劉力丹，朱權潔，鄭貴強，王大倉，李沛霖，梁思洋

(1.華北科技學院 應急技術與管理學院，北京 東燕郊 065201；2.華北科技學院 礦山安全學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

在近年來洪水災害頻發(fā)的現(xiàn)狀下，洪水風險管理工程尤為重要。危險性評價作為洪水風險管理中極為重要的一環(huán)，其本質(zhì)是通過建立合理的綜合評價模型，同時兼顧多目標評價系統(tǒng)中不同指標的重要性程度，將多個洪水危險性指標綜合成單一指標形式，在一維實數(shù)空間內(nèi)實現(xiàn)對洪水危險性的分類與排序[1]。諸多文章利用GIS和遙感技術做出了大量的研究[2]。同時，評價也從定性評價轉(zhuǎn)變?yōu)榘攵?、定量評價，有包括主成分分析法[3,4]、回歸分析法[5]的統(tǒng)計分析方法，有包括層次分析法[6]、信息熵法[7]等的決策分析法，有包括模糊數(shù)學方法[8]的綜合評價法。

基于上述研究成果，以“7.20”鄭州特大暴雨為例，應用GIS空間分析、水文分析等功能，選用AHP層次分析法、模糊綜合評價法，對洪澇災害進行危險性綜合評價，預測分析洪澇災害高風險區(qū)域。

1 洪澇災害危險性評價模型構建

1.1 指標權重的確定

通過使用層次分析法，將影響評價對象的各指標組合排序，構成一個層次化清晰的系統(tǒng)，將人的主觀分析，轉(zhuǎn)化為可量化的數(shù)據(jù)，科學計算各指標的權重值[9]。從洪水災害系統(tǒng)論出發(fā)，依據(jù)致災因子與孕災環(huán)境，構建洪澇災害危險性評價層次結構模型(圖1)。按照區(qū)域洪水災害系統(tǒng)理論，洪水災害形成的必備條件有：①致災因子，包括強降雨、年平均降雨、潰壩等；②孕災環(huán)境，包括大氣、水文、地形條件等；③承載體，包括人類生命財產(chǎn)、社會基礎設施等；④災情，包括人員傷亡、直接和間接經(jīng)濟損失[10]。通過參考以往學者對洪澇災害危險性評價方面的研究與近年來實際受災情況分析[11-14]，指標層選擇地形地貌因子(高程、高程相對標準差)、河網(wǎng)分布(河流流量、河網(wǎng)緩沖區(qū))、降雨量(年平均降雨量、“7.20”鄭州特大暴雨24小時降雨量)。

圖1 洪澇災害危險性評價層次結構模型

根據(jù)層次分析法基本原理，將專家評分問卷結果加權平均，得到表1。

表1 專家問卷評分結果

根據(jù)標度理論，構建兩兩比較判斷矩陣A：

A=(aij)n×n(i,j=1,2,…,n)

(1)

式中，aij=1,aij=1/aij

將判斷矩陣A的各列作歸一化處理：

(2)

求判斷矩陣A各行元素之和wi：

(3)

(4)

根據(jù)Aω=λmaxω求出最大特征根和其特征向量。

計算一致性指標：

(5)

找出相應的平均隨機一致性指標R.I.;

計算一致性比例：

(6)

若C.R.<0.1時，可接受一致性檢驗，否則對A修正[15]，計算結果見表2～表4。

從表2～表4可知，針對高程相對標準差，絕對高程，河網(wǎng)分布，年平均降雨量，24小時降雨量總共5項構建5階判斷矩陣進行AHP層次法研究，計算方法為和積法，分析得到特征向量為(0.500，0.500，1.000，1.000，2.000)。

表2 AHP層次分析結果

表3 隨機一致性RI表格

表4 一致性檢驗結果匯總

總共5項對應的權重值分別是：10.000%，10.000%，20.000%，20.000%，40.000%。除此之外，結合特征向量可計算出最大特征根(5.000)，接著利用最大特征根值計算得到CI值(0.000)，CI值用于一致性檢驗使用。

1.2 模糊綜合評價結果

模糊綜合評價法根據(jù)模糊數(shù)學的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，即用模糊數(shù)學對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體的評價。它具有結果清晰，系統(tǒng)性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。

根據(jù)AHP層次分析法計算結果可知各指標項的權重A={0.1，0.1，0.2，0.2，0.4}，通過對洪澇災害危險性的調(diào)查分析，可將綜合評價指標分為5個等級：V={低風險，中低風險，中風險，中高風險，高風險}，建立評價子目標集U={高程相對標準差，絕對高程，河網(wǎng)分布，年平均降雨量，24小時降雨量}。同時，通過專家評價表的統(tǒng)計分析計算得到評價矩陣Ri，結果見表5。

表5 專家評價結果表

采用M(·,⊕)算子，求得各子目標的綜合評價向量Bi：

Bi=ωi°Ri(i=1,2,…,s)

(7)

形成子目標評價矩陣B：

B=(B1,B2,B3…,BS)T

(8)

求總目標向量C：

C=A°B

(9)

通過取最大隸屬度，得到洪澇災害危險性評價等級[15]，結果見表6。

從表6可知，5個評語集中中風險的權重值最高(0.350)，結合最大隸屬度法則可知，最終綜合評價結果為“中風險”。由AHP層次分析法與模糊綜合評價法綜合計算可知，河南省洪澇災害危險性等級為“中風險”。

表6 權重計算結果

2 洪澇災害危險性可視化分析

可視化能對數(shù)據(jù)進行更深入的觀察和分析，利用GIS對數(shù)據(jù)體進行可視化分析是近年來常用的方法之一。筆者將應用GIS空間分析、水文分析、加權總和等功能，對前文應用AHP與模糊綜合評價法得到的結果，構建洪澇災害危險性綜合評價模型，進行可視化分析，得到河南省風險區(qū)域等級劃分圖，預測河南省洪澇災害高風險區(qū)域。

2.1 研究背景及數(shù)據(jù)來源

2021年7月17日至23日，河南省遭遇歷史罕見特大暴雨，發(fā)生嚴重洪澇災害，特別是7月20日鄭州市遭受重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。災害共造成河南省150個縣(市、區(qū))1478.6萬人受災，因災死亡失蹤398人，其中鄭州市380人、占全省95.5%；直接經(jīng)濟損失1200.6億元，其中鄭州市409億元、占全省34.1%。河南省位于華北平原南部的黃河中下游地區(qū)，年均降水量407.7～1295.8 mm，降雨以6～8月份最多，流域面積100 km2以上的河流有560條。全省多年平均水資源總量403.5×108m3。

本文中所使用的河南省30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)、河南省暴雨災害區(qū)24小時降水量數(shù)據(jù)集(2021.7.19～7.23)、河南省2017-2020年平均降雨量數(shù)據(jù)、河南省1∶250000水系分布圖等數(shù)據(jù)均來源于國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心。

2.2 洪澇災害風險可視化分析

使用ARCGIS 10.6軟件分別對降雨量可視化分析，地形因素可視化分析，河網(wǎng)分布可視化分析，然后應用GIS加權總和完成洪澇災害風險可視化分析。構建洪澇災害危險性等級劃分標準采用文獻[2]對遼河流域危險性評價時采用的方法，即對每個指標取其標準差作為等級間隔值，取最小值作為起始值(見表7)。

(1) 降雨量可視化分析

運用ArcGIS 10.6軟件對河南省暴雨災害區(qū)24小時降水量數(shù)據(jù)集(2021.7.19～7.23)與年平均降雨量數(shù)據(jù)集(2017～2020)進行分析，將DEM與降雨量數(shù)據(jù)屬性表連接，獲得河南省各地降雨量分布圖，然后將降雨量分布圖柵格化后進行重分類，根據(jù)模糊綜合評價法對降雨量進行等級劃分，并根據(jù)重分類結果由低到高進行賦值，即降雨量越大，危險性更高。根據(jù)重分類和賦值結果得到研究區(qū)域年平均降雨量分布圖(如圖2所示)與24 h降雨量影響因子分布圖(如圖3所示)。

圖3 24小時降雨量影響區(qū)域因子分布圖

從圖2可以看出，河南省年平均降雨量南部最高，由南向北依次遞減，北部年平均降雨量最低。中低風險區(qū)域占河南省總面積的34.67%，面積為57205.5 km2，主要分布在安陽市、鄭州市、新鄉(xiāng)市、三門峽市等城市；中風險區(qū)域占河南省總面積的29.23%，面積為48229.5 km2，主要分布在洛陽市、平頂山市、周口市；中高風險區(qū)占河南省總面積的24.91%，面積為41101.5 km2，主要分布在南陽市、駐馬店市；高風險區(qū)占河南省總面積的11.2%，面積為18480 km2，主要分布在信陽市。

從圖3可以看出，河南省呈現(xiàn)降雨量中部、北部高，東部、西部、南部低的空間分布特征。低風險區(qū)域占河南省的38.14%，面積為63129.370 km2，主要分布在洛陽市、駐馬店市、信陽市、周口市、商丘市；中低風險區(qū)域占河南省的30.89%，面積為51126.818 km2；中風險區(qū)域占河南省22.49%，面積為37236.481 km2；中高風險區(qū)域占河南省6.69%，面積為11072.853 km2；高風險區(qū)域占河南省1.79%，面積為2969.357 km2，主要分布在臨潁縣、南召縣、扶溝縣、鄭州市、禹州市、許昌市、偃師市、安陽市。

(2) 地形因素可視化分析

洪水災害的發(fā)生與地形特征緊密相關，地形高程越低，地形變化越小，洪水災害的危險性越高[3]。地形高程使用國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心30 m×30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)，河南省絕對高程介于2～2386 m，平均值244.2178，標準差312.3506(如圖4所示)。使用高程相對標準差衡量地形變化程度，高程相對標準差越小，地形變化程度越小，危險性越大。高程相對標準差使用空間分析工具里的焦點統(tǒng)計功能，鄰域窗口設置成3×3，統(tǒng)計類型使用STD。河南省高程相對標準差最大值為155.8894 m，最小值為0，平均值為4.1264，標準差為3.7339(如圖5所示)。使用模糊綜合評價法將絕對高程差分為5級，將高程相對標準差分為4級，通過空間分析工具中的地圖代數(shù)功能對地形分布進行研究，柵格計算后得到地形因子分布圖(如圖6所示)。

圖4 河南省DEM模糊綜合評價等級劃分

圖5 河南省高程相對標準差模糊綜合評價等級劃分

圖6 河南省地形影響因子分布圖

從圖6可以看出，河北省呈現(xiàn)西高東低的地形分布特征。研究區(qū)域中高風險區(qū)占比34.18%，面積為56586.8258 km2，集中在鄭州市以東地區(qū)；中高風險區(qū)占比24.47%，面積為40511.0848 km2；中風險區(qū)占比25.40%，面積為42047.2080 km2；中低風險區(qū)占比9.54%，面積為15787.3678 km2；低風險區(qū)占比6.40%，面積為10602.3928 km2，集中在洛陽市以西地區(qū)。

(3)河網(wǎng)分布可視化分析

河網(wǎng)分布對洪水災害危險性的影響主要體現(xiàn)在河網(wǎng)的密集程度，河網(wǎng)越密集，河流緩沖區(qū)面積越大，危險性越高。河網(wǎng)水體分布數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心，比例為1∶250000。應用ArcGIS空間分析工具中歐氏距離處理，使用模糊綜合評價方法將緩沖區(qū)進行分級(表4)，重分類后可得河網(wǎng)影響因子分布圖(圖7)。

圖7 河南省河網(wǎng)分布風險圖

由圖7可知，河北省水系整體流向為從西到東南，中部地區(qū)河網(wǎng)分布較為密集，而降雨量也呈現(xiàn)出中部高，四周低的空間分布特征。兩個原因的疊加，造成中部緩沖區(qū)高風險區(qū)域大的特征。研究區(qū)域高風險區(qū)占比37.71%，面積為62428.1123 km2；中高風險區(qū)占比35.20%，面積為58269.3481 km2；中風險區(qū)占比18.06%，面積為29890.1233 km2；低風險區(qū)占比9.03%，面積為14947.2954 km2，主要分布在洛陽西北方向海拔較高的區(qū)域。

2.3 洪澇災害危險性評價結果

本文對河南省洪澇災害進行綜合危險性評價，首先為各指標不同危險性等級進行賦值，以9為標度尺，將低風險賦值為1，中低風險賦值為3，中風險賦值為5，中高風險賦值為7，高風險賦值為9。應用ArcGIS空間分析工具中地圖代數(shù)功能對“7.20”鄭州特大暴雨事件24 h降雨量、年平均降雨量、河網(wǎng)分布、絕對高程、高程相對標準差等指標進行疊加分析。根據(jù)前文AHP層次分析法與模糊綜合評價法計算結果，可建立洪水災害危險性綜合評價公式：

A=C1×0.1+C2×0.1+C3×0.2+C4×0.2+C5×0.4

(10)

通過柵格計算可得研究區(qū)域洪水災害危險性評價圖(如圖8所示)。由此圖可知，研究區(qū)高風險區(qū)占比2.58%，面積為4257 km2，主要分布在黃河、淇河、賈汝河、潦河流域；中高風險區(qū)占比17.61%，面積為29056.5 km2；中風險區(qū)域占比41.01%，面積為67666.5 km2；中低風險區(qū)占比35.65%，面積為58822.5 km2；低風險區(qū)占比3.16%，面積為5214 km2。

圖8 河南省洪水災害危險性評價結果圖

3 結論

(1) 利用AHP層次分析法與模糊綜合評價法構建了河南省洪澇災害危險性綜合評價模型，通過模型分析，河南省洪澇災害危險性評價指標：“7.20”鄭州特大暴雨24小時降雨量權重為0.4，河南省年平均降雨量權重為0.2，河網(wǎng)分布權重為0.2，地形因素權重為0.2。河南省洪澇災害危險性綜合評價結果為“中風險”。

(2) 由洪水災害危險性評價結果顯示，河南省高風險區(qū)域占河南省區(qū)域的2.58%，面積為4257 km2。洪水災害危險性等級主要憑借降雨量、河網(wǎng)分布、地形分布等指標作為影響因子相互關系確定。河南省高風險區(qū)具有降雨量大、坡度變化小、海拔較低、河網(wǎng)分布密集等特點。

(3) 本文利用“7.20”鄭州特大暴雨相關數(shù)據(jù)，分析河南省洪澇災害危險性分布區(qū)域，通過預測分析，結果顯示：南召縣、安陽縣、信陽市為洪澇災害高風險區(qū)域，應予以重視。