陳軍飛，陳夢晨，高士佩，許建平，周 沛

(1.河海大學(xué)商學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210098 ；3.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017)

由于全球氣候變化和城市化進(jìn)程不斷加快，城市雨洪災(zāi)害頻發(fā)。城市作為氣候變化影響的重點區(qū)域，持續(xù)的城市開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致城市不透水面積加大，并且城市中相對落后的排水系統(tǒng)建設(shè)，大大削弱了城市自身調(diào)節(jié)和應(yīng)對突發(fā)暴雨洪澇的能力[1-3]。我國許多大城市每遇到暴雨洪水時，都會造成極為嚴(yán)重的災(zāi)害損失，影響城市的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?！?017中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示，2017年全國因洪澇災(zāi)害受災(zāi)人口5 515萬人，因災(zāi)死亡316人、失蹤39人，洪澇災(zāi)害直接損失2 143億元。根據(jù)EM-DAT和Munich RE災(zāi)害數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計，洪澇災(zāi)害造成的損失占到全球災(zāi)害總損失的28%[4]。

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對城市雨洪風(fēng)險評估和管理開展了許多的研究。王海潮等[5]采用SWMM、Infoworks CS和MOUSE的雨洪災(zāi)害模型進(jìn)行雨洪災(zāi)害風(fēng)險評估及對比研究；Fedeski等[6]根據(jù)暴露性、危險性和脆弱性3個風(fēng)險要素構(gòu)建了風(fēng)險評估模型，對英國城市建筑物進(jìn)行了雨洪風(fēng)險評估。Zhang等[7]基于自然災(zāi)害風(fēng)險形成的相關(guān)理論和“3S”技術(shù)(遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng))，以住房為研究對象，用洪水淹沒范圍和深度、災(zāi)害造成損失和房屋暴露性等為研究指標(biāo)，建立了洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估模型。杜志強(qiáng)等[8]基于實時降雨數(shù)據(jù)構(gòu)建城市暴雨型洪澇災(zāi)害的預(yù)警方法；王嘉儀等[9]通過耦合氣象、水文和城市雨洪模型SWMM，模擬了城市暴雨洪水產(chǎn)生過程并進(jìn)行了風(fēng)險分析；王賀等[10]基于最大24 h降雨量、平均淹沒水深、淹沒歷時、受災(zāi)人口率、受災(zāi)面積率和GDP損失率6個指標(biāo)，建立了正態(tài)云模型的極端雨洪下城市洪水風(fēng)險綜合評價模型。

從現(xiàn)有文獻(xiàn)看，目前的研究大多基于水文、氣象模型或傳統(tǒng)的一般評估方法對城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行評估?？紤]到城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險具有模糊性與不確定性，而云模型恰好能夠反映事物的模糊性和隨機(jī)性，可以實現(xiàn)定性概念與定量描述的不確定性轉(zhuǎn)換[11]。另外，雨洪災(zāi)害風(fēng)險要素之間也會存在一定的沖突性，例如城市發(fā)展建設(shè)與降低城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險存在沖突，而物元理論可以將矛盾沖突問題化為相容問題，將看似不相容的問題相容化，并且能將定量分析與定性分析統(tǒng)一起來[12]。因此，筆者將云模型引入物元理論，采用云模型對物元進(jìn)行重新構(gòu)造，對城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行描述、分析及評估，從而建立風(fēng)險評估模型。

從氣象條件來看，南京市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，所以大規(guī)模的降水大部分集中在夏季[13]。同時，南京市城市人口密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。雨洪災(zāi)害頻發(fā)會對南京市造成巨大損失，城市暴雨洪水已成為制約南京城市發(fā)展的重要因素之一。

1 評估模型設(shè)置

1.1 城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系

根據(jù)自然災(zāi)害系統(tǒng)理論，城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險是由致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體三者共同作用而形成的；致災(zāi)因子是指能引起城市雨洪災(zāi)害的外部自然因素；孕災(zāi)環(huán)境是指導(dǎo)致城市雨洪災(zāi)害產(chǎn)生的環(huán)境影響因素，孕災(zāi)環(huán)境是由自然與社會的許多因素相互作用而形成的。承災(zāi)體是指遭受城市雨洪災(zāi)害的對象，不同承災(zāi)體在遭受不同強(qiáng)度的雨洪災(zāi)害風(fēng)險時可能損毀程度和可恢復(fù)程度都不相同；致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體三方面相互影響，相互制約。

首先，南京市處在平原地帶，海拔低，一旦遭遇暴雨極易形成洪澇災(zāi)害；其次，快速的城市化導(dǎo)致城市地表屬性變化，南市地表多為不透水的硬化表面，導(dǎo)致極端暴雨下地表雨水快速匯流；第三，南京市內(nèi)部的排水管網(wǎng)建設(shè)沒有跟上城市的發(fā)展,導(dǎo)致暴雨來臨時城市排澇能力大幅度下降。這些孕災(zāi)環(huán)境大幅度提高了南京市極端雨洪災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度。此外，相同的降雨降到人口密集、工業(yè)發(fā)達(dá)城市，其遭受的風(fēng)險和損失更大，隨著南京市城市化水平加速，人口密度，地均GDP均顯著提高，南京市的雨洪風(fēng)險也越來越大。筆者在結(jié)合南京市的城市社會經(jīng)濟(jì)特征、雨洪災(zāi)害特征和防災(zāi)減災(zāi)情況基礎(chǔ)上，參考已有研究成果及文獻(xiàn)[14-17]，并詢問專家意見，選取了相應(yīng)的風(fēng)險評估指標(biāo)，見表1。

表1 城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險指標(biāo)體系

1.2 評估指標(biāo)權(quán)重確定

采用層次分析法(AHP)與熵權(quán)法進(jìn)行加權(quán)融合的方法計算評估指標(biāo)權(quán)重，在層次分析法的基礎(chǔ)上引入熵權(quán)法，提高了權(quán)重的精確性，這樣不僅考慮了專家組成員的主觀判斷，又能夠減輕個人主觀判斷對所得評估指標(biāo)權(quán)重的影響，可以得到較為準(zhǔn)確的指標(biāo)權(quán)重。AHP-熵權(quán)法計算權(quán)重的思路是首先利用層次分析法計算指標(biāo)的主觀權(quán)重，然后通過信息熵的思想，以指標(biāo)主觀權(quán)重作為屬性矩陣，建立專家自身權(quán)重的熵模型；最后將兩種權(quán)重進(jìn)行加權(quán)融合處理，利用專家自身權(quán)重對指標(biāo)主觀權(quán)重進(jìn)行修正，得到最終的指標(biāo)組合權(quán)重[18-19]。

采用層次分析法計算得到的權(quán)重為指標(biāo)主觀權(quán)重，所給出的指標(biāo)主觀權(quán)重向量為

Wj=(wj1,wj2,…,wjn)T

(1)

采用熵權(quán)法計算得到的權(quán)重為專家自身權(quán)重，m個專家的客觀權(quán)重向量為

S=(S1,S2,…,Sm)T

(2)

最后將指標(biāo)主觀權(quán)重與專家自身權(quán)重進(jìn)行加權(quán)融合，通過式(3)可得到評價指標(biāo)的組合權(quán)重向量W=(w1,w2,…,wn)T。

(3)

通過層次分析法與熵權(quán)法加權(quán)融合所得城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重，如表2所示。

表2 城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重

1.3 評估指標(biāo)分級

參考國家防汛總政治部辦公室編寫的《防汛手冊》以及相關(guān)的防汛救災(zāi)應(yīng)急預(yù)案，并綜合考慮《中國統(tǒng)計年鑒》和《南京市統(tǒng)計年鑒》，以及南京市氣象降雨數(shù)據(jù)，在專家咨詢的基礎(chǔ)上，將評估指標(biāo)體系中的各個指標(biāo)按風(fēng)險劃分為V1,V2,…,V55個等級，見表3。

表3 南京市雨洪災(zāi)害風(fēng)險指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

1.4 風(fēng)險評估模型建立

采用云物元模型對南京市雨洪災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行評估，主要包括以下幾個步驟：

1.4.1 構(gòu)建風(fēng)險評估物元

根據(jù)建立的城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系，將城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險作為總目標(biāo)層，因此評估對象的指標(biāo)層物元可用式(4)表示。

Ri=(Ii,Iim,vim)

(4)

式中：Ii(i=1,2,3)為城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險的一級指標(biāo)層物元；Iim(m=1,2,…,n)為每個一級指標(biāo)層物元所對應(yīng)的二級評估指標(biāo)，而云物元模型的數(shù)字特征主要包括期望Ex(expected value)，熵En(entropy)和超熵He(hyper entropy)。

1.4.2 建立雨洪災(zāi)害風(fēng)險的標(biāo)準(zhǔn)云

云物元模型中雨洪災(zāi)害的風(fēng)險等級是通過云模型替代固定區(qū)間的方式進(jìn)行表示。根據(jù)表3中的指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，通過轉(zhuǎn)換，各風(fēng)險等級可以由一個具有上下限的區(qū)間數(shù)即雙約束指標(biāo)[Cmin,Cmax] 表示，區(qū)間數(shù)轉(zhuǎn)換成云參數(shù)的公式為式(5)與式(6)。

(5)

(6)

根據(jù)式(5)和式(6)轉(zhuǎn)換計算得到的相應(yīng)云參數(shù)，可得南京市雨洪災(zāi)害風(fēng)險相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)云參數(shù)矩陣R。

1.4.3 計算一級指標(biāo)的風(fēng)險隸屬度

根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)云參數(shù)矩陣R，可利用式(7)計算得出各二級指標(biāo)關(guān)于各風(fēng)險等級的隸屬度。通過二級指標(biāo)對各個風(fēng)險等級的隸屬度的加權(quán)可直接得到一級指標(biāo)層物元關(guān)于風(fēng)險等級的隸屬度μ(x)，其計算公式為

(7)

(8)

式中：ωim為第m個指標(biāo)在第i(i=1,2,3)個指標(biāo)層物元中所占的權(quán)重；μk(Iim)為該指標(biāo)所對應(yīng)的k(k=1,2,…,5)個風(fēng)險等級的隸屬度；而μk(Ri)就是指第i個一級指標(biāo)層物元對于各風(fēng)險等級的隸屬度。

1.4.4 風(fēng)險等級的判定

在得到各一級指標(biāo)層物元對于各風(fēng)險等級的隸屬度后，再根據(jù)其權(quán)重進(jìn)行加權(quán)后，就可得到雨洪災(zāi)害的風(fēng)險等級隸屬度，其計算公式為

(9)

式中：ωi為一級指標(biāo)層物元的權(quán)重；μk(Ri)為第i個指標(biāo)層物元對于各風(fēng)險等級的隸屬度；μk(R)(k=1,2,…,5)為南京市雨洪災(zāi)害風(fēng)險等級隸屬度。

最后根據(jù)隸屬度最大的原則對城市雨洪災(zāi)害所屬的風(fēng)險等級進(jìn)行判定，即比較各風(fēng)險等級的隸屬度大小，判斷南京市雨洪災(zāi)害屬于哪一風(fēng)險等級。

2 南京市雨洪災(zāi)害風(fēng)險評估

2.1 風(fēng)險評估計算

南京市大規(guī)模的降水大部分集中在夏季，因此本文選取南京市6—9月的城市雨洪災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險評估研究。根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》《南京市統(tǒng)計年鑒》以及南京市氣象局國家基準(zhǔn)氣候站統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可計算出2011—2016年南京市雨洪災(zāi)害風(fēng)險等級。以2016年南京市城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險等級計算為例進(jìn)行說明，一級指標(biāo)風(fēng)險等級的隸屬度計算結(jié)果見表4。

表4 2016年南京市雨洪災(zāi)害風(fēng)險一級指標(biāo)風(fēng)險等級隸屬度

根據(jù)各一級指標(biāo)的權(quán)重，與表3中的各個風(fēng)險等級的隸屬度進(jìn)行加權(quán)后，可得到2016年南京市各月雨洪災(zāi)害風(fēng)險等級隸屬度：

μk(R)6月=(0.027，0.129，0.084，0.131，0.085) max(μk(R)6月)=0.131

μk(R)7月=(0.027，0.125，0.096，0.131，0.114) max(μk(R)7月)=0.131

μk(R)8月=(0.178，0.194，0.074，0.131，0.085) max(μk(R)8月)=0.194

μk(R)9月=(0.029，0.127，0.210，0.131，0.085) max(μk(R)9月)=0.210

根據(jù)隸屬度最大的原則對風(fēng)險等級進(jìn)行判定，可判斷2016年6月南京市雨洪災(zāi)害風(fēng)險屬于V4等級，2016年7月南京市雨洪災(zāi)害風(fēng)險屬于V4等級，2016年8月南京市雨洪災(zāi)害風(fēng)險屬V2等級，2016年9月南京市雨洪災(zāi)害風(fēng)險屬于V3等級。

同理可以計算2011—2016年南京市6—9月雨洪災(zāi)害風(fēng)險等級，如表5和圖1所示。

表5 2011—2016年南京市各月雨洪災(zāi)害風(fēng)險等級

圖1 2011—2016年南京市各月雨洪災(zāi)害風(fēng)險等級及變化趨勢

2.2 評估結(jié)果分析

a. 從城市雨洪災(zāi)害一級指標(biāo)風(fēng)險等級來看，可以得出南京市孕災(zāi)環(huán)境指標(biāo)處于V4等級，承災(zāi)體指標(biāo)處于V2等級，而致災(zāi)因子指標(biāo)則由于每月的降雨量與降雨持續(xù)時間的不同導(dǎo)致所處的風(fēng)險等級也不同，因此綜合得出的南京市各月的城市雨洪風(fēng)險等級也不相同。

b. 從城市雨洪災(zāi)害各月的風(fēng)險等級來看，2011—2016年南京市7月的風(fēng)險等級相較其他月的風(fēng)險等級高，一直處于V4等級，而9月的風(fēng)險等級較低。主要是由于7月的降雨量和降雨持續(xù)時間要高于其他月份，而到9月之后南京市的降雨逐漸減少，就不易再發(fā)生城市雨洪災(zāi)害。

c. 從城市雨洪災(zāi)害平均風(fēng)險等級的發(fā)展趨勢來看，2012—2016年南京市城市雨洪的風(fēng)險等級在逐漸升高，主要是由于致災(zāi)因子中暴雨持續(xù)時間與短時間降雨量逐年增加，同時承災(zāi)體因子中南京市人口密度和GDP也在快速增長。說明由于氣候變化的影響，導(dǎo)致南京市夏季遭受強(qiáng)降雨的可能性越來越大，同時由于南京城市化進(jìn)程的速度不斷加快，經(jīng)濟(jì)增長和人口激增導(dǎo)致城市的建設(shè)用地及不透水面積逐漸增加，而配套的排水設(shè)施與綠化建設(shè)卻沒有與之發(fā)展匹配，所以南京市遭受城市雨洪風(fēng)險災(zāi)害的可能性也越來越大。

3 南京市雨洪災(zāi)害風(fēng)險管理應(yīng)對策略

根據(jù)南京市2011—2016年城市雨洪風(fēng)險評估結(jié)果，結(jié)合南京市的現(xiàn)有狀況分析，可以從改善排水管網(wǎng)密度，加強(qiáng)雨水蓄存設(shè)施建設(shè)，降低城市不透水面積，加大市政防洪投入和提升城市雨洪應(yīng)急處理能力等方面，提出建議進(jìn)一步降低南京市城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險。

a. 加強(qiáng)南京市排水管網(wǎng)建設(shè)，新建排水設(shè)施，做到排水管線分布均衡合理。通過對南京市雨洪致災(zāi)因子與孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險評估分析可得，由于南京市目前城市排水管網(wǎng)密度過低，導(dǎo)致短時間大量降雨或持續(xù)性降雨會導(dǎo)致雨水不能得到及時排放，容易形成內(nèi)澇，加劇南京市雨洪災(zāi)害風(fēng)險。同時加上南京市部分區(qū)域排水設(shè)施老化，排水管道長期缺乏清理致使其堵塞嚴(yán)重，排污不暢直接導(dǎo)致風(fēng)險等級居高不下。所以可以通過新建排水設(shè)施，清理城市排水管道，同時在城市排水管網(wǎng)建設(shè)中實施雨污分流，這樣可以達(dá)到降低南京市雨洪風(fēng)險等級的目的。

b. 在南京市城建工程中加強(qiáng)雨水蓄存設(shè)施建設(shè)。通過對南京市雨洪致災(zāi)因子風(fēng)險評估結(jié)果分析可得，24 h內(nèi)大規(guī)模降雨會導(dǎo)致南京市雨洪風(fēng)險大大提升，特別是在市內(nèi)、外排水薄弱地段或繁華地區(qū)，因此需要雨水蓄存設(shè)施以臨時蓄存暴雨積水，防止內(nèi)澇。同時由于目前南京現(xiàn)有蓄水防洪工程基礎(chǔ)薄弱，迫切需要完善建設(shè)，所以可以在南京市各易澇區(qū)域建設(shè)以雨水蓄存設(shè)施與合理排水設(shè)施相結(jié)合的城市防洪體系，有效防止城市地面暴雨積水，以降低南京市雨洪風(fēng)險等級。

c. 加強(qiáng)南京市綠化建設(shè)，建設(shè)城市透水性路面街道。由南京市雨洪孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險評估分析可得，由于南京市地表不透水的硬化表面占比面積很大，造成極端暴雨下雨水匯流的時間大大縮短，很容易造成城市地面積水，增大了南京市雨洪災(zāi)害風(fēng)險。因此，可以通過推進(jìn)城市綠地建設(shè)和透水性路面街道，綠色植被可以吸收和消納城市雨水，透水性路面街道可以加大暴雨的滲透量，減少徑流，并為蓄滯周邊區(qū)域雨水提供空間[20]。

d. 加大市政防洪投入。在南京市雨洪承災(zāi)體因子風(fēng)險評估分析中可以看出，市政防洪投入越多，城市遭遇雨洪風(fēng)險可能性越低，雨洪災(zāi)害造成的損失也會越低。因此建議南京市可以采用加大市政防洪投入來降低承災(zāi)體的風(fēng)險等級，提高城市建設(shè)維護(hù)資金、土地出讓收益、城市防洪經(jīng)費(fèi)等經(jīng)費(fèi)中用于城市防洪排澇設(shè)施改造、建設(shè)和維護(hù)資金的比例[21]，這樣就能夠有效降低南京市雨洪風(fēng)險等級。

e. 提升城市雨洪應(yīng)急處理能力。城市雨洪應(yīng)急處理能力作為承災(zāi)體因子中的重要部分，從評估結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，通過提升雨洪應(yīng)急處理能力能有效降低城市雨洪風(fēng)險等級。南京市現(xiàn)有防洪排澇設(shè)施功能單一，且存在不同程度的安全風(fēng)險，同時堤防、閘泵存在滲漏、失穩(wěn)等安全隱患。因此建議進(jìn)一步細(xì)化完善防汛排澇、工程搶險應(yīng)急預(yù)案，按照預(yù)案需求足量配置應(yīng)急物資、設(shè)備，避免因雨洪災(zāi)害造成重大損失；用于城市排水管網(wǎng)疏通、抽水設(shè)備保養(yǎng)、應(yīng)急設(shè)備等的費(fèi)用應(yīng)當(dāng)實行嚴(yán)格的監(jiān)督審計，檢查確保各種排水防澇設(shè)施處于良好狀態(tài)，排除安全隱患。

4 結(jié) 論

a. 針對南京市2011—2016年城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險，建立云物元模型進(jìn)行分析評估。研究發(fā)現(xiàn)：南京市夏季城市雨洪風(fēng)險都處在較高的等級，同時，南京市城市雨洪風(fēng)險平均等級有升高的趨勢，說明南京市遭受高風(fēng)險等級的雨洪災(zāi)害的可能性也在逐年增加。該評估結(jié)果可為南京市加強(qiáng)雨洪災(zāi)害防范與管理提供參考。

b. 針對城市雨洪災(zāi)害具有模糊性與不確定性，且雨洪災(zāi)害風(fēng)險評估存在一定的矛盾沖突性，因此將云模型與物元分析方法相結(jié)合。通過對南京市的城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險評估，表明云物元模型可以準(zhǔn)確有效地計算得出城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險等級，與南京市實際情況吻合。

c. 針對所得的南京市城市雨洪災(zāi)害評估結(jié)果，從改善排水管網(wǎng)密度、加強(qiáng)雨水蓄存設(shè)施建設(shè)、降低城市不透水面積、加大市政防洪投入和提升城市雨洪應(yīng)急處理能力等方面提出改進(jìn)應(yīng)對策略，以達(dá)到降低城市雨洪災(zāi)害風(fēng)險的目的。