高士佩， 許建平

(江蘇省水利科學研究院， 江蘇 南京 210017)

近年來，大數(shù)據(jù)已在城市治理、智能交通、氣象監(jiān)測等領域開展了較為廣泛的研究，但在雨洪災害管理領域的研究還處在起步階段。國內(nèi)學者早期構建雨洪風險評估指標體系時，在雨洪災害孕災環(huán)境方面，通過降水量[1]來反映；在雨洪災害致災因子方面，通過警戒水位、積水深度和時間、災害重現(xiàn)期[2]等來描述。目前在防汛管理方面，水利部門已經(jīng)建設了防汛監(jiān)測系統(tǒng)，用于雨情、汛情、工情等監(jiān)測與管理。但由于雨洪管理涉及復雜海量的大數(shù)據(jù)，目前的監(jiān)測系統(tǒng)對雨洪管理大數(shù)據(jù)分析處理的功能還不夠完善，風險管理和調(diào)控功能還存在欠缺，需在數(shù)據(jù)分析基礎上，進一步拓展雨洪風險評估研究。隨著信息技術的迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術應用越來越廣泛，如何有效的將物聯(lián)網(wǎng)技術和大數(shù)據(jù)決策方法融合，在此基礎上，解決多源復雜的雨洪災害監(jiān)測及風險評估難題，提高雨洪災害風險評估的時效性和準確性，對水利相關部門高效地進行雨洪災害防控具有重要的意義。南京市地處長江下游寧鎮(zhèn)低山丘陵地帶，流域集水區(qū)呈扇型河谷平原。溧水河為秦淮河上游兩源之一，洪水源近流急，幾乎每年都出現(xiàn)雨洪災害，2000年以來已發(fā)生4次較大洪澇災情，其中2016年嚴重的雨洪災害造成多處被淹，雨洪災害已嚴重影響南京經(jīng)濟社會的發(fā)展?；诖?，文中選擇了2011—2016年期間雨洪災害較重的溧水河區(qū)域引入云物元模型進行評估并進行結(jié)果分析。

1 區(qū)域雨洪概況

溧水河地處秦淮河上游，南起一、三干河交匯口，北至西北村，承接一、二、三干河等支流匯水，流域面積約831 km2，溧水河上段有一、三干河2支流，分別承中山水庫、西橫山水庫來水；而后在左岸江寧區(qū)有橫溪河匯入，承趙村水庫來水，右岸有二干河匯入，承接方便水庫和臥龍水庫來水。在下段右岸江寧區(qū)有高陽河(又稱句容南河)匯入，至西北村和句容河交匯后注入秦淮河干流。天生橋河溝通秦淮河與石臼湖水系，在秦淮河與石臼湖水系分水嶺位置有天生橋套閘控制，天生橋河北片匯水在沙河口匯入一干河(圖1)。

圖1 溧水河區(qū)域水系地形

溧水河區(qū)域地形總體為東西高中間低，形成以溧水河為南北向軸線的河谷地形。南北向地勢則自南向北逐漸降低，南側(cè)為秦淮河流域與石臼湖水系的分水嶺，多為山丘和崗地；北側(cè)除東、西兩端為山丘和高地，中間為溧水河河谷圩區(qū)，并和秦淮河干流圩區(qū)綿延相接。溧水河支流上游主要為山丘區(qū)，中小型水庫多發(fā)源于此。溧水河干流兩岸及支流中下游兩岸為圩區(qū)。

秦淮河上游的溧水河區(qū)域包括江寧區(qū)祿口、秣陵、湖熟街道和溧水區(qū)柘塘鎮(zhèn)、永陽鎮(zhèn)等行政區(qū)，祿口新城、永陽新城、空港新城、溧水經(jīng)濟開發(fā)區(qū)等新城和園區(qū)，祿口國際機場、寧宣高速、沿江高速、寧高城際等重要基礎設施，為溧水河重要防護保護對象(圖2)。溧水河規(guī)劃防洪標準為50年一遇。

圖2 溧水河區(qū)域主要防洪保護對象及設施分布

區(qū)域多年平均降雨量1 027.5 mm，但降水量年際變化大，年最大降雨量達是年平均降雨量的2倍，年最小降雨量僅為年平均降雨量的46.2%。年內(nèi)分布也不均勻，汛期6—9月約占全年55%，汛期雨量又集中在6—7月，雨量占汛期63%。由于梅雨期長，雨量集中，面廣量大，歷次暴雨洪水多在此段時期發(fā)生。

溧水河支流大多為山丘型河道，洪水呈扇形向干流匯集，源近流急，河谷淺，蓄水能力低，暴雨后匯流迅速，洪水位漲幅大，洪峰高。溧水河口前垾村(秦淮河干流)水文站典型洪水年洪峰流量分別為：2015年6月27日1 100 m3/s、2016年7月7日1 200 m3/s[3]。溧水河上段一干河上游支流清溪河局部圩堤決口，洪水短時漫溢至圩內(nèi)，后決口被及時封堵，淹沒大約2.5 km2。

2 技術路線

建立區(qū)域雨洪風險評估數(shù)據(jù)庫，構建區(qū)域雨洪風險評估模型進行評估，技術路線如下：

基礎資料收集與整理。收集和整理溧水河區(qū)域的自然地理、水文與洪水、構筑物及其運用調(diào)度方案、社會經(jīng)濟和洪澇災害等基礎資料。

研究區(qū)域雨洪大數(shù)據(jù)源，建立區(qū)域雨洪風險評估集成數(shù)據(jù)庫。為有效的進行暴雨洪澇的風險評估，需要對降雨數(shù)據(jù)、地物水文、地表地形、歷史災情及社會經(jīng)濟等多源異構大數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)結(jié)構分析，在此基礎上，解決數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲，并構建區(qū)域雨洪風險評估集成數(shù)據(jù)庫。

構建區(qū)域雨洪風險評估模型及算法。將云模型引入到物元分析中，采用云物元模型構建雨洪風險的評估模型。

3 風險評估模型建立

3.1 指標體系構成

區(qū)域雨洪災害風險因子由致災因子、孕災環(huán)境、承災體共同作用構成。進行雨洪災害風險評估時，可以分別從致災因子、孕災環(huán)境及承災體三方面選取合適的指標，開展綜合評估。影響雨洪災害的因素眾多，包含氣象、水文、降雨、地形地貌、綠化、水域、排水設施、社會經(jīng)濟等，因此在構建雨洪災害風險評估指標體系時，需綜合考慮。指標的選取應遵循科學性、實用性、可行性、全面性等原則，使構建的指標體系能夠完整準確地反映區(qū)域雨洪災害風險的狀況，且使指標體系的規(guī)模盡可能小。參考已有文獻和研究成果[4]，選取了相應的風險評估指標，構建了區(qū)域雨洪風險評估指標。指標體系由目標層、一級指標和二級指標組成，其中一級指標由致災因子、孕災環(huán)境和承災體3個指標構成；致災因子分別由暴雨天數(shù)、24 h最大降雨量和月降雨量3個二級指標構成，孕災環(huán)境分別由區(qū)域平均高程、綠化覆蓋率、排水設施密度、不透水面積和水域面積百分比5個二級指標構成，承災體由人口密度、地均GDP、單位面積防洪投入和洪水應急處置能力四個二級指標構成。

3.2 評估指標權重確定

網(wǎng)絡分析法(Analytic Network Process, ANP)是在層次分析法(AHP)的基礎上，考慮到了不同元素以及相鄰層次之間的相互影響，為解決復雜系統(tǒng)中的方案選擇和指標評價問題提供了一種新的決策方法。網(wǎng)絡分析法的特點就是綜合考慮了不同層次之間的信息反饋和同一層次不同元素之間的相互影響，它并不要求像AHP那樣有嚴格的層次分明，利用超矩陣對各相互作用因素進行綜合分析，從而得到其混合權重。由此得出的溧水河區(qū)域雨洪風險評估指標體系和指標權重見表1。

表1 溧水河區(qū)域雨洪風險評估指標體系和指標權重

3.3 指標分級

參考國家防汛抗旱總指揮部辦公室《防汛手冊》[5]和江蘇省、南京市防汛防旱應急預案，綜合考慮南京市統(tǒng)計年鑒和流域氣象降雨數(shù)據(jù)，將溧水河區(qū)域雨洪風險評估評價指標劃分為5個等級，得出具體的分級指標見表2。

表2 溧水河區(qū)域雨洪風險評估指標分級標準

3.4 風險評估模型建立

根據(jù)建立的雨洪風險評價指標體系，云物元模型將雨洪風險作為總目標層，其中包括三個一級指標層，致災因子、孕災環(huán)境和承災體。每一個一級指標物元都包含有各自的二級評價指標。評估模型主要包括構建立風險評估物元、建立雨洪災害的標準云、計算一級指標的風險類屬度和風險等級的判定等步驟。

建立風險評估物元。根據(jù)已建立的雨洪災害風險評估指標體系，將災害風險作為總目標層并建立評估對象的指標層云物元模型。建立雨洪災害風險標準云。云物元模型中各災害指標風險的評價等級是通過云模型替代固定區(qū)間的方式表示。轉(zhuǎn)換計算得到相應云參數(shù)，可以得到溧水河流域雨洪災害風險的標準云參數(shù)矩陣。

計算一級指標的風險隸屬度。根據(jù)標準云參數(shù)矩陣，可計算出各二級指標關于各風險等級的隸屬度。通過二級指標對各個風險的隸屬度的加權可直接得到一級指標層物元關于風險等級的隸屬度。

風險等級判定。在得到各一級指標層物元對于各個風險等級的隸屬度后，將各一級指標權重進行加權后，就可得出雨洪風險的等級隸屬度。

4 區(qū)域災害風險評估

溧水河區(qū)域大規(guī)模的降水主要集中在夏秋季，本文選取區(qū)域6—9月的雨洪災害進行風險評估，根據(jù)南京市統(tǒng)計年鑒和南京市氣象局國家基準氣候站數(shù)據(jù)，計算2016年溧水河區(qū)域雨洪災害風險等級。

圖3 2011—2016年溧水河區(qū)域6—9月雨洪災害風險等級

根據(jù)標準云參數(shù)矩陣，將溧水河區(qū)域的指標數(shù)據(jù)代入，即可利用Matlab軟件進行計算迭代，計算出溧水河區(qū)域雨洪風險等級見中各項指標的等級隸屬度，并通過與相應權重進行組合即可獲得最終的溧水河區(qū)域雨洪風險等級的各級隸屬度。具體各等級隸屬度如表3所示。

表3 2011—2016年溧水河區(qū)域6—9月雨洪災害風險等級

最后根據(jù)隸屬度最大的原則對各物元所屬的風險等級進行判定，即可判斷該雨洪風險屬于哪一風險等級。溧水河區(qū)域雨洪風險等級見圖4、圖5、圖6和圖7。

圖4 研究區(qū)域6月份雨洪風險評估結(jié)果

圖5 研究區(qū)域7月份雨洪風險評估結(jié)果

圖6 研究區(qū)域8月份雨洪風險評估結(jié)果

圖7 研究區(qū)域9月份雨洪風險評估結(jié)果

5 評估結(jié)果

從雨洪災害一級指標風險等級來看，可以得出溧水河區(qū)域孕災環(huán)境指標處于V4等級，承災體指標處于V2等級，而致災因子指標則由于每月的降雨量與降雨持續(xù)時間的不同導致所處的風險等級也不同，因此綜合得出的區(qū)域各月的雨洪風險等級也不相同。

從雨洪災害各月的風險等級來看，2011年至2016年7月的風險等級相較其他月的風險等級高，一直處于V4等級，而9月的風險等級較低。主要是由于7月的降雨量和降雨持續(xù)時間要高于其他月份，而到9月之后區(qū)域降雨逐漸減少，就不易再發(fā)生雨洪災害。

從雨洪災害平均風險等級的發(fā)展趨勢來看，2011—2016年溧水河區(qū)域雨洪的風險等級在逐漸升高，主要是由于致災因子中暴雨持續(xù)時間與短時間降雨量逐年增加，同時承災體因子中人口密度和GDP也在快速增長。說明由于氣候變化的影響，導致區(qū)域夏季遭受強降雨的可能性越來越大，同時由于區(qū)域城市化進程的速度不斷加快，經(jīng)濟增長和人口激增導致區(qū)域內(nèi)建設用地及不透水面積逐漸增加，而配套的排水設施與綠化建設卻沒有與之發(fā)展匹配，所以區(qū)域遭受雨洪風險災害的可能性也越來越大。