基于集合模拟的汉江上游洪水与滑坡灾害风险评估.pdf

第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.基金项目:国家自然科学基金项目()中央高校基本科研业务费专项资金资助项目()作者简介:王晟()男博士主要从事水文学及水资源研究:.通信作者:张珂()男教授博士主要从事水文学及水资源研究:.:/基于集合模拟的汉江上游洪水与滑坡灾害风险评估王 晟张 珂晁丽君陈国鼎夏 怡包红军张春堂(.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏 南京.河海大学长江保护与绿色发展研究院江苏 南京 .河海大学水文水资源学院江苏 南京.中国气象局水文气象重点开放实验室江苏 南京 .国家气象中心北京)摘要:采用基于拉丁超立方抽样的集合模拟方法分析了汉江上游区域洪水与滑坡灾害的危险性并利用层次分析法计算了 种承灾因子的综合易损度进而对区域内洪水与滑坡灾害的风险进行了评估 结果表明:集合模拟得到的洪水流量过程与实测流量过程的相关系数为.滑坡模拟的全局精度为.大部分区域洪水灾害危险度较低其中极低危险区占.高危险区以上占.但滑坡灾害危险度高高危险区以上占比达到了.超过 的区域综合易损度较低综合易损度等级与人类活动密切相关洪水灾害风险整体偏低高风险以上区域占.滑坡灾害高风险区集中于西南和东部灾害综合风险空间分布与滑坡灾害风险较为相似关键词:洪水灾害滑坡灾害集合模拟综合易损度汉江上游中图分类号:文献标志码:文章编号:()/(.):.:降雨诱发的洪水与滑坡灾害是世界范围内频发的两种自然灾害严重威胁人类生命和经济财产安全 洪水与滑坡灾害的研究一直受到广泛的关注近年来随着研究的深入和技术手段的进步洪水与滑坡灾害协同研究成为重点 一方面洪水的冲刷和入渗降低了边坡的稳定性容易引发滑坡灾害另一方面滑坡体冲入河道则会引发涌浪甚至堵塞河道造成更为严重的后果 为了降低洪水与滑坡灾害的危险灾害风险评估就显得十分必要 经典的风险评估理论主要考虑两个方面即灾害的危险性和承灾体易损性 对于各类承灾体而言有些承灾体容易量化(如人口、等)有些则难以通过确切数值来反映其特征(如建筑物、各类自然资源等)研究中通常使用层次分析法来解决这类问题 而随着分布式水文模型的发展应用通过模型对研究区域内的洪水和滑坡灾害进行风险评估已成为一种新的手段洪水灾害危险性是指洪水对暴露于其中的各类承灾体的直接风险通常定义为洪水水深和流速的函数二者可通过水文模型和水力学模型进行计算 然而对水力学模型进行数值求解所需数据时空分辨率高计算耗时长难以适用于大尺度范围 针对滑坡灾害危险性目前较少有研究通过滑坡模型的应用来对其危险性进行分析滑坡模型一般通过边坡稳定模型计算栅格单元的安全系数判断边坡是否失稳 洪水与滑坡链式灾害近年来受到越来越多的关注将水文模型和滑坡模型耦合可以同时对洪水和滑坡灾害进行模拟研究 灾害风险是灾害对人民生命财产造成威胁的可能性这种可能性可通过模型的集合模拟获得 模型集合模拟方法通常分为 类:不同输入数据、不同参数组合及不同模型结构 在数据较为缺乏和模型结构固定的情况下改变参数及其组合就成了有效的集合模拟方法 模型参数通常是对模型涉及的一些物理意义的概化存在不确定性因此参数取值通常需要进行大量重复性的抽样工作才能保证抽样所得参数在参数空间内均匀分布 但因参数众多且其组合繁复难以适用于分布式模型而拉丁超立方抽样方法可解决此类问题 拉丁超立方抽样方法在参数累积概率分布上均匀取值然后将该值反算回参数值可以确保在有限抽样 情 况 下 参 数 取 值 能 够 均 匀 分 布 于 参 数空间本文以汉江上游为研究区基于拉丁超立方抽样法进行参数抽样采用适用于大尺度范围的基于集合模拟的洪水与滑坡灾害网格化风险评估方法通过不同的参数组合得到洪水与滑坡的模拟结果利用该结果计算洪水与滑坡灾害的危险性采用层次分析法计算研究区各类承灾因子的综合易损度结合灾害危险性和承灾因子综合易损度对研究区洪水与滑坡灾害风险进行评估 研究区概况与数据来源.研究区概况汉江是长江最大的支流发源于陕西省南部的秦巴山区 汉江上游以丹江口水库为界 位于.长约 流域面积.万 海拔 地势陡峭河道比降大 流域年均降水量 降水年内分配不均主汛期 月降水量占全年总降水量的 以上 由于汉江上游流域降雨年内集中且山区多陡峭边坡降雨诱发的滑坡等地质灾害频发仅 年滑坡事件就超过 次造成大量的人员伤亡和经济财产损失 受滑坡灾害统计资料限制选取汉江上游位于陕西省境内的区域作为分析对象(图)图 汉江上游流域高程及滑坡灾害点分布.数据来源与处理降雨数据来源于中国气象局地面站点逐日气象资料集使用普通克里金方法将其插值为 空间分辨率的网格数据 潜在蒸散发数据采用 数据集空间分辨率.时间分辨率 使用双线性插值法将其插值为 并累加为日尺度数据 高程数据包括 和 空间分辨率其中 分辨率的高程数据来自 分辨 率 的 高 程 数 据 由 地 理 空 间 数 据 云 提 供(:/.)土壤类型数据来源于.数据集空间分辨率 地表覆盖类型数据来自 产品空间分辨率 将其重采样至 流量观测数据来自水文年鉴采用位于汉江上游中段石泉站的流量数据对模型进行率定和验证 滑坡灾害统计资料时间范围为 年由陕西省国土资源部门地质调查局提供包括滑坡位置、发生时间、造成的人员财产损失等选取人口密度、密度、城市化水平、建筑物密度、耕地密度和森林密度 种承灾因子进行风险评估 人口密度和 密度数据来自全球变化科学研 究 数 据 出 版 系 统(:/./)空间分辨率 本文选取 年的数据用于风险评估研究 城市化水平数据采用城市人口统计网站公布的数据(:/.)该网站提供每个县级单位的城市化水平将其插值到 空间分辨率 建筑物、耕地和森林数据未找到直接来源使用地表覆盖数据按 网格计算每种类型在该网格内所占比例作为其密度数据 研究方法.模型.模 型 包 含 两 个 部 分 即 水文模型与 边坡稳定模型二者之间通过降雨入渗过程和土壤含水量进行耦合 由水文模型计算流域内降雨、蒸发、下渗、产流、汇流等水文过程由边坡稳定模型计算在降雨入渗和土壤含水量改变情况下边坡稳定性的变化过程.模型可以同时进行洪水与滑坡的模拟预报同时模型中引入了基于地形湿度指数的土壤含水量降尺度方法使得不同空间分辨率的水文模型和边坡稳定模型仍可以高效耦合解决了当研究区较大时在空间分辨率方面水文模型和边坡稳定模型难以同时满足要求的问题 本文 模型和 模型的空间分辨率分别为 和 受数据限制模型模拟时段为 年其中 年为预热期 年的模拟结果用作分析研究.基于拉丁超立方抽样的集合模拟基于参数组合的集合模拟需要进行大量的参数抽样工作以确保对参数空间进行遍历取值 这就使得抽样得到的参数组合数量巨大难以进行实际的模型计算 本文采用拉丁超立方抽样方法进行参数的抽样工作研究中选取了影响水文模型精度的饱和水力传导度、张力水蓄水容量、下渗能力指数、蒸散发折算系数和影响滑坡模型结果的用于计算土壤黏聚力的 个指数作为取样参数 假定参数概率分布为正态分布每个参数的分布具有不同的均值与方差 拉丁超立方抽样方法步骤如下:计算参数的累积概率分布将累积概率分布均分为 等份在每一等份内随机取值将该值反算回参数值将取样得到的各个参数值随机组合得到一系列的参数组合并从中随机选取 组参数用作集合模拟.洪水与滑坡灾害危险性评估由于数据资料限制风险评估模型采用联合国人道主义事业部定义的方法即风险等于危险性与易损性的乘积 其中灾害的危险性根据不同灾害类型有不同定义针对洪水灾害而言其对人类社会安全的威胁主要取决于洪水流速与水深:(.)()式中:为洪水危险度 为洪水水深根据集合模拟结果从安全角度考虑将流量最大值转换为河道水深得到并根据流向和地形高度计算河道栅格能够淹没的范围 为洪水流速可通过曼宁公式近似计算获得 为泥石流因子由于研究区域人口和城市建筑等集中在中部降雨相对较少的平原区且南部森林覆盖度高故本文未考虑泥石流影响对于滑坡灾害而言首先计算研究时段内每组参数组合下每个网格安全系数最小值其次统计安全系数小于 的场次计算出滑坡发生的概率为了与洪水危险度分辨率保持一致最后计算 分辨率下对应网格概率的均值即为滑坡灾害危险度计算得到的洪水与滑坡灾害危险度还需进行归一化本文定义灾害危险度从 至 分为 个等级:.为极低危险性 .为低危险性.为中危险性.为高危险性.为极高危险性.承灾因子综合易损度选取人口密度、密度、城市化水平、建筑物密度、耕地密度和森林密度作为承灾因子每个承灾因子根据其数值的不同分为 个易损性等级如表 所示 承灾因子综合易损度定义为每个承灾因子的易损性之和即:表 种承灾因子易损性分级赋值 等级人口密度/(人/)密度/(万元/)城市化水平/建筑物密度/(/)耕地密度/(/)森林密度/(/)栅格赋值极低.低 .中 .()式中:为综合易损度 为承灾因子数量 为第 个承灾因子的值为第 个承灾因子的权重采用层次分析法计算通过灾害危险性和承灾因子易损性可得到灾害的风险程度由于危险性和易损性均进行了归一化处理本文定义灾害风险等级划分标准为:.为极低风险、.为低风险、.为中风险、.为高风险、.为极高风险 结果与分析.集合模拟分析图 为洪水与滑坡灾害集合模拟结果 由图()可见集合模拟区间与石泉站实测流量过程整体上吻合程度较高表明选取的参数组合能够反映真实水文过程同时集合模拟区间的峰值与每年汛期的洪峰流量非常匹配说明对于面积较大的流域参数的改变对流量过程模拟的影响会有所降低 统计分析显示不同参数组合情况下石泉站模拟流量和实测流量的相关系数为.相关性较高 此外低流量区集合模拟结果未能很好地匹配 ()洪水流量过程()滑坡模拟 分析图 洪水与滑坡灾害集合模拟结果.实测流量过程虽然单个参数的抽样取值较为合理但是不同参数组合对小流量模拟结果影响较大 受试 者 操 作 特 征()曲线通常用于滑坡模拟的结果分析图()中真正率为模型正确识别滑坡事件的比率真负率为模型正确识别非滑坡事件的比率 统计结果显示的参数组合对应的 曲线趋近于右上角说明模型具有较强的稳健性滑坡模拟效果较好同时 曲线分区域集中说明参数不同取值和组合对于滑坡模拟效果有着较明显的影响 统计结果显示 曲线下面积()为.说明模型具有较高的全局精度对于滑坡和非滑坡事件的识别能力较强.洪水与滑坡灾害危险性分析基于集合模拟结果计算得到的洪水与滑坡灾害危险度分区如图 所示 由图()可见汉江上游流域大部分区域整体上洪水灾害危险性较低呈线/面状分布中下游干流及部分支流洪水灾害危险性较高表明汛期集中降雨使得河道水量激增水位升高威胁河道沿岸 统计结果显示研究区内洪水灾害极低危险区占比为.低危险区占比为.中危险区占比为.高危险区占比为.极高危险区占比为.由于洪水灾害主要发生在河道沿岸因此超过.的区域洪水灾害在低危险性以下 由图()可见总体上汉江上游区域受滑坡灾害威胁大相较于洪水灾害滑坡灾害的中高危险区域明显增多主要分布在西北、()洪水灾害危险度()滑坡灾害危险度图 洪水与滑坡灾害危险度分区.南部及东北地区仅在西南部分区域为极低滑坡灾害危险性 这是由于汉江上游为秦巴山区地形陡峭岩层易破碎土壤易侵蚀稳定性较差同时该区域属湿润季风区降雨较多且集中在汛期易诱发滑坡灾害 对各级危险性分区统计显示滑坡灾害极低危 险 区 占 比 为.低 危 险 区 占 比 为.中危险区占比为.高危险区占比为.极高危险区占比为.超过 的区域滑坡灾害危险性在中等以上.承灾因子综合易损性分析针对人口密度、密度、城市化水平、建筑物密度、耕地密度、森林密度 种承灾因子首先构建判断矩阵确定各个因子之间相互的优先度其次计算得到每个因子的相对权重 分别为.、.、.、.、.和.最后对构造的判断矩阵进行检验 得到随机一致性比率为.小于.因此计算结果满足随机一致性比率的检验图 为 个承灾因子的综合易损度分区 可见大部分区域的综合易损度较低这是由于汉江上游区域地表覆盖以森林为主人烟稀少建筑物与作物也同样较少在西南区域和沿河沟谷等地综合易损度较高分析发现这些地区均为人类活动较多区域西南分布有大面积的耕地而沿河沟谷地区通常为人类居住区因此相对于山区森林人类聚集区的综合易损度较高 综合易损度各级分区的统计结果显示极低易损区占比为.低易损区占比为.中易损区占比为.高易损区占比为.极高易损区占比为.虽然综合易损度较低的区域占比超过了 然而此类区域仍存在因原始自然状态和生态环境的破坏所带来的潜在后续影响图 承灾因子综合易损度分区.洪水与滑坡灾害风险评估图()为洪水灾害风险分区对比图 可知虽然中易损度以上区域较大但是超过.的区域洪水灾害为极低风险低风险区以下的区域占比则达到了.高风险以上的区域未超过.说明汉江上游受洪水灾害的威胁较小 同时对比洪水灾害危险性分析结果高危险以上区域占比为.而高风险区占比为.说明对于部分洪水灾害严重的地区其人口、经济、建筑、耕地等承灾因子水平较低在发生洪水时灾害没有承受体导致风险程度较低 图()为滑坡灾害风险分区中等风险以上区域主要集中在西南和东部地区对比图()可知西北部分地区虽然滑坡灾害的危险程度较高但是由于这些区域的综合易损度低灾害造成的影响相对较低因此滑坡灾害的风险为低等级而东南部分区域危险性偏低但是综合易损度相对较高使得计算得到的滑坡灾害风险等级较高洪水与滑坡灾害综合风险由两种灾害风险叠加得到如图()所示 由于洪水灾害的风险整体偏低 ()洪水灾害风险()滑坡灾害风险()洪水与滑坡灾害综合风险图 洪水与滑坡灾害风险分区.同时洪水灾害通常沿河道分布空间上没有滑坡灾害分布广因此灾害综合风险的空间分布与滑坡灾害风险分区相似 然而统计结果显示滑坡灾害高风险区占比为.灾害综合风险较高区域占比则为.说明虽然洪水灾害相对而言影响偏低但是对于河道沿岸的城镇其风险是真实存在的 洪水预报和灾害风险评估可以提前避免洪水灾害带来的潜在损失对于城市建设和村镇规划具有重要的指导意义 结 论.基于拉丁超立方抽样的集合模拟可以保证参数的均匀取值汉江上游洪水集合模拟区间与实测径流过程吻合程度较高模型在不同参数组合下具有较好的稳健性滑坡灾害全局模拟精度较高.汉江上游大部分地区洪水灾害危险性较低危险性较高的区域主要分布在河道沟谷沿线滑坡灾害危险性高值区则在西南和东部等地.汉江上游综合易损度受人类活动影响较大人类聚集区的综合易损度普遍较高森林为主要覆盖的山区则综合易损度较低.汉江上游大部分地区洪水灾害风险较低在河道干流沿线有较高的风险而滑坡灾害则在山区且综合易损度较大的区域风险较高灾害综合风险结果表明虽然洪水灾害在区域上的影响比滑坡灾害小但是其灾害的风险不可忽视多灾种叠加的危险性大于单一灾种因而灾害风险更大参考文献:晁丽君张珂陈新宇等.基于多源降水融合驱动的 模型在中小河流洪水预报中的适用性.河海大学学报(自然科学版)():.(.()():.().():.:.():.():.杨阳徐海峰何勇军等.降雨山洪引发滑坡预报预警研究现状及评述.人民黄河():.(.():.().:().:.():.吴娟林荷娟姜桂花等.太湖流域超标特大洪水风险预警系统建设及应用.河海大学学报(自然科学版)():.(.()():.().:.:.孙章丽朱秀芳潘耀忠等.洪水灾害风险分析进展与展望.灾害学():.(.:.():.()付晓花董增川韩锐等.基于气候水文水动力单向耦合模型的复杂河网地区水流演进模拟及预估.水资源保护 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