基于复杂网络模型的广州市增城区洪涝灾害风险评估.pdf

：第 卷 第 期 人民珠江 年 月 基金项目：国家重点研发计划项目（）收稿日期：作者简介：李博文（），男，硕士研究生，从事水利工程研究。：通信作者：杨芳（），女，硕士，正高级工程师，主要从事珠江河口治理与保护、水环境水生态修复、洪（潮）涝灾害防御等领域的基础理论和应用技术研究。：李博文，张印，杨芳，等 基于复杂网络模型的广州市增城区洪涝灾害风险评估 人民珠江，（）：基于复杂网络模型的广州市增城区洪涝灾害风险评估李博文，张印，杨芳，赵红军（河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 ；珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州 ）摘要：在气候变化和城市化发展的双重影响下，城市洪涝灾害频发，洪涝引发的链生灾害使损失进一步加剧，严重威胁民众的生命安全与城市的健康发展。以暴雨为灾害源，基于广州市增城区 年灾害数据，构建灾害演化复杂网络模型，开展灾害风险分析：通过网络平均灾害路径、边介数和连通度评估灾害网络的脆弱性；通过灾害事件共现率分析灾害事件之间的相关性。研究结果表明：高强度、短历时的暴雨是广州增城洪涝灾害的源头，水利设施损坏是影响灾害网络脆弱度的关键节点，农田受浸是引发重大经济损失的主要原因，路面积水导致房屋受浸是风险最大的灾害问题。研究成果可为广州增城洪涝灾害链风险管控与相关应急管理决策提供参考。关键词：洪涝灾害链；复杂网络模型；共现率；脆弱度；风险中图分类号：文献标识码：文章编号：（）牞 牞 牞 牗 牞 牞 牞 牞 牷 牞 牞 牘 牶 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 牷 牷 牷 牷 人民珠江 年第 期近年来，中国的城市化进程不断推进，导致众多城市问题在城市发展过程中不断涌现。这些问题逐渐增多，最终导致系统性灾害的出现 。其中，洪涝灾害就是城市问题之一，已严重威胁人民群众生命财产安全和城市可持续发展 。年 月 日，郑州市遭受特大暴雨，不仅引发西部山区的山洪、泥石流等较为严重的次生灾害，而且造成多达 人的死亡和失踪 ，直接经济损失 亿元，其中郑州市 亿元、占全省 。这类灾害事件通常是由一种灾害引发另一种灾害，进而形成错综复杂的灾害链。在灾害链网络系统中，众多灾害耦合后的破坏性往往大于单一灾种的破坏性，从灾害链的角度进行研究可以更有效地增强预警、预报、预演、预案“四预”能力。粤港澳大湾区是中国经济活力最强、城镇化程度最高的区域之一，具有重要的政治经济地位。在全球气候变化和城市化发展的共同影响下 ，大湾区洪涝灾害多发，伴随的次生灾害已成为制约其经济发展的突出问题。面对特大暴雨灾害，广州市的灾害链机制尚未明确，监测预警不足，联防联控缺乏协调，同时也缺乏针对外洪和内涝的灾害耦合推演技术和动态风险评估技术 。目前已有众多学者对洪涝灾害链进行研究。陈长坤等 针对城市暴雨灾害对城市基础设施的破坏和事故风险进行分析，并提出一种基于事件树理论，采用复杂网络理论中的节点度和平均路径长度等指标，构建城市基础设施事故演化网络模型；刘爱华 基于城市灾害链系统动力机制建立系统动力学模型，兼顾适应城市灾害链系统的复杂非线性和多重反馈特点；该模型揭示了主要承灾体易损性与灾害损失速率之间的影响关系，并指出降低城市生命线的易损性是降低城市灾害中人员伤亡率最有效的方法；赵冬月等 提出了灾害演化网络时序性风险评估模型，采用基于时间序列和复杂网络的方法，解决了传统灾害风险评估方法中时间序列的不确定性问题，并评估了灾害时序演化过程。上述研究都应用了复杂网络和系统动力学等多学科交叉的研究方法，探讨了城市灾害链的机理和演变过程，提出了相应的风险评估模型和方法。但是在风险分析过程中没有考虑到具体的孕灾环境以及不同灾害事件之间的关联和交互作用。本文基于 年增城地区的灾害数据，构建脆弱性评价模型，在此基础上引入共现率开展风险评估，为提升城市洪涝应急避险能力提供参考。研究区域概况增城区位于广东省中东部、广州市东部，面积为 。该区具有明显的亚热带、热带海洋性季风气候特征。前汛期 月在南海夏季风影响下多为锋面雨，后汛期 月极易受热带气旋侵袭，多为热带气旋雨和对流雨。特殊的气候条件、地势地貌，以及珠三角特大城市群产生的热岛、雨岛效应，决定了增城区暴雨具有发生频率高、降雨强度大、历时短、范围集中的特点。该区既有洪水威胁区，也有地势低洼的易涝区。频繁发生的城市洪涝灾害对增城人民的生命财产安全和社会经济发展产生了严重的影响 。增城区地貌自北向南大致分为中低山谷地、丘陵河谷平原、冲积平原。增城区北部地势较高，南部较低，山地以低山为主，占增城区面积 ；丘陵地主要分布在中南部，占增城区面积的 ；台地多在中南部，占增城区面积 ；南部是三角洲平原，加上河谷平原，占增城区面积的 ，具体见图 。图 增城区域及 图人民珠江 年第 期增城区境内水系发达，共有河流、河涌 条，总长约 。其中宽度以上河涌 条长约 ；宽度 以下河涌 条长约 。河流主要归属珠江流域东江水系。北部以山区河流为主，流域边界明显，主要河流有派潭河、二龙河、兰溪水等；南部为珠江三角洲河网地区，大小河涌纵横交错，水网密布，流域边界不明显。研究方法 复杂网络法基本概念及定义复杂网络是一种拓扑结构特征较为复杂的网络，已被广泛应用于数理科学、信息科学和社会科学等多个领域 。当将其应用于洪涝灾害链网络领域时，可以将其定义为一个由多个节点构成的系统。在该系统中，每个节点代表一个灾害事件，节点之间的关系表示它们之间的相互作用和影响，这些关系可以用边来表示。通过网络结构反映系统中各个要素之间的关联和相互作用方式，可以研究灾害组成的系统中的灾害链演变过程。风险计算方法在灾害链复杂网络中，脆弱度指的是在网络中某个节点被破坏或失效后，对整个网络的影响程度。通过计算某个灾害事件节点的脆弱度，可以评估该事件对整个灾害链的重要性。共现率是指在网络中个节点之间存在联系的概率。如果 个灾害事件之间的共现率很高，就表示它们之间的联系比较紧密，同时出现的可能性较大，在进行灾害防范时，需要特别关注这 个事件之间的相互作用。因此为了能更全面地涵盖灾害网络的特性，选取这 个有代表性的指标来度量风险，即：（）式中 风险度；脆弱度；共现率。灾害链评估的要素具体见图 。灾害链脆弱度计算方法本文将灾害链网络模型中的灾害事件视为复杂网络中“节点”，连接各个灾害事件的连接线视为复杂网络的“边”。选取以下复杂网络参数来描述复杂网络的结构特征 。图 灾害链评估的要素 平均路径长度任意 个节点之间的最短路径边数的平均值，它描述了网络中节点的分离程度。平均路径长度的计算公式为：（），（）式中 网络节点的总数；点、间最短路径所含的边数。边介数边介数表示网络中所有最短路径经过该边的数量比例，反映了相应的边在整个网络中的作用和影响力，可以用于评估网络中哪些边对网络的连接稳定性具有重要作用。边介数的计算公式为：，（）（）式中 节点 和 之间最短路径经过边 的次数。连通度一个网络中，从某个起始节点出发，连通的节点数和总节点数之比。连通度的计算公式为：（）式中 网络节点总数；从某起始节点出发能够连通的节点个数。脆弱度一个网络节点或者边缘被删除后，对整个网络结构的影响程度。脆弱度越高的节点或者边缘，在网络中的重要性越大，其删除对整个网络的影响也越大。脆弱度的计算公式为：（）人民珠江 年第 期 灾害链共现率计算方法概率反映随机事件出现的可能性大小。随机事件是指在相同条件下可能出现也可能不出现的事件。其中灾害链的共现率不是事件甲的概率或事件乙的概率，是甲事件引起乙事件的概率，即甲乙事件的共现率。为计算此概率，采用了 指数，见式（）：（）式中 灾害事件 引起灾害事件 的致灾率，且 ；灾害事件 引起灾害事件 的频次；、灾害事件 、出现的频次。洪涝灾害链复杂网络模型构建随着大湾区高强度的开发，上游山洪及区间来水导致城市内河水漫溢，容易造成洪灾。同时，城市中的天然雨洪调蓄场所数量急剧减少，地面硬化也使透水率大幅降低 ，再加上短时间内强降雨频繁发生，导致地表出现大量积水，本地暴雨产生的流量无法及时排出，从而造成涝灾。增城区灾害的源头是频率高、强度大、历时短、范围集中的暴雨 ，暴雨引发的洪涝灾害主要分为两大类。一种是强降雨导致洪水漫堤，如广州 年“”洪水 ，由于土堤年久失修，抗滑防冲刷能力差，在遭遇超标准暴雨时，导致洪水漫堤，它的特点是灾害链的作用较为直接，传递较为迅速；另一类是随着降雨时间的持续导致路面积水 ，它的特点是引发的次生灾害相对复杂，如影响车辆行驶，导致交通堵塞，水淹电缆可能导致电力系统故障，造成停电。路面积水可能导致下水道倒灌，使污水倒流进入住宅，引发污水泛滥。这些都会对居民的日常生活造成较大的影响，若不及时人为干涉可能会形成循环链。通过对增城区 年的洪灾损失进行统计分析，发现涉及东江的年份有 个，涉及西福河的年份有 个，涉及增江的年份有 个，其中有 个是增江上游地区。这是由于增江上游河床比降较大，处在暴雨中心，形成洪水暴涨暴落，容易发生洪涝灾害。增江流域地形属于高丘陵盆地和中、低山地形，地形陡峭，水流迅速，容易形成洪水。而增城位于东江与增江的下游，面临来自东江北干流、增江、派潭河和西福河等多方面的洪水威胁。针对发生洪灾的月份进行统计，月发生洪灾的场次有 场，月有 场，月有 场，月有 场，月有 场，这与华南地区“龙舟水”的降雨特性相符合。华南地区“龙舟水”是端午节前后（月 日至 月 日）持续性大范围的强降水现象，发生在春夏季交替之时的华南前汛期的后半段。在这个时期，热带暖湿气流势力加强，并与冷空气在华南上空持续交汇，容易引发强度较强、连续的降水过程，造成暴雨洪涝和严重的经济损失及人员伤亡。根据增城区的历史灾害记录，筛选出 年来频次大于 次或经济损失超过 万元的灾害事件，构建共 个节点和 条边组成的增城区城市暴雨演化拓扑网络，具体见图 。图 增城区暴雨洪涝灾害链网络在灾害网络中，地面积水会导致房屋浸水、禽畜损失、输电和通信线路损坏等次生灾害，从而导致人员伤亡和经济损失。除了上述频次较高的灾害事件，地铁站进水停运和汽车工厂被淹也被纳入统计范畴，因为它们造成的经济损失较大。历年来，漫堤洪水常常引发通讯、输电线路、水利设施和道路的损人民珠江 年第 期坏。水利设施的损坏还会导致农牧渔业受灾，进而导致人员伤亡和重大经济损失。灾害事件之间的连接边和对应的序号，见表 。表 增城洪涝灾害网络演化的连接边及序号灾害事件连接边序号路面严重积水 汽车工厂被淹 路面严重积水 地铁停运 路面严重积水 房屋浸水 路面严重积水 禽畜渔塘损失 路面严重积水 损坏通信、输电线路 漫堤洪水 损坏通信、输电线路 漫堤洪水 水利设施损坏 漫堤洪水 损坏道路 漫堤洪水 人员伤亡 汽车工厂被淹 重大经济损失 地铁停运 重大经济损失 损坏通信、输电线路 重大经济损失 水利设施损坏 房屋浸水 水利设施损坏 禽畜渔塘损失 水利设施损坏 农田受浸 损坏道路 重大经济损失 房屋浸水 重大经济损失 房屋浸水 人员伤亡 禽畜鱼塘损失 重大经济损失 农田受浸 重大经济损失 洪涝灾害链风险分析。本文主要使用 软件来获取参数。它是一种具有可视化和网络分析功能的学术类软件。它可以将网络分解为若干个子网络进行显示，此外还有强大的可视化功能，从而有助于更进一步的精准分析。洪涝灾害链脆弱度分析对各边的复杂网络参数进行统计，结果见图 。平均灾害路径的统计结果显示，各个灾害事件的平均灾害路径均为 左右，这意味着增城区的灾害事件之间联系较为紧密，灾害之间传播的速度较快。在连通度的统计中，“漫堤洪水 水利设施损坏”值最小，该连接边连接了 个次级灾害事件，如果取消该边，则会对灾害网络产生较大破坏，而其他连通度为“”的事件在网络连通性方面的重要性则相对较小。边介数最大的连接边也为“漫堤洪水 水利设施损坏”，该边处于灾害网络偏上游的位置，是许多次级灾害事件最短传播路径的必经之路，在网络中影响范围较为广泛。漫堤洪水导致的水利设施损坏靠近灾害源，处于灾害还未起步的阶段。其次，它紧密连接着房屋受浸、禽畜鱼塘损失和农田受浸 个次级灾害。因此，它在灾害网络中的脆弱度高达 ，属于网络中最脆弱的环节。）连通度）边介数图 灾害链网络连接边参数人民珠江 年第 期）平均路径长）脆弱度续图 灾害链网络连接边参数 洪涝灾害链的共现率分析基于增城区历年灾害损失统计情况，计算各个灾害事件间的 年共现率，结果见图 。可以看出，农田受浸和重大经济损失的共现率达到了 ，关系较为确定，几乎每次都会同时发生。此外，水利设施损毁和农田受浸的共现率达到了 ，说明水利设施损毁与农田受浸有着很强的关联性，如广州增城区在“”洪水 期间，年久失修、单薄残破的堤防在遭遇暴雨时，多处出现管涌、爆裂，引发漫堤，进而导致农田受浸。路面严重积水导致汽车工厂被淹和地铁停运的共现率均不足 ，尽管共现率较低，但一旦发生，造成严重的经济损失。汽车工厂被淹与路面积水、重大经济损失的共现率均较低，尽管在日常生活中工厂被淹总会伴随着重大经济损失，但由于工厂被淹的次数少，从而导致共现率较低。漫堤洪水和线路损坏的共现率为 ，说明在增城地区该情况尚未发生。图 广州市增城区灾害事件共现率 洪涝灾害链风险度分析结合已统计的 年灾害共现率，并将数据分级排序，得到较为直观的增城区洪涝灾害网络演化连接边的风险率，见图 。图 广州市增城区洪涝灾害网络演化连接边风险率房屋受灾和水利设施受灾是网络中风险度较高的边。就房屋受灾而言，城区往往濒临江河且地势低洼。遭遇暴雨时大部分涝水需通过自排闸或电排站排出。若降雨强度过大，外水位上涨，涝水难于排泄，将导致洪涝，进而导致房屋受淹。从统计层面来看，在 灾害事件中，房屋受灾几乎每年都会出现且伴随着数额较大的经济损失。从网络的角度分析，房屋受灾处于灾害网络的关键位置，与很多节点人民珠江 年第 期都有着很高的关联度。水利设施受灾源于洪灾，主要是由于上游巨大的洪峰流量超过河道宣泄能力或中游暴雨成灾引起 。在灾害事件的统计中，堤围、山塘、涵闸、水陂等设施基本每年都会遭到一定程度的破坏，其中电排站和堤防较为重要。损坏电排站会使受浸农田中的水不能及时排出，导致农作物死亡。因此，要确保灾害发生时对排水设施的运行进行实时监控，出现问题要第一时间做好维护清理。同时，在原有水利设施承载力难以抵挡几十年一遇暴雨时，可考虑在原有设施附近挖临时泄洪沟，通过分流减缓压力。结论本文基于广州市增城区灾害数据构建灾害链复杂网络模型，对洪涝灾害演化过程进行刻画，引入复杂网络理论中的特征参数对其进行脆弱性评价，并统计灾害事件的共现率，结合二者分析暴雨情况下增城区事故的主要风险环节，主要结论如下。）灾害网络模型参数计算表明：增城区水利设施损坏事件的边介数较大，连通度较小，连接着多个次级灾害事件，是灾害网络的关键节点，对网络的稳定性和可靠性具有较大影响力。）灾害事件共现率的计算显示：增城区农田受浸和水利设施损坏是 个主要的致灾原因；漫堤洪水和输电、通信线路损毁的共现率为零，这说明增城区输电、通信线路的损毁是由路面严重积水浸泡引起的，而非漫堤洪水冲断线路。）灾害风险度分析发现：增城区路面积水导致厂房受浸和民宅受浸是增城区最为严重的问题，无论是厂房受浸引起的经济损失，还是民宅受浸造成的救援困难和人员伤亡，都值得引起有关部门重视。参考文献：夏军，张永勇，张印，等 中国海绵城市建设的水问题研究与展望 人民长江，（）：，张之琳，邱静，程涛，等 粤港澳大湾区城市洪涝问题及其分析 水利学报，（）：牞 牞 牞 犤 犦 牞 牞 牶 崔慧慧，李荣，郜彦娜，等“”郑州极端特大暴雨降水细节特征和成灾过程研究 灾害学，（）：，牞 牞 牞 犤 犦 牞 牞 牶 牞 牞 犤 犦 牞 牞 牶 徐宗学，陈浩，任梅芳，等 中国城市洪涝致灾机理与风险评估研究进展 水科学进展，（）：陈长坤，孙凤琳，赵冬月 暴雨灾害下城市基础设施的事故演化风险分析 灾害学，（）：，刘爱华 城市灾害链动力学演变模型与灾害链风险评估方法的研究 长沙：中南大学，赵冬月，陈长坤，易亮 灾害演化网络时序性风险评估模型 中国安全科学学报，（）：刘家宏，梅超，刘宏伟，等 特大城市外洪内涝灾害链联防联控关键科学技术问题 水科学进展，（）：哈斯，张继权，佟斯琴，等 灾害链研究进展与展望 灾害学，（）：刘涛，陈忠，陈晓荣 复杂网络理论及其应用研究概述 系统工程，（）：陈文龙，徐宗学，张印，等 高密度城市暴雨洪涝治理理论框架及其应用研究 水利学报，（）：胡永辉 广州市增城区洪涝成因及防治对策 科技创新与应用，（）：陈刚 广州增城区派潭镇“”洪水调研分析 中国防汛抗旱，（）：宋子龙 暴雨洪灾成因分析及其防治对策：以广州市增城区“”、“”两场特大暴雨为例 珠江水运，（）：陈豪，姜宇，张亮亮 粤港澳大湾区韧性洪涝防治体系研究 中国防汛抗旱，（）：（责任编辑：高天扬）