基于能值理論的洪澇災害脆弱性評估

吳澤寧 申言霞 王慧亮

摘要：在搜集整理2015年鄭州市暴雨洪澇資料的基礎上，從生態學的角度，運用能值分析方法評估區域洪澇災害脆弱性。進而使用能值作為統一的度量尺度，以能值評價的結果和表征區域洪澇災害脆弱性的能值指標為基礎，借助地理信息系統（GIS）對鄭州市洪澇災害的脆弱性進行空間差異分析。結果表明鄭州市洪澇災害脆弱性的空間分布差異明顯，大致呈現從中部向四周遞減的趨勢。新密市的脆弱性最高，其次是市區，脆弱性最低的是新鄭市。結論表明，在暴露度相同的條件下，有效提高系統的適應能力是降低脆弱性的關鍵。

關鍵詞：洪澇災害;脆弱性;能值分析;GIS;鄭州市

中圖分類號：TV4文獻標志碼：A

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：吳澤寧

Assessment of vulnerability to flood disasters based on emergy theory

WU Zening，SHEN Yanxia，WANG Huiliang

（School of Water Conservancy and Environment Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

Abstract：?On the basis of the rainstorm and flood data of Zhengzhou in 2015，we applied the emergy analysis method to evaluate the regional vulnerability to flood disasters from the ecological perspective.The emergy was then considered as a normalized basis.Based on the results of emergy evaluation and the emergy index representing the regional vulnerability to flood disasters，we used the geographic information system （GIS） to analyze the spatial difference of vulnerability to flood disasters in Zhengzhou.Results showed that there were obvious differences in the spatial distribution of vulnerability to flood disasters.The vulnerability of Xinmi was the highest and that of Xinzheng was the lowest.In a whole，the vulnerability to flood disasters in Zhengzhou City tended to decrease from the middle to the periphery.Improving the adaptability of the system effectively is the key to reducing the vulnerability.

Key words：flood disaster;vulnerability;emergy analysis;GIS;Zhengzhou City

洪澇災害是常見的災害之一，影響范圍廣，造成損失大。受季風氣候的影響，我國降雨較為集中，洪澇災害歷來是一個十分嚴重的問題[1]。近年來，洪澇災害脆弱性評價成為城市水文學和災害學研討的重點。剖析洪澇災害脆弱性的時空分布特征是災害風險評估及管理的重要內容，評價脆弱性能夠為災害預報預警、防洪減災工作提供參考。目前國內外學者大多采用指標法評估脆弱性[2]。Szlafsztein和Sterr[3]提出了脆弱性綜合指數（CVI），涉及自然和社會經濟條件16個變量;Ozcan和Musaoglu[4]應用層次分析法（AHP）確定DTM、坡度、相位等屬性的權重，從而得到易遭受災害的地區分布圖;Ouma和Tateishi[5]也采用層次分析法確定決策參數（如降雨、海拔、土地利用等）的權重，以構建洪澇災害脆弱性分布圖;姜藍齊等[6]應用層次分析法確定各指標的權重，并采用加權綜合法得到綜合評價指數，最后借助GIS的空間分析功能實現洪澇風險區劃;李暢等[7]使用熵權法賦予各指標權重，建立脆弱性評估模型，得到荊州市的洪澇災害脆弱性評價結果。

這些研究通常假定各指標是相互獨立的，并按重要性確定權重，得到脆弱性評估指數，卻忽略了指標間的潛在關系，割裂了脆弱性各組成部分之間的聯系，無法準確地評估洪澇災害風險。此外，在以往的研究中，表征脆弱性的指標體系不一致，無法對不同性質的指標進行比較。為彌補以往研究的缺陷，擬采用生態經濟學中的能值理論和分析方法[8]評估洪澇災害脆弱性。該法將不同類別、不可比較的能量轉換成同一標準能值進行比較，從而定量分析自然系統和人類社會經濟系統、資源與環境的切實價值以及相互之間的關系[9]。本文在能值概念分析的基礎上，建立了一個系統的脆弱性評估框架，基于能值理論分析脆弱性的組成因子，并應用能值指標評估區域洪澇災害脆弱性，最后借助GIS對洪澇災害的脆弱性進行空間差異分析。將該分析框架應用于鄭州市，評估其洪澇災害脆弱性，進而確定研究區中易遭受洪澇災害損失的區域，為防洪減災提供參考。

1洪澇災害脆弱性評估的能值框架

1.1脆弱性評估的能值基礎

20世紀80年代，美國著名生態學家Odum提出了能值理論與方法，為生態和經濟系統的定量分析開辟了新的研究方向[8]。能值指一種流動或儲存的能量中所含另一種類別能量的數量，不同品質的能量之間存在一個轉換關系——能值轉換率，即形成每單位物質或能量所含有的另一種能量的量[10]。由于各種能量均直接或間接來自太陽能，因此能值分析以太陽能為基準，將系統中不同類別、不可比較的能量經太陽能轉換率轉換成同一標準的太陽能值，轉換公式為[9]：

E=τ×B[JY]（1）

式中：E為能值（sej）;τ為能值轉換率（sej/J或sej/g）;B為能量或物質的量（J/g）。

由自然-農業系統和城市系統組成的洪澇災害脆弱性的能量系統圖[11]是脆弱性各組成要素之間因果關系的基礎，表明了生態系統和經濟系統之間的能量和物質流的差異，見圖1。當降雨發生時，雨水中儲存的能量（J1）可能使該地區處于危險中。降雨量扣除植物截留、蒸發、下滲、填洼等損失后，形成地表徑流（J2），累積地表徑流儲存的能量表示該區的暴露度。J3代表暴露強度，是徑流量（J2）和降雨量（J1）儲存的能值比。J4和J5分別表示當極端天氣事件發生時自然-農業系統和城市系統損失的能量，兩者損失的總能量用J6表示。系統中儲存的資產越多，發生洪澇災害的可能性越大。極端天氣事件對周邊環境產生影響，環境的改變使區域受到一定程度的影響，用潛在影響（J7）表示，其與暴露強度（J3）和敏感性（J6）有關。影響脆弱性的因素除了自然因素還包括社會經濟因素（J9）和人口因素（J8），它們共同反映系統的適應能力（J10），表述地區對災害的應對能力。利用適應能力和潛在影響可以評估洪澇災害的脆弱性（J11）。能量流符號的具體釋義見表1。

1.2脆弱性評估的模型

脆弱性指系統受到不利影響的程度，通常由暴露度、敏感性和適應能力組成[12]。分析脆弱性的組成因子，了解各組成要素之間的關系，并以此為基礎提出表征洪澇災害脆弱性的能值指標，準確評估區域洪澇災害的脆弱性。

1.2.1暴露度、敏感性和適應能力評估

（1）暴露度（L）。

暴露度指區域與災害（如洪水、颶風）接觸的程度[11]。以洪水為例，將累積徑流的總能值視為一個地區的暴露度。在一次洪水事件中，易澇地區的暴露度較高。暴露度還受研究區植被覆蓋和土壤水文特性的影響。顯然，與非城市化地區相比，城市化區域的不透水面積多，雨水下滲量少，導致徑流量增加[13]。基于此，擬采用徑流曲線數模型（SCS-CN）計算徑流量[14]。該模型能客觀反映土壤類型、土地利用方式及前期土壤含水量對降雨徑流的影響，且模型結構簡單、輸入參數少，在水土保持與防洪、城市水文及無資料地區的多種水文問題中得到廣泛應用，并取得了較好的效果[15-17]。累積徑流量與相應能值轉換率的乘積即為區域的暴露度。[HJ1.5mm]

Q=[SX（]（P-0.2S）.2[]P+0.8S[SX）][JY]（2）

其中

S=[JB（（][SX（]1000[]C[SX）]-10[JB））]×25.4[JY]（3）

L=Q×τ[JY]（4）

式中：Q為徑流深（mm）;P為降雨量（mm）;S為潛在蓄水能力（mm）;C為徑流曲線數;L為暴露度（sej）;其余符號及意義同前。

（2）敏感性（M）。

敏感性指系統受到極端天氣事件影響的程度，通常用受災區的累積資產量來表示[18]。將敏感性視為系統對極端天氣事件的響應，因此在一次暴雨洪澇災害中，區域的敏感性不僅取決于洪水的大小，而且與受災區域的特征有關。

在生態系統中，能量流具有層次結構，即不同系統產生的能量具有不同的層次[19]。以生態系統的能量層次為基礎，Odum和Brown等[20]將受災地區劃分不同的能量層次，[HJ2.04mm]評估洪澇災害脆弱性。不同土地利用類型所屬的能量層次不同，受洪水影響的程度也有差異，因此根據土地的能值功率密度[19]進行敏感性分析。經濟活動越密集，土地的能值功率密度越高，如城市規劃區的商業和住宅用地，往往具有更高的能值功率密度[21]。在此基礎上，用不同土地利用類型的所含的能量和表示該區的敏感性。

M=ρ×A[JY]（5）

式中：M為區域的敏感性（sej）;ρ為不同土地利用類型的能值功率密度（sej/m.2）;A為不同土地利用類型的面積（m.2）。

（3）適應能力（N）。

系統的脆弱性除與暴露度有關外，很大程度上取決于系統的適應性影響。適應性指變化環境下所采取的不斷學習與調整的系統過程，該過程可以充分利用有益事件，減輕災害損失[22]。適應性是對于特定環境而言的，不同地區和群體的適應性有差別，例如城市地區的適應性高于農村地區，成年人的適應性高于老人和小孩[23]。從社會、經濟和人口三方面因素評估適應能力，具體解釋見表2。

1.2.2能值指標

為了解脆弱性各組成要素之間的聯系，準確評估區域洪澇災害脆弱性，以暴露度、敏感性和適應能力為基礎，提出了表征洪澇災害脆弱性的能值指標，具體解釋如下。

（1）潛在影響指數（I）。

潛在影響表示當發生極端天氣事件時，系統可能受到的影響[24]。較高的潛在影響會增加洪澇災害的脆弱性。潛在影響指數與受災區域的暴露強度和敏感性有關，暴露強度是徑流量和降雨量所儲存的能值比。

I=i×M[JY]（6）

i=[SX（]L[]q[SX）][JY]（7）

式中：I為潛在影響指數（sej）;i為暴露強度，常量;q為潛在暴露度（sej）;其余符號及意義同前。

（2）脆弱性指數（V）。

脆弱性指數是潛在影響和適應能力的比值，它反映了發生極端天氣事件時，系統所遭受的損失[25]。脆弱性與系統的潛在影響呈正相關，與適應能力呈負相關。

V=[SX（]I[]N[SX）][JY]（8）

式中：V為脆弱性指數，常量;其余符號及意義同前。

2實例應用

2.1研究區域概況與數據來源

鄭州是河南省省會，位于東經112°42′-114°14′，北緯34°16′-34°58′，地處河南省中部偏北。該區為溫帶大陸性氣候，年平均降水量625.9 mm，降水年內分配不均，夏季降水多，冬季降水少。作為河南省的政治、經濟、文化中心，鄭州市轄7個縣、市（見圖2），總面積約為7 297.48 km.2，是河南省人口最稠密的地區。據統計資料，2015年末總人口約為956.9萬人，其中城市人口666.9萬人，農村人口290萬人，城鎮化水平達70%。該市北臨黃河，歷史上黃河多次決堤，在黃河泥沙的沖積下，形成了黃河沖積平原。由于地勢平坦，高差小，加上季風活動異常，使得鄭州市成為洪災潛在的高風險區，是全國的重點防洪城鎮之一。統計顯示鄭州市近十年來每年因遭受暴雨洪澇災害而產生的損失超過2億元，暴雨洪澇災害對鄭州市經濟發展影響較大，已成為制約鄭州市經濟進一步發展的重要原因。

本研究所使用的降雨徑流數據均來自《鄭州市2015年水資源公報》;土地利用數據源于鄭州市土地利用總體規劃;由《鄭州市統計年鑒2015》可得到各區縣的社會、經濟和人口數據;根據文獻[9，26]可獲得鄭州市2015年能值轉換率及能值貨幣比率數據。

2.2結果分析

根據所收集的資料，按照第1.2.1節所述方法計算暴露度、敏感性及適應能力，計算結果見表3至表5。

根據上述計算結果可得到以下結論。

（1） 暴露度與累積徑流有關，累積徑流儲存的能值越大，暴露度越高。從表3中可以看出：鞏義市的暴露度較高，原因是該市的年降雨量多，產生的累積徑流量大;其次是登封市;而累積徑流量較少的市區暴露度最低。

（2） 利用能量層次的概念分析研究區對洪水的敏感性，以土地利用的能值功率密度為基礎，計算鄭州市各區不同土地利用類型的能值含量。能值較高的區域（如住宅區、商業區）敏感性較高，遭受洪澇災害的風險較大。從表4中可以看出：與其他6個地區相比，市區的商業區和住宅區所占比重較大，敏感性較高，易受到洪澇災害的威脅;而自然-農業用地較多的地區（如鞏義市）的敏感性較低。

（3） 對適應能力的評估的目的是了解受災區應對洪水的能力。表5給出了鄭州市不同區域的適應能力。市區經濟發達，醫療設施齊全，人口受教育程度高，具有較強的適應能力;其次是中牟縣;而經濟水平相對落后的地區，如登封市，對洪水的適應能力較弱。

以暴露度、敏感性和適應能力的計算結果為基礎，根據第1.2.2節所述方法計算表征洪澇災害脆弱性的能值指標，見表6。

根據表6的計算結果，借助GIS工具將鄭州市各區縣的脆弱性評估結果展示出來。

（1）潛在影響與暴露度和敏感性有關，它表示當發生極端天氣事件時，系統可能遭受的損失。圖3展示了洪水對鄭州市各區縣的潛在影響。由于市區的人口較為密集，經濟發展速度快，累積資產較多，當發生洪水時受到的潛在影響高于其他地區;而經濟發展速度緩慢，人口分布相對稀疏的地區，如新鄭市，其潛在影響指數相對較低。

（2）系統的脆弱性能值越大，脆弱性越高，即在暴雨洪澇災害相同的條件下，所受到的影響越嚴重。由圖4可以看出，新密市的脆弱性指數最高，其次是市區，脆弱性指數最低的是新鄭市。2015年鄭州市暴雨洪澇災害的脆弱性從中部向周邊呈遞減趨勢。新密市脆弱性較高的原因是：與其他地區相比，該市經濟發展速度較快，防災系統不穩定;而源源不斷的人口向市區融入是造成鄭州市區脆弱性較高的主要原因。鄭州市作為洪災潛在的高風險區，已有大量研究對其進行脆弱性評估，雖然這些方法存在不完善的地方，但也能為本文的脆弱性評估結果提供一定的借鑒意義。如劉夢貞[2]在其碩士論文中采用模糊綜合評價法分別評估鄭州市1999年、2007年和2013年的洪澇災害脆弱性，結果表明市區始終具有高脆弱度指數，但隨著經濟發展，適應能力增強，脆弱性有所降低，這與本文得到的結果一致。

3結語

從生態學的角度出發，利用統一的能值單位評估洪澇災害的脆弱性，為不同區域的脆弱性研究提供了可比較的依據。將該方法應用于鄭州市，結果顯示市區經濟發達，累積資產多，具有較高的潛在影響，但由于其適應性指數高，脆弱性評估結果比預期低。然而，具有高潛在影響指數且經濟發展迅速的地區（如新密市），脆弱性指數較高。而潛在影響指數低，適應能力較強的地區（如新鄭市）具有較低的脆弱性指數。通過研究發現，提高系統的適應能力能夠有效降低洪澇災害的脆弱性。能值理論在鄭州市的成功試驗為其他地區的脆弱性評估提供了一定的借鑒意義。

運用生態經濟學中的能值理論評估洪澇災害脆弱性是一個新的探索，目前還停留在方法層面上，在實際應用中還存在很多不足之處。如由于經濟社會發展情況、氣象水文和自然環境隨時間不斷演變，脆弱性指標會發生變化，只評估2015年的洪澇災害脆弱性存在不確定性。此外，以鄭州市各個行政區為單元進行評估，所得到的結果較為單一，獲取細分辨率、多時空尺度的數據進行洪澇災害脆弱性評估將是本課題今后工作的重點。

參考文獻（References）：

[1]胡俊鋒，楊月巧.基于氣象水文要素的洪澇災害損失評估[J].南水北調與水利科技，2014，12（1）：26-31.（HU J F，YANG Y Q.Damage assessment of flood and waterlogging disaster based on meteorological and hydrological factors[J].South-to-North Water Transfers and water science&Technology，2014，12（1）：26-31.（in Chinese）） DOI：10.3724/SP.J.1201.2014.01026.

[2]劉夢貞.城市暴雨洪澇災害脆弱性模糊綜合評價研究[D].鄭州：河南大學，2016.（LIU M Z.Vulnerability assessment of storm flood disasters based on fuzzy comprehensive evaluation method[D].Zhengzhou：Henan University，2016.（in Chinese））

[3]SZLAFSZTEIN C，STERR H.A GIS-based vulnerability assessment of coastal natural hazards，state of Pará，Brazil[J].Journal of Coastal Conservation，2007，11（1）：53-66.DOI：10.1007/S11852-007-0003-6.

[4]OZCAN O，MUSAOGLU N.Vulnerability analysis of floods in urban areas using remote sensing and GIS[C].In Proceedings of the 30th EARSeL symposium：Remote sensing for science education and culture，2010：379-386.

[5]OUMA Y O，TATEISHI R.Urban flood vulnerability and risk mapping using integrated multi-parametric AHP and GIS：Methodological overview and case study assessment[J].Water，2014，6（6）：1515-1545.DOI：10.3390/W6061515.

[6]姜藍齊，馬艷敏，張麗娟，等.基于GIS的黑龍江省洪澇災害風險評估與區劃[J].自然災害學報，2013，22（5）：22-24.（JIANG L Q，MA Y M，ZHANG L J，et al.Assessment and zoning of flood disaster in Heilongjiang Province based on GIS[J].Journal of natural disasters，2013，22（5）：22-24.（in Chinese）） DOI：10.13577/j.jnd.2013.0531.

[7]李暢，馬滔，石倩，等.洪災社會脆弱性熵權法評價及其時間序列分析—以2001-2002年荊州市為例[J].災害學，2015，30（3）：110-117.（LI C，MA T，SHI Q，et al.Flood social vulnerability assessment based on entropy method and its time series analysis：a case of jingzhou city from 2001 to 2012[J].Journal of Catastrophology，2015，30（3）：110-117.（in Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.1000-811X.2015.03.021.

[8]ODUM H T.Environmental accounting emergy and environmental decision making[M].New York：John Wiley & Sons，1996.

[9]藍盛芳，欽佩，陸宏芳，等.生態經濟系統能值分析[M].北京：化學工業出版社.2002：167-174.（LAN S F，QIN P，LU H F，et al.Emergy analysis of eco-economic system[M].Beijing：Chemical Industry Press.2002：167-174.（in Chinese））

[10][ZK（#]HUANG S L，CHANG L F，YEH C T.How vulnerable is the landscape when the typhoon comes？ An emergy approach[J].Landscape and Urban Planning，2011，100（4）：415-417.DOI：10.1016/j.landurbplan.2011.01.019.

[11]ADGER，W N.Vulnerability[J].Global Environmental Change，2006，16（3）：268-281.DOI：10.1016/j.gloenvcha.2006.02.006.

[12]CHANG L F，HUANG S L.Assessing urban flooding vulnerability with an emergy approach[J].Landscape and Urban Planning，2001，143：11-24.DOI：10.1016/J.landurbplan.2015.06.004.

[13]張建云，宋曉猛，王國慶，等.變化環境下城市水文學的發展與挑戰Ⅰ—城市水文效應[J].水科學進展，2014，25（4）：594-605.（ZHANG J Y，SONG X M，WANG G Q，et al.Development and challenges of urban hydrology in a changing environment Ⅰ：Hydrological response to urbanization[J].Advances in Water Science，2014，25（4）：594-605.（in Chinese）） DOI：10.14042/j.cnki.32.1309.2014.04.020.

[14]王冬，李麗，王加虎，等.徑流曲線數（SCS-CN）模型在洪水預報中的應用研究[J].中國農村水利水電，2017（8）：108-112.（WANG D，LI L，WANG J H，et，al.Application of SCS-CN model in flood forecasting [J].China Rural Water and Hydropower，2017（8）：108-112.（in Chinese））

[15]王敏，許彥剛，房海軍，等.基于改進的SCS模型的城市徑流預測系統研究[J].水電能源科學，2012，30（3）：20-22.（WANG M，XU Y G，FANG H J，et al.Urban runoff forecasting system based on improved SCS model[J].Water Resources and Power，2012，30（3）：20-22.（in Chinese））

[16]符素華，王紅葉，王向亮，等.北京地區徑流曲線數模型中的徑流曲線數[J].地理研究，2013，32（5）：797-807.（FU S H，WANG H Y，WANG X L，et al.The runoff number of SCS-CN method in Beijing[J].Geographical Research，2013，32（5）：797-807.（in Chinese））

[17]MISHRA S K，SINGH V P.Special issue on soil conservation service curve number （SCS-CN） methodology introduction[J].Journal of Hydrologic Engineering，2012，17（11）：1157-1157.DOI：10.1061/（ASCE）HE.1943-5584.0000694.

[18][ZK（#]USDA （United States Department of Agriculture）.Urban hydrology for small watersheds[M].2nd ed.United States：Natural Resources Conservation Service，Conservation Engineering Division，1986.

[19]HUANG S L，LAI H Y，LEE C L.Energy hierarchy and urban landscape system[J].Landscape and Urban Planning，2001，53，（1）：145-161.DOI：10.1016/S0169-2046（00）00150-X.

[20]ODUM H T，BROWN M T，WHITEFIELD L S，et al.Zonal organization of cities and environment：A study of energy systems basis for urban society [C].A report to the Chiang Ching-Kuo Foundation for International Scholarly Exchange.Gainesville，FL：Center for Environmental Policy，1995.

[21]HUANG S L.Urban ecosystems，energetic hierarchies，and ecological economics of Taipei metropolis [J].Journal of Environmental Management，1998，52（52）：39-51.DOI：10.1006/jema.1997.0157.

[22]夏軍，石衛，洪思，等.氣候變化下水資源脆弱性的適應性管理新認識[J].水科學進展，2015，26（2）：279-286.（XIA J，SHI W，HONG S，et al.Revisions on water resources vulnerability and adaption measures under climate change [J].Advances in Water Science，2015，26（2）：279-286.（in Chinese）） DOI：10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.019.

[23]左其亭.水資源適應性利用理論及其在治水實踐中的應用前景[J].南水北調與水利科技，2017，15（1）：18-24.（ZUO Q T.Theory of adaptive utilization of water resources and its application prospect in water control practice[J].South-to-North Water Transfers and water science&Technology，2017，15（1）：18-24.（in Chinese）） DOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.2017.01.004.

[24]SMIT B，WANDEL J.Adaptation，adaptive capacity and vulnerability [J].Global Environmental Change，2006：16（3）：282-292.DOI：10.1016/j.gloenvcha.2006.03.008.

[25]LIN Y C，HUANG S L，BUDD W W.Assessing the environmental impacts of high-altitude agriculture in Taiwan：A Driver-Pressure-State-Impact-Response （DPSIR） framework and spatial emergy synthesis[J].Ecological Indicators，2013，32（43）：4250.DOI：10.1016/j.ecolind.2013.03.009.

[26]呂翠美.區域水資源生態經濟價值的能值研究[D].鄭州：鄭州大學，2009.（LV C M.Research on ecological economic value of regional water resources based on emergy theory [D].Zhengzhou：Zhengzhou University，2009.（in Chinese）） DOI：10.7666/d.y1643958.