相鄰地區風暴潮災害風險評估與區劃成果集成方法初探及應用

章曉潔 鄧艷芬 邱桔斐等

關鍵詞：風暴潮;風險評估;風險區劃;成果集成;上海市

中圖分類號：P76;P731.22 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2022）01-0043-06

0引言

我國是世界上遭受風暴潮災害影響最嚴重的國家之一。我國沿海渤海灣底部沿岸和萊州灣沿岸是風暴潮多發區，以溫帶天氣過程引發的風暴潮占主導因素;而長江口沿岸，福建北部福州到浙江南部臺州，廣東惠州、珠江口到陽江、雷州半島東部沿岸等沿海區域以臺風風暴潮為主;南方風暴潮災害易發區發生特大潮災的可能性比北方要大;長三角、珠三角一帶是我國沿海經濟和人口分布密集區，屬于國家層面風暴潮災害風險防范的重點區域[1]。風暴潮過程往往造成極大的經濟損失和人口傷亡。根據2019 年度《中國海洋災害公報》，2019年海洋災害直接經濟損失為117.03億元，其中風暴潮災害是造成直接經濟損失最重的災種，占總直接經濟損失的99%。

自2008年河北省滄州市、唐山市和秦皇島市部分沿海區域的我國首份風暴潮災害風險評估圖問世以來，至今已有不少沿海地區陸續完成風暴潮災害風險評估與區劃工作[2-4]。從全局風暴潮災害風險管理的角度出發，可以預見，在不久的將來相鄰市、縣之間或相鄰省份之間的區劃成果集成或銜接將成為一個不可回避的問題。根據相關技術導則[5]，風暴潮災害風險評估與區劃成果豐富，包括評估區域在不同風暴潮等級條件下的潮位、增水、淹沒水深分布，災害危險性評價、脆弱性評價、風險評估和風險區劃結果等。由于不同市、縣的風場、風暴潮構建參數不同，基礎資料差異以及計算模型不同，可能導致即便在同一臺風級別下的相鄰區域的評估結果出現無法直接銜接的問題。

上海市濱江臨海，易受風暴潮災害的影響，在原國家海洋局國家尺度風暴潮災害危險性評價結果中，上海市的5個沿海區（金山區、寶山區、崇明區、浦東新區和奉賢區）均被評為危險性等級Ⅰ級（高）[6]。從2017—2019年，上海市分區域完成了沿海5區的市級風暴潮災害風險評估與區劃工作[7]。本研究以該工作的成果為基礎，開展風暴潮災害風險評估與區劃成果集成的方法研究，并獲得了上海全市的相應成果，可為全國其他省、市、縣的成果集成提供方法借鑒。

1研究區域及數

據根據《上海年鑒》（2019年）上海市地處120°51'E—122°12'E，30°40'N—31°53'N，位于太平洋西岸，亞洲大陸東沿，中國南北海岸中心點，長江和錢塘江入海匯合處，北界長江，東瀕東海，南臨杭州灣，西接江蘇和浙江兩省。上海地處長江三角洲沖積平原，平均海拔高度4m 左右，陸地地勢總趨勢由東向西低微傾斜。截至2018年年末，上海市總面積6340.5km2，常住人口2423.78萬人。上海氣候屬亞熱帶季風氣候，夏季和秋季常受臺風侵擾。

上海市2017—2019年，逐步完成了金山區、寶山區、崇明區、浦東新區和奉賢區的風暴潮災害風險評估與區劃工作，主要技術方法均參照自然資源部發布的技術導則[5]或其征求意見稿執行。該工作分3年分區域進行，共建立了3個區域風暴潮模型，分別是：金山區模型;寶山區和崇明區模型;浦東新區和奉賢區模型（圖1）。3個模型區域的計算網格范圍均為115°E—134°E，16°N—41°N，包括了整個東中國海，陸上部分分別包括了沿海5區各個區域范圍，模型在相鄰區之間的陸域部分存在約10km的重疊區域。外海網格較大，靠近沿岸的網格較小，在沿岸海堤處網格做了重點局部加密，沿岸網格分辨率50～100m。

在上海市風暴潮災害風險評估與區劃工作中，對于每個區域風暴潮數值模型，均通過驗證、模擬得到潮位、增水、淹沒水深和危險性等級等結果，結合海洋災害承災體分布數據和土地利用類型數據得到脆弱性等級結果，綜合危險性和脆弱性得到風險等級結果，再綜合考慮各區的社區邊界數據或村隊界數據得到風險區劃結果。本研究利用這些單獨的區域模型在可能最大臺風風暴潮情景下的計算和評估結果（表1），開展上海市全市的風暴潮災害風險評估與區劃成果集成方法研究。

2集成方法

本研究按照成果數據的類型及其在相鄰區域模型中的重疊度，對其進行再分類，分別研究其集成方法。按照數據類型包括矢量點數據、柵格數據和矢量面數據。按照重疊度，潮位和增水為海域計算結果，整個大面完全重疊;其余為陸域計算或評價結果，其中相鄰區域模型的淹沒水深和危險性為含陸域重疊區的計算結果，脆弱性、風險等級和風險區劃均為完全獨立、不重疊的結果。

2.1潮位、增水集成方法

對于潮位和增水計算結果，均為包含經度、緯度和潮位或增水的x、y、z3列點狀數據，數據結果覆蓋整個模型范圍，不同區域模型的計算結果之間具有充分的空間重疊度。考慮到在風險評估工作中，往往對潛在風險采用就高不就低的原則，因此在可能最大臺風風暴潮的情景下，重疊區域的潮位或增水宜取所有區域模型中的最高潮位或最大增水。因此首先對3個區域模型的潮位、增水數據進行空間插值，注意保持空間插值的范圍和像元大小一致，然后綜合所有區域模型的空間插值結果，按照平面分布中各處取最大值的原則得到最終的潮位或增水結果，即集成后的潮位或增水結果。有研究表明，在常用的GIS空間插值方法中，克里金（或稱克里格）插值方法對水環境信息的空間插值是較為合適的[8-10]，因此本研究中均采用克里金插值方法。進行空間插值前，可預設一個插值的空間范圍，防止由于數據量過大導致計算時長過長或失敗。

2.2淹沒水深、危險性集成方法

對于淹沒水深計算結果和危險性等級評價結果，均為柵格數據，覆蓋范圍均為模型的陸地區域。與潮位和增水結果的集成不同的是，潮位和增水結果均為海域計算結果，整個海域是一個連通域，而淹沒水深結果是陸域計算結果，陸域各區域之間可能存在自然或人為的隔斷，如上海市浦東新區和寶山區之間被黃浦江隔斷。看似相鄰的兩個區域之間若存在隔斷，則無須考慮結果銜接的問題。同時，考慮到數值模型的邊界效應，在陸上網格邊界處模型中水體會產生一定的堆積，導致網格邊界處淹沒水深偏大，并且相鄰模型的邊界效應大小是不一致的，因此在區域模型構建時陸域的網格覆蓋范圍往往略大于評估范圍以削弱邊界效應。在本研究中，上海市3個區域模型的相鄰陸域之間存在約10km的重疊區，即每個區域模型均在行政區邊界外擴約5km，以此來削弱淹沒水深在陸域邊界異常偏大的現象。因此在淹沒水深結果集成時，無須考慮將陸域重疊區的計算結果進行融合，而是直接去除每個區域模型的陸域外擴部分。若相鄰模型之間無重疊區，即區域模型網格未適當外擴，則在集成時邊界效應將難以忽略。在難以重新構建網格和計算的情況下，可以考慮在相鄰陸域邊界進行適當的平滑處理，如均值濾波[11]。

目前危險性等級評價結果是根據淹沒水深進行劃分得到[3，5]，因此在得到淹沒水深的集成結果之后，直接對其按照淹沒深度進行劃分即可得到危險性等級評價的集成結果，無須另外研究集成方法。

2.3脆弱性、風險等級和風險區劃集成方法

對于脆弱性等級評價結果、風險等級評價結果和風險區劃結果，均為矢量數據，可以直接利用GIS軟件進行拼接。由于脆弱性等級評價結果是以土地利用現狀二級類區塊單元作為脆弱性評估空間單元，因此各評估區域的相鄰區塊單元本就是相互獨立的，可直接進行矢量拼接。而風險等級評價結果由危險性等級評價結果和脆弱性等級評價結果綜合計算得到，風險區劃結果是在風險等級結果的基礎上，以沿海社區（村）為基本單元，進行風暴潮災害風險區劃分，因此各評估區域之間也是相互獨立的，可直接進行矢量數據拼接即可得到集成結果。

3結果與討論

本研究以上海市沿海5區在可能最大臺風風暴潮情景下的風險評估與區劃結果為例進行成果集成。

3.1潮位、增水集成結果

首先將金山區模型、寶山區和崇明區模型、浦東新區和奉賢區模型計算得到的潮位和增水結果進行集成，結果如圖2和圖3所示。可以看出，集成后的潮位和增水大面整體較為平滑。潮位分布結果顯示，最大潮位在外海較低，進入長江口和杭州灣后顯著增高。蘆潮港潮位約5.5m，沿著杭州灣北岸往西沿岸最高達8.3m，進入長江口往上游最高達7.8m。增水分布結果類似，最大增水在外海較低，在長江口和杭州灣內較高。蘆潮港增水約4.0m，沿著杭州灣北岸往西沿岸最高達7.0m，進入長江口往上游最高也達7.0m。

3.2淹沒水深、危險性集成結果

對于淹沒水深結果的集成，首先判斷上海市沿海5區之間是否存在隔斷，即能否直接拼接，或需進行數據處理后集成。由于上海市崇明區是由3個與大陸分離的海島構成，故不存在與周邊區域銜接的問題;在寶山區與浦東新區之間由黃浦江分隔，且在區域模型構建中已考慮了黃浦江的影響，因此這兩個區域也不存在銜接問題;浦東新區和奉賢區接壤，但是這兩個區的計算和評價結果均是源自同一個區域模型，所以也不存在銜接問題;最終可能存在銜接問題的是奉賢區和金山區之間。

金山區模型、浦東新區和奉賢區模型在構建時就預設了約10km 的陸域重疊區，重疊區采用的陸地高程數據一致，可能最大臺風風暴潮的模擬方法也一致。淹沒水深和危險性等級集成結果見圖4，其中危險性等級集成結果是在淹沒水深集成結果的基礎上進行重分級得到。可以看出，淹沒水深集成結果在金山和奉賢區邊界附近過渡較為自然，該區域的危險性等級均為II級，沒有出現淹沒水深或者危險性等級突變的接邊問題。

淹沒水深和危險性等級分布結果顯示，上海市沿海5區全境幾乎均遭到淹沒，危險性等級基本都在I級到III級，其中從I級到IV 級表示危險性從高到低（下同）。淹沒水深在崇明島西部、長興島、橫沙島、吳淞口附近黃浦江兩岸、奉賢區西北角黃浦江南岸、金山區沿海等地較大，這些區域出現了I級危險性區域。I級危險性區域面積較大處包括崇明島西部、寶山區北部沿海、奉賢區西北角沿江等地。I級危險性區域和II級危險性區域分布在幾乎整個崇明島、整個寶山區、整個長興島、整個橫沙島、黃浦江整條東岸、浦東新區整個東部沿海和金山區奉賢區部分區域。可以發現，沿海、沿江、上游都是高等級危險性出現的因素。

3.3脆弱性、風險等級和風險區劃集成結果

脆弱性、風險等級和風險區劃結果均為獨立的矢量面數據，直接利用GIS軟件進行拼接得到，分別見圖5和圖6。

上海市沿海5區的脆弱性等級評價主要依據土地利用現狀二級類和海洋災害承災體分布數據進行劃分，劃分標準參照技術導則。從圖5可以看出，上海市沿海各區脆弱性等級主要為IV 級，其次為I級，寶山區和崇明區的結果較為多樣化，其余3個區的結果兩極分化較為明顯。I級脆弱性等級主要分布在高人口密度區域、大型工業園區、危化品企業、修造船廠等重要海洋災害承災體分布區域。

從圖6可以看出，上海市存在較大的風暴潮災害風險。經統計（表2），大部分區域風險等級為III級，其次是II級和I級，IV 級風險的區域面積最小。其中I級風險區主要集中在杭州灣內沿海區域、寶山沿海區域、浦東北部沿海區域、黃浦江兩岸以及長興島。

奉賢區大部分區域風險等級為IV 級，其次為III級和II級，I級所占面積最小，主要集中在西南部化工區和南橋鎮。

浦東新區大部分區域風險等級為II級，其次是IV 級和I級。其中I級風險區主要集中在北部，沿黃浦江向東約8km 范圍內，以及從高橋鎮到祝橋鎮沿海堤向陸約8km 范圍內。

寶山區風險等級II級，面積占比最大，大部分區域的風險等級在I～III級。其中I級風險區主要集中在沿海和沿黃浦江區域，包括羅涇鎮、月浦鎮、友誼路街道、吳淞街道、淞南鎮、高境鎮、張廟街道、廟行鎮等。

崇明區大部分區域風險等級為III級，其次是II級和I級。其中I級風險區主要集中在長興鎮、堡鎮、城橋鎮、崇明工業園區以及農村宅基地等，大面積農用地（占崇明區陸地面積59.56%）風險等級均為III級。

金山區大部分區域風險等級為III級和IV級。其中I級風險區主要集中在石化街道、山陽鎮臨海大部分區域，以及楓涇鎮、朱涇鎮、亭林鎮部分區域。

4結論

本研究開展了相鄰區域風暴潮災害潮位、增水、淹沒水深、危險性等級、脆弱性等級、風險等級和風險區劃等計算和評估結果的集成方法研究，基于上海市沿海5區的3個區域模型結果進行了方法應用，獲得了上海市風暴潮災害風險評估與區劃的集成結果。值得注意的是，本方法的提出和成功應用，有賴于上海市海洋管理部門在開展風暴潮災害風險評估工作時的前期統籌設計，即雖然是分區域分年度開展工作，但是在前期設計階段即考慮到后期模型成果的銜接和集成問題，并采取措施，例如對模型基礎數據的控制，對模型相鄰陸域的重疊區設置和模型構建和計算方法的統一等。因此建議相鄰行政區在開展此類工作時，從項目設計階段就開展充分的溝通交流，從而保證后期成果集成的順利實施。期望本方法的提出可為全國其他沿海省（自治區、直轄市）、縣的風暴潮或其他海洋災害的風險評估與區劃成果集成提供借鑒和參考。