第一次全国自然灾害综合风险评估模型设计——以江苏金坛试点区为例

江 峰，夏佳毅

(江苏省基础地理信息中心，江苏 南京 210013)

0 引 言

为深入贯彻学习习总书记关于防灾减灾救灾的重要论述，认真落实国家关于自然灾害防治工作的安排部署，从而全面掌握我国的自然灾害风险隐患情况，提升抵御自然灾害的综合防范能力，确保人民群众生命财产安全。国务院办公厅于2020年6月8日发布了《国务院办公厅关于开展第一次全国自然灾害综合风险普查的通知》(国办发〔2020〕12号)。摸清区域减灾资源和综合减灾能力的现状，是提高政府自然灾害应急救助能力的基础，为科学制定和优化应急救助决策，也为合理配置和调度救灾资源、科学制定救援和转移安置以及生活保障方案提供依据[1]。

自然灾害区划主要是通过对某一区域内自然灾害发生的时空规律进行研究得到该区域灾害划分，可为该区域的防灾减灾工作提供科学依据，故加强自然灾害综合区划的研究是自然灾害防治的重点工程之一，是提高自然灾害防治功能的重要工作。

1 研究区域概况

1.1 试点区域特征

金坛区地处江苏省南部，东侧与常州市武进区毗邻；西边以茅山为界，与句容市相接壤；南侧濒临洮湖，与宜兴市、溧阳市依水相望；北与镇江市丹徒区、丹阳市相连。位于北纬31°33′42″、-31°53′22″，东经119°17′45″、-119°44′59″，占地面积约975.46 km2，其中陆地面积781.27 km2，水域面积194.22 km2。金坛区地势自西向东倾斜，俗称“二山二水六分田”。西部为丘陵山区，属宁镇山脉东缘的茅山山脉的一部分。东部为地势低平的平原，是太湖平原的一部分。金坛区区位如图1所示。

审图号：苏S[2021]001号

1.2 试点区选择的原因

金坛区作为江苏省的3个国家试点区县之一，选择其作为试点区域有着一定的必然性。首先，金坛区属于3个试点区域苏南(金坛区)、苏中(兴化市)、苏北(铜山区)中经济发达的苏南地区，进行自然灾害综合风险普查对经济社会发展有着深远的意义。其次，金坛区地形地貌在大部分区域都是平原的地带有着鲜明的代表性，西部薛埠镇范围内的茅山区域是江苏省内为数不多的丘陵地带，东部区域是代表江苏大部分区域的江淮平原区域，南部区域是长荡湖湖泊河流生态区；另外在儒林镇内还有约6 km2的煤矿动采区域。因此选择金坛区作为江苏省第一次全国自然灾害综合风险普查的试点区域。

2 自然灾害综合区划路线

2.1 综合区划的基本原则

自然灾害的综合区划原则是进行一个区域灾害区划的基本要求，为金坛区划指标的选取以及区划方法的选择提供了强有力的依据。在进行该区域的自然灾害综合区划时，应根据承灾体、孕灾环境、致灾因子等不同的要素来考虑整个自然灾害系统，并着重分析灾害灾情形成的机制、区域分异的规律等。同时在进行金坛区自然灾害综合区划时，我们制定的区划划分原则为：① 金坛区灾情等级、灾害强度以及其空间分布的一致性和差异性；② 金坛区承灾体类型、抗灾和承灾能力的一致性和差异性；③ 金坛区域内孕灾环境的一致性和差异性；④ 金坛区致灾因子类型、灾害频度及灾害强度分布的一致性和差异性；⑤ 为了满足金坛区防灾减灾的要求，我们在考虑前4项划分原则的基础上，为方便属地管理应尽可能保持镇级行政区划的相对完整性。

国内外已有多位学者针对自然灾害综合区划的划分进行过较为详细的研究[2-3]，在对这些研究成果进行系统的分析和比较后认为：从定性到定量的发展是如今自然灾害区划研究的趋势，首先需要提取区域内自然灾害的基本单元(图斑)，采用自下而上的方法来进行该区域内的图斑合并处理，得到次一级别的灾害区划单元；接着在宏观分异格局的基础上，再采用自上而下的方法划分较高级别的灾害区划单元，得到两级灾害区划图斑，从而形成一套自然灾害区划方案[4]。金坛区划研究以金坛区基础测绘地形地貌图、三调县级行政区划图、历年气候数据、历年灾害数据资料、地方志、人口及经济普查统计等数据作为此次金坛区自然灾害综合风险普查的底图数据，我们采用自下而上的方法进行区域合并处理得到该区域灾害区划的基本单元，并结合自上而下的方法进行金坛区自然灾害综合区划的工作。

2.2 灾害区划基本单元

灾害区划的基本单元(图斑)是包含孕灾环境、承灾体、致灾因子等相关属性特征的区域自然灾害最低一级单位。金坛区自然灾害区划的第一步工作便是提取综合区划的基本单元[5]，由于不同区域地貌人文经济等要素存在差异性，不同的区域研究尺度不一，因此基本单元的划分方法不尽相同。本文采用专业的地理信息软件，从地理、人文、经济等角度出发，将承灾体、致灾因子和孕灾环境等因素融入相应的基本图斑里，并将其作为金坛区自然灾害区划的基本单元。本文所提出的方案基于金坛区第一次全国自然灾害综合风险普查项目，通过对金坛区自然灾害系统诸因素进行综合叠加提取，更加强调承灾体、孕灾环境和致灾因子在自然灾害综合区划工作中的作用。金坛区自然灾害基本单元指标体系如图2所示。

图2 金坛区自然灾害基本单元指标体系

2.3 常用的自然灾害综合区划方法

各地方在对本区域进行自然灾害综合区划时用到的方法主要有两种：① 依据区域共轭性原则设计的自下而上的灾害区划方法[6]；② 根据相对一致性原则设计的自上而下的灾害区划方法。若采用自下而上的区划方法进行自然灾害区划工作，其划分依据主要是将最小图斑进行融合分析，然后通过合并最低一级别的区划单位，在低级别区划单位(灾害小区)的基础上整合出高级别的区划单位(灾害区)。而采用自上而下的区划方法进行自然灾害区划工作，首先按区划指标对最高级别的单位进行区划划分，之后再将高级别的区划单位划分为低一级别的区划单位，直至划分到最低一级的区划单位。因此，自下而上的区划方法适用于小尺度范围内(县域及以下)的灾害区划工作，而自上而下的区划方法则适用于宏观上大尺度范围内的灾害区划工作。本文将二者一定尺度范围内有机结合在一起使用，从而形成该区域的区划层次系统。结合金坛区的自然灾害综合风险普查项目进行该区域自然灾害综合区划时，首先必须从提取灾害基本单元入手，以小尺度范围内自下而上的方法来进行区域内的图斑合并，得到最小的灾害区划单位(灾害小区)；之后采用自上而下的区划方法由灾害大区逐级经灾害中区后划分到灾害小区，从而得到此次金坛区自然灾害综合区划图斑。

3 金坛区自然灾害综合区划研究

3.1 软件选取

在此次金坛区第一次全国自然灾害综合风险普查项目的实施中基于自然灾害基本单元进行综合区划，实际的作业过程中有如下特点：① 制作的底图数据均具有地理空间属性信息；② 区域内自然灾害数据库的数据量适中；③ 需整合多源数据，处理计算的工作量较大；④ 在提取基本单元时，需对图形进行划分、叠加、合并、分析等操作。我们选择ArcGIS10.1作为对金坛区灾害数据进行处理、更新以及维护的基本平台。

3.2 数据处理

本项目区划方案以金坛区地貌图、地形图、土壤图、气候图以及县域内镇区行政区划图作为该区域的基础地理底图数据并构建空间数据库，建立以人文、经济等要素为依据的空间属性信息表，结合地震分布图、地质灾害图、风雪灾害分布图、旱涝分布图以及各种普查统计数据和文选资料构建起该区域的专题数据库。

根据下文模型中对应的公式，通过设定的承灾体、孕灾环境、致灾因子参数，计算出成灾体脆弱度、孕灾环境敏感度和致灾因子风险度。同时参考行政区划、地形地貌等因素，进行灾害区划的基本单元提取。最后在金坛区特有的地形地貌特征基础上，结合脆弱度等级、敏感度等级和风险度等级等相关因素，在已生成的金坛区自然灾害基本单元图的基础上进行图斑的整合及碎块处理，最终形成金坛区的自然灾害综合区划划分。

综合考虑金坛区自然环境和社会经济特征，本文采用GIS空间分析和灾害风险评估模型，对金坛区自然灾害在县域尺度上进行分析和区划，形成自然灾害综合风险评估的技术路线，主要包括：①数据收集与整理；②指标体系构建及权重确定；③指标计算及标准化处理；④自然灾害风险评估模型构建。数据处理的具体流程如图3所示。

图3 自然灾害综合风险评估技术路线图

3.3 评估模型设计

3.3.1 GIS制图参数设计

金坛区自然灾害综合区划需提取该区域的自然灾害基本单元(图斑)，综合自下而上的和自上而下的灾害区划方法，来进行金坛区自然灾害综合区划制图编制。同时按照自然灾害系统设计设想，结合该区域内自然灾害的特点，从灾情、承灾体、孕灾环境、致灾因子等多个方面择选具体的指标来反映金坛区自然灾害的特点。

(1)承灾体参数

承灾体参数参考金坛区经济密度和人口密度2个指标因素。

(2)孕灾环境参数

孕灾环境参数参考地形地貌、土壤和水系3个指标因素。

(3)致灾因子参数

致灾因子参数参考频度、灾害频数和自然致灾因子多度3个指标因素。

3.3.2 基本单元(图斑)提取

根据自然灾害基本单元的定义和特性，使用ArcGIS软件对自然灾害系统内的各组成因子进行空间矢量叠加分析后，得到该区域自然灾害基本单元的矢量数据的空间分布情况。同时通过对承灾体、孕灾环境和致灾因子等要素进行空间矢量叠加分析后，得到该区域自然灾害基本单元的图斑范围界。而基本单元灾情属性数据则通过软件的空间逻辑属性关系挂接到数据库属性字段中。主要将孕灾环境敏感度、承灾体脆弱度和致灾因子风险度3个方面作为基本单元提取的考量因素[7]。

(1)孕灾环境敏感度

综合考虑数据GIS处理的方便性和自然环境的情况，金坛区孕灾环境对自然灾害的敏感度在地形地貌图的基础上，考虑到不同地貌类型上人口、经济及自然灾害等情况不一，我们选择了多位地质灾害和应急管理方面的专家，最终通过专家打分方式来评定不同的地形地貌对自然灾害的敏感性，得到地形地貌对自然灾害敏感性的分值如表1所示。

表1 地形地貌对自然灾害的敏感性分值表

自然灾害敏感度分值计算公式：

(1)

式中，SD为敏感度，ki为第i种地形地貌敏感权重，Si为第i种地形地貌的面积，Sj为区域区划的面积。通过计算，得到不同地貌区域的敏感度值，根据分值从高到低排列将金坛区自然环境敏感度分为5个等级：极低敏感度区、低敏感度区、中敏感度区、高敏感度区、极高敏感度区。每个等级间的分等赋值为：0.65、0.56、0.45、0.3。结合数据通过软件制图得到金坛区孕灾环境敏感度分布如图4所示。

图4 金坛区孕灾环境敏感度

(2)承灾体脆弱度

承灾体的脆弱度主要考虑金坛区的人口及经济情况，参考人口普查数据2020年该区域的人口密度和经济密度。人口密度用2020年常住人口除以行政区划面积得到镇级行政区划的人口密度值，根据指标共分5个等级；而经济密度参考统计局数据计算每平方千米内一、二、三产业产出值。最后综合考虑，人口权重0.6，经济权重0.4，脆弱度计算公式为：

VD=P×0.6+Q×0.4

(2)

式中，P为人口密度等级值，Q为经济密度等级值。按公式计算出金坛区自然灾害承灾体脆弱度如表2所示。

表2 金坛区自然灾害承灾体脆弱度等级指标

叠加行政区划矢量数据，整合人口普查和经济普查数据，生成金坛区自然灾害承灾体脆弱度分布如图5所示。

图5 金坛区承灾体脆弱度

(3)致灾因子风险度

金坛区致灾因子风险度参数参考灾害频数和致灾因子多度这两个指标。灾害频数是指金坛区内每年发生的自然灾害的次数，灾害频数的计算公式如下：

PD=X/Y

(3)

式中，X为金坛区内近30年有统计的自然灾害总次数，Y为参与统计的年数。

致灾因子多度则是指在一定范围内自然致灾因子的群集性程度，计算公式如下：

S=m/n

(4)

式中，S为金坛区自然致灾因子多度，m为金坛区自然灾害因子数，n为区域内自然致灾因子数，此次金坛区项目中，n值取10。

我们将金坛区灾度分布图和镇级政区图叠加，然后将灾害频数和灾度数值录入金坛区底图矢量数据的属性数据库和基础数据库。并将金坛区的灾害频数划分了5个等级，并分别赋值，等级标准如表3所示。

表3 金坛区自然灾害致灾因子风险度等级标准

对其矢量数据进行处理，生成了金坛区自然致灾因子风险度分区如图6所示。

图6 金坛区自然致灾因子风险度

3.3.3 自然灾害综合区划生成

针对金坛区特有的地形地貌特征，结合脆弱度等级、敏感度等级和风险度等级等相关因素，在已生成的金坛区自然灾害基本单元图的基础上进行图斑的整合及碎块处理，分别赋予脆弱度等级(VD)权重0.3，敏感度等级(SD)权重0.3，风险度等级(PD)权重0.4，得到模型计算公式：

W=VD×0.3+PD×0.4+SD×0.3

(5)

并结合自上而下的区划方法进行区划边界的修正，最终形成金坛区的自然灾害综合区划，将金坛区分为8个自然灾害小区(图7)。

图7 金坛区自然灾害综合区划图

3.4 评估模型验证

3.4.1 模型数据的有效性

模型参数有效性确认用于保证模型建立、评估、检验和实验所用的数据是充分的和正确的。在评估模型建立的过程中，参数用于模型的建立、校验和运行。充分、正确、精确的模型参数数据是建立模型的基础。

本项目评估模型中的几个主要模型参数：承灾体参数、孕灾环境参数、致灾因子参数的有效性确认，是通过人口、经济、地形地貌、历年灾害频数等官方公布数据进行计算，按重要程度赋予不同权重进行模型的比例配置；同时为确保参数的有效性，邀请多位地质灾害、应急管理、防灾减灾等方面的专家进行专业的评分，确保此项目模型参数的有效性是充分的、正确的。

3.4.2 理论模型有效性验证

基于1990-2020年金坛区有统计自然灾害普查数据，统计受灾人口、经济损失，通过采用相关分析法将金坛区自然灾害发生的空间分布与灾害风险的分布结果进行对比验证，计算公式如下：

(6)

通过计算金坛区自然灾害风险结果与人口、经济灾害损失的相关系数分别为0.569 6，0.430 4，其相关性显著，这就表明金坛区自然灾害风险分布结果与实际自然灾情分布区基本吻合。另外，我们通过与新中国成立以来金坛区有记录的自然灾害的分布规律的统计结果进行比对，发现其与该评估结果的空间分布一致性较高。

4 结 语

本文将改进的层次分析法的模糊综合评价模型与自然灾害风险计算模型进行了有机结合，通过计算自然灾害风险度值及各因子权重值，完成了该区域的灾害风险区划工作。通过模型在金坛区范围内进行计算，得到的输出结果有足够的精度。与其他同类灾害评估模型相比较，在相同初始条件下，此模型通过对金坛区各自灾害因素的定量分析与计算，不仅可以得到试验区域的区划图，而且通过模型中“自上而下”的方法修正界限，能够得到更优化的综合区划图。

近年来，我国自然灾害频发，因此进一步做好防灾减灾救灾工作，同时将较大区域进行分区治理以及做好第一次全国自然灾害综合风险普查工作显得尤为重要。金坛区灾害风险区划实质上就是将金坛区在地形地貌和多项风险因素综合考虑的基础上按参数的相近程度进行分类处理，得到该区域不同的自然灾害综合区划[8]。伴随着科学技术的快速发展，基于地理信息系统的自然灾害区划研究方法也越来越多地被广泛应用于灾害区划研究工作中，其主要的优点在于图库一体、数据处理、模型分析、图形整合等方面。本研究提出的模型，已成功在国家试点金坛区第一次自然灾害综合风险普查项目中得到应用，经实地验证，精度可靠。我们的国家地大物博，地形地貌、人文特征、经济因素都不尽相同，因此在研究其他区域时，灾害区划所使用的指标也不一致，这就需要根据研究区域自身的特点进行选择定制，这一过程仍需进一步的完善，本文所提出的自然灾害综合区划方法，仍然可以给相关部门的防灾减灾救灾方案及决策提供有价值的参考。