城市洪涝灾害风险分析与区划方法综述

2020-11-20黄国如罗海婉卢鑫祥杨聪辉马经广

水资源保护 2020年6期

黄国如,罗海婉,卢鑫祥,杨聪辉,王峥,黄婷,马经广

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510640； 2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州 510640； 3.广东省水利工程安全与绿色水利工程技术研究中心，广东广州 510640；4.广州市水务规划勘测设计研究院，广东广州 510641； 5.广东省水文局佛山水文分局，广东佛山 528000)

随着全球气候变化加剧和城市化水平的快速发展，城市洪涝灾害已成为影响城市地区经济社会发展的主要自然灾害之一，防灾减灾问题在国家、城市发展及学术研究等各层面上均引起了广泛关注和高度重视[1-8]。风险评估是风险管理和防灾减灾决策的基础和技术支持，辨析城市洪涝灾害特性、探究相关理论方法并进行示范和应用，可为风险应对和管理提供参考和依据，对国民生命财产安全的保障、社会的稳定及快速发展、人民群众洪涝风险意识的提高、城市洪涝风险评估基础理论和技术方法体系的丰富和规范具有重要的现实意义[9]。由于不同区域的城市洪涝灾害特性存在差异，加上对风险内涵的认识和理解不同，对城市洪涝灾害及其风险的内涵进行研究和梳理，借助风险评估相关的规范标准对风险评估流程进行划分，可加深对风险评估相关概念的理解和认识。以风险分析中常用的指标体系法为例，基于城市洪涝灾害特性对评估指标进行分析和研究，构建城市洪涝灾害评估指标体系，介绍指标权重计算的原理，可为后续风险评估提供技术支持。此外，对风险评估区划技术相关内容进行分析，在分析其原理及特点的基础上，探讨城市洪涝灾害风险评估共性技术，以期为城市洪涝灾害风险评估提供依据。

1 城市洪涝灾害风险内涵

关于自然灾害风险的内涵及其定义，随着时间推移和研究的不断深入，其概念在许多领域得到丰富和延伸，相关理论研究也渐趋丰富。由于不同学者对风险的理解不同而衍生了不同的风险内涵，主要可分为3类[10]：①致灾因子出现的概率；②一定概率条件发生的灾害造成的损失，如人口损失或经济损失等；③从灾害系统角度对风险进行定义，系统分析构成灾害系统的组成要素特性。

从洪涝灾害系统的角度定义风险时，对灾害系统的组成要素也有不同认识，主要分为以下3种：①洪涝灾害系统由危险性、暴露性和脆弱性组成，其中危险性是指洪涝灾害发生的强度及其空间分布，如淹没水深、历时和范围等[11]；暴露性一般是指洪涝过程中可能受影响的人口和经济的空间分布等[12]；脆弱性一般是指承灾体在城市洪涝灾害下的损坏程度，可利用历史灾情数据或以灾损率曲线来确定[13]。②有学者认为防灾减灾能力对城市洪涝灾害的影响较大，也是风险系统组成的重要内容[14]，对防洪排涝工程的资金投入、洪涝灾害预警监测系统的建设、防灾减灾的群众教育、应急救灾场所的布置均为防灾减灾的重要内容。③洪涝灾害的风险由危险性和易损性共同作用而产生，此处的易损性和脆弱性的英文表达均为“vulnerability”，因此对易损性和脆弱性的辨析存在不同的观点。目前较为一致的观点是，易损性的内涵更丰富，由脆弱性和暴露性共同决定，不仅包含承灾体的易损程度，还包含了社会经济等分布信息。

利用洪涝灾害系统理论进行区域风险评估，取得了较多成果，表1列举了近年来3种组成因素方案下的应用案例。由表1可知，以第3种风险内涵为例，即从洪涝灾害系统的角度进行风险评估时，不同的研究者对灾害系统的组成因素有不同的认识，系统的组成要素不同，其风险表达式也不同，系统组成要素可分为3种，即危险性-暴露性-脆弱性(H-E-V)、危险性-暴露性-脆弱性-防灾减灾能力(H-E-V-R)和危险性-易损性(H-V)。若以城市洪涝灾害系统的组成结构为框架，则其评估框架可分为3种，即H-E-V、H-E-V-R和H-V。由此可知，即使在风险内涵相同的前提下，风险评估工作的开展仍有不同侧重，如第2种风险内涵，即概率-损失等，对概率和损失的定义依然是多样的，仍需根据区域的洪涝灾害特征进行分析，使风险评估的成果符合实际情况。

表1 洪涝灾害系统角度下风险评估应用案例Table 1 Application case of risk assessment from the perspective of flood disaster system

2 城市洪涝灾害风险分析方法

不同领域的风险类型不同，风险评估开展的形式也不同。GB/T 27921—2011《风险管理-风险评估技术》中指出，风险评估流程通常按风险识别、分析和评价3个步骤进行，这是开展风险评估的基本步骤。开展风险评估之前，应明确评估问题、整理基础数据和确定分析方法。在风险评估过程中，要做好每个步骤的沟通和记录工作，必要时接受监督和检查，保证风险评估各步骤的正常开展和评估结果的可靠性，提高风险应对能力。风险评估流程如图1所示。

图1 风险评估流程示意图Fig.1 Schematic diagram of risk assessment process

风险识别是发现、列举和描述风险要素的过程，如风险源、概率、暴露性、后果等。识别方法包括：①对洪涝灾害各过程进行审查和研究，结合专家、管理者丰富的知识和经验找出可能制约和影响洪涝灾害的因素和前提条件；②分析历史洪涝灾害结果，基于历史数据进行识别。识别过程中，分析可能影响洪涝过程的事件和情况，要认识到人的因素和组织因素的重要性，以便于风险应对。

风险分析是在风险识别的基础上，确定城市洪涝灾害风险的分布及其相对大小，可为其风险评价和防灾减灾决策提供信息支持。风险分析方法可以是定性、定量或半定量的。定量分析可估计出洪涝灾害发生的概率及其后果的实际数值，如经济损失值、受灾人口数量、暴雨发生概率等，并形成对应的关系曲线或图表，如概率-经济损失曲线、概率-死亡人口曲线等。在实际应用中，受资料限制，全面的定量分析可行性较低，多采用定性或半定量方法进行分析。许多学者对洪涝灾害分析已有较多研究并形成了多种方法，如基于历史灾情数据、基于遥感技术和GIS耦合、基于指标体系及基于情景模拟等的方法。

2.1 基于历史灾情数据的方法

基于历史灾情数据的灾害风险评估方法一般以研究区域记载的历史灾害强度数据和损失数据为基础，利用数学模型对样本数据进行统计分析，获得灾害强度与损失的统计规律，进而实现对自然灾害的风险评估。其评估一般有如下步骤：①选取科学的洪涝灾害风险模型或公式；②从研究区域相关历史资料中提取相关历史灾情数据；③对研究区域洪涝灾害风险进行分析评估。

基于历史灾情数据的分析方法是建立在灾害数据库基础上的定量评估方法，在资料数据可获得的前提下，该方法不需要详细的地理背景数据，只需要通过一定的灾害资料进行统计分析，采用数学方法建立起灾害风险模型，是一种思路清晰、计算简单的研究方法。另外，还可以根据已有历史资料进行推敲，分析其合理性和科学性，但此方法非常依赖样本数据，在实际应用中常受到以下几点限制：①该方法对历史洪涝灾情数据的完整性要求较高。长时间序列的历史灾情数据一般是保密数据，不易获取，常常会出现样本数据太少或者不完备，甚至数据缺失的情况，影响历史灾情分析的准确性。②在历史灾情数据的记录方面，历史灾害强度数据一般在较大空间尺度上记录，如河流流域，而历史灾害损失数据通常以行政区为单位进行记载，如县、郡、市等，两方面数据难以进行空间上的匹配。③该方法对历史洪涝灾情数据的准确性要求较高，可获取的历史灾情数据受限于历史资料记载的详略情况，这在进行历史灾害统计分析时可能出现偏差，统计分析无法做到细致准确，从而影响对历史灾情的精确分析与评估。

2.2 基于遥感技术与GIS耦合的方法

该方法是指利用卫星遥感监测技术获取淹没范围、淹没历时、承灾体数量等灾情信息，耦合GIS的空间分析技术及其强大的数据管理功能，结合研究区域的地面高程数据获取淹没水深、构建社会经济数据库等进行洪涝灾害风险分析的方法。采用遥感监测技术获取洪涝灾害信息的关键在于监测区域内的水体识别技术，目前可用于识别水体的方法主要为阈值法、谱间分析法和多波段运算法。获取水体分布信息后，利用GIS技术分析灾害的空间分布规律并进行风险分析。该方法可反映区域的洪涝灾害及其风险的空间分布特征，还可对实时监测数据进行分析。该方法的局限在于对地面高程数据的精度要求高，GIS的淹没水深分析技术尚未成熟等。

2.3 基于指标体系的方法

基于指标体系的城市洪涝灾害风险评估方法是基于自然灾害风险理论，从危险性和易损性等灾害风险构成要素出发，构建研究区域灾害风险评估指标体系，通过一系列数学方法处理原始指标，对研究区域进行风险评估的方法，常用的方法有加权综合评价法、模糊数学法、人工神经网络法、灰色系统模型、概率模型和动力学模型等，其评估方法一般步骤如下：①确定洪涝灾害风险数学评估方法和指标权重计算方法；②从研究区域相关资料中选择洪涝灾害风险相关要素资料，构建研究区域洪涝灾害风险评估指标体系，确定指标权重；③根据选定的评估方法和构建的指标体系对研究区域洪涝灾害风险进行分析评估。

基于指标体系的风险评估方法具有建模与计算简便、数据易于获取的优点，可宏观反映区域风险分布特性，在我国洪涝灾害风险分析中应用广泛。但该方法也存在一定的局限：①评估指标的选取受限于数据的可获取性，若评估指标数据库的可用指标数量较少时，较难保证选取指标的代表性及指标体系的系统性；②对指标数据精度的要求较高，若评估指标数据精度较低时，容易出现以点代面的情况，进而影响评估成果的精度。

2.4 基于情景模拟的方法

基于情景模拟的城市洪涝灾害风险评估是指通过设置洪涝灾害发生的频率和强度、气候变化模式、土地利用变化、人口和经济变化等情景进行多种涉及自然和社会变化的情景并进行模拟，分析城市洪涝灾害风险的未来态势。该方法的步骤一般为：①构建模型，根据区域特征建立相应的水文水动力模型，并对构建模型的可靠性和精度进行验证；②情景设计，根据研究需要设定特定城市洪涝灾害发生的频率和强度、气候变化模式及人口与经济等模拟情景；③情景模拟与分析，对各种情景下的城市洪涝灾害进行模拟并获取洪涝灾害过程，对其风险进行分析与评价。

基于情景分析的评估方法对历史灾害数据要求较低，且可对灾害风险进行可视化表达，使区域内承灾体的易损性精确到个体或系统，能够直观、高精度地显示灾害事件的影响范围和程度，展示灾害风险的空间分布特征；同时，该方法可以实现灾害风险的动态评估，为防灾减灾及风险管理决策提供数据支撑和科学依据，是自然灾害风险评估发展的必然趋势。但是，该方法对区域的地理背景资料和排水系统资料要求较高，对构建区域水文水动力模型的精度有一定要求，工作量大，适宜在中、小尺度进行灾害评估，在大尺度区域较难开展。尽管基于情景模拟方法的研究和应用取得了很大进展，但研究范围多限于对致灾因子强度表征，综合区域承灾体易损性方面的洪涝灾害研究仍较缺乏。

上述4种城市洪涝风险评估方法的分类是相对的，各方法之间互有联系、相互协调。如，情景模拟得出的淹没情况和历史灾情数据可作为评估指标数据进行城市洪涝风险评估。因此，在风险评估的实际应用中，需要根据研究对象的灾情数据库、地理背景资料等具体特征，充分考虑研究区域的空间尺度大小以及风险评估结果精度要求，选择科学合理的评估方法。

3 城市洪涝灾害风险评估指标体系构建和权重确定

由风险评估流程和方法可知，指标体系法是常用的风险分析方法之一，应用广泛且适用性强，能够用于多种尺度区域的风险分析[23]。选取合理可行的评估指标是开展风险评估的前提，国内外均开展了洪涝灾害风险研究，但由于各地区洪涝灾害特性存在差异、资料获取能力不同等，在评估指标的选取上尚未形成统一的体系。尽管不同地区的风险评估指标存在一定差异，但指标选取仍需遵循可行性、科学性、代表性、独立性和系统性等原则。此外，若从灾害系统角度定义城市洪涝灾害风险，评估指标的选择与评估框架相关，可根据指标选取原则和评估框架进行评估体系构建。本文以危险性-易损性(H-V)评估框架为例，从危险性、易损性两方面出发，综合考虑城市系统及其洪涝灾害的特性建立指标体系，如图2所示。该体系仅提供参考价值，实际应用中的指标选择仍需根据风险评估的尺度、单元、资料可获取性等实际情况确定。

图2 城市洪涝灾害风险评估指标体系Fig.2 Risk assessment index system of urban flood disaster

当风险评估过程中涉及指标体系法并需要计算指标权重时，可选择特定的数学方法确定权重。指标权重的大小反映了指标在风险评估中的重要程度，权重越大，说明该指标对风险的贡献值越大，反之则说明该指标对风险的贡献值较小。目前可用于指标权重计算的方法较多，主要分为3类：①主观权重法，如直接评分法、对比排序法、Delphi法和层次分析法等；②客观权重法，如熵权法、标准差法和CRITIC法等；③主客观组合权重法，即利用两种或两种以上的方法对权重进行组合计算的方法。

主观权重法主要依靠行业专家自身的专业知识对指标的重要性做出排序而确定指标权重值，受主观因素影响较大，有时不能客观地反映实际情况；客观权重法主要根据指标数据的统计分布规律进行分析而求得各指标权重，该方法一定程度上克服了主观因素影响，体现了数据的客观性。但是指标权重既是决策者的主观评价，同时又是指标本身物理属性的客观反映，是主客观综合度量的结果，为了全面反映指标的实际重要性，可采用综合权重方法，将主观权重和客观权重进行加权平均得到评价指标的综合权重[24]，以促使指标的权重更加合理。

4 城市洪涝灾害风险区划方法

洪涝灾害风险评价中，风险区划方法最常用于处理风险分析结果，因此风险评价亦可称为风险区划。城市洪涝风险区划包括将风险分析结果与预先设定的风险准则或阈值相比较，或是风险分析结果之间进行比较，从而确定风险等级。风险区划是在风险分析上的宏观分区，风险区划图可反映风险的空间分布，对风险分析结果进行科学合理的区划，可真实、客观地反映洪涝风险空间分布的特征和规律，从而绘制出科学性、实用性和指导性较好的风险区划图，是重要的风险评估成果，对风险应对及管理、防洪排涝和防灾减灾等均有重要的参考价值和指导意义。

风险区划是洪涝灾害风险评估必不可少的步骤，一般是指将风险分析结果划分为若干个不同风险高低等级的区域，最简单的等级区划方式是把风险分为需要应对区域或不需要应对区域两种。此外，还可根据风险的可承受程度划分为不可承受、中间、广泛可承受区域共3种。不可承受区域即特级重点防范区域，无论发生洪涝灾害的可能性大小、风险值高低，此区域发生洪涝灾害的后果是无法承受的，因此要不惜代价地防范该区域的灾害发生，采取全面的风险应对措施。中间区域的重要性处于不可承受区域和广泛可承受区域之间，该区域的风险应对措施需要综合考虑措施的收益比。广泛可承受区域的社会经济重要性很低或发生洪涝灾害的概率很低，风险值一般较小，不需要采取任何风险应对措施。

由于风险评估整个过程均具有一定的不确定性，因此以上两种形式的风险区划方式均存在较大的局限性，难以确定各类区域的界定值。以往的研究中，常将结果根据特定的等级区划方法将风险分析结果区划成若干个等级，并绘制成直观可靠的风险区划图，为防洪排涝部门的决策提供科学依据。对于风险区划图而言，区划等级的数量应综合考虑数据精度、比例尺大小、数据分布特征和人眼辨认能力进行确定。对于一般的区划图而言，以3～7级为宜。洪涝风险区划常用等级的相关描述，数字越大代表风险越高：1级，风险极低；2级，风险低；3级，风险较低；4级，风险中等；5级，风险较高；6级，风险高；7级，风险极高。这个可供不同等级数量的区划参考。风险区划方法有：

a. 相等间隔法。相等间隔法是指将风险分析结果的值划分为大小相等的若干间隔，此方法可突出极值的变化，适合数据分布较均匀的分级。将风险分析结果按从小到大顺序排列，包含x1、x2、…、xn共n个区划单元，区划等级数为m，第i与i+1个等级(i=1,2,…，m-1)之间的界限值Ai计算公式为

(1)

b. 分位数法。分位数法是指按风险区划的单元数量进行划分，使各区间数据的数量相同，此方法可突出中间值的变化，适合数据分布较均匀的分级。假设风险分析的结果按从小到大的顺序进行排列，包含x1、x2、…、xn共n个区划单元，区划等级数为m。当n为m的K倍(K为正整数)时，该方法才具备适用性。第i与i+1个等级(i=1,2,…，m-1)之间的界限值Ai为

Ai=x1+in/m

(2)

d. 自然间断点法。自然间断点法是美国环境系统研究所(ESRI)研制并应用在ArcGIS中的一种分级方法，属聚类分析的单变量分类方法。该方法根据数值统计分布规律进行分级和分类，目的是在不改变有序样本的前提下，使其分割的相同等级内的数据相似值最优，而不同级别之间的数据差距达到最大，不同级别之间的界限点出现在数据突变明显处。自然间断点法适用性强，能够用于多类型数据的分级处理，在干旱、洪涝灾害风险等级区划中应用广泛。

e. 隶属度函数法。隶属度函数法是模糊数学中区划数据等级中的关键处理方法。若将区划等级看作集合，需要分级的数据看作是元素，上述的相等间隔法、分位数法等方法的集合和元素之间的关系则是绝对的，元素只有属于或不属于该集合的关系。但模糊数学认为元素和集合之间的关系并非绝对的，可利用隶属度来表示元素属于集合的程度，其中隶属度值范围为[0,1]，隶属度越高说明元素和集合的贴近程度越高。因此运用隶属度函数法进行m个等级的区划时，需要确定m个模糊集合和元素与集合之间的隶属度函数，计算元素与模糊集合之间的隶属度ui(i=1,2,…,m)，通常采用最大隶属度原则对元素进行区划等级处理，即元素与模糊集合之间隶属度最大时，即代表该元素属于该集合。