基于層次分析法的渭河下游洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

基于層次分析法的渭河下游洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

洪水災(zāi)害主要是指由于異常的大氣降水運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致的洪水災(zāi)害，以及人類的正常生活和生產(chǎn)活動(dòng)造成的損失和災(zāi)難。它主要指的是洪水和洪水。一般而言,形成洪水災(zāi)害必須具有兩個(gè)條件:一是存在誘發(fā)洪水的因素(致災(zāi)因子)及其形成洪水災(zāi)害的環(huán)境(孕災(zāi)環(huán)境);二是洪水影響區(qū)內(nèi)有人類居住或分布有社會(huì)財(cái)產(chǎn)(承災(zāi)體)。從系統(tǒng)論來(lái)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(gè)具有一定結(jié)構(gòu)、功能及特征的復(fù)雜體系,這就是洪水災(zāi)害系統(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,承災(zāi)體的衡量指標(biāo)所反映的是災(zāi)害的社會(huì)屬性。在災(zāi)情的形成過(guò)程中,致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體缺一不可,只是這3種因素在不同的時(shí)空條件下對(duì)災(zāi)情形成的貢獻(xiàn)會(huì)發(fā)生改變。因此從整體性角度出發(fā),洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)應(yīng)包括洪災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和易損性評(píng)價(jià)兩部分。洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是洪水災(zāi)害管理的基礎(chǔ)性工作,是制定各項(xiàng)防洪減災(zāi)措施,尤其是非工程防洪減災(zāi)措施的重要依據(jù),對(duì)減輕洪災(zāi)的損失有重要意義。關(guān)于洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)研究,美日等發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)50～60年代就已開(kāi)始,制作并發(fā)布了國(guó)家級(jí)的洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)圖。中國(guó)則從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始開(kāi)展這類研究,并就洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析的系統(tǒng)理論、評(píng)估體系、以及對(duì)太湖流域、湘江流域、遼河中下游等地區(qū)的洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)和探討[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)渭河下游洪水災(zāi)害頻發(fā)的現(xiàn)狀,依據(jù)洪水災(zāi)害系統(tǒng)理論,在綜合考慮致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體的基礎(chǔ)上,運(yùn)用層次分析法和因子疊加法,從自然和社會(huì)屬性兩個(gè)方面對(duì)研究區(qū)洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)和分析。1河流流域及河流水文流場(chǎng)分布渭河流域位于中國(guó)地形階梯的第三級(jí),絕大部分為開(kāi)闊的平原,河道比降小。流域降水主要集中在7～10月,由于上游來(lái)水和下泄能力的矛盾突出,加之受季風(fēng)氣候影響,因此較長(zhǎng)時(shí)間的連陰雨、連續(xù)暴雨或大范圍暴雨往往帶來(lái)洪水災(zāi)害。近年來(lái)渭河下游泥沙淤積嚴(yán)重,淤積的重心不斷向上游延伸,范圍也不斷向上游擴(kuò)展,使渭河幾乎每年汛期都有不同程度的洪災(zāi)出現(xiàn)。本研究主要以渭河下游河流沿線區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)(圖1),108.56°～110.42°E、34.17°～35.03°N,包括3個(gè)市城區(qū)、1個(gè)區(qū)、1個(gè)市和4個(gè)縣,總面積8029.7km2。渭河下游兩岸支流眾多,其中南岸的數(shù)量較多,但較大者集中在北岸。北岸支流多發(fā)源于黃土丘陵和黃土高原,源遠(yuǎn)流長(zhǎng),比降較小,含沙量較大;南岸支流均發(fā)源于秦嶺山區(qū),源短流急,徑流較豐,含沙量較小。渭河最大支流北岸的涇河,干流全長(zhǎng)455.1km,流域總面積45421km2;第二大支流北岸的洛河,干流長(zhǎng)680km,流域面積為26905km2。2洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法洪水災(zāi)害系統(tǒng)由于受到天、地、人等多種條件的約束和眾多復(fù)雜因素的影響和干擾,是一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng)。傳統(tǒng)的洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)都是以河流和洪泛區(qū)為主,以洪水實(shí)際淹沒(méi)范圍劃定的邊界來(lái)進(jìn)行,但這并不能完全反映具體所在的行政縣域所受的災(zāi)害情況,也根本不可能獲得該縣域單元上經(jīng)濟(jì)價(jià)值和災(zāi)害損失情況。因此本文依據(jù)災(zāi)害系統(tǒng)理論,在綜合考慮致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體的基礎(chǔ)上,從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境的自然屬性和承災(zāi)體的社會(huì)屬性兩個(gè)方面,以各區(qū)的行政邊界為單位,借鑒前人洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法,將傳統(tǒng)的洪災(zāi)研究方法和現(xiàn)代技術(shù)手段相結(jié)合,把洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分為洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和洪水災(zāi)害易損性評(píng)價(jià)兩個(gè)部分。洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)主要從洪水形成的自然屬性和孕災(zāi)環(huán)境出發(fā),通過(guò)選取降水、地形、水系、過(guò)境洪水和防洪工程幾個(gè)因素,在分析評(píng)價(jià)了它們對(duì)洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性的影響后,得出了各因子的洪災(zāi)危險(xiǎn)性影響度分布圖。洪水災(zāi)害易損性評(píng)價(jià)主要是從承災(zāi)體遭受損失的社會(huì)屬性出發(fā),通過(guò)選取人口密度、GDP密度、單位面積年糧食產(chǎn)量指標(biāo),在分析評(píng)價(jià)它們對(duì)洪水災(zāi)害易損性的影響后,從而得到了各因子的洪災(zāi)易損性影響度分布圖。而對(duì)區(qū)域洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)運(yùn)用如下公式獲得:R(洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià))=H(洪災(zāi)危險(xiǎn)性影響度評(píng)價(jià))×L(洪災(zāi)易損性影響度評(píng)價(jià))(1)R(洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià))=Η(洪災(zāi)危險(xiǎn)性影響度評(píng)價(jià))×L(洪災(zāi)易損性影響度評(píng)價(jià))(1)在此過(guò)程中,主要運(yùn)用了GIS強(qiáng)大的空間分析功能,還有層次分析法(AHP)、因子疊加法、以及對(duì)不同量綱和不同級(jí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的公式法和專家分級(jí)賦值法等。3結(jié)果與分析3.1洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估1降水量對(duì)降雨影響度的度量洪災(zāi)的發(fā)生不僅與降水量有關(guān),也與降水變率有著密切的關(guān)系。由于研究區(qū)的降水量主要集中在7～10月,約占全年降水量的60%以上,根據(jù)降水量越大,影響度越高,降水變率越大,降水量越不穩(wěn)定,洪水危險(xiǎn)性越高的原則,可以確定出降水因子對(duì)洪災(zāi)形成的0<影響度<1的劃分標(biāo)準(zhǔn),據(jù)此綜合9個(gè)區(qū)的多年平均汛期(7～10月)的降水量和降水變率兩個(gè)圖層,利用ArcGIS軟件得到圖2。2地形高程變化地形對(duì)形成洪水的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:地形高程及地形變化程度。地形高程越低,地形變化越小,越容易發(fā)生洪水。地形高程采用美國(guó)SRTM-3DEM數(shù)據(jù),地形變化程度用高程相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)反映。根據(jù)絕對(duì)高程越低,相對(duì)高程標(biāo)準(zhǔn)差越小,洪水危險(xiǎn)程度越高的原則,通過(guò)確定地形因子與洪水危險(xiǎn)程度的關(guān)系,綜合疊加DEM和數(shù)字高程標(biāo)準(zhǔn)差柵格圖得到圖3。3洪水危險(xiǎn)性綜合影響因子的確定水系主要包括河流、湖泊和水庫(kù),水系的分布在很大程度上決定了評(píng)價(jià)區(qū)域遭受洪水侵襲的難易程度。距離河道越近,就越容易遭受洪水的侵襲,洪水的危險(xiǎn)程度就越高。同時(shí),不同級(jí)別的河流其影響力也是不同的,級(jí)別越高,其影響范圍越大;同一級(jí)別的河流如果其所處地形不同,影響范圍也會(huì)不一樣,地勢(shì)低的河流具有更強(qiáng)的影響力。因此研究水系對(duì)洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合影響因子的評(píng)價(jià)時(shí),需要綜合考慮河湖的不同,河與河之間的不同、評(píng)價(jià)點(diǎn)與河湖距離的不同、以及河湖所處地形高程的不同等多種因素。根據(jù)歷史洪水資料統(tǒng)計(jì)可知研究區(qū)內(nèi)的洪水主要來(lái)源于渭河干流、涇河、北洛河和南山支流,而洪水發(fā)生最大的區(qū)域?yàn)楦闪骱退鼈兊囊患?jí)支流。由于區(qū)內(nèi)沒(méi)有湖泊,水庫(kù)只有兩個(gè),且集水面積不大,因此水系對(duì)洪水危險(xiǎn)性的影響主要通過(guò)建立水系的不同級(jí)別緩沖區(qū)來(lái)進(jìn)行,在做緩沖區(qū)時(shí)不僅考慮了河流干支流的區(qū)別,而且還考慮了地形的因素,通過(guò)設(shè)置不同的緩沖區(qū)寬度來(lái)反映不同地段受洪水侵襲的難易程度。研究首先利用ArcGIS中的Buffer功能將河流矢量圖按不同的干支流、不同的地形高程來(lái)做不同級(jí)別的緩沖區(qū)(表1)。然后根據(jù)距離河流越近,洪水危險(xiǎn)性越大的原則,通過(guò)確定各級(jí)緩沖區(qū)對(duì)洪水危險(xiǎn)性的影響度后得到圖4。4洪水的影響因子渭河是黃河的最大支流,在陜西潼關(guān)注入黃河,通常把禹門口到潼關(guān)段稱為黃河小北干流。歷史洪災(zāi)資料顯示,對(duì)研究區(qū)洪水影響較大的水系主要有兩部分,一為下游流域內(nèi)的水系,另一部分是黃河小北干流,主要表現(xiàn)在對(duì)渭河洪水的頂托與倒灌上。影響過(guò)境洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性的因子有許多,由于離河道越近的地方,越快也越容易受到洪水的襲擊,而地面高程與洪水水位之差則可以反映受淹沒(méi)的可能性及可能淹沒(méi)的深度。因此本文根據(jù)研究區(qū)的地理位置,選取與河道的距離、某一典型倒灌年(1977)地面高程與洪水水位之差兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),通過(guò)疊加各影響度分級(jí)圖而綜合得到過(guò)境洪水對(duì)洪災(zāi)危險(xiǎn)性影響度圖。5防洪工程措施防洪工程在防洪減災(zāi)和對(duì)保護(hù)渭河下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全中起著重要作用。研究選取工程措施中的堤防密度來(lái)作為抗災(zāi)能力的度量指標(biāo),用以表示防洪工程對(duì)洪災(zāi)危險(xiǎn)性減緩的影響因子。本文以縣級(jí)行政區(qū)為單元來(lái)計(jì)算每個(gè)區(qū)的堤防密度,堤防對(duì)洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)影響的計(jì)算公式如下:Dd=(∑liwi)/A(2)Dd=(∑liwi)/A(2)式中,Dd為行政單元(縣或鄉(xiāng))或格網(wǎng)的堤防密度度量指標(biāo),li為某一級(jí)別堤防長(zhǎng)度,wi為該級(jí)別堤防權(quán)重,A為行政單元或格網(wǎng)的面積。渭河下游堤防總計(jì)242.214km,渭河大堤合計(jì)191.554km(其中大堤左岸合計(jì)100.364km,右岸合計(jì)91.19km),渭河移民防洪圍堤合計(jì)50.66km。研究根據(jù)干支流的堤防防洪標(biāo)準(zhǔn),利用專家分級(jí)賦分法首先對(duì)各堤防賦予權(quán)重,然后統(tǒng)計(jì)下游干流、一級(jí)支流、南山支流以及黃河部分干流的堤防長(zhǎng)度、防洪標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)插值、標(biāo)準(zhǔn)化、重分類賦值處理后就獲得堤防對(duì)洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的影響度分級(jí)圖。6判斷矩陣的確定和顯著性分析為研究方便,本文將對(duì)研究區(qū)的洪災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行分類,即有本地洪水確定的洪災(zāi)危險(xiǎn)性影響部分和由過(guò)境洪水確定的洪災(zāi)危險(xiǎn)性影響部分,認(rèn)為它們均由屬于自身的影響因子所確定,將兩種類型洪水的各個(gè)致災(zāi)因子對(duì)洪災(zāi)危險(xiǎn)性的影響相疊加,就得到洪災(zāi)危險(xiǎn)性影響的綜合評(píng)價(jià)分析結(jié)果。其致災(zāi)因子對(duì)洪災(zāi)危險(xiǎn)性影響疊加的模型如下:(洪災(zāi)危險(xiǎn)性影響度評(píng)價(jià))=(降水×W1+地形×W2+水系×W3?防洪?程×W4)+(距離×W5+典型倒灌年水位差×W6?防洪?程×W7)(3)(洪災(zāi)危險(xiǎn)性影響度評(píng)價(jià))=(降水×W1+地形×W2+水系×W3-防洪?程×W4)+(距離×W5+典型倒灌年水位差×W6-防洪?程×W7)(3)式中,前一部分是本地洪水的致災(zāi)因子所引起的危險(xiǎn)性影響度疊加,后一部分是過(guò)境洪水的致災(zāi)因子所引起的危險(xiǎn)性影響度疊加,Wi為各致災(zāi)因子的權(quán)重。根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料、專家意見(jiàn)和分析者的認(rèn)識(shí),運(yùn)用AHP法,建立層次結(jié)構(gòu)模型,構(gòu)造判斷矩陣,評(píng)定相關(guān)層次中各有關(guān)元素相對(duì)重要性的狀況,其判斷值主要引入了1～9的標(biāo)度,其中,1表示兩個(gè)因素同等重要,9表示一個(gè)因素較另一個(gè)因素極端重要。在將判斷矩陣的數(shù)值加以平衡給出后,利用Mathpro小型數(shù)量方法專家系統(tǒng)軟件,通過(guò)求解判斷矩陣的最大特征值和它所對(duì)應(yīng)的特征向量,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn),得到的各權(quán)重為:①對(duì)本地洪水,W降水=0.2262、W地形=0.1594、W水系=0.5104、W防洪工程=0.1040;②對(duì)過(guò)境洪水,W距離=0.2970、W水位差=0.5396、W防洪工程=0.1634;③W本地洪水=0.8333和W過(guò)境洪水=0.1667;④最終確定的W1=0.1885、W2=0.1328、W3=0.4253、W4=0.0867、W5=0.0495、W6=0.0899和W7=0.0272。將各權(quán)重值帶入洪災(zāi)危險(xiǎn)性影響疊加模型,為便于計(jì)算和輸出顯示,將各數(shù)據(jù)集重新統(tǒng)一分類到的值域,利用ArcGIS的Grid模塊進(jìn)行柵格疊加運(yùn)算并分級(jí)后得到(圖5)。3.2社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定由于同樣的洪水發(fā)生在不同的地區(qū),可能會(huì)導(dǎo)致完全不同的結(jié)果,因此洪災(zāi)具有自然和社會(huì)的雙重屬性。一般認(rèn)為社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件可以定性地反映區(qū)域的災(zāi)損敏度,即易損性的高低。易損性分析主要針對(duì)承災(zāi)體,通常社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū),由于人口城鎮(zhèn)密集,承災(zāi)體的數(shù)量多,價(jià)值高,遭受洪水災(zāi)害時(shí)人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失就大。同樣等級(jí)的洪水,發(fā)生在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密布的地區(qū)可能造成的損失往往要比發(fā)生在荒蕪人煙的經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)大得多。為減小研究的復(fù)雜性,考慮到研究區(qū)特點(diǎn)和資料的有限性,本文以行政區(qū)為單位,選取2002年各縣市的人口密度、GDP密度和單位面積年糧食產(chǎn)量作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。主要在ArcGIS中首先根據(jù)關(guān)鍵字(各縣市名字),利用Join功能,將評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值與行政區(qū)圖的屬性數(shù)據(jù)相連接就可得到三個(gè)指標(biāo)的空間分布圖。為了將這三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的空間分布圖轉(zhuǎn)換成各自對(duì)洪災(zāi)經(jīng)濟(jì)易損性的影響度分布圖,從統(tǒng)計(jì)特征分析出發(fā),參考各指標(biāo)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差,分別把各指標(biāo)范圍分為5類,并賦予相應(yīng)的影響度(表2),最后通過(guò)三指標(biāo)的等權(quán)重疊加運(yùn)算就獲得了社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性綜合影響度空間分布圖。由結(jié)果可知,西安市城區(qū)、咸陽(yáng)市城區(qū)的洪水災(zāi)害易損性較大,華縣、華陰市和潼關(guān)縣的較小,其余介于中間。3.3風(fēng)險(xiǎn)上升,漸向邊際遞增由于洪災(zāi)的危險(xiǎn)性影響度評(píng)價(jià)主要反映洪水災(zāi)害的自然屬性,而易損性影響度評(píng)價(jià)主要反映洪水災(zāi)害的社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性,二者疊加就是洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)。利用Grid模塊的地圖代數(shù)功能,采用公式(1)進(jìn)行疊加得到分辨率為90m×90m的研究區(qū)洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)圖(圖6)。從圖6可知研究區(qū)洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)整體上以渭河下游干流為中心逐漸向兩邊遞減,即離主干河流越近,風(fēng)險(xiǎn)越高,反之越低。從行政區(qū)劃上來(lái)看,由于西安市城區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性影響度最高,且境內(nèi)除渭河干流,還有灞河等小支流,河流的緩沖區(qū)較寬,影響度較大,因此綜合疊加的風(fēng)險(xiǎn)影響度高,大部分處于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。臨潼區(qū)內(nèi)除渭河干流,還有不少二級(jí)支流,在河流的緩沖區(qū)范圍內(nèi)洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性較大,由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性影響度也較高,綜合得到的整體風(fēng)險(xiǎn)影響度大,屬于高和較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。華縣和華陰市由于降水量豐富,發(fā)源于秦嶺北麓的南山支流也較多,有12條,洪災(zāi)危險(xiǎn)性影響度較高,但由于這兩個(gè)縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性影響度最低,因此綜合得到的風(fēng)險(xiǎn)影響度低,除渭河干流周邊外,大部分都處于中等、較低和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。其余咸陽(yáng)市城區(qū)、高陵縣、渭南市、大荔縣和潼關(guān)縣基本都呈現(xiàn)從渭河干流的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)逐漸向兩邊過(guò)渡為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的趨勢(shì)?？傊?在某些地區(qū)從洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性影響度來(lái)看,其值雖然較高,但由于相應(yīng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性影響度低,整體洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)影響度可能就低,反之如果洪水災(zāi)害的危險(xiǎn)性影響度較低,但由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性影響度高,那么整體得到的洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)影響度可能就高,主要因?yàn)榘l(fā)生洪水時(shí)造成的損失較大。4洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法與過(guò)程