基于層次分析法的咸陽市多災(zāi)種自然災(zāi)害綜合風(fēng)險評價

馮衛(wèi)，唐亞明，馬紅娜，宿曉虹，陳新建

(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710064；2.自然資源部黃土地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，陜西 西安 710054；3.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054)

當(dāng)今社會經(jīng)濟發(fā)展和人口數(shù)量急劇增長，城市內(nèi)的各類資源環(huán)境矛盾日益突出，自然災(zāi)害對城市造成的影響也越來越大，并逐漸成為當(dāng)今人類社會面臨的最主要問題之一(閃淳昌，2005)。許多學(xué)者針對各單項災(zāi)種開展了一系列深入的風(fēng)險評價和風(fēng)險管理研究(Fell R，2008；吳樹仁，2012；唐亞明，2015)。隨著當(dāng)今世界地質(zhì)災(zāi)害、洪水災(zāi)害和地震災(zāi)害等多種自然災(zāi)害頻發(fā)，災(zāi)害群聚和群發(fā)現(xiàn)象導(dǎo)致災(zāi)情加重，人們越來越關(guān)注如何降低多災(zāi)種自然災(zāi)害的風(fēng)險。

近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者針對多災(zāi)種形成的災(zāi)害風(fēng)險開展了一定程度的研究。美國聯(lián)邦應(yīng)急管理局(FEMA)與國家建筑科學(xué)研究院(NIBS)聯(lián)合開發(fā)了基于GIS平臺的多災(zāi)種風(fēng)險評估軟件包HAZUS-MH，對美國各個行政區(qū)開展了洪水災(zāi)害、地震災(zāi)害和颶風(fēng)災(zāi)害的綜合風(fēng)險評估(FEMA，2004)。歐洲委員會聯(lián)合研究中心提出了JRC綜合風(fēng)險評估法，并對歐洲多個國家開展了天氣災(zāi)害的綜合風(fēng)險評估(Lavalle C et al.，2005)。史培軍對災(zāi)害系統(tǒng)的性質(zhì)、動力學(xué)機制、綜合減災(zāi)范式以及災(zāi)害科學(xué)體系等進行了一系列探討，構(gòu)建了由災(zāi)害科學(xué)、應(yīng)急技術(shù)和風(fēng)險管理共同組成的“災(zāi)害風(fēng)險科學(xué)”學(xué)科體系(史培軍，1996，2009)。葛全勝等在系統(tǒng)論述國內(nèi)外自然災(zāi)害風(fēng)險研究理論方法的基礎(chǔ)上進行了地級市、縣、村三級尺度的自然災(zāi)害綜合風(fēng)險評估研究(葛全勝，2008)。蓋程程等為了解決多災(zāi)種耦合的風(fēng)險評估問題，提出了針對自然災(zāi)害和事故災(zāi)難耦合的風(fēng)險評估方法(蓋程程，2011)。明曉東等在厘定多災(zāi)種以及多災(zāi)種風(fēng)險基本概念的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)綜述了國內(nèi)外有較大影響的多災(zāi)種風(fēng)險評估方法及其分類體系(明曉東，2013)。倪曉嬌等以長白山地區(qū)為研究區(qū)，采用極差法、層次分析法和綜合指數(shù)法進行了基于多災(zāi)種自然災(zāi)害風(fēng)險水平的長白山地區(qū)生態(tài)安全綜合評價(倪曉嬌，2014)。

目前，陜西省內(nèi)各縣市的多災(zāi)種風(fēng)險研究尚處于空白狀態(tài)。筆者以陜西省咸陽市為例，將咸陽市地質(zhì)災(zāi)害、洪水災(zāi)害和地震災(zāi)害結(jié)合起來，開展多災(zāi)種自然災(zāi)害風(fēng)險綜合評價，以期為咸陽市應(yīng)急管理和國土空間規(guī)劃提供一定的理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

咸陽市位于陜西省中部，東與銅川市、渭南市為鄰，西與寶雞市接壤，北同甘肅省慶陽市、平?jīng)鍪信B，南接西安市，轄9縣、2區(qū)、2市，面積為10 196.35 km2。咸陽市屬大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為518.27 mm，最大年降水量為812.33 mm，最小年降水量為369.42 mm，渭河從咸陽市南界自西向東流過，涇河自西北向東南流經(jīng)全境。全市以橫亙于中部的嵯峨山、九峻山和五峰山為界分為地貌景觀迥異的南北2個區(qū)。北部總體為黃土高原南緣，除轉(zhuǎn)角、石門一帶為子午嶺南端石質(zhì)低山區(qū)外，主要為黃土殘塬梁峁溝壑區(qū)；南部為渭河平原。區(qū)內(nèi)地層巖性由老到新依次為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系。在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上屬于中朝準(zhǔn)地臺西南部的二級地質(zhì)構(gòu)造單元渭河斷陷帶內(nèi)，區(qū)域地震構(gòu)造上屬于華北地震區(qū)。

現(xiàn)階段對咸陽市影響較為重大的災(zāi)害類型包括地質(zhì)災(zāi)害、洪水災(zāi)害和地震災(zāi)害3種類型。地質(zhì)災(zāi)害以崩塌、滑坡、泥石流為主；洪水災(zāi)害以山前山洪和平原區(qū)內(nèi)澇為主；地震災(zāi)害以地裂縫、地表斷層、砂土液化、黃土震陷為主(圖1)。筆者從這3類災(zāi)害入手，開展相應(yīng)的自然災(zāi)害綜合風(fēng)險評價。

2 總體思路和研究方法

2.1 總體思路

首先，以柵格單元作為評價單元，兼顧咸陽市已有的各類自然災(zāi)害發(fā)育情況，針對每類災(zāi)種分別采用層次分析法(analytic hierarchy process，簡稱AHP)進行計算，求出各類災(zāi)種的危險性分析結(jié)果。其次，在上述各類危險性分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，再次采用層次分析法進行計算，得出多災(zāi)種危險性綜合評價結(jié)果。最后，在多災(zāi)種危險性綜合分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對危害后果(人員、財產(chǎn)及易損性)進行量化，將危險性量化結(jié)果與危害后果量化結(jié)果進行柵格乘積運算，進而得出多災(zāi)種自然災(zāi)害綜合風(fēng)險評價結(jié)果。

圖1 咸陽市地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)害分布簡圖Fig.1 Sketch map of geological environment and disasters distribution in Xianyang city

2.2 層次分析法基本原理

層次分析法是比較常用的對各因子、指標(biāo)進行賦權(quán)的方法之一(鄧雪等，2012)。該方法把復(fù)雜問題按照主次或支配關(guān)系分組而形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，利用數(shù)學(xué)方法確定每一層中所有元素的相對重要性權(quán)值，最后通過排序結(jié)果來確定最終權(quán)重，是一種解決多目標(biāo)復(fù)雜問題的定性與定量相結(jié)合的決策分析方法。它包括：①建立遞階層級結(jié)構(gòu)。②構(gòu)造兩兩判斷矩陣。③由判斷矩陣計算被比較元素對于該準(zhǔn)則的相對權(quán)重，并進行一致性檢驗(表1)。

表1 兩兩比較矩陣Bij的取值及含義表Tab.1 The value and meaning of the pairwise comparison matrix Bij

以A表示準(zhǔn)則，Bi、Bj(i,j=1,2,…,n)表示因素，Bij表示Bi對Bj的相對重要性，則由Bij可組成一個兩兩判斷矩陣P=(Bij)n×n(Bij的取值及含義如表1)。對矩陣的每一行向量求幾何均值并歸一化，所得特征向量Wi即為各指標(biāo)權(quán)重。對判斷矩陣還需進行一致性檢驗，一致性指標(biāo)的計算公式為：

(1)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值，計算公式為：

(2)

式中：(PW)i為向量PW的第i個元素；Wi為正規(guī)化處理的W的對應(yīng)元素。

最后檢驗時使用一致性比例進行判定，其公式為：

(3)

式中：RI為1～9階矩陣的平均隨機一致性指標(biāo)。若CR<0.1，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的；若CR>0.1，則應(yīng)對矩陣做適當(dāng)修正。

3 多災(zāi)種自然災(zāi)害危險性分析

3.1 建立評價指標(biāo)模型

選取斜坡坡度、坡向、坡高、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度和距公路距離6項主要因素作為地質(zhì)災(zāi)害的危險性評價指標(biāo)；選取斜坡坡度、坡向、高程、工程地質(zhì)巖組、距水系距離和年平均降水量作為洪水災(zāi)害的危險性評價指標(biāo)；選取斜坡坡度、工程地質(zhì)巖組、黃土震陷程度、砂土覆蓋區(qū)域、地震動峰值加速度和距斷裂帶距離作為地震災(zāi)害的危險性評價指標(biāo)。分別構(gòu)造各災(zāi)種的判斷矩陣，計算出最大特征值和對應(yīng)的特征向量，并進行判斷矩陣一致性檢驗。結(jié)果顯示均滿足一致性檢驗，可作為計算用的權(quán)向量，各災(zāi)種的危險程度量化評分表見表2、表3、表4。

3.2 各單災(zāi)種危險性分析

按照各類災(zāi)害危險性劃分的依據(jù)及要求，以“區(qū)內(nèi)相似、區(qū)間相異”為原則，并結(jié)合每個評價單元危險性計算結(jié)果，將相應(yīng)的研究區(qū)劃分為高危險區(qū)、中危險區(qū)、低危險區(qū)和極低危險區(qū)4類(圖2、圖3、圖4)。

表2 咸陽市地質(zhì)災(zāi)害危險程度量化評分表Tab.2 Quantitative score table for geological disaster in Xianyang city

表3 咸陽市洪水災(zāi)害危險程度量化評分表Tab.3 Quantitative score table for flood disaster in Xianyang city

表4 咸陽市地震災(zāi)害危險程度量化評分表Tab.4 Quantitative score table for earthquake disaster in Xianyang city

圖2 咸陽市地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)評價圖Fig.2 Evaluation map of geological disaster analysis in Xianyang city

圖3 咸陽市洪水災(zāi)害危險性分區(qū)評價圖Fig.3 Evaluation map of flood disaster analysis in Xianyang city

從整體上看，地質(zhì)災(zāi)害高危險區(qū)主要分布于北部的中低山丘陵區(qū)，尤其是在彬州市、長武縣、旬邑縣和淳化縣為較集中，其他區(qū)域相對較低；洪水災(zāi)害高危險區(qū)主要分布于渭河河流兩側(cè)武功縣至咸陽市城區(qū)段沿線以及涇河河流兩側(cè)區(qū)域，其他區(qū)域相對較低；地震災(zāi)害高危險區(qū)主要分布于渭河斷裂帶沿線(橫穿武功縣、興平市、秦都區(qū)及渭城區(qū))、扶風(fēng)-禮泉-富平斷裂帶局部段(禮泉縣縣城至三原縣城區(qū)沿線)、岐山-乾縣-蒲城斷裂帶局部段(乾縣縣城至淳化縣南段)以及口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂帶局部段(永壽縣東側(cè)至三原縣北側(cè)段)，其他區(qū)域相對較低。

3.3 多災(zāi)種危險性綜合分析

在上述地質(zhì)災(zāi)害危險性分析結(jié)果、洪水災(zāi)害危險性分析結(jié)果和地震災(zāi)害危險性分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用層次分析法進行計算，進而得出多災(zāi)種危險性綜合評價結(jié)果(圖5)。根據(jù)層次分析法計算結(jié)果，咸陽市重大災(zāi)害危險性分區(qū)的3個指標(biāo)權(quán)重(地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)、洪水災(zāi)害危險性分區(qū)和地震災(zāi)害危險性分區(qū))依次為0.539、0.297、0.164。從3個指標(biāo)權(quán)重中可以看出，地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)是影響咸陽市重大災(zāi)害危險性分區(qū)的最重要因素，其次為洪水災(zāi)害危險性分區(qū)，最后是地震災(zāi)害危險性分區(qū)。

圖4 咸陽市地震災(zāi)害危險性分區(qū)評價圖Fig.4 Evaluation map of earthquake disaster analysis in Xianyang city

圖5 咸陽市多災(zāi)種自然災(zāi)害危險性分區(qū)評價圖Fig.5 Evaluation map of multi natural disaster risk assessment in Xianyang city

4 多災(zāi)種自然災(zāi)害綜合風(fēng)險評價

風(fēng)險評價是在上述多災(zāi)種危險性綜合分析的基礎(chǔ)上，對危害后果(人員、財產(chǎn)及易損性)進行量化(表5)，將危險性量化結(jié)果與危害后果量化結(jié)果(危害后果=人口數(shù)量或財產(chǎn)價值×易損率)進行柵格乘積運算，進而得出多災(zāi)種自然災(zāi)害綜合風(fēng)險評價結(jié)果(圖6)。

圖6 咸陽市多災(zāi)種自然災(zāi)害風(fēng)險分區(qū)評價圖Fig.6 Evaluation map of multi-hazard natural disaster analysis in Xianyang city

表5 承災(zāi)體類型、價值及易損性估算值表Tab.5 Estimate values of hazard bearing body type,value and vulnerability

綜合分析認(rèn)為，咸陽市自然災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)所占面積很小，零星分布于秦都區(qū)城區(qū)東南側(cè)、武功縣西北側(cè)、乾縣縣城區(qū)、三原縣城區(qū)東側(cè)、淳化縣城區(qū)、彬州市城區(qū)以及旬邑縣城區(qū)，總面積約65.57 km2，占全區(qū)面積的0.64%；自然災(zāi)害中風(fēng)險區(qū)分布面積較廣，主要分布于武功縣城區(qū)至渭城區(qū)城區(qū)沿線地帶、永壽縣城區(qū)東側(cè)、三原縣城區(qū)外圍、淳化縣城區(qū)外圍、彬州市中部區(qū)域、旬邑縣城區(qū)外圍以及長武縣南側(cè)，總面積約1 974.42 km2，占全區(qū)面積的19.40%；自然災(zāi)害低風(fēng)險區(qū)分布面積最廣，遍布于各個區(qū)(縣)，總面積約6 576.48 km2，占全區(qū)面積的64.63%；自然災(zāi)害極低風(fēng)險區(qū)分布面積較大，主要分布在彬州市、旬邑縣、禮泉縣、乾縣、武功縣城區(qū)至秦都區(qū)城區(qū)沿線北側(cè)區(qū)域以及渭河河谷區(qū)局部地段，總面積約1 558.42 km2，占全區(qū)面積的15.32%。

5 結(jié)論

(1)咸陽市主要的災(zāi)害類型包括地質(zhì)災(zāi)害、洪水災(zāi)害和地震災(zāi)害3種。地質(zhì)災(zāi)害是影響咸陽市綜合風(fēng)險分區(qū)的最重要因素，其次為洪水災(zāi)害，最后是地震災(zāi)害。

(2)咸陽市多災(zāi)種自然災(zāi)害風(fēng)險分區(qū)呈現(xiàn)出明顯的空間差異性，整體上渭河河谷沿線地段和西北側(cè)的中低山丘陵區(qū)風(fēng)險程度以中風(fēng)險和高風(fēng)險為主，主要集中在秦都區(qū)城區(qū)東南側(cè)、武功縣西北側(cè)、乾縣縣城區(qū)、三原縣城區(qū)東側(cè)、淳化縣城區(qū)、彬州市城區(qū)以及旬邑縣城區(qū)，其他區(qū)域災(zāi)害風(fēng)險程度以低風(fēng)險和極低風(fēng)險為主。

(3)首次對陜西省咸陽市開展了多災(zāi)種自然災(zāi)害綜合風(fēng)險評價，評價結(jié)果可以為咸陽市應(yīng)急管理和國土空間規(guī)劃帶來一定的借鑒意義和指導(dǎo)作用。