洪災風險評價方法與研究綜述

1洪水風險與評估洪水是一種常見的自然災害。據國際災害數據庫EM-DAJ統計資料顯示,自1974~2003年全世界共發生2156場洪災,導致的死亡人數達206303人,影響的人群超過26億人,造成的經濟損失超過3860億美元,約占同期所有自然災害造成經濟損失的1/3。洪災帶來大量人員傷亡和巨大財產損失仍然是當今世界的普遍現象。由聯合國總部發起的國際減災十年活動中,洪災是其主要考慮的自然災害之一。1994年是國際減災十年的中間年,同年5月聯合國在日本橫濱召開了減輕自然災害國際會議,制定了“橫濱行動綱領十條原則”,其中一條是“風險評價是充分而又成功的災害減輕政策和措施運用的必要步驟”。美國、日本等發達國家早在20世紀50、60年代就開展了洪災風險研究,制作了國家級的洪水災害風險圖。我國從20世紀80年代中期開始開展洪災風險研究,并對一些蓄滯洪區、城鎮、水庫與流域進行洪水風險圖的繪制[6~9]。最初洪災風險研究重點關注洪水的自然屬性引起的風險性。而洪水災害是具有雙重屬性的,在自然屬性之外,還具有社會屬性。洪災風險評價是對洪災自然屬性和社會屬性的綜合評價,它是一個跨自然科學和社會科學的多學科參與的評價過程。洪災風險區劃是在洪災風險評價的基礎上進行的,區劃的目的是為了更清晰的把握洪災風險的空間格局及內在規律。洪災風險評價與區劃的成果有助于政府決策者制定防洪減災規劃,有助于社區群眾提高洪災風險防范意識,有助于防洪減災部門及社區人群采取有效措施應對洪水災害,從而減輕洪災損失。2災風險相關概念、術語表達不清目前,眾多洪災風險研究的相關文獻對洪災風險相關概念、術語表達不清或概念內涵不一致。因此有必要對洪災風險研究的相關概念加以闡述,試圖達到理清和規范的目的。2.1洪水風險與洪水危險性國內洪災風險研究文獻中經常提及的幾個術語是“洪水風險”、“洪水危險性”、“洪災危險性”、“洪災風險”等。國外洪災風險研究文獻中經常出現的術語是“floodhazard”和“floodrisk”。筆者認為,洪水風險、洪水危險性和洪災危險性的術語其實質都是指洪水事件發生的可能性,與英文中的“floodhazard”相對應,但“洪水風險”是以洪水研究為目的,強調對洪水本身特性的研究;而“洪水危險性”和“洪災危險性”是以洪災研究為目的,強調災害結果的影響。因此建議以后研究洪水特性的文獻使用“洪水風險”一詞,研究洪災為目的文獻使用“洪水危險性”一詞。“洪災風險”與“洪水風險”是兩個完全不同的概念,不應混淆。“洪災風險”一般認為是洪水發生的概率與洪水可能產生的后果的乘積,與英文中的“floodrisk”相對應,而“洪水風險”強調的是洪水事件發生可能性的大小,即洪水概率或重現期。2.2洪水風險的概念不同研究者從不同角度對洪災風險有不同的理解,常見的有:洪災風險是指人員傷亡數或其所占人口的比例;洪災風險是指水災直接經濟損失,或其所占流域內資產的比例;洪災風險是指水災損失的可能性或其期望值;洪災風險是指典型頻率洪水的最大水深、最大流速、洪水達到時間與淹沒歷時。這些認識從不同角度對洪災風險進行了刻劃,無疑都有一定的道理,但也存在著各自的局限性。目前,對于洪災風險定義的認識基本達成了一致,即洪災風險是不同強度洪水發生的概率及其可能造成的洪災損失[12~14]。從洪災系統的角度來看,洪災風險是由洪災危險性、洪災易損性和洪水災害災情共同構成的,其中洪災易損性是由承災體的脆弱性和暴露性決定的。目前多數學者認為,洪災風險是由洪水危險性、脆弱性和暴露性3個要素決定的,這類似于Crichton等提出的“洪災風險三角形”概念模型(圖1);另一種洪災風險概念模型(圖2)認為在洪災風險的形成過程中,除了危險性、暴露性和脆弱性之外,防災減災能力對于洪災風險的作用也是比較大的,指出洪災風險是由洪災危險性、暴露性、脆弱性和防災減災能力四個因子共同構成的。對于這兩種洪災風險概念模型,筆者更偏向前者,因為防災減災能力是一種風險減輕和風險轉移措施,更多的是對洪水危險性、洪災易損性的影響。3主要方法的評價洪災風險評價通常包括對洪水危險性評價、洪水易損性評價以及兩者的綜合評價三個方面內容,本文對這些評價的主要方法進行評述。需說明的是:本文所指的洪水危險性評價方法主要是指以反映洪水危險性空間分布為目的的評價方法,對于研究洪水本身特性的洪水風險評價方法不作敘述,與此相關的研究進展已有文獻綜述。3.1洪水風險的空間分維研究洪泛區的地貌特征經受了歷史洪水的頻繁影響,在一定程度上保留有歷史洪水的重要信息且對現今的洪水發生有著重要的影響,因此借助地貌特征可以反映洪水危險性信息。Haruyama等利用LandsatTM影像經主成分分析制作出地貌類型圖,以此對泰國中部平原的洪災風險進行了評價,并制作了洪災風險區劃圖。黃詩峰認為河網密度可以間接反映洪水危險性的相對大小,即河網密度高的地方,遭遇洪水的可能性較大,因此利用GIS的空間疊加分析和空間統計分析功能計算了基于GIS格網的河網密度,并以此評價遼河流域的洪水危險性。楊秀春和朱曉華對中國七大流域水系的分維與洪澇的分維進行了研究,得出流域水系分維相對較小時,則相應流域洪澇的分維相對較大,且反之亦然的結論。馬宗偉等根據長江中下游河流形態分維值的計算探討洪水發生的可能性,得出河道分維越大、河網分維越小,洪水發生可能性越高的結論。地貌特征能夠影響洪水發生的危險性程度,其空間分布可在一定程度上反映洪水危險性的空間分布,但僅僅依靠地貌特征得出的洪水危險性信息不全面,洪水發生的可能性、危險性程度及其空間分布還受其他眾多因素影響。3.2水文水力學模型方法的評價水文水力學模型方法是根據不同頻率的降雨過程,通過流域產流模型、匯流模型以及一維或二維的洪水演進模型的數值模擬計算,推求相應洪水過程的可能淹沒范圍、淹沒水深和淹沒歷時等洪水強度指標及其概率分析曲線。國內外學者在利用水文水力學模型進行洪水危險性分析和洪災風險評價方面開展了大量的工作[6,7,8,9,24,25,26,27,28,29,30]。利用水文水力學模型方法目的是為了獲取洪水風險信息并以此為基礎進行洪災風險評價。水文水力學模型方法的優點主要表現在:能夠給出特定頻率洪水在某種洪水調度或工程失事情況下可能的淹沒范圍、水深、流速、歷時等指標的估計值,風險信息較為豐富全面;實現了洪水風險的時空動態表現;尤其適合于洪水調度情況下的洪水風險分析。其局限性主要表現在:這種方法是對已知的或者說假定的洪水頻率和洪水量下的風險的模擬;模型輸入對于數據要求高,需要詳細的流域地形、地貌、地質、植被、河道縱橫斷面、糙率系數、工程設施、洪水調度等信息,這些信息在實際工作中很難獲取;計算復雜,工作量大。因此這種方法很難在較大的區域范圍內開展,多在研究基礎好、數據資料積累完備的小區域范圍內開展,一般運用于流域的蓄滯洪區、湖泊、水庫、重要堤防決口等的洪水危險性分析。除了常見的利用水文水力學模型方法進行洪水模擬之外,有的學者嘗試運用系統仿真模擬方法進行洪水演進模擬。魏一鳴等建立基于Swarm的洪水災害時空演化模擬平臺,開展洪水災害時空演化的系統仿真模擬實例研究。如再引入關于災區的其他社會經濟屬性,即可開展洪災風險評估。目前,這一模型還處于初步階段,應用到實際的洪災風險評估工作還需要更深入的研究。3.3歷史災災風險分析洪災歷史災情數據通常有農作物受災面積、成災面積、受災人口、倒塌房屋、直接經濟損失等統計指標以及歷史災害圖件等,根據這些數據可以進行洪災風險評價。李柏年根據成災面積的威布爾分布模型構建淮河流域四省的災度,對淮河流域的災害風險建立線性回歸模型。這種風險分析方法適用于大樣本計算,風險評價的結果也只是流域整體的洪災風險。劉新立等基于“中國七大江河歷史洪澇災害數據庫”和“長江流域歷史洪澇災害數據”,選用縣受災次數指標作為洪災風險評估的依據,應用馬爾科夫鏈模型對長江流域的水災風險大小進行了計算,得出的風險是區域整體上的風險。黃詩峰等提出了用受災率(受災面積/耕地面積)作為洪災風險分析中的災情指標,用P-Ⅲ型曲線來擬合其頻率分布,用加速遺傳算法進行P-Ⅲ型曲線參數估計的洪災風險分析方法,并應用此方法對松花江流域的洪水災害風險進行評價,但限于歷史災情數據粗略,難以完全反映松花江流域洪災風險空間差異。基于歷史災情數據的評價方法一般需要大樣本數據的支持,對于小樣本數據情況下的洪災風險評價,也有一些學者開展了研究:史培軍針對小樣本的歷史災情數據資料,采用正態信息擴散方法對湖南省農村種植業旱災和洪災風險進行了評估。正態信息擴散方法能夠將單值觀測樣本點轉化為集值樣本點,從而使得風險的宏觀評估能夠順利進行,且能得出相當滿意的結論。這種方法實現了利用小樣本災情數據進行洪災風險評價,但由于災情數據一般都是基于行政區劃單元,無法對行政區劃單元內的風險空間分布進行研究,而且這種歷史災情數據很難實現對所有承災體的洪災風險進行評價。秦年秀等通過不同重復期的典型年歷史洪水災害淹沒圖對長江中下游地區的洪災風險進行了分區及評價,風險等級的劃分采用洪水發生的頻率次數為指標。這種以歷史洪水災害淹沒圖的風險分析對于社會經濟易損性缺少研究。相對于洪災風險的模擬方法而言,基于歷史災情數據進行洪災風險評價的方法,思路清晰且計算簡單,無需詳細的地理背景數據。該方法依據的歷史災情數據本身就是洪水與承災體相互作用的結果,這種“從災害研究災害”的方法避免了從洪水研究災害的迂回。但這種方法也存在不足之處:其一,長時間序列的歷史災情數據很難獲取,難以滿足洪災風險分析對大樣本數據的需求;其二,由于歷史災情數據多是在流域或行政區劃單元等較大空間尺度上的統計,難以完全反映洪災風險的空間分布規律;其三,歷史災情并非與未來風險一致,因為洪災風險系統中的致災因子、孕災環境、承災體及其組合關系隨著時間的演進不斷地發生變化,洪災風險也隨之發生動態變化。除此之外,數學方法的可靠性值得進一步深入研究。3.4洪水風險的歷史溯源水災史料和古洪水調查的方法與前面提到的歷史災情數據方法不同。歷史災情數據一般是指最近幾十年或百年尺度的比較詳細的洪水災情記錄;水災史料和古洪水反映的是百年以上尺度甚至達到千年以上尺度的歷史洪水和洪災信息,而且這些信息并非直接記錄。歷史水災史料是對歷史洪水災害的立體審視,是自然變異作用于社會經濟系統所造成的災害性后果的綜合反映。存在于歷史文獻寶庫中的豐富的水災史料記載對于深入了解區域洪水災害的規律性,揭示區域洪水災害風險具有重要的價值。馬建明等根據我國歷史文獻寶庫中的水災史料記載,采用“分縣定級、因素權衡、指標連續”的史料量化原則,揭示了區域洪水災害風險。除了歷史文獻資料之外,利用古洪水方法也能夠獲取歷史洪水信息。作為水文學一個新分支的古洪水水文學正在涌現,許多學者在利用古洪水數據提取歷史洪水水位、洪水流量和洪水頻率方面作了大量的工作,考慮到這些研究主要關注在歷史洪水信息提取方面,故在此不作敘述。在歐洲,利用古洪水進行洪水危險性評價的研究已取得了一些進展。GerardoBenito等在歐洲委員會基金項目SPHERE的資助下,發展了一套聯合利用古洪水和歷史文獻洪水數據進行洪災風險估計的方法。利用古洪水重建歷史洪水信息,大大延長了歷史洪水記錄的時間序列。且由于古洪水歷史跨度大,氣候變化因素也反映在洪水信息中,由此得出的洪水頻率分析比傳統的極端洪水概率分析更準確。這種方法增強了對于氣候變化背景下洪水頻率和洪水量級的認識和理解,然而在當前的大部分洪災風險模型中,往往缺少對氣候變化的考慮。利用水災史料和古洪水方法可以獲取長時間序列的歷史洪水信息,當然也存在著諸多的不確定性,如歷史史料的準確性、古洪水沉積測齡的準確性、古洪水記錄的連續性與完整性、洪水位與洪水沉積的關系等。利用水災史料和古洪水方法進行洪災風險評價仍是一個處于發展中的新領域。3.5洪水影響頻次的遙感分析和比較洪災風險評價涉及到天氣因素、下墊面因素和社會經濟發展狀況等眾多因素,這些因素均具有較強的區域差異性,表現為具有空間特征的空間數據。遙感作為空間數據獲取的重要手段,地理信息系統作為空間數據采集、管理、處理、分析、建模和顯示的技術系統,為洪災風險分析提供重要技術支撐。遙感方法在洪災風險研究中的具體應用主要有:洪水危險性因子如洪水淹沒范圍、洪水淹沒深度、洪水淹沒歷時等的提取、不同類型承災體的提取、洪災易損體的調查、水力學模型參數的獲取等。Rahman等利用NOAAAVHR影像將洪水淹沒深度分為3等,并疊加地形圖和地質圖評價孟加拉國的洪水危險性。Md.MonirulIslam等利用NOAAAVHRR影像提取洪水淹沒范圍,并運用最大似然法提取洪水淹沒深度評價孟加拉國的洪水危險性。JoySanyal等利用ETM數據并結合ERS-1提取居民點、水體和陸地,將ETM數據經主成分變換后進行假彩色合成提取洪水淹沒深度,以此評價了印度恒河沿岸西孟加拉地區居民點的脆弱性。目前利用遙感影像提取洪水淹沒范圍的研究較為成熟,但僅僅利用遙感影像提取洪水淹沒深度還需進一步研究。唐川等提出在進行城市山洪災害的易損性評價時,可以運用高分辨率的遙感影像提取洪災易損體,進行洪災易損體數量和空間分布的調查,這種方法既滿足了小尺度洪災風險評價對于高精度承災體數據的需要,又彌補了現場調查洪災承災體方法費時、費力、獲取成本高等的缺陷,可以快速評估洪災易損性。遙感方法除了以上所述應用之外,還有一些較為新穎的應用方法。Md.MonirulIslam等利用多幅NOAAAVHRR影像提取像元內的洪水淹沒次數作為洪水危險性的一個評價因子,相應提出了洪水影響頻次的概念框架圖(圖3)。圖3a是同一年份洪水發生前期、中期及末期的3幅影像,圖3b是不同年份洪峰期間的3幅影像。在3幅影像上都有洪水的區域認為是高危險性區域,兩幅影像上有洪水的認為是中等危險性區域,僅僅在一幅影像上出現洪水的認為是低危險性區域,3幅影像上都沒有出現洪水的區域認為是無危險性區域。圖3a中的洪水影響頻次概念類似于洪水淹沒歷時的概念,圖3b中的洪水影響頻次概念類似于區域內統計的洪災發生次數的概念,但有所區別。另外,MichaelStephenChubey等從時間序列遙感影像中挖掘其蘊藏的洪水發展動態信息,結合GIS模型模擬未來洪水動態,預測洪災風險。GIS方法通常是利用其空間分析功能進行洪災風險因子的綜合分析,并對洪災風險的評價結果進行可視化表達。GIS方法和遙感方法結合為洪災風險評價提供重要支撐。另外,GIS方法是自然屬性數據和社會經濟數據聯系的紐帶,利用GIS方法可以將社會經濟數據進行空間化處理,以與自然屬性數據相匹配。GIS方法為洪災風險評價中自然屬性數據和社會經濟數據的綜合提供了很好的思路,這樣就可以更好的揭示洪災風險的空間分布。3.6洪水風險評價從洪災形成機制的角度出發對洪災風險進行評價,需要深入分析具體區域的洪水特征、自然環境特征以及社會經濟特性等,從而選用恰當的指標評價洪災風險。周成虎等通過選取降雨、地形和區域社會經濟易損性指標構建指標模型,對遼河流域洪災風險進行了評價。唐川等考慮到山洪的特征,選用了暴雨次數、泥石流密度、標準面積洪峰流量等指標對紅河流域的山洪災害風險進行評價。何報寅等選用降水、地形、河網以及歷史上洪災發生的頻次四個因子對湖北省洪水災害危險性進行了初步評價。陳華麗等綜合考慮洪水危險性以及社會經濟易損性評價了湖北省的洪災風險。詹小國等針對過境洪水和本地洪水形成機制的不同,先單獨評價然后進行洪災風險的綜合評價。基于洪災形成機制的系統評價方法層次清晰,評價全面。但前提是,需要對洪災發生區域進行詳細、深入的研究,深刻揭示區域洪災風險形成的內在機理,因地制宜的進行系統評價。不同尺度的洪災風險評價,需要從系統的高低層次進行認證分析。目前,從全球尺度、國家尺度、流域尺度、地方(城市)尺度對洪災風險均有研究,但對洪災的系統層次、尺度層次關注不夠。通過以上對洪災風險評價的各種方法介紹可以發現,在洪災風險評價中對于洪水危險性的研究相對較為深入,但對洪災易損性評價的研究還相對薄弱。姜彤等曾指出自然災害的易損性可以分為自然易損性、經濟易損性和社會易損性3種類型,并提出了一個洪災易損性概念模型,該模型由財產和基礎設施特性、經濟特性、社會特性、洪水特性、洪災預警特性以及響應特性等多個變量組成,由此可見,洪災易損性評價是相當復雜的,不僅涉及到承災體的屬性特征,還包括承災能力指標分析和抗災性能分析等眾多方面[15,57,58,59,60,61]。洪災易損性評價通常有兩種途徑,一種是單獨建立各種承災體基于洪水風險要素的損失率的方法,損失率的確定通常是通過場景調查、歷史資料分析、經驗推測、模型模擬方法得出。洪澇災害損失率是一個比較難獲取的參數,不同的地區、不同的行業、在不同的致災條件下其災損率是不同的。另一種方法是構建指標體系,綜合評價洪災易損性,如:樊云曉等建立了區域承災體脆弱性評價的指標體系,選用了5大類12個指標因子,通過專家打分確定指標權重以評價區域洪澇災害承災體的脆弱性。目前,考慮到數據統計的現實,通常選用一些常見的社會經濟統計指標,如行政單元內(通常是縣以上行政單元)的人口密度、耕地面積比重、GDP均值等來評價社會經濟易損性,這種方法簡化了易損性評價的眾多因子。但由于社會經濟統計數據往往以行政單元為基礎,對于行政單元內部社會經濟數據的空間差異無法表現,當然在少數國家已有詳細的格網化的社會經濟統計數據。將社會經濟數據進行行政單元內的均值化處理模糊了洪災風險的實際分布規律。有少數學者嘗試將已有的社會經濟數據空間化成果運用到洪災風險評價研究中,實現洪災風險評價的格網化。社會經濟數據的空間化處理突破了傳統的統計單元的限制,實現了與洪災自然屬性數據的匹配,能夠較好地反映行政單元內部洪災風險的空間差異,更能深刻揭示洪災風險的分布規律。目前,從洪災風險研究區域出發進行社會經濟數據空間化,從而運用于洪災風險的研究成果少見。4國內洪水風險區劃洪災風險區劃是在洪災風險分析與評價的基礎上對洪災風險的宏觀定量的分區。洪災風險區劃成果是國土管理、防洪規劃、洪水風險管理、減災政策制定等的基本依據,有利于決策者把握區域洪災風險的宏觀格局。20世紀80年代,我國各流域機構和省水利部門以省或流域為單位得到的畝均損失數據已具有洪水災害風險區劃的性質,但這種區劃是根據一次洪水的災害損失劃分的,沒有考慮洪水發生頻率的影響,且由于基本區劃單元大,提供的信息粗略。姜付仁等指出以洪水期望損失指標進行區劃是現階段洪水風險區劃的最高層次,洪水期望損失以單位面積的期望損失表示。進行洪水災害風險區劃,除需確定不同頻率洪水的淹沒范圍及相應的洪水致災特性外,還要確定不同頻率洪水淹沒區內的人口、資產分布及其易損性(通常用損失率表示),由此計算得出死亡人數期望值和財產損失期望值。李吉順等根據歷史暴雨洪澇災害分省災情資料,通過構建“綜合危險度”和“相對危險度”兩種無量綱指標,對全國暴雨洪澇災害進行區劃。趙士鵬根據綜合分析、發生學和減災服務原則對全國山洪災害進行定性區劃;湯奇成根據災害的自然和社會因素編制了洪災危險程度區劃。王勁峰等采用中國各縣洪水強度、洪水頻率、地形地質條件、國民經濟總產值、人口、抗災的工程措施和交通運輸條件等因素進行中國洪災危險程度評價,但限于資料和研究的程度,僅將全國劃分為危險、比較危險和不太危險3大區域,在此基礎上按洪災所屬流域或地區進一步劃分,從而得到中國洪災類型區劃圖。美國在1999年利用1975~1994年20年間自然災害場次,以州為單位,主要依據災害損失、人口和面積等原始數據進行自然災害區域風險分析,得到美國災害風險分區圖。張行南等對中國洪水災害危險程度進行區劃研究,將全國分作5000多個多邊形的圖層,通過單元網格劃分,依據地形、降雨和徑流3項指標,采用模糊聚類模型,由每個單元格的隸屬度屬性生成洪水危險區劃圖;依據每個多邊形平均耕地和人口,生成分縣的社會經濟隸屬度圖;由洪水危險區劃圖和社會經濟隸屬度圖疊置而生成洪水危險程度區劃圖。周成虎等提出基于地理信息系統的洪災風險區劃指標模型,得出遼河流域洪災風險綜合區劃。劉敏等在分析湖北省雨澇災害孕災環境、致災因子、承災體密度、經濟發展水平以及承災體的抗災能力的基礎上,綜合評價了湖北省雨澇災害風險程度的地域差異,以能綜合體現風險程度的風險指數作為指標,將湖北省雨澇災害分為極重度、重度、中度和輕度四個風險區。譚徐明等利用近300年水災資料序列及當前自然和社會經濟基礎數據,采用統計學和模糊聚類的方法,在數據庫和GIS技術支持下,完成了區域洪水風險分析及全國洪水風險區劃圖的繪制,建立了自然、社會經濟數據、工程防洪標準、歷史洪水指標體系;在以縣為單元的2400個分析樣本基礎上,以模糊類聚法建立區域洪水風險評價模型,實現以縣為邊界的一級區分界。全國共分為4區:重點風險區、一般風險區、低風險區和無風險區。一級區的劃分,反映出各區河流洪水特性、地形差異和社會經濟背景差異。在一級區劃的基礎上,利用歷史水災頻次進行二級區分區,然后根據地形地貌和資產密度對區劃邊界進行修正。二級區劃分源于長時序洪水災害客觀實際,著重表達了洪水災害區域特征。在二級區劃內,對歷史水災多發地區進行界定,圈出水災風險的核心區。譚徐明等對全國尺度的洪災風險區劃進行了較為深入的探討,綜合評價了全國區域自然、社會以及防洪工程背景下的洪災風險,評價指標除了常采用的自然、社會經濟指標外,增加了歷史洪水災害頻度和強度以及防洪工程標準等指標,且對洪災風險區劃實現了層次劃分。總體來說,目前對洪災風險區劃的研究還不系統,對區劃的尺度、風險分析的基本單元、區劃的目的與原則、區劃方法、區劃的實用性等方面缺少深入研究,今后在洪災風險區劃理論與方法上的研究有待加強。黃崇福等針對風險值估不準的客觀現實,把模糊風險的研究引入自然災害風險區劃的編制,提出了自然災害軟風險區劃圖的思想和初步樣式。科學合理的自然災害軟風險區劃圖有望對產生新一代自然災害風險區劃理論和方法做出應有貢獻。將來在洪災風險區劃研究中可以嘗試引入自然災害軟風險區劃圖。5國內遙感數據分析與研究本文對洪災風險相關概念、洪災風險評價主要方法、洪災風險區劃研究進展等進行了評述。目前主要的洪災風險評價方法有地