CN111784212A - 调水工程防洪风险识别及评价方法 - Google Patents
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Abstract
一种调水工程防洪风险识别及评价方法，步骤如下：调水工程的防洪资料收集整理；降雨产流、汇流过流能力、渠段工程地质特性、经济社会布局一级防洪风险因子识别；将一级防洪风险因子分解为二级防洪风险因子，构建防洪风险评价指标体系；防洪风险因子指标数值计算及归一化处理；层次分析法计算指标权重；确定评价渠段综合防洪风险等级。其有益效果是，从洪水灾害链全过程涉及的各类风险源及其风险事件入手，系统全面识别调水工程防洪风险因子，构建相应的评价指标体系，基于风险评估理论建立调水工程综合防洪风险评估模型，实现调水工程不同渠段防洪综合风险的定量化评估及风险分级分类管理。
Description
技术领域
本发明涉及调水工程，尤其是涉及一种调水工程防洪风险识别及评价方法，属于水利工程洪涝灾害风险管理技术领域。
背景技术
随着气候变化和人类活动影响的深入，大型调水工程对保障缺水地区供水安全及经济社会可持续发展的作用愈发重要。作为巨大的工程系统，调水工程线路长，往往跨越不同流域、河系，穿越不同气候区及受水区域，工程区气候、下垫面条件复杂，存在诸多不确定性和风险因素，其中洪涝是影响大型调水工程安全运行的主要风险之一。而工程的防洪风险又包括洪水致灾因子危险性、承灾体暴露性以及孕灾环境脆弱性，涉及暴雨洪水特性、交叉建筑物过流能力、输水渠段工程特性、渠道两侧经济社会布局等多方面因素。对于大型调水工程防洪风险因子的识别及综合评价，是工程在规划设计阶段与运行管理阶段需要解决的关键问题之一。
目前对于大型调水工程的防洪风险分析，定性描述较多，定量评估较少。对于风险因子的识别，一般将洪水风险与地震、冰冻等自然灾害并列作为影响工程安全运行的一类因子，对水文风险因素关注多，而没有结合不同交叉建筑物结构特点、渠段工程地质特性等，系统全面地识别工程的防洪风险；定量评估方面，多从交叉建设物水毁可能性的角度，以交叉断面以上流域设计暴雨(洪水)是否超过交叉建筑物设计标准为衡量标准。
单从水文因素角度，暴雨是引发超标准洪水的风险源，河道水位上涨是暴雨导致的风险事件；而对于调水工程的自身安全而言，交叉建筑物上游河道水位上涨又是诱发工程病害的风险源，工程发生洪水破坏则是风险事件；进而还可能会对干渠左右岸当地的防洪构成不利影响。因此针对调水工程这类超大的复杂工程系统，应在对各类风险源、风险事件及其原因和潜在后果的系统识别的基础上，基于风险评估理论，综合洪水致灾因子危险性、承灾体暴露性以及孕灾环境脆弱性等风险要素，开展全灾害链过程防洪风险评估。
发明内容
为了克服上述现有调水工程防洪风险评价方法中存在的不足，本发明提供一种调水工程防洪风险识别及评价方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种调水工程防洪风险识别及评价方法，其步骤如下：
A、调水工程的防洪资料收集整理，
将调水工程分成若干评价渠段，分渠段收集防洪资料；
B、一级防洪风险因子识别，
一级防洪风险因子至少包括：降雨产流、汇流过流能力、渠段工程地质特性、经济社会布局；
C、防洪风险评价指标体系构建，
将步骤B中的一级防洪风险因子分解为二级防洪风险因子，构建具有层次结构的调水工程防洪风险评价指标体系；
D、防洪风险因子指标数值计算及归一化处理，
对所述步骤C中的二级防洪风险因子评价指标数值按照保持各指标数值变异系数不变的原则，进行指标无量纲化处理，使其均为0～1区间的值；
E、层次分析法计算指标权重，包括：
对所述的一级防洪风险因子分别赋予权重，
对所述的二级防洪风险因子分别赋予权重，
所述二级防洪风险因子的权重分别与其所归属的一级防洪风险因子权重相乘，其乘积为二级防洪风险因子评价指标的综合权重；
F、确定评价渠段综合防洪风险等级，
利用所述步骤D得到的归一化的各二级防洪风险因子指标值和步骤E的一级防洪风险因子权重、二级防洪风险因子权重，构建洪水风险评价模型。
进一步，所述步骤A的工程渠段防洪资料包括，降雨资料，土地利用，数字高程模型DEM，输水渠段工程地质特性，交叉建筑物及附近上下游河道资料，以及渠道两侧经济社会布局信息；其中的交叉建筑物及附近上下游河道资料包括，行洪断面束窄情况、建筑物自身淤积情况、淤堵风险、出口排水条件、河道地形变化情况。
进一步，所述步骤C中的二级防洪风险因子是，
所述降雨产流类风险评价指标包括：50年一遇最大1日降雨量、50年一遇最大3日降雨量、建设用地面积比例；
所述汇流过流能力类风险评价指标包括：江河行洪断面束窄指标值、河道地形变化指标值、汇流路径归并指标值、有无排水通道指标值、建筑物自身淤堵指标值、建筑物存在易堵风险指标值；
所述渠段工程地质特性类风险评价指标包括：不良地质段比例、深挖方渠段比例；
所述经济社会布局风险评价指标包括：离干渠较近村庄和城镇数量、村庄和城镇距离输水干渠远近指标值。
进一步，所述步骤D中，计算二级防洪风险因子指标值，
所述降雨产流类风险评价指标值中，50年一遇最大1日降雨量、50年一遇最大3日降雨量的计算方法如下，
首先，获取年最大1日和年最大3日降雨系列数据；
然后，用频率分析法计算各气象站点50年一遇最大1日降雨量和50年一遇最大3日降雨量；
之后，采用空间展布方法将各气象站点的点数据插值展布到空间面上，获得区域降雨量的栅格数据，得到评价渠段上游集水区的50年一遇最大1日降雨量指标值、50年一遇最大3日降雨量指标值；
所述降雨产流类风险评价指标中，建设用地面积比例指标值为，评价渠段上游集水区内的建设用地面积与集水区总面积的比值；
所述汇流过流能力类风险评价指标中，
所述江河行洪断面束窄指标值为，存在行洪断面束窄的较大河流数与评价渠段较大河流总数的比值；
所述河道地形变化指标值为，在交叉断面上游1km至下游3km范围内存在采砂坑的河流数与评价渠段较大河流总数的比值；
所述汇流路径归并指标值为，评价渠段目前河流条数与工程建设前河流总条数的比值；
所述有无排水通道指标值为，左岸排水工程中存在出口无排水通道和排水不通畅的工程数量的比例；
所述建筑物自身淤堵指标值为，左岸排水建筑物中存在自身淤堵的建筑物数量与左岸排水建筑物总数的比值；
所述建筑物存在易堵风险指标值为，左岸排水建筑物中有易堵风险的建筑物数量与左岸排水建筑物总数的比值。
所述渠段工程地质特性类风险风险评价指标中，
所述不良地质段比例指标值为，不良地质段长度与所评价渠段总长度的比值；
所述深挖方渠段比例指标值为，深挖方渠段长度与所评价渠段总长度的比值。
所述经济社会布局风险评价指标中，
所述离干渠较近村庄和城镇数量指标值为，评价渠段上游1km至下游3km范围内两侧的村庄和城镇数量之和；
所述村庄和城镇距离输水干渠远近指标值为，计算上游1km内的村庄、城镇与干渠的平均距离除以1km所得数值，计算下游3km内的村庄、城镇与干渠的平均距离除以3km所得数值，取两者较小值。
对所述降雨产流类风险评价指标中的50年一遇最大1日降雨量指标值、50年一遇最大3日降雨量指标值和所述经济社会布局风险评价指标中的离干渠较近村庄和城镇数量指标值进行归一化处理。
进一步，所述步骤E中的4个一级防洪风险因子权重排序为，
汇流过流能力＞降雨产流＞渠段工程地质特性＞经济社会布局。
所述4个一级防洪风险因子中二级防洪风险因子权重数值排序为，
针对所述降雨产流的二级防洪风险因子权重排序为：50年一遇最大1日降雨量＞50年一遇最大3日降雨量＞建设用地面积比例。
针对所述汇流过流能力的二级防洪风险因子权重排序为：有无排水通道＞汇流路径归并、建筑物自身淤堵、建筑物存在易堵风险＞江河行洪断面束窄、河道地形变化。
针对所述渠段工程地质特性的二级防洪风险因子，不良地质段比例与深挖方渠段比例的权重相同。
针对所述经济社会布局的二级防洪风险因子，离干渠较近村庄和城镇数量与村庄和城镇距离输水干渠远近比例的权重相同。
进一步，所述步骤F通过洪水风险评价模型，获得评价渠段综合防洪风险指数，
FR＝R+F+C+S
式中，
FR——综合防洪风险指数，
R——一级防洪风险因子降雨产流防洪风险指数，
F——一级防洪风险因子汇流过流能力防洪风险指数，
C——一级防洪风险因子渠道工程地质特性防洪风险指数，
S——一级防洪风险因子经济社会布局防洪风险指数，
式中，
ZRi——降雨产流防洪风险因子下属的二级防洪风险因子指标值，
WRi——降雨产流防洪风险因子权重值，
W′Ri——降雨产流防洪风险因子下属二级防洪风险因子权重值，
ZFi——汇流过流能力防洪风险因子下属的二级防洪风险因子指标值，
WFi——汇流过流能力防洪风险因子权重值，
W′Fi——汇流过流能力防洪风险因子下属二级防洪风险因子权重值，
ZCi——渠段工程地质特性防洪风险因子下属的二级防洪风险因子指标值，
WCi——渠段工程地质特性防洪风险因子权重值，
W′Ci——渠段工程地质特性防洪风险因子下属二级防洪风险因子权重值，
ZSi——经济社会布局防洪风险因子下属的二级防洪风险因子指标值，
WSi——经济社会布局防洪风险因子权重值，
W′Si——经济社会布局防洪风险因子下属二级防洪风险因子权重值；
基于GIS自带的自然分割法(Natural Breaks)，按方差拟合优度最高的原则，将所有评价渠段的综合防洪风险指数进行排序分级，确定各评价渠段综合防洪风险等级。
进一步，所述综合防洪风险等级分为3个或3个以上。
当所述综合防洪风险等级为3个时，自然分割法提供2个界限值，将综合防洪风险指数划分为(0，界限值1]、(界限值1，界限值2]、(界限值2，1)三个区间，依次为低风险、中风险、高风险。
当所述综合防洪风险等级为4个时，自然分割法提供3个界限值，将综合防洪风险指数划分为(0，界限值1]、(界限值1，界限值2]、(界限值2，界限值3]、(界限值3，1)四个区间，依次为无风险、低风险、中风险和高风险。
所述汇流路径归并指标值、村庄和城镇距离输水干渠远近指标值为逆向指标，将逆向指标反向处理转化为正向指标。
本发明的有益效果是，从洪水灾害链全过程涉及的各类风险源及其风险事件入手，系统全面识别调水工程防洪风险因子，将其分为降雨产流、汇流过流能力、渠段工程地质特性、经济社会布局四类风险要素，并分别构建相应的评价指标体系，基于风险评估理论建立调水工程综合防洪风险评估模型，实现调水工程不同渠段防洪综合风险的定量化评估及风险分级分类管理，为调水工程洪水风险管理提供科学决策支持。
附图说明
图1是本发明调水工程防洪风险识别及评价方法的流程图。
图2是本发明中一级、二级防洪风险因子构建具有层次结构的调水工程防洪风险评价指标体系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但是，本领域技术人员应该知晓的是，本发明不限于所列出的具体实施方式，只要符合本发明的精神，都应该包括于本发明的保护范围内。
参见附图1。本发明一种调水工程防洪风险识别及评价方法，其步骤如下：
步骤A、调水工程的防洪资料收集整理，将调水工程分成若干评价渠段，分渠段收集防洪资料；
所述步骤A的工程渠段防洪资料包括，降雨资料，土地利用，数字高程模型DEM，输水渠段工程地质特性，交叉建筑物及附近上下游河道资料，以及渠道两侧经济社会布局信息；其中的交叉建筑物及附近上下游河道资料包括，行洪断面束窄情况、建筑物自身淤积情况、淤堵风险、出口排水条件、河道地形变化情况。
步骤B、一级防洪风险因子识别，一级防洪风险因子至少包括：(1)降雨产流、(2)汇流过流能力、(3)渠段工程地质特性、(4)经济社会布局；[(1)、(2)、(3)、(4)为一级防洪风险因子的顺序号，以下沿用]
从洪水灾害链全过程涉及的各类风险源及其风险事件入手，其中，
(1)降雨产流防洪风险因子包括，交叉建筑物上游集水区降雨强度、降雨量及洪量大小等，反映的是洪水致灾因子的危险性；
(2)汇流过流能力防洪风险因子体现在汇流路径归并、集中出流，排水沟道不通畅，建筑物上下游江河行洪断面束窄、河道地形发生明显变化，建筑物自身淤堵或存在易堵风险等，这些因素会导致洪水要素过程变化，如：水位壅高、流速增大、溯源冲刷等，从而加剧洪水的危险性，使交叉建筑物结构安全的不确定性风险加大；
(3)渠段工程地质特性防洪风险因子体现的是承灾体的暴露性，包括不良地质段(如膨胀土、高地下水位等)和深挖方渠段，对应的风险事件分别是水毁风险和外洪入渠及渠坡失稳；
(4)经济社会布局防洪风险因子针对洪水对工程区当地经济社会的不利影响，如：工程区一定范围内的分布的城镇、村庄等，体现出孕灾环境的脆弱性。
步骤C、防洪风险评价指标体系构建，将步骤B中的4个一级防洪风险因子分解为至少13个二级防洪风险因子，构建具有层次结构的调水工程防洪风险评价指标体系(如附图2所示)，具体如下：
(1)降雨产流类风险评价指标包括3个二级防洪风险因子：①50年一遇最大1日降雨量、②50年一遇最大3日降雨量、③建设用地面积比例，其中：
①50年一遇最大1日降雨量，对应洪峰流量；②50年一遇最大3日降雨量侧重于降雨总量，对应洪量大小；③建设用地面积比例反映的是上游集水区不透水面积情况，较多的不透水面积不利于降雨下渗，更容易快速产流，导致产流增加、洪量增大，洪峰提前等。
(2)汇流过流能力类风险评价指标包括6个二级防洪风险因子：④江河行洪断面束窄指标值、⑤河道地形变化指标值、⑥汇流路径归并指标值、⑦有无排水通道指标值、⑧建筑物自身淤堵指标值、⑨建筑物存在易堵风险指标值，上述指标的设计综合考虑了河流大小、河渠交叉建筑物的结构形式差异，而导致的风险因素的不同，其中，④江河行洪断面束窄指标值、⑤河道地形变化指标值等2个因子主要针对较大河流；⑥汇流路径归并指标值、⑦有无排水通道指标值、⑧建筑物自身淤堵指标值、⑨建筑物存在易堵风险指标值等4个因子针对工程上游集水区面积较小河流。
(3)渠段工程地质特性类风险评价指标包括2个二级防洪风险因子：⑩不良地质段比例、
深挖方渠段比例。
(4)所述经济社会布局风险评价指标包括2个二级防洪风险因子：
离干渠较近村庄和城镇数量、
村庄和城镇距离输水干渠远近指标值，主要涉及干渠上游1km至下游3km范围内的村庄和城镇。
(①、②、……
为二级防洪风险因子的顺序号，以下沿用)
步骤D、防洪风险因子指标数值计算及归一化处理，对所述步骤C中的二级防洪风险因子评价指标数值按照保持各指标数值变异系数不变的原则，进行指标无量纲化处理，使其均转化为0～1区间的值。
所述步骤D中，计算二级防洪风险因子指标值，
(1)降雨产流类风险评价指标值中，①50年一遇最大1日降雨量、②50年一遇最大3日降雨量的计算方法如下，
首先，获取年最大1日和年最大3日降雨系列数据，
然后，用频率分析法计算各气象站点50年一遇最大1日降雨量和50年一遇最大3日降雨量，
之后，采用空间展布方法将各气象站点的点数据插值展布到空间面上，获得区域降雨量的栅格数据，得到评价渠段上游集水区上的①50年一遇最大1日降雨量指标值、②50年一遇最大3日降雨量指标值；
所述(1)降雨产流类风险评价指标中，③建设用地面积比例指标值为评价渠段上游集水区内的建设用地面积与集水区总面积的比值。
(2)汇流过流能力类风险评价指标中，
④江河行洪断面束窄指标值为，存在行洪断面束窄的较大河流数与评价渠段较大河流总数的比值；
⑤河道地形变化指标值为，在交叉断面上游1km至下游3km范围内存在采砂坑的河流数与评价渠段较大河流总数的比值；
⑥汇流路径归并指标值为，所评价渠段目前河流条数与工程建设前河流总条数的比值；其中，工程建设前河流条数基于实际调查获取，也可基于工程区数字高程模型DEM提取获取；
⑦有无排水通道指标值为，左岸排水工程中存在出口无排水通道和排水不通畅的工程数量的比例；
⑧建筑物自身淤堵指标值为，左岸排水建筑物中存在自身淤堵的建筑物数量与左岸排水建筑物总数的比值；
⑨建筑物存在易堵风险指标值为，左岸排水建筑物中有易堵风险的建筑物(如，排水倒虹吸、排水渡槽等)数量与左岸排水建筑物总数的比值。
(3)渠段工程地质特性类风险风险评价指标中，
⑩不良地质段比例指标值为，不良地质段(如，膨胀土段与高地下水位段)长度与所评价渠段总长度的比值；
(4)经济社会布局风险评价指标中，
对所述降雨产流类风险评价指标中的①50年一遇最大1日降雨量指标值、②50年一遇最大3日降雨量指标值和所述经济社会布局风险评价指标中的
离干渠较近村庄和城镇数量指标值进行归一化处理。
采用极值化方法中的最大值法进行归一化处理时，将①50年一遇最大1日降雨量指标值、②50年一遇最大3日降雨量指标值的原始数据分别除以同系列降雨量指标的最大值；将
离干渠较近村庄和城镇数量指标值的原始数据除以同系列数量指标的最大值，即可得到相应指标的归一化处理后的结果。
进一步，所述13个二级防洪风险因子指标值中的①50年一遇最大1日降雨量、②50年一遇最大3日降雨量、③建设用地面积比例、④江河行洪断面束窄指标值、⑤河道地形变化指标值、⑦有无排水通道指标值、⑧建筑物自身淤堵指标值、⑨建筑物存在易堵风险指标值、⑩不良地质段比例、
深挖方渠段比例、
离干渠较近村庄和城镇数量是正向指标，即值越大风险越大；所述⑥汇流路径归并指标值、
村庄和城镇距离输水干渠远近指标值为逆向指标，即值越小风险越大，因此需要将逆向指标反向处理转化为正向指标，从而使所有指标具有一致的风险效应，满足综合评估的需要。
步骤E、层次分析法计算指标权重，包括：
对所述(1)降雨产流、(2)汇流过流能力、(3)渠段工程地质特性、(4)经济社会布局等4个一级防洪风险因子分别赋予权重。
对所述①50年一遇最大1日降雨量、②50年一遇最大3日降雨量、③建设用地面积比例、④江河行洪断面束窄指标值、⑤河道地形变化指标值、⑥汇流路径归并指标值、⑦有无排水通道指标值、⑧建筑物自身淤堵指标值、⑨建筑物存在易堵风险指标值、⑩不良地质段比例、
深挖方渠段比例、
离干渠较近村庄和城镇数量、
村庄和城镇距离输水干渠远近指标值等13个二级防洪风险因子分别赋予权重。
所述13个二级防洪风险因子的权重分别与其所归属的一级防洪风险因子权重相乘，其乘积为13个二级防洪风险因子评价指标的综合权重。
在步骤E中，根据专家打分及工程管理人员经验，给予一级防洪风险因子和二级防洪风险因子的权重排序，其中：
所述4个一级防洪风险因子权重排序为，(2)汇流过流能力＞(1)降雨产流＞(3)渠段工程地质特性＞(4)经济社会布局；
所述4个一级防洪风险因子中的二级防洪风险因子权重数值排序为，
针对(1)降雨产流的二级防洪风险因子权重排序为：①50年一遇最大1日降雨量＞②50年一遇最大3日降雨量＞③建设用地面积比例；
针对(2)汇流过流能力的二级防洪风险因子权重排序为：⑦有无排水通道＞⑥汇流路径归并、⑧建筑物自身淤堵、⑨建筑物存在易堵风险＞④江河行洪断面束窄、⑤河道地形变化；
针对(3)渠段工程地质特性的二级防洪风险因子，⑩不良地质段比例与
深挖方渠段比例的权重相同或大致相同；
针对(4)经济社会布局的二级防洪风险因子，
离干渠较近村庄和城镇数量与
村庄和城镇距离输水干渠远近比例的权重相同或大致相同。
步骤F、利用所述步骤D得到的归一化的各二级防洪风险因子指标值和步骤E的4个一级防洪风险因子权重、13个二级防洪风险因子权重，构建洪水风险评价模型，确定评价渠段综合防洪风险等级。
所述步骤F通过洪水风险评价模型，获得评价渠段综合防洪风险指数，
FR＝R+F+C+S (1-0)
式中，
FR——综合防洪风险指数，
R——一级防洪风险因子(1)降雨产流防洪风险指数，
F——一级防洪风险因子(2)汇流过流能力防洪风险指数，
C——一级防洪风险因子(3)渠道工程地质特性防洪风险指数，
S——一级防洪风险因子(4)经济社会布局防洪风险指数，
式中，
ZRi——(1)降雨产流防洪风险因子下属的二级防洪风险因子指标值，
WRi——(1)降雨产流防洪风险因子权重值，
W′Ri——(1)降雨产流防洪风险因子下属二级防洪风险因子权重值，
公式1-1中，i值为1、2、3，为一级防洪风险因子的(1)降雨产流防洪风险因子下属的3个二级防洪风险因子；
ZFi——(2)汇流过流能力防洪风险因子下属的二级防洪风险因子指标值，
WFi——(2)汇流过流能力防洪风险因子权重值，
W′Fi——(2)汇流过流能力防洪风险因子下属二级防洪风险因子权重值，
公式1-2中，i值为1～6，为一级防洪风险因子的(2)汇流过流能力防洪风险因子下属的6个二级防洪风险因子；
ZCi——(3)渠段工程地质特性防洪风险因子下属的二级防洪风险因子指标值，
WCi——(3)渠段工程地质特性防洪风险因子权重值，
W′Ci——(3)渠段工程地质特性防洪风险因子下属二级防洪风险因子权重值，
公式1-3中，i值为1、2，为一级防洪风险因子的(3)渠段工程地质特性防洪风险因子下属的2个二级防洪风险因子；
ZSi——(4)经济社会布局防洪风险因子下属的二级防洪风险因子指标值，
WSi——(4)经济社会布局防洪风险因子权重值，
W′Si——(4)经济社会布局防洪风险因子下属二级防洪风险因子权重值，
公式1-4中，i值为1、2，为一级防洪风险因子的(4)经济社会布局防洪风险因子下属的2个二级防洪风险因子。
基于GIS自带的自然分割法(Natural Breaks)，按方差拟合优度最高的原则，将所有评价渠段的综合防洪风险指数进行排序分级，确定各评价渠段综合防洪风险等级。
进一步，所述综合防洪风险等级分为3个或3个以上。
当所述综合防洪风险等级为3个时，自然分割法提供2个界限值，将综合防洪风险指数划分为(0，界限值1]、(界限值1，界限值2]、(界限值2，1)三个区间，一般将综合防洪风险指数对应在上述3个区间的评价渠段，依次划分为低风险、中风险、高风险等三个等级。
当所述综合防洪风险等级为4个时，自然分割法提供3个界限值，将综合防洪风险指数划分为(0，界限值1]、(界限值1，界限值2]、(界限值2，界限值3]、(界限值3，1)四个区间，一般将综合防洪风险指数对应在上述4个区间的评价渠段，依次划分为无风险、低风险、中风险和高风险等四个等级。
实施例：
某大型调水工程输水干渠明渠全长超过1200km，包括39个渠段，以渠段作为评价单元，进行调水工程综合防洪风险评估。
步骤A、调水工程的防洪资料收集整理
搜集工程区及周边国家基本气象站1961-2011年逐日降雨资料，2010年土地利用数据，90m网格DEM，输水渠段工程地质特性，交叉建筑物及附近上下游河道资料，以及渠道两侧经济社会布局信息。其中的交叉建筑物及附近上下游河道资料包括：行洪断面束窄情况、建筑物自身淤积情况、淤堵风险、出口排水条件、河道地形变化情况等。
步骤B、一级防洪风险因子识别
对调水工程的(1)降雨产流、(2)汇流过流能力、(3)渠段工程地质特性、(4)经济社会布局4个一级防洪风险因子进行分析识别，其中：
(1)降雨产流因子，部分渠段上游紧临暴雨洪水多发区，降雨强度大，局地性强；工程跨多个省、市，流域下垫面条件有较大差异，随着经济社会快速发展，建设用地面积有增加趋势，尤其是在穿越城镇的渠段更为明显；不透水面积的增加影响着汛期产水量和汇流速度，加剧了暴雨洪水对输水干渠的威胁；
(2)汇流过流能力因子，根据河流大小及河底高程与渠底高程关系，在输水干渠与河流交叉断面采用了不同的穿(跨)交叉布设方式。考虑节约工程成本，对一些较小的河流进行了归并，使各沟道原本相对独立的分散排水改为通过交叉建筑物的集中排水。对于大型河渠交叉建筑物，基本不改变河道自然形态，但存在上下游行洪断面束窄引起水位壅高，或上下游河道存在采砂坑容易引起溯源冲刷的风险，危及建筑物结构安全等；对于左岸排水建筑物，由于河流形态发生改变，存在建筑物自身泥沙淤积或汛期容易被生活垃圾、滑坡泥石流等淤堵的风险，左排建筑物还存在出口排水不畅、甚至没有排水通道的情况，这些因素都会降低河渠交叉断面的汇流过流能力；
(3)渠段工程地质特性，输水干渠不同渠段工程地质特性差异较大，全挖方渠段长，少数渠段挖深超过30m，主要防洪风险是外洪入渠及汛期发生长时间持续降雨易造成渠坡失稳，影响工程安全运行；另外，不良地质渠段也存在不同程度的防洪安全风险，如膨胀土(岩)渠段易出现边坡裂缝滑塌、高地下水位渠段容易产生渗透破坏等；
(4)经济社会布局，干渠穿越人口稠密区，一旦左岸发生超标准洪水，引发某处或多处河渠交叉建筑物失事，影响干渠输供水的同时，更对左右两岸人民生命财产安全产生巨大威胁。
步骤C、防洪风险评价指标体系构建
基于步骤B对该调水工程的一级防洪风险因子识别，将步骤B中的4个一级防洪风险因子分解为13个二级防洪风险因子，构建具有层次结构的调水工程防洪风险评价指标体系。二级防洪风险因子共13个，包括：
反映(1)降雨产流的①50年一遇最大1日降雨量、②50年一遇最大3日降雨量、③建设用地面积比例等3个指标；
反映(2)汇流过流能力的④江河行洪断面束窄指标值、⑤河道地形变化指标值、⑥汇流路径归并指标值、⑦有无排水通道指标值、⑧建筑物自身淤堵指标值、⑨建筑物存在易堵风险指标值等6个指标；
反映(3)渠段工程地质特性类风险的⑩不良地质段比例、
深挖方渠段比例等2个指标；
反映(4)经济社会布局风险的
离干渠较近村庄和城镇数量、
村庄和城镇距离输水干渠远近指标值等2个指标。
步骤D、防洪风险因子指标数值计算及归一化处理
按照技术方案提出的指标计算方法，分别计算39个评价单元的防洪风险因子指标数值，并采用极值法中最大值法，对①50年一遇最大1日降雨量指标值、②50年一遇最大3日降雨量指标值、
离干渠较近村庄和城镇数量指标值进行无量纲化处理；对⑥汇流路径归并情况、
村庄和城镇距离输水干渠远近情况指标值采取反向处理转化，使各基础指标属性统一，最终得到的各指标值作为单一评价因子的风险指数。
以渠段M为例，基于90mDEM，应用GIS空间分析工具(Spatial Analyst Tools)中的水文分析模块(Hydrology)，提取渠段M上游集水区流域面图层，及渠段建设前天然河流条数信息，经统计，渠段M上游集水区流域总面积为479.96km2，渠段建设前天然河流条数为21条。
提取各气象站年最大1日降雨、最大3日降雨系列，按频率分析法得到各站50年一遇的最大1日降雨量与最大3日降雨量，基于GIS平台，选用克里格法对站点进行空间插值展布，得到0.5°×0.5°降雨量栅格数据，与渠段M上游集水区图层叠加，以相应栅格平均降雨量作为集水区面降雨量进行指标计算，渠段M上游集水区①50年一遇最大1日和②50年一遇最大3日降雨量分别为157mm和257mm。
结合渠段M上游集水区流域面图层与土地利用数据，应用GIS掩模提取工具(Extract)提取并统计评价单元上游集水区内建设用地面积信息，经统计，渠段M上游集水区内建设用地面积为8km2，则③建设用地面积比例指标值为0.0167。
从渠段M工程管理处获取交叉建筑物及其附近上下游河道资料，包括行洪断面束窄情况、建筑物自身淤积情况及其淤堵风险、出口排水条件、河道地形变化情况等信息，通过现场调查或借助高清的谷歌影像进行核查和验证。经调查，渠段M共有各类交叉建筑物19座，其中大型河渠交叉建筑物2座，左岸排水建筑物17座。在大型河渠交叉建筑物中，附近上下游河道行洪断面束窄的有2个，交叉断面上游1km、下游3km河道范围内存在采砂坑的河流数为1条；在左岸排水建筑物中，建筑物自身存在淤堵情况的有16个，存在淤堵风险的有8个，出口排水不畅的有9个。因此，渠段M反映(2)汇流过流能力的④江河行洪断面束窄指标值、⑤河道地形变化指标值、⑥汇流路径归并指标值、⑦有无排水通道指标值、⑧建筑物自身淤堵指标值、⑨建筑物存在易堵风险指标值分别为1、0.5、0.9047、0.5294、0.9412、0.4706。渠段M有长度为24.52km的不良地质段，无深挖方渠段，分别除以渠段M的总长度30.271km，得到⑩不良地质段比例和
深挖方渠段比例的指标值分别为0.81和0。
借助google earth工具统计渠段M上游1km至下游3km范围内的村庄、城镇数量及其与干渠距离。渠段M上游1km至下游3km内的村庄和城镇数量分别为35个和114个，取两者之和149作为渠段
离干渠较近村庄和城镇数量指标值；渠段M上游1km至下游3km内村庄、城镇距离干渠平均距离分别为0.519km和1.494km，分别令其除以1km和3km，得到数值0.519和0.498，取其较小者0.498作为
村庄和城镇距离输水干渠远近指标值。
参照渠段M的计算方法，分别计算其他38个渠段的13个二级防洪风险因子评价指标值。
针对渠段M采用极值法中最大值法，对①50年一遇最大1日降雨量、②50年一遇最大3日降雨量、
离干渠较近村庄和城镇数量进行无量纲化处理。对⑥汇流路径归并指标值、
村庄和城镇距离输水干渠远近指标值采取反向处理转化，以渠段M为例，分别以“1－汇流路径归并指标值”和“1－村庄和城镇距离输水干渠远近指标值”，即0.0953和0.502作为评价指标值，使各基础指标属性统一、风险效应一致。
由此，渠段M的①50年一遇最大1日降雨量、②50年一遇最大3日降雨量、③建设用地面积比例、④江河行洪断面束窄指标值、⑤河道地形变化指标值、⑥汇流路径归并指标值、⑦有无排水通道指标值、⑧建筑物自身淤堵指标值、⑨建筑物存在易堵风险指标值、⑩不良地质段比例、
深挖方渠段比例、
离干渠较近村庄和城镇数量、
村庄和城镇距离输水干渠远近指标值分别为：0.8120、0.7618、0.0167、1、0.5、0.0953、0.5294、0.9412、0.4706、0.81、0、0.517、0.502。类似地，最终得到所有39个评价渠段的各项归一化和反向处理转化为正向指标的指标值。
步骤E、层次分析法计算指标权重
采用层次分析法，经过确定目标和评价指标集、构造判断矩阵、计算权重矩阵、一致性检验等步骤计算指标权重，降雨产流、汇流过流能力、渠段工程地质特性、经济社会布局4个一级防洪风险因子的权重分别为0.2594、0.5577、0.1124、0.0705；类似地，再分别计算各一级防洪风险因子所属二级防洪风险因子的权重，并与相应的一级指标权重相乘，得到①50年一遇最大1d降雨量、②最大3d降雨量、③建设用地面积比例、④江河行洪断面束窄指标值、⑤河道地形变化指标值、⑥汇流路径归并指标值、⑦有无排水通道指标值、⑧建筑物自身淤堵指标值、⑨建筑物存在易堵风险指标值、⑩不良地质段比例、
深挖方渠段比例、
村庄和城镇距离输水干渠远近指标值、
离干渠较近村庄和城镇数量13个二级防洪风险因子的综合权重值分别为0.1617、0.0621、0.0356、0.0683、0.0247、0.0410、0.2303、0.0683、0.1252、0.0562、0.0562、0.0353、0.0353。
步骤F、确定评价渠段综合防洪风险等级
基于步骤D计算得到的渠段M的13个二级防洪风险因子指标值，以及步骤E得到的4个一级防洪风险因子和13个二级防洪风险因子的权重值，带入公式1-1、1-2、1-3和1-4中计算，之后将公式1-1、1-2、1-3、1-4的值带入公式1-0，得到渠段M的综合防洪风险指数。之后，采用同样的方法步骤逐一得到其它38个渠段相应的综合防洪风险指数；再利用Arcgis10.1平台中Natural Breaks(Jenks)工具对综合防洪风险指数进行等级划分，当等级设置为4级时，由系统提供0.1952、0.4129、0.5161界限值，将评价结果划分为(0，0.1952]、(0.1952，0.4129]、(0.4129，0.5161]、(0.5161，1)4个区间，分别对应无风险、低风险、中风险、高风险4个等级。结果表明，39个评价单元中，7个评价单元为防洪高风险，16个评价单元为防洪中风险，14个评价单元为防洪低风险，2个评价单元为无风险。
与现有技术相比，本发明对洪水风险因子的识别更为系统全面，不局限于水文因素，还考虑了不同交叉建筑物结构特点、渠段工程地质特性、经济社会布局等；各指标含义清晰，资料相对容易获取，指标数学表达直观，指标权重赋值可以用层次分析法等主流方法实现，评估方法容易被一般工程管理人员理解和掌握。
本发明不仅适用于大型跨流域调水工程运行管理阶段的综合防洪风险评价及风险管理，对于规划设计阶段从防洪角度考虑工程输水线路布局亦有参考价值；也适用高速公路、铁路等类似的跨自然河系的长距离线状复杂工程系统。
尽管本发明公开的技术方案聚焦于大型调水工程运行管理阶段的防洪风险识别及评价，但对本发明提出评价指标体系稍作修改调整后，即去掉建筑物自身淤堵情况指标而保留其他指标，也可用于工程规划设计阶段从防洪角度支撑输水线路优化布局建议。
本发明提出指标无量纲方法采用极值法中的最大值法，也可用标准化、均值化以及标准差化等方法替代；本发明提出指标权重确定方法为层次分析法，也可用熵权法、组合权重法等其他方法替代；本发明提出综合防洪风险指数用Natural Breaks(Jenks)工具进行分级，也可用Standard Deviation、Geometrical Interval、Quantile等其他分级方法代替。
应该注意的是，上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够设计很多替代实施例而不脱离本专利的权利要求范围。
Claims (9)
1.一种调水工程防洪风险识别及评价方法，其步骤如下：
A、调水工程的防洪资料收集整理，
将调水工程分成若干评价渠段，分渠段收集防洪资料；
B、一级防洪风险因子识别，
一级防洪风险因子至少包括：降雨产流、汇流过流能力、渠段工程地质特性、经济社会布局；
C、防洪风险评价指标体系构建，
将步骤B中的一级防洪风险因子分解为二级防洪风险因子，构建具有层次结构的调水工程防洪风险评价指标体系；
D、防洪风险因子指标数值计算及归一化处理，
对所述步骤C中的二级防洪风险因子评价指标数值按照保持各指标数值变异系数不变的原则，进行指标无量纲化处理，使其均为0～1区间的值；
E、层次分析法计算指标权重，包括：
对所述一级防洪风险因子分别赋予权重，
对所述二级防洪风险因子分别赋予权重，
所述二级防洪风险因子的权重分别与其所归属的一级防洪风险因子权重相乘，其乘积为二级防洪风险因子评价指标的综合权重；
F、确定评价渠段综合防洪风险等级，
利用所述步骤D得到的归一化的各二级防洪风险因子指标值和步骤E的一级防洪风险因子权重、二级防洪风险因子权重，构建洪水风险评价模型。
2.根据权利要求1所述调水工程防洪风险识别及评价方法，其特征是：所述步骤A的工程渠段防洪资料包括，降雨资料，土地利用，数字高程模型DEM，输水渠段工程地质特性，交叉建筑物及附近上下游河道资料，以及渠道两侧经济社会布局信息；其中的交叉建筑物及附近上下游河道资料包括，行洪断面束窄情况、建筑物自身淤积情况、淤堵风险、出口排水条件、河道地形变化情况。
3.根据权利要求2所述调水工程防洪风险识别及评价方法，其特征是：所述步骤C中的二级防洪风险因子是，
所述降雨产流类风险评价指标包括：50年一遇最大1日降雨量、50年一遇最大3日降雨量、建设用地面积比例；
所述汇流过流能力类风险评价指标包括：江河行洪断面束窄指标值、河道地形变化指标值、汇流路径归并指标值、有无排水通道指标值、建筑物自身淤堵指标值、建筑物存在易堵风险指标值；
所述渠段工程地质特性类风险评价指标包括：不良地质段比例、深挖方渠段比例；
所述经济社会布局风险评价指标包括：离干渠较近村庄和城镇数量、村庄和城镇距离输水干渠远近指标值。
4.根据权利要求3所述调水工程防洪风险识别及评价方法，其特征是：所述步骤D中，计算二级防洪风险因子指标值，
所述降雨产流类风险评价指标值中，50年一遇最大1日降雨量、50年一遇最大3日降雨量的计算方法如下，
首先，获取年最大1日和年最大3日降雨系列数据，
然后，用频率分析法计算各气象站点50年一遇最大1日降雨量和50年一遇最大3日降雨量，
之后，采用空间展布方法将各气象站点的点数据插值展布到空间面上，获得区域降雨量的栅格数据，得到评价渠段上游集水区的50年一遇最大1日降雨量指标值、50年一遇最大3日降雨量指标值；
所述降雨产流类风险评价指标中，建设用地面积比例指标值为，评价渠段上游集水区内的建设用地面积与集水区总面积的比值；
所述汇流过流能力类风险评价指标中，
所述江河行洪断面束窄指标值为，存在行洪断面束窄的较大河流数与评价渠段较大河流总数的比值，
所述河道地形变化指标值为，在交叉断面上游1km至下游3km范围内存在采砂坑的河流数与评价渠段较大河流总数的比值，
所述汇流路径归并指标值为，评价渠段目前河流条数与工程建设前河流总条数的比值；
所述有无排水通道指标值为，左岸排水工程中存在出口无排水通道和排水不通畅的工程数量的比例，
所述建筑物自身淤堵指标值为，左岸排水建筑物中存在自身淤堵的建筑物数量与左岸排水建筑物总数的比值，
所述建筑物存在易堵风险指标值为，左岸排水建筑物中有易堵风险的建筑物数量与左岸排水建筑物总数的比值；
所述渠段工程地质特性类风险风险评价指标中，
所述不良地质段比例指标值为，不良地质段长度与所评价渠段总长度的比值，
所述深挖方渠段比例指标值为，深挖方渠段长度与所评价渠段总长度的比值；
所述经济社会布局风险评价指标中，
所述离干渠较近村庄和城镇数量指标值为，评价渠段上游1km至下游3km范围内两侧的村庄和城镇数量之和；
所述村庄和城镇距离输水干渠远近指标值为，计算上游1km内的村庄、城镇与干渠的平均距离除以1km所得数值，计算下游3km内的村庄、城镇与干渠的平均距离除以3km所得数值，取两者较小值；
对所述降雨产流类风险评价指标中的50年一遇最大1日降雨量指标值、50年一遇最大3日降雨量指标值和所述经济社会布局风险评价指标中的离干渠较近村庄和城镇数量指标值进行归一化处理。
5.根据权利要求4所述调水工程防洪风险识别及评价方法，其特征是：
所述步骤E中的4个一级防洪风险因子权重排序为，
汇流过流能力＞降雨产流＞渠段工程地质特性＞经济社会布局；
所述4个一级防洪风险因子中二级防洪风险因子权重数值排序为，
针对所述降雨产流的二级防洪风险因子权重排序为：50年一遇最大1日降雨量＞50年一遇最大3日降雨量＞建设用地面积比例；
针对所述汇流过流能力的二级防洪风险因子权重排序为：有无排水通道＞汇流路径归并、建筑物自身淤堵、建筑物存在易堵风险＞江河行洪断面束窄、河道地形变化；
针对所述渠段工程地质特性的二级防洪风险因子，不良地质段比例与深挖方渠段比例的权重相同；
针对所述经济社会布局的二级防洪风险因子，离干渠较近村庄和城镇数量与村庄和城镇距离输水干渠远近比例的权重相同。
6.根据权利要求5所述调水工程防洪风险识别及评价方法，其特征是：所述步骤F通过洪水风险评价模型，获得评价渠段综合防洪风险指数，
FR＝R+F+C+S
式中，
FR——综合防洪风险指数，
R——一级防洪风险因子降雨产流防洪风险指数，
F——一级防洪风险因子汇流过流能力防洪风险指数，
C——一级防洪风险因子渠道工程地质特性防洪风险指数，
S——一级防洪风险因子经济社会布局防洪风险指数，
式中，
ZRi——降雨产流防洪风险因子下属的二级防洪风险因子指标值，
WRi——降雨产流防洪风险因子权重值，
W′Ri——降雨产流防洪风险因子下属二级防洪风险因子权重值，
ZFi——汇流过流能力防洪风险因子下属的二级防洪风险因子指标值，
WFi——汇流过流能力防洪风险因子权重值，
W′Fi——汇流过流能力防洪风险因子下属二级防洪风险因子权重值，
ZCi——渠段工程地质特性防洪风险因子下属的二级防洪风险因子指标值，
WCi——渠段工程地质特性防洪风险因子权重值，
W′Ci——渠段工程地质特性防洪风险因子下属二级防洪风险因子权重值，
ZSi——经济社会布局防洪风险因子下属的二级防洪风险因子指标值，
WSi——经济社会布局防洪风险因子权重值，
W′Si——经济社会布局防洪风险因子下属二级防洪风险因子权重值；
基于GIS自带的自然分割法(Natural Breaks)，按方差拟合优度最高的原则，将所有评价渠段的综合防洪风险指数进行排序分级，确定各评价渠段综合防洪风险等级。
7.根据权利要求6所述调水工程防洪风险识别及评价方法，其特征是：所述综合防洪风险等级为3个或3个以上；
当所述综合防洪风险等级为3个时，自然分割法提供2个界限值，将综合防洪风险指数划分为(0，界限值1]、(界限值1，界限值2]、(界限值2，1)三个区间，依次为低风险、中风险、高风险。
8.根据权利要求6所述调水工程防洪风险识别及评价方法，其特征是：
当所述综合防洪风险等级为4个时，自然分割法提供3个界限值，将综合防洪风险指数划分为(0，界限值1]、(界限值1，界限值2]、(界限值2，界限值3]、(界限值3，1)四个区间，依次为无风险、低风险、中风险和高风险。
9.根据权利要求4所述调水工程防洪风险识别及评价方法，其特征是：
所述汇流路径归并指标值、村庄和城镇距离输水干渠远近指标值为逆向指标，将逆向指标反向处理转化为正向指标。
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