殷 闖，何 理,2，聶倩文，唐 孟，田沛佩，梁東哲

(1.華北電力大學(xué)水利與水電工程學(xué)院，北京 102206；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

洪水災(zāi)害是一種突發(fā)性強、發(fā)生頻率高、危害嚴(yán)重的自然災(zāi)害，而我國是世界上洪水發(fā)生最頻繁的國家之一。在全球變暖的氣候背景下，極端水文事件大幅增加，洪水災(zāi)害發(fā)生概率與強度呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢[1]。因此，精確掌握洪災(zāi)風(fēng)險的時空格局并識別其內(nèi)部的傳遞規(guī)律，對于流域洪水災(zāi)害管理和防災(zāi)減災(zāi)決策具有重要意義[2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對洪災(zāi)風(fēng)險評估與管理方面開展了許多的研究。在國外，學(xué)者對于洪水風(fēng)險方面的研究主要集中在洪水危險性評估、洪水易損性評估、洪水災(zāi)害綜合風(fēng)險評估和災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃等方面，并形成了比較完善的概念體系和評估方法[3]。Motevalli等人運用HEC-RAS水文模型重現(xiàn)及模擬了洪水演進與深度,得到洪水風(fēng)險圖[4]。Louise等人研究討論了洪水風(fēng)險背景下的恢復(fù)能力，通過空間化城市洪水恢復(fù)力指數(shù)的多標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)對洪水恢復(fù)力進行建模和空間化，并將其用于測量和可視化不同情景下洪水恢復(fù)力的變化[5]。Tomohiro等人以洪水頻率分析為洪水風(fēng)險基礎(chǔ)，建立降雨洪水模型分析上游洪水風(fēng)險對于下游洪水風(fēng)險影響[6]。在國內(nèi)，學(xué)者主要從洪水風(fēng)險方面的研究主要有洪災(zāi)風(fēng)險形成機理、洪災(zāi)風(fēng)險評估方法、洪災(zāi)風(fēng)險評估與區(qū)劃等方面展開研究[7]。汪婷等人將云模型運用到洪災(zāi)風(fēng)險評價中，使用逆向云發(fā)生器結(jié)合熵值的洪災(zāi)風(fēng)險綜合評價模型對神農(nóng)架林區(qū)內(nèi)洪災(zāi)風(fēng)險做出評價[8]。張力瀾等人運用博弈論耦合賦權(quán)法,構(gòu)建基于模糊綜合評價法的流域洪災(zāi)風(fēng)險評價模型，揭示洪災(zāi)風(fēng)險年代際的時空演變特征[9]。

以往的研究集中于洪災(zāi)評估模型的建立和風(fēng)險區(qū)劃的劃分，而對于流域洪災(zāi)風(fēng)險的時空尺度耦合關(guān)系及內(nèi)部傳遞特征和規(guī)律研究較少，難以反映洪災(zāi)風(fēng)險內(nèi)部傳遞的不確定性特征。因此，本文以珠江流域為典型實證區(qū)，提出了一套“風(fēng)險因子識別-風(fēng)險評估-風(fēng)險傳遞規(guī)律解析”的研究方法體系，用于探明流域內(nèi)洪災(zāi)風(fēng)險的內(nèi)部傳遞效應(yīng)。通過建立洪災(zāi)風(fēng)險評估體系，利用可拓模型對其洪災(zāi)風(fēng)險進行測度并運用馬爾科夫模型研究風(fēng)險時間變化，最后應(yīng)用空間馬爾科夫鏈驗證了洪災(zāi)風(fēng)險在流域系統(tǒng)內(nèi)部的傳遞效應(yīng)[10,11]。研究結(jié)果可為今后流域內(nèi)洪水災(zāi)害的區(qū)域統(tǒng)籌管理、洪災(zāi)風(fēng)險調(diào)控以及防災(zāi)減災(zāi)決策提供科學(xué)性的指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域概況

珠江流域地處東經(jīng)102°12′～115°53′，北緯21°31′～26°49′之間，跨云南、貴州、廣西、廣東、湖南、江西等6省(自治區(qū))，全長2 214 km(圖1)。氣候溫和多雨，是我國降水量最豐富的地區(qū)之一[12]。珠江流域洪災(zāi)多發(fā)，洪水峰高量大，遭受洪水災(zāi)害損失巨大。因此，加強珠江流域洪災(zāi)風(fēng)險評估、流域內(nèi)部洪災(zāi)風(fēng)險傳遞規(guī)律的研究具有重要的理論意義和實用價值。

2 研究方法

本研究從危險性、暴露性、脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力出發(fā)來構(gòu)建洪災(zāi)風(fēng)險評估指標(biāo)體系，運用可拓模型和層次分析法對珠江流域洪災(zāi)等級進行評估，并利用馬爾科夫模型驗證了洪災(zāi)風(fēng)險在流域系統(tǒng)內(nèi)部的傳遞效應(yīng)(見圖2)。具體方法描述見圖2。

圖2 風(fēng)險因子識別-風(fēng)險評估-風(fēng)險傳遞規(guī)律解析研究方法

2.1 珠江流域洪災(zāi)風(fēng)險評估體系構(gòu)建

基于自然災(zāi)害風(fēng)險概念模型理論，從危險性、暴露性、脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力出發(fā)，選取洪災(zāi)風(fēng)險評價的指標(biāo)因子，構(gòu)建了珠江流域洪災(zāi)評估體系。具體步驟如下。

(1)洪災(zāi)風(fēng)險評價體系的構(gòu)建：洪災(zāi)是由致災(zāi)因子的危險性、孕災(zāi)環(huán)境的暴露性、承災(zāi)體的脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力相互作用造成的。基于洪災(zāi)形成機制和災(zāi)害四因子學(xué)說，構(gòu)建洪災(zāi)評價體系[13](見表1)。

(2)評價指標(biāo)選取：綜合考慮洪水災(zāi)害的影響因素，選取了10個指標(biāo)因子來構(gòu)建珠江流域洪災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)體系[14]。致災(zāi)因子包含年降水量、暴雨頻次2個指標(biāo)因子，其中暴雨頻次是指暴雨事件發(fā)生的次數(shù)，計算公式為：

F=0.1N1+0.2N2+0.3N3

(1)

式中：N1、N2、N3分別為暴雨(日降雨量50～100 mm)、大暴雨(日降雨量100～250 mm)、特大暴雨(日降雨量>250 mm)的次數(shù)。

孕災(zāi)環(huán)境包含植被覆蓋指數(shù)、坡度、高程3個指標(biāo)因子；承災(zāi)體包含人口密度、GDP密度、耕地面積百分比3個指標(biāo)因子；防災(zāi)減災(zāi)能力為防洪庫容密度和興利庫容密度2個指標(biāo)因子。(見表1)。本研究的數(shù)據(jù)主要從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)、地理空間數(shù)據(jù)云、中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心、水利發(fā)展研究中心、水資源公報中獲得。

(3)洪災(zāi)風(fēng)險等級劃分與閾值確定：參考已有的洪災(zāi)風(fēng)險評價體系研究成果及相關(guān)研究，將珠江流域洪災(zāi)風(fēng)險劃分為五個等級，分別為高風(fēng)險、中高風(fēng)險、中風(fēng)險、中低風(fēng)險、低風(fēng)險。本文對洪災(zāi)評估指標(biāo)閾值是根據(jù)國家、行業(yè)及國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)本底標(biāo)準(zhǔn)、類比標(biāo)準(zhǔn)、流域?qū)嶋H情況及歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析以及現(xiàn)有研究成果等綜合確定[15](見表1)。

表1 珠江流域洪災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)體系

2.2 基于可拓理論和層次分析法的洪災(zāi)風(fēng)險評估模型

基于可拓理論構(gòu)建洪災(zāi)風(fēng)險評價模型[16]，利用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建洪災(zāi)風(fēng)險評估模型，主要步驟如下。

(1)構(gòu)建洪災(zāi)風(fēng)險物元。將洪災(zāi)風(fēng)險記作N，N的特征即洪災(zāi)風(fēng)險特征記作C，N關(guān)于C的量值記作V，則共同構(gòu)成有序三元組R=(N，C，V)，即洪災(zāi)風(fēng)險物元。

(2)確定洪災(zāi)風(fēng)險的經(jīng)典域與節(jié)域矩陣。洪災(zāi)風(fēng)險的經(jīng)典域矩陣可表示為Rj=(Nj，Ci，Vji)，其中，Rj為經(jīng)典域，Nj為洪災(zāi)等級的j評價等級，Ci為第i個評價指標(biāo)，Vji為第i個特征向量對應(yīng)等級j的量值范圍。洪災(zāi)風(fēng)險節(jié)域矩陣可表示為Rp=(Np，Ci，Vpi)，其中，Rp為節(jié)域，Np為洪災(zāi)評價等級的全體，Vpi為Np關(guān)于Ci所取的量值范圍。

(3)進行關(guān)聯(lián)函數(shù)及單一指標(biāo)關(guān)聯(lián)度的計算，計算公式為：

(2)

(3)

式中：Kj(vi)為第i項指標(biāo)對應(yīng)于j等級的關(guān)聯(lián)度；ρij為點與對應(yīng)特征向量有限區(qū)間Vij的距離；ρpi為點與對應(yīng)特征向量節(jié)域Vpi的距離；vi，Vij，Vpi分別表示待評洪災(zāi)物元的量值、經(jīng)典域物元的量值范圍、節(jié)域物元的量值范圍。

(4)確定指標(biāo)權(quán)重。利用層次分析法[17]確定洪災(zāi)風(fēng)險評價模型中各個指標(biāo)的權(quán)重，權(quán)重結(jié)果見表1。

(5)評定風(fēng)險綜合關(guān)聯(lián)度。綜合關(guān)聯(lián)度計算公式為：

(4)

式中：ωi為各指標(biāo)的權(quán)重；Kj(N)表示為風(fēng)險對象N關(guān)于風(fēng)險等級j的綜合關(guān)聯(lián)度；Kj(vi)為第i項指標(biāo)關(guān)于風(fēng)險等級j的關(guān)聯(lián)度。

2.3 基于馬爾科夫的風(fēng)險傳遞模型

馬爾科夫風(fēng)險傳遞模型研究洪災(zāi)等級的狀態(tài)及狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移規(guī)律理論的隨機過程，把洪災(zāi)風(fēng)險傳遞過程看成一系列狀態(tài)的不斷轉(zhuǎn)移，可通過分析洪災(zāi)等級的目前狀態(tài)和動向來預(yù)測洪災(zāi)未來某個時期的狀態(tài)和動向[18]。

馬爾科夫風(fēng)險傳遞模型分為時間上和空間上兩種：

(1)馬爾科夫轉(zhuǎn)移概率矩陣：馬爾科夫鏈中狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率與轉(zhuǎn)移出發(fā)狀態(tài)i、轉(zhuǎn)移步數(shù)k、轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j有關(guān)，與轉(zhuǎn)移起始時刻無關(guān)。有一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣P：

式中：Pij=nij/ni；nij指的是時刻n到n+1時刻，狀態(tài)i轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j的樣本數(shù)目。

(2)空間馬爾科夫鏈風(fēng)險傳遞模型：空間馬爾科夫鏈模型結(jié)合了傳統(tǒng)的馬爾科夫模型和“空間滯后”的概念，同時在時間和空間上對問題進行研究[19]。運用空間馬爾科夫鏈風(fēng)險傳遞模型就可以有效地分析水資源區(qū)之間的空間關(guān)系對洪災(zāi)風(fēng)險變化的影響，該方法可用于分析驗證在不同區(qū)域背景下流域內(nèi)部風(fēng)險的傳遞效應(yīng)。

3 結(jié)果分析

3.1 洪災(zāi)風(fēng)險時空分布

由圖3、圖4可知，高洪災(zāi)風(fēng)險區(qū)主要位于流域下游的珠江三角洲，而南北盤江多年洪災(zāi)風(fēng)險處于較低水平。南北盤江位于珠江流域上游，降雨相對較少，其危險性較低；紅柳江、郁江位于流域中部,經(jīng)濟發(fā)展落后，但其防洪能力較強，洪災(zāi)風(fēng)險狀態(tài)多為中-低風(fēng)險；西江、珠江三角洲降水豐盛，年暴雨天數(shù)較多，且該區(qū)域人口密集，經(jīng)濟發(fā)達，洪災(zāi)危險性、脆弱性皆處于較高水平；北江降水量相較于珠江三角洲等較少，但其脆弱性及暴露性皆為較高水平，且防洪能力較弱，故其風(fēng)險處于較高風(fēng)險水平。下游水資源區(qū)會受到上游水資源區(qū)匯流的影響，洪災(zāi)風(fēng)險具有積聚效應(yīng)。由模型得到的評估結(jié)果與實際一致，說明模型具有一定的可靠性。

圖3 珠江流域洪災(zāi)風(fēng)險子系統(tǒng)等級分布

圖4 2000-2018年珠江二級水資源區(qū)洪災(zāi)風(fēng)險等級

3.2 洪災(zāi)風(fēng)險轉(zhuǎn)移規(guī)律

根據(jù)洪災(zāi)風(fēng)險等級，統(tǒng)計各個二級水資源區(qū)洪災(zāi)風(fēng)險區(qū)劃狀態(tài)出現(xiàn)的次數(shù)和轉(zhuǎn)移的概率，可得到各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移規(guī)律見圖5。

由圖5可知對角線轉(zhuǎn)移分布較多且轉(zhuǎn)移概率多在0.5以上，說明流域洪災(zāi)風(fēng)險狀態(tài)不易發(fā)生改變。位于兩邊的低風(fēng)險和高風(fēng)險兩種類型的穩(wěn)定性高于中間的3種類型；中低風(fēng)險、中風(fēng)險和中高風(fēng)險仍有向上轉(zhuǎn)移的趨勢，說明氣候變化導(dǎo)致暴雨集中及經(jīng)濟迅速發(fā)展等原因，洪災(zāi)發(fā)生概率即受災(zāi)損失逐漸增大。同一個水資源區(qū)相鄰年份洪災(zāi)風(fēng)險狀態(tài)變化情況多為相鄰等級漸變，不會出現(xiàn)跨兩級的轉(zhuǎn)移，說明影響洪災(zāi)風(fēng)險的因子的變化是一個漸變的過程，在短時間內(nèi)較難跨越式發(fā)展。

圖5 珠江流域2000-2018年洪災(zāi)風(fēng)險等級狀態(tài)轉(zhuǎn)移

3.3 洪災(zāi)風(fēng)險空間傳遞

通過對洪災(zāi)風(fēng)險變量進行相關(guān)性檢驗發(fā)現(xiàn)，在α=0.05，95%的置信區(qū)間時，未鄰接流域之間的線性關(guān)系不明顯，洪災(zāi)風(fēng)險未發(fā)生跨流域傳遞，構(gòu)建的風(fēng)險傳遞路徑如圖6所示，將研究序列珠江流域二級水資源區(qū)洪災(zāi)風(fēng)險值的多年均值，計算各個流域風(fēng)險值的歸一化比例，分析其在路徑上的傳遞情況，得到每個傳遞路徑上的風(fēng)險傳遞值如圖6所示。將研究序列分為四段，取5年的洪災(zāi)風(fēng)險平均值為短周期辨識流域內(nèi)部的傳遞情況，結(jié)果見圖6。

由圖6可知，2000-2004年紅柳江-西江、西江-北江、西江-珠江三角洲風(fēng)險傳遞數(shù)值為負(fù)，與西江相鄰的水資源區(qū)多是正向傳遞，其他二級水資源區(qū)之間皆為負(fù)向傳遞，東江向珠江三角洲洪災(zāi)風(fēng)險傳遞數(shù)值最大；2005-2009年紅柳江-西江、西江-珠江三角洲、東江-珠江三角洲洪災(zāi)風(fēng)險傳遞數(shù)值均為負(fù)值，但負(fù)向傳遞風(fēng)險值較小。其他流域為正向傳遞；2010-2014年洪災(zāi)風(fēng)險傳遞中郁江向西江、西江向北江、東江向珠江三角洲風(fēng)險傳遞數(shù)值均為負(fù)值，風(fēng)險傳遞最大為紅柳江向西江傳遞；2015-2018年負(fù)值傳遞較多，僅有西江-北江、西江-珠江三角洲、東江-珠江三角洲洪災(zāi)風(fēng)險傳遞為正向傳遞，其他均為負(fù)向傳遞。綜合來看，流域內(nèi)洪災(zāi)風(fēng)險上游對下游的正向傳遞多于負(fù)向傳遞，西江流域風(fēng)險傳遞效應(yīng)最為明顯。

圖6 珠江流域洪災(zāi)風(fēng)險傳遞圖

3.4 洪災(zāi)風(fēng)險空間傳遞效應(yīng)

根據(jù)2000-2018年珠江流域7個二級水資源區(qū)洪災(zāi)等級，運用空間馬爾科夫鏈辨別不同鄰域類型對流域洪災(zāi)類型轉(zhuǎn)換概率的影響，得到珠江流域洪災(zāi)風(fēng)險等級空間馬爾科夫矩陣(表2)。

由表2可知，一個洪災(zāi)風(fēng)險較低的區(qū)域若與風(fēng)險較高的區(qū)域為鄰，則其洪災(zāi)風(fēng)險等級上升的可能性較大，鄰域?qū)υ搮^(qū)域的風(fēng)險傳遞類型為增強型傳遞，反之為衰減型傳遞。這是由于流域間不同風(fēng)險要素，比如人員的轉(zhuǎn)移及防洪基礎(chǔ)措施資金的協(xié)調(diào)促使流域洪災(zāi)風(fēng)險發(fā)生溢出現(xiàn)象。經(jīng)濟水平高、發(fā)展速度快的地區(qū)對周邊水資源區(qū)有較強的帶動作用。對于洪災(zāi)風(fēng)險較高的區(qū)域來說，在鄰域類型為4、5時，其風(fēng)險增加的概率高于鄰域類型為1、2時的概率，說明其對洪災(zāi)風(fēng)險高的鄰域更敏感，受其影響突出。這是由于風(fēng)險較高的流域致災(zāi)性較強但對洪災(zāi)的防御能力相對較弱，高風(fēng)險鄰域經(jīng)濟快速發(fā)展，從而更注重于自身的防災(zāi)減災(zāi)，促使高風(fēng)險鄰區(qū)的風(fēng)險上升。因此，在洪災(zāi)管理和風(fēng)險調(diào)度中應(yīng)注重風(fēng)險的傳遞效應(yīng)，在減少風(fēng)險源的同時遏制風(fēng)險在子系統(tǒng)間的傳遞。同時在風(fēng)險的調(diào)控上不能單一考慮高風(fēng)險區(qū)域的防災(zāi)措施，要統(tǒng)籌兼顧、突破流域界限，協(xié)同管控。

表2 2000-2018年珠江流域洪災(zāi)等級空間馬爾科夫矩陣

4 結(jié) 論

本研究首次建立了一套“風(fēng)險因子識別-風(fēng)險評估-風(fēng)險傳遞規(guī)律解析”的研究方法體系，識別了流域內(nèi)洪災(zāi)風(fēng)險的傳遞效應(yīng)，并應(yīng)用于珠江流域洪災(zāi)風(fēng)險傳遞規(guī)律研究，主要得出以下結(jié)論。

(1)珠江流域高洪災(zāi)風(fēng)險區(qū)主要位于下游的珠江三角洲，低風(fēng)險區(qū)主要位于上游南北盤江。

(2)流域洪災(zāi)風(fēng)險等級保持不變的概率較大，發(fā)生變化時多為相鄰等級漸變，未發(fā)生風(fēng)險跨兩個等級的躍變，由于上游水資源區(qū)匯流對下游水資源區(qū)的影響，洪災(zāi)風(fēng)險具有積聚效應(yīng)。

(3)流域內(nèi)洪災(zāi)風(fēng)險上游對下游的正向傳遞多于負(fù)向傳遞，下游風(fēng)險經(jīng)累積有所增高。

(4)高風(fēng)險區(qū)對其周圍水資源區(qū)風(fēng)險傳遞類型為增強型傳遞，而低風(fēng)險區(qū)為衰減型傳遞。

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