重庆市巫山县公路自然灾害易损性评价

牟凤云，杨 猛，陈 婕

(重庆交通大学建筑与城市规划学院，重庆 400074)

山区泥石流、滑坡、崩塌、山洪等自然灾害频发，给人类生命财产安全造成巨大威胁，对交通运输系统造成巨大经济损失和环境破坏。山区地形地貌复杂、气候多变，山区公路及其附属设施易受自然灾害损坏，且面临着复杂的防治问题。由于山地特殊的地质条件和山区独特地理环境，山区公路存在诸多安全隐患，使其灾害防治面临巨大挑战。

公路易损性为在自然灾害破坏下公路及其附属设施遭受不同程度损毁情况。现有研究中，Devin等[1]首先提出易损度定义，为灾害风险性与易损性两者乘积；中齐洪亮等[2-3]从各类承灾体自身损坏的难易程度和区域抗灾能力两方面进行公路易损性定义，运用综合评分法提出了承灾体抗灾能力等级划分标准；随后学者考虑更多致灾因素引入公路易损性评价，公路易损性研究得到进一步发展。而高分遥感在自然灾害研究方面，李益敏等[4]、张志军等[5]基于高分遥感技术对自然灾害进行监测，对区域受灾情况进行监测与评估；刘肖姬等[6]将高分遥感技术运用于滑坡地质灾害研究，通过建立滑坡灾害识别规则，对受灾区域信息进行提取。在公路易损性研究方面，在方法上，朱赛楠等[7]构建了易损性模型，研究了多因素对公路易损情况；陆欢[8]考虑自然灾害致灾因素多样性，通过测算区域公路抗灾指数和环境抗灾指数，运用因素叠加法建立易损性评价模型；刘洋洋等[9]对模型与方法进行扩充，提出从社会、道路、防治因素三大方面建立山区丘陵公路灾害易损性评估层次结构模型。指标层面上，谈树成等[10]、田伟平等[11]选取路基自身强度及稳定性、防护措施、洪水特性和河床因素等4个因子构建指标体系；李倩[12]根据公路自身特点考虑到路线等级、路线使用年限、路网密度、基础防护设施、自然环境指标、预报及预警系统方面建立指标体系。田述军等[13]从公路自身灾害抵抗能力角度出发，择取经济要素、公路修复能力、公路绕行指数等建立公路自然灾害易损性指标评价体系。以上研究虽已取得一定成效，但仍存在一些不足之处：①高分遥感在自然灾害研究中，多在于专题信息提取与识别，且在公路自然灾害应用研究较少，对于与其他多元数据耦合方面有待研究；②学者多从公路周边自然环境属性和社会经济方面进行评价，而区域土地利用情况也将对区域公路造成一定易损性影响，将其综合考虑至区域抗灾能力分析方面尚待研究。本文在已有研究基础上，针对学者研究不足之处，结合高分遥感技术，综合考虑区域自然环境特性，构建公路自然灾害易损模型，定性定量分析研究自然灾害对山区公路易损程度的影响。

研究以重庆市巫山县为例，首先从公路自身损坏难易程度和区域抗灾能力两方面进行分析，建立区域公路抗灾能力指数、公路耗能、土地利用和路网密度等四个指标体系，分析区域抗灾能力。再者对各指标进行权重计算，并将自然灾害易损性划分为低、中、高、极高四个等级，建立研究区公路自然灾害易损性评价地理数据库。随后基于ArcGIS软件空间分析功能，得到巫山县公路自然灾害易损度区间范围，并将研究区易损度划分为轻度易损、中度易损、高度易损和极易损四个等级。最后构建研究区自然灾害易损性评价模型，通过易损性区划图分析区域自然灾害易损情况。最后以公路为研究对象，建立公路自然灾害易损模型，在自然灾害影响下综合分析研究区公路易损情况。研究建立了适用于山区公路自然灾害易损性的评价体系，对于区域(公路)自然灾害防治具有重要意义。

1 研究区概况

巫山县位于重庆东北部，处三峡腹心库区。地理位置在109°33′E～110°11′E和30°46′E～31°28′N，面积0.3×104km2。巫山县辖26个乡镇(街道)，户籍人口63.97×104人，地方产业以第三产业为主。巫山县属亚热带季风湿润性气候，年均降水达1 000 mm以上，平均气温17.1 ℃，相对湿度72%。巫山县喀斯特地貌典型，山地面积占96%，最低海拔仅70.1 m，最高海拔2 683 m。截至2017年，巫山县共通车里程5 607 km，其中包括1条高速、3条省道、6条县道、数十条乡道及村道。县内时常发生山洪、滑坡、泥石流等自然灾害，致使区域出现交通中断现象，区域经济受到严重损失。

2 研究方法及数据处理

2.1 研究方法

在山区公路自然灾害易损性评价易损性指标的选取过程中，不仅需要考虑公路自身的灾害防御能力，还应考虑区域自然环境特性。如区域公路抗灾能力指数会因地形地貌的影响，山区公路区域抗灾能力弱于平原地区，致使权重较低[12-14]。因此，结合了区域自然环境特性，从公路自身损坏难易程度上考虑，选取了公路抗灾指数、公路耗能作为评价指标；再从区域抗灾能力方面，选取土地利用、路网密度等作为评级指标。

2.1.1 路网密度

路网密度指单位面积内的公路长度，通常是描述交通网通达度的一个重要指标。在救援过程中，不同等级的公路作用不同。在灾害发生时，及时的获取消息通知附近的人员撤离灾害发生点，同时派遣专业的救援人员和维修人员前往灾害发生点对公路防护措施进行抢修和维护。在此过程中，路网起着关键的作用，人员和物资通过路网进行传输。

2.1.2 区域公路抗灾能力指数

参照《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)对等级公路的结构和标准划定，考虑公路等级和防护措施的影响和关系，对不同公路等级抗灾能力指数进行计算。

T=∑KiGi

(1)

式(1)中：T为公路抗灾指数；Ki为i等级公路抗灾能力指数所占比重；Gi为i等级公路抗灾能力指数。

2.1.3 公路耗能指数

不同等级公路的造价各不相同，不同地区的公路造价也不尽相同。由于山区地形地势问题，受限于地形地貌陡峭，交通不便等不利的施工条件，山区公路的造价远大于一般地区。从统计年鉴中得到估算各级公路的单公里平均造价(表1)。根据公路单位造价，公路耗能的计算公式为

(2)

式(2)中：V为公路耗能指数；Li为区域内某种等级公路里程；Ui为某等级公路单公里平均造价；S为区域面积。

表1 巫山县公路单公里平均造价Table 1 Average cost of highway in Wushan county

2.1.4 土地利用抗灾指数

土地利用能够影响生态环境的稳定性和均衡性。如在遭受同等自然灾害的时候，耕地相较于林地更为脆弱，易损性更高，林地、耕地和草地等农作物具有涵养水源的功能，在面对自然灾害时抗灾能力更强。不同的土地利用类型抵御自然灾害的能力也不尽相同。植被具有较好的固土、固水作用，对于抵抗泥石流、滑坡、洪灾等灾害具有良好的防御作用。

S=∑AnFn

(3)

式(3)中：S为土地利用抗灾指数；An为土地利用类型n面积占比；Fn为土地利用类型n抗灾能力。

2.1.5 山区公路自然灾害易损性评价模型

考虑到公路自身损坏难易程度和区域抗灾能力的两个方面的影响，以及已经对各项山区公路易损性评价指标进行了统一评分体系，统一量纲的操作。采用易损度来衡量山区公路自然灾害的易损性的大小。在以上研究方法基础上，建立研究区公路自然灾害易损性评价模型：

R=f(T,V,S,R)=kMt+pVt+qSt+jRt

(4)

式(4)中：R为山区公路自然灾害易损度；k、p、q、j为权重系数；R为路网密度；t为各个指标等级。

2.2 数据处理

通过收集研究区社会经济、自然环境和交通等资料建立公路自然灾害易损性评价数据库。首先基于高分一号空间分辨率为16 m的遥感影像进行土地利用分类，辅以谷歌地图对分类精度进行验证。再者从公路自身损坏难易程度和区域抗灾能力方面，建立指标体系。最后根据各项指标的权重、灾情调查解析等方法确定权重，建立评价指标与易损性评价的关系，构建易损性评价模型，得到巫山县易损性区划图。

研究过程中，高分遥感数据来源于地理空间数据云平台，社会经济、自然环境和交通等数据来源于《巫山统计年鉴2017》。

3 结果分析

3.1 研究区抗灾能力分析

考虑区域自然灾害管理能力对易损性的影响[15]，在ArcGIS软件中，首先运用空间分析工具计算出带有行政区划信息的公路数据，对行政区划内的各等级公路里程进行统计，根据式(1)计算公路抗灾指数对巫山县每个村级行政区进行评分。再者根据式(2)、式(3)计算得到区域单位路产指数和土地利用抗灾指数，最后运用地理信息系统技术对其进行空间可视化。

图1 巫山县路网密度与区域公路抗灾能力图Fig.1 Road network density and disaster resistance map of regional highway of Wushan County

3.1.1 区域路网密度与公路抗灾能力分析

巫山县路网密度空间分布显示(图1)，研究区东北、西北和西南部的路网建设完善程度较低，在后期公路建设，可以有针对性地在这些区域新建路网。巫山县建城区路网密度高，但边界周围的镇级行政区路网密度偏低，说明巫山县与外界沟通交流能力有待加强，新建路网创造财富，加强与周边的物质经济文化交流。路网密度等级为位于高和极高两个层次的占比最高且相同均为32%。从公路里程的角度上看，路网密度等级位于中等级和高等级的公路占比最大，且相同均为37%。

巫山县内公路抗灾能力指数处中水平及以下状态，约占地区总面76%，且中部、南部的区域公路抗灾能力要强些，北面的公路较少并且容易受损。结合公路里程上来看(图2)，区域公路抗灾力指数位于中层次及以下区域约占70%，表明巫山县内大多数的公路抗灾能力整体偏低。因此，在巫山县北部可增建高等级公路，并提高现有公路的防护措施。

图2 巫山县抗灾能力统计Fig.2 Statistics of disaster resistance of Wushan County

3.1.2 区域公路耗能与土地利用抗灾能力分析

通过前面得到的带有行政区划信息的等级公路图层，得到区域单位路产分布最低为8.68×104元/km2,最高可达到2 714.70×104元/km2。巫山县内约64%的镇区域的公路耗能分级易损度位于中级及以下。从公路里程占比方面来看，有38%的公路里程的区域单位路产位于中等级层次，30%的公路里程位于高等级层次，可见绝大多数的公路区域公路耗能中等偏高。

从区域公路耗能上看出(图3)，位于巫山县东北、西南、东南、西北四个方向和靠近县边界的乡镇公路耗能较低。当灾害发生时，这些地方的公路损失会低一些，易损性也会低一些。位于巫山县中部的区域公路耗能最高，该区域位于巫山县城中心，为人口和车流量汇集之地。相对而言，该区域通往高等级公路能力强一些，因而该地区域公路耗能等级较高，易损性也相对较高。

巫山县内沿着巫山县边界东部和南部的土地利用抗灾能力指数较高，这也与巫山土地利用分布情况中林地大多集中在东部有关。从行政区划上来看，约有60%的镇级行政区土地利用抗灾能力等于或小于中级。从公路里程占比上来看，位于中等级的土地利用抗灾指数最高，达43%，其次是高等级为33%。可见巫山县的土地利用类型分布从整体上看加大了政府防灾减灾的难度，县内土地利用类型分布和结构有待调整。

图3 巫山县耗能指数与土地利用抗灾指数Fig.3 Energy consumption index and land use disaster resistance index of Wushan County

3.2 山区公路自然灾害易损性研究

山区公路自然灾害易损性评价中同时涉及大量空间数据和属性数据。地理信息系统技术能够将这些属性数据和空间数据相结合，整理为数据库方便查阅和更新数据，帮助进一步分析易损性评价。根据构建的山区公路自然灾害易损性指标体系，基于ArcGIS软件，运用层次分析法对各指标进行相互比较和计算，确定各指标权重值，从镇级行政区作和公路里程两个方面，对研究区公路自然灾害易损性情况进行分析。

3.2.1 研究区易损性指标权重确定

对研究区公路自然灾害易损性进行评价，在各个指标权重计算过程中，首先需要综合考虑选择的其他指标对该指标的影响，在从最优化的角度，最终合理分配权重。评价指标的确定采用有美国运筹学家Saaty[14]提出的层次分析法。其原理是将决策问题分解成目标、准则、方案等层次，将定性分析和定量分析相结合。由于层次分析法能够量化多准则的决策问题，具有较强的科学性和实用性。因此，经常被应用于风险分析、项目安全等方面的评价中。

(1)层次分析结构的构建

研究目标层为研究区公路自然灾害易损性评价指标，准则层包括公路自身抗灾能力和区域抗灾能力两个要素。其中公路自身抗灾能力包括区域公路抗灾能力指数和区域公路耗能，区域抗灾能力包括土地利用和路网密度两个指标(图4)。

(2)判断矩阵的构造

层次分析结构中，同层元素对上层的影响程度各不相同，通过构造两两判断矩阵可以将其影响程度定量化。山区公路自然灾害易损性评价对区域公路抗灾能力指数、区域公路耗能、土地利用和路网密度四个指标，进行判断矩阵构建(表2)。

(3)层次一致性检验

比较过程中，不符合判断思维逻辑一致性，否则判断就会有矛盾。因此需要对评价指标进行一致性检验。由于本研究层次分析过程中的判断矩阵均为二阶矩阵，矩阵具有完全一致性，通过层次一致性检验。山区公路自然灾害易损性评价的各指标权重如表3所示。

表2 山区公路抗灾能力判断矩阵表Table 2 Matrix table of highway disaster resistance of mountain areas

表3 公路自身抗灾能力权重Table 3 Weight of highway’s resistance to disasters

图4 山区公路自然灾害易损性评价层次分析结构Fig.4 Hierarchical analysis structure of natural disaster vulnerability assessment of mountain highway

3.2.2 自然灾害损毁下公路易损性研究

以山区公路自然灾害易损性评价指标、量化和权重结果为基础，对巫山县区域公路抗灾能力分级图、区域公路耗能分级图、土地利用抗灾能力分级图和区域路网密度分级图进行数字化操作。随后基于ArcGIS空间分析工具，运用式(4)计算出巫山县公路自然灾害易损度图。结果显示，巫山县内公路自然灾害易损度最低为4.02，最高达到7.52。具体分布情况如图5所示。

巫山县内自然灾害易损性整体呈现中部和南部较高、西部和北部偏低。极易损区域由中部延伸至南部，高度易损区域分布在巫山县的西南方向和东部，中度易损区域环绕分布极易损区域的东部和北部，轻度易损分布在巫山县的东北、西北、西南方向的角落。造成巫山县中南部易损性较高的原因主要是这巫山县内人口主要分布在中部和南部，人类社会活动聚集，受到灾害时造成的损失更大，易损性也就越大。

图5 巫山县公路自然灾害易损度空间区划Fig.5 Spatial zoning of highway natural disaster vulnerability of wushan County

(1)基于行政区尺度的研究区公路自然灾害易损性分析

依据巫山县公路自然灾害易损度分级结果，按照分级标准，得到巫山县内各乡镇的公路自然灾害易损性如表4所示。生成以镇级行政区为单元的巫山县公路自然灾害分级图(图6)。

图6 巫山县公路自然灾害易损程度空间分布Fig.6 Spatial distribution of vulnerability degree of highway natural disasters of Wushan County

表4 巫山县乡镇自然灾害易损性分级统计Table 4 Statistics for vulnerability classification of natural disasters in towns and townships of Wushan County

从灾害受灾面积看出，巫山县内中等易损度所占面积最大。从行政区划统计看出，县内乡镇主要呈中度易损性状态，高度易损乡镇共计9个，所占比例约为35%。其次是轻度易损性，共计乡镇数7个，所占比例为27%。建坪乡、抱龙镇、邓家乡、高唐街道、龙门街道、巫峡镇位于极易损区域，说明该乡镇在自然灾害发生时，极其容易造成区域内公路破坏，影响该地区交通运输。

(2)基于公路里程尺度的山区公路自然灾害易损性评价

结合巫山县公路自然灾害易损性情况，统计出公路受灾数据。结果显示，巫山县公路多处于中度易损及以上，受灾公路约占总里程的38%、26%。结合巫山县内公路受灾情况(图7)，可以看出分布在巫山县西北部的公路较少，易损度普遍较低，而位于巫山县南部的公路大多位于高度易损区和极易损区，且分布密集。表明位于中南部的公路容易受损，公路防护设施需要保证较高的防护水平。

图7 巫山县自然灾害受损面积与公路受灾占比Fig.7 Proportion of natural disaster damaged area and road disaster in Wushan County

4 结论

基于高分遥感影像和地理信息系统技术，探讨了自然灾害对山区公路易损程度的影响。首先建立了路网密度、区域公路抗灾能力、公路耗能、土地利用抗灾等指数，得到了研究区抗灾能力。再者将自然灾害易损性划分为低、中、高、极高四个等级，并建立研究区公路自然灾害易损性评价数据库。最后建立易损评价模型，在ArcGIS软件中得到研究区自然灾害易损空间分区划图与公路自然灾害易损图，并对研究区公路易损情况进行综合分析。研究主要结果如下。

(1)研究区公路整体抗灾力指数处于中层次及以下，县内多数公路抗灾能力较弱。县内多数公路抗灾能力整体偏低，位于中层次及以下公路约占70%。县内东部和南部土地利用抗灾能力指数较高，约有60%的镇级行政区土地利用抗灾能力处于低度以下。区域公路表现为：抗灾能力指数、区域单位路产和土地利用抗灾能力的值越大则公路自然灾害易损性越大，而路产密度阈值与山区公路自然灾害易损性成反比。

(2)巫山县各乡镇公路主要为中度易损，多数公路达中度及极高易损状态，整体上呈现出南高北低、东高西低易损状态。研究区公路自然灾害易损评价指标主观赋权阈值为4.02～7.52，在易损划分等级中，极易损区域由中部延伸至南部，高度易损区主要分布于研究区西南方向和东部，中度易损区环绕分布在极易损区东部与北部，轻度易损区分布于东北、西北、西南方向的角落。在乡镇尺度上，县内共计9个乡镇呈高度易损状态，约占64%公路处于高度及以上易损状态。