zāi)的社會屬性——承災(zāi)體則以受潮災(zāi)威脅區(qū)域的人及社會財產(chǎn)，包括人口、房屋、工商企業(yè)、農(nóng)作物、基礎(chǔ)設(shè)施等來表征。承災(zāi)體的易損性特征反映了特定社會的人們及其所擁有的財產(chǎn)對災(zāi)害的承受能力。城市化后，城市對水、電、煤氣、通訊、信息、交通等城市“生命線設(shè)施”網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的依賴性增大，由潮災(zāi)引起的各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的局部破壞，可能影響城市的整個系統(tǒng)的運行，甚至造成城市癱瘓。參考聯(lián)合國拉丁美洲和加勒比海經(jīng)社理事會(UNECLAC)提出的評估自然災(zāi)害對社會經(jīng)濟(jì)影響的ECLAC評估方法［4］，可將風(fēng)暴潮災(zāi)害的承災(zāi)體做如下分類(圖1)。

圖1 風(fēng)暴潮災(zāi)害評估承災(zāi)體指標(biāo)體系

1.2 風(fēng)暴潮災(zāi)害評估指標(biāo)體系

風(fēng)暴潮災(zāi)是人、自然、社會相互作用的結(jié)果。要評估一個城市風(fēng)暴潮災(zāi)害的綜合影響，必須從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體中提取出災(zāi)害風(fēng)險的辨識因子(指標(biāo)體系)，依照這些災(zāi)害風(fēng)險要素，結(jié)合受災(zāi)區(qū)實際情況，可將災(zāi)害劃分為若干個等級［5－6］(表1)。

表1 風(fēng)暴潮災(zāi)害綜合評估指標(biāo)體系

1.3 城市風(fēng)暴潮災(zāi)害快速評估指標(biāo)

城市風(fēng)暴潮災(zāi)害快速評估是對發(fā)生風(fēng)暴潮災(zāi)害時的城市各個區(qū)域受災(zāi)情況的快速反應(yīng)，目的是在有限的時間和資源下，為政府做出救災(zāi)減災(zāi)的優(yōu)先工作策略提供決策依據(jù)。因此為了保證評估過程的快速性、評估結(jié)果的時效性，宜選用能反映風(fēng)暴潮災(zāi)害綜合影響的少數(shù)指標(biāo)進(jìn)行評估。本文選取的指標(biāo):①風(fēng)暴潮增水;②城市常住人口;③城市企、事業(yè)單位;④房屋占地面積。

2 單因素評價方法

單因素評價是指對選取的影響城市風(fēng)暴潮災(zāi)害快速評估的各個指標(biāo)分別進(jìn)行評價。評價首先根據(jù)數(shù)據(jù)獲取情況確定待評估城市的最小評估單元(如街道、社區(qū)等)，然后調(diào)用各因素數(shù)據(jù)，計算各因素對事先確定的各評價等級模糊集的隸屬度，由最大隸屬度原則，確定各因素評價等級，屬于模糊模式識別問題。

2.1 因素評價等級評價規(guī)則

①設(shè)定各因素的評價等級數(shù)m;②根據(jù)待評估城市歷史資料、政府發(fā)布的相關(guān)文件數(shù)據(jù)以及收集到各因素數(shù)據(jù)的實際情況可以設(shè)定各因素每個評價等級的區(qū)間值;③確定各因素每個評價等級區(qū)間的模糊隸屬函數(shù)類型;④計算各因素每個評價等級的選定隸屬函數(shù)的參數(shù)。

2.2 因素等級評價

各因素等級評價針對城市每個最小評估單元，采用基于最大隸屬度原則的模式識別方法，調(diào)用該最小評估單元各因素數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定好的等級評價規(guī)則，計算各因素的等級與等級值。

設(shè)論域為U，A1，A2，…，Am是論域U上的m個模糊子集(這里的模糊子集表各因素評價等級數(shù)值區(qū)間)，它們構(gòu)成一個標(biāo)準(zhǔn)的模型庫。對于一個特定的對象u0∈U進(jìn)行識別，如果

即采用極大隸屬度原則，將u0劃歸n個模糊子集Ai(i=1，2，…，m)，從而認(rèn)為對象u0相對屬于第i個模式［7］。

將最小評估單元的因素數(shù)據(jù)代入該因素對應(yīng)

的各等級隸屬函數(shù)，計算得到表示該最小評估單元對第j個等級的隸屬度{rsjn|s=1，…，4;j= 1，2，…，m;n=1，2，…，N}(其中，s為評價因素，n為最小評估單元序號)。如果rsj0n=max {rsjn|j=1，2，…，m}，則該最小評估單元的第s個評估因素等級即為:

當(dāng)j0不唯一時取其最大者;等級值可以取為:

3 風(fēng)暴潮綜合災(zāi)害快速評估的模糊決策

風(fēng)暴潮災(zāi)害快速評估的模糊決策首先對影響風(fēng)暴潮綜合災(zāi)害的4個因素進(jìn)行賦權(quán)，然后利用已經(jīng)計算出的各單因素評價值，采用模糊綜合評價的方法對城市各最小評估單元的綜合災(zāi)害進(jìn)行評估。

3.1 權(quán)重向量生成

權(quán)重是衡量各因素對災(zāi)害等級影響程度相對大小的量，權(quán)重越大意味著該因素對災(zāi)害影響越大。權(quán)重分配一直是個難題，根據(jù)歷史災(zāi)害損失數(shù)據(jù)的收集情況，可以采用主觀、客觀或主客觀相結(jié)合的賦權(quán)方法。

3.2 綜合災(zāi)害快速評估的模糊綜合評判方法

風(fēng)暴潮災(zāi)害的定量評估是災(zāi)害理論研究中的一個難題，隨著近年來“國際減災(zāi)十年”活動的展開，它又成為災(zāi)害理論研究的熱點問題之一。模糊理論在其中得到了廣泛的應(yīng)用［8］。本文采用模糊決策中的模糊綜合評判方法對風(fēng)暴潮發(fā)生過程中某城市遭受災(zāi)害的綜合情況做出快速評估。

設(shè)影響評估的因素的集合為U={u1，u2，…，uk}，m個評語的集合為V={v1，v2，…，vm}，這里的評語表示災(zāi)害和各因素評估等級。若用rij表示第k個因素對第j種評語的隸屬度，則因素論域與評語論域之間的關(guān)系可用評價矩陣

表示。其中0≤rsj=μR(us，vj)≤1，s=1，2，…，k;j=1，2，…，m。

在全面評價一對象時，要著眼于所有因素，但各因素的參考價值可能不盡相同，評價者對各因素的重要程度可以看作是因素集U的模糊子集，記為

將A與R的合成看作評價者綜合各因素和對被評價對象做出的最終評價，即模糊綜合評價。其數(shù)學(xué)模型為:

其中的運算是模糊集的交與并運算，可以有多種選擇，主要依據(jù)數(shù)據(jù)特性做出選擇［7］。

4 實例分析

廈門市地處東亞大陸的東南緣，西臨西太平洋和南海，由于特殊的地理位置和氣候條件，常遭受臺風(fēng)襲擊和影響，給該市造成較為嚴(yán)重的社會經(jīng)濟(jì)損失。以下，我們選取街道為最小評價單位;取評估等級m=5;根據(jù)獲取數(shù)據(jù)特點，選定各因素的隸屬函數(shù)為鐘形或梯形隸屬函數(shù)，采用模糊決策，對廈門市在某次模擬風(fēng)暴潮進(jìn)行中的某時刻經(jīng)受的綜合災(zāi)害，以及風(fēng)暴潮結(jié)束之際城市的總災(zāi)害進(jìn)行了定量快速評估。

4.1 某時刻城市風(fēng)暴潮綜合災(zāi)害評估

4.1.1 街道風(fēng)暴潮災(zāi)害評估指標(biāo)及分級列表

參考國家、廈門市有關(guān)文件和發(fā)布的信息，結(jié)合廈門市歷史漬澇數(shù)據(jù)，給出基于街道水平的城市風(fēng)暴潮綜合災(zāi)害快速評估指標(biāo)體系(表2)。

表2 城市風(fēng)暴潮綜合災(zāi)害快速評估指標(biāo)體系

4.1.2 街道評估矩陣

將表2中數(shù)據(jù)范圍模糊化，代入各因素每個等級的選定隸屬函數(shù)，可確定各隸屬函數(shù)參數(shù)，進(jìn)而計算各因素對各評價等級的模糊隸屬度，從而得到街道評估矩陣。第n(n=1，2，…，15)個街道的評估矩陣為

式中:0≤rsj=μR(us，vj)≤1，s=1，2，3，4;j= 1，2，…，5。

4.1.3 街道災(zāi)害綜合評估等級

對各個因素采用層次分析法進(jìn)行賦權(quán)，運用模糊綜合評判法，對第n個街道進(jìn)行災(zāi)害綜合評價如下:

則第n個街道該時刻的災(zāi)害綜合評價等級為j0(j0= 1，2，…，5)。

第n個街道災(zāi)害綜合評價等級值取為ZJn=

當(dāng)街道平均風(fēng)暴潮增水不足2 cm時，不對該街道作災(zāi)害綜合評估。運用以上方法，得到了廈門市一次模擬風(fēng)暴潮災(zāi)害某時刻基于街道水平的綜合災(zāi)害評估結(jié)果(圖2)。

圖2 一次模擬風(fēng)暴潮某時刻基于街道水平的風(fēng)暴潮災(zāi)害綜合評估結(jié)果

4.1.4 城市災(zāi)害綜合評價等級

整個城市某時刻災(zāi)害綜合等級值可以取為城市所有街道災(zāi)害綜合等級值的面積百分比加權(quán)和，由綜合等級值易得出城市災(zāi)害綜合評價等級。

4.2 一次風(fēng)暴潮災(zāi)害綜合評估

當(dāng)一次風(fēng)暴潮結(jié)束，根據(jù)風(fēng)暴潮過程中各個時刻的因素評價最大數(shù)據(jù)，依照各單因素的權(quán)重系數(shù)，利用模糊綜合評價方法，容易計算得到一次風(fēng)暴潮街道災(zāi)害綜合評價(綜合得分及等級)。進(jìn)而計算出整個城市在此次風(fēng)暴潮中所受的綜合災(zāi)害等級與等級值。

5 結(jié)語

由于風(fēng)暴潮災(zāi)害發(fā)生的突然性、災(zāi)害評估的不精確性，模糊理論在風(fēng)暴潮災(zāi)害評估上得到了廣泛的應(yīng)用。本文利用模糊決策理論，使用單個城市的數(shù)據(jù)，對風(fēng)暴潮發(fā)生過程中該城市遭受的綜合災(zāi)害進(jìn)行災(zāi)中評估。實際操作過程中，依據(jù)收集的數(shù)據(jù)情況，可以確定最小評估單元、各因素模糊隸屬函數(shù)類型、各因素權(quán)重分配方法。收集的數(shù)據(jù)越細(xì)致，評估結(jié)果用于指導(dǎo)災(zāi)害發(fā)生過程中救災(zāi)減災(zāi)工作越有效率。

［1］景垠娜，尹占娥，殷杰，等．基于GIS的上海浦東新區(qū)暴雨內(nèi)澇災(zāi)害危險性分析［J］．災(zāi)害學(xué)，2010，25(2):58－63．

［2］王國棟，康建成，閆國東．沿海城市風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險評估研究述評［J］．災(zāi)害學(xué)，2010，25(3):114－118．

［3］許啟望，譚樹東．風(fēng)暴潮災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失評估方法研究［J］．海洋通報，1998，17(1):1－12．

［4］國家減災(zāi)中心災(zāi)害信息部．災(zāi)害評估的“利器”——ECLAC評估方法評析［J］．中國減災(zāi)，2005(12):22－24．

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［7］謝季堅，劉承平．模糊數(shù)學(xué)方法及其應(yīng)用［M］．3版．武漢:華中科技大學(xué)出版社，2006:93－101，143－191．

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Fuzzy Decision Method of Fast Evaluation of Urban Storm Surge Disasters——Taking Xiamen City as an Example

Xiao Qihua，Zhang Jianxin and Huang Dongmei
(Information College，Shanghai Ocean University，Shanghai201306，China)

By taking into consideration naturalfeatures and socialattribute of storm surge disaster，four indexes are chosen to establish a model for fast evaluation of urban storm surge disaster during storm surges based on fuzzy decision．Using streets as the minimum evaluation unit，a fast evaluation of a simulated storm surge disaster in Xiamen city is conducted．Putting few representative factors into consideration，the model could thus ensure the rapidity of evaluation process，effectiveness of evaluation results，and provide the decision making basis for the governments to make priority strategy in disaster mitigation in limited time and with limited resources．

storm surge disaster;fast evaluation;fuzzy decision;fuzzy pattern recognition;fuzzy comprehensive evaluation;urban;Xiamen of Fujian

P731.23;X4

A

1000－811X(2011)02－0077－04

2010－09－21

海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(200905014);上海市科委重大項目(08dz1204802);上海海洋大學(xué)人文社科項目(A－0211－08－0335)

肖啟華(1976－)，女，漢族，湖南漢壽人，講師，碩士，主用從事應(yīng)用數(shù)學(xué)研究．E-mail:qhxiao@shou.edu.cn