基于能值理论的洪涝灾害脆弱性评估

吴泽宁 申言霞 王慧亮

摘要：在搜集整理2015年郑州市暴雨洪涝资料的基础上，从生态学的角度，运用能值分析方法评估区域洪涝灾害脆弱性。进而使用能值作为统一的度量尺度，以能值评价的结果和表征区域洪涝灾害脆弱性的能值指标为基础，借助地理信息系统（GIS）对郑州市洪涝灾害的脆弱性进行空间差异分析。结果表明郑州市洪涝灾害脆弱性的空间分布差异明显，大致呈现从中部向四周递减的趋势。新密市的脆弱性最高，其次是市区，脆弱性最低的是新郑市。结论表明，在暴露度相同的条件下，有效提高系统的适应能力是降低脆弱性的关键。

关键词：洪涝灾害;脆弱性;能值分析;GIS;郑州市

中图分类号：TV4文献标志码：A

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：吴泽宁

Assessment of vulnerability to flood disasters based on emergy theory

WU Zening，SHEN Yanxia，WANG Huiliang

（School of Water Conservancy and Environment Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

Abstract： On the basis of the rainstorm and flood data of Zhengzhou in 2015，we applied the emergy analysis method to evaluate the regional vulnerability to flood disasters from the ecological perspective.The emergy was then considered as a normalized basis.Based on the results of emergy evaluation and the emergy index representing the regional vulnerability to flood disasters，we used the geographic information system （GIS） to analyze the spatial difference of vulnerability to flood disasters in Zhengzhou.Results showed that there were obvious differences in the spatial distribution of vulnerability to flood disasters.The vulnerability of Xinmi was the highest and that of Xinzheng was the lowest.In a whole，the vulnerability to flood disasters in Zhengzhou City tended to decrease from the middle to the periphery.Improving the adaptability of the system effectively is the key to reducing the vulnerability.

Key words：flood disaster;vulnerability;emergy analysis;GIS;Zhengzhou City

洪澇灾害是常见的灾害之一，影响范围广，造成损失大。受季风气候的影响，我国降雨较为集中，洪涝灾害历来是一个十分严重的问题[1]。近年来，洪涝灾害脆弱性评价成为城市水文学和灾害学研讨的重点。剖析洪涝灾害脆弱性的时空分布特征是灾害风险评估及管理的重要内容，评价脆弱性能够为灾害预报预警、防洪减灾工作提供参考。目前国内外学者大多采用指标法评估脆弱性[2]。Szlafsztein和Sterr[3]提出了脆弱性综合指数（CVI），涉及自然和社会经济条件16个变量;Ozcan和Musaoglu[4]应用层次分析法（AHP）确定DTM、坡度、相位等属性的权重，从而得到易遭受灾害的地区分布图;Ouma和Tateishi[5]也采用层次分析法确定决策参数（如降雨、海拔、土地利用等）的权重，以构建洪涝灾害脆弱性分布图;姜蓝齐等[6]应用层次分析法确定各指标的权重，并采用加权综合法得到综合评价指数，最后借助GIS的空间分析功能实现洪涝风险区划;李畅等[7]使用熵权法赋予各指标权重，建立脆弱性评估模型，得到荆州市的洪涝灾害脆弱性评价结果。

这些研究通常假定各指标是相互独立的，并按重要性确定权重，得到脆弱性评估指数，却忽略了指标间的潜在关系，割裂了脆弱性各组成部分之间的联系，无法准确地评估洪涝灾害风险。此外，在以往的研究中，表征脆弱性的指标体系不一致，无法对不同性质的指标进行比较。为弥补以往研究的缺陷，拟采用生态经济学中的能值理论和分析方法[8]评估洪涝灾害脆弱性。该法将不同类别、不可比较的能量转换成同一标准能值进行比较，从而定量分析自然系统和人类社会经济系统、资源与环境的切实价值以及相互之间的关系[9]。本文在能值概念分析的基础上，建立了一个系统的脆弱性评估框架，基于能值理论分析脆弱性的组成因子，并应用能值指标评估区域洪涝灾害脆弱性，最后借助GIS对洪涝灾害的脆弱性进行空间差异分析。将该分析框架应用于郑州市，评估其洪涝灾害脆弱性，进而确定研究区中易遭受洪涝灾害损失的区域，为防洪减灾提供参考。

1洪涝灾害脆弱性评估的能值框架

1.1脆弱性评估的能值基础

20世纪80年代，美国著名生态学家Odum提出了能值理论与方法，为生态和经济系统的定量分析开辟了新的研究方向[8]。能值指一种流动或储存的能量中所含另一种类别能量的数量，不同品质的能量之间存在一个转换关系——能值转换率，即形成每单位物质或能量所含有的另一种能量的量[10]。由于各种能量均直接或间接来自太阳能，因此能值分析以太阳能为基准，将系统中不同类别、不可比较的能量经太阳能转换率转换成同一标准的太阳能值，转换公式为[9]：

E=τ×B[JY]（1）

式中：E为能值（sej）;τ为能值转换率（sej/J或sej/g）;B为能量或物质的量（J/g）。

由自然-农业系统和城市系统组成的洪涝灾害脆弱性的能量系统图[11]是脆弱性各组成要素之间因果关系的基础，表明了生态系统和经济系统之间的能量和物质流的差异，见图1。当降雨发生时，雨水中储存的能量（J1）可能使该地区处于危险中。降雨量扣除植物截留、蒸发、下渗、填洼等损失后，形成地表径流（J2），累积地表径流储存的能量表示该区的暴露度。J3代表暴露强度，是径流量（J2）和降雨量（J1）储存的能值比。J4和J5分别表示当极端天气事件发生时自然-农业系统和城市系统损失的能量，两者损失的总能量用J6表示。系统中储存的资产越多，发生洪涝灾害的可能性越大。极端天气事件对周边环境产生影响，环境的改变使区域受到一定程度的影响，用潜在影响（J7）表示，其与暴露强度（J3）和敏感性（J6）有关。影响脆弱性的因素除了自然因素还包括社会经济因素（J9）和人口因素（J8），它们共同反映系统的适应能力（J10），表述地区对灾害的应对能力。利用适应能力和潜在影响可以评估洪涝灾害的脆弱性（J11）。能量流符号的具体释义见表1。

1.2脆弱性评估的模型

脆弱性指系统受到不利影响的程度，通常由暴露度、敏感性和适应能力组成[12]。分析脆弱性的组成因子，了解各组成要素之间的关系，并以此为基础提出表征洪涝灾害脆弱性的能值指标，准确评估区域洪涝灾害的脆弱性。

1.2.1暴露度、敏感性和适应能力评估

（1）暴露度（L）。

暴露度指区域与灾害（如洪水、飓风）接触的程度[11]。以洪水为例，将累积径流的总能值视为一个地区的暴露度。在一次洪水事件中，易涝地区的暴露度较高。暴露度还受研究区植被覆盖和土壤水文特性的影响。显然，与非城市化地区相比，城市化区域的不透水面积多，雨水下滲量少，导致径流量增加[13]。基于此，拟采用径流曲线数模型（SCS-CN）计算径流量[14]。该模型能客观反映土壤类型、土地利用方式及前期土壤含水量对降雨径流的影响，且模型结构简单、输入参数少，在水土保持与防洪、城市水文及无资料地区的多种水文问题中得到广泛应用，并取得了较好的效果[15-17]。累积径流量与相应能值转换率的乘积即为区域的暴露度。[HJ1.5mm]

Q=[SX（]（P-0.2S）.2[]P+0.8S[SX）][JY]（2）

其中

S=[JB（（][SX（]1000[]C[SX）]-10[JB））]×25.4[JY]（3）

L=Q×τ[JY]（4）

式中：Q为径流深（mm）;P为降雨量（mm）;S为潜在蓄水能力（mm）;C为径流曲线数;L为暴露度（sej）;其余符号及意义同前。

（2）敏感性（M）。

敏感性指系统受到极端天气事件影响的程度，通常用受灾区的累积资产量来表示[18]。将敏感性视为系统对极端天气事件的响应，因此在一次暴雨洪涝灾害中，区域的敏感性不仅取决于洪水的大小，而且与受灾区域的特征有关。

在生态系统中，能量流具有层次结构，即不同系统产生的能量具有不同的层次[19]。以生态系统的能量层次为基础，Odum和Brown等[20]将受灾地区划分不同的能量层次，[HJ2.04mm]评估洪涝灾害脆弱性。不同土地利用类型所属的能量层次不同，受洪水影响的程度也有差异，因此根据土地的能值功率密度[19]进行敏感性分析。经济活动越密集，土地的能值功率密度越高，如城市规划区的商业和住宅用地，往往具有更高的能值功率密度[21]。在此基础上，用不同土地利用类型的所含的能量和表示该区的敏感性。

M=ρ×A[JY]（5）

式中：M为区域的敏感性（sej）;ρ为不同土地利用类型的能值功率密度（sej/m.2）;A为不同土地利用类型的面积（m.2）。

（3）适应能力（N）。

系统的脆弱性除与暴露度有关外，很大程度上取决于系统的适应性影响。适应性指变化环境下所采取的不断学习与调整的系统过程，该过程可以充分利用有益事件，减轻灾害损失[22]。适应性是对于特定环境而言的，不同地区和群体的适应性有差别，例如城市地区的适应性高于农村地区，成年人的适应性高于老人和小孩[23]。从社会、经济和人口三方面因素评估适应能力，具体解释见表2。

1.2.2能值指标

为了解脆弱性各组成要素之间的联系，准确评估区域洪涝灾害脆弱性，以暴露度、敏感性和适应能力为基础，提出了表征洪涝灾害脆弱性的能值指标，具体解释如下。

（1）潜在影响指数（I）。

潜在影响表示当发生极端天气事件时，系统可能受到的影响[24]。较高的潜在影响会增加洪涝灾害的脆弱性。潜在影响指数与受灾区域的暴露强度和敏感性有关，暴露强度是径流量和降雨量所储存的能值比。

I=i×M[JY]（6）

i=[SX（]L[]q[SX）][JY]（7）

式中：I为潜在影响指数（sej）;i为暴露强度，常量;q为潜在暴露度（sej）;其余符号及意义同前。

（2）脆弱性指数（V）。

脆弱性指数是潜在影响和适应能力的比值，它反映了发生极端天气事件时，系统所遭受的损失[25]。脆弱性与系统的潜在影响呈正相关，与适应能力呈负相关。

V=[SX（]I[]N[SX）][JY]（8）

式中：V为脆弱性指数，常量;其余符号及意义同前。

2实例应用

2.1研究区域概况与数据来源

郑州是河南省省会，位于东经112°42′-114°14′，北纬34°16′-34°58′，地处河南省中部偏北。该区为温带大陆性气候，年平均降水量625.9 mm，降水年内分配不均，夏季降水多，冬季降水少。作为河南省的政治、经济、文化中心，郑州市辖7个县、市（见图2），总面积约为7 297.48 km.2，是河南省人口最稠密的地区。据统计资料，2015年末总人口约为956.9万人，其中城市人口666.9万人，农村人口290万人，城镇化水平达70%。该市北临黄河，历史上黄河多次决堤，在黄河泥沙的冲积下，形成了黄河冲积平原。由于地势平坦，高差小，加上季风活动异常，使得郑州市成为洪灾潜在的高风险区，是全国的重点防洪城镇之一。统计显示郑州市近十年来每年因遭受暴雨洪涝灾害而产生的损失超过2亿元，暴雨洪涝灾害对郑州市经济发展影响较大，已成为制约郑州市经济进一步发展的重要原因。

本研究所使用的降雨径流数据均来自《郑州市2015年水资源公报》;土地利用数据源于郑州市土地利用总体规划;由《郑州市统计年鉴2015》可得到各区县的社会、经济和人口数据;根据文献[9，26]可获得郑州市2015年能值转换率及能值货币比率数据。

2.2结果分析

根据所收集的资料，按照第1.2.1节所述方法计算暴露度、敏感性及适应能力，计算结果见表3至表5。

根据上述计算结果可得到以下结论。

（1） 暴露度与累积径流有关，累积径流储存的能值越大，暴露度越高。从表3中可以看出：巩义市的暴露度较高，原因是该市的年降雨量多，产生的累积径流量大;其次是登封市;而累积径流量较少的市区暴露度最低。

（2） 利用能量层次的概念分析研究区对洪水的敏感性，以土地利用的能值功率密度为基础，计算郑州市各区不同土地利用类型的能值含量。能值较高的区域（如住宅区、商业区）敏感性较高，遭受洪涝灾害的风险较大。从表4中可以看出：与其他6个地区相比，市区的商业区和住宅区所占比重较大，敏感性较高，易受到洪涝灾害的威胁;而自然-农业用地较多的地区（如巩义市）的敏感性较低。

（3） 对适应能力的评估的目的是了解受灾区应对洪水的能力。表5给出了郑州市不同区域的适应能力。市区经济发达，医疗设施齐全，人口受教育程度高，具有较强的适应能力;其次是中牟县;而经济水平相对落后的地区，如登封市，对洪水的适应能力较弱。

以暴露度、敏感性和适应能力的计算结果为基础，根据第1.2.2节所述方法计算表征洪涝灾害脆弱性的能值指标，见表6。

根据表6的计算结果，借助GIS工具将郑州市各区县的脆弱性评估结果展示出来。

（1）潜在影响与暴露度和敏感性有关，它表示当发生极端天气事件时，系统可能遭受的损失。图3展示了洪水对郑州市各区县的潜在影响。由于市区的人口较为密集，经济发展速度快，累积资产较多，当发生洪水时受到的潜在影响高于其他地区;而经济发展速度缓慢，人口分布相对稀疏的地区，如新郑市，其潜在影响指数相对较低。

（2）系统的脆弱性能值越大，脆弱性越高，即在暴雨洪涝灾害相同的条件下，所受到的影响越严重。由图4可以看出，新密市的脆弱性指数最高，其次是市区，脆弱性指数最低的是新郑市。2015年郑州市暴雨洪涝灾害的脆弱性从中部向周边呈递减趋势。新密市脆弱性较高的原因是：与其他地区相比，该市经济发展速度较快，防灾系统不稳定;而源源不断的人口向市区融入是造成郑州市区脆弱性较高的主要原因。郑州市作为洪灾潜在的高风险区，已有大量研究对其进行脆弱性评估，虽然这些方法存在不完善的地方，但也能为本文的脆弱性评估结果提供一定的借鉴意义。如刘梦贞[2]在其硕士论文中采用模糊综合评价法分别评估郑州市1999年、2007年和2013年的洪涝灾害脆弱性，结果表明市区始终具有高脆弱度指数，但随着经济发展，适应能力增强，脆弱性有所降低，这与本文得到的结果一致。

3结语

从生态学的角度出发，利用统一的能值单位评估洪涝灾害的脆弱性，为不同区域的脆弱性研究提供了可比较的依据。将该方法应用于郑州市，结果显示市区经济发达，累积资产多，具有较高的潜在影响，但由于其适应性指数高，脆弱性评估结果比预期低。然而，具有高潜在影响指数且经济发展迅速的地区（如新密市），脆弱性指数较高。而潜在影响指数低，适应能力较强的地区（如新郑市）具有较低的脆弱性指数。通过研究发现，提高系统的适应能力能够有效降低洪涝灾害的脆弱性。能值理论在郑州市的成功试验为其他地区的脆弱性评估提供了一定的借鉴意义。

运用生态经济学中的能值理论评估洪涝灾害脆弱性是一个新的探索，目前还停留在方法层面上，在实际应用中还存在很多不足之处。如由于经济社会发展情况、气象水文和自然環境随时间不断演变，脆弱性指标会发生变化，只评估2015年的洪涝灾害脆弱性存在不确定性。此外，以郑州市各个行政区为单元进行评估，所得到的结果较为单一，获取细分辨率、多时空尺度的数据进行洪涝灾害脆弱性评估将是本课题今后工作的重点。

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