王望珍，張可欣，陳 瑤

自古以來災害的頻發(fā)給各地區(qū)的社會經(jīng)濟和人員安全帶來不同程度的威脅，阻礙了區(qū)域社會經(jīng)濟的發(fā)展。山區(qū)、林地的自然環(huán)境特殊，地形地質(zhì)和氣候條件直接影響了自然災害的發(fā)生頻率，而社會經(jīng)濟發(fā)展的限制和基礎設施建設的不足也造成了救災搶險的力量薄弱，使得自然災害給山區(qū)和林地帶來更多損失。自然災害風險區(qū)劃［1］可以幫助區(qū)分不同區(qū)域的風險等級，得到區(qū)域的自然災害風險分布，變被動搶險為主動避災，是目前為止應用較為廣泛的一項防災減災非工程措施。

中國山區(qū)的自然災害種類繁多，且常常出現(xiàn)多種災害并發(fā)的情況，傳統(tǒng)的單災種風險評估方法雖然已經(jīng)比較成熟，但無法反映出多種災害之間的相互關系，不能適應區(qū)域多災種綜合風險評估的實際要求［2－5］。充分考慮自然災害間的相互作用和影響，選取合適的多災種綜合風險評價模型，評估得到區(qū)域的多種自然災害綜合風險分布，對防災減災工作具有現(xiàn)實的指導意義。本研究選取神農(nóng)架林區(qū)為研究區(qū)，將多災種耦合修正后的危險性與承災體易損性相結合后形成綜合風險等級評價，并對綜合風險進行了評估深化，為神農(nóng)架林區(qū)綜合災害風險防范提供參考依據(jù)，對區(qū)域規(guī)劃具有一定的指導意義。

1　研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

神農(nóng)架位于湖北省西北部，位于第二第三級階梯交界處，由大巴山脈東延的余脈組成中高山地貌，區(qū)內(nèi)山峰多在1 500 m以上，在雨季極易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災害，威脅著人民的生命財產(chǎn)安全。神農(nóng)架占地面積大，農(nóng)業(yè)人口占總人口比重較大，民眾整體受教育程度不高，農(nóng)村剩余勞動力較多，村鎮(zhèn)交通不便，房屋結構薄弱都使林區(qū)在面對自然災害時相對脆弱。

本研究中山洪災害的資料主要參考自 《神農(nóng)架地區(qū)統(tǒng)計年鑒》和《山洪報告》以及實地調(diào)研，并對數(shù)據(jù)資料采用統(tǒng)一統(tǒng)計標準，以保證數(shù)據(jù)資料能真實反映災害情況，確保評價模型的可信度。

2　多災種耦合的危險性評估模型

2.1　單災種危險性評價

2.1.1危險性評價指標分級 通過對已有洪水、地質(zhì)災害的歷史和現(xiàn)狀分析，考慮到影響因素繁多且資料收集難度較大，在指標選取上放棄了1 h最大降雨量、24 h最大降雨量等不易收集齊全的指標，以及土壤屬性、地質(zhì)巖層、植被覆蓋率等可對比性不大的指標，最后選取了如下指標：洪水災害危險性指標為最大月降雨量，地質(zhì)災害危險性指標為災害點規(guī)模和災害點穩(wěn)定性。

指標分級統(tǒng)計有多種方法，如等間距分級、分位數(shù)分級、標準差分級、自然斷點法等，本研究中數(shù)據(jù)分級采取自然斷點法。根據(jù)科學性、適用性和美觀性原則，利用自然斷點法將選取的危險性指標分為5個等級，每個等級的數(shù)值范圍及含義如表1所示。

表1　神農(nóng)架林區(qū)單災種危險性指標分級方案

2.1.2確定各災害的初始危險性等級 各風險源的單災種危險程度用初始危險性指數(shù)來表示。研究區(qū)內(nèi)共涉及洪水、泥石流、滑坡、崩塌等4類災害，對于每一村級評價單元，各災種的初始危險性指數(shù)計算見式（1）：

式中，Hi表示災害i的初始危險性指數(shù)；n表示災害i的指標個數(shù)；Hij表示災害i的第j個指標對應的危險性等級；Wij表示災害i的第j個指標對應的權重，且=1。具體權重確定見表1，各災害危險性指標的權重選取參考相關文獻［6－8］。將初始危險性指數(shù)轉化為等級，當0＜Hi≤1時，危險性等級非常低， 類似地 1＜Hi≤2，2＜Hi≤3，3＜Hi≤4，4＜Hi≤5分別對應低、中等、高、非常高。

2.2　基于多災種耦合的危險性評估

2.2.1基于多災種耦合的危險性系數(shù)修正 考慮到神農(nóng)架汛期是泥石流、崩塌、滑坡等突發(fā)性地質(zhì)災害易發(fā)期這一特點，不難發(fā)現(xiàn)洪水與地質(zhì)災害在時間和地點上的相關性。洪水是誘發(fā)地質(zhì)災害最活躍的災害因素，主要通過改變土體的水動力條件和穩(wěn)定性，或是提供匯水面積和水源等誘發(fā)泥石流災害［9－11］。

當災害系統(tǒng)中，致災因子、承災體、孕災環(huán)境之間及其內(nèi)部風險因子間存在相互作用，從而改變其風險大小和風險性質(zhì)的現(xiàn)象，稱為災害耦合效應；將復雜的多災種風險系統(tǒng)活動中不同風險或風險因子間相互依賴和相互影響的關系和程度，定義為耦合風險［12］。洪水災害的發(fā)生改變了地質(zhì)災害的孕災因素和致災因素，而這種改變一旦突破該因素防御系統(tǒng)的閾值，將會逐步耦合達到全局的最大閾值，進而觸發(fā)次生災害的發(fā)生，通過改變次生災害的發(fā)生頻率和強度，影響該災種的實際危險性，所以被觸發(fā)災害的初始危險性指數(shù)H2、H3、H4不足以反映其實際危險性，需要依據(jù)觸發(fā)關系來進行調(diào)整。當觸發(fā)災害的初始危險性等級為非常低和低時，認為被觸發(fā)災害的危險性指數(shù)增量為0。當觸發(fā)災害的初始危險性等級為中等、高和非常高時，認為被觸發(fā)災害的危險性指數(shù)增量分為 0.3、0.6 和 1.0。

經(jīng)過耦合分析調(diào)整后得到災害危險性指數(shù)Hi′的等級劃分與初始危險性的等級對應規(guī)則相同。需要提出的是，修正后的危險性指數(shù)可能存在其值超出5的情況，此時仍認為其危險性等級高，記為Hi′＝5。

2.2.2耦合后的多災種危險性綜合評估 為確定神農(nóng)架地區(qū)洪水、泥石流、滑坡、崩塌等災種的權重，本研究采用層次分析法，通過湖北省水利廳10位專家的問卷打分，構造判斷矩陣，經(jīng)計算和檢驗得出這4種災害對于多災種綜合危險性的權重依次為W1=0.36，W2=0.31，W3=0.15，W4=0.18。

采取賦權法對多災種危險性進行綜合評價，按上述方法得出的林區(qū)多災種耦合危險性評價圖如圖1所示，其中，危險性等級非常低的有3個村，占總數(shù)量的4%；危險性等級低的有23個村，占總數(shù)量的35%；危險性等級中等的有23個村，占總數(shù)量的35%；危險性等級高的有16個村，占總數(shù)量的24%；危險性等級非常高的有1個村，占總數(shù)量的2%。超過一半的村鎮(zhèn)危險等級在中高以上，在地理位置分布上主要側重于神農(nóng)架的東北部地區(qū)。

圖1　神農(nóng)架林區(qū)多災種耦合危險性評價

3　神農(nóng)架林區(qū)災害易損性評估

以村級行政區(qū)為評價單元，利用層次分析法，建立區(qū)域易損性的評價指標體系，從相關管理部門取得各類承災體的統(tǒng)計資料，在此基礎上，結合各類承災體的權重，獲得綜合易損性評價等級。

洪水和泥石流等地質(zhì)災害較其他自然災害不同，承災體涵蓋范圍較為廣泛。鑒于數(shù)據(jù)的可獲取性和可對比性，考慮人口、房屋、農(nóng)田、道路、自然環(huán)境5類承災體的易損性，分別選取人口密度、房屋數(shù)量、耕地面積、公路長度、林地面積5個指標來表示。

易損性指標分級同樣使用自然間斷點法分成5級，經(jīng)計算，5類指標的具體分級方法見表2。按此分級標準可在ArcMap中得到各類承災體的易損性評價結果（圖2）。使用層次分析法，通過對比出各承災體對區(qū)域易損性影響的重要程度，計算出相應易損性指標的權重。經(jīng)計算，人口密度、建筑物數(shù)量、公路長度、林地面積的權重分別為W1=0.33，W2=0.24，W3=0.11，W4=0.24，W5=0.11。 每一評價單元的易損性計算見式（2）：

計算得出66個村的易損程度V，轉化為等級，當0＜V≤1時，易損性等級為非常低，類似地1＜V≤2，2＜V≤3，3＜V≤4，4＜V≤5，分別對應低、中等、高、非常高。

按上述方法綜合各類承災體的易損性，在ArcMap中進行疊加計算，得出林區(qū)村級易損性等級評價圖如圖2所示，易損性等級非常低的村有1個，占總數(shù)量的2%；易損性等級低的村有17個，占總數(shù)量的26%；易損性等級中等的村有35個，占總數(shù)量的52%；易損性等級高的村有12個，占總數(shù)量的18%；易損性等級非常高的村有1個，占總數(shù)量的2%。從圖2中可以看出，易損性等級分布總體呈現(xiàn)成片連區(qū)的模式，相同易損性等級的村鎮(zhèn)呈聚集狀，這也符合區(qū)域社會經(jīng)濟的發(fā)展特征。

表2　各類承災體易損性指標分級方案

圖2　神農(nóng)架林區(qū)易損性村級評價

4　多災種耦合綜合風險評估

4.1　多災種綜合風險初步評估

風險矩陣法是將自然災害風險的兩大要素，即多災種危險性和承災體易損性按照各自的特性，采取一定的規(guī)則劃分成若干等級，分別作為橫縱軸，形成風險評價矩陣，在矩陣中完成綜合風險等級的區(qū)分。

本次區(qū)域多災種綜合風險分級參考澳大利亞和新西蘭風險管理標準 （Risk Management，AS／NZS 4 360∶1 999），將風險分為低、中、高、非常高 4 個等級，分別表示為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，具體標準見表3。該標準在風險分級時對危險性和易損性的合并略有不同，所得出的風險矩陣大體是對稱矩陣，值得注意的是當危險性等級為非常高、易損性等級為低時，風險等級為高；相反當災害危險性等級低而承災體易損性非常高時，風險為非常高，較前者提高了一個級別。當易損性和危險性為中或高時，也會出現(xiàn)不同的風險等級結果。當出現(xiàn)易損性較高的情況下，認為危險性不太顯著的地方風險也會很高。

表3　綜合災害風險分級標準

Ⅰ區(qū)表示風險等級低，自然災害對此地造成的影響和破壞不大（無人員傷亡，輕微的房屋破壞，小幅度道路損毀，少量的農(nóng)作物減產(chǎn)，幾乎沒有環(huán)境影響），不需要進一步的風險管理措施。

Ⅱ區(qū)表示風險等級為中等，自然災害對此地存在一定的影響和破壞（幾乎無人員傷亡，中度的房屋破壞，一定幅度的道路損毀，一定量的農(nóng)作物減產(chǎn)，對環(huán)境有一定影響），需要采取一般措施來恢復到災前狀態(tài)，平時應考慮一定的風險管理措施減少損失的發(fā)生。

Ⅲ區(qū)表示風險等級高，自然災害對此地造成的影響和破壞較大（存在人員傷亡，較大的房屋破壞，大面積道路損毀，大量的農(nóng)作物減產(chǎn)，對自然環(huán)境構成威脅），必須采取風險管理對策避免人員傷亡和財產(chǎn)損失擴大。

Ⅳ區(qū)表示風險等級非常高，自然災害對此地造成的影響和破壞非常大（嚴重的人員傷亡，重大的房屋破壞，道路損毀嚴重，災難性的農(nóng)作物減產(chǎn)或絕收，明顯的環(huán)境破壞嚴重），需要采取很大難度的處理措施來恢復到災前狀態(tài)，必須采取嚴格的風險把控和監(jiān)測機制，對災害積極防范、降低風險。

根據(jù)上述風險矩陣的分級標準，將神農(nóng)架林區(qū)多災種耦合危險性和易損性評價在ArcMap中進行疊加運算，得到神農(nóng)架地區(qū)的自然災害綜合風險評價結果，如圖3所示。

圖3　神農(nóng)架林區(qū)災害綜合風險評價結果

4.2　多災種綜合風險的評估深化

4.2.1Borda序值法對風險矩陣法的改進 確定風險矩陣后，66個村的綜合風險評價結果有了一組等級輸出值，下一步工作是確定在風險達到一定程度的地方如何進行資源的合理分配。表3只給出了低、中、高、非常高4種較直觀、簡潔的風險等級，導致一部分風險結的出現(xiàn)。風險結是指在同一風險等級中，屬性基本相同，但還能進行細分的風險模塊。為有效處理風險結的問題，有學者將投票理論用于風險矩陣方法中，形成Borda序值法，并在工程系統(tǒng)中加以應用［13－15］。

1）危險度序值Ei：危險度序值是對所有評價單元的多災種耦合危險程度進行排序的結果。以P1、P2、P3、P4、P5分別代表非常低、低、中等、高、非常高的危險度等級，相應落在該危險度等級的評價單元的個數(shù)為 M1、M2、M3、M4、M5；若某一評價單元的危險度等級為 Pi（i＝1，2，..，5），則它的危險度序值 Ei可由公式（3）計算得出：

其中，Di的值由公式（4）計算得出：

2）易損度序值：易損度序值是對所有評價單元的承災體易損性進行排序的結果。 以 Q1、Q2、Q3、Q4、Q5依次表示非常低、低、中等、高、非常高的易損性等級，相應落在該易損性等級的評價單元的個數(shù)為N1、N2、N3、N4、N5； 若某一評價單元的易損性等級為Qj（j＝1，2，…，5），則它的易損度序值可按式（5）計算得出：

其中，Cj的值由式（6）計算得出：

3）Borda數(shù)：Borda數(shù)是對每一評價單元的綜合風險程度的度量［13］，Borda 數(shù) Bi的值越小，表明其風險程度越嚴重，其表達式見式（7）：

式中，Num表示評價單元的總數(shù)，本研究涵蓋神農(nóng)架林區(qū)66個村級行政區(qū)，故取Num＝66；E、F分別表示該評價單元的危險度序值和易損性序值。

4）Borda序值：對于任意一個評價單元，Borda序值是比其綜合災害風險程度更小的風險級別的數(shù)目。其賦值方法是，將所有評價單元的Borda數(shù)按由大到小排列，相同Borda數(shù)對應的Borda序值分別為0，1，…，n。若評價單位的Borda數(shù)排在第一位，其對應的Borda序值應為0，表明該地區(qū)的災害綜合風險相對最輕微。

根據(jù)Borda序值排列出的各評價單元綜合危險性的進一步細分，就是改進的風險矩陣方法。采用改進的風險矩陣法可以有效減少風險結的個數(shù)，進一步改善各村自然災害綜合風險的排序效果，令原始風險等級的區(qū)分更為顯著，但它不能徹底消除風險結。

4.2.2研究區(qū)綜合風險評價結果 將經(jīng)Borda序值法改進的風險矩陣法應用于神農(nóng)架林區(qū)的主要自然災害綜合風險村級區(qū)劃上，在原始風險矩陣的4種等級劃分上，對66個自然村的綜合風險進行再排序，可將其分為14級，計算結果如表4所示。

根據(jù)表4再分解的風險分級結果，最終得到的風險分區(qū)如圖4所示。在與神農(nóng)架地區(qū)歷史洪水、地質(zhì)災害的統(tǒng)計對比中，高風險和極高風險區(qū)域都是歷史災害的多發(fā)地區(qū)，與實際情況大致相符。

低風險等級的村有豹兒洞村、高坪村、大嶺村、高白巖村、九沖村、龍?zhí)洞濉ⅠR驢場村、桃坪村、中嶺村、石屋頭村；經(jīng)過Borda序值改良排序后，可認為在此類災害風險上豹兒洞村＜高坪村＜大嶺村＝高白巖村＝九沖村＝龍?zhí)洞澹今R驢場村＝桃坪村＝中嶺村＝石屋頭村。

中等風險等級的有紅花村、蓮花村、茅胡村、三堆河村、太陽村、八角廟村、梨子坪村、麻灣村、南埡村、桃園村、萬福村、溫水村、武山村、興隆寺村、長坊村、長青村；經(jīng)過Borda序值改良的風險矩陣再排序后，可認為在此類災害綜合風險上紅花村＝蓮花村＝茅胡村＝三堆河村＝太陽村＜八角廟村＝梨子坪村＝麻灣村＝南埡村＝桃園村＝萬福村＝溫水村＝武山村＝興隆寺村＝長坊村＝長青村。

表4　Borda值改進的風險矩陣評價結果

圖4　神農(nóng)架林區(qū)災害綜合風險Borda值評價結果

高等風險等級的有紅花朵村、龍溪村、貓兒觀村、塔坪村、東溪村、古水村、官封村、紅河村、紅花坪村、紅舉村、龍口村、洛陽河村、木魚村、青樹村、宋洛村、堂坊村、相思嶺村、小當陽村、龍溝村、坪阡村、三股水村、太和山村、板倉村、朝陽村、后山坪村、黃柏阡村、金甲坪村、錢家灣村、青峰村、西坡村；經(jīng)過Borda序值改良的風險矩陣再排序后，可認為在這類災害綜合風險上紅花朵村＝龍溪村＝貓兒觀村＝塔坪村＜東溪村＝古水村＝官封村＝紅河村＝紅花坪村＝紅舉村＝龍口村＝洛陽河村＝木魚村＝青樹村＝宋洛村＝堂坊村＝相思嶺村＝小當陽村＜龍溝村＝坪阡村＝三股水村＝太和山村＜板倉村＝朝陽村＝后山坪村＝黃柏阡村＝金甲坪村＝錢家灣村＝青峰村＝西坡村。

風險等級非常高的村有陽日村、板橋河村、大九湖村、清泉村、松柏村、大坪村、盤龍村、盤水村、雙建村、白蓮村；經(jīng)過Borda序值改良的風險矩陣再排序后，可認為在此類災害綜合風險上陽日村＜板橋河村＝大九湖村＝清泉村＝松柏村＜大坪村＝盤龍村＝盤水村＝雙建村＜白蓮村。

5　小結

建立基于觸發(fā)關系的多災種耦合危險性修正模型，選取相應的易損性指標進行綜合賦權，通過風險矩陣以及Borda序值評價研究區(qū)的綜合風險，結合ArcGIS軟件進行數(shù)據(jù)處理和運算，使用圖形拓撲、疊加功能得到研究區(qū)的綜合風險分布結果。

神農(nóng)架林區(qū)的主要自然災害有洪水、泥石流、滑坡、崩塌4種，林區(qū)共發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災害隱患點200余處；超過一半村鎮(zhèn)屬于綜合風險等級高及以上，主要分布在神農(nóng)架的西部絕大部分地區(qū)、中部和東北部局部地區(qū)；低風險區(qū)主要位于林區(qū)東南部。

參考文獻：

［1］張 騫.基于GIS的北京地區(qū)山洪災害風險區(qū)劃研究［D］.北京：首都師范大學，2014.

［2］ 史培軍.五論災害系統(tǒng)研究的理論與實踐［J］.自然災害學報，2009，18（5）：1－9.

［3］李紹飛，余 萍，孫書洪.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的蓄滯洪區(qū)洪災風險模糊綜合評價［J］.中國農(nóng)村水利水電，2008（6）：60－64.

［4］萬石云，李華宏，胡 娟.云南省滑坡泥石流災害危險區(qū)劃［J］.災害學，2013（2）：60－64.

［5］ KAPPES M S，KEILER M，ELVERFELDT K，et al.Challenges of analyzing multi－h(huán)azard risk：A review［J］.Natural Hazards，2012，64（2）：1925－1958.

［6］蓋程程，翁文國，袁宏永.基于GIS的多災種耦合綜合風險評估［J］.清華大學學報（自然科學版），2011（5）：627－631.

［7］ MARK F，STEFAN G，BENEDIKT S.Multi－risk assessment of spatially relevant hazards in Europe［A］//Process safety and industrial explosion protection：P roceedings of the international ESMG symposium［C］.Nurnberg，Germany：European S afety M anagement G roup Press，2005.

［8］盧 穎，郭良杰，侯云玥，等.多災種耦合綜合風險評估方法在城市用地規(guī)劃中的應用［J］.浙江大學學報（工學版），2015，49（3）：538－546.

［9］黃玉華，張 睿，王佳運.陜北黃土丘陵區(qū)威脅窯洞民居的地質(zhì)災害問題——以陜西延安地區(qū)為例［J］.地質(zhì)通報，2008（8）：1223－1229.

［10］匡樂紅.區(qū)域暴雨泥石流預測預報方法研究［D］.長沙：中南大學，2006.

［11］陳百煉.降水誘發(fā)地質(zhì)災害的氣象預警方法研究［J］.貴州氣象，2002（4）：4－7.

［12］薛 曄，劉耀龍，張濤濤.耦合災害風險的形成機理研究［J］.自然災害學報，2013，22（2）：44－50.

［13］阮 欣，尹志逸，陳艾榮.風險矩陣評估方法研究與工程應用綜述［J］.同濟大學學報（自然科學版），2013，41（3）：381－385.

［14］李樹清，顏 智，段 瑜.風險矩陣法在危險有害因素分級中的應用［J］.中國安全科學學報，2010，20（4）：83－87.

［15］朱啟超，匡興華，沈永平.風險矩陣方法與應用述評［J］.中國工程科學，2003（1）：89－94.