湘江流域洪水災(zāi)害風(fēng)險評價

湘江流域洪水災(zāi)害風(fēng)險評價

洪水災(zāi)害是一種嚴(yán)重的災(zāi)難，突發(fā)性強(qiáng)，發(fā)生頻率高，影響嚴(yán)重。全球每年都因洪水災(zāi)害而造成巨大損失,我國一直是受洪水災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。據(jù)初步統(tǒng)計,我國約有50%的人口和70%的財產(chǎn)分布在洪水威脅區(qū)內(nèi)。湘江流域也是經(jīng)常受洪水威脅的區(qū)域,根據(jù)史料和災(zāi)情記錄發(fā)現(xiàn),在1949-1998年間,湘江流域中下游區(qū)共發(fā)生不同等級的洪澇災(zāi)害達(dá)29次,平均1.7a發(fā)生一次,其中極大洪澇災(zāi)害年有1954,1976,1994,1996和1998等年份,平均9.6a發(fā)生一次。就在筆者今年7月湖南野外考察期間,由于受“碧利斯”臺風(fēng)的影響,湖南省湘南地區(qū)遭遇了500a一遇的暴雨襲擊并引發(fā)山洪,截止7月21日,郴州、衡陽、永州、婁底、株洲、益陽等6個市729萬多人受災(zāi),直接經(jīng)濟(jì)損失超過78億元。由此可見,為了確切地分析評估洪水災(zāi)害發(fā)生的可能性以及可能造成的損失,為了更好地制定防災(zāi)減災(zāi)對策和措施,洪水災(zāi)害風(fēng)險研究顯得尤為重要。因此本文旨在對湘江流域地區(qū)進(jìn)行洪水災(zāi)害的風(fēng)險評價,以期為該地區(qū)洪水風(fēng)險管理、防洪減災(zāi)規(guī)劃,洪水保險制度合理化等提供借鑒依據(jù),同時也為湘江流域地區(qū)長期土地合理利用、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃提供參考。1流域水系圖6湘江是洞庭湖水系中最大的一條河流,發(fā)源于廣西靈川縣海洋山,經(jīng)興安、全州進(jìn)入湖南東安縣,由南向北再經(jīng)永州、祁陽、衡陽、株洲、湘潭、長沙至湘陰的濠河口注入洞庭湖,全長844km,流域面積94660km2(圖1)。干流永州以上為上游,長約234km,屬山丘區(qū),河道較直,水急灘多;永州至衡陽為中游,長約290km,屬丘陵地區(qū),河谷較開闊,臺地發(fā)育;衡陽以下為下游,長約320km,屬低矮丘陵及平原區(qū),河道蜿蜒曲折,兩岸多筑防洪堤,最后注入洞庭湖。流域?qū)偬窖蠹撅L(fēng)型氣候,冬季受強(qiáng)大蒙古高壓控制,夏季受東南季風(fēng)影響。流域內(nèi)熱量、水分、光照等條件充沛,年平均氣溫17.6℃,年降水量1400mm,多年平均蒸發(fā)量1200mm左右,無霜期270~311d。湘江水系發(fā)育,水量豐富,支流眾多,河網(wǎng)分布如樹枝叉狀,且大部分集中在右岸。湘江流域中下游地區(qū)人口眾多,城鎮(zhèn)密集,是湖南工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較發(fā)達(dá)地區(qū),湘江流域耕地面積173.6萬hm2,占湖南省52.7%,養(yǎng)育著湖南省56.6%的人口,是我國重要的商品糧基地,湘江流域國內(nèi)生產(chǎn)總值占湖南省63%。2研究方法和數(shù)據(jù)來源2.1從自然屬性到社會屬性從系統(tǒng)論來看,致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體相互作用,相互聯(lián)系,形成了一個具有一定結(jié)構(gòu)、功能特征的復(fù)雜體系,這就是水災(zāi)系統(tǒng)。致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境兩方面反映的是災(zāi)害的自然屬性,這一屬性對區(qū)域而言是絕對的,在一定的時間和空間范圍內(nèi),人為因素對其改變的可能性微乎其微;承災(zāi)體的衡量指標(biāo)所反映的是災(zāi)害的社會屬性,這一屬性與區(qū)域的社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等諸多因素都有關(guān)系。在災(zāi)情的形成過程中,孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、承災(zāi)體缺一不可,只是這3種因素在不同的時空條件下,對災(zāi)情形成的貢獻(xiàn)會發(fā)生改變。因此從整體性角度出發(fā),洪水災(zāi)害風(fēng)險評價應(yīng)包括洪水災(zāi)害危險性評價和脆弱性評價兩部分。2.2洪水的下墊面因素洪水災(zāi)害危險性評價主要考慮洪水形成的自然因素,湘江流域洪水災(zāi)害形成受多種自然因素影響,每一種因素又有眾多表現(xiàn)形式,洪水的形成主要取決于天氣因素和下墊面因素,對于湘江流域,暴雨洪水是主要洪水類型,因此天氣影響因素主要是降雨,下墊面因素包括地形、植被、土壤及水庫的分布等,其中以地形對洪水的危險性影響最大。同時在有效表征致災(zāi)因子危險性的指標(biāo)難以獲取時,歷史水災(zāi)頻次也是一個很好的表征指標(biāo)。洪水災(zāi)害脆弱性評價主要考慮承災(zāi)體的社會經(jīng)濟(jì)因素,人類是災(zāi)害的承擔(dān)者,人口密度過大對資源環(huán)境的壓力大,可成為環(huán)境系統(tǒng)失衡的誘因。湘江流域覆蓋的縣市幾乎都是農(nóng)業(yè)大縣,因此耕地面積百分比可以很好地反映當(dāng)?shù)氐墓潭ɑA(chǔ)財富。同時人均收入水平的高低,直接關(guān)系到當(dāng)?shù)販p災(zāi)投入的能力和潛力。另外在自然降水的一般情況下,洪澇能否成災(zāi)及成災(zāi)的程度與當(dāng)?shù)氐乃O(shè)施直接相關(guān)。根據(jù)上述分析,考慮到資料的可取性和詳盡程度,本文最終確定湘江流域水災(zāi)綜合風(fēng)險評價的指標(biāo)體系(圖2)。2.3資料和數(shù)據(jù)來源本文所使用的年平均降雨量數(shù)據(jù)來自國家氣象中心《中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)》,高程和坡度數(shù)據(jù)來自90mDEM,歷史洪澇災(zāi)次數(shù)據(jù)來自北京師范大學(xué)編制的報刊數(shù)據(jù)庫,統(tǒng)計出1949-2000年有報刊記錄的水災(zāi)次數(shù)。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要來自《2005湖南社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計年鑒》。3因子屬性劃分由于上述選定的各評價指標(biāo)的計量單位不同,取值范圍變幅大,因此我們對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,將編制的年平均降雨量圖、高程圖、坡度圖以及歷史洪澇災(zāi)次圖的因子屬性進(jìn)行劃分,分別按數(shù)值5,4,3,2,1代表高、較高、中度、較低、低危險限界值賦給每個評價單元(表1)。利用ARC/INFO系統(tǒng)地圖代數(shù)的功能,將參與評價的多層空間因子圖層進(jìn)行疊加分析,得到洪水災(zāi)害危險性評價圖(圖3)。4漢江流域洪水災(zāi)害的脆弱性本文采用模糊綜合評判的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行湘江流域洪水災(zāi)害脆弱性評價。4.1流域洪水脆弱性綜合評價指標(biāo)集的確定在綜合考慮諸多因素情況下,定義湘江流域洪水脆弱性的綜合評價指標(biāo)集為U={人口密度,耕地面積百分比,人均GDP,單位面積水庫和塘壩容量}。4.2負(fù)相關(guān)處理為確定所選取指標(biāo)的性狀,需要建立評價集合。首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,由于前兩個因子與洪災(zāi)脆弱性呈正相關(guān)關(guān)系,其處理方法是:xi=x’i/x’i(max);而后兩個因子呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其處理方法是:xi=1-x’i/x’i(max)。式中xi表示第i個因子數(shù)列中的數(shù)據(jù),x’i(max)表示該因子數(shù)列中的最大值。經(jīng)過這樣的處理后,我們將湘江流域洪澇災(zāi)害脆弱性程度劃分為5個等級,即評價集V={V1,V2,V3,V4,V5}={低度脆弱性,較低度脆弱性,中度脆弱性,較高度脆弱性,高度脆弱性}。各評價因子的評價標(biāo)準(zhǔn)見表2:4.3權(quán)重的確定在承災(zāi)體脆弱性評價中,由于所選擇評價因子重要性程度有差異,所以需要確定權(quán)重。權(quán)重的確定有多種方法,層次分析法原理簡單,且有數(shù)學(xué)依據(jù)。本文根據(jù)層析分析法所建立的權(quán)重為W={0.47,0.28,0.17,0.08},經(jīng)過了一致性檢驗。4.4u2004.3i3a.3.4再犯3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.3.3.4.3.4.3.3.4.3.3.4.3.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.3.3.3.4為了分析問題方便,使這些定量指標(biāo)有一個統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn),采用構(gòu)造隸屬函數(shù)的方式來確定隸屬度,由于認(rèn)識事物的局限性,我們只能建立一個近似的隸屬函數(shù),這里選取升、降半梯形和三角形來確定各等級的隸屬函數(shù)。本文將洪水災(zāi)害脆弱性等級劃分為5級,低度脆弱性為降半梯形函數(shù),高度脆弱性為升半梯形,其他3級為三角形函數(shù)(圖4)。相應(yīng)的隸屬函數(shù)為:ui1(xi)={10≤xi≤V1V2-xiV2-V1V1≤xi≤V20xi≥V2(1)ui1(xi)=???????1V2?xiV2?V100≤xi≤V1V1≤xi≤V2xi≥V2(1)ui2(xi)={0xi≤V1或xi≥V3xi-V1V2-V1V1＜xi＜V21xi=V2V3-xiV3-V2V2＜xi＜V3(2)ui2(xi)=?????????????0xi?V1V2?V11V3?xiV3?V2xi≤V1或xi≥V3V1＜xi＜V2xi=V2V2＜xi＜V3(2)ui3(xi)={0xi≤V2或xi≥V4xi-V2V3-V2V2＜xi＜V31xi=V3V4-xiV4-V3V3＜xi＜V4(3)ui3(xi)=?????????????0xi?V2V3?V21V4?xiV4?V3xi≤V2或xi≥V4V2＜xi＜V3xi=V3V3＜xi＜V4(3)ui4(xi)={0xi≤V3或xi≥V5xi-V3V4-V3V3＜xi＜V41xi=V4V5-xiV5-V4V4＜xi＜V5(4)ui4(xi)=?????????????0xi?V3V4?V31V5?xiV5?V4xi≤V3或xi≥V5V3＜xi＜V4xi=V4V4＜xi＜V5(4)ui5(xi)={1xi≤V4xi-V4V5-V4V4＜xi＜V50xi≥V5(5)ui5(xi)=???????1xi?V4V5?V40xi≤V4V4＜xi＜V5xi≥V5(5)4.5數(shù)學(xué)模型3.當(dāng)模糊矩陣R和權(quán)重集確定以后,可采用模糊變換進(jìn)行綜合評判:B=AR=(W1W2,?,W5)(r11?r15???r15?r55)=(b1b2b3b4b5),幾種常用的數(shù)學(xué)模型有M(∧,∨),M(●,∨),M(●,⊕),M(∧,+),由于模型2兼顧了所有因素,同時突出了主要因素,其評判結(jié)果比較細(xì)膩,因此我們采用模型2的合成運算方法,于是:bj=n∨i=1ai?rji(j=1,2,?,m)其中“·”為普通乘法運算,∨為取大運算,即bj=max(a1r1j,a2r2j,…,anrnj),按照最大隸屬度原則,求出B中的最大值,即bk=max{b1b2b3b4b5},則被評定單元洪水脆弱性為k級。由此得到湘江流域64個縣市洪水災(zāi)害脆弱性模糊綜合評判結(jié)果(圖5)。5自然災(zāi)害風(fēng)險評價風(fēng)險評價是一個重要而復(fù)雜的科學(xué)問題,為了進(jìn)行風(fēng)險大小的比較,人們常常用期望值替代概率分布,或選用某種或某些算子對有關(guān)的量進(jìn)行數(shù)學(xué)組合?！凹印焙汀俺恕笔鞘褂妙l率最高的兩個算子,本文采用的自然災(zāi)害風(fēng)險定義及其一般表達(dá)式為:風(fēng)險(risk)=危險性(hazard)×脆弱性(vulnerability)(6)在實際分析應(yīng)用中,對自然災(zāi)害的風(fēng)險評價主要是確定自然災(zāi)害風(fēng)險的相對大小,多是定性、半定量化的風(fēng)險評價模型。以縣域為基本單元,根據(jù)公式(6)可以計算得到每個評價單元的風(fēng)險度。風(fēng)險等級由洪水災(zāi)害危險性等級和脆弱性等級生成,危險性等級和脆弱性等級都分為5個級別,由此得出風(fēng)險等級分區(qū)矩陣(圖6),然后根據(jù)風(fēng)險等級分區(qū)矩陣,我們得到最終的風(fēng)險評價圖如圖所示(圖7)。6洪水災(zāi)害風(fēng)險分析(1)本文基于災(zāi)害系統(tǒng)理論,從洪水災(zāi)害的致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境的自然狀況和承災(zāi)體的社會經(jīng)濟(jì)狀況出發(fā),分別構(gòu)建了洪水災(zāi)害危險性和承災(zāi)體脆弱性評價體系,采用GIS地圖代數(shù)和模糊綜合評判法得到湘江流域洪水災(zāi)害危險性評價圖和湘江流域洪水災(zāi)害脆弱性評價圖,并基于此采用“乘”算子R=H·V得到湘江流域洪水災(zāi)害綜合風(fēng)險評價圖。由于洪水災(zāi)害形成的復(fù)雜性,影響因子眾多,要完全定量地分析洪水災(zāi)害的風(fēng)險有一定的困難,本文的評價工作只是在這方面所做的初步探索。(2)湘江流域洪水災(zāi)害危險性評價結(jié)果表明,危險性等級高值區(qū)主要分布在洞庭湖平原區(qū)的湘陰縣和汨羅縣以及以衡陽為中心的衡邵盆地。這些地區(qū)降雨量充沛且地勢低洼,為本區(qū)暴雨徑流的迅速匯集提供了有利地勢條件,形成了易洪易澇的不利格局。湘江流域洪水災(zāi)害脆弱性評價結(jié)果顯示,從總體上來看,湘江流域西南和東南部洪水災(zāi)害脆弱性比較小,而湘江流域中北部丘陵盆地區(qū)脆弱性較大。具體來看,洞庭湖區(qū)以及寧鄉(xiāng)、漣源、冷水江、邵陽一線是脆弱性高值區(qū),與其對應(yīng)的兩個脆弱性低值區(qū)分布在:湘江流域西南為一范圍寬廣且連片的脆弱性低值區(qū),湘江流域東南以資興、炎陵為中心的區(qū)域是另一范圍較大的低值區(qū)。從最終的洪水災(zāi)害綜合風(fēng)險評價圖來看,洪水災(zāi)害風(fēng)險高值區(qū)主要分布在湘江流域中下游地區(qū),其中洞庭湖平原區(qū)的湘陰、汨羅縣,以及寧鄉(xiāng)、長沙、湘潭、株洲、雙峰這些湘中紅層盆地區(qū)域和衡陽、衡東衡攸紅層盆地區(qū)為風(fēng)險高值區(qū),這些地區(qū)由于洪水災(zāi)害危險性高,社會經(jīng)濟(jì)脆弱性大,所以洪水災(zāi)害風(fēng)險最大。地勢低洼,又靠近主干河道或大