許 磊

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

山洪作為一種自然災(zāi)害嚴(yán)重威脅著山丘地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生命財(cái)產(chǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)約1/3的人口來自山丘地區(qū)，其占地面積約為國(guó)土總面積的2/3。目前，由洪澇引起的人員傷亡中約80%的來自山洪災(zāi)害。山洪屬于一種自然災(zāi)害，其管理理念由災(zāi)害程度的減輕逐漸變?yōu)闉?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的降低，所以應(yīng)與社會(huì)管理自然災(zāi)害的方法基本相當(dāng)。實(shí)施減災(zāi)措施和政策的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)與必要步驟是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)，系統(tǒng)性、前瞻性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)不僅有助于促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和保持社會(huì)穩(wěn)定，而且能夠顯著提升人類抵御自然災(zāi)害的能力，然而目前還未形成一套科學(xué)、完善的評(píng)價(jià)方法[1- 3]。毛德華、PC Nayak等[4- 5]在自然災(zāi)害評(píng)價(jià)中引入模糊數(shù)學(xué)的方法，并以實(shí)例驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性與適用性；蘇布達(dá)等[6]基于GIS柵格數(shù)據(jù)對(duì)荊江分洪區(qū)的淹沒范圍、水深、淹沒面積以及可造成的損失展開模擬和分析。這些研究工作主要側(cè)重于河網(wǎng)漫頂或水庫(kù)潰口的淹沒模擬，對(duì)于評(píng)估洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和險(xiǎn)情的分析預(yù)警具有一定指導(dǎo)作用，然而并未涉及區(qū)域洪澇炎淹沒與強(qiáng)降雨的情景模擬。鑒于此，本文以錦州市地區(qū)為例，基于GIS平臺(tái)和Flood Area模型模擬分析了該地區(qū)的一次典型強(qiáng)降雨淹沒過程，對(duì)模型模擬效果利用災(zāi)情資料進(jìn)行檢驗(yàn)，以期為促進(jìn)流域洪澇災(zāi)害的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和洪水的實(shí)時(shí)預(yù)警提供一定技術(shù)支撐。這些研究的評(píng)價(jià)單元均是以行政區(qū)劃為依據(jù)，但是在實(shí)際中不同區(qū)域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、市縣的風(fēng)險(xiǎn)性仍存在一定的差異，從而無法保證較大評(píng)價(jià)單元的準(zhǔn)確性和精度。遙感技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)步促進(jìn)了自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中GIS技術(shù)的應(yīng)用。據(jù)此，本文將模糊綜合評(píng)價(jià)法與GIS技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，然后基于空間柵格數(shù)據(jù)和GIS空間分析功能實(shí)現(xiàn)了災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的精確評(píng)價(jià)。

遼寧省山丘地形面積占比較大，由于獨(dú)特的地貌特征和氣候條件山洪災(zāi)害頻發(fā)，錦州市作為東北亞和環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的交匯區(qū)域受山洪災(zāi)害的影響較大，且在風(fēng)險(xiǎn)管理方面該區(qū)域還未形成一套科學(xué)、系統(tǒng)的理論方法。根據(jù)錦州市洪澇災(zāi)害實(shí)際情況，以規(guī)則柵格為評(píng)價(jià)單元利用AHP法、GIS技術(shù)和模糊綜合相結(jié)合的方法，綜合評(píng)價(jià)了其山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度，可為完善在山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理體系和防治能力提供一定支持。

1 區(qū)域概況

錦州市位于遼寧省西北部，地處E120°43′～122°36′，N40°48′～42°08′，東西方向與工業(yè)區(qū)相接、北依松嶺山脈、南臨渤海，是東北亞和環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈交匯區(qū)域。區(qū)域總面積1.03萬km2，境內(nèi)山脈連綿起伏，地勢(shì)結(jié)構(gòu)呈東南低、西北高的變化特征，自東南向西北方向依次為平原區(qū)、丘陵區(qū)和低山區(qū)，地貌類型復(fù)雜多樣，具有“五山一水四分田”的土地特征。屬于大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量為567mm，其中夏季降水占年總量的60%～70%，年均溫度7.8～9.0℃，季節(jié)特征為夏季炎熱多雨、春季多風(fēng)溫和、冬季干燥寒冷、秋季晴朗涼爽。境內(nèi)河流水系較多，主要有百股河、女兒河、饒陽(yáng)河、大凌河等，河流主要特征為含沙量大、流量小、變化大、可利用率低、河道走勢(shì)波動(dòng)大、冰凍期長(zhǎng)等。許多河流流量較小屬于典型的季節(jié)性河流，汛期水流急劇、河水暴漲易泛濫成災(zāi)，而平時(shí)水位較淺甚至出現(xiàn)干枯；上游河段汛期暴漲暴落山洪頻發(fā)，顯著影響著當(dāng)?shù)氐慕煌ㄟ\(yùn)輸和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，所以十分有必要開展錦州市的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究[7- 10]。

2 數(shù)據(jù)來源

結(jié)合錦州市山洪災(zāi)害實(shí)際情況和國(guó)內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀，從致災(zāi)因子、承災(zāi)體以及致災(zāi)環(huán)境的角度構(gòu)建評(píng)價(jià)體系。其中最大降雨量、平均降雨量、頻率、歷時(shí)和雨強(qiáng)為致險(xiǎn)因子危險(xiǎn)性分析的主要方面，錦州市年降水量較少且屬于干旱少雨區(qū)，因此誘發(fā)山洪災(zāi)害的主要因素為短時(shí)強(qiáng)降雨，危險(xiǎn)性體系的建立可選擇強(qiáng)降雨頻率和降雨強(qiáng)度因子，其中降雨強(qiáng)度選擇百年一遇1h最大降雨量，降雨頻率為錦州市各地區(qū)在2000—2017年30mm/h以上降雨次數(shù)的平均值，由錦州市水文局提供降雨頻率和雨強(qiáng)等數(shù)據(jù)資料。孕災(zāi)環(huán)境主要包括地形條件、土地利用情況以及河流水系，為主要敏感因子，因此構(gòu)建的指標(biāo)體系應(yīng)考慮河網(wǎng)密度、植被覆蓋率以及地形起伏度等參數(shù)，各參數(shù)值的獲取方法為：河流長(zhǎng)度與流域面積之比即河網(wǎng)密度，根據(jù)柵格數(shù)據(jù)確定植被覆蓋率參數(shù)值；另外考慮到山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性與植被覆蓋率之間的負(fù)相關(guān)特征，可通過取植被覆蓋率的倒數(shù)即植被指數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為正相關(guān)性，由中科院數(shù)據(jù)管理中心和遼寧國(guó)土資源廳提供地理數(shù)據(jù)。資源條件、人類活動(dòng)區(qū)域和人類為承災(zāi)體，不僅要考慮區(qū)域農(nóng)田面積、GDP密度和人口密度，還要考慮錦州市山區(qū)、丘陵較大面積等因素，在脆弱性評(píng)價(jià)體系中納入丘陵面積，以上有關(guān)數(shù)據(jù)來自于中科院數(shù)據(jù)管理中心和錦州市年鑒資料[11- 13]。評(píng)價(jià)指標(biāo)、數(shù)據(jù)來源、計(jì)算公式以及取值區(qū)間見表1。

表1 山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相關(guān)參數(shù)值

表1中，n，Sp—暴雨衰減指數(shù)和暴雨系數(shù)；a，N—統(tǒng)計(jì)年限及其暴雨次數(shù)；A—單位面積，hmax，hmin—最大與最小高程；Lu—單位面積河流總成；Av,Ap,Ag,Af,Ak—分別為單位面積內(nèi)植被面積、人口數(shù)量、GDP、農(nóng)田面積和丘陵面積。

3 模糊綜合評(píng)價(jià)法簡(jiǎn)介

模糊綜合評(píng)價(jià)的基本過程為對(duì)受多種因素影響的對(duì)象或事物利用模糊數(shù)學(xué)的概念給出總體評(píng)價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)定性分析到定量評(píng)價(jià)的轉(zhuǎn)化，因此該方法具有系統(tǒng)性好、結(jié)果清晰、理論簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在處理分析非確定性、隨機(jī)性問題方面具有較強(qiáng)的科學(xué)性與適用性。在評(píng)價(jià)之前應(yīng)按照科學(xué)的方法確定評(píng)價(jià)單元，然后在模型中輸入任意一單元，其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)即為模型輸出的評(píng)價(jià)結(jié)果[14]。本研究利用模糊綜合模型評(píng)價(jià)錦州市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)水平，詳細(xì)介紹了計(jì)算流程和計(jì)算方法。

3.1 確定因素集

將影響山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的各類因子集合在一起構(gòu)成因素集，可表示為U={u1，u2，，un}。根據(jù)錦州市當(dāng)?shù)厣胶闉?zāi)害特點(diǎn)和防治項(xiàng)目現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料，分別選擇丘陵面積比Dq、農(nóng)田面積比Df、GDP密度Dg、地形起伏度R以及降雨強(qiáng)度i等9項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成因素集，然后利用柵格數(shù)據(jù)表示各個(gè)因素。

3.2 確定評(píng)語(yǔ)集

對(duì)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度的等級(jí)劃分即為評(píng)語(yǔ)集，可表示為V={v1，v2，，vn}，根據(jù)錦州市山洪災(zāi)害防治標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)性分析現(xiàn)有研究將評(píng)價(jià)等級(jí)分為極高、較高、中等、較低和極低5個(gè)級(jí)別，所建立的評(píng)語(yǔ)集如下：

V={極高風(fēng)險(xiǎn)，較高風(fēng)險(xiǎn)，中等風(fēng)險(xiǎn)，較低風(fēng)險(xiǎn)，極低風(fēng)險(xiǎn)}

在ArcGIS軟件中根據(jù)各影響因子的柵格數(shù)據(jù)可獲取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差、均值、極大值和極小值等信息，其中評(píng)價(jià)因子的最大與最小值設(shè)定為上、下限。標(biāo)準(zhǔn)差分級(jí)、幾何間隔、等間隔以及自然間斷點(diǎn)等為比較常用的等級(jí)劃分方法，本文對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分采用標(biāo)準(zhǔn)差分級(jí)法，設(shè)置的各評(píng)價(jià)因子間隔點(diǎn)見表2。

表2 各評(píng)價(jià)因子間隔點(diǎn)的設(shè)置

3.3 計(jì)算隸屬度

運(yùn)用模糊綜合法評(píng)價(jià)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是確定合理的隸屬函數(shù)，其中三角形、梯形分布為確定隸屬度函數(shù)比較常見的方法，為確保評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性有必要對(duì)評(píng)價(jià)集中各等級(jí)與因素集各元素的隸屬度進(jìn)行計(jì)算。假定在評(píng)價(jià)等級(jí)v下的評(píng)價(jià)因素u的隸屬度為uivj，則隸屬度函數(shù)的表達(dá)式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，aj—代表山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相應(yīng)級(jí)別的臨界值；x—代表某影響因素的實(shí)際值。

根據(jù)隸屬函數(shù)和各影響因子的實(shí)際值可得到隸屬于不同標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度，從而可建立評(píng)語(yǔ)集和因子集之間的模糊矩陣R：

(4)

3.4 計(jì)算權(quán)重集

各影響因素對(duì)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)率存在一定差異，因此可利用權(quán)重集A表示各因子的影響程度，本文采用AHP層次分析法確定各因素權(quán)重[15]。層次分析法是通過將復(fù)雜問題劃分為若干個(gè)簡(jiǎn)單問題進(jìn)而確定模糊因素權(quán)重的有效方法，通過差異數(shù)值化處理各因素之間的重要性確定最終的權(quán)重排序，其計(jì)算流程為：

步驟一：構(gòu)建結(jié)構(gòu)層次體系。根據(jù)待評(píng)價(jià)對(duì)象的實(shí)際情況可劃分為多個(gè)層級(jí)，通常情況下將災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)定目標(biāo)作為最高的目標(biāo)層，而把影響目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的因素作為準(zhǔn)則層，其中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)具體的技術(shù)措施、方法等作為最底層，也可稱為方案層或措施層。

步驟二：構(gòu)造判斷矩陣。對(duì)同一層級(jí)中不同指標(biāo)之間的重要性程度可采用判斷矩陣式來表征，根據(jù)Saaty標(biāo)度法對(duì)各因子之間的重要性進(jìn)行量化處理，其量化準(zhǔn)則見表3。

表3 判斷矩陣的量化準(zhǔn)則

通過詢問領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)驗(yàn)豐富的專家填寫判斷矩陣各元素，對(duì)各元素在每一層中的關(guān)系根據(jù)專家詢問結(jié)果和Saaty標(biāo)度法確定，從而量化了不同元素之間的兩兩重要性對(duì)比。

步驟三：一致性檢驗(yàn)。影響山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的因素較多，根據(jù)專家意見構(gòu)造的評(píng)判矩陣并不一定科學(xué)合理，因此有必要檢驗(yàn)其一致性。根據(jù)判斷矩陣的特征值和矩陣的階數(shù)檢驗(yàn)其一致性，矩陣的不一致性程度隨特征值偏離階數(shù)的增大而增大，若特征值為n且矩陣階數(shù)為n則認(rèn)為滿足一致性檢驗(yàn)，具體的計(jì)算方法為：

表4 錦州市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

引入CI為一致性指標(biāo)，其計(jì)算公式為(5)，通過查詢一致性指標(biāo)參數(shù)表確定平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，利用公式(6)確定一致性比例CR，判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)的可接受條件為一致性比例CR<0.1，

(5)

(6)

步驟四：確定權(quán)重。對(duì)結(jié)構(gòu)層次體系中各因子相對(duì)于目標(biāo)層的合成權(quán)重按照自上而下的順序逐層計(jì)算，若不符合CR<0.1條件則重新對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整直至滿足檢驗(yàn)要求并確定各因素權(quán)重，為便于計(jì)算對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

參考專家評(píng)判意見確定合適的標(biāo)度構(gòu)造判斷矩陣，利用yaahpV7.0軟件計(jì)算得到各影響因子的權(quán)重見表2，經(jīng)檢驗(yàn)各因子判斷矩陣均滿足一致性要求。

3.5 模糊綜合評(píng)價(jià)

對(duì)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的權(quán)重矩陣A和模糊關(guān)系矩陣R利用模糊數(shù)學(xué)的運(yùn)算法則進(jìn)行計(jì)算，從而得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B，其表達(dá)式為B=A·R=(b1，b2，b3，b4，b5)，然后按照最大隸屬度原則比較分析評(píng)價(jià)向量B并確定max(b1，b2，b3，b4，b5)值，最終的評(píng)價(jià)結(jié)果即為最大值bi所隸屬的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

4 山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

4.1 模糊綜合評(píng)價(jià)

對(duì)錦州市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)水平利用模糊綜合法評(píng)價(jià)，其中評(píng)價(jià)單元為規(guī)則的柵格，利用GIS軟件的空間分析功能將各影響因子的屬性數(shù)據(jù)與適量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)闁鸥駭?shù)據(jù)[16]。然后對(duì)各影響因子的隸屬度uivj利用隸屬度函數(shù)和柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，該計(jì)算過程由柵格計(jì)算器完成。

根據(jù)公式B=A·R=(b1，b2，b3，b4，b5)進(jìn)行運(yùn)算，其中權(quán)重向量為：

A=(0.196，0.134，0.107，0.095，0.068，0.127，0.115，0.071，0.088)

按照模糊數(shù)學(xué)的運(yùn)算法則在柵格計(jì)算器中計(jì)算經(jīng)處理后的45個(gè)隸屬度數(shù)據(jù)，從而得到綜合評(píng)判矩陣B，同樣采用柵格數(shù)據(jù)表示判斷矩陣中的各個(gè)元素，然后對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)單元按照最大隸屬度原則確定最大元素所屬的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，通過柵格計(jì)算器的條件分析語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)評(píng)判矩陣到風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的區(qū)劃。通過上述計(jì)算得到錦州市各分區(qū)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)見表4。

根據(jù)上表計(jì)算結(jié)果可知，錦州市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)極高、較高、中等、較低和極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的占比依次為3.5%、6.10%、22.41%、25.25%與42.73%。該評(píng)價(jià)結(jié)果能夠較為客觀、準(zhǔn)確地反映山洪災(zāi)害歷史空間分布實(shí)際狀況，由此表明該評(píng)價(jià)方法具有一定的科學(xué)性與合理性。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果可知，具有極高和較高山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域?yàn)辇垪珵承聟^(qū)、技術(shù)開發(fā)區(qū)和凌河區(qū)，該區(qū)域GDP密度和人口密度較大，承載能力較弱，并且凌河區(qū)降水量、水域面積較大，這也是引起該區(qū)域具有較高致險(xiǎn)因子的主要因素之一。錦州市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)處于較低和極低水平的面積占比67.98%，相對(duì)于遼寧省其他省份該區(qū)域的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)還處于較高水平，這與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境破壞和土地覆蓋劇烈改變的因素相關(guān)，加之錦州市具有更加敏感的孕災(zāi)環(huán)境和復(fù)雜的地形條件，從而使得該區(qū)域山洪災(zāi)害的發(fā)生較為頻繁[17]。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)錦州市當(dāng)?shù)厣胶闉?zāi)害特點(diǎn)和防治項(xiàng)目現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料選取了影響山洪災(zāi)害的9項(xiàng)關(guān)鍵因子，基于當(dāng)?shù)亍拔迳揭凰姆痔铩钡牡匦翁卣髟谏胶闉?zāi)害評(píng)價(jià)體系中納入了丘陵面積比指標(biāo)，評(píng)價(jià)結(jié)果能夠較為客觀、準(zhǔn)確地反映錦州市洪澇災(zāi)害實(shí)際狀況，可見所選的評(píng)價(jià)方法和影響因子具有一定的科學(xué)性與合理性，可為指導(dǎo)錦州市山洪災(zāi)害的防治和洪澇災(zāi)害預(yù)警提供一定參考。

(2)AHP和GIS相結(jié)合的方法為目前山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)較為常見的方法，評(píng)價(jià)單元以行政區(qū)劃為依據(jù)，本文以柵格為評(píng)價(jià)單元并應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)法，可為提高評(píng)價(jià)結(jié)果的精確性和提高山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的科學(xué)性提供一種新的途徑。