李宛諭，黃顯峰，金國裕，方國華，石志康

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.昆山市水務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇 昆山 215300)

在全球氣候變暖的背景下，區(qū)域年際降水變率不穩(wěn)定，洪災(zāi)發(fā)生的頻率逐年增加，對人類社會的影響和生態(tài)環(huán)境的破壞力越來越大，嚴(yán)重影響了區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。分析與評價區(qū)域洪災(zāi)風(fēng)險是預(yù)防洪災(zāi)的重要基礎(chǔ)工作，也是決策者制定各項(xiàng)防災(zāi)減災(zāi)措施和相關(guān)法律法規(guī)的重要參考依據(jù)[1-2]。根據(jù)區(qū)域的特點(diǎn)，建立科學(xué)合理的區(qū)域洪災(zāi)風(fēng)險評價模型，對相關(guān)部門采取應(yīng)對措施降低洪災(zāi)損失具有實(shí)際意義。洪災(zāi)是由多種因素互相作用的結(jié)果，因此區(qū)域洪災(zāi)風(fēng)險評價是一項(xiàng)涉及多目標(biāo)的綜合評價。

國內(nèi)外學(xué)者對洪災(zāi)風(fēng)險評價開展了許多相關(guān)的研究。Hinkel等[3]研究了海平面上升對沿海地區(qū)造成的洪水風(fēng)險。Arnell等[4]對在氣候變化條件下的全球河流洪水風(fēng)險進(jìn)行了評估。Elshorbagy等[5]對洪水淹沒范圍進(jìn)行研究，并提出制作洪水風(fēng)險圖的方法。鐘桂輝等[6]基于Web技術(shù)、GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，研發(fā)了嵌套水動力模型的動態(tài)洪水風(fēng)險圖管理系統(tǒng)。徐鎮(zhèn)凱等[7]基于層次分析法和灰色聚類法對鄱陽湖流域的洪水風(fēng)險進(jìn)行了綜合評估。王兆禮等[8]將熵值理論運(yùn)用到洪災(zāi)風(fēng)險評價中，以東江流域?yàn)槔M(jìn)行了研究。苑希民等[9]基于模糊層次分析法對京津冀地區(qū)的洪災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行了研究。李晉輝等[10]構(gòu)建了山洪災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)體系并運(yùn)用突變理論進(jìn)行求解。石曉靜等[11]基于云模型的方法對安康市洪水災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行了評價。

通過相關(guān)文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，以往的研究一般采用單一的方法求解權(quán)重，或是沒有考慮評價指標(biāo)間的相互作用。一方面，單一的主觀權(quán)重受決策者主觀影響較大，單一的客觀權(quán)重則完全依靠客觀數(shù)據(jù)計算，結(jié)果可能與實(shí)際情況存在差異；另一方面，洪災(zāi)風(fēng)險是一個由多因素互相作用的復(fù)雜系統(tǒng)，應(yīng)對評價指標(biāo)間的相互關(guān)系進(jìn)行分析?；诖?，本文將主客觀綜合權(quán)重應(yīng)用到洪災(zāi)風(fēng)險評價模型中，采用網(wǎng)絡(luò)層次分析法(analytic network process，ANP)計算主觀權(quán)重，投影尋蹤法[12](projection pursuit，PP)計算客觀權(quán)重。考慮到洪災(zāi)風(fēng)險模糊性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)集對分析(set pair analysis，SPA)評價模型的基礎(chǔ)上，用主客觀綜合權(quán)重耦合集對分析法對區(qū)域洪災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行評價。以廣東省英德市為例，運(yùn)用所構(gòu)建的ANP-PP-SPA方法分析計算其洪災(zāi)風(fēng)險的大小，并與實(shí)際調(diào)查情況相對比，為當(dāng)?shù)氐臑?zāi)情管理部門制定災(zāi)害預(yù)警工作提供參考。

1 洪災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系與評價標(biāo)準(zhǔn)

1.1 評價指標(biāo)體系建立

根據(jù)災(zāi)害論，災(zāi)害是致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體三者相互作用的結(jié)果[13]，同時，考慮到可以通過一系列防洪減災(zāi)措施降低洪災(zāi)的危險性，選取能夠反映防洪減災(zāi)能力的指標(biāo)作為減災(zāi)因子，從致災(zāi)因子、孕災(zāi)因子、承災(zāi)因子和減災(zāi)因子4個方面建立洪災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系。在已有研究的基礎(chǔ)上，遵循客觀性、系統(tǒng)性、代表性的原則，并充分考慮評價指標(biāo)值的可獲取性，構(gòu)建洪災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系，共包含14個二級風(fēng)險指標(biāo)，見圖1，指標(biāo)選取依據(jù)見表1。

圖1 區(qū)域洪災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系

表1 區(qū)域洪災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)選取依據(jù)

1.2 評價等級與評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)洪災(zāi)風(fēng)險評價的特點(diǎn)，將評價標(biāo)準(zhǔn)劃分為5級：低、較低、中等、較高、高，分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示。綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)的平均值和上下限值，結(jié)合沿海地區(qū)自然環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境的特點(diǎn)，建立五級評價標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 區(qū)域洪災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)

2 區(qū)域洪災(zāi)風(fēng)險評價模型

洪災(zāi)風(fēng)險具有模糊性、隨機(jī)性和不確定性等屬性，SPA法對處理具有該屬性的問題具有獨(dú)特的優(yōu)勢。但在傳統(tǒng)的SPA評價模型中，指標(biāo)權(quán)重常采用層次分析法求解，為了使評價結(jié)果更加科學(xué)合理，引入ANP法和PP法對其進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建基于ANP-PP-SPA的洪災(zāi)風(fēng)險評價模型。

2.1 ANP-PP綜合賦權(quán)法

2.1.1ANP法

對于洪災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系而言，致災(zāi)因子、孕災(zāi)因子、承災(zāi)因子和減災(zāi)因子4個方面互相影響、互相制約。為了考慮各評價指標(biāo)之間的相互關(guān)系，采用ANP法求解主觀權(quán)重。1996年，Saaty[14]在層次分析法的基礎(chǔ)上提出了網(wǎng)絡(luò)層次分析法。ANP法是一種求解主觀權(quán)重的方法，在計算指標(biāo)權(quán)重時，由于ANP法采用了網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)，不僅考慮了不同指標(biāo)因素之間的相互關(guān)系，還考慮了不同層之間的反饋?zhàn)饔谩NP基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 ANP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于ANP的主觀權(quán)重求解步驟如下[15]：

a.對風(fēng)險因素之間的相互關(guān)系進(jìn)行分析，建立風(fēng)險網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

b.采用1～9標(biāo)度法構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)層各個風(fēng)險因素的比較判斷矩陣，將其進(jìn)行歸一化處理和一致性檢驗(yàn)，若通過一致性檢驗(yàn)，則構(gòu)造初始超矩陣W0:

(1)

c.對控制層的洪災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，可以構(gòu)造得到加權(quán)矩陣A：

(2)

所以加權(quán)超矩陣W1的表達(dá)式為

(3)

d.計算極限超矩陣：

(4)

如果該極限值收斂且唯一，那么該過程得到的為極限矩陣W∞，其列向量即為對應(yīng)準(zhǔn)則層下網(wǎng)絡(luò)層各指標(biāo)的最終權(quán)重。

2.1.2PP法

PP法是一種處理高維數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方法，其基本思想是通過將高維數(shù)據(jù)投影到低維子空間上，求出能反映原數(shù)據(jù)特征的投影。用投影指標(biāo)函數(shù)反映評價指標(biāo)特征結(jié)構(gòu)的可能性，選取歸一化處理后的投影向量作為權(quán)重向量。PP法是一種客觀賦權(quán)的方法，計算步驟如下[16]。

a.采用離差標(biāo)準(zhǔn)化法歸一化處理評價指標(biāo)，設(shè)xij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)為第i年的第j個洪災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)值，其中m為樣本數(shù)，n為指標(biāo)數(shù)。

b.構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)，得到指標(biāo)的投影值Zi：

(5)

式中：a為單位長度向量。

投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)的表達(dá)式為

Q(a)=Szdz

(6)

式中：Sz為Zi的標(biāo)準(zhǔn)差；dz為Zi的局部密度。

(7)

(8)

c.優(yōu)化投影函數(shù)，構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)，采用加速遺傳算法求解：

maxQ(a)=Szdz

(9)

(10)

2.1.3綜合權(quán)重

由ANP法計算得到的主觀權(quán)重向量為w1i，PP法計算得到的客觀權(quán)重向量為w2i，綜合考慮主客觀權(quán)重影響，得到綜合權(quán)重為wi：

wi=0.5w1i+0.5w2i

(11)

2.2 SPA評價模型

SPA評價模型是趙克勤教授[17]提出的解決不確定性問題的理論方法，該方法可以處理隨機(jī)性、模糊性、不完整性等因素構(gòu)成的不確定性系統(tǒng)，使問題分析更貼近實(shí)際，適用性強(qiáng)。用聯(lián)系度來反映集對中兩個集合的確定、不確定關(guān)系，其表達(dá)式為[18]：

u=d+bI+cJ

(12)

其中

d+b+c=1

式中：d為同一度；b為差異度；c為對立度，d、b、c均為非負(fù)值；I為差異度系數(shù)，取值范圍是[-1,1]，當(dāng)I為-1和1時，表示b是確定性的，I越接近0，則b的不確定性越強(qiáng)；J為對立度系數(shù)，取值-1。

集對分析評價模型的具體計算步驟如下[19]：

a.構(gòu)建洪災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系，并確定評價標(biāo)準(zhǔn)。

b.計算評價樣本j與評價等級k的聯(lián)系度ujk。評價樣本與評價標(biāo)準(zhǔn)作為兩個集合，構(gòu)成一個集對，當(dāng)其處于相同等級中時，ujk=1；當(dāng)其處于相鄰等級中時，ujk取值在區(qū)間(-1，1)變化；當(dāng)其處于相隔等級中時，ujk=-1。當(dāng)洪災(zāi)風(fēng)險評價等級為5級時，若評價指標(biāo)xj隨著評價等級的增大而增大，則ujk具體計算公式為

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中：s1j～s2j分別是1～5級評價標(biāo)準(zhǔn)的限值；s0j為1級評價標(biāo)準(zhǔn)的另一端點(diǎn)值。

c.計算樣本與評價等級k之間的綜合聯(lián)系度uk：

(18)

式中：Aj為各指標(biāo)的權(quán)重，采用ANP-PP綜合賦權(quán)法求解。

d.計算樣本隸屬于評價等級k的相對隸屬度vk：

(19)

e.計算樣本隸屬于評價等級k的隸屬度Mk：

(20)

f.確定評價等級，采用置信度準(zhǔn)則評判法[20]得到洪災(zāi)風(fēng)險評價等級：

(21)

式中：λ為置信度，取值范圍為[0.5，0.7]，值越大則評價結(jié)果越保守，本文取λ為0.6。

2.3 洪災(zāi)風(fēng)險評價模型求解步驟

基于ANP-PP-SPA的區(qū)域洪災(zāi)風(fēng)險評價模型的求解步驟為5步。

步驟1：根據(jù)洪災(zāi)風(fēng)險的特點(diǎn)，構(gòu)建區(qū)域洪災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系并確定評價標(biāo)準(zhǔn)；

步驟2：確定待研究區(qū)洪災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)值；

步驟3：采用ANP法求解主觀權(quán)重，PP法求解客觀權(quán)重，最后求得主客觀綜合權(quán)重；

步驟4：基于SPA法求出區(qū)域洪災(zāi)風(fēng)險隸屬度；

步驟5：確定研究區(qū)的洪災(zāi)風(fēng)險評價結(jié)果。

3 實(shí)例研究

英德市位于南嶺山脈東南部，廣東省中北部，北江中游，地處五嶺山地南緣，是一個周圍山地環(huán)繞、向南傾斜的盆地。全市總面積5 671 km2，境內(nèi)集雨面積100 km2以上的河流有19條，其中較大河流有北江、翁江、連江。降水量自東向西漸增，年均降水量1 906.2 mm，降水主要集中在4～9月，占全年降水量的80%左右。英德市發(fā)生洪災(zāi)的可能性較大，有必要對其洪災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行研究。

3.1 指標(biāo)體系

根據(jù)英德市的基本情況，對其2016年的洪災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行研究。指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于《中國氣象災(zāi)害年鑒》《廣東農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》《英德市統(tǒng)計年鑒》，廣東省水文局、廣東省氣象局、中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http：//www.gscloud.cn)，市防洪規(guī)劃等。其中，河網(wǎng)密度是通過對研究區(qū)的數(shù)字高程模型進(jìn)行分析，借助Arcgis水文分析工具求解得到。通過統(tǒng)計分析，各評價指標(biāo)數(shù)據(jù)見表3。

表3 英德市洪災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)值

3.2 基于ANP-PP綜合賦權(quán)法的權(quán)重計算

ANP模型計算量大，過程復(fù)雜，采用Super Decision軟件計算求解。①對洪災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)情況進(jìn)行分析，設(shè)計好調(diào)查問卷，并邀請5位相關(guān)領(lǐng)域的專家填寫；②利用Super Decision軟件將專家對評價指標(biāo)的重要性判別結(jié)果進(jìn)行分析計算，得出各指標(biāo)的主觀權(quán)重，結(jié)果見表4。其中，權(quán)重較高的4個風(fēng)險指標(biāo)為：年最大3 d降雨量、臺風(fēng)頻次、防洪工程投入占GDP比重、防汛搶修應(yīng)急預(yù)案完備程度。

按照PP模型的計算步驟，用Matlab軟件編程計算得到客觀權(quán)重，結(jié)果見表4。其中，權(quán)重較高的4個風(fēng)險指標(biāo)為：防洪工程投入占GDP比重、地形相對高差、河網(wǎng)密度、臺風(fēng)頻次。

根據(jù)式(21)，得到綜合權(quán)重，結(jié)果見表4。其中，權(quán)重較高的4個風(fēng)險指標(biāo)依次為：防洪工程投入占GDP比重、臺風(fēng)頻次、年最大3 d降雨量、人口密度。權(quán)重計算的結(jié)果表明，綜合權(quán)重充分考慮了主觀和客觀兩種因素的影響。

表4 洪災(zāi)風(fēng)險評價權(quán)重計算結(jié)果

3.3 SPA評價模型計算結(jié)果

根據(jù)表3，可計算出每個風(fēng)險評價指標(biāo)的聯(lián)系度，見表5，模型評價結(jié)果見表6。根據(jù)式(21)，英德市2016年洪災(zāi)風(fēng)險等級是Ⅲ，風(fēng)險中等，應(yīng)采取相應(yīng)的洪災(zāi)風(fēng)險管理措施來提高英德市的防洪能力。評價模型得到的結(jié)果與英德市洪水災(zāi)害風(fēng)險現(xiàn)狀一致，證明了模型的可行性。

表5 英德市洪災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)聯(lián)系度

表6 英德市洪災(zāi)風(fēng)險評價結(jié)果

4 結(jié)論和建議

4.1 結(jié)論

本文建立了一套客觀合理的洪災(zāi)風(fēng)險評價模型。評價指標(biāo)體系的構(gòu)建在傳統(tǒng)災(zāi)害論的基礎(chǔ)上，增加了減災(zāi)因子，使得評價指標(biāo)體系更加全面。在求解指標(biāo)權(quán)重時，ANP法考慮了指標(biāo)之間的相互作用，PP法反映了指標(biāo)值的固有屬性，綜合權(quán)重較好地融合了主客觀性。用ANP-PP耦合SPA評價模型來確定風(fēng)險等級，有效地描述了風(fēng)險的模糊性和隨機(jī)性。實(shí)例研究的結(jié)果驗(yàn)證了評價方法的可行性，為英德市防洪減災(zāi)和洪水管理工作提供了參考依據(jù)。

4.2 風(fēng)險管理措施

人們無法控制降水量等自然因素，但是可以采取防洪措施來應(yīng)對洪災(zāi)，最大限度地將洪災(zāi)損失控制在承受范圍內(nèi)。洪災(zāi)風(fēng)險管理工作可以從工程措施和非工程措施兩方面來進(jìn)行，主要有以下幾點(diǎn)：

a.通過加大對防洪設(shè)施投資力度，提高堤防、水庫、蓄滯洪區(qū)等工程的防洪能力，以提高城市防洪標(biāo)準(zhǔn)。

b.加快智慧水利建設(shè)，提高對雨情、水情和臺風(fēng)的監(jiān)控能力，加強(qiáng)災(zāi)害預(yù)警。

c.提高相關(guān)部門的洪災(zāi)應(yīng)急管理水平，在大洪水來臨時能有條不紊地開展救援工作。

d.加強(qiáng)對洪災(zāi)風(fēng)險宣傳的力度，以提高居民防災(zāi)減災(zāi)意識。