城市洪澇災害風險分析與區劃方法綜述

黃國如,羅海婉,盧鑫祥,楊聰輝,王 崢,黃 婷,馬經廣

(1.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510640； 2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640； 3.廣東省水利工程安全與綠色水利工程技術研究中心，廣東 廣州 510640；4.廣州市水務規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510641； 5.廣東省水文局佛山水文分局，廣東 佛山 528000)

隨著全球氣候變化加劇和城市化水平的快速發展，城市洪澇災害已成為影響城市地區經濟社會發展的主要自然災害之一，防災減災問題在國家、城市發展及學術研究等各層面上均引起了廣泛關注和高度重視[1-8]。風險評估是風險管理和防災減災決策的基礎和技術支持，辨析城市洪澇災害特性、探究相關理論方法并進行示范和應用，可為風險應對和管理提供參考和依據，對國民生命財產安全的保障、社會的穩定及快速發展、人民群眾洪澇風險意識的提高、城市洪澇風險評估基礎理論和技術方法體系的豐富和規范具有重要的現實意義[9]。由于不同區域的城市洪澇災害特性存在差異，加上對風險內涵的認識和理解不同，對城市洪澇災害及其風險的內涵進行研究和梳理，借助風險評估相關的規范標準對風險評估流程進行劃分，可加深對風險評估相關概念的理解和認識。以風險分析中常用的指標體系法為例，基于城市洪澇災害特性對評估指標進行分析和研究，構建城市洪澇災害評估指標體系，介紹指標權重計算的原理，可為后續風險評估提供技術支持。此外，對風險評估區劃技術相關內容進行分析，在分析其原理及特點的基礎上，探討城市洪澇災害風險評估共性技術，以期為城市洪澇災害風險評估提供依據。

1 城市洪澇災害風險內涵

關于自然災害風險的內涵及其定義，隨著時間推移和研究的不斷深入，其概念在許多領域得到豐富和延伸，相關理論研究也漸趨豐富。由于不同學者對風險的理解不同而衍生了不同的風險內涵，主要可分為3類[10]：①致災因子出現的概率；②一定概率條件發生的災害造成的損失，如人口損失或經濟損失等；③從災害系統角度對風險進行定義，系統分析構成災害系統的組成要素特性。

從洪澇災害系統的角度定義風險時，對災害系統的組成要素也有不同認識，主要分為以下3種：①洪澇災害系統由危險性、暴露性和脆弱性組成，其中危險性是指洪澇災害發生的強度及其空間分布，如淹沒水深、歷時和范圍等[11]；暴露性一般是指洪澇過程中可能受影響的人口和經濟的空間分布等[12]；脆弱性一般是指承災體在城市洪澇災害下的損壞程度，可利用歷史災情數據或以災損率曲線來確定[13]。②有學者認為防災減災能力對城市洪澇災害的影響較大，也是風險系統組成的重要內容[14]，對防洪排澇工程的資金投入、洪澇災害預警監測系統的建設、防災減災的群眾教育、應急救災場所的布置均為防災減災的重要內容。③洪澇災害的風險由危險性和易損性共同作用而產生，此處的易損性和脆弱性的英文表達均為“vulnerability”，因此對易損性和脆弱性的辨析存在不同的觀點。目前較為一致的觀點是，易損性的內涵更豐富，由脆弱性和暴露性共同決定，不僅包含承災體的易損程度，還包含了社會經濟等分布信息。

利用洪澇災害系統理論進行區域風險評估，取得了較多成果，表1列舉了近年來3種組成因素方案下的應用案例。由表1可知，以第3種風險內涵為例，即從洪澇災害系統的角度進行風險評估時，不同的研究者對災害系統的組成因素有不同的認識，系統的組成要素不同，其風險表達式也不同，系統組成要素可分為3種，即危險性-暴露性-脆弱性(H-E-V)、危險性-暴露性-脆弱性-防災減災能力(H-E-V-R)和危險性-易損性(H-V)。若以城市洪澇災害系統的組成結構為框架，則其評估框架可分為3種，即H-E-V、H-E-V-R和H-V。由此可知，即使在風險內涵相同的前提下，風險評估工作的開展仍有不同側重，如第2種風險內涵，即概率-損失等，對概率和損失的定義依然是多樣的，仍需根據區域的洪澇災害特征進行分析，使風險評估的成果符合實際情況。

表1 洪澇災害系統角度下風險評估應用案例Table 1 Application case of risk assessment from the perspective of flood disaster system

2 城市洪澇災害風險分析方法

不同領域的風險類型不同，風險評估開展的形式也不同。GB/T 27921—2011《風險管理-風險評估技術》中指出，風險評估流程通常按風險識別、分析和評價3個步驟進行，這是開展風險評估的基本步驟。開展風險評估之前，應明確評估問題、整理基礎數據和確定分析方法。在風險評估過程中，要做好每個步驟的溝通和記錄工作，必要時接受監督和檢查，保證風險評估各步驟的正常開展和評估結果的可靠性，提高風險應對能力。風險評估流程如圖1所示。

圖1 風險評估流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of risk assessment process

風險識別是發現、列舉和描述風險要素的過程，如風險源、概率、暴露性、后果等。識別方法包括：①對洪澇災害各過程進行審查和研究，結合專家、管理者豐富的知識和經驗找出可能制約和影響洪澇災害的因素和前提條件；②分析歷史洪澇災害結果，基于歷史數據進行識別。識別過程中，分析可能影響洪澇過程的事件和情況，要認識到人的因素和組織因素的重要性，以便于風險應對。

風險分析是在風險識別的基礎上，確定城市洪澇災害風險的分布及其相對大小，可為其風險評價和防災減災決策提供信息支持。風險分析方法可以是定性、定量或半定量的。定量分析可估計出洪澇災害發生的概率及其后果的實際數值，如經濟損失值、受災人口數量、暴雨發生概率等，并形成對應的關系曲線或圖表，如概率-經濟損失曲線、概率-死亡人口曲線等。在實際應用中，受資料限制，全面的定量分析可行性較低，多采用定性或半定量方法進行分析。許多學者對洪澇災害分析已有較多研究并形成了多種方法，如基于歷史災情數據、基于遙感技術和GIS耦合、基于指標體系及基于情景模擬等的方法。

2.1 基于歷史災情數據的方法

基于歷史災情數據的災害風險評估方法一般以研究區域記載的歷史災害強度數據和損失數據為基礎，利用數學模型對樣本數據進行統計分析，獲得災害強度與損失的統計規律，進而實現對自然災害的風險評估。其評估一般有如下步驟：①選取科學的洪澇災害風險模型或公式；②從研究區域相關歷史資料中提取相關歷史災情數據；③對研究區域洪澇災害風險進行分析評估。

基于歷史災情數據的分析方法是建立在災害數據庫基礎上的定量評估方法，在資料數據可獲得的前提下，該方法不需要詳細的地理背景數據，只需要通過一定的災害資料進行統計分析，采用數學方法建立起災害風險模型，是一種思路清晰、計算簡單的研究方法。另外，還可以根據已有歷史資料進行推敲，分析其合理性和科學性，但此方法非常依賴樣本數據，在實際應用中常受到以下幾點限制：①該方法對歷史洪澇災情數據的完整性要求較高。長時間序列的歷史災情數據一般是保密數據，不易獲取，常常會出現樣本數據太少或者不完備，甚至數據缺失的情況，影響歷史災情分析的準確性。②在歷史災情數據的記錄方面，歷史災害強度數據一般在較大空間尺度上記錄，如河流流域，而歷史災害損失數據通常以行政區為單位進行記載，如縣、郡、市等，兩方面數據難以進行空間上的匹配。③該方法對歷史洪澇災情數據的準確性要求較高，可獲取的歷史災情數據受限于歷史資料記載的詳略情況，這在進行歷史災害統計分析時可能出現偏差，統計分析無法做到細致準確，從而影響對歷史災情的精確分析與評估。

2.2 基于遙感技術與GIS耦合的方法

該方法是指利用衛星遙感監測技術獲取淹沒范圍、淹沒歷時、承災體數量等災情信息，耦合GIS的空間分析技術及其強大的數據管理功能，結合研究區域的地面高程數據獲取淹沒水深、構建社會經濟數據庫等進行洪澇災害風險分析的方法。采用遙感監測技術獲取洪澇災害信息的關鍵在于監測區域內的水體識別技術，目前可用于識別水體的方法主要為閾值法、譜間分析法和多波段運算法。獲取水體分布信息后，利用GIS技術分析災害的空間分布規律并進行風險分析。該方法可反映區域的洪澇災害及其風險的空間分布特征，還可對實時監測數據進行分析。該方法的局限在于對地面高程數據的精度要求高，GIS的淹沒水深分析技術尚未成熟等。

2.3 基于指標體系的方法

基于指標體系的城市洪澇災害風險評估方法是基于自然災害風險理論，從危險性和易損性等災害風險構成要素出發，構建研究區域災害風險評估指標體系，通過一系列數學方法處理原始指標，對研究區域進行風險評估的方法，常用的方法有加權綜合評價法、模糊數學法、人工神經網絡法、灰色系統模型、概率模型和動力學模型等，其評估方法一般步驟如下：①確定洪澇災害風險數學評估方法和指標權重計算方法；②從研究區域相關資料中選擇洪澇災害風險相關要素資料，構建研究區域洪澇災害風險評估指標體系，確定指標權重；③根據選定的評估方法和構建的指標體系對研究區域洪澇災害風險進行分析評估。

基于指標體系的風險評估方法具有建模與計算簡便、數據易于獲取的優點，可宏觀反映區域風險分布特性，在我國洪澇災害風險分析中應用廣泛。但該方法也存在一定的局限：①評估指標的選取受限于數據的可獲取性，若評估指標數據庫的可用指標數量較少時，較難保證選取指標的代表性及指標體系的系統性；②對指標數據精度的要求較高，若評估指標數據精度較低時，容易出現以點代面的情況，進而影響評估成果的精度。

2.4 基于情景模擬的方法

基于情景模擬的城市洪澇災害風險評估是指通過設置洪澇災害發生的頻率和強度、氣候變化模式、土地利用變化、人口和經濟變化等情景進行多種涉及自然和社會變化的情景并進行模擬，分析城市洪澇災害風險的未來態勢。該方法的步驟一般為：①構建模型，根據區域特征建立相應的水文水動力模型，并對構建模型的可靠性和精度進行驗證；②情景設計，根據研究需要設定特定城市洪澇災害發生的頻率和強度、氣候變化模式及人口與經濟等模擬情景；③情景模擬與分析，對各種情景下的城市洪澇災害進行模擬并獲取洪澇災害過程，對其風險進行分析與評價。

基于情景分析的評估方法對歷史災害數據要求較低，且可對災害風險進行可視化表達，使區域內承災體的易損性精確到個體或系統，能夠直觀、高精度地顯示災害事件的影響范圍和程度，展示災害風險的空間分布特征；同時，該方法可以實現災害風險的動態評估，為防災減災及風險管理決策提供數據支撐和科學依據，是自然災害風險評估發展的必然趨勢。但是，該方法對區域的地理背景資料和排水系統資料要求較高，對構建區域水文水動力模型的精度有一定要求，工作量大，適宜在中、小尺度進行災害評估，在大尺度區域較難開展。盡管基于情景模擬方法的研究和應用取得了很大進展，但研究范圍多限于對致災因子強度表征，綜合區域承災體易損性方面的洪澇災害研究仍較缺乏。

上述4種城市洪澇風險評估方法的分類是相對的，各方法之間互有聯系、相互協調。如，情景模擬得出的淹沒情況和歷史災情數據可作為評估指標數據進行城市洪澇風險評估。因此，在風險評估的實際應用中，需要根據研究對象的災情數據庫、地理背景資料等具體特征，充分考慮研究區域的空間尺度大小以及風險評估結果精度要求，選擇科學合理的評估方法。

3 城市洪澇災害風險評估指標體系構建和權重確定

由風險評估流程和方法可知，指標體系法是常用的風險分析方法之一，應用廣泛且適用性強，能夠用于多種尺度區域的風險分析[23]。選取合理可行的評估指標是開展風險評估的前提，國內外均開展了洪澇災害風險研究，但由于各地區洪澇災害特性存在差異、資料獲取能力不同等，在評估指標的選取上尚未形成統一的體系。盡管不同地區的風險評估指標存在一定差異，但指標選取仍需遵循可行性、科學性、代表性、獨立性和系統性等原則。此外，若從災害系統角度定義城市洪澇災害風險，評估指標的選擇與評估框架相關，可根據指標選取原則和評估框架進行評估體系構建。本文以危險性-易損性(H-V)評估框架為例，從危險性、易損性兩方面出發，綜合考慮城市系統及其洪澇災害的特性建立指標體系，如圖2所示。該體系僅提供參考價值，實際應用中的指標選擇仍需根據風險評估的尺度、單元、資料可獲取性等實際情況確定。

圖2 城市洪澇災害風險評估指標體系Fig.2 Risk assessment index system of urban flood disaster

當風險評估過程中涉及指標體系法并需要計算指標權重時，可選擇特定的數學方法確定權重。指標權重的大小反映了指標在風險評估中的重要程度，權重越大，說明該指標對風險的貢獻值越大，反之則說明該指標對風險的貢獻值較小。目前可用于指標權重計算的方法較多，主要分為3類：①主觀權重法，如直接評分法、對比排序法、Delphi法和層次分析法等；②客觀權重法，如熵權法、標準差法和CRITIC法等；③主客觀組合權重法，即利用兩種或兩種以上的方法對權重進行組合計算的方法。

主觀權重法主要依靠行業專家自身的專業知識對指標的重要性做出排序而確定指標權重值，受主觀因素影響較大，有時不能客觀地反映實際情況；客觀權重法主要根據指標數據的統計分布規律進行分析而求得各指標權重，該方法一定程度上克服了主觀因素影響，體現了數據的客觀性。但是指標權重既是決策者的主觀評價，同時又是指標本身物理屬性的客觀反映，是主客觀綜合度量的結果，為了全面反映指標的實際重要性，可采用綜合權重方法，將主觀權重和客觀權重進行加權平均得到評價指標的綜合權重[24]，以促使指標的權重更加合理。

4 城市洪澇災害風險區劃方法

洪澇災害風險評價中，風險區劃方法最常用于處理風險分析結果，因此風險評價亦可稱為風險區劃。城市洪澇風險區劃包括將風險分析結果與預先設定的風險準則或閾值相比較，或是風險分析結果之間進行比較，從而確定風險等級。風險區劃是在風險分析上的宏觀分區，風險區劃圖可反映風險的空間分布，對風險分析結果進行科學合理的區劃，可真實、客觀地反映洪澇風險空間分布的特征和規律，從而繪制出科學性、實用性和指導性較好的風險區劃圖，是重要的風險評估成果，對風險應對及管理、防洪排澇和防災減災等均有重要的參考價值和指導意義。

風險區劃是洪澇災害風險評估必不可少的步驟，一般是指將風險分析結果劃分為若干個不同風險高低等級的區域，最簡單的等級區劃方式是把風險分為需要應對區域或不需要應對區域兩種。此外，還可根據風險的可承受程度劃分為不可承受、中間、廣泛可承受區域共3種。不可承受區域即特級重點防范區域，無論發生洪澇災害的可能性大小、風險值高低，此區域發生洪澇災害的后果是無法承受的，因此要不惜代價地防范該區域的災害發生，采取全面的風險應對措施。中間區域的重要性處于不可承受區域和廣泛可承受區域之間，該區域的風險應對措施需要綜合考慮措施的收益比。廣泛可承受區域的社會經濟重要性很低或發生洪澇災害的概率很低，風險值一般較小，不需要采取任何風險應對措施。

由于風險評估整個過程均具有一定的不確定性，因此以上兩種形式的風險區劃方式均存在較大的局限性，難以確定各類區域的界定值。以往的研究中，常將結果根據特定的等級區劃方法將風險分析結果區劃成若干個等級，并繪制成直觀可靠的風險區劃圖，為防洪排澇部門的決策提供科學依據。對于風險區劃圖而言，區劃等級的數量應綜合考慮數據精度、比例尺大小、數據分布特征和人眼辨認能力進行確定。對于一般的區劃圖而言，以3～7級為宜。洪澇風險區劃常用等級的相關描述，數字越大代表風險越高：1級，風險極低；2級，風險低；3級，風險較低；4級，風險中等；5級，風險較高；6級，風險高；7級，風險極高。這個可供不同等級數量的區劃參考。風險區劃方法有：

a. 相等間隔法。相等間隔法是指將風險分析結果的值劃分為大小相等的若干間隔，此方法可突出極值的變化，適合數據分布較均勻的分級。將風險分析結果按從小到大順序排列，包含x1、x2、…、xn共n個區劃單元，區劃等級數為m，第i與i+1個等級(i=1,2,…，m-1)之間的界限值Ai計算公式為

(1)

b. 分位數法。分位數法是指按風險區劃的單元數量進行劃分，使各區間數據的數量相同，此方法可突出中間值的變化，適合數據分布較均勻的分級。假設風險分析的結果按從小到大的順序進行排列，包含x1、x2、…、xn共n個區劃單元，區劃等級數為m。當n為m的K倍(K為正整數)時，該方法才具備適用性。第i與i+1個等級(i=1,2,…，m-1)之間的界限值Ai為

Ai=x1+in/m

(2)

d. 自然間斷點法。自然間斷點法是美國環境系統研究所(ESRI)研制并應用在ArcGIS中的一種分級方法，屬聚類分析的單變量分類方法。該方法根據數值統計分布規律進行分級和分類，目的是在不改變有序樣本的前提下，使其分割的相同等級內的數據相似值最優，而不同級別之間的數據差距達到最大，不同級別之間的界限點出現在數據突變明顯處。自然間斷點法適用性強，能夠用于多類型數據的分級處理，在干旱、洪澇災害風險等級區劃中應用廣泛。

e. 隸屬度函數法。隸屬度函數法是模糊數學中區劃數據等級中的關鍵處理方法。若將區劃等級看作集合，需要分級的數據看作是元素，上述的相等間隔法、分位數法等方法的集合和元素之間的關系則是絕對的，元素只有屬于或不屬于該集合的關系。但模糊數學認為元素和集合之間的關系并非絕對的，可利用隸屬度來表示元素屬于集合的程度，其中隸屬度值范圍為[0,1]，隸屬度越高說明元素和集合的貼近程度越高。因此運用隸屬度函數法進行m個等級的區劃時，需要確定m個模糊集合和元素與集合之間的隸屬度函數，計算元素與模糊集合之間的隸屬度ui(i=1,2,…,m)，通常采用最大隸屬度原則對元素進行區劃等級處理，即元素與模糊集合之間隸屬度最大時，即代表該元素屬于該集合。

5 結 論

a. 洪澇災害系統主要有3種評估框架，即危險性-暴露性-脆弱性(H-E-V)、危險性-暴露性-脆弱性-防災減災能力(H-E-V-R)、危險性-易損性(H-V)。城市洪澇風險作為風險的一種，其評估流程遵循風險評估的規律，即風險識別、風險分析和風險評價。

b. 以危險性-易損性評估框架為例，綜合考慮城市洪澇災害特性構建了反映洪澇風險特征的指標體系，論述了主觀、客觀賦權法中多種指標權重計算方法，其中主觀賦權法主要依靠行業專家自身的專業知識對指標的重要性做出排序而確定指標權重值，客觀賦權法則是根據指標數據的統計分布規律進行分析而求得各指標權重。

c. 洪澇風險等級可反映風險高低，可對風險進行定量或定性的描述和比較。風險區劃等級數量一般以3～7級為宜，論述了可應用于風險等級區劃的相等間隔法、分位數法、均值標準差法、自然間斷法和隸屬度函數法等方法，可為等級區劃提供參考。