楊杪薇，嚴(yán)小敏，許貴林

南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西 南寧 530000

近年來(lái)，許多學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于快速估計(jì)自然災(zāi)害如臺(tái)風(fēng)、洪水、泥石流等災(zāi)害造成的人員傷害及經(jīng)濟(jì)損失的相關(guān)研究。這一類(lèi)型的研究對(duì)致災(zāi)因子進(jìn)行了深入分析，探究了致災(zāi)因子、人員傷害和經(jīng)濟(jì)損失之間的關(guān)系。承災(zāi)體受災(zāi)害的程度，除與致災(zāi)因子的強(qiáng)度有關(guān)，很大程度上取決于承災(zāi)體自身的脆弱性，所以典型承災(zāi)體的脆弱性會(huì)直接影響到災(zāi)后的應(yīng)對(duì)與恢復(fù)能力[1]。從國(guó)內(nèi)外已有的研究成果來(lái)看，目前建筑易損性模型的構(gòu)建方法主要有專家經(jīng)驗(yàn)法、災(zāi)后調(diào)查法以及概率可靠度法3 種。這些方法各有利弊。國(guó)內(nèi)外研究中區(qū)域尺度的評(píng)估較多，這些研究并未詳細(xì)分析建筑單體的物理脆弱性指標(biāo)。2003年，Papathoma研究了一種評(píng)估建筑海嘯脆弱性的方法，即PTVA（Papathoma Tsunami Vulnerability Assessment Model）模型[2]，辜智慧等通過(guò)梳理建筑單體臺(tái)風(fēng)災(zāi)害影響因子，采用修正后的Papathoma 海嘯脆弱性模型評(píng)估臺(tái)風(fēng)災(zāi)害影響下建筑單體的物理脆弱性，研究成功應(yīng)用于廣東沿海地區(qū)[1]。另外，辜智慧在建筑單體脆弱性評(píng)估的基礎(chǔ)上進(jìn)行了區(qū)域建筑群臺(tái)風(fēng)災(zāi)害綜合脆弱性評(píng)估方法研究[3]。

研究小組基于PTVA 模型[2]，總結(jié)欽州市龍門(mén)港鎮(zhèn)的建筑屬性特征，由實(shí)地調(diào)查得到的龍門(mén)港鎮(zhèn)建筑特征篩選出北部灣地區(qū)建筑單體臺(tái)風(fēng)災(zāi)害下脆弱性指標(biāo)，修正PTVA 模型，構(gòu)建建筑單體脆弱性評(píng)價(jià)體系，利用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）計(jì) 算各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，并結(jié)合“威馬遜”臺(tái)風(fēng)災(zāi)后實(shí)地調(diào)查結(jié)果，驗(yàn)證修正后的PTVA評(píng)估模型，就如何為自然災(zāi)害救助評(píng)估與災(zāi)害損失快速評(píng)估提供技術(shù)支持展開(kāi)初步探索。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北部灣沿海地區(qū)欽州市龍門(mén)港鎮(zhèn)。龍門(mén)港鎮(zhèn)是一個(gè)眾多島嶼組成的島鎮(zhèn)，人口、經(jīng)濟(jì)中心都在島上。位于茅尾海南端的龍門(mén)72 涇是龍門(mén)港鎮(zhèn)的天然屏障，選擇龍門(mén)港鎮(zhèn)作為研究區(qū)具有代表性。

2 研究方法

2.1 傳統(tǒng)PTVA 模型

第1 代到第4 代PTVA 模型經(jīng)歷經(jīng)過(guò)了10多年的發(fā)展和應(yīng)用，在建筑單體物理脆弱性評(píng)估上已經(jīng)相對(duì)成熟和完善，可以為大部分海嘯脆弱性的研究評(píng)估提供有意義的指導(dǎo)和參考。PTVA 模型方法的主要優(yōu)勢(shì)與收集原始數(shù)據(jù)的精細(xì)程度有關(guān)，該研究中數(shù)據(jù)單位涉及單個(gè)建筑或開(kāi)放空間，而不是建筑的平均街區(qū)、城市或整個(gè)地區(qū)。

在PTVA 模型中，建筑單體的相對(duì)脆弱性（RVI）計(jì)算為兩個(gè)獨(dú)立屬性的加權(quán)和，即建筑結(jié)構(gòu)脆弱性（SV）和建筑對(duì)水入侵的脆弱性（WV）。計(jì)算公式為：

在式（1）中，SV為建筑結(jié)構(gòu)脆弱性標(biāo)準(zhǔn)化分?jǐn)?shù)；WV為建筑對(duì)水入侵的脆弱性。SV和WV的范圍為1～5，SV的加權(quán)系數(shù)等于因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)承載能力的嚴(yán)重?fù)p壞可能合理地導(dǎo)致需要昂貴的維修費(fèi)；水入侵對(duì)脆弱性的貢獻(xiàn)等于，這與Olivieri的發(fā)現(xiàn)一致[4]。

建筑結(jié)構(gòu)脆弱性SV主要取決于建筑結(jié)構(gòu)的屬性（BV）、建筑所在位置的水深（EX）和任何物體對(duì)建筑物保護(hù)程度（Prot）3 個(gè)因素，計(jì)算公式為：

式（2）中，BV是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化分?jǐn)?shù)，它表示受臺(tái)風(fēng)災(zāi)害影響的建筑本身結(jié)構(gòu)特征，例如建筑結(jié)構(gòu)、地基深度、建筑年代等。EX為水深數(shù)據(jù)，估計(jì)值由建筑位置的預(yù)期水深計(jì)算得出。Prot表示建筑保護(hù)屏障。BV、EX和Prot的范圍為1～5。

淹沒(méi)脆弱性WV計(jì)算式為：

式（3）中，Wf為淹沒(méi)層數(shù)；F為建筑總層數(shù)。建筑對(duì)水入侵的脆弱性用建筑單體被水淹沒(méi)的層數(shù)表示。

以上各公式中各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)分為1～5 分，研究小組采用AHP 通過(guò)對(duì)所有要素進(jìn)行兩兩比較，計(jì)算權(quán)重系數(shù)。

2.2 不同區(qū)域建筑屬性特征整合

傳統(tǒng)PTVA 模型的指標(biāo)體系，包括了建筑單體結(jié)構(gòu)脆弱性以及環(huán)境因子對(duì)建筑單體的影響。傳統(tǒng)PTVA 模型需要經(jīng)過(guò)區(qū)域修正，才能有效地評(píng)價(jià)研究區(qū)域范圍內(nèi)的建筑單體脆弱性。不同災(zāi)害作用下，房屋建筑抗災(zāi)表現(xiàn)和特征不同，指標(biāo)選取各有差異，但其中部分指標(biāo)在各類(lèi)災(zāi)害的選取中基本上一致（例如結(jié)構(gòu)類(lèi)型、建筑層數(shù)、建筑保存狀態(tài)等）。

2.3 修正后PTVA 模型

研究小組考慮到臺(tái)風(fēng)災(zāi)害中風(fēng)和水對(duì)建筑單體的影響，從兩個(gè)方面重點(diǎn)選取指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)北部灣沿海地區(qū)建筑單體臺(tái)風(fēng)脆弱性。一級(jí)指標(biāo)是結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)和臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性指標(biāo)，二級(jí)指標(biāo)是結(jié)構(gòu)指標(biāo)和保護(hù)屏障指標(biāo)。根據(jù)PTVA模型選取的北部灣沿海地區(qū)建筑單體臺(tái)風(fēng)脆弱性的指標(biāo)如表1 所示，其中相應(yīng)的三級(jí)指標(biāo)得分設(shè)定如表2～4 所示。

表1 修正后建筑單體臺(tái)風(fēng)脆弱性指標(biāo)表

表2 修正后PTVA 模型的建筑屬性指標(biāo)Bv 相應(yīng)脆弱性表

根據(jù)表1，公式（1）修正為：

式（4）中，HV是臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性等級(jí)，由臺(tái)風(fēng)等級(jí)決定。

3 基于AHP 計(jì)算建筑物脆弱性指標(biāo)權(quán)重

AHP 是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)的、層次化的分析方法。

（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。建筑單體的相對(duì)脆弱性由兩個(gè)一級(jí)指標(biāo)決定，即結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)和臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性指標(biāo)。其中結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)又分為兩個(gè)二級(jí)指標(biāo)，即建筑自身結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)和環(huán)境影響指標(biāo)（保護(hù)屏障）[3]。研究小組將二級(jí)指標(biāo)分成兩個(gè)層次結(jié)構(gòu)，用AHP 計(jì)算各自的指標(biāo)權(quán)重。

（2）構(gòu)造比較判斷矩陣。判斷矩陣的性質(zhì)為：

（3）單準(zhǔn)則排序和一致性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)公式為：

式（6）中，λmax為最大特征根，W是對(duì)應(yīng)經(jīng)歸一化的特征向量。

判斷矩陣B具有完全一致性時(shí)，λmax=n。但是在一般情況下這是不可能的，所以要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)公式為：

為了檢驗(yàn)判斷矩陣是否有合理的一致性，需要將一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CI和隨機(jī)一致性指標(biāo)RI進(jìn)行比較（見(jiàn)表5），得出檢驗(yàn)系數(shù)CR。

式（8）中，當(dāng)CR＜0.10，即構(gòu)造的判

斷矩陣有合理的一致性，不需要重新調(diào)整判斷矩陣；當(dāng)CR＞0.10，則需要調(diào)整判斷矩陣，直到CR＜0.10 為止。

表3 PTVA 區(qū)域修正模型的建筑保護(hù)Prot 指標(biāo)得分設(shè)定表

表4 計(jì)算每棟建筑的RVI 時(shí)各指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表

研究小組根據(jù)專家意見(jiàn)，構(gòu)造建筑結(jié)構(gòu)指標(biāo)的判斷矩陣，計(jì)算各指標(biāo)特征向量、最大特征根和CI值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，λmax為7.331 5，CI為0.055 3，根據(jù)表5 查到對(duì)應(yīng)的RI值為1.32，檢驗(yàn)系數(shù)為0.042，一致性檢驗(yàn)通過(guò)。

研究小組根據(jù)專家意見(jiàn)，構(gòu)造建筑保護(hù)屏障指標(biāo)的判斷矩陣。建筑單體結(jié)構(gòu)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表6 所示。根據(jù)層次分析法計(jì)算各指標(biāo)特征向量、最大特征根和CI值。λmax為4.010 4，CI為0.003 5，根據(jù)表5 查到對(duì)應(yīng)的RI值為0.90，即檢驗(yàn)系數(shù)為0.003 9，一致性檢驗(yàn)通過(guò)。建筑單體保護(hù)屏障指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表7 所示。

表5 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表

表6 建筑單體結(jié)構(gòu)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)表

表7 建筑單體保護(hù)屏障指標(biāo)權(quán)重系數(shù)表

4 修正后PTVA 模型應(yīng)用與驗(yàn)證

4.1 研究區(qū)歷史災(zāi)情

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究小組選取2014年第9 號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”在龍門(mén)港鎮(zhèn)造成的實(shí)際建筑物損毀情況與計(jì)算結(jié)果做對(duì)比。

“威馬遜”在2014年7 月19 日于防城港市光坡鎮(zhèn)沿海地區(qū)登陸，是我國(guó)1949年以來(lái)登陸廣西的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。據(jù)廣西壯族自治區(qū)民政廳統(tǒng)計(jì)，“威馬遜”共造成北部灣沿海地區(qū)500余間房屋倒塌，近1 800 間房屋受到不同程度的損壞[5]。強(qiáng)臺(tái)風(fēng)及超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)會(huì)破環(huán)一些結(jié)構(gòu)較為堅(jiān)固的建筑物，龍門(mén)港鎮(zhèn)的建筑類(lèi)型有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)瓦頂房、鋼結(jié)構(gòu)棚房、木房，選取“威馬遜”作為研究臺(tái)風(fēng)具有典型性。

4.2 研究區(qū)數(shù)據(jù)收集及處理

2020年6 月，研究小組結(jié)合無(wú)人機(jī)拍攝的龍門(mén)港鎮(zhèn)高精度正射影像，對(duì)鎮(zhèn)上的建筑單體進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)地調(diào)查。通過(guò)提取無(wú)人機(jī)拍攝的龍門(mén)港鎮(zhèn)建筑正射影像，手動(dòng)數(shù)字化建筑矢量文件并獲得模型所需的特定建筑特征，研究小組得出部分脆弱性指標(biāo)，構(gòu)建建筑單體的脆弱性指標(biāo)體系。之后，對(duì)其屬性值進(jìn)行評(píng)分，根據(jù)AHP 計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算龍門(mén)港鎮(zhèn)建筑單體的相對(duì)脆弱性。

“威馬遜”在光坡鎮(zhèn)登陸時(shí)已降格為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。在“威馬遜”登陸期間，廣西沿海出現(xiàn)了84～288 cm的風(fēng)暴增水，鐵山港增水達(dá)到288 cm，但各潮位站最大高潮位均未超過(guò)當(dāng)?shù)鼐涑蔽籟6]。因此，在PTVA 模型中的EX（建筑所在地水深）被刪除。建筑結(jié)構(gòu)脆弱性指標(biāo)由建筑結(jié)構(gòu)指標(biāo)BV和保護(hù)屏障指標(biāo)Prot決定。

4.3 結(jié)果分析與驗(yàn)證

2020年6—7 月，研究小組通過(guò)對(duì)各建筑房屋的主人進(jìn)行詢問(wèn)，收集龍門(mén)港鎮(zhèn)建筑在“威馬遜”臺(tái)風(fēng)期間建筑的損毀情況，進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算成果的準(zhǔn)確性。

通過(guò)對(duì)房屋主人的詢問(wèn)得知，龍門(mén)港鎮(zhèn)的絕大部分瓦房屋頂瓦片被摧毀，鎮(zhèn)上沿海周邊棚房被摧毀（見(jiàn)圖1）。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，108 棟建筑物中有38 棟建筑物嚴(yán)重受損，其中9 棟建筑物倒塌，其余建筑物受損情況較輕或無(wú)受損。計(jì)算模型中，有16 棟建筑呈低脆弱性，59 棟相對(duì)脆弱性一般，23 棟呈高脆弱性，10 棟相對(duì)脆弱性非常高。呈非常高脆弱性的建筑中，磚混結(jié)構(gòu)瓦頂房有7 棟，鐵棚鋼結(jié)構(gòu)房有2 棟，木結(jié)構(gòu)房有1 棟。通過(guò)比較，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際受損情況基本一致。

圖1 龍門(mén)港鎮(zhèn)建筑單體受損實(shí)地調(diào)查結(jié)果及相對(duì)脆弱性結(jié)果對(duì)比圖

由此可知，龍門(mén)港鎮(zhèn)在“威爾遜”登陸期間嚴(yán)重受損的建筑物大部分是臨近海岸的鐵棚或磚混結(jié)構(gòu)瓦頂?shù)姆孔?。此外，從模型?yàn)證過(guò)程中可以看出，建筑單體的相對(duì)脆弱性差異主要集中在建筑結(jié)構(gòu)、建筑年代、屋面坡度、建筑物位置等因素中。

5 結(jié) 語(yǔ)

研究小組根據(jù)梳理的北部灣沿海地區(qū)建筑和環(huán)境特征，改進(jìn)了PTVA 模型并構(gòu)建北部灣沿海地區(qū)的建筑單體脆弱性指標(biāo)體系，對(duì)北部灣沿海地區(qū)的建筑物脆弱性進(jìn)行評(píng)估。

（1）通過(guò)龍門(mén)港鎮(zhèn)108 棟建筑單體的相對(duì)脆弱性分析結(jié)果可知，修正后的PTVA 模型能夠比較精確地評(píng)估臺(tái)風(fēng)災(zāi)后的建筑受損情況。

（2）PTVA 模型可以靈活地選取指標(biāo)，并且可以根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。研究小組使用AHP 來(lái)計(jì)算建筑單體脆弱性指標(biāo)的權(quán)重值，減少了每個(gè)決策過(guò)程中不可避免的主觀因素。但是，該方法仍需要收集大量的屬性數(shù)據(jù)。在未來(lái)，應(yīng)積極地推進(jìn)全國(guó)自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查工作，構(gòu)建全國(guó)自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查系統(tǒng)，進(jìn)而提高收集數(shù)據(jù)的效率。

（3）根據(jù)PTVA 模型產(chǎn)出的建筑單體脆弱性指標(biāo)體系，可以制作顯示每棟建筑相對(duì)脆弱性指數(shù)的專題地圖，為地方政府進(jìn)行未來(lái)城市規(guī)劃、制定應(yīng)急方案、進(jìn)行全國(guó)自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查等決策提供參考。