基于模糊综合评价的深圳市暴雨洪涝风险评估

黄国如, 李碧琦

(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)

1 研究背景

随着全球气候变暖和城市化建设进程不断加快，近年来我国城市暴雨洪涝灾害频发，严重影响人民群众生产生活，制约城市发展，甚至威胁市民财产和生命安全[1-2]。面对日益严峻的城市洪涝问题，城市暴雨洪涝灾害风险评估可以帮助有关部门有针对性地对城市暴雨洪涝进行预防和治理，提高城市防涝抗灾能力，降低暴雨洪涝所造成的损失。常用的城市暴雨洪涝风险评估方法有基于历史灾情数据的城市洪涝风险评估、基于指标体系的城市洪涝风险评估和基于情景模拟的城市洪涝风险评估[3-4]。其中，基于指标体系的城市洪涝风险评估因其更能体现城市洪涝灾害的连锁性，且具有数据易于获取、建模简便的优点，在城市洪涝风险评估研究中得到广泛应用。Yashon等[5]采用层次分析法(AHP)和ArcGIS技术，选用多个指标确定城市洪涝风险指数，对肯尼亚的埃尔多雷特市进行城市洪涝灾害风险评估区划。Lyu等[6]构建地铁淹没风险评估指标，运用层次分析法(AHP)和区间层次分析法(I-AHP)对广州地铁系统中的淹没风险进行评估，结果表明超过50%的地铁线路极易遭受洪涝淹没风险，广州地铁系统易受洪涝灾害影响。扈海波等[7]建立自下而上的城市暴雨积涝风险指标体系，对北京地区进行积涝风险分析，结果表明风险评估结果与积涝的实际发生情况较为接近，该方法能较好地满足风险评估、区划及风险预警的要求。雷享勇等[8]根据暴雨洪涝灾害特征选择多个暴雨洪涝风险指标，基于ArcGIS技术和模糊综合评价法，选取杭州市主城区进行暴雨洪涝灾害风险评估区划，最终生成杭州市暴雨洪涝灾害风险分布图。

深圳市地处东南沿海，属亚热带海洋性气候，暴雨发生频率高、影响面广，暴雨洪涝灾害成为深圳市发生频率较高、影响较大的自然灾害[9]。因此，本文以深圳市为研究区域，采用模糊综合评价法，开展深入的洪涝灾害风险评估研究，以期为深圳市暴雨洪涝灾害风险管理措施提供理论基础，为防汛部门的防灾减灾策略提供科学依据。

2 研究区概况

深圳市位于广东省南部，珠江口东岸，濒临南海，陆域平面形状呈东西宽、南北窄的狭长形。全市面积1 997.47 km2，下辖9个区和1个新区(图1)，境内地势东南高、西北低，河流众多、水系短小，根据水系及地形特点分为9大流域。深圳市地处北回归线以南，属亚热带海洋性气候。夏季历时长，冬季不明显，气候温和，光照充足。雨量充沛，降雨强度大，时空分布不均，平均年降水量1 933.3 mm，每年4-9月为雨季，汛期降水量约为全年的85%，日照时长2 120.5 h。夏季受热带气旋控制，盛行东南风和西南风。自20世纪90年代开始，深圳市便成为内涝重灾区，1993-1994年深圳市连续发生了4次水灾[10]。据深圳市应急管理局统计，2000-2018年，深圳市共发生36起影响较大、损失较重的暴雨洪涝灾害。如2014年的“3·30”、“5·8”、“5·11”、“5·17”、“5·20”5场特大暴雨在深圳各区造成了一定程度的洪涝灾害，道路积水堵塞，工厂、商铺和居民小区受淹，多处河堤水毁，造成巨大的经济损失，严重影响了市民生产生活[11]。因此，对深圳市开展城市暴雨洪涝灾害风险评估十分必要。

图1 深圳市行政区域划分图

3 数据收集与处理

以深圳市为研究区域，根据城市暴雨洪涝灾害系统理论，遵循科学性、系统性、代表性、可行性等原则，综合考虑致灾因子、孕灾环境、承灾体、防灾减灾能力等因素，从危险性和易损性两大风险要素出发共选取12个指标，构建深圳市暴雨洪涝灾害风险评价体系，如表1所示。具体如下：

表1 深圳市城市洪涝风险指标体系构建

(1)致灾因子。致灾因子通常包括雨强、历时、频率等，选取区域内观测时间较长的12个站点的1971-2010年日降水数据计算极端气候指标极强降水量R99p(日降水量>99%的总降水量)和强降雨频率(日降水量在50 mm以上的年平均降雨次数)，在ArcGIS平台上采用克里金插值法进行插值，得到全市的极强降雨量和强降雨频率分布图。

(2)孕灾环境。孕灾环境中影响洪涝灾害致灾因子强度的因子特征包括地形条件、河流水系、下垫面属性等，深圳市地形复杂，地貌类型多样，河流众多，土地变化剧烈，选取地面高程、坡度、河网密度和径流系数等因子。河网密度指每个1 000 m×1 000 m格网内的河流长度与格网面积的比值；径流系数由土地利用类型确定[12]，土地利用类型数据使用全球生态环境遥感监测年度报告提供的2015年全球30 m土地覆盖数据。

(3)承灾体。承灾体主要指暴雨洪涝灾害作用的对象，除了自然方面的因素，洪涝灾害造成的影响还取决于社会属性。同级别的洪涝灾害对人口密布、经济发达的地区所造成的损失往往比人口稀疏、经济落后的地区更大。选择GDP密度、人口密度、建筑密度和老年人口(60岁以上人口)比重等指标。

(4)防灾减灾能力。防灾减灾能力主要是指防御暴雨洪涝灾害的能力。本文选用人均GDP和排水管网密度等指标体现区域防灾减灾能力。

4 模糊综合评价

模糊评价法理论来源于模糊数学，最早源于美国加州大学Zadeh教授提出的模糊集合概念，模糊集合通过隶属度函数，可以将对象的模糊性加以量化，对其做出合理的评价[14]。相较于传统的评价方法，模糊数学的概念和方法更适用于具有模糊特性的风险，因此使用模糊数学建立洪涝风险模糊评估模型，比传统的评价方法更能符合实际情况[15]。

洪涝灾害风险空间模糊综合评价模型以GIS栅格数据中的100 m×100 m栅格单元为基本评价单元，通过确定各栅格单元单因素评价指标的隶属度函数，逐栅格进行模糊综合评价，获得整个研究区域的模糊综合评价结果[16]。建立步骤如图2所示。

图2 模糊综合评价法流程

具体为：(1)建立洪涝风险的因素集U，即城市暴雨洪涝风险评价指标体系，确定各因素的权重，构造权重矩阵W；(2)建立评语集V，划分评价等级；(3)构造隶属度函数，根据隶属度函数求出模糊矩阵R；(4)根据各指标的权重和隶属度矩阵得出复合模糊矩阵B。

4.1 计算指标权重矩阵W

因素集是指评估对象的影响因素。结合深圳市洪涝事件降雨特点、工程概况并参考相关研究[17-18]，综合考虑表1所示的12个影响因子作为因素集，设洪涝灾害风险的因素集U={u1,u2,…,u12}，并将各影响因子空间分布图层栅格化，栅格大小为100 m×100 m。以极强降水量栅格数据为例，如图3所示。

图3 深圳市极强降水量因子栅格数据空间分布

权重系数矩阵W={w1,w2,…,wn}是指各评价因子对风险性的影响程度大小的集合，模糊综合评价法常通过层次分析法确定各评价因子权重。利用传统层次分析法确定各指标权重的方法构建两两判断矩阵时，常因矩阵构建者的不同而出现差异，具有一定的主观性，使分析结果趋于不稳定。为使得到的权重值更加合理，本文使用熵值法改进层次分析法[19]，求得的深圳市暴雨洪涝风险评估各指标权重见表2。

4.2 划分评价等级

将每个评价因子分为5个级别，建立评语集V={v1,v2,…,v5}，分别对应低风险、较低风险、中等风险、较高风险、高风险。各评价因子的上限值取最大值，下限值取最小值，采用自然间断点法为各评价因子选取5个分割点，结果见表2。

表2 各评价因子权重及评价等级分割点

4.3 建立模糊矩阵R

在城市暴雨洪涝风险的因素集U与评语集V之间进行单因素评价，建立模糊关系矩阵R：

(1)

式中：rij为因素集U中第i个因素ui对应评语集V中第j个等级vj的相对隶属度，选择较为常见的升、降半梯形和三角形分布函数来确定各指标对各等级的隶属度。其中最低风险度和最高风险度选择升、降半梯形函数，中间3级为三角形分布函数，如分段函数式(2)～(4)所示，分段隶属函数的图像见图4。

图4 分段隶属函数图像

(2)

(3)

(4)

式中：xi为某评价因子的实际值；aj为相应级别的临界值。

4.4 模糊综合评价

利用模糊数学的运算法则，对W与R进行计算，得到复合模糊矩阵B，即:

B=W×R=(w1,w2,…,w12)×

(5)

对复合模糊矩阵B进行比较，根据最大隶属度原则[20]，选择max(b1,b2,…,b5)作为风险评价等级的评判依据，确定风险等级。

5 城市洪涝风险评估

最终得出的基于模糊评价法的深圳市洪涝灾害风险分布见图5。

图5 深圳市洪涝灾害风险分布

从图5可以看出，高风险区主要分布在宝安区西部、福田区、罗湖区西部、龙岗区和大鹏新区。较高风险区主要分布在坪山区和盐田区，中等风险区主要分布在龙岗区和龙华区，较低风险区多分布在宝安区东部、龙岗区、南山区和龙华区南部。深圳市洪涝灾害风险高值区分布有集中连片的特点，各个区域的风险主导因素也各有不同，其中宝安区西部地处滨海平原，地势较为低平，同时西部聚集大量工业制造业园区，多为建成区，排水系统不完善，因此以高危险性和高易损性为其主要原因。福田区是深圳市的中心城区，是深圳市原经济特区内的4区之一，也是深圳市委市政府所在地，建筑、人口高度密集，不透水地表比例非常高，城市建设与排水体系不配套，因此该区域以高易损性为主导。罗湖区情况与福田区类似，地势东北高、西南低，南面隔深圳河与香港的新界北区相望，是深圳市内最早建成区，经过40年的高速发展，人口和财富大量聚集在罗湖区，同时，由于开发较早，罗湖区人口老龄化趋势较为明显，因此该区以高易损性为主导。龙岗区为极端降水高值区，城区分布于临河谷地平原，原为大工业区，产业集中，不透水比例高，以致灾因子高危险性和高易损性为主导。东部大鹏新区距离海洋较近，海洋气候显著，为极端降水高值区，新区属于新开发区，区内多为山地，建成区面积较小，虽然相对全市而言属于降水高值区，但受经济社会发展因素的限制，大部分地区洪涝灾害风险等级为最低或较低。建成区多位于地势低平区域，建筑、人口和财富的分布较为集中，基础设施尚未完善，一旦受到暴雨袭击，洪涝损失较为严重，以致灾因子高危险性和高易损性为主导。

与深圳市应急管理局提出的2019年深圳市防汛预案中的易涝区域进行对比，防汛预案中提到的宝安区西部(福海、松岗、沙井街道)、龙岗区中心的龙岗街道和北部的坪地街道、坪山区和宝安区西部、南山区前海等地面高程较低的片区均属于本文洪涝灾害风险评估结果中的以危险性为主导的较高风险和高风险区，两者较为一致。

在上述深圳市洪涝灾害风险评估的基础上，可以从不同方面有针对性地考虑风险减缓和风险管理措施：(1)积极建设和维护城市排水、防洪防涝工程体系，对发生损坏或排水能力不足的相关设施进行维修与更新；(2)合理发展雨洪利用技术，维持城市流域滞水、蓄水的功能，提高城市防洪韧性，为未来的长期规划预留提升空间和可能；(3)逐步完善新老城区防灾减灾基础设施建设，既不能贪快随意建设新城区，也不能忽略老旧城区的战略部署；(4)科学进行城市规划，通过合理规划建设城市基础设施和建筑，调整人口分布，改善人口结构，未来城市发展规划应避开现有的洪涝灾害风险高值区；(5)编制科学、完善的防灾、减灾预案与应急避难手册，建设有效的疏散系统，强化灾害风险教育，提高城市防洪应急管理水平。

6 结 论

(1)针对深圳市洪涝灾害特征，从危险性和易损性两个准则层中选取12个风险评估指标，建立深圳市暴雨洪涝灾害风险评估指标体系。以100 m×100 m栅格为评估基本单元，采用模糊综合评价法进行深圳市洪涝灾害风险评价，并在ArcGIS中绘制深圳市洪涝灾害风险分布图。

(2)深圳市洪涝灾害高风险区主要分布在宝安区西部、福田区、罗湖区西部、龙岗区以及大鹏新区部分地区。深圳市洪涝灾害风险高值区分布有集中连片的特点，不同区内的风险主导因素不一，其中宝安区西部的高风险值由高危险性和高易损性主导，福田区和罗湖区西部的高风险值由高易损性主导，东部的龙岗区和大鹏新区的高风险值由致灾因子高危险性和高易损性主导。

(3)在深圳市洪涝灾害风险分析与评估的基础上，建议深圳市针对性地制定防灾减灾和风险管理措施，积极建设与维护城市防洪排涝系统，逐步完善旧城区与新城区防灾减灾基础设施建设，进行科学的城市规划，建设有效的应急防灾体系，最大程度降低洪涝灾害风险。