城市山洪灾害多目标评估的技术方法

　　在山洪灾害评估方面的长期摸索和实践中, 逐渐形成了较系统的灾情评估方法。在灾前风险评估方面, 提出的评估方法主要有资料统计分析法、实验模拟分析法、数学模型法、遥感和GIS法。资料统计分析法是根据历史资料和文献, 采用数理统计方法来实现, 如基于网格的多因子统计分析法和主成分分析法;实验模拟方法是在对山洪灾害有一定认识基础上, 通过实验模拟灾害的演进和成灾过程, 提取致灾因子作为评估的依据。数学模型法是利用适当的数学模型对灾害风险进行评估, 如模糊综合分析法和模糊信息模型法、灰色系统模型法、破坏概率法、信息模型法、神经网络法等。RS和GIS法是利用RS和GIS技术来完成山洪灾害的多目标评估的一种新方法, 遥感主要用于灾害调查、承灾体数据提取和动态监测;GIS则用于数据的存贮、处理、建模和分析。山洪灾后损失评估方法有抽样统计外推法、灰色关联法、神经网络评估模型法、成本价值或修复成本价值、收益损失和成本-收益价值损失核算模型和灾情综合调查基础上的多指标统计分析法等。

　　城市是人口高度集中且活动强度最大的地域,因此, 城市山洪灾害具有影响因素复杂,灾害强度局部趋高的特点;作为承受体的城市易损性高、风险性大;山洪作为“点”灾害, 既有自身特点, 又服从于区域性规律;表现在城市山洪灾害评估方法和途径上也有其特殊之处:

　　①影响城市山洪灾害形成的因素中与城市人类的活动关联更密切, 山洪灾害发生暴雨特征和地面危险性的耦合关系也就更为复杂,导致在评估技术方法上较高的难度;②城市建筑物和生命线等承灾体复杂性和重要性要求其评估有更高可靠性和准确性; ③山洪灾害评估与城市应急防灾系统、避难体系与救援系统的结合更密切, 要求评估结果在城市防洪减灾应用能够切实发挥作用。基于上述基本特点, 并结合本文作者前期对山洪灾害研究的基础上,本文采用地理学综合分析方法和RS/GIS分析与制图等手段, 提出城市山洪灾害多目标的评估的技术框架。

　　一、城市山洪泛滥范围确定与危险区划

　　1、利用GIS模拟

　　山洪泛滥范围主要选择在沿河道两岸地势相对较低及较平缓开阔地带, 实践表明, 离河道、湖泊、水库近的地带更容易遭受山洪的侵袭, 即山洪危险性较高;此外, 还应充分考虑城市建筑、已有的防洪设施等因素对山洪泛滥范围的影响;目前利用GIS技术方法计算洪水泛滥范围开始得到重视和应用;例如李发文等根据数学形态学原理,利用“膨胀算子”分析洪水淹没区域的连通性;运用GIS栅格数据格式建立淹没区内离散的高程数据,最后根据体积法原理,计算出洪水淹没区水深和淹没范围;刘仁义等基于GIS的数字地形模型数据,采用栅格图像种子蔓延算法,建立了GIS的洪水淹没区计算模型, 计算给定洪水水位下的淹没区;葛小平等采用GIS与水力演进模型,结合三维模拟技术和对象关系模型数据库,完成了洪水淹没范围数字模拟实验。丁志雄等提出了基于种子蔓延算法的淹没区计算方法,即有源淹没和无源淹没, 其淹没区计算精度主要取决于空间数据精度的优劣, 种子蔓延算法及探测分辨率决定了整个模型的效率。上述的方法为城市山洪泛滥空间范围推理与识别提供了重要的技术途径。

　　2、数值模拟

　　山洪运动数学模型和数值模拟技术是解决山洪泛滥范围与危险区划的重要途径, 对此前人已作了较深入研究和应用, 其基本方法是计算山洪在城市区域的演进过程, 并计算出山洪的水深和流场参数分布特征值, 采用流速和水深作为山洪危险区划的定量指标, 同时还结合泛滥区大比例尺的数字地形特征和历史灾害活动范围调查结果, 将山洪灾害泛滥区域划分为不同等级的危险区, 在此基础上作出不同频率山洪在泛滥范围内的危险性空间分布图。

　　二、城市山洪灾害的易损性评价

　　易损性是表达受灾体遭受灾害可能导致的潜在损失多少与发生损毁的难易程度, 因此, 易损性评价是对承灾区的社会经济水平及承灾能力的综合分析。以城市为承灾主体的山洪易损性评价的方法包括四个主要内容:(1)划分易损体类型;(2)调查统计各类易损体数量及分布情况;(3)易损性评价模型构建;(4)核算易损体价值。山洪灾害易损度评价过程复杂,全部采用现场调查承灾体的类型、数量和分布并估算承灾体的价值是件极其艰巨的工作, 费时、费力且获取资料的成本很高, 难以达到易损度快速评价的目的;目前高分辨率遥感技术为城市山洪灾害易损性的调查和分析提供了重要的数据源, 与GIS技术集成又为不同类型的易损体数量的统计提供了高效手段。Ikonos和Quickbird遥感数据以其特有的高分辨率在自然灾害分析中开始发挥特有的作用。

　　1、城市易损体类型和数量统计

　　针对城市资产主要类型和空间分布特点, 以高分辨率遥感影象为数据源进行城市土地覆盖类型解译, 以此作为城市山洪易损体类型和数量统计的依据。采用Quickbird卫星影象,其全色分辨率为0.61m, 满足对城市地物覆盖类型判读的需要。针对城市土地覆盖类型, 参考了中国土地利用分类方案,并结合城市地物类型特征, 重点对城市用地的房屋建筑、街道、绿化用地、城郊农作物、有林地等土地覆盖类型特征进行解译, 按1∶2000比例尺成图, 将数据结果输入到ARC/GIS中进行分类统计与制图表达, 获取城市易损体类型、面积的计算结果。

　　2、评价模型与价值核算

　　城市山洪易损性评价是基于目前城市的受灾体空间分布、数量特征和实际价值。因此, 在对城市受灾体类型划分、受灾体数量提取、地面调查和受灾体灾前价值的统计分析的基础上, 采用分类统计方法按如下评估模型对山洪灾害易损性进行评价:

　　式中: V(u)为城市山洪灾害易损体财产价值,E(d)i 为i 类易损体平均单价,F(s)i 为i 类易损体的实际面积,i为受灾体类型。

　　城市易损体价值可归结为两大类, 一类属资产价值, 如房屋、基础设施、铁路、公路、宅内财产等;另一类属资源价值, 如土地资源等。一些学者对城市山洪损失预测分析中,主要是房屋等建筑及室内财产、城市基础设施等价值的损失,它们占总损失的80%以上,其次是土地资源价值损失,占11%~19%;农作物等的价值损失所占的比例很少,不足1%;说明在建筑密度较高的城区,单位面积经济价值高, 易损性高。由于我国资源经济刚起步, 目前对土地资源价值还缺少相应的标准和参考数值, 在本研究中没有予以考虑。此外, 室内财产与城市房屋等建筑有密切关系, 已有模型分析。因此, 本文建议评价的对象采用上述的高分辨率遥感影象解译的城市土地覆盖类型, 各类型的单价不同城市差异很大, 可根据所评价的城市城建局系统提供的数据进行计算。

　　根据上述讨论的评估指标体系和模型, 应用ARC/GIS提供的统计和分析工具, 可计算出评价区各类地物覆盖类型的面积和最终核算价值, 在此基础上, 根据城市不同地物覆盖类型的价值和划分标准完成城市易损性评价图。

　　三、城市山洪灾害损失评估

　　城市山洪灾害损失评估目标是在山洪危险区划和易损性评价的基础上, 计算以城市为研究区内可能发生的不同危险程度山洪给城市造成的可能经济损失。基于此目标, 以城市为承灾主体的山洪灾害损失评估方法包括:山洪泛滥区的危险区划、城市土地覆盖类型遥感解译、损失评估模型构建和价值核算共4个主要内容;其中前两个内容已作了探讨, 关于损失评估模型构建和价值核算讨论如下。

　　山洪灾害属随机事件, 可能造成的破坏损失有很大的不确定性。因此, 预测未来某段时期内山洪灾害给城市造成的经济损失, 需要划分山洪灾害的危险区, 不同等级的危险区受洪灾影响的程度亦有所差异, 既不同危险区域的受灾体价值损失率大小不同, 这与山洪泛滥

　　的水深和水淹时间有密切的关系, 由此建立受灾体价值损失率与水深和水淹时间的关系模型。在此基础上, 从城市易损性评价分析结果中, 找出该类承灾体在该山洪强度下的可能损失的平均值, 并根据期望损失的空间变化, 分析评估期望损失的空间分布和数量特征。因此, 在技术方法上, 对所研究的城市受灾体类型划分、受灾体数量提取、地面调查和受灾体灾前价值、损毁程度的统计分析的基础上, 采用分类调查统计方法按如下评估模型对山洪灾害不同危险区的期望损失进行核算:

　　式中: D(s)为山洪灾害财产损失, E(d)i 为i 类受灾体灾前平均单价, Fij 为i 类受灾体发生j级损失率的数量, Gij 为i 类受灾体发生j 级损失率时, 平均价值损失率, i 为受灾体类型,j为受灾体损失等级。

　　GIS技术在山洪灾害的空间数据分析中具有强大的功能, 根据上述讨论的评估指标体系和模型, 应用ARC/GIS提供的统计和分析工具, 可计算出评估区各类地物覆盖类型的面积, 实际成本价值和山洪灾害损失。

　　四、城市山洪灾害风险评价

　　灾害的“风险”包括三方面的含义:即灾害造成的损失、事件发生的概率和可能产生的后果。联合国提出的自然灾害风险表达式为:

　　风险(risk)=危险(hazard)×易损性(vulnerability)

　　因此, 在山洪灾害风险评价中, 危险区划是前提, 易损性评价是基础, 风险则是结果, 山洪灾害风险评价包括了危险性评价和易损性评价的全部内容。

　　针对城市山洪灾害的孕灾环境、致灾因子和承灾体的社会经济状况, 其风险评价的技术路线包括了从RS和GIS的从数据采集→空间属性数据库建立→评价指标体系选择→空间分析→泥石流扇形地危险区划→城市易损性分析→城市泥石流风险评价的技术路线和方法体系。在方法上, 应该根据城市山洪风险管理的目标, 在山洪危险性和易损性分析的基础上,进一步集成分析城市研究区山洪可能发生的概率及其灾害发生时对城市生命财产的危害,应用GIS的地图代数功能, 将山洪危险度和易损度评价结果转为栅格数据, 进行数字叠合分析, 划分出高、中、低风险区的上下限界值, 并用不同颜色或图斑表示各风险等级的区域, 由此完成城市山洪灾害风险性评价图。