基于PSR-SPA模型的成都市文化遺產(chǎn)洪澇災害風險研究

曾雅婕, 傅 紅, 稅 玥

(1.四川大學 建筑與環(huán)境學院, 四川 成都 610065; 2.成都理工大學 旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院, 四川 成都 610059)

文化遺產(chǎn)作為民族文化的精神象征以及賦能產(chǎn)業(yè)的資源要素，對傳承民族精神、豐富文化多樣性、展示國家名片具有重要意義[1]。然而在全球氣候變暖和極端天氣變化等多因素影響下，文化遺產(chǎn)面臨著頻繁和嚴峻的洪澇災害問題[2]，其突發(fā)性強、淹沒時間長、受災面廣[3]，不僅造成了嚴重的經(jīng)濟財產(chǎn)損失，更威脅著文化遺產(chǎn)的存續(xù)安全。文物保護單位是文化遺產(chǎn)的重要組成部分，包括古文化遺址、古墓葬、古建筑、石窟寺、石刻、壁畫、近代現(xiàn)代重要史跡和代表性建筑等不可移動文物[4]。由于它們常處于開放或半封閉的保存狀態(tài)，受洪澇災害威脅尤為嚴重[5]。據(jù)國家文物局不完全統(tǒng)計，2020年洪澇災害已致中國南方11省份500余處不可移動文物受損，遺產(chǎn)保護安全形勢嚴峻。

目前，關于文化遺產(chǎn)的研究在文化遺產(chǎn)傳承保護、旅游開發(fā)、體制建設以及管理經(jīng)驗等[6-8]方面成果頗豐，而對文物保護單位的研究主要集中在文物時空分布特征[9]、文物單體修繕保護[10]、專項規(guī)劃編制[11]以及資源活化利用等[12]方面，部分學者以不可移動文物洪澇災害風險評估為研究視角進行了初步探索。喬文慧等[13]綜合考慮災害系統(tǒng)的致災因子、孕災環(huán)境、承災體和調(diào)控響應因子，對城市文物保護單位進行了洪澇災害風險評估；梁龍等[14]關注暴雨的季節(jié)性特點，建立了不可移動文物季節(jié)性暴雨洪澇災害風險評估方法。總體來說，現(xiàn)有文化遺產(chǎn)研究多側(cè)重于歷史考古、建筑修復以及規(guī)劃管理等角度，從災害角度進行的研究較少。

關于洪澇災害風險評估的量化方法有數(shù)理統(tǒng)計法、指標體系法、不確定性分析法和情景模擬法[15]，其中常以致災因子、孕災環(huán)境、承災體[16]三者構(gòu)建評價指標體系進行風險評估。以往研究大多未能考慮評價指標間的差異性問題，且研究結(jié)論尚停留在風險等級劃分層面，未能進行更深入的規(guī)律探討。洪災風險評價是一個復雜的系統(tǒng)，其實質(zhì)上是把確定性的評價標準與不確定性的評價因子及其變化相結(jié)合的分析過程[17]，為更好地處理系統(tǒng)確定性與不確定性因素間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化關系，采用集對分析法對評價指標間同、異、反的聯(lián)系作用進行分析。此外，在涉及社會—生態(tài)系統(tǒng)風險評估的研究中，PSR模型具有很強的靈活性和實用性[18]，在識別研究區(qū)遺產(chǎn)現(xiàn)狀與環(huán)境特征的基礎上，通過PSR模型構(gòu)建風險評估指標體系，可以更好的反映風險系統(tǒng)間的相互關系。

基于此，本文以成都市文物保護單位為例，運用PSR-SPA模型對成都市文物保護單位進行洪澇災害風險分析，研究不同遺產(chǎn)級別、遺產(chǎn)年代和遺產(chǎn)類型的文物保護單位洪災風險的分布規(guī)律，并通過空間自相關性分析確定文保單位洪災風險的空間分布特征，以期為文化遺產(chǎn)洪澇災害防治和減災防災戰(zhàn)略制定提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

成都市位于四川省中部，四川盆地西部，成都平原腹地，經(jīng)緯度為東經(jīng)102°54′—104°53′和北緯 30°05′—31°26′，境內(nèi)地勢較為平坦，總體呈西北高，南部低。區(qū)內(nèi)河流水系縱橫，岷江及沱江干流穿越市境，中小河流及都江堰渠系密布全市[19]，氣候類型屬亞熱帶季風氣候，全年降雨充沛。成都市轄11區(qū)5市4縣，2019年全年實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值GDP 1.70×1012元，常住人口1.66×107人，旅游人次2.80×108人，旅游總收入4.66×1011元。成都歷史文化資源豐富，境內(nèi)有世界遺產(chǎn)地2處，國家級歷史文化名城2座，省級歷史文化名城3座，歷史文化街區(qū)12片，全國重點和省市級文物保護單位311處。成都市降水年內(nèi)分配不均，雨季多暴雨，江河水量系發(fā)達，洪澇災害頻繁發(fā)生[19]，常出現(xiàn)水利設施受損、農(nóng)田被淹以及城市積水等災害問題，境內(nèi)文化遺產(chǎn)也受到不同程度的影響。本文以成都市311處文物保護單位為研究對象，包括41處全國重點文物保護單位，108處省級文物保護單位以及162處市級文物保護單位，其分布情況見圖1。

圖1 成都市地形及文物保護單位分布

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文所用數(shù)據(jù)包括地理數(shù)據(jù)、氣象水文數(shù)據(jù)、遺產(chǎn)數(shù)據(jù)以及社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)4類。

(1) 地理數(shù)據(jù)。2019年成都市Landsat 8遙感影像(分辨率30 m)，成都市DEM高程數(shù)據(jù)(分辨率30 m)以及成都市交通道路矢量圖。運用ENVI5.3和ArcGIS 10.2對遙感影像進行輻射定標、大氣校正、圖像融合等預處理，獲取土地利用、高程、坡度等地形數(shù)據(jù)。

(2) 氣象水文數(shù)據(jù)。2019年成都市一般站點和基準站點逐日降水量數(shù)據(jù)以及成都市水系分布圖。運用ArcGIS對降水量進行克里金插值，獲取降水柵格數(shù)據(jù)。

(3) 遺產(chǎn)保護數(shù)據(jù)。2019年成都市市級以上文物保護單位統(tǒng)計數(shù)據(jù)。利用Google Earth對文保單位進行空間定位，并結(jié)合高德地圖坐標校準，確定其經(jīng)緯度坐標，建立成都市文物保護單位地理信息數(shù)據(jù)庫。將帶有坐標信息的文物保護單位點位導入ArcGIS進行處理。

(4) 社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)?！冻啥际?019年統(tǒng)計年鑒》及成都市各區(qū)縣2019年度國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報。

1.3 研究方法

1.3.1 PSR評估模型 壓力—狀態(tài)—響應模型(pressure-state-response， PSR)是一種用于研究環(huán)境問題的模型，常用于生態(tài)安全、生態(tài)健康評估框架的構(gòu)建。從災害理論視角，現(xiàn)有洪災研究[13-14,20]多從致災因子、孕災環(huán)境、風險受體和減災措施4個方面建立洪災風險評價指標體系。

以PSR模型為基礎構(gòu)建風險評估指標體系，可以對社會—生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)、變化原因以及減災措施進行評估，更好的反映風險系統(tǒng)間的相互關系[18]。本文通過借鑒相關研究成果[13,21-22]與研究區(qū)實際情況，按照可量化性、典型性以及操作性的原則(見表1)。其中壓力(P)指標是指災害風險受體在自然致災因子和社會致災因子的影響下承受的風險壓力。本文指自然災害因子；狀態(tài)(S)指標包括風險受體狀態(tài)指標以及孕災環(huán)境危險狀態(tài)指標兩類；響應(R)指標表示區(qū)域面臨洪災風險壓力時所采取的對策與措施。

表1 基于PSR模型的洪災風險評價體系

1.3.2 SPA集對分析法 集對分析法SPA是處理不確定性問題的系統(tǒng)分析方法，將不確定性系統(tǒng)中的兩個有關聯(lián)的集合構(gòu)造為集對，用聯(lián)系度μ描述集對的同一性、差異性、對立關系分析，研究確定性與不確定性之間的聯(lián)系、轉(zhuǎn)換和制約[23]。本文以成都市311處文物保護單位為評價單元，基于ArcGIS提取每個文物保護單位的評價指標柵格數(shù)據(jù)實值，設定5級評價等級，通過計算各指標聯(lián)系度，按照置信度準則確定研究區(qū)文物保護單位的洪災風險等級。具體計算步驟如下：

(1) 聯(lián)系度μ計算。集合A表示評價指標的集合，集合B表示評價指標等級標準的集合，H(A，B)構(gòu)成集對，對其進行分析得到N個特性，用聯(lián)系度μ描述集對[23]，則有：

(1)

式中：S為共有的特性個數(shù);P為兩個集合對立的特性個數(shù)；其余的F個特性關系不確定；i表示差異度系數(shù)∈[-1,1]；j為對立度系數(shù),取-1。令,a=S/N,b=F/N,c=P/N,根據(jù)研究對象數(shù)量的不同,可將式(1)進一步擴展至五元聯(lián)系度公式:

μAB=a+b1i1+b2i2+b3i3+cj

(2)

式中：a為同一度；b1，b2，b3為差異度分量，c為對立度，滿足a+b1+b2+b3+c=1；i1，i2，i3表示差異度分量系數(shù)。

利用模糊分析法求取聯(lián)系度μ，對于評價指標越大越危險型聯(lián)系度的計算：

(3)

對于評價指標越小越危險型聯(lián)系度的計算：

(4)

式中：S1，S2，S3，S4為評價因子的門限值；xm為評價因子的實測值。

(2) 綜合聯(lián)系度μAB計算。得出指標實際值與各級評價標準的聯(lián)系度后，則可建立各級評價等級集對H(A，B)的五元綜合聯(lián)系度：

(5)

式中：wm為指標的權(quán)重,本文用層次分析法確定各評價指標權(quán)重。

(3) 置信度準則確定危險等級。引入置信度準則確定評價單元隸屬的風險等級[24]。

(6)

若f1>λ，則洪災風險為低，f1+f2>λ，則洪災風險為較低，f1+f2+f3>λ，則洪災風險為中等，若f1+f2+f3+f4>λ，洪災風險為較高，f1+f2+f3+f4+f5>λ，則洪災風險為高。λ為置信度，一般取0.5～0.7，該值越大，評價結(jié)果越保守，本文λ取 0.5。

1.3.3 空間自相關性分析 空間自相關性是指在空間上越靠近的事務或現(xiàn)象越相似。進行空間自相關性分析的主要目的確定是某一變量在空間上是否相關及其相關程度如何，常用空間自相關性系數(shù)來度量物理或生態(tài)學變量在空間上的分布特征及其對其領域的影響作用[25]。變量值隨測定距離的縮小表現(xiàn)出相似性，則變量為空間正相關，若隨測定距離的縮小表現(xiàn)出不同性，則變量呈空間負相關，若變量值不表現(xiàn)空間依賴關系，則為空間不相關性或空間隨機性。

本文對文物保護單位洪水災害風險指數(shù)進行空間自相關性分析，確定其在空間上的分布特征和空間上的依賴關系，通過Moran’sI指數(shù)和LISA指數(shù)的計算反映全局空間自相關性和局部空間自相關性分析[26]。其中Moran’sI指數(shù)的計算公式為：

(7)

(8)

LISA指數(shù)可反映觀測值的聚類或異常情況，主要體現(xiàn)為高高聚集(H-H)、低低聚集(L-L)、高低聚集(H-L)和低高聚集(L-H)。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于PSR-SPA的洪災風險計算

2.1.1 指標構(gòu)建及權(quán)重 依據(jù)PSR洪災風險評價模型，對壓力、狀態(tài)以及響應3類指標進行評估。

(1) 壓力指標。壓力(P)指標指自然致災壓力指標。降雨是洪水形成的直接因素，本文選取極端天氣最大降水量、極端天氣降水頻率(統(tǒng)計降水量≥30 mm的天數(shù))、年平均降水量3類指標表征自然致災壓力，通過ArcGIS的克里金插值分析確定壓力指標的風險等級程度。

(2) 狀態(tài)指標。狀態(tài)(S)指標包括孕災環(huán)境危險狀態(tài)指標以及風險受體狀態(tài)指標兩類。孕災環(huán)境危險狀態(tài)指標綜合考慮地形影響、植被覆蓋、土地覆被、地表徑流影響和水系分布密度的作用。高程越低坡度越小的地方越易受災；參考梁龍等[14]對不同土地覆蓋類型的粗糙度大小賦值，將研究區(qū)土地覆被分為林地、田地、建設用地、未利用地和水域5類，分別賦值為1，2，3，4，5；用NDVI反映植被覆蓋情況，植被覆蓋度越高對洪水阻隔越大，受災風險越小；地表徑流表示降雨下徑流匯流路徑分布，對地表徑流進行緩沖區(qū)處理，表示不同等級的災害風險；水系分布密度對研究區(qū)洪災侵害影響有直接作用，水系分布越密集，受災風險越高。風險受體狀態(tài)指標考慮文物保護單位本體的級別和年代，遺產(chǎn)建成年份越久、級別越高，其價值越高，更易受災。遺產(chǎn)級別按照歷史、藝術(shù)和科學價值將市級、省級以及全國重點文物保護單位分別賦值為1，3，5；遺產(chǎn)年代分為史前、先秦、秦漢隋唐、宋元明清以及近代以來5類，賦值1，2，3，4，5；用旅游人次和人口密度來反映研究區(qū)內(nèi)承災體數(shù)目，游人越多，人口越密集的區(qū)域災害損失越大。

(3) 響應指標。響應(R)指標表示面臨洪災風險壓力時所采取的對策與措施，認為路網(wǎng)完善、經(jīng)濟發(fā)達、收入越高的區(qū)域抗災能力越強；遺產(chǎn)保護機構(gòu)越健全越專業(yè)，應災響應越及時。將遺產(chǎn)保護管理機構(gòu)分為文物主管部門代管、附屬其他保護管理機構(gòu)管理、設立專門機構(gòu)保護管理3類，賦值為1，3，5。

結(jié)合研究區(qū)實況按照自然斷點分級法[21-22]將洪災風險值劃分為5個等級：低風險等級、較低風險等級、中等風險區(qū)域、較高風險等級和高風險等級，確定各指標不同風險等級的門限值(表2)。通過20位遺產(chǎn)保護、災害管理及規(guī)劃方面的專家對指標體系進行權(quán)重賦值，建立目標評價的層次結(jié)構(gòu)模型確定各指標權(quán)重。

表2 洪災風險評價指標門限值和指標權(quán)重

2.1.2 聯(lián)系度計算 依據(jù)指標聯(lián)系度的計算方法，基于ArcGIS提取評價指標柵格數(shù)據(jù)值至文物保護單位，按照公式(3)—(4)計算出各評價指標的聯(lián)系度μ。以全國重點文物保護單位——永陵王建墓為例，計算出該文保單位的單指標聯(lián)系度和聯(lián)系度分量a，b1，b2，b3，c的值(表3)。

2.1.3 確定風險等級 依據(jù)置信度準則確定洪災風險等級的計算方法，由公式(6)計算出f1，f2，f3，f4，f5，本文將置信度λ設定為0.5。同樣以全國重點文物保護單位——永陵王建墓為例，計算出f1為0.097，f2為0.298，f3為0.154，f1+f2+f3=0.549>0.5，故該文保單位屬中風險等級(表4)。

表3 永陵王建墓點位單指標聯(lián)系度

表4 永陵王建墓點位洪災風險等級

2.2 洪災風險結(jié)果與分析

按照公式(3)，(4)，(6)計算研究區(qū)其余310處文物保護單位的洪災風險等級，統(tǒng)計各個風險級別的文物保護單位數(shù)量及所占百分比，其空間分布見圖2，數(shù)量和比例統(tǒng)計見表5?？傮w來說，成都市文物保護單位洪災風險分布具有較大的空間差異性和不均衡性，呈西高東低、北高南低，城市高于郊區(qū)、平原高于山地的空間分布形態(tài)。研究區(qū)文物保護單位大部分屬中等洪災風險，具體分布如下。

(1) 低風險等級。文物保護單位數(shù)量僅為6處，占比小為1.93%，其中省級2處，市級4處，分布在研究區(qū)南側(cè)郊區(qū)，主要為蒲江縣和雙流區(qū)等地。

(2) 較低風險等級。有文物保護單位60處，占比19.29%，其中全國重點文保單位3處，省級18處，市級39處，集中分布在研究區(qū)中部和西南部，邛崍市、大邑縣、龍泉驛區(qū)等區(qū)域。這些區(qū)域整體距水系較遠、降水量較小，洪水災害活動小，故風險較低。

(3) 中風險等級。文物保護單位數(shù)量最多，共有218處，占比70.10%，有全國重點文保單位20處，省級82處，市級116處，密集分布在主城青羊區(qū)、武侯區(qū)和錦江區(qū)范圍，其余點位較為平均分散在研究區(qū)西側(cè)，東側(cè)區(qū)縣如簡陽市、青白江區(qū)等分布少且離散。該等級文保單位受極端天氣降水量和水系密度分布的影響較大。

圖2 成都市文物保護單位洪災風險等級空間分布特征

(4) 較高風險等級。文物保護單位數(shù)量較少為21處，占比6.75%，以全國重點文保單位為主有12處，省級6處，市級3處，分布離散不集中，都江堰市、崇州市以及新津縣分布最多。該區(qū)域極端天氣降水量大、距水系較近且大部分屬于匯流區(qū)，整體洪災風險較高。

(5) 高風險等級。文物保護單位有6處，且全部為全國重點文保單位，其中都江堰市有2處，大邑縣2處，青羊區(qū)1處，溫江區(qū)1處。這些地區(qū)地勢平坦，降水較多同時旅游業(yè)發(fā)達，旅游人次較多，易受洪災威脅且受災損失較大，洪災風險級別高。

表5 成都市文物保護單位風險等級

結(jié)合文物保護單位級別可以看出，全國重點文物保護單位遭受洪水災害風險高，中風險等級以上的文物保護單位共38處，占全國重點文保單位總量的92.68%，省級和市級文物保護單位，中等洪災風險以上分別為88，119處，分別占省、市級文物保護單位總量的81.48%，73.46%?；陬愋蜕峡?，研究區(qū)中等洪災風險以上文保單位類型以古建筑和近現(xiàn)代重要史跡及代表性建筑為主，其中古建筑有112處，近現(xiàn)代重要史跡及代表性建筑77處，分別占總量的36.01%，24.76%。從遺產(chǎn)年代上看，宋元明清時期的文保單位數(shù)量多，洪災風險高，中風險等級以上文物保護單位中宋元明清時期有130處，近代以來有66處，秦漢隋唐有21處，分別占比41.8%，21.22%，6.75%。

從空間分布上看，研究區(qū)文物保護單位洪災風險高發(fā)區(qū)域位于青羊區(qū)、武侯區(qū)和錦江區(qū)等主城區(qū)內(nèi)，有唯一極值核心區(qū)，主城區(qū)內(nèi)中風險等級以上文物保護單位62處，占比19.39%，文保單位分布密集，旅游人次多，受災損失大，風險大；崇州市、邛崍市和大邑縣等地文保單位中等洪災風險等級以上較為集中；簡陽市、雙流區(qū)、龍泉驛區(qū)以及成華區(qū)洪災風險相對較小。

2.3 洪災風險空間自相關性分析

2.3.1 全局相關性分析 運用Geoda軟件的空間自相關分析工具對2019年成都市文化遺產(chǎn)點位洪災風險值進行全局空間自相關性分析，計算出全局Moran’sI指數(shù)為0.068，p為0.001<0.01，通過99%的置信度檢驗，Z為4.108 4，大于1.65，說明Moran’sI指數(shù)顯著有效，文物保護單位洪災風險在空間分布上呈微弱的正相關關系，存在一定的空間集聚性。

2.3.2 局部相關性分析 局部相關性分析可表征一個單元與鄰近單元屬性值的相關程度，通過Geoda軟件計算LISA指數(shù)，得到成都市文物保護單位洪水災害風險LISA聚集特征(圖3)。

圖3 成都市文物保護單位洪災風險LISA聚集特征

由圖3可知，局部相關性分析僅存在兩種類型，高—高型聚集點位和高—低型聚集點位，說明洪災風險較高的點位更易聚集。其中高—高型聚集點位有108處，主要集中分布在成都市主城青羊區(qū)、武侯區(qū)和錦江區(qū)，該區(qū)域內(nèi)風險點及周邊鄰域表現(xiàn)出較強的聚集特征；西側(cè)都江堰市、大邑縣以及崇州市等地洪水災害較高風險和高風險點位多表現(xiàn)為高—高聚集型，區(qū)域周邊點位具有一定的隨機性；東部高—高聚集型點位分布少又散，僅龍泉驛區(qū)、簡陽市以及金堂縣有少量分布，區(qū)域點位表現(xiàn)出較強的隨機性。高—低型聚集點位有9處，全部分布在研究區(qū)北側(cè)新都區(qū)和彭州市區(qū)域內(nèi)。其他194處文物保護單位點位表現(xiàn)為不顯著。

3 討論與結(jié)論

本文將PSR模型引入傳統(tǒng)災害評價體系中，使得風險系統(tǒng)間的相互關系更為明晰，在洪災風險評估時，用SPA集對分析法確定風險等級，有效分析了指標間的差異性問題，以成都市文物保護單位為例，建立了一套基于文化遺產(chǎn)的洪災風險評價模型，為其災害防治、應急管理和發(fā)展規(guī)劃提供理論依據(jù)。

(1) 成都市文物保護單位洪災風險分布差異性顯著，呈西高東低、北高南低，城市高于郊區(qū)、平原高于山地的空間分布形態(tài)，大部分屬中等洪災風險，中風險等級及以上文物保護單位數(shù)量占比78.78%。

(2) 成都市文物保護單位遺產(chǎn)級別和洪災風險等級正相關，從數(shù)量上看，文物保護單位以省市級為主，全國重點文物保護單位雖數(shù)量少，但其遺產(chǎn)價值高、本體脆弱性強，受災后易損，應進一步加強其保護與災害防治措施，開展文物防災減災技術(shù)研究，針對性提高遺產(chǎn)自身抵御災害的能力。

(3) 中等洪災風險以上文保單位類型以古建筑和近現(xiàn)代重要史跡及代表性建筑為主，年代則多為宋元明清時期，應更加關注此類文保單位的洪災風險問題，突出防御重點，加強監(jiān)測防控，定期組織文物保護單位的排查和修繕工作，發(fā)揮文物預警防控功能。

(4) 成都市文物保護單位洪災風險高發(fā)區(qū)域集中在青羊、武侯和錦江等主城區(qū)內(nèi)，東部區(qū)縣如簡陽市、雙流區(qū)、龍泉驛區(qū)等洪災風險相對較小。受洪災威脅較大的區(qū)縣應進一步加強防汛信息化建設，提前研判可能發(fā)生的洪澇災害，針對性安排部署防范應對工作。

(5) 成都市文物保護單位洪災風險在空間分布上呈微弱的正相關關系，存在一定的空間集聚性，洪災風險較高的文物保護單位更易聚集。

在后續(xù)工作中可以進一步深入探索評價指標的全面性，特別是歷史性洪澇災情以及文物保護單位本體的抗災性質(zhì)等要素，加強評價體系的綜合研究。同時可以加強文化遺產(chǎn)洪澇災害的影響機制分析，探討文化遺產(chǎn)周邊環(huán)境變化、社會公共管理、城市基建提升等因素對文化遺產(chǎn)災害風險的驅(qū)動影響，以期為文化遺產(chǎn)的保護和利用提供更有價值的參考。