基于層次分析法和模糊綜合評價法的洪澇災(zāi)害危險性評價

劉力丹，朱權(quán)潔，鄭貴強(qiáng)，王大倉，李沛霖，梁思洋

(1.華北科技學(xué)院 應(yīng)急技術(shù)與管理學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

在近年來洪水災(zāi)害頻發(fā)的現(xiàn)狀下，洪水風(fēng)險管理工程尤為重要。危險性評價作為洪水風(fēng)險管理中極為重要的一環(huán)，其本質(zhì)是通過建立合理的綜合評價模型，同時兼顧多目標(biāo)評價系統(tǒng)中不同指標(biāo)的重要性程度，將多個洪水危險性指標(biāo)綜合成單一指標(biāo)形式，在一維實數(shù)空間內(nèi)實現(xiàn)對洪水危險性的分類與排序[1]。諸多文章利用GIS和遙感技術(shù)做出了大量的研究[2]。同時，評價也從定性評價轉(zhuǎn)變?yōu)榘攵?、定量評價，有包括主成分分析法[3,4]、回歸分析法[5]的統(tǒng)計分析方法，有包括層次分析法[6]、信息熵法[7]等的決策分析法，有包括模糊數(shù)學(xué)方法[8]的綜合評價法。

基于上述研究成果，以“7.20”鄭州特大暴雨為例，應(yīng)用GIS空間分析、水文分析等功能，選用AHP層次分析法、模糊綜合評價法，對洪澇災(zāi)害進(jìn)行危險性綜合評價，預(yù)測分析洪澇災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)域。

1 洪澇災(zāi)害危險性評價模型構(gòu)建

1.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

通過使用層次分析法，將影響評價對象的各指標(biāo)組合排序，構(gòu)成一個層次化清晰的系統(tǒng)，將人的主觀分析，轉(zhuǎn)化為可量化的數(shù)據(jù)，科學(xué)計算各指標(biāo)的權(quán)重值[9]。從洪水災(zāi)害系統(tǒng)論出發(fā)，依據(jù)致災(zāi)因子與孕災(zāi)環(huán)境，構(gòu)建洪澇災(zāi)害危險性評價層次結(jié)構(gòu)模型(圖1)。按照區(qū)域洪水災(zāi)害系統(tǒng)理論，洪水災(zāi)害形成的必備條件有：①致災(zāi)因子，包括強(qiáng)降雨、年平均降雨、潰壩等；②孕災(zāi)環(huán)境，包括大氣、水文、地形條件等；③承載體，包括人類生命財產(chǎn)、社會基礎(chǔ)設(shè)施等；④災(zāi)情，包括人員傷亡、直接和間接經(jīng)濟(jì)損失[10]。通過參考以往學(xué)者對洪澇災(zāi)害危險性評價方面的研究與近年來實際受災(zāi)情況分析[11-14]，指標(biāo)層選擇地形地貌因子(高程、高程相對標(biāo)準(zhǔn)差)、河網(wǎng)分布(河流流量、河網(wǎng)緩沖區(qū))、降雨量(年平均降雨量、“7.20”鄭州特大暴雨24小時降雨量)。

圖1 洪澇災(zāi)害危險性評價層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)層次分析法基本原理，將專家評分問卷結(jié)果加權(quán)平均，得到表1。

表1 專家問卷評分結(jié)果

根據(jù)標(biāo)度理論，構(gòu)建兩兩比較判斷矩陣A：

A=(aij)n×n(i,j=1,2,…,n)

(1)

式中，aij=1,aij=1/aij

將判斷矩陣A的各列作歸一化處理：

(2)

求判斷矩陣A各行元素之和wi：

(3)

(4)

根據(jù)Aω=λmaxω求出最大特征根和其特征向量。

計算一致性指標(biāo)：

(5)

找出相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.;

計算一致性比例：

(6)

若C.R.<0.1時，可接受一致性檢驗，否則對A修正[15]，計算結(jié)果見表2～表4。

從表2～表4可知，針對高程相對標(biāo)準(zhǔn)差，絕對高程，河網(wǎng)分布，年平均降雨量，24小時降雨量總共5項構(gòu)建5階判斷矩陣進(jìn)行AHP層次法研究，計算方法為和積法，分析得到特征向量為(0.500，0.500，1.000，1.000，2.000)。

表2 AHP層次分析結(jié)果

表3 隨機(jī)一致性RI表格

表4 一致性檢驗結(jié)果匯總

總共5項對應(yīng)的權(quán)重值分別是：10.000%，10.000%，20.000%，20.000%，40.000%。除此之外，結(jié)合特征向量可計算出最大特征根(5.000)，接著利用最大特征根值計算得到CI值(0.000)，CI值用于一致性檢驗使用。

1.2 模糊綜合評價結(jié)果

模糊綜合評價法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，即用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體的評價。它具有結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強(qiáng)的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。

根據(jù)AHP層次分析法計算結(jié)果可知各指標(biāo)項的權(quán)重A={0.1，0.1，0.2，0.2，0.4}，通過對洪澇災(zāi)害危險性的調(diào)查分析，可將綜合評價指標(biāo)分為5個等級：V={低風(fēng)險，中低風(fēng)險，中風(fēng)險，中高風(fēng)險，高風(fēng)險}，建立評價子目標(biāo)集U={高程相對標(biāo)準(zhǔn)差，絕對高程，河網(wǎng)分布，年平均降雨量，24小時降雨量}。同時，通過專家評價表的統(tǒng)計分析計算得到評價矩陣Ri，結(jié)果見表5。

表5 專家評價結(jié)果表

采用M(·,⊕)算子，求得各子目標(biāo)的綜合評價向量Bi：

Bi=ωi°Ri(i=1,2,…,s)

(7)

形成子目標(biāo)評價矩陣B：

B=(B1,B2,B3…,BS)T

(8)

求總目標(biāo)向量C：

C=A°B

(9)

通過取最大隸屬度，得到洪澇災(zāi)害危險性評價等級[15]，結(jié)果見表6。

從表6可知，5個評語集中中風(fēng)險的權(quán)重值最高(0.350)，結(jié)合最大隸屬度法則可知，最終綜合評價結(jié)果為“中風(fēng)險”。由AHP層次分析法與模糊綜合評價法綜合計算可知，河南省洪澇災(zāi)害危險性等級為“中風(fēng)險”。

表6 權(quán)重計算結(jié)果

2 洪澇災(zāi)害危險性可視化分析

可視化能對數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的觀察和分析，利用GIS對數(shù)據(jù)體進(jìn)行可視化分析是近年來常用的方法之一。筆者將應(yīng)用GIS空間分析、水文分析、加權(quán)總和等功能，對前文應(yīng)用AHP與模糊綜合評價法得到的結(jié)果，構(gòu)建洪澇災(zāi)害危險性綜合評價模型，進(jìn)行可視化分析，得到河南省風(fēng)險區(qū)域等級劃分圖，預(yù)測河南省洪澇災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)域。

2.1 研究背景及數(shù)據(jù)來源

2021年7月17日至23日，河南省遭遇歷史罕見特大暴雨，發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，特別是7月20日鄭州市遭受重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。災(zāi)害共造成河南省150個縣(市、區(qū))1478.6萬人受災(zāi)，因災(zāi)死亡失蹤398人，其中鄭州市380人、占全省95.5%；直接經(jīng)濟(jì)損失1200.6億元，其中鄭州市409億元、占全省34.1%。河南省位于華北平原南部的黃河中下游地區(qū)，年均降水量407.7～1295.8 mm，降雨以6～8月份最多，流域面積100 km2以上的河流有560條。全省多年平均水資源總量403.5×108m3。

本文中所使用的河南省30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)、河南省暴雨災(zāi)害區(qū)24小時降水量數(shù)據(jù)集(2021.7.19～7.23)、河南省2017-2020年平均降雨量數(shù)據(jù)、河南省1∶250000水系分布圖等數(shù)據(jù)均來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

2.2 洪澇災(zāi)害風(fēng)險可視化分析

使用ARCGIS 10.6軟件分別對降雨量可視化分析，地形因素可視化分析，河網(wǎng)分布可視化分析，然后應(yīng)用GIS加權(quán)總和完成洪澇災(zāi)害風(fēng)險可視化分析。構(gòu)建洪澇災(zāi)害危險性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)采用文獻(xiàn)[2]對遼河流域危險性評價時采用的方法，即對每個指標(biāo)取其標(biāo)準(zhǔn)差作為等級間隔值，取最小值作為起始值(見表7)。

(1) 降雨量可視化分析

運用ArcGIS 10.6軟件對河南省暴雨災(zāi)害區(qū)24小時降水量數(shù)據(jù)集(2021.7.19～7.23)與年平均降雨量數(shù)據(jù)集(2017～2020)進(jìn)行分析，將DEM與降雨量數(shù)據(jù)屬性表連接，獲得河南省各地降雨量分布圖，然后將降雨量分布圖柵格化后進(jìn)行重分類，根據(jù)模糊綜合評價法對降雨量進(jìn)行等級劃分，并根據(jù)重分類結(jié)果由低到高進(jìn)行賦值，即降雨量越大，危險性更高。根據(jù)重分類和賦值結(jié)果得到研究區(qū)域年平均降雨量分布圖(如圖2所示)與24 h降雨量影響因子分布圖(如圖3所示)。

圖3 24小時降雨量影響區(qū)域因子分布圖

從圖2可以看出，河南省年平均降雨量南部最高，由南向北依次遞減，北部年平均降雨量最低。中低風(fēng)險區(qū)域占河南省總面積的34.67%，面積為57205.5 km2，主要分布在安陽市、鄭州市、新鄉(xiāng)市、三門峽市等城市；中風(fēng)險區(qū)域占河南省總面積的29.23%，面積為48229.5 km2，主要分布在洛陽市、平頂山市、周口市；中高風(fēng)險區(qū)占河南省總面積的24.91%，面積為41101.5 km2，主要分布在南陽市、駐馬店市；高風(fēng)險區(qū)占河南省總面積的11.2%，面積為18480 km2，主要分布在信陽市。

從圖3可以看出，河南省呈現(xiàn)降雨量中部、北部高，東部、西部、南部低的空間分布特征。低風(fēng)險區(qū)域占河南省的38.14%，面積為63129.370 km2，主要分布在洛陽市、駐馬店市、信陽市、周口市、商丘市；中低風(fēng)險區(qū)域占河南省的30.89%，面積為51126.818 km2；中風(fēng)險區(qū)域占河南省22.49%，面積為37236.481 km2；中高風(fēng)險區(qū)域占河南省6.69%，面積為11072.853 km2；高風(fēng)險區(qū)域占河南省1.79%，面積為2969.357 km2，主要分布在臨潁縣、南召縣、扶溝縣、鄭州市、禹州市、許昌市、偃師市、安陽市。

(2) 地形因素可視化分析

洪水災(zāi)害的發(fā)生與地形特征緊密相關(guān)，地形高程越低，地形變化越小，洪水災(zāi)害的危險性越高[3]。地形高程使用國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心30 m×30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)，河南省絕對高程介于2～2386 m，平均值244.2178，標(biāo)準(zhǔn)差312.3506(如圖4所示)。使用高程相對標(biāo)準(zhǔn)差衡量地形變化程度，高程相對標(biāo)準(zhǔn)差越小，地形變化程度越小，危險性越大。高程相對標(biāo)準(zhǔn)差使用空間分析工具里的焦點統(tǒng)計功能，鄰域窗口設(shè)置成3×3，統(tǒng)計類型使用STD。河南省高程相對標(biāo)準(zhǔn)差最大值為155.8894 m，最小值為0，平均值為4.1264，標(biāo)準(zhǔn)差為3.7339(如圖5所示)。使用模糊綜合評價法將絕對高程差分為5級，將高程相對標(biāo)準(zhǔn)差分為4級，通過空間分析工具中的地圖代數(shù)功能對地形分布進(jìn)行研究，柵格計算后得到地形因子分布圖(如圖6所示)。

圖4 河南省DEM模糊綜合評價等級劃分

圖5 河南省高程相對標(biāo)準(zhǔn)差模糊綜合評價等級劃分

圖6 河南省地形影響因子分布圖

從圖6可以看出，河北省呈現(xiàn)西高東低的地形分布特征。研究區(qū)域中高風(fēng)險區(qū)占比34.18%，面積為56586.8258 km2，集中在鄭州市以東地區(qū)；中高風(fēng)險區(qū)占比24.47%，面積為40511.0848 km2；中風(fēng)險區(qū)占比25.40%，面積為42047.2080 km2；中低風(fēng)險區(qū)占比9.54%，面積為15787.3678 km2；低風(fēng)險區(qū)占比6.40%，面積為10602.3928 km2，集中在洛陽市以西地區(qū)。

(3)河網(wǎng)分布可視化分析

河網(wǎng)分布對洪水災(zāi)害危險性的影響主要體現(xiàn)在河網(wǎng)的密集程度，河網(wǎng)越密集，河流緩沖區(qū)面積越大，危險性越高。河網(wǎng)水體分布數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，比例為1∶250000。應(yīng)用ArcGIS空間分析工具中歐氏距離處理，使用模糊綜合評價方法將緩沖區(qū)進(jìn)行分級(表4)，重分類后可得河網(wǎng)影響因子分布圖(圖7)。

圖7 河南省河網(wǎng)分布風(fēng)險圖

由圖7可知，河北省水系整體流向為從西到東南，中部地區(qū)河網(wǎng)分布較為密集，而降雨量也呈現(xiàn)出中部高，四周低的空間分布特征。兩個原因的疊加，造成中部緩沖區(qū)高風(fēng)險區(qū)域大的特征。研究區(qū)域高風(fēng)險區(qū)占比37.71%，面積為62428.1123 km2；中高風(fēng)險區(qū)占比35.20%，面積為58269.3481 km2；中風(fēng)險區(qū)占比18.06%，面積為29890.1233 km2；低風(fēng)險區(qū)占比9.03%，面積為14947.2954 km2，主要分布在洛陽西北方向海拔較高的區(qū)域。

2.3 洪澇災(zāi)害危險性評價結(jié)果

本文對河南省洪澇災(zāi)害進(jìn)行綜合危險性評價，首先為各指標(biāo)不同危險性等級進(jìn)行賦值，以9為標(biāo)度尺，將低風(fēng)險賦值為1，中低風(fēng)險賦值為3，中風(fēng)險賦值為5，中高風(fēng)險賦值為7，高風(fēng)險賦值為9。應(yīng)用ArcGIS空間分析工具中地圖代數(shù)功能對“7.20”鄭州特大暴雨事件24 h降雨量、年平均降雨量、河網(wǎng)分布、絕對高程、高程相對標(biāo)準(zhǔn)差等指標(biāo)進(jìn)行疊加分析。根據(jù)前文AHP層次分析法與模糊綜合評價法計算結(jié)果，可建立洪水災(zāi)害危險性綜合評價公式：

A=C1×0.1+C2×0.1+C3×0.2+C4×0.2+C5×0.4

(10)

通過柵格計算可得研究區(qū)域洪水災(zāi)害危險性評價圖(如圖8所示)。由此圖可知，研究區(qū)高風(fēng)險區(qū)占比2.58%，面積為4257 km2，主要分布在黃河、淇河、賈汝河、潦河流域；中高風(fēng)險區(qū)占比17.61%，面積為29056.5 km2；中風(fēng)險區(qū)域占比41.01%，面積為67666.5 km2；中低風(fēng)險區(qū)占比35.65%，面積為58822.5 km2；低風(fēng)險區(qū)占比3.16%，面積為5214 km2。

圖8 河南省洪水災(zāi)害危險性評價結(jié)果圖

3 結(jié)論

(1) 利用AHP層次分析法與模糊綜合評價法構(gòu)建了河南省洪澇災(zāi)害危險性綜合評價模型，通過模型分析，河南省洪澇災(zāi)害危險性評價指標(biāo)：“7.20”鄭州特大暴雨24小時降雨量權(quán)重為0.4，河南省年平均降雨量權(quán)重為0.2，河網(wǎng)分布權(quán)重為0.2，地形因素權(quán)重為0.2。河南省洪澇災(zāi)害危險性綜合評價結(jié)果為“中風(fēng)險”。

(2) 由洪水災(zāi)害危險性評價結(jié)果顯示，河南省高風(fēng)險區(qū)域占河南省區(qū)域的2.58%，面積為4257 km2。洪水災(zāi)害危險性等級主要憑借降雨量、河網(wǎng)分布、地形分布等指標(biāo)作為影響因子相互關(guān)系確定。河南省高風(fēng)險區(qū)具有降雨量大、坡度變化小、海拔較低、河網(wǎng)分布密集等特點。

(3) 本文利用“7.20”鄭州特大暴雨相關(guān)數(shù)據(jù)，分析河南省洪澇災(zāi)害危險性分布區(qū)域，通過預(yù)測分析，結(jié)果顯示：南召縣、安陽縣、信陽市為洪澇災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)域，應(yīng)予以重視。