基于层次分析法（AHP）的暴雨洪涝灾害风险评估_苑梓晗.pdf

158 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）基于层次分析法（AHP）的暴雨洪涝灾害风险评估苑梓晗，刘 莹(黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080）摘 要：近几年，伴随着全球气候变化以及城镇化进程加快，中国极端天气频发，“人水争地”现象日益加剧，流域以及城市内涝问题愈发严重，暴雨洪涝灾害风险评估日益引起了人们的重视。文章以松花江干流哈尔滨段作为研究对象，从现代自然灾害风险理论概念出发，将暴雨洪涝灾害风险从危险性、暴露性、脆弱性三方面进行研究，选取了降水、高程、坡度、植被、人口密度、土地利用、医院距离、应急距离 8 个评价指标，结合层次分析法（AHP）计算出各个指标的权重。并将因子指标集成成洪涝灾害风险评价指数 FRDI，对哈尔滨市松花江干流流域的暴雨洪涝灾害风险进行了可量化的评估，基于此绘制出松花江干流哈尔滨段的洪涝灾害风险区划图，为松花江干流流域防洪减灾提供参考。关键词：松花江干流；洪涝灾害；风险评估；层次分析法（AHP）；FRDI中图分类号：P426.616文献标识码：BRisk Assessment of Rainstorm and Flood Disaster based on AHPYuanZihan;andLiuYing(Water Conservancy and Hydropower Institute of Heilongjiang University,Harbin 150080,China)Abstract:Inrecentyears,withtheaccelerationofglobalclimatechangeandurbanization,extremeweatheroccursfrequentlyinChina.Thephenomenonofcompetitionbetweenpeopleandwaterforlandisincreasinglyaggravated,andthewaterloggingprobleminriverbasinsandcitiesisbecomingmoreandmoreserious.Inthispaper,HarbinsectionofthemainstreamofSonghuaRiveristakenastheresearchobject,startingfromthetheoreticalconceptofmodernnaturaldisasterrisk,theriskofrainstormandfloodisstudiedfromthreeaspects:risk,exposureandvulnerability,andeightevaluationindicatorsareselected:precipitation,elevation,slope,vegetation,populationdensity,landuse,hospitaldistanceandemergencydistance.TheweightofeachindicatorwascalculatedbycombiningtheanalyticHierarchyprocess(AHP).ThefactorindexesareintegratedintotheflooddisasterriskassessmentindexFRDI,andtheriskofrainstormandflooddisasterinthemainstreamofSonghuaRiverinHarbinisquantitativelyevaluated.Basedonthis,theflooddisasterriskzonemapofthemainstreamofSonghuaRiverinHarbinisdrawn,whichprovidesreferenceforfloodcontrolanddisasterreductioninthemainstreamofSonghuaRiver.Key words：mainstreamofSonghuaRiver;flooddisaster;riskevaluation;analytichierarchyprocess(AHP);FRDI收稿日期2022-12-21基金项目黑龙江省重点研发计划指导类项目(GZ20210061)作者简介苑梓晗（2000-），女，黑龙江大兴安岭人，硕士研究生，研究方向为水务管理；刘莹（1980-），女，黑龙江哈尔滨人，副教授。文章编号:1007-7596（2023）05-0001-04DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.044 159 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）0 前 言自然灾害会使得人类社会面临着极大的生命威胁和经济财产损失，而洪涝灾害是全世界发生频次最多、严重影响中国经济发展的自然灾害之一。近年来，随着全球气候变化以及城镇化进程加快，流域及城市洪涝灾害发生概率不断加大，洪涝灾害风险评估作为防洪减灾的基础，具有重要的研究意义1。据历史统计资料显示，暴雨洪涝是东北地区的主要自然灾害。其中，黑龙江省、吉林省、辽宁省洪涝灾害的发生位于全国前列，暴雨洪灾已经严重制约了东北地区的经济社会发展2。而松花江干流正是东北地区暴雨洪灾高发的流域，文章从自然灾害风险理论概念出发，综合考虑暴雨洪涝灾害的发生机制以及应急管理的需要，基于层次分析法（AHP）构建洪涝灾害风险评价指标体系，结合洪涝灾害风险因子 FDRI，得到松花江干流哈尔滨段洪涝灾害风险因子综合分析结果，利用 Arcgis 作出洪涝灾害风险区划图，为该区域暴雨洪涝灾害防灾减灾工作提供了科学指导。1 研究区域概况1.1 研究区域地理位置概况中国境内黑龙江的最大支流是松花江，同时松花江也是中国七大河之一3。松花江流域地处于中国东北部地区偏北，地理位置在 N41 4251 38、E119 52132 31，其地理位置十分优越。松花江流域有南北两个发源地，其中北源位于大兴安岭山脉的分支伊勒呼里山的嫩江，而南源位于吉林省长白山天池境内的第二松花江，两条江在三岔河汇合以后，其再向东流入黑龙江河段，始于扶余终于同江的河段称为松花江干流，总长939km，流域面积 118.6 万 km2。从正源算起，松花江总长度为 1927km，东西长度为 920km，南北宽度为 1070km，其行政区划涵盖黑龙江、辽宁、吉林和内蒙古 4 个省份（自治区），松花江流域水系概况图，见图 1。松花江流域面积广阔，在黑龙江总流域面积184.3万km2中占有30.2%的比例。松花江流域土地地处中国东北黑土地区，是国家的重要工业和农业生产基地，在保障国家粮食安全、生态安全、能源安全、工业安全等方面有着举足轻重的作用。1.2 研究区域自然地理概况松花江流域地处北温带季风气候区，四季更替变化较为分明，流域一般春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季很短雨量并不多，而冬季寒冷干燥且漫长，主要以降雪为主，年内温差变化很明显。流域年径流量高达 762 亿 m3，年平均降雨量约为500mm，从东向部到西北部降水量逐渐降低。年际变化较大且降水量分布不均匀，降水主要发生在68 月份，有时甚至会延长到 9 月份，汛期降水约占全年降水的 70%80%。对于松花江流域来说，其汛情情况被划分为两种：春汛和夏汛，初春季河流开江时的凌汛洪水时间大致就是春汛洪灾易发生的时间，一般是在每年的四、五月份左右，且凌汛洪灾经常伴随着冰坝现象的产生；而夏秋季节的大汛洪水往往发生在 68月份，有时甚至会推迟到 9 月份。同时，整个流域由于部分地区一次暴雨发生洪水的概率比较小，一般都是由地区性洪水汇聚而成。1.3 研究区域历史大洪水灾害概况洪涝灾害是松花江流域众多自然灾害之一。近些年，在全球气候变化及快速城镇化的加持下，“人水争地”的现象愈发明显，松花江流域也不例外，洪涝灾害频发，给人民群众的生命财产安全造成了极大的威胁。历史数据表明，流域的洪水灾害以暴雨为主。松花江流域在 79 月发生洪灾的比例占 80%，即夏季和秋季雨量更加集中，发生洪涝灾害的频率增大4。松花江干流历史大洪水发生年份主要包括1932 年、1957 年、1960 年、1991 年、1998 年和2013 年，其中 1998 年历史大洪水让人记忆犹新，导致松花江干流产生了高达 85.5 亿元的直接经济损失，此次洪水对人民群众的生命财产安全构成了极大的威胁。每一次洪水都给松花江干流带来了相当大的直接经济损失，同时给沿途工农业的生产带来了严重的损失与威胁。因此，为了确保松花江干流可以安全度汛，在暴雨洪水发生之前制定出科学、合理、可行的减灾对策，降低洪涝灾害带来的各方面损失，对流域洪涝灾害风险评估是十分必要的。160 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）图 1 松花江流域水系概况图2 研究方法随着国内外灾害风险理论研究的不断深入，灾害风险理论也日趋完整，不同学者以及研究机构对灾害风险的概念定义不同，定义灾害风险的表达式也不同。风险评估的方法包括历史灾情数据评估法、指标体系评估法、层次分析法（AHP）、情景模拟评估法和遥感 GIS 影像评估法等5。历史灾情数据评估法过程比较简单，但其对历史数据的依赖性很强，需要不断更新和完善以获取准确地历史灾情数据；情景模拟评估法虽然提高了风险评估结果的空间精度，但其对数据的时间尺度和仿真模型要求较高；遥感 GIS 影像评估法虽使得风险评估的结果更加可视化，但对研究区域的某些空间指标及制图精度要求较高；指标体系评估法是洪涝灾害风险评估应用较为普遍的方法，从4个层次分别计算风险值，但不能明确各指标所起作用的差异性；而层次分析法（AHP）通过构建层次模型可以更加明确各个指标之间所起作用的差异性。洪涝灾害风险指的是洪水发生发展时对人民群众、自然环境以及经济社会造损失的可能性，并不是洪涝灾害自身。文章综合国内外灾害风险要素相关理论，按照层次分析法（AHP）建立洪涝灾害风险评估模型，从危险性和易损性两个角度进行展开研究，而易损性又包括脆弱性和暴露性两个方面，构建洪涝灾害风险评价层次体系6。危险性通常是指在特定时间及区域内致灾因子的活动频次与规模、孕灾环境发生潜在破坏的概率，易损性指的是承灾体承受灾害是遭到破坏的能力，即洪涝灾害风险是致灾因子与孕灾环境的危险性和承灾体的暴露性与脆弱性综合作用的结果。根据实际情况建立文章的研究概念框架。2.1 评价层次指标的选取自然灾害风险指若干年内可能达到的灾害程度及其发生的可能性。在对松花江干流哈尔滨段实地考察和对该流域洪涝灾害特性分析的基础上，基于层次分析法（AHP）确定指标权重，根据要求所选取指标的科学性、合理性、系统性、代表性和可行性的原则，将洪涝灾害风险评估这一目标层分为危险性和易损性两个准则层，其中易损性准则层中又分为暴露性、脆弱性两个方面。根据对松花江干流历史大洪水的分析可知，流域洪水灾害的危险性主要是由 68 月的夏秋季暴雨所致；地面高程的高低影响洪水淹没情况；平缓地带更容易被洪水湮没，坡度过大时，若发生洪水更容易滑坡，严重时甚至引起泥石流次生灾害；植被密度以及类型也是一个考量对洪水滞留能力的关键指标；所以选取降水、高程、坡度、植被作为危险性研究指标层。暴露性综合考虑了人口密度以及土地利用程度两个指标层。人口是重要的承灾体因素，人口密度越大因洪水构成的人民群众生命财产安全的威胁越大；而土地利用指标确切的表明了水域、建设用地、林地、耕地以及草地的暴露性高低的具体情况，从而在洪水灾害发生时可以更好的“对症下药”，尽可能将其因暴露度带来的潜在危害降到最低，同时土地利用程度也从侧面表征了研究区域的经济指标。脆弱性则针对防灾减灾能力选取了医院距离和应急距离两个指标。洪涝灾害发生时，医院与受灾区距离的远近直接制约着防汛抢险的效率，也制约着受灾群众的生命健康威胁；应急庇护距离是表征着洪涝灾害发生时应急管理能否顺利实施的关键指标之一。自然灾害是危险性、暴露性及脆弱性共同作用的结果，根据自然灾害风险定义的数学公式，结合洪涝灾害风险评估概念框架，在评价层次指标选取以后，采用层次分析法（AHP）建立暴雨洪涝灾害风险层次结构模型，暴雨洪涝灾害风险层次结构模型图，见图 2。图 2 暴雨洪涝灾害风险层次结构模型图 161 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）2.2 层次分析法理论和方法步骤洪涝灾害风险评估以及区划的关键是评价指标的选取以及指标权重的确定7。目前在灾害风险评价中确定指标权重最广泛应用的方法就是层次分析法（AHP），这是一种利用定量分析和定性分析相结合的，二者是相辅相成，缺一不可制约关系，系统化层次化的分析方法，从而进行系统分析和决策。应用层次分析法解决实际问题，需要将要决策的问题条理化、层次化，整理出阶梯层次结构。采用层次分析（AHP）法一般有以下 2 个步骤：1）构造层次结构模型：将决策问题分解为 3个层次，最上层即为目标层，用来表征解决问的目的；中间层即为准则层，用来表征为了实现目标而采取的方案；最下层为方案层，用来表征解决问题的措施、方案等，各层间的联系用直线表示。2）构造判断矩阵并赋值：建立阶梯层次结构以后，需要将处于上层的某一元素支配的所有元素构造两两比较判断矩阵。关键在于填写判断矩阵，一般经过向相关专家询问，根据判断矩阵的准则，比较出两个元素的重要程度，重要多少，对重要程度进行赋值。文章采用 Saaty 提出的 19 之间的整数及其倒数比例标度法进行重要性量化。重要程度赋值准则详，重要性标度含义表，见表 1。表 1 重要性标度含义表重要性量化值含义（因素 i 比因素 j）1因素 i 与因素 j 同等重要3因素 i 比因素 j 稍微重要5因素 i 比因素 j 明显重要7因素 i 比因素 j 强烈重要9因素 i 比因素 j 极端重要2,4,6,8表示两相邻判断的中间值倒数若因素 i 与因素 j 的重要性之比为 aij，则因素 j 与因素 i 的重要性之比为 aij=1/aij设构造后的判断矩阵为 A=(aij)nn，判断矩阵具有如下性质：aij0；aij=1/aij；aii=1。有上述性质，可知所构造的判断矩阵具有对称性，因此在填写时通常先写对角线均为 1 的元素，然后仅需判断上三角形或下三角形的元素就可以了。当上述理论对判断矩阵均成立时，则称该判断矩阵为一致性矩阵。3）层次单排序计算权向量：层次单排序是指每一个判断矩阵各因素针对其准则层的相对权重，本质上仍是计算权向量。计算权向量有特征根法、幂法、和法、根法等，文章采用和法进行权向量的计算。对于判断矩阵，将其按列归一化近似其相应权重，再对这 n 个列向量求出算数平均值进而最为最后的因素指标权重i。计算出权重的判断矩阵再求出该矩阵最大特征值 max及其对应的特征向量，并对其进行标准化处理标准化后的特征向量就是该层次的指标权值。4）一致性检验：当判断矩阵的阶数 3 时，很可能会出现矩阵计算结果的非一致性，因此需要进行一致性检验。一致性指标：，其中，n 为判断矩阵的阶数。一致性比例：CR=CI/RI，其中，RI 是平均随机一致性指标，根据判断矩阵阶数不同而查表相应得到。当 CR0.1 时，认为判断矩阵不符合一致性要求，需要对该判断矩阵进行相应的修正。2.3 评价层次指标体系权重的确定由图 2 可知，若要计算每个指标的权重，需要建立 4 个判断矩阵，分别是危险性-暴露性-脆弱性矩阵、降水-高程-坡度-植被矩阵、人口密度-土地利用矩阵、医院距离-应急距离矩阵。致灾因子危险性矩阵：降水-高程-坡度-植被判断矩阵特征向量以及一致性检验结果，见表2，其中一致性比例 CR 0.1，说明该矩阵具有较好的一致性；承灾体暴露性矩阵：人口密度-土地利用判断矩阵特征向量以及一致性检验结果，见表3，其中一致性比例 CR 0.1，说明该矩阵具有较好的一致性；承灾体脆弱性矩阵：医院距离-应急距离判断矩阵特征向量以及一致性检验结果，见表4，其中一致性比例 CR 0.1，说明该矩阵具有较好的一致性。对于二阶判断矩阵来说，查平均随机一致性指标 RI 表可知，RI=0。计算出各层次判断矩阵的单层权重后，需要计算同一层次所有因素对最高层次的相对重要性。暴雨洪涝灾害风险评价指标权重值，见表 5，计算出所得权重表示各指标在总评价过程中的重要性，得出暴雨洪涝灾害风险评价指标权重值。162 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）表 2 降水-高程-坡度-植被判断矩阵特征向量以及一致性检验结果危险性降水高程坡度植被指标权重计算结果降水13530.52720788.4max=高程1/31320.2409RI=0.89坡度1/51/3110.1024CI=0.0289植被1/31/2110.1295CR=0.0295表 3 人口密度-土地利用判断矩阵特征向量以及一致性检验结果暴露性人口密度土地利用指标权重计算结果人口密度110.5CR=0土地利用110.50.2max=表 4 医院距离-应急距离判断矩阵特征向量以及一致性检验结果脆弱性医院距离应急距离指标权重计算结果医院距离11/20.3333CR=0应急距离210.66670.2max=表 5 暴雨洪涝灾害风险评价指标权重值目标层准则层权重子准则层权重暴雨洪涝灾害风险危险性暴露性脆弱性0.54990.24020.2098降水0.2899高程0.1325坡度0.0712植被0.0563人口密度0.1201土地利用0.1201医院距离0.1399应急距离0.06993 洪涝灾害风险评价3.1 洪涝灾害风险评价指数（FDRI）暴雨洪涝灾害风险指数 FDRI 是一个综合性的指标，它建立在自然灾害风险理论因子的基础之上的8。文章采用层次分析法（AHP）集成暴雨洪涝灾害风险评估相关指标评价体系，根据暴雨洪涝灾害风险评估框架，文中 FDRI 是由危险性、暴露性以及脆弱性三者共同发挥作用构成的，利用加权平均法计算洪涝灾害风险指数 FDRI，进而直观的表达洪涝灾害风险程度9。VEHWVWEWHFDRI+=（1）式中：FRDI 为暴雨洪涝灾害风险指数，用来表征洪涝灾害风险程度，其值越大，表明洪涝风险灾害越严重；H 为洪涝灾害风险的危险性；E 为洪涝灾害风险的暴露性；V 为洪涝灾害风险的脆弱性；而WH表示危险性权重，WE表示暴露性权重，WV表示脆弱性权重。危险性 H、暴露性 E、脆弱性 V 的计算分别如公式（2）（3）（4）所示。=41iiiHWHH（2）=21iiiEWEE（3）=21iiiVWVV（4）式中：Hi代表第 i 个危险性指标准则（i=1,2,3,4），Ei代表第 i 个暴露性指标准则（i=1,2），Vi代表第i 个脆弱性指标准则（i=1,2）；而 WHi代表第 i 个危险性指标准则权重值，WEi代表第 i 个暴露性指标准则权重值，WV i代表第 i 个脆弱性指标准则权重值。3.2 洪涝灾害风险区划3.2.1 数据来源降水数据来在于国家统计局近五年黑龙江省的降雨量资料，高程以及地表坡度数据来源于地理空间数据云获取得到 DEM 数据，土地利用数据来自2020 年黑龙江省土地利用矢量图，其中植被覆盖率相关数据来源于土地利用现状图进行计算获取，即植被覆盖率为林地草地面积站土地总面积的百分比。人口密度利用黑龙省统计年鉴可以获取到的数据，医院与应急距离则来源于高德地图-距离测算所获取的数据。由于应用了许多空间数据，因此需要用 Arcgis建立缓冲区10，在缓冲区内利用洪涝灾害风险指数FDRI 进行洪涝灾害风险评估，再利用 Arcgis 叠加分析功能，将降水、高程、坡度、植被、人口密度、土地利用、医院距离、应急距离 8 各指标数据利用SQL 语句进行综合分析，得到 FRDI 指标数据集成系统。最后利用加权综合法得出松花江干流哈尔滨段的总的洪涝灾害风险。3.2.2 洪涝灾害风险因子分析结果及风险区划图松花江干流哈尔滨段的洪涝灾害风险评估是各个风险因子综合结果，即洪涝灾害风险区划是建立在危险性、暴露性以及脆弱性分析的基础之上的，因此分析结果是相对的11-13，松花江干流哈尔滨段 163 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）洪涝灾害风险因子综合分析结果，见图 3。由图 3可知 3 个风险因子对该区域的作用情况，也表明了研究区的洪涝灾害风险的暴露性较高，主要原因是该区域人口密度较大，产生人口聚集，“人水争地”现象更为突出，同时也表征该区域土地利用情况，需要增加林地、草地等等绿植来增大洪水的阻碍。危险性次之，主要是该区局降水比较集中，这就增大了洪涝灾害发生的频次。脆弱性较低，表明该区域周围的医疗建设以及应急系统相对比较完善。通过洪涝灾害风险因子分析结果，可为该流域因地制宜的制定防洪减灾对策，为洪涝灾害的应急对策提供参考。对暴雨洪涝灾害风险因子进行耦合得到研究区的风险指数 FDRI，从而进行风险等级的划分，暴雨洪灾害风险等级划分，见表 6。最后利用Arcgis 作出松花江干流哈尔滨段的风险区划图，松花江干流哈尔滨段暴雨洪涝灾害风险区划图，见图4。图 3 松花江干流哈尔滨段洪涝灾害风险因子综合分析结果图 4 松花江干流哈尔滨段暴雨洪涝灾害风险区划图表 6 暴雨洪灾害风险等级划分表FDRI01.01.02.02.03.03.04.04.05.0风险等级低风险较低风险中风险较高风险高风险4 结 论文章根据自然灾害风险理论，通过层次分析法（AHP）构建了多指标的洪涝灾害风险评估模型，对松花江干流哈尔滨段暴雨洪涝灾害风险进行评估，得出了该区域风险区划等级，并利用 Arcgis 生成了风险区划图，对松花江干流流域哈尔滨段暴雨洪灾的风险进行了量化评估。结果表明，研究区的洪涝灾害风险的暴露性较高，危险性次之，脆弱性较低，且大部分区域处于中高风险区。通过洪涝灾害风险因子分析结果以及风险区划图，可为该流域因地制宜的制定防洪减灾对策，为洪涝灾害的应急对策提供参考。参考文献：1 张楚汉,王光谦,李铁键.变化环境下城市暴雨致灾防御对策与建议J.中国科学院院刊,2022,37(08):1126-1131.2 李彦萍,王涛,王玺伟,等.层次分析法支持下的道路洪涝灾害风险评价以武夷山地区为例 J.测绘通报,2022(03):166-170.3 尹雄锐,王晓妮,孟楠.松花江流域大洪水应对措施研究 J.中国防汛抗旱,2021,31(S1):93-95.4 张尧.松花江流域乡镇洪涝灾害韧性评估及提升策略研究 D.长春：吉林师范大学,2021.5 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J.水科学进展,2020,31(05):713-724.6 齐玉亮.松辽流域防汛抗旱减灾体系建设与成就 J.中国防汛抗旱,2019,29(10):80-88.7 黄国如,罗海婉,陈文杰,等.广州东濠涌流域城市洪涝灾害情景模拟与风险评估 J.水科学进展,2019,30(05):643-652.8 程丽丹.层次分析法和 GIS 技术在河南省雷电灾害风险区划中的应用 J.南京信息工程大学学报：自然科学版,2019,11(02):234-240.9 孙殿臣,王慧敏,黄晶,等.鄱阳湖流域城市洪涝灾害风险及土地类型调整策略研究以景德镇市为例 J.长江流域资源与环境,2018,27(12):2856-2866.10 张兴毅,王国梁.基于GIS的江西省洪涝灾害风险区划J.山西师范大学学报：自然科学版,2014,28(04):68-72.11 张立忠,孙兴勃,徐菲,等.松花江流域非常洪水防治措施J.河南科技,2011(16):20.12 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