CN113935609A - 一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法 - Google Patents

一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法，步骤依次包括基础资料收集与处理、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系构建、溃口险工段选择与凌汛期堤防危险度赋值、凌汛溃堤洪水淹没过程模拟计算、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度计算与长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险区划与评估；凌汛洪水淹没联合风险度计算包括联合风险评估指标赋值、联合风险评估指标权重计算与凌汛洪水淹没联合风险度计算；长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险区划与评估包括凌汛洪水淹没联合风险度分级聚类、联合风险度风险区划与联合风险评估；本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法具有设计严谨、切合实际、适于应用的特点。

Description

一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法
技术领域
本发明涉及一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法。
背景技术
随着全球气候变暖趋势的不断加剧，极端天气条件下突发链发性凌汛溃堤灾害已逐渐成为寒区河道冬春季节最突出的重大自然灾害之一，具有险点多、险段长、影响范围广等特点，凌汛洪水溃堤灾害呈现致灾机理复杂、突发链发性强、防控难度大等特征。据记载，1951年黄河内蒙古河套堤段凌汛漫溢决口60余处，2008年三湖河口堤段决口2处，可见开展长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估，具有重要意义。目前，已有的相关研究成果多集中夏秋季伏汛期局部堤防失事破坏风险评价、凌汛期单一溃口洪水淹没风险分析与评估等方面，鲜有学者关注长河段多溃口凌汛洪水淹没区域的风险分布特征，而现今极端天气频繁发生，凌汛期极端低温或高温或冷暖剧变速度加快等现象会更加突出，凌汛期寒区河道自上游至下游更容易形成梯级冰坝，造成冰坝连锁溃决，多处堤防溃决淹没成灾，因此长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估显得更为重要，而这也是新时期气候变化应对背景下凌汛灾害防御与风险管理的重要内容。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法。
本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法的技术方案是这样实现的：一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法，依次包括下列步骤：
1、基础资料收集与处理
根据溃口险工段选择与凌汛期堤防危险度分析、凌汛溃堤洪水耦合模拟、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度计算及风险区划评估的需要，收集研究区域的河道实测断面、堤防设计资料、堤外区域地形资料、耕地与建筑房屋分布资料，并按照不同使用要求对其进行系统化地整编处理；
2、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系构建
依据层次分析法，建立目标层、准则层与指标层三层递阶结构的长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系，上述目标层是指长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度A；上述准则层是指凌汛溃堤洪水淹没易损度B1(单一溃口)与凌汛期堤防危险度B2，其中B1是指致灾因子危险性C1、孕灾环境敏感性C2与承灾体易损性C3，上述指标层是指致灾因子危险性C1、孕灾环境敏感性C2与承灾体易损性C3共同涵盖的八个指标，致灾因子危险性C1包括凌汛洪水最大淹没水深D1、凌汛洪水最大流速D2与凌汛洪水前锋到达时间D3三个指标，主要反映凌汛溃堤洪水影响下人体及建筑物的淹没状态、冲击压力、冰冻时长和人员避难反应时长；孕灾环境敏感性C2包括数字地形高程D4、地形坡度D5与距溃口直线距离D6三个指标，主要反映地形地貌对凌汛溃堤洪水演进及淹没风险的影响；承灾体易损性C3包括建筑房屋面积占比D7与耕地面积占比D8二个指标，主要反映淹没范围内人口、GDP、耕地等影响或损失情况；
3、溃口险工段选择与凌汛期堤防危险度赋值
综合考虑研究区域历史冰塞或冰坝灾害发生位置、历史凌汛期堤防溃决险工段分布情况、堤防防凌设计标准、堤防以外区域内的居民集中情况各种因素，结合历年凌汛期防凌重点关注的堤防区域，筛选最有可能发生溃决的溃口险工段，确定凌汛溃堤洪水可能淹没的最大泛区范围，并根据防凌专家经验，以主观因素为主导，对选定的溃口险工段赋予凌汛期堤防危险度，凌汛期堤防危险度赋值范围为0～1，凌汛期堤防危险度越大代表凌汛期堤防越容易发生溃决；
4、凌汛溃堤洪水淹没过程模拟计算
根据步骤3选定的溃口险工段及凌汛溃堤洪水可能淹没的最大泛区范围，结合河道断面和区域高程数据资料，剖分泛区范围内的计算网格，建立凌汛溃堤洪水耦合计算模型，设定出入流条件和模型糙率计算参数，模拟相同条件下不同溃口位置凌汛洪水淹没过程；
5、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度计算
(1)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系指标层各项指标赋值
根据步骤4凌汛溃堤洪水淹没过程模拟计算结果，提取淹没区域以及淹没区域内每个计算网格对应的凌汛洪水最大淹没水深D1、凌汛洪水最大流速D2和凌汛洪水前锋到达时间D3，如果不同溃口凌汛洪水淹没范围存在重叠现象，则取不同计算网格淹没数据叠加后的凌汛洪水最大淹没水深D1、凌汛洪水最大流速D2、凌汛洪水前锋最短到达时间D3；根据溃口险工段和每个计算网格的位置坐标，计算每个网格距溃口的直线距离D6，同时基于淹没区域的数字地形高程D4和土地利用数据，利用GIS平台计算每个网格对应的地形坡度D5、建筑房屋面积占比D7和耕地面积占比D8，对不同淹没区域长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系指标层各项指标数据进行空间网格化处理，由此对不同淹没区域长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标即各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标进行赋值，并对其进行数据标准化；
(2)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系指标层各项指标权重计算
根据层次分析法构建单一溃口凌汛溃堤洪水淹没易损度评估判断矩阵，在满足一致性检验(CI＜0.1)条件下，采用模糊层次分析法(FAHP)、熵权法和基于权重差异性进行均匀化和归一化处理的改进FAHP-熵权法，分别计算长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估体系指标层各项指标即单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重，通过对比分析不同方法对应的上述单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重计算结果，确定最优赋权方法和单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重取值；
(3)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度计算
1)、单一溃口凌汛溃堤洪水淹没易损度计算，根据步骤5(2)长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估体系指标层各项指标即单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重与步骤5(1)不同淹没区域长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估体系指标层各项指标即单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标的标准化数据加权求和计算不同淹没区域单一溃口凌汛溃堤洪水淹没易损度即为不同淹没区域不耦合凌汛期堤防危险度的凌汛洪水淹没风险度；
2)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度计算，本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法通过考虑凌汛期堤防危险度空间分布的差异性，耦合凌汛期堤防危险度与单一溃口凌汛溃堤洪水淹没易损度，利用下列公式1至公式3计算不同淹没区域长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度：
SRDi＝η·FRDi (1)
Figure BDA0003293950190000051
i,j＝1,2,......,n (3)
上式中：SRDi为长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度；FRDi为单一溃口凌汛溃堤洪水淹没易损度(简称凌汛溃堤洪水淹没易损度)；DRDi为凌汛期堤防危险度；η反映了上下游堤段相对出险概率；n为溃口数量
6、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险区划与评估
(1)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度分级聚类
采用K-means聚类算法对步骤5(3)2)不同淹没区域的长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度(简称凌汛洪水淹没联合风险度)进行整体分级聚类，建立不同聚类中心数目k与簇聚类中心距离误差平方和SSE的关联曲线，利用手肘法确定长河段多溃口凌汛洪水淹没风险等级(简称凌汛洪水淹没风险等级)划分；
(2)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度风险区划
根据步骤5(3)2)不同淹没区域凌汛洪水淹没联合风险度计算结果与步骤6(1)不同淹没区域凌汛洪水淹没风险等级，基于GIS平台绘制并对比分析不同淹没区域耦合凌汛期堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险分布图与不耦合凌汛期堤防危险度(简称堤防危险度)的凌汛洪水淹没联合风险分布图；
(3)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估
根据不同淹没区域凌汛溃堤洪水淹没联合风险分布图，分析不同溃口淹没区域内不同风险等级对应的具体位置，比较评估不同溃口淹没区域凌汛洪水淹没联合风险分布情况，论证本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法的合理性和适用性。
本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法中长河段是指河段长度不小于河道平均宽度的5倍。
本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法中多溃口是指溃口数量不少于2个。
本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法具有设计严谨、切合实际、适于应用的特点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
图1是一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法流程图；
图2是长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系图；
图3是溃口险工段分布图；
图4是凌汛溃堤洪水耦合计算模型入流、出流条件图；其中：
图4-1是凌汛溃堤洪水耦合计算模型入流条件图；
图4-2是凌汛溃堤洪水耦合计算模型出流条件图；
图5是区域1--区域5凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标赋值结果图；其中：
图5-1是区域1凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标赋值结果图；其中：
图5-1-1是区域1凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D1赋值结果图；
图5-1-2是区域1凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D2赋值结果图；
图5-1-3是区域1凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D3赋值结果图；
图5-1-4是区域1凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D4赋值结果图；
图5-1-5是区域1凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D5赋值结果图；
图5-1-6是区域1凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D6赋值结果图；
图5-1-7是区域1凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D7赋值结果图；
图5-1-8是区域1凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D8赋值结果图；
图5-2是区域2凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标赋值结果图；其中：
图5-2-1是区域2凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D1赋值结果图；
图5-2-2是区域2凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D2赋值结果图；
图5-2-3是区域2凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D3赋值结果图；
图5-2-4是区域2凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D4赋值结果图；
图5-2-5是区域2凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D5赋值结果图；
图5-2-6是区域2凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D6赋值结果图；
图5-2-7是区域2凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D7赋值结果图；
图5-2-8是区域2凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D8赋值结果图；
图5-3是区域3凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标赋值结果图；其中：
图5-3-1是区域3凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D1赋值结果图；
图5-3-2是区域3凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D2赋值结果图；
图5-3-3是区域3凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D3赋值结果图；
图5-3-4是区域3凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D4赋值结果图；
图5-3-5是区域3凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D5赋值结果图；
图5-3-6是区域3凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D6赋值结果图；
图5-3-7是区域3凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D7赋值结果图；
图5-3-8是区域3凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D8赋值结果图；
图5-4是区域4凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标赋值结果图；其中：
图5-4-1是区域4凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D1赋值结果图；
图5-4-2是区域4凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D2赋值结果图；
图5-4-3是区域4凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D3赋值结果图；
图5-4-4是区域4凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D4赋值结果图；
图5-4-5是区域4凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D5赋值结果图；
图5-4-6是区域4凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D6赋值结果图；
图5-4-7是区域4凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D7赋值结果图；
图5-4-8是区域4凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D8赋值结果图；
图5-5是区域5凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标赋值结果图；其中：
图5-5-1是区域5凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D1赋值结果图；
图5-5-2是区域5凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D2赋值结果图；
图5-5-3是区域5凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D3赋值结果图；
图5-5-4是区域5凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D4赋值结果图；
图5-5-5是区域5凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D5赋值结果图；
图5-5-6是区域5凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D6赋值结果图；
图5-5-7是区域5凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D7赋值结果图；
图5-5-8是区域5凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标D8赋值结果图；
图6是凌汛溃堤洪水淹没易损度评估判断矩阵图；
图7是凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重计算结果曲线图；
图8是区域1--区域5凌汛溃堤洪水淹没联合风险度分布图；其中：
图8-1是区域1凌汛溃堤洪水淹没联合风险度分布图；
图8-2是区域2凌汛溃堤洪水淹没联合风险度分布图；
图8-3是区域3凌汛溃堤洪水淹没联合风险度分布图；
图8-4是区域4凌汛溃堤洪水淹没联合风险度分布图；
图8-5是区域5凌汛溃堤洪水淹没联合风险度分布图；
图9是长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险分级聚类结果图；
图10是区域1--区域5耦合与不耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划图；其中：
图10-1是区域1耦合与不耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划图；其中：
图10-1-1是区域1耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划图；
图10-1-2是区域1不耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划图；
图10-2是区域2耦合与不耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划图；其中：
图10-2-1是区域2耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划图；
图10-2-2是区域2不耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划图；
图10-3是区域3耦合与不耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划图；其中：
图10-3-1是区域3耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划图；
图10-3-2是区域3不耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划图；
图10-4是区域4耦合与不耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划图；其中：
图10-4-1是区域4耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划图；
图10-4-2是区域4不耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划图；
图10-5是区域5耦合与不耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划图；其中：
图10-5-1是区域5耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划图；
图10-5-2是区域5不耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划图。
具体实施方式
实施例1
1、软件来源
(1)、模糊层次分析法(FAHP)、熵权法、改进FAHP-熵权法，Microsoft Office2013，excel编译程序
(2)、K-means聚类算法：OriginLab 9.0
(3)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标赋值与长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险区划图制作软件：ArcMap 10.2
2、本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法
如图1所示，本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法，依次包括如下步骤：
(1)、基础资料收集与处理
本发明以黄河内蒙古段(巴彦高勒至头道拐)为研究对象，根据溃口险工段选择与堤防危险度分析、凌汛溃堤洪水耦合模拟、凌汛洪水淹没联合风险度计算及风险区划评估的需要，收集研究区域的河道实测断面、堤防设计资料、堤外区域地形资料、耕地与建筑房屋分布资料等，并按照不同使用要求对其进行系统化地整编处理；
(2)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系构建
如图2所示，依据层次分析法，建立目标层、准则层与指标层三层递阶结构的长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系，上述目标层是指长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度A；上述准则层是指凌汛溃堤洪水淹没易损度B1(单一溃口)与凌汛期堤防危险度B2，其中B1是指致灾因子危险性C1、孕灾环境敏感性C2与承灾体易损性C3，上述指标层是指致灾因子危险性C1、孕灾环境敏感性C2与承灾体易损性C3共同涵盖的八个指标，致灾因子危险性C1包括凌汛洪水最大淹没水深D1、凌汛洪水最大流速D2与凌汛洪水前锋到达时间D3三个指标，主要反映凌汛溃堤洪水影响下人体及建筑物的淹没状态、冲击压力、冰冻时长和人员避难反应时长；孕灾环境敏感性C2包括数字地形高程D4、地形坡度D5与距溃口直线距离D6三个指标，主要反映地形地貌对凌汛溃堤洪水演进及淹没风险的影响；承灾体易损性C3包括建筑房屋面积占比D7与耕地面积占比D8二个指标，主要反映淹没范围内人口、GDP、耕地等影响或损失情况；
(3)、溃口险工段选择与堤防危险度赋值
如图3所示，综合考虑黄河内蒙古段(巴彦高勒至头道拐)历史冰塞或冰坝灾害发生位置、历史凌汛期堤防溃决险工段分布情况、堤防防凌设计标准、堤防以外区域内的居民集中情况等各种因素，结合历年凌汛期防凌重点关注的堤防区域，筛选最有可能发生溃决的溃口险工段为独贵塔拉奎素段(东西两处溃口)、打不素下游弯道右岸、羊场险工段、丁家营子、周四合营对岸下游弯道、邬二圪梁险工上游弯道，确定凌汛溃堤洪水可能淹没的最大泛区范围；根据防凌专家经验，以主观因素为主导，对选定的溃口险工段赋予堤防危险度，堤防危险度赋值范围为0～1，堤防危险度越大代表凌汛期堤防越容易发生溃决；选定溃口险工段堤防危险度赋值结果见表1
表1选定溃口险工段堤防危险度赋值结果
Figure BDA0003293950190000121
(4)、凌汛溃堤洪水淹没过程模拟计算
根据步骤3选定的溃口险工段及凌汛溃堤洪水可能淹没的最大泛区范围，结合河道断面和区域高程数据资料，剖分泛区范围内的计算网格，建立凌汛溃堤洪水耦合计算模型，如图4中图4-1与图4-2所示，设定耦合模型的上游巴彦高勒断面的入流条件和下游头道拐断面的出流条件，其中凌汛溃堤洪水耦合出流条件拟合公式为y＝-4E-09x2+0.0038x+986.46，相关系数R2＝0.9745，式中x为流量(m3/s)、y为水位(m)、E-09为10-9；溃口按照凌汛水位达到堤防保证水位时瞬间溃决到底、溃口宽度为100m，并于72h后开始封堵、24h后溃口全部合龙进行设置；溃口险工段附近10km河段的综合糙率为0.1，其余河段综合糙率为0.03，淹没区域综合糙率按分区设置，其中居民地综合糙率为0.08、旱地综合糙率为0.04；模拟相同条件下不同溃口位置凌汛洪水淹没过程；凌汛溃堤洪水耦合入流条件数据见表2-1、凌汛溃堤洪水耦合出流条件数据见表2-2
表2-1凌汛溃堤洪水耦合入流条件数据
日期(y/m/d) 2008/3/18 2008/3/20 2008/3/20 2008/3/20 2008/3/20 2008/3/25
时间(h) 16:00 01:00 06:00 10:00 20:00 8:00
流量(m<sup>3</sup>/s) 1188.82 2407.17 3401.05 3359.70 2835.44 843.25
表2-2凌汛溃堤洪水耦合出流条件数据
流量(m<sup>3</sup>/s) 280 316 420 450 540 760 280
水位(m) 987.45 987.76 988.00 988.25 988.53 989.29 987.45
(5)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度计算
1)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系指标层各项指标赋值
根据步骤4凌汛溃堤洪水淹没过程模拟计算结果，基于淹没范围重叠情况，提取了5个淹没区域，5个淹没区域划分见表3，同时如图5中图5-1中图5-1-1～5-1-8至图5-5中图5-5-1～5-5-8中所示，计算5个淹没区域内每个计算网格对应的凌汛洪水最大淹没水深D1、凌汛洪水最大流速D2和凌汛洪水前锋到达时间D3，如果不同溃口凌汛洪水淹没范围存在重叠现象，则取不同计算网格淹没数据叠加后的凌汛洪水最大淹没水深D1、凌汛洪水最大流速D2、凌汛洪水前锋最短到达时间D3；根据溃口险工段和每个计算网格的位置坐标，计算每个网格距溃口的直线距离D6，同时基于淹没区域的数字地形高程D4和土地利用数据，利用GIS平台计算每个网格对应的地形坡度D5、建筑房屋面积占比D7和耕地面积占比D8，对5个淹没区域长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系指标层各项指标数据进行空间网格化处理，由此对5个淹没区域长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系指标层各项指标即单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标进行赋值，并对其进行数据标准化；
表3淹没区域划分
Figure BDA0003293950190000141
2)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系指标层各项指标权重计算
根据层次分析法构建如图6所示单一溃口凌汛溃堤洪水淹没易损度评估判断矩阵，在满足一致性检验(CI＜0.1)条件下，采用模糊层次分析法(FAHP)、熵权法和基于权重差异性进行均匀化和归一化处理的改进FAHP-熵权法，分别计算长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系指标层各项指标即单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重，单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重计算结果见表4、单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重计算结果曲线如附图7所示，分析可知：不同方法、不同指标赋权结果的相对大小及其变化趋势具有一致性，除D7(建筑房屋面积占比)指标外，其余单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标FAHP法计算权重均大于熵权法；而改进的FAHP-熵权法计算的不同指标权重，均位于FAHP法与熵权法赋权值之间，较好地优化了专家经验与指标数据差异性对权重的综合影响，说明改进FAHP-熵权法的赋权结果更加合理；通过对比分析不同方法对应的单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重计算结果，确定了最优赋权方法为改进FAHP-熵权法；
表4 FAHP、熵权法与FAHP-熵权法单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重计算结果(CI＜0.1)
Figure BDA0003293950190000151
3)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度计算
①、单一溃口凌汛溃堤洪水淹没易损度计算，根据步骤(5)2)长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估体系指标层各项指标即单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重与步骤(5)1)5个淹没区域长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估体系指标层各项指标即单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标的标准化数据加权求和计算5个淹没区域单一溃口凌汛溃堤洪水淹没易损度即为5个淹没区域不耦合凌汛期堤防危险度的凌汛洪水淹没风险度；
②、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度计算，本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法通过考虑凌汛期堤防危险度空间分布的差异性，耦合凌汛期堤防危险度与单一溃口凌汛溃堤洪水淹没易损度，利用下列公式1至公式3计算5个淹没区域长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度：
SRDi＝η·FRDi (1)
Figure BDA0003293950190000161
i,j＝1,2,......,n (3)
式中：SRDi为长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度；FRDi为单一溃口凌汛溃堤洪水淹没易损度；DRDi为凌汛期堤防危险度；η反映了上下游堤段相对出险概率；n为溃口数量
图8中图8-1至图8-5分别为5个淹没区域凌汛溃堤洪水淹没联合风险度分布图；
(6)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险区划与评估
1)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度分级聚类
如图9所示，采用K-means聚类算法对步骤(5)3)②5个淹没区域的凌汛洪水淹没联合风险度进行整体分级聚类，建立不同聚类中心数目k与万倍SSE(簇聚类中心距离误差平方和)的关联曲线，利用手肘法确定凌汛洪水淹没风险等级由低至高分别为低风险、中风险、高风险和极高风险共四个等级，不同凌汛洪水淹没风险等级的聚类中心数值如表5所示
表5不同凌汛洪水淹没风险等级的聚类中心数值
风险等级 低风险 中风险 高风险 极高风险
聚类中心数值 0.0352 0.0660 0.0991 0.1708
2)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度风险区划(简称联合风险度风险区划)
如图10中图10-1中图10-1-1、10-1-2至图10-5中图10-5-1、10-5-2所示，根据步骤(5)3)②5个淹没区域凌汛洪水淹没联合风险度计算结果与步骤(6)1)5个淹没区域凌汛洪水淹没风险等级，基于GIS平台绘制并对比分析5个淹没区域耦合凌汛期堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险分布图与不耦合凌汛期堤防危险度的凌汛洪水淹没联合风险分布图；
3)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估(简称联合风险评估)
根据耦合堤防危险度情况下的5个淹没区域凌汛溃堤洪水淹没联合风险分布图，分析不同溃口淹没区域内不同风险等级对应的具体位置，比较评估不同溃口淹没区域凌汛洪水淹没联合风险分布情况；分析可知：从不同等级风险区域分布和上下游堤段凌汛洪水淹没风险全局防控的角度分析，同一区域相同计算网格不耦合堤防危险度的凌汛洪水淹没联合风险区划风险等级高于耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划的凌汛洪水淹没风险等级，说明不耦合堤防危险度的凌汛洪水淹没联合风险区划仅能反映单一区域凌汛溃堤洪水风险分布情况，而耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划，反映了跨区域凌汛溃堤洪水淹没风险的空间差异特征，整体风险大小为区域1＞区域3＞区域2＞区域5＞区域4，更多体现了长河段、多溃口凌汛洪水淹没风险分布的关联性与差异性，可为大空间尺度下突发链发性凌汛溃堤洪水淹没风险整体防控提供重要支持，由此论证了本发明长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法的合理性和适用性。
实施例说明，通过对黄河内蒙古段(巴彦高勒至头道拐)为研究对象，展示了本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法的全部步骤及其效果。基础资料收集与整理是本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法的基础，依据层次分析法建立的目标层、准则层与指标层三层递阶结构的长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标(简称联合风险评估指标)体系为本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法的核心，本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法以主观因素为主导按照0～1赋值范围筛选出最有可能发生溃决的溃口险工段后对其赋予堤防危险度；本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法在进行凌汛洪水淹没联合风险度计算时根据之前进行的凌汛溃堤洪水淹没过程模拟计算结果，基于淹没范围重叠情况提取了5个淹没区域并对上述各个淹没区域按照联合风险评估指标体系指标层八个指标即单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标进行赋值后进行数据标准化处理；通过对比分析模糊层次分析法(FAHP)、熵权法与改进FAHP-熵权法对应的上述联合风险评估指标体系指标层八个指标即单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重计算结果后确定最优赋权方法为改进FAHP-熵权法；根据联合风险评估指标体系指标层八个指标即单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重与5个淹没区域上述各指标数据标准化处理后的结果加权求和分别计算得到的5个淹没区域凌汛溃堤洪水淹没易损度即为5个淹没区域不耦合凌汛期堤防危险度的凌汛洪水淹没风险度；上述5个淹没区域凌汛洪水淹没联合风险度分别为利用公式1至公式3计算得到的各自耦合凌汛期堤防危险度与凌汛溃堤洪水淹没易损度的结果；采用K-means聚类算法对5个淹没区域的凌汛洪水淹没联合风险度进行整体分级聚类，利用手肘法确定凌汛洪水淹没风险等级由低至高分别为低风险、中风险、高风险和极高风险共四个等级；根据凌汛洪水淹没联合风险度计算结果与凌汛洪水淹没风险等级，基于GIS平台绘制并分析5个淹没区域耦合凌汛期堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险分布图与不耦合凌汛期堤防危险度的凌汛洪水淹没联合风险分布图；分析得到耦合堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险区划结果反映了跨区域凌汛溃堤洪水淹没风险的空间差异特征，通过5个淹没区域整体风险大小进行的排序更多体现了长河段、多溃口凌汛洪水淹没风险分布的关联性与差异性，可为大空间尺度下突发链发性凌汛溃堤洪水淹没风险整体防控提供重要支持。因而，本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法具有设计严谨、切合实际、适于应用的特点。

Claims (1)

1.一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法，依次包括下列步骤：
(1)、基础资料收集与处理
根据溃口险工段选择与凌汛期堤防危险度分析、凌汛溃堤洪水耦合模拟、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度计算及风险区划评估的需要，收集研究区域的河道实测断面、堤防设计资料、堤外区域地形资料、耕地与建筑房屋分布资料，并按照不同使用要求对其进行系统化地整编处理；
(2)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系构建
依据层次分析法，建立目标层、准则层与指标层三层递阶结构的长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系，上述目标层是指长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度A；上述准则层是指凌汛溃堤洪水淹没易损度B1(单一溃口)与凌汛期堤防危险度B2，其中B1是指致灾因子危险性C1、孕灾环境敏感性C2与承灾体易损性C3，上述指标层是指致灾因子危险性C1、孕灾环境敏感性C2与承灾体易损性C3共同涵盖的八个指标，致灾因子危险性C1包括凌汛洪水最大淹没水深D1、凌汛洪水最大流速D2与凌汛洪水前锋到达时间D3三个指标；孕灾环境敏感性C2包括数字地形高程D4、地形坡度D5与距溃口直线距离D6三个指标；承灾体易损性C3包括建筑房屋面积占比D7与耕地面积占比D8二个指标；
(3)、溃口险工段选择与凌汛期堤防危险度赋值
综合考虑研究区域历史冰塞或冰坝灾害发生位置、历史凌汛期堤防溃决险工段分布情况、堤防防凌设计标准、堤防以外区域内的居民集中情况各种因素，结合历年凌汛期防凌重点关注的堤防区域，筛选最有可能发生溃决的溃口险工段，确定凌汛溃堤洪水可能淹没的最大泛区范围，并根据防凌专家经验，以主观因素为主导，对选定的溃口险工段赋予凌汛期堤防危险度，凌汛期堤防危险度赋值范围为0～1，凌汛期堤防危险度越大代表凌汛期堤防越容易发生溃决；
(4)、凌汛溃堤洪水淹没过程模拟计算
根据步骤(3)选定的溃口险工段及凌汛溃堤洪水可能淹没的最大泛区范围，结合河道断面和区域高程数据资料，剖分泛区范围内的计算网格，建立凌汛溃堤洪水耦合计算模型，设定出入流条件和模型糙率计算参数，模拟相同条件下不同溃口位置凌汛洪水淹没过程；
(5)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度计算
1)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系指标层各项指标赋值
根据步骤(4)凌汛溃堤洪水淹没过程模拟计算结果，提取淹没区域以及淹没区域内每个计算网格对应的凌汛洪水最大淹没水深D1、凌汛洪水最大流速D2和凌汛洪水前锋到达时间D3，如果不同溃口凌汛洪水淹没范围存在重叠现象，则取不同计算网格淹没数据叠加后的凌汛洪水最大淹没水深D1、凌汛洪水最大流速D2、凌汛洪水前锋最短到达时间D3；根据溃口险工段和每个计算网格的位置坐标，计算每个网格距溃口的直线距离D6，同时基于淹没区域的数字地形高程D4和土地利用数据，利用GIS平台计算每个网格对应的地形坡度D5、建筑房屋面积占比D7和耕地面积占比D8，对不同淹没区域长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险体系指标层各项指标数据进行空间网格化处理，由此对不同淹没区域长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系指标层各项指标即单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标进行赋值，并对其进行数据标准化；
2)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估指标体系指标层各项指标权重计算
根据层次分析法构建单一溃口凌汛溃堤洪水淹没易损度评估判断矩阵，在满足一致性检验(CI＜0.1)条件下，采用模糊层次分析法(FAHP)、熵权法和基于权重差异性进行均匀化和归一化处理的改进FAHP-熵权法，分别计算长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估体系指标层各项指标即单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重，通过对比分析不同方法对应的上述单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重计算结果，确定最优赋权方法和单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重取值；
3)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度计算
①、单一溃口凌汛溃堤洪水淹没易损度计算，根据步骤(5)2)长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估体系指标层各项指标即单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标权重与步骤(5)1)不同淹没区域长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估体系指标层各项指标即单一溃口各项凌汛溃堤洪水淹没易损度评估指标的标准化数据加权求和计算不同淹没区域单一溃口凌汛溃堤洪水淹没易损度即为不同淹没区域不耦合凌汛期堤防危险度的凌汛洪水淹没风险度；
②、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度计算，本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法通过考虑凌汛期堤防危险度空间分布的差异性，耦合凌汛期堤防危险度与单一溃口凌汛溃堤洪水淹没易损度，利用下列公式1至公式3计算不同淹没区域长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度：
SRDi＝η·FRDi (1)
Figure FDA0003293950180000041
i,j＝1,2,......,n (3)
上式中：SRDi为长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度；FRDi为单一溃口凌汛溃堤洪水淹没易损度；DRDi为凌汛期堤防危险度；η反映了上下游堤段相对出险概率；n为溃口数量
(6)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险区划与评估
1)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度分级聚类
采用K-means聚类算法对步骤(5)3)②不同淹没区域的长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度进行整体分级聚类，建立不同聚类中心数目k与簇聚类中心距离误差平方和SSE的关联曲线，利用手肘法确定长河段多溃口凌汛洪水淹没风险等级划分；
2)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度风险区划
根据步骤(5)3)②不同淹没区域长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险度计算结果与步骤(6)1)不同淹没区域长河段多溃口凌汛洪水淹没风险等级，基于GIS平台绘制并对比分析不同淹没区域耦合凌汛期堤防危险度的凌汛溃堤洪水淹没联合风险分布图与不耦合凌汛期堤防危险度的凌汛洪水淹没联合风险分布图；
3)、长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估
根据不同淹没区域凌汛溃堤洪水淹没联合风险分布图，分析不同溃口淹没区域内不同风险等级对应的具体位置，比较评估不同溃口淹没区域凌汛洪水淹没联合风险分布情况，论证本发明一种长河段多溃口凌汛洪水淹没联合风险评估方法的合理性和适用性。
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