CN107220754A - 一种县域尺度山洪灾害风险评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种县域尺度山洪灾害风险评估方法，具体步骤包括资料收集、指标体系建立与出图、山洪过程危险性分析、承灾体易损性分析和风险评估结果与验证；所述方法在对县/区山洪灾害调查评价项目资料进行收集整理的基础上，以小流域为统计单元构建指标体系，综合主成份分析、AHP和熵值法进行指标权重设计，并通过河道形态参数的引入优化易损性分析结果。本发明所需数据来源规范、操作便利、结果可靠性高，可为区域山洪灾害风险管理提供有力依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种山洪灾害风险评估方法，具体是一种县域尺度山洪灾害风险评估方法。
背景技术
山洪灾害一直是我国洪涝灾害中比较突出的问题，建国以来每年因山洪灾害死亡失踪人数占洪涝灾害死亡失踪人数比例长期超过60％，最高的2010年甚至达到了90％，对我国山区居民的生产生活造成了严重影响。近年来，随着社会经济水平的不断提高，山区百姓对安定生活的诉求愈发迫切，而国家在财政状况显著改善的背景下，亦加大了对山洪灾害防治工作的支持力度，2013年至今先后投入百亿元用于开展全国山洪灾害防治项目建设，这其中规模较大的即为针对全国2058个山洪灾害防治县的非工程措施项目和调查评价项目，其中非工程措施项目目前已全部落实，调查评价项目也行近尾声，我国山洪灾害监测预警体系得以初步建立。
尽管如此，由于以往对山洪过程和致灾机理的认知不够充分，技术储备不足，项目实践过程中也反映出一些问题，如调查评价项目中的分析评价工作，其主旨是在雨洪同频的假设下，通过设计暴雨-设计洪水-水位流量关系计算，得到不同时频洪峰水位来估算洪水影响范围。且不论雨洪同频的假设是否贴近实际，山洪顶冲漫滩、弯道超高现象普遍，即便是相对顺直的河道，洪峰水位也很难保持水平，因此使用峰洪水位估算洪水影响范围可能不妥，分析评价最终成果的可靠性值得商榷。据此，如何充分利用已有第一手调查评价数据资料，在不过多增加成本的基础上开发一种县域尺度内，以小流域为基本单元的风险评估方法，以此填补分析评价成果不确定性带来的缺失，具有现实意义。
目前基于图层代数叠加的自然灾害风险评估方法较多，但县域尺度内针对山洪灾害的很少，且由于缺乏第一手调查资料，已有评估方法的指标选取偏向宏观，权重设计多呈主观或客观一边倒情况，最终结果也多缺乏历史灾情的有效验证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑要素细致、定权方法主客观相结合、易损性计算更准确、评估结果可验证、可充分利用调查评价数据的山洪灾害风险评估方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种县域尺度山洪灾害风险评估方法，包括以下具体步骤，
(1)资料收集：所述资料收集包括县/区开展的山洪灾害调查评价项目的中间和最终成果，包括评估对象的调查报告及其附件、分析评价报告及其附件、数据采集终端软件、工作底图和数据、数据审核报告，以及当地暴雨图集、水文手册和水文气象资料；利用所述资料涉及历史灾害、暴雨、地形、土壤、土地利用、流域特征、测量的涵洞、河道形态、沿河村落信息相关内容，建立以小流域为基本统计单元的县/区山洪灾害风险评估地理信息基础数据库；
(2)指标体系建立与出图：所述指标体系建立与出图即应用GIS矢量化工具对收集到的基础图件进行数字化、矢量化和归一化，建立评估对象统一投影、边界的地理信息系统数据库；所述数据库包括历史灾害信息、小流域基础信息、多时段暴雨最大点雨量均值分布、土壤属性和土地利用空间格局、流域高差、防治区和危险区沿河村落人员财产信息、企事业单信息、测量的河道形态和分布相关数据；
(3)山洪过程危险性分析：所述山洪过程危险性分析是指对特定区域山洪易发性进行的空间格局分析，可在GIS中通过矢量图或栅格计算器，由以下公式计算得到：
H＝EH×UH
式中，H为山洪过程危险性，其值越大，危险性越强；EH为外营力危险性，其值越大，危险性越强；UH为下垫面危险性，其值越大，危险性越强；
(4)承灾体易损性分析：所述承灾体易损性分析是指对受山洪威胁的居民点人口和家庭、企事业单位财产暴露量进行的空间格局分析，可在GIS中通过矢量图或栅格计算器，由以下公式计算得到：
V＝Vhe×Vf
式中，V是承灾体易损性，其值越大，易损性越强；Vhe为沿河村落人口、资产暴露量，其值越大，易损性越强；Vf为综合河道形态，其值越大，易损性越强；
(5)风险评估结果与验证：所述风险评估结果与验证是指将与评估内容相关的以往文献或历史灾害点信息与步骤(3)所述山洪过程危险性分析结果进行对比，通过典型局部地区观察或地统计方法，定性、定量比较两者的一致性，如果一致性水平较低，则返回到步骤(2)，在所述数据库中重新甄选指标，或在步骤(3)中调整AHP赋权值，调整后再进行步骤5，直至一致性水平达到要求，完成山洪灾害风险评估。
所述步骤(3)中的外营力危险性分析即通过暴雨类指标图层的数据处理和代数叠加合成外营力危险度分布图；
所述下垫面危险分析即通过下垫面指标图层的数据处理和代数叠加合成下垫面危险度分布图；
所述暴雨类指标包括各小流域的最大1h/3h/6h/24h点雨量均值；
所述下垫面指标包括各小流域的1)流域高差；2)平均坡度；3)流域形状系数；4)土地利用；5)土壤属性；6)流域最大河长；7)最大河长比降；8)流域面积；9)流域周长；10)形心高程；11)平均糙率；12)平均入渗率；
所述数据处理和代数叠加是指：首先用主成份分析对多个指标进行降维，如果仅获得一个主成份，则直接使用该主成份表示其所代表的上一级指标,即EH或UH；如果获得多个主成份P1,…,Pn，则使用AHP对P1,…,Pn进行主观定权，得到每一个主成份的AHP权值wai；同时使用熵值法对P1,…,Pn进行客观赋权，得到每一个主成份的熵值法权值wei，再依据公式wi＝(wai+wei)/2，得到各个主成份的综合权值wi，最后依据公式对各个主成份进行加权，得到它们所代表的上一级指标EH或UH。
所述步骤(4)中沿河村落人口、资产暴露量Vhe可在GIS中通过矢量图或栅格计算器，由以下公式计算得到；
Vhe＝0.6×(V危h×0.6+V防h×0.4)+0.4×(V危e×0.6+V防e×0.4)
式中，V危h为特定小流域中调查的危险区人口数量，其值越大，易损性越强；V危h为特定小流域中调查的防治区人口数量，其值越大，易损性越强；V危e为特定小流域中调查的危险区家庭财产和企业资产价值，其值越大，易损性越强；V防e为特定小流域中调查的防治区家庭财产和企业资产价值，其值越大，易损性越强。
所述步骤(4)中综合河道形态Vf由以下公式得到：
Vf＝(F1+,…,+Fn)/n
式中，Fn为第n个河道的河道形态指数，n为特定小流域内测量河道的数量，未进行河道测量的小流域，以最小Vf值作为背景值加以填充；
所述河道形态指数为反映洪水漫滩概率大小的指标，其表达式为：
F＝m·J/A
式中，F为河道形态指数，其值越大，洪水漫滩概率越大；m为弯曲系数，由公式m＝(L12+L23,…,+L(j-1)j)/L1j计算得到，其中L1j表示所测河道纵断面第1点和第j点之间的水平距离；J为勘测的河段能坡，由公式J＝d1j/L1j计算得到，其中d为由所测第1点和第j点之间的垂直距离；A一般为控制断面成灾水位以下断面面积，若控制断面以上河道存在涵洞，且涵洞面积小于控制断面成灾水位以下面积时，使用涵洞面积作为A值。
所述步骤(5)中风险评估结果可在GIS中通过矢量图或栅格计算器，由以下公式计算得到；
R＝H×V
式中，R为评估对象的风险值，其值越大，评估对象的风险度越大；
所述步骤(5)中一致性水平达到要求，是指所述步骤(3)中山洪过程危险性分析结果H与已有文献或历史灾害点信息相比，在典型局部地区无明显偏差，或在地统计分析中，两者一致性比例达到40％以上，即散点图拟合优度R2>0.4。
本发明的技术效果：
本发明数据来源规范，方法操作便利，可为当局及时提供直观明确的区域山洪灾害背景信息；
本发明采用的河道形态指数，理论上提高了承灾体易损性分析结果的准确性；
本发明基于主客观相结合的方法进行权重设计，同时设有结果验证机制，确保了计算结果具有较高的可靠性；
本发明风险评估的过程结果和最终结果可为县域尺度各小流域监测预警设施的布设，以及区域城镇体系规划提供依据；将所述外营力危险性指标和承灾体易损性指标调整为实时输入后，将亦可实现动态风险评估。
附图说明
图1是本发明方法流程示意图；
图2是本发明永善县山洪灾害风险图；
图3本发明实施例永善县山洪过程危险性结果验证，a是本方法危险性分布；b是以往文献危险性分布；；
图4是本发明乡镇灾害密度-平均危险度散点图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
以云南省昭通市永善县为例，依据图1相关流程进行进一步说明。本实例仅用于解释本发明，并不限定于本发明。
1.资料收集
基于永善县开展的山洪灾害调查评价项目中间和最终成果，收集该县的历史灾害、暴雨、地形、土壤、土地利用、流域特征、测量的涵洞、河道形态、沿河村落信息相关内容，建立以小流域为基本统计单元的山洪灾害风险评估地理信息基础数据库。
2.指标体系建立与出图
暴雨类指标：对收集到的最大1h、3h、6h和24h的点雨量均值在GIS中数字化、矢量化和归一化；
流域高差：在数据库的工作底图中的WATA图层中，使用各流域的最大高程减去出口高程，再归一化求得；
土地利用与土壤属性：以工作底图中的土壤(SLTA)和土地利用(USLU)分类矢量图为基础资料，对不同土壤质地和土地利用类型的产汇流能力进行打分(表1)，分值越高，产汇流能力越强，越容易发育山洪；
表1土地利用和土壤属性产汇流能力打分表
平均坡度、流域形状系数、流域最大河长、最大河长比降、流域面积、流域周长、形心高程、平均糙率、平均入渗率分别对应工作底图中WATA图层中的WSSLP,WSSHPC,MAXLEN,MAXLSLP,WSAREA,WSPERI,CENTERELV,AVEROU和AVEINF属性，对它们分别进行归一化后可直接出图；
沿河村落人口、资产暴露量：统计各个小流域内防治区和危险区的人口数量和家庭、企业财产规模，鉴于调查评价项目中防治区统计范围大但统计方法粗糙，危险区统计方法可靠但范围代表性不足，采取防治区(四)、危险区(六)加权并归一化的方法，得到人口暴露量和资产暴露量，后基于“人贵财轻”的价值理念，将人口指标与资产指标按六四加权并归一化，得到沿河村落人口、资产暴露量指标图层；
综合河道形态：
F＝m·J/A (1)
式中，F为河道形态指数，其值越大，洪水漫滩概率越大，越易发生洪水漫滩；m为弯曲系数，由所测河道的纵断面各点距离之和除以端点距离得到；J为勘测的河段能坡，由所测端点高差除以端点水平距得到；A一般为控制断面成灾水位以下断面面积，若控制断面以上河道存在涵洞，且涵洞面积小于控制断面成灾水位以下面积时，使用涵洞面积作为A值；
利用公式(1)，将各小流域所测河道的F值进行算术平均，得到小流域平均F值。小流域内无勘测河道的，给予已算F值的最小值作为背景值。统计所有小流域平均F值并归一化，在GIS中成图后得到综合河道形态图层。
3.山洪过程危险性分析
所述山洪过程危险性分析由外营力危险性分析结果和下垫面危险性分析结果通过乘积叠加得到；
外营力危险性分析：使用主成份分析法对所述暴雨类指标进行降维，得到点雨量均值的第一主成份，归一化后得到外营力危险性分析结果；
下垫面危险性分析：
使用主成份分析法对所述12项指标图层，即1)流域高差；2)平均坡度；3)流域形状系数；4)土地利用；5)土壤属性；6)流域最大河长；7)最大河长比降；8)流域面积；9)流域周长；10)形心高程；11)平均糙率；12)平均入渗率进行降维，提取了5个主成份；
依据主成份分析的因子载荷矩阵反映的所述5个主成份的属性特征，分别使用AHP和熵值法对所述5个主成份进行主观赋权和客观赋权(表2)；
将所述AHP法与熵值法权重进行算术平均，可得最终的权重分配，将各主成份依此权重加权后归一化，得到下垫面危险性分析结果(表2)；
表2不同主成份的AHP法评分及最终的权重设定
将所述外营力危险性分析结果与下垫面危险性分析结果进行乘积叠加并归一化，得到山洪过程危险性分析结果。
4.承灾体易损性分析
将所述沿河村落人口、资产暴露量指标图层与所述综合河道形态指标图层进行乘积叠加并归一化，得到承灾体易损性分析结果。由于该项分析在计算时着重考虑了受山洪威胁更大的山丘区沿河村落，其结果理论上较一般使用宏观经济数据的易损性分析结果针对性更强、可靠性更高。
5.风险评估结果与验证
将所述山洪过程危险性分析结果与承灾体易损性分析结果进行乘积叠加并归一化，得到永善县山洪灾害风险评估结果(图2)；
由于风险分析结果本质上是一种损失期望，现实中并无理想素材可供验证，这里使用物理意义更为明确的所述山洪过程危险性与以往文献或历史灾害资料进行近似验证。
根据以往文献记录和收集的历史灾害资料，将所述山洪过程危险性分析结果与已有文献《大空间尺度山洪灾害危险评估的比较研究》中对应区域危险性分析结果进行定性比较，认为两者具有较高的一致性(图3)；
定量比较：
基于收集的永善县历史灾害资料，统计永善县各乡镇山洪灾害点密度；
应用GIS技术，提取永善县各乡镇所述山洪过程危险性分析结果的平均值，并与所述各乡镇山洪灾害点密度联立，构建散点图(图4)，依据所述散点图的拟合优度R2＝0.47>0.4，认为两者具有较高的一致性。
综合定性比较和定量比较结果，认为永善县山洪过程危险性分析结果通过验证。
Claims (6)
1.一种县域尺度山洪灾害风险评估方法，其特征在于：包括以下具体步骤，
(1)资料收集：所述资料收集包括县/区开展的山洪灾害调查评价项目的中间和最终成果，包括评估对象的调查报告及其附件、分析评价报告及其附件、数据采集终端软件、工作底图和数据、数据审核报告，以及当地暴雨图集、水文手册和水文气象资料；利用所述资料涉及历史灾害、暴雨、地形、土壤、土地利用、流域特征、测量的涵洞、河道形态、沿河村落信息相关内容，建立以小流域为基本统计单元的县/区山洪灾害风险评估地理信息基础数据库；
(2)指标体系建立与出图：所述指标体系建立与出图即应用GIS矢量化工具对收集到的基础图件进行数字化、矢量化和归一化，建立评估对象统一投影、边界的地理信息系统数据库；所述数据库包括历史灾害信息、小流域基础信息、多时段暴雨最大点雨量均值分布、土壤属性和土地利用空间格局、流域高差、防治区和危险区沿河村落人员财产信息、企事业单信息、测量的河道形态和分布相关数据；
(3)山洪过程危险性分析：所述山洪过程危险性分析是指对特定区域山洪易发性进行的空间格局分析，可在GIS中通过矢量图或栅格计算器，由以下公式计算得到：
H＝EH×UH
式中，H为山洪过程危险性，其值越大，危险性越强；EH为外营力危险性，其值越大，危险性越强；UH为下垫面危险性，其值越大，危险性越强；
(4)承灾体易损性分析：所述承灾体易损性分析是指对受山洪威胁的居民点人口和家庭、企事业单位财产暴露量进行的空间格局分析，可在GIS中通过矢量图或栅格计算器，由以下公式计算得到：
V＝Vhe×Vf
式中，V是承灾体易损性，其值越大，易损性越强；Vhe为沿河村落人口、资产暴露量，其值越大，易损性越强；Vf为综合河道形态，其值越大，易损性越强；
(5)风险评估结果与验证：所述风险评估结果与验证是指将与评估内容相关的以往文献或历史灾害点信息与步骤(3)所述山洪过程危险性分析结果进行对比，通过典型局部地区观察或地统计方法，定性、定量比较两者的一致性，如果一致性水平较低，则返回到步骤(2)，在所述数据库中重新甄选指标，或在步骤(3)中调整AHP赋权值，调整后再进行步骤(5)，直至一致性水平达到要求，完成山洪灾害风险评估。
2.根据权利要求1所述的一种县域尺度山洪灾害风险评估方法，其特征在于：所述步骤(3)中的外营力危险性分析即通过暴雨类指标图层的数据处理和代数叠加合成外营力危险度分布图；
所述下垫面危险分析即通过下垫面指标图层的数据处理和代数叠加合成下垫面危险度分布图；
所述暴雨类指标包括各小流域的最大1h/3h/6h/24h点雨量均值；
所述下垫面指标包括各小流域的1)流域高差；2)平均坡度；3)流域形状系数；4)土地利用；5)土壤属性；6)流域最大河长；7)最大河长比降；8)流域面积；9)流域周长；10)形心高程；11)平均糙率；12)平均入渗率；
所述数据处理和代数叠加是指：首先用主成份分析对多个指标进行降维，如果仅获得一个主成份，则直接使用该主成份表示其所代表的上一级指标,即EH或UH；如果获得多个主成份P1,…,Pn，则使用AHP对P1,…,Pn进行主观定权，得到每一个主成份的AHP权值wai；同时使用熵值法对P1,…,Pn进行客观赋权，得到每一个主成份的熵值法权值wei，再依据公式wi＝(wai+wei)/2，得到各个主成份的综合权值wi，最后依据公式对各个主成份进行加权，得到它们所代表的上一级指标EH或UH。
3.根据权利要求1所述的一种县域尺度山洪灾害风险评估方法，其特征在于：所述步骤(4)中沿河村落人口、资产暴露量Vhe可在GIS中通过矢量图或栅格计算器，由以下公式计算得到；
Vhe＝0.6×(V危h×0.6+V防h×0.4)+0.4×(V危e×0.6+V防e×0.4)
式中，V危h为特定小流域中调查的危险区人口数量，其值越大，易损性越强；V危h为特定小流域中调查的防治区人口数量，其值越大，易损性越强；V危e为特定小流域中调查的危险区家庭财产和企业资产价值，其值越大，易损性越强；V防e为特定小流域中调查的防治区家庭财产和企业资产价值，其值越大，易损性越强。
4.根据权利要求1所述的一种县域尺度山洪灾害风险评估方法，其特征在于：所述步骤(4)中综合河道形态Vf由以下公式得到：
Vf＝(F1+,…,+Fn)/n
式中，Fn为第n个河道的河道形态指数，n为特定小流域内测量河道的数量，未进行河道测量的小流域，以最小Vf值作为背景值加以填充；
所述河道形态指数为反映洪水漫滩概率大小的指标，其表达式为：
F＝m·J/A
式中，F为河道形态指数，其值越大，洪水漫滩概率越大；m为弯曲系数，由公式m＝(L12+L23,…,+L(j-1)j)/L1j计算得到，其中L1j表示所测河道纵断面第1点和第j点之间的水平距离；J为勘测的河段能坡，由公式J＝d1j/L1j计算得到，其中d为由所测第1点和第j点之间的垂直距离；A一般为控制断面成灾水位以下断面面积，若控制断面以上河道存在涵洞，且涵洞面积小于控制断面成灾水位以下面积时，使用涵洞面积作为A值。
5.根据权利要求1所述的一种县域尺度山洪灾害风险评估方法，其特征在于：所述步骤(5)中风险评估结果可在GIS中通过矢量图或栅格计算器，由以下公式计算得到；
R＝H×V
式中，R为评估对象的风险值，其值越大，评估对象的风险度越大。
6.根据权利要求1所述的一种县域尺度山洪灾害风险评估方法，其特征在于：所述步骤(5)中一致性水平达到要求，是指所述步骤(3)中山洪过程危险性分析结果H与已有文献或历史灾害点信息相比，在典型局部地区无明显偏差，或在地统计分析中，两者一致性比例达到40％以上，即散点图拟合优度R2>0.4。
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