北京市通州區(qū)洪澇災害風險評估及區(qū)劃研究

劉青云，王慧彥

(防災科技學院，河北 三河 065201)

北京市通州區(qū)是北京市副中心所在地。隨著通州區(qū)的快速發(fā)展，城市社會結構將更加復雜、人口規(guī)模迅速擴大、城市運行負荷急增，一旦發(fā)生重大自然災害，生命財產(chǎn)安全必將遭受重創(chuàng)。又因通州區(qū)與河北省廊坊市、天津市武清區(qū)接壤，區(qū)域災害的相互作用性明顯，區(qū)域風險協(xié)同管控的任務十分繁重。因此，立足通州區(qū)新的功能定位，洪澇災害風險評估為保障北京城市副中心(通州區(qū))經(jīng)濟社會發(fā)展具有深遠意義。

1 研究思路

近些年，洪水災害系統(tǒng)理論為區(qū)域風險評估工作做出了杰出貢獻，同時也產(chǎn)生了很多成果性文件[1]。例如，表1所示的內(nèi)容是近年來在3種方案下的應用案例[2]。在進行洪澇災害風險評估時，由于不同的研究人員在技術處理局限性、數(shù)據(jù)時效性、認知度不同等原因，造成其形成的系統(tǒng)組成要素不同，洪澇災害風險表達式也就會有所不同，系統(tǒng)組成要素可以大致分為3種類型，即危險性-脆弱性(H-V)、危險性-脆弱性-暴露性(H-V-E)和危險性-脆弱性-暴露性-防災減災能力(H-V-E-R)。由此可知，即便在風險等同的前提下，不同方向的研究人員對風險評估工作的側重點也可能有所不同。其評估工作的側重點不僅要考慮洪澇災害本身的形成機制，還要結合當?shù)貫暮μ卣?、?jīng)濟發(fā)展等因素進行分析，以使風險評估的結果符合當?shù)氐膶嶋H情況。

表1 洪澇災害系統(tǒng)角度下風險評估應用案例統(tǒng)計表

降雨多而集中，是北京市通州區(qū)的洪澇災害形成的主要原因。本文根據(jù)通州區(qū)的實際情況，從洪澇災害的形成機制角度出發(fā)，結合通州區(qū)的政治站位，參照張繼權、張會等的研究成果[3]，將致災因子危險性、承災體脆弱性、孕災環(huán)境敏感性和防災減災能力作為洪澇災害風險評估指標體系的主要組成要素。

洪澇災害風險評估以災害風險理論為基礎，通過對孕災環(huán)境的敏感性、致災因子的危險性、承災體的脆弱性，結合通州區(qū)的防災減災能力等多因素分析，最終選擇了12個影響指標在北京市通州區(qū)建立洪水災害評估指標體系；各指標的權重通過層次分析法得到，并結合GIS技術對洪災風險進行分類，繪制北京通州區(qū)洪災風險分區(qū)圖，并提出相應的洪災風險防控建議[4]。

1.1 災害風險評估模型

從自然災害學的角度出發(fā)，可以得出洪澇災害的條件分為：發(fā)生機制(致災因子)、形成環(huán)境(孕災環(huán)境)、形成區(qū)敏感性(承災體)以及面對潛在或現(xiàn)實的洪澇災害的防御對策措施(防災減災能力)。通過以上分析得出：洪澇災害風險的主要影響因素是致災因子的危險性、承災體的脆弱性、孕災環(huán)境的敏感性和防災減災能力4部分。結合量化各指標值及層次分析法確定的權重，構成通州區(qū)的洪澇災害風險評估函數(shù)[5]，可表示為：

洪澇災害風險=f
(危險性、脆弱性、敏感性、防災減災能力)

(1)

式中，f(x)—4類要素交叉作用而導致災害后果的函數(shù)。

1.2 構建指標體系

洪澇災害的風險評估過程中，涉及的指標眾多，各指標對洪澇災害風險的影響程度不同。在選擇洪澇災害風險評估指標時，必須考慮每個指標數(shù)據(jù)的可用性、代表性和客觀性，以及所選指標在該地區(qū)的洪澇災害風險評估中是否具有代表性。針對北京市通州區(qū)洪澇災害發(fā)生的基本情況，在4個準則層的基礎上，又選取12個指標，共同建立北京市通州區(qū)的洪澇災害風險評估指標體系[6]。如圖1所示。

圖1 洪澇災害風險評估指標體系圖

洪澇災害的致災因子主要體現(xiàn)在降水量和頻率上，本文選取洪澇頻率、極端日最大降雨量這2個指標作為洪澇災害致災因子風險評估因素；承災體脆弱性主要取決于人口、經(jīng)濟等，為了充分體現(xiàn)社會發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展，本文選取人口密度、地均GDP以及路網(wǎng)密度來評估脆弱性；孕災環(huán)境的敏感性主要取決于外部環(huán)境，本研究從地形起伏度、河湖網(wǎng)絡指數(shù)以及土地利用類型來確定孕災環(huán)境敏感性指數(shù)；防災減災能力主要取決于災前準備以及災后響應能力，本研究采用人均GDP、防汛應急預案、防汛物資儲備和排水泄洪能力對研究區(qū)域的防災減災能力進行評估。

1.3 指標權重

層次分析法，常用于對各指標和因素進行賦值，進而對模糊和復雜的問題進行決策，是一種常見的分析方法[7]。其主要步驟為：構造判斷矩陣、計算指標權重、一致性檢驗。結合以上建立的指標體系，對每個指標因子進行成對評分，比較構造5個判斷矩陣的重要性，以并計算每個判斷矩陣的最大特征值和對應的特征向量，以確保所有判斷的權重均通過一致性檢驗(CR<0.1)。詳見表2—7。

表2 洪澇災害風險A判斷矩陣及其各指標權重

表3 致災因子危險性B1判斷矩陣及其各指標權重

表4 承災體脆弱性B2判斷矩陣及其各指標權重

表5 孕災環(huán)境敏感性B3判斷矩陣及其各指標權重

表6 防災減災能力B4判斷矩陣及其各指標權重

表7 洪澇災害風險評估指標體系及權重

在以上的分析中可以得出：洪澇頻率對北京市通州區(qū)洪澇災害致災因子危險性影響最大；人口密度對于承災體的脆弱性具有代表性；孕災環(huán)境對河流網(wǎng)絡指數(shù)更為敏感；排水泄洪能力對防災減災能力貢獻最大。

2 評價指標標準化

2.1 致災因子危險性指數(shù)

在普遍情況下，致災因子的強度越大，概率就會越高，危險性也會越大，出現(xiàn)嚴重災情的可能性也會越大。致災因子強度則體現(xiàn)在降水強度上，洪澇風險預警及區(qū)劃均可由暴雨強度推算危險性指數(shù)。在評估致災因子的危險性時，需要將降水強度統(tǒng)一到一個可比量綱上。這里采用等效日降水量作為這個可比量綱，它在概念上表示為一定時段內(nèi)的降水強度等效于日降水量的值。本文以通州區(qū)日降水量大于等于50mm暴雨的年平均發(fā)生數(shù)和降水量，作為致災因子危險性的風險評價指標[8]。

(1)洪澇頻率

年均暴雨時間越長，降雨時間分布越密集，降水量就會越大，造成洪澇災害的可能性就越大。如2015年9月4—5日，在北京26個雨量站的累計中，均超過大暴雨量級，但并無明顯災情發(fā)生，這是由于這場降雨持續(xù)了近30h，平均降雨強度小于25mm/h，因此選擇短歷時(1～6h)洪澇頻率來反映降雨強度。降水因子影響度劃分標準表見表8。

表8 降水因子影響度劃分標準表

根據(jù)各等級洪水發(fā)生的頻率，結合GB/T 33680—2017《暴雨災害等級》中確定暴雨造成洪水水位的標準[9]，根據(jù)0<影響度<1的原則，以及暴雨的頻率越高，降水量越多，對洪水形成的可能性也就越大，確定降水因子對致災因子危險性的影響程度。

(2)極端日最大降雨量

暴雨過程降雨量是暴雨致災危險性評估中比較常見的指標，實際上暴雨致災更重要的一個指標是降雨強度，即極端日最大降雨量[10]。到目前為止，北京市通州區(qū)共建有氣象監(jiān)測站66個，在核心區(qū)內(nèi)站網(wǎng)密度每百km2達到13個。據(jù)統(tǒng)計，由于季風的影響，經(jīng)常下大雨。形成洪澇災害的主要原因是：集中的強降雨造成洪澇災害的頻繁發(fā)生。極端日最大降雨量的影響度劃分標準表見表9。

表9 極端日最大降雨量的影響度劃分標準表

大雨期間的降雨和短時大雨的頻率都是正向的評價指標，即值越大，災害風險越大。根據(jù)0<影響度<1的原理，日極端最大降雨水平越高，對洪水形成的影響越大，確定日極端最大降雨對致災因子危險性的影響程度。

2.2 承災體脆弱性指數(shù)

承災體主要包括人類自身和社會發(fā)展的各個方面，例如交通，教育，文化，娛樂，各種減災工程設施以及人們積累的各種財富[11]。因此，選擇人口密度、人均國內(nèi)生產(chǎn)總值和河網(wǎng)密度等指標來評估通州區(qū)洪澇災害承災體的脆弱性。

(1)人口密度

對于相同的災難，人口密度越大，受災情況越嚴重。根據(jù)0<影響度<1的原則，以及人口密度越大，影響度越大，確定人口密度對承災體脆弱性的影響程度。見表10。

表10 人口密度分類表影響度劃分標準表

(2)地均GDP

地均GDP是反映土地利用的效率，并且主要反映了研究區(qū)域的工商業(yè)強度。根據(jù)0<影響度<1的原則，區(qū)域GDP的值越大，受災的影響范圍越大，確定地均GDP值對承災體脆弱性的影響度。見表11。

表11 地均GDP值的影響度劃分標準表

(3)路網(wǎng)密度

路網(wǎng)密度是指城市單位面積內(nèi)，所有道路的總長度與城市總面積之比。道路網(wǎng)絡的密度越大，在相同災難下的損失就越大。根據(jù)0<影響度<1的原則，路網(wǎng)分布越密集，影響度越大，確定路網(wǎng)對承災體脆弱性的影響度。見表12。

表12 路網(wǎng)密度的影響度劃分標準表

2.3 孕災環(huán)境敏感性指數(shù)

孕災環(huán)境敏感性是指研究區(qū)對于洪澇災害的敏感程度。在同等破壞力度情況下，研究區(qū)的越敏感，災害的風險就越大[12]。本研究主要以地形起伏度、河流網(wǎng)絡指數(shù)和土地利用類型來評估通州區(qū)洪澇災害的孕災環(huán)境敏感性指數(shù)。

(1)地形起伏度

地形對洪水具有再分配的重要影響。海拔高度和地形起伏對洪澇災害的形成都有不同程度的影響。通過提取DEM數(shù)據(jù)并使用DEM高程標準偏差來表示地形起伏。高程越低，相對高程標準偏差越小，洪澇災害風險越高[13]。根據(jù)0<影響度<1的原則，高程越低，高程標準差越小，綜合地形因子系數(shù)越大，確定地形起伏度對孕災環(huán)境的影響程度，見表13。

表13 地形起伏度影響度劃分標準表

(2)河湖網(wǎng)絡指數(shù)

洪澇災害的形成主要取決于該地區(qū)河網(wǎng)的分布。在同等洪澇強度下，距離河湖越近，水域越大，影響就越大，孕災環(huán)境就越敏感。根據(jù)0<影響度<1的原理，水域面積越大，河網(wǎng)指數(shù)越高，確定劃分河湖網(wǎng)指標對孕災環(huán)境的影響程度，見表14—15。

表14 湖泊和水庫緩沖區(qū)等級和寬度影響度劃分標準表

表15 流緩沖區(qū)等級和寬度值影響度劃分標準表

(3)土地利用類型

根據(jù)北京市測繪局出《地覆蓋分類方法和代碼》，對土地以利用類型為標準[14]，按照0<影響度<1的原則，對未利用土地影響較小，洪水對耕地的影響度較大。制定了北京市通州區(qū)不同土地利用類型影響程度的劃分標準，見表16。

表16 土地利用類型的影響度劃分標準表

2.4 防災減災能力指數(shù)

洪澇災害的防災減災能力是指為降低洪澇災害所造成損害的能力，其中包括應急管理的能力、應急隊伍建設、應急物資儲備、減災資金投入和資源準備等[15]。北京市通州區(qū)選取各街道人均GDP、防汛應急預案、防汛物資儲備、排水泄洪能力作為衡量區(qū)域防災減災能力的指標。

(1)人均GDP

人均GDP是經(jīng)濟發(fā)達程度的客觀體現(xiàn)。在同樣嚴重的災害下，經(jīng)濟越發(fā)達，造成的經(jīng)濟損失就越大。根據(jù)0<影響度<1的原則，以及人均GDP值越大，確定出了人均GDP值對防災減災能力的影響度，見表17。

表17 人均GDP值的影響度劃分標準表

(2)防汛應急預案

防汛應急預案的編制是洪澇災害應急救援前期準備工作的核心內(nèi)容，是保障開展應急救援工作重要依據(jù)。根據(jù)0<影響度<1的原則，以及各個街道的防汛應急預案的職責內(nèi)容的完整程度，確定出了防汛應急預案對防災減災能力的影響程度，見表18。

表18 防汛應急預案影響度劃分標準表

(3)防洪物資儲備

搶險物資儲備在應急救援工作中提供了重要物資保障，物資儲備主要以沙袋、器具、設備為主。

根據(jù)0<影響度<1的原則，以及防汛物資儲備的覆蓋率越小，影響度越大，確定出了防汛物資儲備對防災減災能力的影響程度，見表19。

表19 防洪物資儲備影響度劃分標準表

(4)排水泄洪能力

評價排水泄洪能力的主要以北京市通州區(qū)各個街道內(nèi)排水網(wǎng)設置與管網(wǎng)排水標準為評判依據(jù)[16]。根據(jù)排水網(wǎng)設置越短，管網(wǎng)排水標準越低，對排水泄洪能力的影響也越大，以及0<影響度<1的原則，確定出了排水泄洪能力對防災減災能力的影響程度，見表20。

表20 排水泄洪能力影響度劃分表

2.5 洪澇災害風險指數(shù)度量方法

(1)標準化處理

由于各指標數(shù)量級不同、量綱不同、單位不同、正負性不同，為了避免失誤，需要對數(shù)據(jù)進行預處理，即采用極差變換的方法進行標準化[17]，將指標數(shù)值確定在0—1的范圍內(nèi)，不僅可以無量綱化，較小的數(shù)值也便于后續(xù)的分析。

對于正向指標，公式為：

(2)

對于負向指標，公式為：

(3)

(2)加權綜合評價法

利用加權綜合評價法綜合各具體指標的效果，用一數(shù)量化指標加以集中，計算公式為：

(4)

3 洪澇災害風險區(qū)劃結果及建議

將標準化后的各個指標，分別乘以對應的權重并求和，得到各街道洪澇災害風險的量化結果。見表21。

表21 通州洪澇災害風險評估統(tǒng)計表

由表21統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，宋莊鎮(zhèn)、新華街道、中倉街道、馬駒橋鎮(zhèn)和永樂店鎮(zhèn)暴雨洪澇風險比較高。宋莊鎮(zhèn)受環(huán)境因素影響，地勢低于通州區(qū)平均地勢，雨后容易積水；其次管網(wǎng)的排水能力在社會防災減災能力的占比較低；新華街道、中倉街道防洪物資儲備、防汛應急預案等承災體(社會防災減災能力)還不夠完善；潞源街道、北苑街道、梨園鎮(zhèn)、張家灣鎮(zhèn)暴雨洪澇災害風險比較低；其他街道(鄉(xiāng)鎮(zhèn))洪澇災害風險一般。

根據(jù)以上情況應用ArcGIS軟件繪制出圖2，能夠結合地理信息在地圖上更加直觀的反映出通州區(qū)洪澇災害風險評估結果[18]。

圖2 通州區(qū)洪澇災害風險區(qū)劃圖

根據(jù)區(qū)域洪澇災害的風險評估結果，結合具體的指標影響因子，從我國自然災害風險評估的現(xiàn)狀出發(fā)，借鑒國際先進經(jīng)驗，從以下4個方面為全面提升防災減災能力提供政策建議。

(1)提高城市排水管渠建設標準，加強城市防洪工程建設。對通州區(qū)尚未達到規(guī)劃標準的防洪河段、排澇河道和雨水管道，到2025年達到50年一遇的標準，到2035年達到100年一遇的標準，切實提高通州區(qū)防洪排澇能力，降低洪澇風險[19]。

(2)廣泛普及防災知識[20]。通過社區(qū)廣播、社區(qū)課堂、村民會議等方式由專業(yè)人員講解逃生、自救互救等措施，做好心理準備，提高防災意識，更加冷靜地應對洪澇災害；要加快各村落的城市化進程，轉變生產(chǎn)方式，提高村莊生活水平。

(3)優(yōu)化應急預案。城市澇災應急預案是應急管理的主線和起點，要建立一個“水平到邊緣，垂直到末端”的城市澇災應急計劃系統(tǒng)，既要有戰(zhàn)略計劃，又要有戰(zhàn)術計劃，還要有現(xiàn)場行動計劃[21]。

4 結語

(1)本文通過構建洪澇災害風險評估指標體系，在傳統(tǒng)的洪澇災害風險評估中增加了孕災環(huán)境敏感性和防災減災能力2項準則層評價因子，并借助ArcGIS軟件對指標信息進行了提取、疊置分析與柵格計算，為北京市通州區(qū)洪澇災害風險評估提供了新思路。

(2)由于洪澇災害的形成和發(fā)生是一個復雜的突發(fā)過程，每個致使發(fā)生洪澇災害的影響因子都會從不同角度、以不同程度影響災害發(fā)生，因此要全面系統(tǒng)、準確無誤地評估風險還存在一定的難度，若想使得評估結果變得更加具有針對性和參考意義，需要進一步優(yōu)化、健全和完善評價模型和指標體系。