基于云物元模型的南京市雨洪災害風險評估

陳軍飛，陳夢晨，高士佩，許建平，周 沛

(1.河海大學商學院，江蘇 南京 211100；2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098 ；3.江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017)

由于全球氣候變化和城市化進程不斷加快，城市雨洪災害頻發(fā)。城市作為氣候變化影響的重點區(qū)域，持續(xù)的城市開發(fā)建設(shè)導致城市不透水面積加大，并且城市中相對落后的排水系統(tǒng)建設(shè)，大大削弱了城市自身調(diào)節(jié)和應(yīng)對突發(fā)暴雨洪澇的能力[1-3]。我國許多大城市每遇到暴雨洪水時，都會造成極為嚴重的災害損失，影響城市的社會經(jīng)濟發(fā)展?！?017中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示，2017年全國因洪澇災害受災人口5 515萬人，因災死亡316人、失蹤39人，洪澇災害直接損失2 143億元。根據(jù)EM-DAT和Munich RE災害數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計，洪澇災害造成的損失占到全球災害總損失的28%[4]。

近年來，國內(nèi)外專家學者對城市雨洪風險評估和管理開展了許多的研究。王海潮等[5]采用SWMM、Infoworks CS和MOUSE的雨洪災害模型進行雨洪災害風險評估及對比研究；Fedeski等[6]根據(jù)暴露性、危險性和脆弱性3個風險要素構(gòu)建了風險評估模型，對英國城市建筑物進行了雨洪風險評估。Zhang等[7]基于自然災害風險形成的相關(guān)理論和“3S”技術(shù)(遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng))，以住房為研究對象，用洪水淹沒范圍和深度、災害造成損失和房屋暴露性等為研究指標，建立了洪澇災害風險評估模型。杜志強等[8]基于實時降雨數(shù)據(jù)構(gòu)建城市暴雨型洪澇災害的預警方法；王嘉儀等[9]通過耦合氣象、水文和城市雨洪模型SWMM，模擬了城市暴雨洪水產(chǎn)生過程并進行了風險分析；王賀等[10]基于最大24 h降雨量、平均淹沒水深、淹沒歷時、受災人口率、受災面積率和GDP損失率6個指標，建立了正態(tài)云模型的極端雨洪下城市洪水風險綜合評價模型。

從現(xiàn)有文獻看，目前的研究大多基于水文、氣象模型或傳統(tǒng)的一般評估方法對城市雨洪災害風險進行評估。考慮到城市雨洪災害風險具有模糊性與不確定性，而云模型恰好能夠反映事物的模糊性和隨機性，可以實現(xiàn)定性概念與定量描述的不確定性轉(zhuǎn)換[11]。另外，雨洪災害風險要素之間也會存在一定的沖突性，例如城市發(fā)展建設(shè)與降低城市雨洪災害風險存在沖突，而物元理論可以將矛盾沖突問題化為相容問題，將看似不相容的問題相容化，并且能將定量分析與定性分析統(tǒng)一起來[12]。因此，筆者將云模型引入物元理論，采用云模型對物元進行重新構(gòu)造，對城市雨洪災害風險進行描述、分析及評估，從而建立風險評估模型。

從氣象條件來看，南京市屬于亞熱帶季風氣候，夏季炎熱多雨，所以大規(guī)模的降水大部分集中在夏季[13]。同時，南京市城市人口密集，經(jīng)濟發(fā)達。雨洪災害頻發(fā)會對南京市造成巨大損失，城市暴雨洪水已成為制約南京城市發(fā)展的重要因素之一。

1 評估模型設(shè)置

1.1 城市雨洪災害風險評估指標體系

根據(jù)自然災害系統(tǒng)理論，城市雨洪災害風險是由致災因子、孕災環(huán)境和承災體三者共同作用而形成的；致災因子是指能引起城市雨洪災害的外部自然因素；孕災環(huán)境是指導致城市雨洪災害產(chǎn)生的環(huán)境影響因素，孕災環(huán)境是由自然與社會的許多因素相互作用而形成的。承災體是指遭受城市雨洪災害的對象，不同承災體在遭受不同強度的雨洪災害風險時可能損毀程度和可恢復程度都不相同；致災因子、孕災環(huán)境和承災體三方面相互影響，相互制約。

首先，南京市處在平原地帶，海拔低，一旦遭遇暴雨極易形成洪澇災害；其次，快速的城市化導致城市地表屬性變化，南市地表多為不透水的硬化表面，導致極端暴雨下地表雨水快速匯流；第三，南京市內(nèi)部的排水管網(wǎng)建設(shè)沒有跟上城市的發(fā)展,導致暴雨來臨時城市排澇能力大幅度下降。這些孕災環(huán)境大幅度提高了南京市極端雨洪災害發(fā)生的頻率和強度。此外，相同的降雨降到人口密集、工業(yè)發(fā)達城市，其遭受的風險和損失更大，隨著南京市城市化水平加速，人口密度，地均GDP均顯著提高，南京市的雨洪風險也越來越大。筆者在結(jié)合南京市的城市社會經(jīng)濟特征、雨洪災害特征和防災減災情況基礎(chǔ)上，參考已有研究成果及文獻[14-17]，并詢問專家意見，選取了相應(yīng)的風險評估指標，見表1。

表1 城市雨洪災害風險指標體系

1.2 評估指標權(quán)重確定

采用層次分析法(AHP)與熵權(quán)法進行加權(quán)融合的方法計算評估指標權(quán)重，在層次分析法的基礎(chǔ)上引入熵權(quán)法，提高了權(quán)重的精確性，這樣不僅考慮了專家組成員的主觀判斷，又能夠減輕個人主觀判斷對所得評估指標權(quán)重的影響，可以得到較為準確的指標權(quán)重。AHP-熵權(quán)法計算權(quán)重的思路是首先利用層次分析法計算指標的主觀權(quán)重，然后通過信息熵的思想，以指標主觀權(quán)重作為屬性矩陣，建立專家自身權(quán)重的熵模型；最后將兩種權(quán)重進行加權(quán)融合處理，利用專家自身權(quán)重對指標主觀權(quán)重進行修正，得到最終的指標組合權(quán)重[18-19]。

采用層次分析法計算得到的權(quán)重為指標主觀權(quán)重，所給出的指標主觀權(quán)重向量為

Wj=(wj1,wj2,…,wjn)T

(1)

采用熵權(quán)法計算得到的權(quán)重為專家自身權(quán)重，m個專家的客觀權(quán)重向量為

S=(S1,S2,…,Sm)T

(2)

最后將指標主觀權(quán)重與專家自身權(quán)重進行加權(quán)融合，通過式(3)可得到評價指標的組合權(quán)重向量W=(w1,w2,…,wn)T。

(3)

通過層次分析法與熵權(quán)法加權(quán)融合所得城市雨洪災害風險指標權(quán)重，如表2所示。

表2 城市雨洪災害風險指標權(quán)重

1.3 評估指標分級

參考國家防汛總政治部辦公室編寫的《防汛手冊》以及相關(guān)的防汛救災應(yīng)急預案，并綜合考慮《中國統(tǒng)計年鑒》和《南京市統(tǒng)計年鑒》，以及南京市氣象降雨數(shù)據(jù)，在專家咨詢的基礎(chǔ)上，將評估指標體系中的各個指標按風險劃分為V1,V2,…,V55個等級，見表3。

表3 南京市雨洪災害風險指標分級標準

1.4 風險評估模型建立

采用云物元模型對南京市雨洪災害風險進行評估，主要包括以下幾個步驟：

1.4.1 構(gòu)建風險評估物元

根據(jù)建立的城市雨洪災害風險評估指標體系，將城市雨洪災害風險作為總目標層，因此評估對象的指標層物元可用式(4)表示。

Ri=(Ii,Iim,vim)

(4)

式中：Ii(i=1,2,3)為城市雨洪災害風險的一級指標層物元；Iim(m=1,2,…,n)為每個一級指標層物元所對應(yīng)的二級評估指標，而云物元模型的數(shù)字特征主要包括期望Ex(expected value)，熵En(entropy)和超熵He(hyper entropy)。

1.4.2 建立雨洪災害風險的標準云

云物元模型中雨洪災害的風險等級是通過云模型替代固定區(qū)間的方式進行表示。根據(jù)表3中的指標分級標準，通過轉(zhuǎn)換，各風險等級可以由一個具有上下限的區(qū)間數(shù)即雙約束指標[Cmin,Cmax] 表示，區(qū)間數(shù)轉(zhuǎn)換成云參數(shù)的公式為式(5)與式(6)。

(5)

(6)

根據(jù)式(5)和式(6)轉(zhuǎn)換計算得到的相應(yīng)云參數(shù)，可得南京市雨洪災害風險相應(yīng)的標準云參數(shù)矩陣R。

1.4.3 計算一級指標的風險隸屬度

根據(jù)相應(yīng)的標準云參數(shù)矩陣R，可利用式(7)計算得出各二級指標關(guān)于各風險等級的隸屬度。通過二級指標對各個風險等級的隸屬度的加權(quán)可直接得到一級指標層物元關(guān)于風險等級的隸屬度μ(x)，其計算公式為

(7)

(8)

式中：ωim為第m個指標在第i(i=1,2,3)個指標層物元中所占的權(quán)重；μk(Iim)為該指標所對應(yīng)的k(k=1,2,…,5)個風險等級的隸屬度；而μk(Ri)就是指第i個一級指標層物元對于各風險等級的隸屬度。

1.4.4 風險等級的判定

在得到各一級指標層物元對于各風險等級的隸屬度后，再根據(jù)其權(quán)重進行加權(quán)后，就可得到雨洪災害的風險等級隸屬度，其計算公式為

(9)

式中：ωi為一級指標層物元的權(quán)重；μk(Ri)為第i個指標層物元對于各風險等級的隸屬度；μk(R)(k=1,2,…,5)為南京市雨洪災害風險等級隸屬度。

最后根據(jù)隸屬度最大的原則對城市雨洪災害所屬的風險等級進行判定，即比較各風險等級的隸屬度大小，判斷南京市雨洪災害屬于哪一風險等級。

2 南京市雨洪災害風險評估

2.1 風險評估計算

南京市大規(guī)模的降水大部分集中在夏季，因此本文選取南京市6—9月的城市雨洪災害進行風險評估研究。根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》《南京市統(tǒng)計年鑒》以及南京市氣象局國家基準氣候站統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可計算出2011—2016年南京市雨洪災害風險等級。以2016年南京市城市雨洪災害風險等級計算為例進行說明，一級指標風險等級的隸屬度計算結(jié)果見表4。

表4 2016年南京市雨洪災害風險一級指標風險等級隸屬度

根據(jù)各一級指標的權(quán)重，與表3中的各個風險等級的隸屬度進行加權(quán)后，可得到2016年南京市各月雨洪災害風險等級隸屬度：

μk(R)6月=(0.027，0.129，0.084，0.131，0.085) max(μk(R)6月)=0.131

μk(R)7月=(0.027，0.125，0.096，0.131，0.114) max(μk(R)7月)=0.131

μk(R)8月=(0.178，0.194，0.074，0.131，0.085) max(μk(R)8月)=0.194

μk(R)9月=(0.029，0.127，0.210，0.131，0.085) max(μk(R)9月)=0.210

根據(jù)隸屬度最大的原則對風險等級進行判定，可判斷2016年6月南京市雨洪災害風險屬于V4等級，2016年7月南京市雨洪災害風險屬于V4等級，2016年8月南京市雨洪災害風險屬V2等級，2016年9月南京市雨洪災害風險屬于V3等級。

同理可以計算2011—2016年南京市6—9月雨洪災害風險等級，如表5和圖1所示。

表5 2011—2016年南京市各月雨洪災害風險等級

圖1 2011—2016年南京市各月雨洪災害風險等級及變化趨勢

2.2 評估結(jié)果分析

a. 從城市雨洪災害一級指標風險等級來看，可以得出南京市孕災環(huán)境指標處于V4等級，承災體指標處于V2等級，而致災因子指標則由于每月的降雨量與降雨持續(xù)時間的不同導致所處的風險等級也不同，因此綜合得出的南京市各月的城市雨洪風險等級也不相同。

b. 從城市雨洪災害各月的風險等級來看，2011—2016年南京市7月的風險等級相較其他月的風險等級高，一直處于V4等級，而9月的風險等級較低。主要是由于7月的降雨量和降雨持續(xù)時間要高于其他月份，而到9月之后南京市的降雨逐漸減少，就不易再發(fā)生城市雨洪災害。

c. 從城市雨洪災害平均風險等級的發(fā)展趨勢來看，2012—2016年南京市城市雨洪的風險等級在逐漸升高，主要是由于致災因子中暴雨持續(xù)時間與短時間降雨量逐年增加，同時承災體因子中南京市人口密度和GDP也在快速增長。說明由于氣候變化的影響，導致南京市夏季遭受強降雨的可能性越來越大，同時由于南京城市化進程的速度不斷加快，經(jīng)濟增長和人口激增導致城市的建設(shè)用地及不透水面積逐漸增加，而配套的排水設(shè)施與綠化建設(shè)卻沒有與之發(fā)展匹配，所以南京市遭受城市雨洪風險災害的可能性也越來越大。

3 南京市雨洪災害風險管理應(yīng)對策略

根據(jù)南京市2011—2016年城市雨洪風險評估結(jié)果，結(jié)合南京市的現(xiàn)有狀況分析，可以從改善排水管網(wǎng)密度，加強雨水蓄存設(shè)施建設(shè)，降低城市不透水面積，加大市政防洪投入和提升城市雨洪應(yīng)急處理能力等方面，提出建議進一步降低南京市城市雨洪災害風險。

a. 加強南京市排水管網(wǎng)建設(shè)，新建排水設(shè)施，做到排水管線分布均衡合理。通過對南京市雨洪致災因子與孕災環(huán)境風險評估分析可得，由于南京市目前城市排水管網(wǎng)密度過低，導致短時間大量降雨或持續(xù)性降雨會導致雨水不能得到及時排放，容易形成內(nèi)澇，加劇南京市雨洪災害風險。同時加上南京市部分區(qū)域排水設(shè)施老化，排水管道長期缺乏清理致使其堵塞嚴重，排污不暢直接導致風險等級居高不下。所以可以通過新建排水設(shè)施，清理城市排水管道，同時在城市排水管網(wǎng)建設(shè)中實施雨污分流，這樣可以達到降低南京市雨洪風險等級的目的。

b. 在南京市城建工程中加強雨水蓄存設(shè)施建設(shè)。通過對南京市雨洪致災因子風險評估結(jié)果分析可得，24 h內(nèi)大規(guī)模降雨會導致南京市雨洪風險大大提升，特別是在市內(nèi)、外排水薄弱地段或繁華地區(qū)，因此需要雨水蓄存設(shè)施以臨時蓄存暴雨積水，防止內(nèi)澇。同時由于目前南京現(xiàn)有蓄水防洪工程基礎(chǔ)薄弱，迫切需要完善建設(shè)，所以可以在南京市各易澇區(qū)域建設(shè)以雨水蓄存設(shè)施與合理排水設(shè)施相結(jié)合的城市防洪體系，有效防止城市地面暴雨積水，以降低南京市雨洪風險等級。

c. 加強南京市綠化建設(shè)，建設(shè)城市透水性路面街道。由南京市雨洪孕災環(huán)境風險評估分析可得，由于南京市地表不透水的硬化表面占比面積很大，造成極端暴雨下雨水匯流的時間大大縮短，很容易造成城市地面積水，增大了南京市雨洪災害風險。因此，可以通過推進城市綠地建設(shè)和透水性路面街道，綠色植被可以吸收和消納城市雨水，透水性路面街道可以加大暴雨的滲透量，減少徑流，并為蓄滯周邊區(qū)域雨水提供空間[20]。

d. 加大市政防洪投入。在南京市雨洪承災體因子風險評估分析中可以看出，市政防洪投入越多，城市遭遇雨洪風險可能性越低，雨洪災害造成的損失也會越低。因此建議南京市可以采用加大市政防洪投入來降低承災體的風險等級，提高城市建設(shè)維護資金、土地出讓收益、城市防洪經(jīng)費等經(jīng)費中用于城市防洪排澇設(shè)施改造、建設(shè)和維護資金的比例[21]，這樣就能夠有效降低南京市雨洪風險等級。

e. 提升城市雨洪應(yīng)急處理能力。城市雨洪應(yīng)急處理能力作為承災體因子中的重要部分，從評估結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，通過提升雨洪應(yīng)急處理能力能有效降低城市雨洪風險等級。南京市現(xiàn)有防洪排澇設(shè)施功能單一，且存在不同程度的安全風險，同時堤防、閘泵存在滲漏、失穩(wěn)等安全隱患。因此建議進一步細化完善防汛排澇、工程搶險應(yīng)急預案，按照預案需求足量配置應(yīng)急物資、設(shè)備，避免因雨洪災害造成重大損失；用于城市排水管網(wǎng)疏通、抽水設(shè)備保養(yǎng)、應(yīng)急設(shè)備等的費用應(yīng)當實行嚴格的監(jiān)督審計，檢查確保各種排水防澇設(shè)施處于良好狀態(tài)，排除安全隱患。

4 結(jié) 論

a. 針對南京市2011—2016年城市雨洪災害風險，建立云物元模型進行分析評估。研究發(fā)現(xiàn)：南京市夏季城市雨洪風險都處在較高的等級，同時，南京市城市雨洪風險平均等級有升高的趨勢，說明南京市遭受高風險等級的雨洪災害的可能性也在逐年增加。該評估結(jié)果可為南京市加強雨洪災害防范與管理提供參考。

b. 針對城市雨洪災害具有模糊性與不確定性，且雨洪災害風險評估存在一定的矛盾沖突性，因此將云模型與物元分析方法相結(jié)合。通過對南京市的城市雨洪災害風險評估，表明云物元模型可以準確有效地計算得出城市雨洪災害風險等級，與南京市實際情況吻合。

c. 針對所得的南京市城市雨洪災害評估結(jié)果，從改善排水管網(wǎng)密度、加強雨水蓄存設(shè)施建設(shè)、降低城市不透水面積、加大市政防洪投入和提升城市雨洪應(yīng)急處理能力等方面提出改進應(yīng)對策略，以達到降低城市雨洪災害風險的目的。