广州市复合洪水及衍生滑坡灾害风险评估及 空间迁移规律研究.pdf
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1、书书书 :第 卷 第 期 人民珠江 年 月 基金项目:国家重点研发计划项目();广州市基础与应用基础研究项目()收稿日期:作者简介:李晓迪(),女,硕士研究生,主要从事自然灾害风险与韧性研究等工作。:通信作者:钟鸣(),女,博士,副教授,主要从事自然灾害风险与韧性研究工作。:李晓迪,钟鸣,黎学优 广州市复合洪水及衍生滑坡灾害风险评估及空间迁移规律研究 人民珠江,():广州市复合洪水及衍生滑坡灾害风险评估及空间迁移规律研究李晓迪,钟鸣,黎学优(中山大学地理科学与规划学院,广东广州 ;中山大学土木工程学院,广东广州 )摘要:河口地区受高强度局部暴雨和潮位顶托作用的影响,复合洪水及衍生滑坡灾害频发。
2、提出了一种复合洪水及衍生滑坡灾害风险评估及空间迁移规律研究的综合方法,以广州市为研究区,构建了广州市复合洪水及衍生滑坡灾害风险评估指标体系,采用加权综合评价法对多源复合灾害进行风险评估,并基于标准差椭圆法探究上述 种灾害的风险空间分布格局及灾害风险迁移规律。结果表明:广州市有 的地区属于中高风险及高风险区域,复合洪水及衍生滑坡灾害风险整体上呈现东北高西南低的特点,其中从化区和增城区风险较高,因此,应对以上区域采取防灾减灾措施降低灾害风险;暴雨洪水 复合洪水 复合洪水及衍生滑坡灾害的风险重心先向西南方向移动后向东北,灾害风险呈现西南东北分布格局,灾害风险的聚集效应先增强后逐渐减弱。研究结果可为复
3、合灾害的风险决策及防灾规划提供科学依据。关键词:复合洪水;滑坡;指标体系法;标准差椭圆;风险评估中图分类号:文献标识码:文章编号:()牞 牞 牞 牗 牞 牞 牞 牷 牞 牞 牞 牘 牶 牞 牞 牞 牞 牶 牞 牞 牞 人民珠江 年第 期 牞 牞 牶 牷 牷 牷 牷 近些年来,随着河口地区极端气象事件增多,风暴潮与强降雨遭遇常引发复合洪水,使得灾害影响扩大 。强降雨是滑坡灾害发生的主要致灾因子,加之地表径流对坡面的冲刷作用,极易引发洪水及其衍生滑坡地质灾害 。广州市地处珠江三角洲北端,河网水系错综复杂,北部山区地形崎岖,地势起伏大,在强降雨和潮位顶托等致灾因子的共同作用下,复合洪水及滑坡衍生地质
4、灾害往往造成巨大的经济损失 ,因此开展复合洪水及衍生滑坡灾害风险评估及空间迁移规律研究对城市防灾减灾有重要意义。风险评估是风险管理和防灾减灾决策的基础和技术支持,目前关于灾害风险评估已有较多方法,如基于历史灾情数据、基于遥感技术和 耦合、基于指标体系及基于情景模拟等方法。胡畔等 收集气象灾情数据,基于地理探测器研究了中国极端降水和暴雨洪涝灾情的时空分布特征,并探究了中国暴雨洪涝灾情时空格局的影响因素。吴舒祺等 基于指标体系法构建浙江省洪涝灾害风险评估指标体系,并借助 技术对浙江省洪涝灾害进行风险区划。等 利用层次分析法()和模糊层次分析法()两种方法对 流域洪水灾害进行风险评估,对比得出 的响
5、应比 更好。周佳麟等 构建了一个基于神经网络改进的层次分析评价体系,评估了汕头市濠江区的内涝灾害风险。尹占娥等 依据国家减灾战略()的灾害风险评估模型,对极端降水在不同重现期情景下的危险性及空间分布进行了研究。以上所有方法中,指标体系法建模与计算简单,数据易获取,能够更加直观地反映区域的风险分布状况,因此被广泛应用 。随着灾害风险研究的进一步深入,除了进行单一灾害风险分析研究之外,探究不同灾害的风险叠加和空间迁移规律,对提升复合灾害的防御能力具有重要意义。标准差椭圆法是重心迁移轨迹计算的常用方法,利用标准差椭圆法能够基于全局空间统计描述研究对象的空间分布和多维特征 ,并在空间上实现各要素迁移规
6、律的可视化,常用于经济学、环境学等方面的研究,如探究区域经济空间集聚水平 、不同城市群时空变化特征 、空气质量的时空演变趋势等 。综上所述,本研究对广州市多源复合灾害进行风险评估,以复合洪水及衍生滑坡灾害为例,探究不同灾害风险的空间叠加和迁移规律,实现广州市复合灾害风险网格化评估。因此,本研究基于指标体系法对广州市多源复合灾害进行风险评估,并基于标准差椭圆法探究暴雨洪水、复合洪水、复合洪水及滑坡多源复合灾害的风险空间分布格局及灾害风险叠加迁移规律,以期为加强防灾减灾规划和决策提供科学依据。研究区介绍广州市地处珠江三角洲北端,毗邻南海,是珠三角和粤港澳大湾区的重要枢纽。地势东北高、西南低,三面环
7、山一面靠海,属南亚热带季风气候,气候温和,海洋性气候特征显著,雨水充沛,尤以短历时强降雨最为显著,多年平均降雨可达 以上,河流水系发达,河流众多,水域面积广阔。由于特殊的地理位置和气候特征,风暴潮灾害易发频发,对于沿海区域而言,遭遇外江潮水顶托会加剧城市内涝状况,洪水难以外排,会造成更加严重的洪水灾害。除此之外,频繁的雨洪灾害会引发坡面径流,对山区岩土体产生强烈的冲刷、侵蚀作用,导致崩塌、滑坡等地质灾害频发。因此,亟需对广州市开展复合洪水及滑坡等多源复合灾害风险评估,为有关部门提供理论依据。研究区地理位置见图 。人民珠江 年第 期图 研究区地理位置示意 研究方法 层次分析法在实际的决策分析问题
8、中,经常涉及多个指标,每个指标对最终决策的贡献程度不一样,所以需要对各个指标的重要性程度进行科学判定。同时,各指标两两间可能存在一定的从属或相关关系。为更好地解决这类多目标综合决策问题,在 世纪 年代提出了一种定性和定量相结合的系统分析 方 法,即 层 次 分 析 法(,简称 )。该方法通过指标之间的对比标度、定性判断与定量推断相结合的方式,降低了判断的主观性,使得判断更加客观。其主要步骤为:建立层次分析结构;构造判断矩阵;计算各指标权重;一致性检验。步骤一建立层次分析结构。根据广州市复合洪水及衍生滑坡灾害风险各个指标之间的相互作用及灾害形成机制,构建风险指标评价体系,依次分为目标层、准则层和
9、指标层。步骤二构造判断矩阵。依次将同层次分析结构中各元素进行两两比较,依据定量标度值给出评分,比较后得到判断矩阵,见式()。通常采用 分标度法,比较标度及其含义见表 。()式中 指标总数;(,;,)元素 比 的重要性程度。表 分标度法含义比较标度含义元素 与元素 同等重要元素 比元素 稍微重要元素 比元素 明显重要元素 比元素 强烈重要元素 比元素 极端重要、元素 与元素 相比,重要性介于相邻标度之间 已知,则 ,当 时,步骤三计算各指标权重。采用特征值法首先求取判断矩阵的最大特征值和相应特征向量,然后对向量 进行归一化处理,即得到各指标权重。步骤四一致性检验。矩阵的一致性检验系数 可由式()
10、计算:()()式中 随机一致性指数,取值见表 。如果 ,则认为该判断矩阵通过一致性检验,否则不通过一致性检验。表 随机一致性指标 加权综合评价法从灾害系统的角度出发,张会等 认为致灾因子、孕灾环境、承灾体和防灾减灾能力的综合作用是区域自然灾害风险的主要影响因素。因此,本文基于 自然灾害风险表达式 ,采用加权综合评价法建立广州市复合洪水及滑坡灾害风险指数表达式 ,其计算公式为:()人民珠江 年第 期式中 灾害风险指数;、致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体暴露性和防灾减灾能力;、各自权重。标准差椭圆法标准差椭圆法()通过计算椭圆重心、面积、长轴、短轴、方位角等参数,可以精确揭示地理要素在空间上
11、的分布特征,对研究要素的空间分布中心性、方向性、展布性和空间分布形态等进行综合定性定量说明,目前也被广泛应用于经济学 、犯罪学 、社会学 、地理学 等多个领域。本文将该方法应用于灾害风险空间迁移研究上,探究不同致灾因子影响下暴雨洪水、复合洪水、复合洪水及衍生滑坡灾害的风险空间迁移规律及空间演化特征。椭圆重心表示在二维空间中地理要素的相对位置,能够刻画各要素的集聚特征及偏移轨迹,解决不同灾害风险的空间变迁问题,见式():()式中(,)加权平均重心;对象 的权重;(,)研究对象 的空间坐标位置。方位角指的是椭圆自正北方向长轴顺时针旋转的角度,在本研究中可以反映灾害风险等级分布的主趋势旋转方向 。方
12、位角 的计算公式为:()()槡 ()式中(,)研究区灾害风险等级空间坐标到中心点(,)的坐标偏差。椭圆的长短半轴表示地理要素空间分布的趋势方向。在本研究中,短半轴越短表示复合灾害风险的向心力越明显;短半轴越长表示复合灾害风险的离散程度越大。长半轴与短半轴的差距越大,复合灾害风险的方向性越明显;反之,长半轴与短半轴越接近,表示方向性越不明显 。长短半轴的计算见式()、():()槡()()槡()式中、沿 轴与 轴的标准差。综上所述,本文首先构建风险评估指标体系,采用层次分析法计算各指标权重,基于加权综合评价法对广州市多源复合灾害进行风险评估。在此基础上分别对广州市暴雨洪水、复合洪水进行风险评估,并
13、且基于标准差椭圆法对不同致灾因子影响下的灾害风险分布格局进行分析,刻画灾害风险空间分布规律及演变特征。复合洪水及衍生滑坡灾害风险评估指标体系构建 指标选取复合洪水指的是发生在沿海地区由多种气象水文水动力过程共同影响的洪水灾害,常诱发滑坡、泥石流、地面沉降等地质灾害,其中强降雨是滑坡灾害发生的主要致灾因子,加之河流和地表径流对边坡的冲刷作用,极易引发洪水及衍生滑坡地质灾害,因此本研究构建风险评估指标体系,对复合洪水及衍生滑坡灾害进行风险评估。选取合理、切实可行的评价指标是开展风险评估的先决条件,而复合洪水及衍生滑坡灾害的发生是人和自然共同作用的结果,具有自然和社会双重属性,因此灾害的影响因子具有
14、多样性,在众多因子人民珠江 年第 期中选择适合于研究区域的评估指标显得尤为重要。目前由于各地区复合洪水及衍生滑坡灾害的特性存在差异、资料获取难易程度不同等因素,暂未形成统一的灾害评价指标体系,但各指标的选取均遵循可行性、科学性、代表性、独立性和系统性原则。本文依据指标选取的原则,综合考虑致灾因子、孕灾环境、承灾体和防灾减灾能力 个因素,共选取 个指标构建广州市复合洪水及滑坡灾害风险评价体系,见表 。其中,年最大 降雨量采用广州市 个雨量站 年的多年平均数据,年最高潮位采用广州市 个水文站 年的多年平均数据。表 广州市复合洪水及衍生滑坡灾害风险评价指标体系目标层准则层指标层数据来源广州市复合洪水
15、及衍生滑坡灾害风险评估致灾因子年最大 降雨量 年最高潮位 中华人民共和国水文年鉴 中华人民共和国水文年鉴孕灾环境植被覆盖度中国科学院资源环境科学与数据中心:中国年度 植被指数()空间分布数据集高程 地理空间数据云(:)坡度()由高程计算得到河网密度()由高程计算得到土地利用类型武汉大学 数据集剖面曲率由高程计算得到地层岩性国际土壤参比信息中心()地貌类型国际土壤参比信息中心()承灾体人口密度(人 )中国科学院资源环境科学与数据中心:中国人口空间分布公里网格数据集 密度 (元 )中国科学院资源环境科学与数据中心:中国 空间分布公里网格数据集道路密度()(:)防灾减灾能力人均 元中国科学院资源环境
16、科学与数据中心:广东省 年统计年鉴医院密度(个 )规划云 搜索工具(:)指标分级根据已构建的广州市复合洪水及滑坡复合灾害风险评估指标体系可知,各指标对灾害风险的影响性质不同。植被覆盖度、人均 和医院密度等 项指标与灾害风险呈负相关关系,为负向指标。其中植被覆盖度作为孕灾环境指标用于表征区域植被的覆盖状况,植被覆盖度越高,产生的地表径流越少,因此所发生的灾害风险越小。人均 是衡量区域经济水平的重要指标,防灾减灾能力的大小很大程度上取决于经济水平,经济发达的地区能够更加有效地调动相关防灾减灾资源,因此其值越大,防灾减灾能力越强,灾害风险越小。医院密度表示单位面积内医院个数,灾害往往会造成巨大的人员
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