基于gis的臺風暴雨洪澇災害風險評價模型研究

臺風暴雨洪澇災害風險評估概述臺風麥薩和臺風羅薩先后造成杭州損失。2009年，杭州受到臺風莫拉的襲擊，導致杭州工農業(yè)生產的巨大損失。隨著城市化與臺風暴雨次生災害的交互作用,城市區(qū)域潛在社會經濟損失被無限放大,給城市防災、減災規(guī)劃與決策方面提出了新的要求。不斷發(fā)生的臺風暴雨災害表明,完全準確預報和阻止臺風暴雨災害的發(fā)生并不現(xiàn)實,但若采用有效的災害管理戰(zhàn)略,則可避免或減輕其帶來的巨大損失。因此,根據(jù)影響臺風暴雨災害的發(fā)生、發(fā)展機制及致災后果,分析區(qū)域臺風暴雨災害風險狀況并編制臺風暴雨洪澇災害風險區(qū)劃,對城市經濟持續(xù)發(fā)展及臺風防御規(guī)劃設計具有重要現(xiàn)實意義,也是城市減災防災工作的當務之急。對于臺風災害風險區(qū)劃及相應設防標準的研究,各國尚無成熟的經驗與成果。美國將墨西哥灣和大西洋沿岸劃分為七個區(qū)對各區(qū)建立了相應的標準設計颶風(StandardProjectHurricane,SPH)和最大可能颶風(ProbableMaximumHurricane,PMH)。我國學者丁燕等從致災因子危險性及承災體易損性角度,通過概率風險求算對廣東省的臺風災害風險進行評估。陳香等以福建省為例,構建了臺風災害致災因子、承災體評價指標體系與模型,并編制了基于行政邊界的臺風災害風險區(qū)劃圖。根據(jù)目前研究,災害風險區(qū)劃的技術和模型大致可以歸為災情統(tǒng)計模型、概率分布模型以及簡單因子疊加模型,一般僅從致災因子、孕災環(huán)境及承災體方面分析,尚缺少對防災能力的考慮,承災體特征也較為不明確;風險評價對象又多以行政區(qū)域為主,致使臺風暴雨洪澇災害形成和擴展的機理性條件被行政區(qū)劃割裂,且風險評價的精細化程度不夠,既增加了防臺救災投入的社會成本和不確定性,又人為地限制了各行政區(qū)域間的合作聯(lián)動效率,從而產生所謂的“防災死角”,不利于災害防御規(guī)劃的設計和防災救災工作的開展。臺風暴雨洪澇災害風險具有多元性及模糊性的特點,它受致災因子、孕災環(huán)境、承災體等眾多因素影響,而對于多因素的地理信息、遙感信息以及統(tǒng)計信息本身就存在多重性、復雜性、不確定性、不精確性,從機理上定量分析臺風暴雨洪澇災害的成因及各影響因素間的交互作用現(xiàn)階段的確較難實現(xiàn),通過災害系統(tǒng)理論構建臺風暴雨洪澇災害量化模型仍需深入研究。杭州屬亞熱帶季風氣候區(qū),每年夏秋兩季極易受西太平洋臺風影響。根據(jù)杭州市1951—2009年臺風資料統(tǒng)計,近59年共有88個臺風影響杭州,年均1.49個,其中臺風中心經過杭州市域的個例共有20個。全市每年因臺風造成的直接經濟損失接近2億元,受災人口超過15萬,多年累積房屋倒損數(shù)量高達20萬間。本文著眼于臺風災害的成因機制與擴散特征,從危險性、敏感性、易損性和防災能力四個方面出發(fā),選擇與臺風暴雨洪澇災害關聯(lián)度較大的風險評價指標,基于GIS技術進行多源、海量柵格數(shù)據(jù)分析并構建模糊綜合評價模型,以100m×100m柵格為基本評價單元,定量表達杭州市臺風暴雨洪澇災害風險的空間分布格局,以期為差別化的區(qū)域臺風暴雨洪澇災害防御提供一定的科學依據(jù)。1數(shù)據(jù)來源與研究方法1.1資料來源及數(shù)據(jù)來源研究所需的數(shù)據(jù)主要包括五類,一是致災因子臺風暴雨的氣象資料,最多包括250個氣象自動站及171個水文站的逐日降水,以及1951—2009年間主要影響杭州的88個西北太平洋熱帶氣旋路徑、強度信息。其中杭州、蕭山、富陽、臨安、桐廬、淳安和建德7個國家氣象觀測站降水資料統(tǒng)一截取為1960—2009年,氣象及水文自動站降水資料時間范圍為2000—2009年;二是孕災環(huán)境的自然地理狀況的地形、植被、水文及地質資料,其中覆蓋杭州市的1:25萬數(shù)字地形高程圖(DEM)、杭州市土地利用、行政區(qū)劃等數(shù)字化數(shù)據(jù)以及1968—2009年總共1907個滑坡災情數(shù)據(jù)均來自于杭州市氣象局,2000—2009年逐月歸一化差分植被指數(shù)(NDVI)柵格數(shù)據(jù)源于美國國家地質調查局的免費數(shù)據(jù)網;三是承災體的區(qū)域人口經濟分布統(tǒng)計數(shù)據(jù),主要源自2009年杭州各縣市統(tǒng)計年鑒;四是反映防災救災能力的財政收入、醫(yī)療保險及人均收入數(shù)據(jù)。根據(jù)臺風暴雨洪澇災害致災因子、孕災環(huán)境、承災體、防災能力特征選擇14個風險區(qū)劃指標,并對指標進行投影轉換及空間化處理,得到數(shù)學基礎一致的100m×100m柵格要素圖層,再運用模糊綜合評價模型對各評價指標進行疊置分析,給出各柵格單元的臺風暴雨洪澇災害風險等級(圖1)。1.2區(qū)域指標和評價模型1.2.1日降雨與過程降雨格局臺風暴雨洪澇災害致災因子是表示致使該種災害形成的觸發(fā)因素。一般而言,臺風暴雨洪澇致災因子危險性特征主要從臺風暴雨洪澇角度分析。根據(jù)氣象降水強度標準,將24小時降雨量為50mm或以上的雨稱為暴雨,并且此類降水已經具備了一定災損能力及破壞強度。根據(jù)對影響杭州市的88次臺風個例的統(tǒng)計分析,臺風影響時間一般持續(xù)2～3天,且過程中均伴有降水,其中64次臺風過程出現(xiàn)50mm以上的日降雨量;然而,從臺風日最大降雨量與過程降雨總量的對比中發(fā)現(xiàn),日雨量占過程雨量60%以上的臺風個例高達74次。由此可見,影響杭州的臺風強降水災害多以單日臺風暴雨為主(圖2)。因此,本文選擇日最大降雨量來反映影響杭州的臺風暴雨洪澇災害致災特征。首先對歷次臺風過程各氣象站點的日最大降雨量數(shù)據(jù)進行信息分配的優(yōu)化處理,利用直方圖方法估計概率分布,并計算日最大降雨量50mm以上臺風暴雨強度的超越概率。丁燕等認為超越概率能較好地反映研究區(qū)遭遇臺風暴雨強度的可能性,但無法體現(xiàn)臺風暴雨的頻率特征。因此,本文中的致災因子強度從超越概率與發(fā)生頻次兩方面給予綜合考慮:式中:Nrain為臺風暴雨危險指數(shù);Pi為研究區(qū)發(fā)生日最大降雨量i(mm)以上的超越概率;Fi為年均日最大降雨量i(mm)以上的發(fā)生頻次。運用以上致災因子強度模型得出日最大降雨量50mm以上的臺風暴雨危險指數(shù)(表1),同時將各氣象站點的臺風暴雨危險指數(shù)加載進ANUSPLIN模型,并引入以高程作為協(xié)變量的三變量局部薄盤光滑樣條函數(shù)進行空間內插離散,通過指標轉換,得到相應的致災因子危險性圖層(圖3)。最后利用ArcGis自然斷點分級法將各致災因子的危險程度劃分為5級。1.2.2地形起伏程度指標孕災環(huán)境包括孕育產生災害的自然環(huán)境和人文環(huán)境,是區(qū)域環(huán)境演變時空分異對自然災害空間分異程度的貢獻。就影響杭州的臺風暴雨洪澇災害而言,孕災環(huán)境敏感性指標主要選擇與暴雨災害關聯(lián)性較大的地理環(huán)境要素特征,包括高程(m)、地形標準差、河網密度(km/km2)、植被覆蓋度(%)以及地質災害危險度。(1)地形因子。所謂水往低處流,因地表徑流在重力作用下容易向低洼地匯集,并且由于向低地勢區(qū)匯集過程中水流有效位能會向動能轉化,從而使得水流加速,進而容易衍生地質災害。同時地形高程越低,地形起伏越小,越容易發(fā)生洪水。本文利用Arc/info空間分析模塊計算柵格周圍5×5鄰域內25個柵格高程的標準差作為表征該處地形起伏程度的定量指標,即從地形標準差、高程兩方面綜合考慮(見表2)。(2)河網密度。河網的分布在很大程度上決定了評價區(qū)域遭受洪水侵襲的難易程度,距離河道、湖泊水庫等越近,則發(fā)生洪澇的風險越高。尤其對于蓄洪排澇能力不強的江河水庫,短時強降雨過程會導致河水外溢,并向周邊發(fā)生漫延、泛濫,因此在對臺風災害的敏感性評價中,河網密度也是不可忽視的重要因素。根據(jù)DEM提取流域的河網水系分布并將杭州全境劃分為38395個1km×1km的網格單元,計算單位格網內河網水系總長度,將各網格單元內的河網水系總長度與網格面積做比值運算,便得到該網格單元內的河網密度。(3)植被覆蓋度。高密度的植被覆蓋能有效地緩解臺風暴雨洪澇的破壞作用。對臺風暴雨洪澇而言,植被覆蓋率越大,對洪水的滯留能力越強,則徑流系數(shù)越小,從而降低下游洪澇發(fā)生的可能。本文利用植被覆蓋度來反映植被的覆蓋狀況,考慮到NDVI穩(wěn)定性,對2000—2009年NDVI數(shù)據(jù)逐年取最大值再求平均,并根據(jù)不同的植被類型轉化為植被覆蓋度V。(4)地質災害危險度。臺風暴雨常引起山洪暴發(fā)、山體滑坡、泥石流等次生災害。對于杭州市而言,中西部低山地丘陵區(qū)域極易發(fā)生類似次生災害,不僅與臺風降水等致災因子強度密切聯(lián)系,更與當?shù)氐牡刭|條件息息相關。利用杭州市1968—2009年已發(fā)生的1907個地質災害點的采樣信息,采用證據(jù)權法分析各影響因子對地質災害發(fā)育的貢獻程度,并據(jù)此進行地質構造條件及滑坡危險度的定量評價。這些影響因子包括高程、坡度、坡向、溝壑分布、地層巖性、植被指數(shù)以及水系分布等。最后,將歷史滑坡點與地質災害危險度區(qū)劃進行對比、分析,88%的歷史滑坡落在中、高危險區(qū)內(圖4),即該地質災害危險度區(qū)劃結果較為可靠。1.2.3以易損性指標為中心的區(qū)域化區(qū)域分布及資源要素的整合承災體為各種災害的作用對象,即人類和其活動所在的社會與各種資源的集合。承災體的易損性評價是在對承災體分類的基礎上進行易損等級的劃分過程,目的是為區(qū)域制定資源開發(fā)與減災規(guī)劃,防災抗災工程建設提供依據(jù)。本文選擇能夠基本反映區(qū)域災損敏度的人口密度、耕地密度、地均GDP以及道路密度因子進行易損性評價。一般人口密度大、產業(yè)活動頻繁、耕地分布集中、道路分布密集的區(qū)域易損性等級較高。目前,承載體易損性分析大多以行政區(qū)域單元為研究對象,相關數(shù)據(jù)可直接從統(tǒng)計報表與年鑒中獲得。而這種研究方法往往造成承災體分布和其他柵格要素圖層所依附的空間單元尺度不同,使得數(shù)據(jù)間融合成為難題。其次對于承災體的空間分布特征而言,將其在行政區(qū)范圍內當作均勻分布來處理,顯然與實際情況不相符合,同時也給御災保障和防災投入造成了不必要的資源浪費。因此本文通過對各承災體易損性指標做柵格化處理,使之與其他風險評價指標得以有效疊合。(1)人口密度。采用土地利用、海拔高度、地形坡度及城鎮(zhèn)分布作為人口密度的影響因子,以居民地分布作為人口分布的重要指示因子,運用人口密度的統(tǒng)計內插法,建立逐步回歸分析模型,并應用多源數(shù)據(jù)融合技術進行杭州市人口數(shù)據(jù)的空間化,最終生成的100m×100m分辨率的柵格人口密度,通過與其行政區(qū)域分布相比較發(fā)現(xiàn)兩者吻合度較高(圖5),從而可由人口密度空間化結果代替人口密度圖層參與建模。式中,Ps為杭州市域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域的人口密度,城鎮(zhèn)面積A1,農村居民用地A2,農田面積A3,林地面積A4,DEM為高程,Slope為地形坡度,C1,C2,C3,C4,C5和C6分別為相應土地利用類型的回歸系數(shù),e為誤差。(2)利用杭州市土地利用分布圖,綜合分析各種土地利用類型與GDP分布的空間互動規(guī)律,選擇影響經濟發(fā)展的關鍵因素,建立GDP和土地利用格局的關聯(lián)度模型,實現(xiàn)在1km×1km格網的GDP空間定量模擬。(3)根據(jù)劃分后覆蓋全杭州的1km×1km的格網圖層,利用GIS空間疊置分析技術求算單位格網內耕地面積,并進行柵格化處理,求得耕地密度分布。道路密度則需要在柵格化之前按照道路等級劃分寬度不同的路基緩沖范圍,從而將線狀圖層轉化為面狀圖層。如高速公路、省級道路、鄉(xiāng)村道路緩沖范圍分別為60、40及15m,進而求算單位格網內道路緩沖范圍,作為反映道路密集程度的易損性因子圖層。1.2.4抗災能力分析過去的災害風險研究大多將防災能力歸類于承災體特征,或者較少考慮。本文認為隨著人類對災害預測和災害抵御能力的進一步提高,區(qū)域抗災能力理應在災害風險評價中扮演舉足輕重的地位。例如發(fā)布災害性天氣預報,構筑防洪堤壩,對建筑結構及抗災能力的設計,制定緊急救災預案,建立巨災保險基金,甚至是類似本文的災害風險區(qū)劃等,都屬于抗災能力的體現(xiàn)。考慮到許多自然災害發(fā)生發(fā)展規(guī)律尚不明確,對承災體的破壞機理尚不能完全掌握,以及防災能力的關鍵數(shù)據(jù)不易得到,或不準確、不全面,致使無法進行確定的區(qū)域抗災能力評估。本文僅從統(tǒng)計年鑒中選擇能夠反映防災能力特征的基本評價因子,包括人均收入(元)、財政收入(萬元)、醫(yī)療及工傷保險參保比重(%)、人均病床位數(shù)(%)以及人均醫(yī)護人員比重(%)指標。1.2.5表內各因素權重的確定模糊綜合評價模型是以模糊變換理論為基礎,以模糊推理為主的定性和定量相結合、精確與非精確相統(tǒng)一的綜合分析方法,目前在多指標綜合評價中應用較廣,本文利用該模型嘗試在臺風暴雨洪澇災害風險區(qū)劃研究上進行推廣。首先將涉及臺風致災因子、孕災環(huán)境、承災體及防災能力方面的14個區(qū)劃指標構成的原始指標集M={grid1,grid2,…,grid14},即每個指標為單獨的柵格圖層,空間分辨率100m×100m;將每個評價指標圖層劃分j個評語等級,按照三角形分級函數(shù)法確定每個指標的隸屬函數(shù)Fi={f1,f2,…,fj},每一級的子隸屬函數(shù)為fj,構成柵格圖像矩陣,即模糊關系矩陣R:然后根據(jù)各評價指標的重要性,應用層次分析法(AHP)構造因素遞階層次結構,利用專家經驗對各因素重要性進行比較,從而確定各評價指標的權重=[b1,b2…,bi](表3),并通過一次性檢驗,CR<0.1。將模糊權重向量與模糊關系矩陣R進行合成運算得到模糊綜合評價結果向量柵格圖像=·R=[a1,a2,…,aj],且根據(jù)最大隸屬度法對模糊綜合評價結果向量柵格圖像進行疊置分析,即得到最終的柵格圖像,繼而制圖輸出。2有利于減洪減洪根據(jù)圖6所示,杭州市臺風暴雨洪澇災害風險整體分布態(tài)勢從西南內陸區(qū)向東北沿海方向遞增。東北部平原區(qū)為杭州市社會經濟重心,人口、經濟高度集中,獨特的喇叭口地形特征促使其成為臺風暴雨多發(fā)區(qū),低洼的地勢也加大了洪澇災害風險,因此總體風險等級較高;中部山地丘陵區(qū)大多為中等風險等級,而局部地區(qū)受地形迎風坡面作用成為臺風暴雨中心,從而風險等級相應提高;杭州西部山區(qū)受地理分布特征影響,其災害風險等級較低。高風險區(qū)主要分布在主城區(qū)、余杭市、蕭山區(qū)、富陽市東部及臨安東北部一帶,土地面積1174.88km2,占研究區(qū)總面積的7.37%(表4),而人口數(shù)卻占杭州市總人口的33.71%。該區(qū)域地處東部沿海,受天目山、午潮山及龍門山三面環(huán)圍,朝東北方向開口,形成典型的喇叭口地形,有利于水汽、風力的輻合,同時臺風氣流在西進過程中易產生山前爬坡效應,極大地增加了該地區(qū)的降水強度;且靠近臺風源地,受臺風侵襲頻次較高,經常發(fā)生臺風暴雨等災害性天氣;另外該地區(qū)地勢平坦、河網密布、地形起伏較小,受短時強降水作用,地表徑流容易匯集,城區(qū)低洼地容易發(fā)生洪水、內澇。此外,該區(qū)域為杭州市社會經濟發(fā)展中心,尤其在主城區(qū)周邊人口密度大、經濟總量高、耕地分布廣、交通密集,因此臺風暴雨洪澇災害風險相對較高。而恰是由于該地區(qū)經濟發(fā)達,財政收入高,人口平均受教育程度較高的原因,其基礎設施相對完善,城市防災能力也較強,該區(qū)域的部分地區(qū)實際風險等級得到相應降低。杭州市中等臺風暴雨洪澇風險集中在中部山地丘陵區(qū),包括富陽市西部、臨安市北部、建德市南部、桐廬縣中部以及分水江、富春江等流域范圍。該風險區(qū)平均海拔較高、地形起伏大,河谷縱橫,沿江區(qū)域地勢多變、地形復雜。由于地表徑流在重力作用下容易向低洼地匯集,并且在向低地勢區(qū)匯集過程中水流有效位能會向動能轉化,致使水流加速,因此在下游河谷平原區(qū)容易遭遇山洪,在地質層結極不穩(wěn)定的坡面,容易衍生滑坡、泥石流等次生地質災害。而杭州中部山地丘陵區(qū)具有較為密集的森林覆蓋,主要分布在臨安市南部、桐廬縣北部以及富陽西北部山區(qū)。有研究表明,森林植被對陸地水文循環(huán)調節(jié)作用顯著,例如促進降雨再分配、影響土壤水分運動、改變產匯流條件等,進而在一定程度上起到削洪減洪作用。植被覆蓋率越大,對洪水的滯留能力越強,降低下游洪澇發(fā)生的可能性越大,因而高植被覆蓋度區(qū)域能夠有效地降低臺風暴雨洪澇災害風險。根據(jù)圖5可知,杭州中部區(qū)域承災體依土地利用類型呈塊狀