韓 平, 穆成林, 馬莉娟, 趙 陽(yáng)

(阜陽(yáng)師范學(xué)院 歷史文化與旅游學(xué)院, 安徽 阜陽(yáng) 236037)

防洪減災(zāi)能力體現(xiàn)出一個(gè)地區(qū)抵抗洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的能力，對(duì)于防洪減災(zāi)能力科學(xué)的評(píng)估，可以針對(duì)評(píng)估結(jié)果，找出每個(gè)環(huán)節(jié)的不足之處，進(jìn)而為地區(qū)制定出科學(xué)有效的防洪減災(zāi)政策提供有效的參考。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于防洪減災(zāi)能力的研究較少，基本分為兩類：一類是借助主觀性分析建立評(píng)估模型。構(gòu)建防洪減災(zāi)評(píng)估指標(biāo)體系，基于層次分析法的防洪減災(zāi)能力評(píng)估。胡俊峰等[1]構(gòu)建的解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)，建立了適用于各種自然災(zāi)害的減災(zāi)能力評(píng)估指標(biāo)模型。王一新等[2]基于主成分分析對(duì)21座城市的防洪減災(zāi)能力的綜合評(píng)價(jià)，為城市防洪排澇提供理論依據(jù)。另一類是則基于模糊性構(gòu)建的評(píng)估模型，孫鴻鵠等[3]基于熵權(quán)法和云模型評(píng)估了安徽省巢湖流域各縣市的防洪減災(zāi)能力。本文擬基于改進(jìn)的熵權(quán)法與云模型，評(píng)估安徽省淮河流域各縣市的防洪減災(zāi)能力。傳統(tǒng)的熵權(quán)法在確定權(quán)重的時(shí)候客觀性較強(qiáng)，由于數(shù)據(jù)自身的干擾影響權(quán)重的真實(shí)性。為了讓指標(biāo)的賦權(quán)更能體現(xiàn)出主觀性和客觀性的原則，利用最小相對(duì)信息熵原理、秩比法改進(jìn)傳統(tǒng)的熵權(quán)法。根據(jù)確定的權(quán)重和云模型建立的隸屬度矩陣，進(jìn)行模糊計(jì)算，以期得到研究區(qū)的防洪減災(zāi)能力的評(píng)估結(jié)果。

1 研究區(qū)概況

安徽省淮河流域地處淮河中游，面積大約為6.70×104km2，淮河以南的氣候?yàn)閬啛釒駶?rùn)性季風(fēng)氣候，淮河以北的氣候?yàn)闇貛О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候，淮河以北多為平原，淮河以南多為丘陵及山區(qū)。流域內(nèi)平均降雨量為750～1 400 mm，從北往南遞增，年際變化較大，每年梅雨季的降雨量占到全年的60%[4]。

流域內(nèi)行政區(qū)域主要包括：淮北、宿州、亳州、阜陽(yáng)、蚌埠、淮南、六安、滁州、合肥、安慶10個(gè)地市，共38個(gè)縣市。2016年，流域內(nèi)人口為全省的60%，糧食產(chǎn)量占全省的70%，GDP占全省GDP總值的45%，為全省重要的糧油生產(chǎn)基地。

淮河由洪河口入安徽省境內(nèi)，流經(jīng)安徽境內(nèi)全長(zhǎng)401 km，流域內(nèi)南北兩岸支流較多，且呈不對(duì)稱排列?；春右员钡闹Я髌戮徚鏖L(zhǎng)，各支流均為西北—東南流向，典型的平形狀水系，洪水極易泛濫成災(zāi)；淮河以南的直流坡急流短，多發(fā)源于大別山區(qū)，各支流均為南北流向，呈樹枝狀水系。從歷年來(lái)洪澇災(zāi)害的災(zāi)情統(tǒng)計(jì)[5],洪澇災(zāi)害主要是集中在沿淮洼地、淮北平原支流洼地及淮河南部支流圩區(qū)[5]。沿淮洼地主要為潁上、阜南、鳳臺(tái)、壽縣、霍邱、懷遠(yuǎn)、長(zhǎng)豐、鳳陽(yáng)、泗縣、五河、天長(zhǎng)市、明光市、淮南市區(qū)、蚌埠市區(qū)，由于湖泊洼地較多，且汛期受洪澤湖高水位頂托及內(nèi)水無(wú)外排條件[7]，是洪澇災(zāi)害的高發(fā)地區(qū)?；幢逼皆饕獮樗拗?、淮北、蚌埠、阜陽(yáng)、淮南、亳州6個(gè)地市，由于其地勢(shì)平坦、以及支流河道排水能力不足、地面的排水系統(tǒng)的不完善，容易因洪致澇，且淹沒水深較淺，時(shí)間也較短。淮河南部支流圩區(qū)主要集中在明光市、定遠(yuǎn)、鳳陽(yáng)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

主要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自于《2016安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》[6]以及各市縣的2015年的《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。

2.2 研究方法

2.2.1 傳統(tǒng)熵權(quán)法

(1) 指標(biāo)的量化，建立歸一化矩陣。將指標(biāo)數(shù)據(jù)量化到0～1之間。

(1)

式中：Xmax，Xmin——同一指標(biāo)的最大和最小值。

(2) 計(jì)算各指標(biāo)的熵值Hj。

(2)

(3)

式中：fij——各指標(biāo)rij的比重；m——評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)。

(3) 計(jì)算各指標(biāo)的熵權(quán)Zj。

(4)

2.2.2 改進(jìn)熵權(quán)法 秩比法[7-8]是根據(jù)指標(biāo)評(píng)價(jià)依照優(yōu)至劣進(jìn)行編秩，通過矯正系數(shù)可以消除某些異常極值的干擾，能反應(yīng)出指標(biāo)的微小變化，適用于各種評(píng)價(jià)對(duì)象。在綜合考慮防洪減災(zāi)因素的基礎(chǔ)上，分別對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)按照影響程度進(jìn)行賦值，對(duì)于防洪減災(zāi)能力影響程度越大，則該指標(biāo)值為m，稍優(yōu)值為為m-1，最次指標(biāo)值為1。改進(jìn)后的熵權(quán)法能較好的減少主客觀的影響。則賦值后指標(biāo)i的偏好矯正系數(shù)為：

(5)

根據(jù)最小相對(duì)信息熵原理[9]:

(6)

用拉格朗日乘法優(yōu)化上述問題得到[9]：

(7)

2.2.3 云模型 云模型是由李德毅提出的，可以實(shí)現(xiàn)其定性與定量之間不確定性轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型，通過用期望(Ex)、熵(En)和超熵(He)3個(gè)特征值，將一個(gè)定性的概念通過云發(fā)生器定量的表示出來(lái)[9-11](圖1)。能夠克服定性評(píng)價(jià)中的模糊和不確定性問題[12-14]，可以進(jìn)行有效客觀的評(píng)價(jià)，具有較廣的普適性特征[15-16]。

(8)

P(x)稱為x在論語(yǔ)P上的分布為正太云。算法如下：

①生成正態(tài)隨機(jī)數(shù)。

(9)

②再次生成正態(tài)隨機(jī)數(shù)。

(10)

③計(jì)算隸屬度。

(11)

④(Xi，Ui)構(gòu)成數(shù)域中任意一個(gè)云滴。

⑤重復(fù)1～4步驟，產(chǎn)生設(shè)定的n個(gè)云滴。

注：Ex=200； En=8； He=1。圖1 正太云及數(shù)字特征

2.2.4 研究步驟

(1) 評(píng)估模型的建立，選取評(píng)估指標(biāo)。

(2) 根據(jù)改進(jìn)的熵權(quán)法計(jì)算各個(gè)指標(biāo)權(quán)重Zij。

(12)

(13)

Heij=k

(14)

式中：Exij，Enij——第i個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的第j個(gè)等級(jí)的Ex，En值；He——熵的不確定性值，反映出云滴的離散情況。如果He較大，則云的厚度較大，He較小，云的厚度較小。He大小根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定。

(4) 根據(jù)正太云模型，計(jì)算出各指標(biāo)對(duì)應(yīng)每個(gè)等級(jí)云的隸屬度。構(gòu)成關(guān)系矩陣V=(V)ij，隸屬度計(jì)算一般取N次計(jì)算的平均值，公式如下：

(15)

(5) 利用隸屬度矩陣V與權(quán)重向量Z進(jìn)行運(yùn)算。然后根據(jù)最大隸屬度原則，評(píng)估結(jié)果中最大值對(duì)應(yīng)的等級(jí)，則為評(píng)價(jià)地區(qū)的評(píng)估結(jié)果。即：

C=V·Z=[C1,C2,…,C5]

(16)

3 研究區(qū)評(píng)估內(nèi)容

3.1 構(gòu)建防洪減災(zāi)能力指標(biāo)體系

影響防洪減災(zāi)能力評(píng)估的因子涉及較廣，針對(duì)現(xiàn)有的防洪減災(zāi)能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[1-5]，主要是從災(zāi)前的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力、災(zāi)中的防洪排澇能力、災(zāi)后的災(zāi)害管理能力及搶險(xiǎn)救災(zāi)能力4個(gè)方面來(lái)考慮。本文按照資料的可獲取性和科學(xué)性為原則，監(jiān)測(cè)預(yù)警能力評(píng)價(jià)指標(biāo)是電話用戶個(gè)數(shù)、地均水文站點(diǎn)數(shù)，防洪除澇能力評(píng)價(jià)指標(biāo)為除澇面積比、堤壩保護(hù)耕地比、堤壩保護(hù)人口比、排水管道密度，搶險(xiǎn)救災(zāi)能力為人均糧食產(chǎn)量、人均地方財(cái)政收入、人均居民儲(chǔ)蓄款、人均醫(yī)療機(jī)構(gòu)床位數(shù)、植被覆蓋率、公路密度，災(zāi)害管理能力為地均水利管理人員，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)模型(表1)。

表1 淮河流域內(nèi)評(píng)估指標(biāo)體系

3.2 指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

根據(jù)公式(1)—(4)計(jì)算得出的各個(gè)指標(biāo)傳統(tǒng)熵權(quán)的權(quán)重。根據(jù)公式(5)確定偏好矯正系數(shù)Ri，按照公式(7)得到無(wú)偏權(quán)重，結(jié)果如表2。

3.3 防洪減災(zāi)能力的計(jì)算

根據(jù)評(píng)估指標(biāo)的大小，按照自然斷點(diǎn)法(Nature breaks)將各評(píng)估指標(biāo)分級(jí)(表3)，自然斷點(diǎn)法是根據(jù)

數(shù)據(jù)分布的統(tǒng)計(jì)特征，利用方差來(lái)衡量分成若干類，可以更好的反映出數(shù)據(jù)分類效果，使類別之間的差異明顯，類內(nèi)部的差異很小?，F(xiàn)將評(píng)估結(jié)果分為5個(gè)等級(jí)：低水平、較低水平、中等水平、較高水平、高水平。根據(jù)公式(12)—(14)建立每個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)等級(jí)的正態(tài)云模型(表4)。

表2 淮河流域防洪減災(zāi)能力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

以堤壩保護(hù)耕地比(P8)為例。根據(jù)公式(11)與云矩陣R(表4)，編寫程序代碼，在Matlab 2017軟件中循環(huán)1 000次計(jì)算，得到堤壩保護(hù)人口指標(biāo)的的正態(tài)云模型(圖2)，此圖可以反映出正態(tài)分布特征。

以肥西縣為例，將各指標(biāo)數(shù)據(jù)帶入建立的正太云模型，在Matlab 2017軟件中，根據(jù)代碼循環(huán)計(jì)算1 000次〔公式(16)〕，得到肥東縣平均隸屬度值(表5)。同理，可以得到其他縣區(qū)各指標(biāo)的的隸屬度。

表3 淮河流域防洪減災(zāi)能力評(píng)估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

表4 準(zhǔn)河流域防洪減災(zāi)能力評(píng)估正太云標(biāo)準(zhǔn)

圖2 準(zhǔn)河流域堤壩保護(hù)耕地比(P8)的正太云隸屬度表5 肥東縣正太云平均隸屬度值

指標(biāo)低水平等較低等中等較高等高等P10.000 00.000 00.005 90.997 40.296 3P20.000 00.028 80.735 00.342 80.000 3P30.000 00.946 30.819 30.291 60.123 9P40.664 80.372 60.010 60.000 80.000 7P50.000 00.018 30.977 30.108 00.146 2P60.000 00.000 00.014 40.914 90.238 7P70.041 30.983 80.193 50.001 70.000 0P80.992 70.146 80.003 00.000 90.000 0P90.831 70.394 80.094 40.000 00.000 0P100.000 00.000 00.000 00.000 00.501 9P110.000 00.006 50.564 30.449 00.003 6P120.000 00.014 40.816 80.378 40.452 5P130.000 00.188 30.998 20.210 60.003 4

將隸屬度矩陣Z(表5)與權(quán)重集V(表2)進(jìn)行模糊計(jì)算(公式16)，根據(jù)最大隸屬度原則，最大值對(duì)應(yīng)的等級(jí)作為肥西縣防洪減災(zāi)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。同樣，可以評(píng)估出其他市縣的防洪減災(zāi)能力(表6，圖3)。按照此步驟，也可以得到其余4個(gè)方面的評(píng)估結(jié)果(圖4—7)。

表6 準(zhǔn)河流域防洪減災(zāi)能力評(píng)價(jià)結(jié)果

圖3 準(zhǔn)河流域防洪減災(zāi)能力評(píng)估結(jié)果

圖4 準(zhǔn)河流域監(jiān)測(cè)預(yù)警能力評(píng)估結(jié)果

圖5 準(zhǔn)河流域防洪除澇能力評(píng)估結(jié)果

3.4 結(jié)果與分析

從防洪減災(zāi)能力(圖3)可知，研究區(qū)域內(nèi)的防洪減災(zāi)能力，從整體上看屬于中下等水平，空間差異分布比較明顯，流域北部相對(duì)高于南部，流域東部相對(duì)高于西部；市轄區(qū)的防洪減災(zāi)能力相對(duì)較高，縣域防洪減災(zāi)能力相對(duì)較低；其中，評(píng)估水平較高的有肥西縣和淮北、蚌埠、淮南、滁州市；長(zhǎng)豐、五河、鳳臺(tái)、蕭縣和天長(zhǎng)、阜陽(yáng)、六安市屬于相對(duì)較高水平；肥東、濉溪、碭山、泗縣和宿州、界首、明光市為中等水平；其余市縣則為相對(duì)較低水平。從結(jié)果可以看出，各地市市轄區(qū)防洪減災(zāi)能力相對(duì)較高，除了亳州市轄區(qū)相對(duì)水平較低。縣域水平整體相對(duì)水平較低，除了長(zhǎng)豐、五河、鳳臺(tái)、蕭縣、泗縣和天長(zhǎng)、肥東、濉溪、界首、明光市為中高等水平。主要和當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展水平及防洪工程布置有關(guān)，整體上的空間布局和淮河流域防洪工程布置基本一致。

圖6 準(zhǔn)河流域搶險(xiǎn)救災(zāi)能力評(píng)估結(jié)果

在監(jiān)測(cè)預(yù)警能力(圖4)方面：監(jiān)測(cè)預(yù)警能力是從水文站點(diǎn)和通訊設(shè)備有關(guān)，總體上來(lái)看，流域內(nèi)的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力處于中等水平，其中水平低的縣主要有：蒙城、利辛、臨泉、太和、阜南、潁上、壽縣，主要集中在淮北平原的縣，應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)警能力的建設(shè)。從防洪除澇能力(圖5)來(lái)看：從整體上來(lái)看，流域北部防洪除澇能力相對(duì)較強(qiáng)，流域南部防洪除澇能力相對(duì)較弱，流域東南相對(duì)除澇能力較低，防洪除澇能力低的縣市有：長(zhǎng)豐、肥東、滁州、定遠(yuǎn)、六安、金寨、霍山，能力相對(duì)較低的縣市有肥西、臨泉、來(lái)安、鳳陽(yáng)、明光、霍邱、岳西，應(yīng)該加強(qiáng)防洪減災(zāi)能力的建設(shè)。從搶險(xiǎn)救災(zāi)能力(圖6)方面：從人均地方財(cái)政收入、人均儲(chǔ)蓄款余額、森林覆蓋率、公路密度、人均糧食產(chǎn)量、人均醫(yī)療機(jī)構(gòu)床位數(shù)六個(gè)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)估模型，主要是和各地區(qū)的綜合經(jīng)濟(jì)能力有關(guān)，能力較高的主要集中在市轄區(qū)，從結(jié)果來(lái)看能力處于高水平的縣市有：肥西、淮北、蚌埠、淮南、滁州、天長(zhǎng)，處于較高水平的有肥東、宿州、鳳臺(tái)、六安、霍山，其余市縣處于相對(duì)中低水平。從災(zāi)害管理能力(圖7)方面，由于搜集資料的受限，主要是從地均水利管理人員考慮，流域內(nèi)的災(zāi)害管理整體處于中等偏下的水平，相對(duì)能力處于高水平的有：肥西、淮北、碭山、蕭縣、蚌埠、阜陽(yáng)、界首、滁州。處于中等水平的有肥東、濉溪、亳州、蒙城、宿州、淮南、鳳臺(tái)、定遠(yuǎn)、鳳陽(yáng)、明光。其余地市均處于低水平。

4 結(jié) 論

(1) 基于云模型計(jì)算防洪減災(zāi)能力，能解決以往評(píng)估方法中的確定性和模糊性的問題，更客觀的反應(yīng)出評(píng)估能力；利用最小相對(duì)信息熵原理和秩比法對(duì)熵權(quán)法進(jìn)行改進(jìn)，將改進(jìn)的熵權(quán)法應(yīng)用于指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算中，能更加符合實(shí)際情況，克服了傳統(tǒng)熵權(quán)法客觀性強(qiáng)較的缺點(diǎn)，充分挖掘權(quán)重結(jié)構(gòu)中主客觀信息。且在云模型評(píng)估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)劃分中，也采用了自然斷點(diǎn)法，克服以往較為主觀性的劃分，能較好的減少主客觀的影響。

(2) 研究區(qū)內(nèi)的防洪減災(zāi)能力，從整體上來(lái)看屬于中低水平，各市域的防洪減災(zāi)能力相對(duì)較高，而各縣域內(nèi)的防洪減災(zāi)能力相對(duì)于較低；流域內(nèi)的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力都處于相對(duì)中等水平，但蒙城、利辛、臨泉、太和、阜南、潁上、壽縣水平較低，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)警能力的建設(shè)；在防洪除澇方面，流域南部的縣市的其整體水平低于北部的縣市，應(yīng)該加強(qiáng)防洪除澇能力建設(shè)；在搶險(xiǎn)救災(zāi)能力上，阜陽(yáng)市和亳州市整體能力處于中等水平，應(yīng)加強(qiáng)搶險(xiǎn)救災(zāi)能力建設(shè)；在災(zāi)害管理方面，大多市縣都屬于相對(duì)較低水平，應(yīng)從整體上加強(qiáng)災(zāi)害管理能力建設(shè)。和區(qū)域內(nèi)已有的主觀性的研究方法[17]相比，整體上的評(píng)估結(jié)果分布上大致相同，但也存在評(píng)價(jià)單元不同層次的評(píng)估結(jié)果的差異，主要是本文的研究方法是基于客觀性分析，評(píng)價(jià)結(jié)果是評(píng)價(jià)單元基于某個(gè)程度的隸屬某個(gè)等級(jí)。而以往的主觀性研究方法無(wú)論是從方法還是結(jié)果分類，更多的是個(gè)人主觀性較強(qiáng)，所以這樣兩種主客觀不同的方法也導(dǎo)致了評(píng)價(jià)單元在上下不同等級(jí)之間浮動(dòng)，但總體上趨勢(shì)相同。這也從另一方面更加證明了該方法的可行性。

(3) 在研究時(shí)，由于資料的收集限制，沒有考慮到更詳盡指標(biāo)因素，本文基于各縣市作為評(píng)估單元，沒有辦法體現(xiàn)出縣域內(nèi)部的差異性，而且沒有考慮防洪減災(zāi)流動(dòng)資源的影響，這些需要進(jìn)一步以格網(wǎng)單元進(jìn)行分析研究，體現(xiàn)出同一地區(qū)不同地方的防洪減災(zāi)能力的差異性。