基于AHP-GIS的内涝灾害风险评价研究--以揭阳市榕城区为例.pdf
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1、第8期2 0 2 3年8月广东水利水电G U A N G D O N G WA T E R R E S O U R C E S A N D HY D R O P OWE RN o.8A u g.2 0 2 3基于A H P-G I S的内涝灾害风险评价研究 以揭阳市榕城区为例周佳麒(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广州 5 1 0 6 3 5)摘 要:基于内涝风险理论和内涝灾害成因机制,采用集成的AH P-G I S法,从区域的危险性、易损性、防灾减灾能力三方面选取考虑因子来构建风险评价模型,采用聚类和定性相结合的分析方法,对揭阳市榕城区进行洪涝灾害风险评价;研究结果表明,榕城区西北部是
2、本区内涝灾害风险等级较高的区域,内涝灾害易发区主要分布在中西部区域,东部及东南部的风险等级总体较低。经验证,研究结果客观反映了榕城区内涝灾害风险分布情况,可为灾害防御工作提供技术支撑。关键词:内涝灾害;风险评价;层次分析法;空间分析;榕城区中图分类号:T U 9 9 2 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 8-0 1 1 2(2 0 2 3)0 8-0 1 0 4-0 7 收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 1;修回日期:2 0 2 3-0 4-1 4作者简介:周佳麒(1 9 9 6-),男,硕士,助理工程师,从事水文水利计算及水利规划等工作。1 概述近年来,极端天气和自然灾害频发,其中洪
3、涝灾害具有易发性、强破坏性、全球分布广泛性,引起防御部门的重点关注。广东省由于其特殊的地理位置,洪涝灾害更为严重。珠江、韩江流域均为洪涝灾害易发区,台风过境时极易引发洪涝灾害,造成区域性的人员伤亡和财产损失。因此,除了对广东省省级区域尺度进行分析外,对市县、镇街进行尺度更为细致的区域风险分析,也是防范洪涝灾害非常重要的一环。近年来,许多研究者通过不同的方式对洪涝灾害展开多地域、多尺度研究。林波1对广东省山洪灾害开展层次分析法和G I S结合分析,绘制了广东省山洪灾害风险区划图;卢梦瑶等2提出了一种定量化风险评估的模型建立方法,通过多源数据基于P C A确定各因子权重,绘制了洪涝灾害风险区划图;
4、傅永超等3利用祁连县3个国家基本站1 9 7 82 0 2 0年的年降水观测数据资料,对祁连暴雨洪涝开展了区划研究;宋怡轩等4对致灾因子、孕灾环境、承灾体、防灾减灾能力四种因子进行分析评估,评价了四川省暴雨洪涝灾害风险;周燕莲等5在岷江流域暴雨分布基础上,将层次分析法与G I S技术相结合,得到了岷江流域洪灾动态风险性空间分布图;张丽媛等6基于WG A算子熵权法构建了农业洪涝灾害风险评估模型,分析评估指标的灵敏度,制定了科学有效的风险应对策略;孙忠保7综述了国内外洪涝灾害脆弱性研究进展、代表性模型以及研究方法;李双等8应用熵权和灰靶评价模型方法,对陕南地区暴雨洪涝灾害风险开展研究,通过构建风险
5、评价模型,完成了洪涝风险区划;王鹏等9以汉江湖北河段沿线为例,根据二元L o g i s t i c回归原理,利用S P S S进行二元逻辑回归分析;吕希希等1 0进行了安义暴雨洪涝敏感性分析及评估;轩春怡等1 1开展了北京地区暴雨灾害1 k m分辨率的精细网格化风险评估与区划,并结合实际案例进行了分析;张亚琳等1 2进行F l o o d A r e a模型水文模拟,以重现期区分不同工况绘制暴雨洪涝灾害风险区划图;刘嘉伟等1 3利用遥感以及格网化数据,采用AH P层次分析法对潍坊市各区县进行洪涝灾害风险区划并进行分析评估与检验;谢五三等1 4从暴雨致灾机理出发,以面向实时气象防灾减灾为思路,
6、开展中小河流域暴雨洪涝灾害风险区划技术研究。本文选取揭阳市榕城区为分析对象,从3种影响因素、1 1个影响因子方面构建风险区划评价指标体系,运用AH P法分析权重,结401合G I S开展空间叠加分析,初步判定灾害风险影响的主导因素,进而为榕城区的防治区划及相关防御工作提供技术支撑。2 研究区域基本情况2.1 研究区域概况揭阳市榕城区位于广东省东南部,1 9 9 1年1 2月成立,东和潮州市潮安区接壤,西与揭东区、普宁市相连,北部和榕江相接,南部接壤普宁市和汕头市朝阳区。区域形态上,榕城区东西向全长约为1 3.5 k m,南北向全宽约为1 4 k m,全区总面积约为9 1.2 6 k m2。榕城
7、区下辖1 0个街道,4个镇。分别是:仙桥街道、新兴街道、梅云街道、中山街道、榕华街道、西马街道、东兴街道、东阳街道、榕东街道、东升街道,登岗镇、砲台镇、渔湖镇和地都镇。榕城区地形整体形状呈现倒三角形,区域北部较为宽大,南面狭窄。从地势上看,区域东北地势较低,西南地势较高。从区域的中心看,地面标高为2.3 5 6 m(珠基)。区域内的地势最高点在西南部位的紫峰山石峰。榕城区的主要地貌类型有丘陵和平原两种,丘陵区域约占总面积的2 3%,平原区域约占总面积的7 7%。从整体区位来看,榕城区地处广东省的东南部,与南海相邻,水域十分开阔,区域内河网密布。榕城区气候类型为南亚热带季风性湿润气候,日照充足,
8、雨量丰沛,年平均降水量为1 7 2 3 m m,年平均气温为2 1.4。由于地形复杂交错,加之季风气候的强烈影响,区域内降雨量空间分布不均,山区地带降雨量较大,平原沿海地区降雨量逐步递减。其中,莲花山脉南坡为显著的暴雨高值区。2.2 数据来源自然环境和社会经济条件数据是客观反应洪涝灾害风险的必要数据,本研究在前期工作中着重对榕城区的自然、社会经济数据展开调查,调查所得资料来源见表1所示。表1 基础数据数据 数据来源遥感影像中科院资源环境科学数据中心气象水文广东省气象局社会经济榕城区水资源公报成果易涝点分布广东省易涝点统计河网、路网及水利设施广东省水利电力勘测设计研究院有限公司 基础数据在经过前
9、处理后,转换为栅格数据,再经过投影变换及重采样,统一所有栅格数据的坐标系为G C S_C h i n a_G e o d e t i c_C o o r d i n a t e_S y s t e m_2 0 0 0。3 研究方法3.1 指标确定联合国人道主义事务部给出了关于自然灾害风险的定义,目前在灾害评估与防治领域被广泛的认可和使用,即风险是在特定区域和给定时段内,某种自然灾害而引起的生命、财产、经济损失的期望值,采用的概化理论公式为“风险度(R)=危险度(H)+易损度(V)-防灾减灾能力(F)”。本次评价的指标从危险性、易损性和防灾减灾能力三大块进行归纳:1)危险性因子危险性指标主要依据
10、评价区域内发生内涝灾害的可能性和危险程度。根据指标选取的原则,选取暴雨综合指标(多年平均最大1 h降雨量、多年平均最大3 h降雨量、多年平均最大6 h降雨量、多年平均最大2 4 h降雨量)、高程、地表不透水率和河网密度指标进行榕城区内涝灾害危险性评价。2)易损性因子易损性则结合区域内的社会经济条件,描述区域内遭遇内涝灾害时可能造成的损失。参考目前内涝灾害风险性评价研究所选取的指标,结合资料掌握的详实程度,最终选取人口密度、地均G D P、路网密度作为易损性评价指标。3)防灾减灾能力因子防灾减灾能力是评价区域对内涝灾害的抵抗能力和受灾之后的恢复能力的指标。参考目前内涝灾害风险性评价研究所选取的指
11、标,并考虑资料收集的难易程度和区域特征,最终选取人均G D P、水利设施密度、医疗救助点密度和河网密度作为评价指标。本文采用在自然灾害风险损失评估中广泛应用的层次分析法,对揭阳市榕城区内涝灾害风险评价指标体系进行定权,其主要原理是将与决策相关的元素分解成目标层(A层),准则层(B层),指标层或决策层(C层)3个层面;将各层次的指标两两进行比较,评判其优劣;利用评判结果建立矩阵模型来计算各指标的权重系数,即得到在某一准则下各个指标相对重要性的度量。5012 0 2 3年8月 第8期周佳麒:基于AH P-G I S的内涝灾害风险评价研究 以揭阳市榕城区为例N o.8 A u g.2 0 2 33.
12、2 指标权重计算在洪涝灾害危险性评估中,暴雨作为风险源,占据主导因素,其影响力权重最高。高程、地表不透水率等下垫面条件,可用于评估暴雨来临时区域的孕灾环境,其影响力权重较降雨偏小;在易损性评估中,秉承以人为本原则,将人民生命安全作为权重最大的影响因子,地均G D P反映了资产暴露状况,对内涝灾害易损性评价有重大影响;此外,人均G D P反映了地区的经济发展程度和抗灾能力,水利设施密度、医疗救助点密度反应对内涝灾害的抵抗能力和灾后恢复能力,对内涝灾害的防灾减灾能力有重要影响(各指标权重见表2所示)。表2 榕城区洪涝灾害风险区划各指标权重目标层A准则层B指标层CB层对A层的相对权重C层对B层的相对
13、权重C层指标的权重榕城区 内涝灾害风险评价危险性B 1易损性B 2防灾减灾能力B 3暴雨综合指标C 1高程C 2地表不透水率C 3河网密度C 4地均G D P C 5人口密度 C 6路网密度C 7土地利用C 8人均G D P C 9医疗救助点C 1 0水利设施分布C 1 10.4 90.3 10.2 00.4 50.2 10.1 50.0 90.1 50.0 90.2 50.1 20.3 30.0 80.4 30.0 90.1 40.0 50.1 00.0 30.4 60.0 90.3 10.0 60.2 30.0 33.3 模型构建根据各指标因子权重进行汇总,并将所有图层通过前处理转换为栅格
14、数据,通过归一化去除不同种类数据量纲,空间叠加得出各栅格的内涝风险值,风险值越高,对应的内涝风险就越大。利用A r c G I S栅格计算器计算危险性、易损性、防灾减灾能力和风险性,得到目标层和准则层的栅格分布图。危险性:H=fh =n1ihi(1)易损性:V=fv =n1ivi(2)防灾减灾能力:F=f f =n1ifi(3)风险性:D=f H,V,F =HH+VV-FF(4)式中:hi、vi、fi 栅格格式各个因子在完成去量纲归一后的取值;危险性、易损性、防灾减灾能力以及风险性各层次指标权重。根据表2得到的内涝灾害风险指标体系及权重,B层和A层的计算公式分别为:危险性(H)=0.4 5C
15、H1+0.1 5C H2+0.1 5C H3+0.2 5C H4(5)易损性(V)=0.3 3C V5+0.4 3C V6+0.1 4C V7+0.1 0C V8(6)防灾减 灾 能 力(F)=0.4 6C F9+0.3 1C F1 0+0.2 3C F1 1(7)风险性(R)=0.4 9H+0.3 1V-0.2 0F(8)式中,C H1 C F1 1依据危险性为H,易损性为V,防灾减灾能力为F的查算方式,与表2的C1C1 1一一对应。在完成风险分析计算后,依照“自上而下”分区与“自下而上”合并相结合的方法,结合各地区的地形地貌特征和社会经济条件,采用I S O模糊聚类法与最大似然法进行聚类分
16、析,划分内涝风险区,并描述各分区的内涝风险性及灾害特征。1)I S O最大似然法聚类I S O聚类是以空间相似性为原则的非监督分类方法,使用I S O D A T A聚类算法来确定多维属性空间中像元自然分组的特征并将结果存储输出。提供充足的必要统计数据,I S O聚类不需要提供监督样本,自动进行合并和分裂,生成特征文件以供将来分类使用,每个聚类都含有足够的像元来准确地表示聚类,A r c G I S的I S O聚类工具可以对输入波段列表中组合的多元数据执行聚类。2)“自上而下”分区与“自下而上”合并相结合采用“自上而下”分区与“自下而上”合并相结合的方法进行区域划分。区划原则应与区划方法相对应
17、,本次评价所遵循的原则包括:主导因素与综合因素相结合原则、区域单元内部相对一致性原则、以人为本的经济社会分析原则、区域共轭性原则、定性分析与定量研究相结合原则。“自上而下”区划方法是为相对一致性原则而设计的,“自下而上”区划方法是为区域6012 0 2 3年8月 第8期广东水利水电N o.8 A u g.2 0 2 3共轭性原则而设计的。结合这两种方法,能充分考虑分区内部各要素的一致性,结合主要因素和综合因素描述分区的内涝风险特征,得出更具有参考价值的分析结果。4 风险叠加结果分析榕城区内涝灾害的风险性由危险性、易损性和防灾减灾能力综合构筑,用内涝灾害综合性风险指数来表征其强度。根据上文中的权
18、重成果,将危险性、易损性和防灾减灾能力的栅格图层进行叠加,再采用自然断点法对结果进行分级,得到内涝灾害的风险性等级划分标准,形成榕城区内涝灾害风险强度分布图(见图1),导入历史易涝点的数据(见图2),进行分析验证相关性。a 榕城区内涝灾害危险性等级 b 榕城区内涝灾害易损性等级c 榕城区内涝灾害防灾减灾能力等级 图1 榕城区内涝灾害风险评价结果示意 图2 榕城区内涝风险性等级及易涝点验证结果示意4.1 危险性评价根据权重计算危险性图层(见图1 a),榕城区洪涝危险性最高的区域在东南部和西北部。按街镇来看,西北部的东兴街道、中山街道、榕东街道、新兴街道,由于不透水率较高、高程较低,具有较危险的孕
19、灾环境;但是从暴雨综合指标上看,其危险性评级为中,加权后达到高风险性。西北部的这4个街道虽然危险性较高,但未达到极高的危险性等级;地都镇虽然地表不透水率和河网密度的危险性均较低,但由于其暴雨综合指标以及高程的危险性较高,在加权后地都镇呈现出极高的危险性;西部的梅云街道和仙桥街道各因子的危险性均不高,因此最后呈现较低的危险性;东北部的登岗镇仅河网密度的危险性较大,但是由于其权重所占比例不大,因此综合来看登岗镇的危险性也较小,这与每一个权重因子分析得到的结果相符合。4.2 易损性评价易损性指一定时空范围内,面对某类致灾过程致使承灾体可能遭受的潜在损失。本着“以人为贵”的指导思想,反映人口集中程度的
20、人口密度指标应赋予高权重;地均G D P反映资产的集中程度,权重设置赋予次高权重。图1 b显示榕城区内涝灾害易损性的区域性十分明显,主要集中在西北部的东兴街道、中山街道、7012 0 2 3年8月 第8期周佳麒:基于AH P-G I S的内涝灾害风险评价研究 以揭阳市榕城区为例N o.8 A u g.2 0 2 3新兴街道、榕华街道。这几个街道人员密布,资产暴露度相对较高,交通路网密集复杂,一旦发生洪涝灾害,人口、经济损失都将较为严重。而地都镇和登岗镇易损性较小,这是因为这两个地区地广人稀,地均G D P较小,人口密度不高,路网密集程度也不及西北区的几个镇街。榕城区易损性水平高值区集中在人口密
21、度大、城镇化率较高、经济发达的区域,虽然地都镇处于空港经济区,经济发展迅速,但由于其人口不密集,地均G D P也较小,其易损性等级也是较低的。但同时也应该重视地都镇的易损性,因其虽G D P产值较大,但由于镇界面积较大,且统计精度不足,导致地均G D P偏小,若洪涝灾害发生在生产资料聚集区,也容易造成较大的损失。4.3 防灾减灾能力评价防灾减灾能力是指区域对内涝灾害的抵抗能力以及灾后的恢复速度和能力。由图1 c可知,在西北部,东兴街道、中山街道、榕华街道、中山街道附近,具有中等程度的人均G D P,且医疗救助点分布密集,虽然缺少水库防灾减灾的加持,但是仍然具有中高等级的防灾减灾能力。在西南部的
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