洪澇災害風險評估進展分析

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在全球氣候變化與城鎮化背景下，極端氣候水文事件的發生頻率、影響范圍和影響程度都有所增加，洪澇災害經濟財產損失呈顯著上升趨勢，成為影響國家中長期發展的重大風險之一［1－3］。近幾年，極端氣象事件增多，城市暴雨內澇災害頻發，引發社會的廣泛關注;城鎮化地區暴雨洪澇防治面臨巨大的壓力與挑戰，因此，洪澇災害研究成為熱點。采用科學的風險評估方法，才可能對變化環境下暴雨洪澇災害的防治做出明智的決策，及時、有效、持續加大洪澇災害的綜合治理力度［4］。梳理國內外典型洪澇災害事件，了解國內外洪澇災害風險評估研究現狀，把握未來主要發展趨勢，可為洪澇災害風險管理決策的制定提供科學依據［5］。

1國內外典型洪澇災害

根據1970－2018年全球洪水災害頻次統計，全球范圍內洪澇災害發生的頻次有增長的趨勢［6］。《天氣、氣候和與水相關的極端事件造成的人員傷亡和經濟損失地圖集》顯示1970－2012年間暴雨和洪水引發的災害占自然災害總數的79%，造成的死亡占55%，經濟損失達到86%［7］。2002年8月歐洲大洪水，捷克全國約有22萬人緊急避難，水災經濟損失約達30億歐元。奧地利經濟損失達25～30億歐元。德國約34萬人受災，水災經濟損失達到92億歐元［8］。2005年卡特里娜颶風引發的洪災造成了840億美元經濟損失以及1836人死亡，路易斯安娜州的新奧爾良市是重災之首，颶風引發的風暴潮使新奧爾良市的防洪堤多處潰決，導致80%的城區被淹沒，城市生命線系統全面癱瘓，危化品泄漏導致水源污染，疾病蔓延，繼而社會動亂［9］。2011年7－9月，中南半島的大部分地區降雨量驟然增多，是往年的1.2～1.8倍。洪災造成泰國900萬人受災，708人死亡。曼谷60%～70%的街道被淹沒，交通全面中斷。巨災嚴重影響了泰國的經濟增長，2011年泰國全年GDP增長率僅為0.1%［10］。2013年11月8日超強臺風“海燕”在菲律賓登陸，“海燕”造成6057人死亡，失蹤近1800人，近千萬人口受災，其中，因災被迫轉移的災民數量超過440萬。受損房屋64.8萬間，造成基礎設施和農作物經濟損失約2.75億美元［11］。我國地處東亞大陸，受大陸性季風氣候影響，降雨量年內分布不均，暴雨洪澇災害突出，大約2/3的國土面積受不同類型和不同程度洪澇災害的影響［12］。我國洪澇災害的分布與降雨的時空分布高度一致，東部多，西部少，沿海多，內陸少，平原湖區多，高原山地少，夏季多，冬季少。根據《2018年中國水旱災害公報》［13］，我國自1990年以來的洪澇災害直接經濟損失總體呈上升趨勢［14］。2010年、2012年與2013年洪澇災害直接經濟損失分別達3745.43億元、2675.32億元與3155.74億元［15］。2007年7月16－18日，重慶市主城區最大24h降雨達267mm，大暴雨造成農作物受災面積200khm2，成災面積117khm2，倒塌房屋3萬間，受災人口643萬，因災死亡56人，直接經濟損失31億元。2007年7月18－19日，濟南市區最大1h降雨量151mm，市區道路損壞1.4萬m2，近1萬m2的地下商城在不到20min內積水1.5m，全市33.3萬人受災，因災死亡37人，直接經濟損失13.2億元。2010年廣州“5.7”特大暴雨期間，全市平均降雨107.7mm，市區平均降雨128.5mm，受暴雨影響，全市102個鎮(街)受水浸，109間房屋倒塌，17.1khm2農田受淹，受災人口32166人，因洪澇次生災害死亡6人，直接經濟損失5.4億元［16］。2012年7月21日，北京、天津、河北等地出現特大暴雨過程，過程最大點雨量北京房山區河北鎮541mm。北京、天津、河北受災人口540萬人，因災死亡115人、失蹤16人，農作物受災面積530千公頃，倒塌房屋3萬間，北京市區形成積水點426處，天津中心城區形成積水點10處，河北9座城市的低洼地區積水受淹，直接經濟損失331億元［17］。2016年受前期多次降雨影響，武漢市在6月30日至7月7日又遭受新一輪強降雨過程中，出現嚴重漬澇，南湖、湯遜湖周邊因湖泊水位滿溢，出現較嚴重持續漬水，緊鄰南湖的一些地勢低洼的居民小區漬水嚴重，影響了交通和市民生活。暴雨造成武漢市62.71萬人受災，13.24萬人緊急轉移，直接經濟損失53.03億元。

2洪澇災害風險評估

2.1風險理論研究。如圖1所示，洪澇災害風險評估的基本流程是:①風險識別，找出洪澇災害成災的風險來源。②風險分析，其主要內容有:危險性分析(致災因子分析)、脆弱性分析(易損性分析)和暴露性分析。③風險評估，根據風險的定義“一定概率自然災害所造成的后果”，風險一般表達為災害發生的可能性與造成損失的乘積。確定風險的表達形式，然后給出定量分析結果，為風險管理提供依據。不同學科對洪澇災害風險定義的側重點有所不同。水文學者強調洪水危險性隨時間的不確定性，采用水文頻率分析方法，計算洪澇災害事件發生的概率。水力學學者強調超標準洪水危險性空間分布的不均勻性，采用數值模擬手段，計算洪水的淹沒范圍、淹沒歷時、洪水到達的時間、流速等風險要素，綜合這些要素進行風險區劃。水利工程學者強調風險是工程失效及其造成不利后果的可能性，采用故障樹等分析方法，計算工程失效的概率及其后果。即使在災害學領域，基于不同的理論，洪澇災害風險也有著不同的定義。基于概率論，風險被定義為洪澇災害發生的概率。基于損失論，風險被定義為洪澇災害可能造成的損失。基于系統論的定義，如風險三角形理論［18］，風險被定義為危險性(Hazard)、脆弱性(Vulnera-bility)和暴露性(Exposure)的綜合表征。洪澇災害有別于地震和火山爆發等自然災害，其發生過程具有一定的可預見性與可調控性［19］，同時針對承災體的脆弱性與暴露性，也可以采取增強韌性與適應性的措施來減少風險，這就必須要全面加強防災力(Capacity)的建設［20］。危險性分析也被稱為致災因子分析，顧名思義是對致災因子的特征進行分析，以掌握不同頻率災害的強度、影響范圍以及持續時間。風險圖是危險性分析成果的一般表現形式，包括淹沒范圍、深度、流速或淹沒歷時等信息。脆弱性分析又稱為易損性分析，由“Vulnerability”一詞翻譯而來。脆弱性與很多詞匯相關，比如敏感性(Sensi-bility)、適應性(AdaptiveCapacity)和恢復力(Resil-ience)等，不同學者對脆弱性的理解有所不同。李鶴［21］等人對脆弱性的概念及研究進展進行了闡述。劉婧［22］等人對恢復力研究進展做了梳理，闡釋了脆弱性和恢復力的關系。如圖2所示，總結了脆弱性概念的發展趨勢。最初的脆弱性是指特定承災體對特定類型災害的物理敏感性。而后，敏感性與應對能力構成脆弱性概念的雙重結構。隨后暴露性也被歸為脆弱性的范疇，形成多元結構。脆弱性概念進一步發展為自然、社會、經濟、環境共同決定的綜合特性。本文將脆弱性概念定義為在一定自然、社會、經濟、環境背景下，承災體受到自然災害外力影響下表現出的易于受到傷害和損失的性質［23］。承災體包括不同類型的財產如住房、農業、工業、商業、交通等，其承災能力不同，所以損失率會有較大區別。一般用歷史數據統計法［24］、指標體系評估法［25］或實地調查災害損失率［26］等方法來分析。暴露性分析是對暴露在自然災害影響下的人口或財產等進行評估。首先要對研究區域內的承災體進行判斷和分類，然后統計暴露在危險中的承災體數量，以便結合脆弱性分析結果進一步評估災害損失［27］。2.2洪澇災害風險評估方法。國內外對于洪澇災害風險評估方法可歸納為4大類:數理統計法、指標體系法、不確定性分析法和情景模擬法［28］。(1)數理統計法數理統計風險評估方法是基于歷史洪澇災害數據統計規律的分析，對災害風險進行評估和預測。黃崇福［29］以歷史災情資料為依據提出了農業自然災害風險評估方法。Benito［30］提出了基于古洪水和歷史洪水資料的洪水風險分析方法。王靜靜［31］以我國東南沿海4省市為研究對象，利用1951－2000年暴雨洪澇資料繪制了暴雨洪澇災害風險性評價圖。(2)指標體系法指標體系風險評估方法首先選取風險指標，建立風險評估指標體系，然后通過權重的計算對評估體系進行優化，最終確定風險指數。Okaza-wa［32］基于洪澇災害的自然屬性與社會屬性，建立了通用的洪災風險評估指標體系。Seiler［33］建立了標準化的洪災風險指標體系，可用于流域不同空間分辨度的洪災風險評估。(3)不確定性分析法不確定性方法主要包括模糊數學方法、灰色系統方法、人工神經網絡方法等［34］，已有許多學者將這些方法應用于洪澇災害風險評估［35－37］。Zou［38］等人將模糊數學方法應用于洪災風險評估。Shao［39］等人基于灰色系統分析法對中國洪澇災害風險進行了評估。顏峻［40］等人利用模糊隸屬度函數和層次分析法構建了自然災害風險評估指標體系。Li［41］等人將信息擴散與人工神經網絡法成功運用于洪水風險評估。Apel［42］等人基于蒙特卡洛方法構建了與災害鏈相關的綜合洪水風險評估模型。(4)情景模擬法情景模擬風險評估方法基于GIS(GeographicInformationSystem)和RS(RemoteSensing)建立雨洪仿真模型與損失評估模型，實現對洪澇災害風險的動態評估［43］。國內外學者將基于GIS洪水風險評估模型成功應用于全球［44］、流域［45－46］、區域、城市［47］與社區［48－49］等不同尺度的風險評估工作中。上述前3種評估方法，很難反映災害系統中各要素的聯系和災害演變過程，無法模擬復雜災害系統的動態性。情景模擬風險評估法是當前自然災害風險評估研究的主流方向。該方法需要對洪水信息和社會經濟信息進行空間疊加分析，以研究區域暴雨洪澇模擬和洪災損失評估為基礎，模型的建立需要比較精細的地理信息數據、水文資料與社會經濟數據［50］。2.3雨洪仿真模型。城鎮化地區地表覆蓋與地下管網的復雜性給雨洪仿真模擬帶來很大的困難。雨洪模擬方法大致分為3種［51］。①水文－水力學耦合方法，模擬地面產流、河道與管網水流運動情況［52－53］。該方法的計算單元是集水區，計算結果僅能反映計算范圍內關鍵位置或斷面的水位流量過程。②水動力學方法，通過求解圣維南方程組，計算出雨水地面徑流過程，不受集水區劃分的影響［54－55］。③基于GIS技術洪水淹沒計算方法。計算結果是洪水淹沒的最終狀態，不能反映洪水的運動過程［56－57］。城市雨洪徑流及排水系統的數值模擬計算始于1960年代。國外對城市洪澇模型研究成果已有較高應用價值，常用數值模型有美國環境保護署EPA提出的暴雨洪水管理模型SWMM(StormWaterManagementModel)［58］，丹麥的DHI－MIKE，英國Wallingford主營的InfoWorksCS等［59］。SWMM模型的本地化應用很多，從2010年開始北京、天津、武漢、深圳、廣州等大城市相繼開展了基于SWMM模型的城市內澇研究［60－63］。目前，洪澇災害仿真模型建立過程中，存在的主要困難是缺乏足夠的實測數據，包括洪水淹沒范圍、淹沒水深與淹沒歷時等數據。因此，模型率定和驗證會受到一定程度的限制。2.4洪澇災害損失評估模型。損失評估是風險評估的重要內容之一，洪澇災害損失評估包括經濟損失和非經濟損失評估。其中經濟損失是洪災評估的主要內容，它包括直接經濟損失和間接經濟損失。在國外一些發達國家，洪水保險比較普及，社會經濟資料和各種行業財產的損失率資料比較完整，對洪澇災害的風險評估也由定性逐步向半定量或定量評估轉化。而國內，由于沒有相對完整可靠的歷史洪澇災害數據及社會經濟數據，所以開展洪澇災害損失評估工作比較困難［64］。對洪澇災害損失評估，多針對直接經濟損失。評估的方法大致上分為3類:①傳統的統計調查法;②基于數學方法的損失評估模型［65］;③基于GIS和RS技術的損失評估模型［66］。傳統的統計調查法是建立洪災損失數據庫的基礎。災后調查需要在洪災發生后立即到當地展開實地調研，會消耗較多的人力與物力。基于數學方法的損失評估模型可以做到快速評估。該方法又可以分為兩個子類。一類是損失率模型，即通過構建各種行業財產損失率與淹沒水深的關系來評估損失;另一類是快速評估模型，即通過人工智能等方法評估損失［67］。Penning－Rowsell［68］和Parker［69］構建了140種洪災脆弱性曲線。最為典型自然災害損失評估模型是美國風險評估軟件MH－HAZUS，構建了近900組脆弱性曲線，包含了3種災害(洪災、颶風和地震)的損害評估。加拿大學者考慮了預報時間、淹沒歷時和水流速度的影響，對損失率曲線進行了修正［70］。國內學者施國慶［71］總結了3種洪災損失率確定方法:多元回歸分析法、逐步回歸分析法和洪災損失率綜合值計算法。基于數學方法的快速評估法有很多，例如模糊綜合評判法［72］，灰關聯法［73］，神經網絡法等［74－76］。這類算法對歷史洪災數據的可靠性要求較高。目前，我國洪水損失數據與社會經濟數據庫沒有建立，許多歷史洪災損失是專家憑個人經驗估算的結果，所以基于快速評估法的洪災損失計算結果可能缺乏可靠性。伴隨著GIS與RS技術的應用推廣，結合水文模型與水力學模型的綜合損失評估模型得以實現［77］。這類模型通過社會經濟數據與洪水信息的空間疊加分析［78］，實現了風險的動態評估，但對基礎地理、水文等數據的要求較高。間接損失的成災機制復雜，涉及的內容和范圍十分廣泛，評估較為困難。經驗系數法是常用的間接損失評估法，但該法經驗化、概化成分較重，不能有效地反映間接損失的成災機制［79］。調查估值法是災后評估間接損失的方法之一，但該方法工作量大，需要的人力物力較多。在間接損失評估方面國內外學者也從其他角度做了一些探索性的嘗試。例如，Penning－Rowsell［80］初步分析了由于交通、通訊線路等中斷造成的間接影響，其中線路的敏感度(Susceptibility)、依賴性(De-pendency)與飽和度(Redundancy)等都是評估時所要參考的重要因素。

3展望

學者們對洪澇災害風險評估已開展了許多研究工作，但由于洪澇災害發生和發展的過程復雜，仍有許多科學問題需要解決。本文歸納了以下三個方面:(1)風險評估綜合指標體系的建立與評估指標權重的確定。洪澇災害是一個多因素指標綜合過程，一些研究給出了洪澇災害風險評估的指標體系，但是尚未建立一個統一綜合指標體系。尤其是對于脆弱性的評估，需要綜合社會、經濟、生態、環境等多維度進行綜合評估。確定各評價指標的權重是該項研究的重點也是難點。許多研究中的指標權重是通過專家打分，利用層次分析法(AnalyticHierarchyProcess，簡稱AHP)來確定權重，主觀性較重。(2)風險評估框架的構建及模型適應性研究。風險評估框架的構建需要綜合考慮致災因子、孕災環境、承災體等要素的變化。風險評估的方法應該根據研究區域特點及數據掌握情況來選擇，而構建多方法集成的風險評估框架，可以拓展風險評估模型的適用范圍。氣候變化與城市化背景下多情景洪澇災害風險評估是洪澇災害管理研究的熱點與難點。三類雨洪仿真模型就有其各自的優缺點和局限性［81］。未來建立基于RS和GIS技術的精細化、動態化的適用于城市化地區的洪澇仿真模型會是變化環境下洪澇風險評估方法發展的必然趨勢［82］。(3)區域洪澇風險演變趨勢及驅動機制研究［83］。洪澇災害的經濟損失會受到自然因素與社會因素的共同影響。這些因素對洪澇災害風險演變的作用方式、作用程度都不同，因此對洪澇災害風險演變趨勢的研究具有復雜性和不確定性。目前對洪澇災害風險演變趨勢的研究較少，特別是對自然與社會因素共同作用下的風險演變趨勢及其驅動機制的研究亟需深入。基于驅動機制的研究，可以更好地把握風險演變趨勢，對風險做出科學預測，在規劃中采取合理的減災措施以抑制風險增長的趨勢。該項研究可以拓展風險評估的時間與空間尺度。

作者:李超超 田軍倉 申若竹 單位:1．寧夏大學 2．北京首創股份有限公司