黃國如, 李碧琦

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；3.廣東省水利工程安全與綠色水利工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510640)

1 研究背景

隨著全球氣候變暖和城市化建設(shè)進(jìn)程不斷加快，近年來我國城市暴雨洪澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響人民群眾生產(chǎn)生活，制約城市發(fā)展，甚至威脅市民財(cái)產(chǎn)和生命安全[1-2]。面對日益嚴(yán)峻的城市洪澇問題，城市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估可以幫助有關(guān)部門有針對性地對城市暴雨洪澇進(jìn)行預(yù)防和治理，提高城市防澇抗災(zāi)能力，降低暴雨洪澇所造成的損失。常用的城市暴雨洪澇風(fēng)險(xiǎn)評估方法有基于歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)的城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)評估、基于指標(biāo)體系的城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)評估和基于情景模擬的城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)評估[3-4]。其中，基于指標(biāo)體系的城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)評估因其更能體現(xiàn)城市洪澇災(zāi)害的連鎖性，且具有數(shù)據(jù)易于獲取、建模簡便的優(yōu)點(diǎn)，在城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)評估研究中得到廣泛應(yīng)用。Yashon等[5]采用層次分析法(AHP)和ArcGIS技術(shù)，選用多個指標(biāo)確定城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，對肯尼亞的埃爾多雷特市進(jìn)行城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估區(qū)劃。Lyu等[6]構(gòu)建地鐵淹沒風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，運(yùn)用層次分析法(AHP)和區(qū)間層次分析法(I-AHP)對廣州地鐵系統(tǒng)中的淹沒風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，結(jié)果表明超過50%的地鐵線路極易遭受洪澇淹沒風(fēng)險(xiǎn)，廣州地鐵系統(tǒng)易受洪澇災(zāi)害影響。扈海波等[7]建立自下而上的城市暴雨積澇風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，對北京地區(qū)進(jìn)行積澇風(fēng)險(xiǎn)分析，結(jié)果表明風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果與積澇的實(shí)際發(fā)生情況較為接近，該方法能較好地滿足風(fēng)險(xiǎn)評估、區(qū)劃及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的要求。雷享勇等[8]根據(jù)暴雨洪澇災(zāi)害特征選擇多個暴雨洪澇風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，基于ArcGIS技術(shù)和模糊綜合評價(jià)法，選取杭州市主城區(qū)進(jìn)行暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估區(qū)劃，最終生成杭州市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布圖。

深圳市地處東南沿海，屬亞熱帶海洋性氣候，暴雨發(fā)生頻率高、影響面廣，暴雨洪澇災(zāi)害成為深圳市發(fā)生頻率較高、影響較大的自然災(zāi)害[9]。因此，本文以深圳市為研究區(qū)域，采用模糊綜合評價(jià)法，開展深入的洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估研究，以期為深圳市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理措施提供理論基礎(chǔ)，為防汛部門的防災(zāi)減災(zāi)策略提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

深圳市位于廣東省南部，珠江口東岸，瀕臨南海，陸域平面形狀呈東西寬、南北窄的狹長形。全市面積1 997.47 km2，下轄9個區(qū)和1個新區(qū)(圖1)，境內(nèi)地勢東南高、西北低，河流眾多、水系短小，根據(jù)水系及地形特點(diǎn)分為9大流域。深圳市地處北回歸線以南，屬亞熱帶海洋性氣候。夏季歷時(shí)長，冬季不明顯，氣候溫和，光照充足。雨量充沛，降雨強(qiáng)度大，時(shí)空分布不均，平均年降水量1 933.3 mm，每年4-9月為雨季，汛期降水量約為全年的85%，日照時(shí)長2 120.5 h。夏季受熱帶氣旋控制，盛行東南風(fēng)和西南風(fēng)。自20世紀(jì)90年代開始，深圳市便成為內(nèi)澇重災(zāi)區(qū)，1993-1994年深圳市連續(xù)發(fā)生了4次水災(zāi)[10]。據(jù)深圳市應(yīng)急管理局統(tǒng)計(jì)，2000-2018年，深圳市共發(fā)生36起影響較大、損失較重的暴雨洪澇災(zāi)害。如2014年的“3·30”、“5·8”、“5·11”、“5·17”、“5·20”5場特大暴雨在深圳各區(qū)造成了一定程度的洪澇災(zāi)害，道路積水堵塞，工廠、商鋪和居民小區(qū)受淹，多處河堤水毀，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響了市民生產(chǎn)生活[11]。因此，對深圳市開展城市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估十分必要。

圖1 深圳市行政區(qū)域劃分圖

3 數(shù)據(jù)收集與處理

以深圳市為研究區(qū)域，根據(jù)城市暴雨洪澇災(zāi)害系統(tǒng)理論，遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、代表性、可行性等原則，綜合考慮致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體、防災(zāi)減災(zāi)能力等因素，從危險(xiǎn)性和易損性兩大風(fēng)險(xiǎn)要素出發(fā)共選取12個指標(biāo)，構(gòu)建深圳市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系，如表1所示。具體如下：

表1 深圳市城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系構(gòu)建

(1)致災(zāi)因子。致災(zāi)因子通常包括雨強(qiáng)、歷時(shí)、頻率等，選取區(qū)域內(nèi)觀測時(shí)間較長的12個站點(diǎn)的1971-2010年日降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算極端氣候指標(biāo)極強(qiáng)降水量R99p(日降水量>99%的總降水量)和強(qiáng)降雨頻率(日降水量在50 mm以上的年平均降雨次數(shù))，在ArcGIS平臺上采用克里金插值法進(jìn)行插值，得到全市的極強(qiáng)降雨量和強(qiáng)降雨頻率分布圖。

(2)孕災(zāi)環(huán)境。孕災(zāi)環(huán)境中影響洪澇災(zāi)害致災(zāi)因子強(qiáng)度的因子特征包括地形條件、河流水系、下墊面屬性等，深圳市地形復(fù)雜，地貌類型多樣，河流眾多，土地變化劇烈，選取地面高程、坡度、河網(wǎng)密度和徑流系數(shù)等因子。河網(wǎng)密度指每個1 000 m×1 000 m格網(wǎng)內(nèi)的河流長度與格網(wǎng)面積的比值；徑流系數(shù)由土地利用類型確定[12]，土地利用類型數(shù)據(jù)使用全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測年度報(bào)告提供的2015年全球30 m土地覆蓋數(shù)據(jù)。

(3)承災(zāi)體。承災(zāi)體主要指暴雨洪澇災(zāi)害作用的對象，除了自然方面的因素，洪澇災(zāi)害造成的影響還取決于社會屬性。同級別的洪澇災(zāi)害對人口密布、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)所造成的損失往往比人口稀疏、經(jīng)濟(jì)落后的地區(qū)更大。選擇GDP密度、人口密度、建筑密度和老年人口(60歲以上人口)比重等指標(biāo)。

(4)防災(zāi)減災(zāi)能力。防災(zāi)減災(zāi)能力主要是指防御暴雨洪澇災(zāi)害的能力。本文選用人均GDP和排水管網(wǎng)密度等指標(biāo)體現(xiàn)區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)能力。

4 模糊綜合評價(jià)

模糊評價(jià)法理論來源于模糊數(shù)學(xué)，最早源于美國加州大學(xué)Zadeh教授提出的模糊集合概念，模糊集合通過隸屬度函數(shù)，可以將對象的模糊性加以量化，對其做出合理的評價(jià)[14]。相較于傳統(tǒng)的評價(jià)方法，模糊數(shù)學(xué)的概念和方法更適用于具有模糊特性的風(fēng)險(xiǎn)，因此使用模糊數(shù)學(xué)建立洪澇風(fēng)險(xiǎn)模糊評估模型，比傳統(tǒng)的評價(jià)方法更能符合實(shí)際情況[15]。

洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)空間模糊綜合評價(jià)模型以GIS柵格數(shù)據(jù)中的100 m×100 m柵格單元為基本評價(jià)單元，通過確定各柵格單元單因素評價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，逐柵格進(jìn)行模糊綜合評價(jià)，獲得整個研究區(qū)域的模糊綜合評價(jià)結(jié)果[16]。建立步驟如圖2所示。

圖2 模糊綜合評價(jià)法流程

具體為：(1)建立洪澇風(fēng)險(xiǎn)的因素集U，即城市暴雨洪澇風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，確定各因素的權(quán)重，構(gòu)造權(quán)重矩陣W；(2)建立評語集V，劃分評價(jià)等級；(3)構(gòu)造隸屬度函數(shù)，根據(jù)隸屬度函數(shù)求出模糊矩陣R；(4)根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度矩陣得出復(fù)合模糊矩陣B。

4.1 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重矩陣W

因素集是指評估對象的影響因素。結(jié)合深圳市洪澇事件降雨特點(diǎn)、工程概況并參考相關(guān)研究[17-18]，綜合考慮表1所示的12個影響因子作為因素集，設(shè)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的因素集U={u1,u2,…,u12}，并將各影響因子空間分布圖層?xùn)鸥窕瑬鸥翊笮?00 m×100 m。以極強(qiáng)降水量柵格數(shù)據(jù)為例，如圖3所示。

圖3 深圳市極強(qiáng)降水量因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)空間分布

權(quán)重系數(shù)矩陣W={w1,w2,…,wn}是指各評價(jià)因子對風(fēng)險(xiǎn)性的影響程度大小的集合，模糊綜合評價(jià)法常通過層次分析法確定各評價(jià)因子權(quán)重。利用傳統(tǒng)層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重的方法構(gòu)建兩兩判斷矩陣時(shí)，常因矩陣構(gòu)建者的不同而出現(xiàn)差異，具有一定的主觀性，使分析結(jié)果趨于不穩(wěn)定。為使得到的權(quán)重值更加合理，本文使用熵值法改進(jìn)層次分析法[19]，求得的深圳市暴雨洪澇風(fēng)險(xiǎn)評估各指標(biāo)權(quán)重見表2。

4.2 劃分評價(jià)等級

將每個評價(jià)因子分為5個級別，建立評語集V={v1,v2,…,v5}，分別對應(yīng)低風(fēng)險(xiǎn)、較低風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)。各評價(jià)因子的上限值取最大值，下限值取最小值，采用自然間斷點(diǎn)法為各評價(jià)因子選取5個分割點(diǎn)，結(jié)果見表2。

表2 各評價(jià)因子權(quán)重及評價(jià)等級分割點(diǎn)

4.3 建立模糊矩陣R

在城市暴雨洪澇風(fēng)險(xiǎn)的因素集U與評語集V之間進(jìn)行單因素評價(jià)，建立模糊關(guān)系矩陣R：

(1)

式中：rij為因素集U中第i個因素ui對應(yīng)評語集V中第j個等級vj的相對隸屬度，選擇較為常見的升、降半梯形和三角形分布函數(shù)來確定各指標(biāo)對各等級的隸屬度。其中最低風(fēng)險(xiǎn)度和最高風(fēng)險(xiǎn)度選擇升、降半梯形函數(shù)，中間3級為三角形分布函數(shù)，如分段函數(shù)式(2)～(4)所示，分段隸屬函數(shù)的圖像見圖4。

圖4 分段隸屬函數(shù)圖像

(2)

(3)

(4)

式中：xi為某評價(jià)因子的實(shí)際值；aj為相應(yīng)級別的臨界值。

4.4 模糊綜合評價(jià)

利用模糊數(shù)學(xué)的運(yùn)算法則，對W與R進(jìn)行計(jì)算，得到復(fù)合模糊矩陣B，即:

B=W×R=(w1,w2,…,w12)×

(5)

對復(fù)合模糊矩陣B進(jìn)行比較，根據(jù)最大隸屬度原則[20]，選擇max(b1,b2,…,b5)作為風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級的評判依據(jù)，確定風(fēng)險(xiǎn)等級。

5 城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)評估

最終得出的基于模糊評價(jià)法的深圳市洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布見圖5。

圖5 深圳市洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布

從圖5可以看出，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在寶安區(qū)西部、福田區(qū)、羅湖區(qū)西部、龍崗區(qū)和大鵬新區(qū)。較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在坪山區(qū)和鹽田區(qū)，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在龍崗區(qū)和龍華區(qū)，較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)多分布在寶安區(qū)東部、龍崗區(qū)、南山區(qū)和龍華區(qū)南部。深圳市洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)分布有集中連片的特點(diǎn)，各個區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)主導(dǎo)因素也各有不同，其中寶安區(qū)西部地處濱海平原，地勢較為低平，同時(shí)西部聚集大量工業(yè)制造業(yè)園區(qū)，多為建成區(qū)，排水系統(tǒng)不完善，因此以高危險(xiǎn)性和高易損性為其主要原因。福田區(qū)是深圳市的中心城區(qū)，是深圳市原經(jīng)濟(jì)特區(qū)內(nèi)的4區(qū)之一，也是深圳市委市政府所在地，建筑、人口高度密集，不透水地表比例非常高，城市建設(shè)與排水體系不配套，因此該區(qū)域以高易損性為主導(dǎo)。羅湖區(qū)情況與福田區(qū)類似，地勢東北高、西南低，南面隔深圳河與香港的新界北區(qū)相望，是深圳市內(nèi)最早建成區(qū)，經(jīng)過40年的高速發(fā)展，人口和財(cái)富大量聚集在羅湖區(qū)，同時(shí)，由于開發(fā)較早，羅湖區(qū)人口老齡化趨勢較為明顯，因此該區(qū)以高易損性為主導(dǎo)。龍崗區(qū)為極端降水高值區(qū)，城區(qū)分布于臨河谷地平原，原為大工業(yè)區(qū)，產(chǎn)業(yè)集中，不透水比例高，以致災(zāi)因子高危險(xiǎn)性和高易損性為主導(dǎo)。東部大鵬新區(qū)距離海洋較近，海洋氣候顯著，為極端降水高值區(qū)，新區(qū)屬于新開發(fā)區(qū)，區(qū)內(nèi)多為山地，建成區(qū)面積較小，雖然相對全市而言屬于降水高值區(qū)，但受經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展因素的限制，大部分地區(qū)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級為最低或較低。建成區(qū)多位于地勢低平區(qū)域，建筑、人口和財(cái)富的分布較為集中，基礎(chǔ)設(shè)施尚未完善，一旦受到暴雨襲擊，洪澇損失較為嚴(yán)重，以致災(zāi)因子高危險(xiǎn)性和高易損性為主導(dǎo)。

與深圳市應(yīng)急管理局提出的2019年深圳市防汛預(yù)案中的易澇區(qū)域進(jìn)行對比，防汛預(yù)案中提到的寶安區(qū)西部(福海、松崗、沙井街道)、龍崗區(qū)中心的龍崗街道和北部的坪地街道、坪山區(qū)和寶安區(qū)西部、南山區(qū)前海等地面高程較低的片區(qū)均屬于本文洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果中的以危險(xiǎn)性為主導(dǎo)的較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，兩者較為一致。

在上述深圳市洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估的基礎(chǔ)上，可以從不同方面有針對性地考慮風(fēng)險(xiǎn)減緩和風(fēng)險(xiǎn)管理措施：(1)積極建設(shè)和維護(hù)城市排水、防洪防澇工程體系，對發(fā)生損壞或排水能力不足的相關(guān)設(shè)施進(jìn)行維修與更新；(2)合理發(fā)展雨洪利用技術(shù)，維持城市流域滯水、蓄水的功能，提高城市防洪韌性，為未來的長期規(guī)劃預(yù)留提升空間和可能；(3)逐步完善新老城區(qū)防災(zāi)減災(zāi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，既不能貪快隨意建設(shè)新城區(qū)，也不能忽略老舊城區(qū)的戰(zhàn)略部署；(4)科學(xué)進(jìn)行城市規(guī)劃，通過合理規(guī)劃建設(shè)城市基礎(chǔ)設(shè)施和建筑，調(diào)整人口分布，改善人口結(jié)構(gòu)，未來城市發(fā)展規(guī)劃應(yīng)避開現(xiàn)有的洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)；(5)編制科學(xué)、完善的防災(zāi)、減災(zāi)預(yù)案與應(yīng)急避難手冊，建設(shè)有效的疏散系統(tǒng)，強(qiáng)化災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)教育，提高城市防洪應(yīng)急管理水平。

6 結(jié) 論

(1)針對深圳市洪澇災(zāi)害特征，從危險(xiǎn)性和易損性兩個準(zhǔn)則層中選取12個風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，建立深圳市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系。以100 m×100 m柵格為評估基本單元，采用模糊綜合評價(jià)法進(jìn)行深圳市洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，并在ArcGIS中繪制深圳市洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布圖。

(2)深圳市洪澇災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在寶安區(qū)西部、福田區(qū)、羅湖區(qū)西部、龍崗區(qū)以及大鵬新區(qū)部分地區(qū)。深圳市洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)分布有集中連片的特點(diǎn)，不同區(qū)內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)主導(dǎo)因素不一，其中寶安區(qū)西部的高風(fēng)險(xiǎn)值由高危險(xiǎn)性和高易損性主導(dǎo)，福田區(qū)和羅湖區(qū)西部的高風(fēng)險(xiǎn)值由高易損性主導(dǎo)，東部的龍崗區(qū)和大鵬新區(qū)的高風(fēng)險(xiǎn)值由致災(zāi)因子高危險(xiǎn)性和高易損性主導(dǎo)。

(3)在深圳市洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析與評估的基礎(chǔ)上，建議深圳市針對性地制定防災(zāi)減災(zāi)和風(fēng)險(xiǎn)管理措施，積極建設(shè)與維護(hù)城市防洪排澇系統(tǒng)，逐步完善舊城區(qū)與新城區(qū)防災(zāi)減災(zāi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，進(jìn)行科學(xué)的城市規(guī)劃，建設(shè)有效的應(yīng)急防災(zāi)體系，最大程度降低洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。