广东省热带气旋、雨涝灾害和地质灾害生态风险评价(Ⅰ)

刘希林 ，陈荟竹

1. 中山大学地理科学与规划学院，广东 广州 510275；2. 广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室，广东 广州 510275

“多灾种”最早出现在《21世纪议程》中，被认为是灾害多发区风险管理的重要内容之一（UNEP，1992）。在全球气候变化和人类工程活动的影响下，当今世界自然灾害频发，导致一个区域往往受多种灾害的共同作用，形成复杂的灾害系统（史培军等，2014）。灾害的群聚性和群发性及其链式效应和连锁反应，无疑会加重灾害的后果，使得灾害损失进一步加大（余瀚等，2014）。因此，“单灾种”风险评价已不足以全面反映整个区域的灾害风险水平，综合多灾种的区域灾害风险评价是管理者进行综合防灾减灾规划的重要决策依据，也是自然灾害风险研究的发展方向之一。

近年来，有关自然灾害多灾种研究引起了国内外学者的关注并取得了显著进展（Kappes et al.，2010；明晓东等，2013）。王静爱等（1994）在102种自然灾害致灾因子分布图的基础上，以县级行政区为基本单元，绘制出中国自然灾害致灾因子多度、相对强度和被灾指数图，是国内早期多灾种综合研究的经典之作。史培军（2011）选取中国 12种主要自然灾害，完成了基于县域单元的中国自然灾害多灾种综合风险制图。虽然不同学者对多灾种风险的理解与评价方法各有不同，但总体而言，多灾种风险评价的理念是建立在灾害的群发性和灾害链基础之上的，多灾种风险评价的方法是建立在单灾种风险评价结果之上的。因此，本文以广东省为研究区域，研究省内主要自然灾害且具链式效应和全域性的灾害类型，并进行自然灾害综合生态风险评价及其生态风险区划研究。

生态风险是指由于不确定的危害事件可能给生态系统及其组分带来的负面后果。生态风险评价是对这种负面后果产生的可能性和程度的分析和评判。生态风险评价的终点可以是生态系统某一组分受外界胁迫后产生的不良变化，也可以是整个生态系统的结构和功能受到的负面影响。生态风险评价涉及的危害事件可以是人为因素造成的，也可以是自然因素造成的。目前在生态风险评价领域，较多成果集中在各地区点源和面源重金属污染分布及其对生态环境的影响（王明仕等，2017；孟国欣，2017；田华等，2018；杨期勇等，2018），也有针对地表水抗生素分布特征及其对生态环境影响的研究（汪涛等，2016；赵腾辉等，2016；周志洪等，2017），还有基于人口、经济、社会和环境等方面以及从资源、环境、人口和经济社会等方面选取指标，专门针对珠江三角洲城市群灾害易损性和生态安全进行评价的研究（唐波等，2013；胡志仁等，2018）。然而，有关自然灾害对生态环境的破坏及其造成的生态功能退化的生态风险研究鲜有报道，亟待加强。

区域尺度上的生态风险评价具有多风险源和多受体的特点。在区域内部，风险源和风险受体还具有空间异质性。因此，区域自然灾害综合生态风险的研究更为复杂。然而，自然灾害对生态环境的破坏有时往往是致命的，可能在短时间内造成高额的生态资产损失。所以我们不仅需要关注人类活动主导的胁迫类型包括化学污染（刘孟兰等，2007）、尾矿弃渣（常青等，2013）和旅游开发（钟林生等，2014）等给生态系统及其组分带来的损毁，也要特别重视自然灾害对生态环境造成的危害。自然灾害生态风险评价，将生态系统安全与灾害风险管理联系起来，探究自然灾害对生态环境的影响。这样的研究，对生态系统的健康、人类社会的安全和福祉，无疑具有重要的科学价值和现实意义。

广东省自然资源丰富、人口高度聚集、经济高度发达，位于南岭以南、南海之滨，以热带和亚热带季风气候为主，是光、热和水资源最为丰富的省份。全省陆地面积约17.58×104km2，以林地和耕地为主，沿海地区还有面积宽广和类型丰富的湿地资源。常住人口11169万，人口数量和全省GDP总量均居全国首位，是中国第一人口和经济大省，也是自1979年改革开放40年来，中国东南沿海经济发展最快、人口和财富最为集中的省份。然而，台风及其引发的暴雨洪涝和地质灾害，呈现出“台风—暴雨—洪涝—崩塌、滑坡、泥石流”的灾害链式反应（王静爱等，2012）。因此，在广东省经济社会高速发展的同时，也开始进入一个经济和人口高增长以及自然灾害高风险并存的时期。历史上，广东记载的各类自然灾害共计40余种，主要有台风、暴雨、洪水、风暴潮和干旱灾害等。据史料记载，广东省水灾记录最早始于东晋武帝太元八年（公元383年），台风记录始于唐德宗贞元十四年（公元798年）。从16世纪至19世纪中叶灾害记录相对完整的450年间，广东台风共计693次，洪水发生405次。1949年新中国成立后，每年依然有台风、洪水和地质灾害发生。据 1980—1999年不完全统计，广东省自然灾害造成的经济损失总额约为1200亿元，以热带气旋（包括台风）和雨涝灾害所致的经济损失最大，1990—1999年间，平均每年因台风灾害造成的经济损失约为 60亿元，部分年份的强台风可造成100亿元甚至200亿元以上的经济损失。暴雨洪涝灾害与相伴而生的地质灾害、水土流失、海洋灾害等，在上世纪 90年代造成的年均经济损失也达4～8亿元（《广东省志》编纂委员会，2014）。地质灾害造成的经济损失虽然占比较低，但发生频率较高，尤其是在台风和暴雨灾情较重的2013年，发生地质灾害（崩塌、滑坡、泥石流）共计 1502起（《广东省防灾减灾年鉴》编纂委员会，2005—2010）。本研究结合广东省自然灾害影响范围、灾害损失、发生频率，以及灾害数据的可获得性，选取热带气旋、雨涝灾害和地质灾害作为代表性风险源，进行全省范围内3种主要自然灾害的生态风险评价。

危险性评价是前提，易损性评价是基础，风险评价是结果。危险是指由于灾害而遭受损失的可能性，危险性和危险度分别是危险的定性和定量表达。自然灾害危险性是灾害本身的固有特性，与具体的危害对象或防灾抗灾工程无关（刘希林等，1995）。区域自然灾害危险性评价需要在统计历史灾害发生的数量、强度、灾情等数据基础上，结合灾害的成灾机制和当地的孕灾环境进行综合分析，从而确定该地区发生某种自然灾害事件的可能性。本文旨在分析广东省主要自然灾害的发生概率、影响范围、破坏程度，阐明热带气旋、雨涝灾害和地质灾害的危险性及其空间分布规律，为3种主要自然灾害的生态风险评价提供基础。

1 自然灾害危险性评价

1.1 数据来源

研究所用的基础数据包括统计数据、观测数据、栅格数据和矢量数据（表1）。

1.2 评价方法

1.2.1 热带气旋危险性评价方法

热带气旋带来的破坏主要源于与之相伴而生的狂风和暴雨，由于大风和降雨之间的关系在热带气旋发生发展过程中相当复杂，所以在讨论热带气旋时主要考虑大风的影响，热带气旋暴雨所致的影响可以归属于雨涝灾害（张继权等，2007）。因此，根据热带气旋的定义以及气象学对 17级风力等级的划分，风力7级为疾风，中心风力7级以上称之为热带气旋；风力10级为狂风，中心风力10级以上称之为强热带风暴。点绘 2005—2015年影响广东省的热带气旋路径（图1），采用邓睿（2014）提出的风圈半径模型，参照中央气象台网站采用的 7级和 10级风圈半径表征热带气旋的影响范围，本研究亦选取疾风和狂风两个风力等级，运用ArcGIS中的缓冲区功能重建热带气旋的影响范围。

表1 基础数据及来源Table 1 Basic data and sources

7级风圈半径模型为：

10级风圈半径模型为：

式中，y为热带气旋风圈半径（km）；x为热带气旋中心最大风速（m·s-1）。

以1 km×1 km为栅格单元，利用ArcGIS的空间连接功能，分别统计每个栅格在热带气旋作用期间受7级和10级以上大风的影响次数，对不同强度的大风作用频次进行加权求和，参照高庆华（2005）气象灾害灾变指数计算公式，计算热带气旋灾变指数：

式中，ZT(b)为热带气旋灾变指数；N1、N2分别为7级风圈、10级风圈作用频次；大风的破坏力源于动能，基于动能原理（质量m的运动物质的能量E与其运动速度v的平方成正比：E=½mv2），强度系数d1、d2根据7级、10级大风的风速平方比分别取值1、3。

1.2.2 雨涝灾害危险性评价方法

由暴雨引起的涝灾可以用日降雨量来表征其强度。通过对2005—2015年广东省37个基准、基本气象站日降雨量数据采用普通克里金法进行空间插值，并以1 km×1 km为栅格进行重分类，根据日降雨量将雨涝灾害分为轻涝（50～99 mm）、中涝（100～200 mm）和重涝（＞200 mm）3个等级，统计每个栅格内各等级雨涝灾害的出现频次，由此计算雨涝灾害灾变指数（国家科委国家计委国家经贸委自然灾害综合研究组，1998）：

式中，ZY(b)为雨涝灾害灾变指数；N1、N2、N3分别为轻涝、中涝、重涝出现频次；强度系数k1、k2、k3根据雨涝等级划分中各等级临界值50、100、200 mm的比值分别取值1、2、4。

1.2.3 地质灾害危险性评价方法

信息量法（一种从信息理论引出的统计预测方法）已被广泛应用于地质灾害的空间预测研究。信息量法通过研究区地质地理环境信息，将实际值转化为反映地质体稳定性的信息量值，用信息量值来表征地质体变形破坏的程度。由此通过指标的信息量值可以度量其在地质灾害发生中的贡献率，即用信息量绝对值大小来评价影响因素的状态与地质灾害发生可能性的关系。信息量法计算方法为（李铁峰，1997）：

式中，Ni为分布在评价因子xi内含地质灾害点的栅格单元数；N为研究区含地质灾害分布点的栅格单元总数；Si为研究区含评价因子xi的栅格单元数；S为研究区栅格单元的总数；i为评价因子的类别。

单个栅格单元内的总信息量为各评价因子信息量的总和：

式中，I为某栅格单元内的总信息量；n为评价因子数量；其他变量同式（5）。

本研究采用的广东省地质灾害编目数据共计1631个灾害点（包括崩塌、滑坡和泥石流）。运用ArcGIS中子集提取功能，随机选取90%（共计1468个）灾害点作为训练样本参与信息量模型的统计，其余10%（共计163个）灾害点作为测试样本用于危险性评价结果的验证（图2）。

图2 广东省地质灾害点分布图Fig. 2 Distribution of geological disasters in Guangdong Province

基于地质灾害的形成规律，参考广东省地质灾害空间分布特征以及危险性评价实践成果（兰恒星等，2002；郭芳芳等，2008；程维明等，2009；赵艳南等，2010；韩海辉等，2012；杨德宏等，2015；田春山等，2016），从地理环境、地质构造和人类活动 3个方面，分别选取高程（Elavation）、坡度（Slope）、地形起伏度（Relief）、降雨量变差系数（Rainfall variation coefficient）、距航道距离（Distance from waterway）、植被覆盖指数（NDVI）、地质年代（Geological age）、距断层距离（Distance from fault）、距城镇距离（Distance from town）、距公路距离（Distance from highway）共10个指标进行地质灾害危险性评价（图3）。

图3 广东省地质灾害危险性评价指标Fig. 3 Hazard assessment factors of geological disasters in Guangdong Province

各指标图层均以1 km×1 km栅格为评价单元，其中高程、坡度和地形起伏度基于广东省数字高程模型（DEM）数据计算获取，降雨量变差系数基于月降雨量计算并通过区域内空间插值获取，距航道、断层、城镇和公路距离通过 ArcGIS的邻域分析功能获取，其中距城镇距离中的城镇数据由土地利用类型图提取。

1.2.4 多灾种综合评价方法

热带气旋、雨涝灾害和地质灾害三者之间存在灾害链关系。热带气旋带来狂风暴雨，暴雨是洪涝灾害的直接原因，强降雨又触发地质灾害发生，三者叠加往往对区域生态环境造成更加严重的影响。因此，采用加权求和方式，计算广东省热带气旋、雨涝灾害和地质灾害综合危险度是合理可行的。

根据《广东省防灾减灾年鉴》（2005—2015）的灾情记录，计算可得广东省3类主要自然灾害历年经济损失及其单次平均损失（表2）。由表2可知，热带气旋单次平均经济损失为27.04亿元，雨涝灾害单次平均经济损失为8.11亿元，地质灾害单次平均经济损失为0.01亿元。参照中国自然灾害灾度分级方案（国家科委国家计委国家经贸委自然灾害综合研究组，1993），可得热带气旋、雨涝灾害和地质灾害对应的灾度等级分别为Ⅱ级（直接经济损失10～100亿元）、Ⅲ级（直接经济损失1～10亿元）、Ⅴ级（直接经济损失≤0.1亿元），相应地其灾害损失由大到小。据此，分别对3类灾害损失强度赋值为 4、3、1，归一化处理后得到热带气旋、雨涝灾害、地质灾害的权重分别为0.5、0.375、0.125。归一化乃数据处理的常用方法，其目的是使一系列数据中的最大值转化为 1，最小值转化为 0，其余数据介于0～1之间。归一化可使不同取值范围和不同计量单位的各列数据具有可比性。极差变换是常用的归一化方法之一。

表2 2005—2015广东省主要自然灾害发生频次与经济损失Table 2 Occurrence numbers and economic losses of three natural disasters in Guangdong Province during 2005—2015

自然灾害综合危险度采用各灾种危险度加权求和法，计算公式为：

式中，HNC为自然灾害综合危险度；HTC为热带气旋危险度；HRW为雨涝灾害危险度；HGD为地质灾害危险度。危险度取值介于0～1之间。

2 危险性评价结果

2.1 热带气旋危险性评价结果

由式（3）计算每个1 km×1 km栅格的热带气旋灾变指数，全省共计175756个评价单元，得到热带气旋灾变指数，如图4(a)所示。将灾变指数进行归一化处理，采用基于数据集本身特性的ArcGIS自然断点法，将归一化后的热带气旋灾变指数划分为5级，得到广东省热带气旋危险度分区图，如图4(b)所示。

由图4可知，广东省热带气旋危险度等值线近似平行，危险度等级分区呈平整规则的条带状，由沿海至内陆逐渐从高危险区过渡至低危险区。沿海地区处于热带气旋的高危险区，与影响和登陆广东沿海的热带气旋次数和作用强度是密切相关的。

2.2 雨涝灾害危险性评价结果

根据式（4）计算每个1 km×1 km栅格的雨涝灾害灾变指数，全省共计约175756个评价单元，得到雨涝灾害灾变指数，结果如图5(a)所示。将灾变指数归一化处理，采用基于数据集本身特性的ArcGIS自然断点法，将归一化后的雨涝灾害灾变指数划分为5级，得到广东省雨涝灾害危险度分区图，如图5(b)所示。

图4 广东省热带气旋灾害危险性空间分异Fig. 4 Spatial differentiation of tropical cyclone hazard in Guangdong Province

图5 广东省雨涝灾害危险性空间分异Fig. 5 Spatial differentiation of rainstorm waterlogging hazard in Guangdong Province

广东省雨涝灾害危险度总体空间格局为沿海高于内陆。沿海西南部地区危险度高于东北部地区，内陆中部地区高于东、西部地区。雨涝灾害危险度的空间分布与热带气旋有相似之处，尤其是沿海地区，受海洋性气候和台风暴雨影响，危险度分区界线与海岸线近似平行。在内陆地区，由于复杂地形的影响，雨涝灾害危险度等值线平行于海岸线的分布规律被干扰，并且呈现出南北中间高、东西两侧低的特点。

2.3 地质灾害危险性评价结果及其检验

将地质灾害各评价因子图层与地质灾害分布点图层叠加，通过 ArcGIS求取每个因子各类别的信息量（表3）。信息量值越大，越有利于地质灾害发生。结果表明，广东省易于发生地质灾害的环境条件为：高程200～400 m，坡度10°～20°，地形起伏度75～300 m，降雨变差系数0.37～0.39，植被覆盖指数0.63～0.72，地层为志留系，距断层距离小于3 km，距城镇距离100～300 m，距公路距离小于500 m。总体而言，地层年代越古老、地形起伏越明显、降雨变率越大且受人类活动影响越严重的地区，越容易导致地质灾害的发生。

表3 广东省地质灾害危险性评价因子信息量值Table 3 Information content values of hazard assessment for geological disasters in Guangdong Province

将 10个评价因子图层的信息量叠加后进行归一化处理，计算每个1 km×1 km栅格的地质灾害危险度，全省共计约175756个评价单元，得到地质灾害危险度，结果如图6(a)所示。采用基于数据集本身特性的ArcGIS自然断点法，将危险度划分为5级，得到广东省地质灾害危险度分区图，如图6(b)所示。

广东省地质灾害高危险区主要分布在以梅州市为中心的东北地区和以肇庆南部为代表的粤西地区，低危险区主要位于雷州半岛和珠江三角洲平原，东部沿海地区也有较大面积的低危险区分布。地质灾害低危险区地势低平，降雨变率较小，且地层年代较新，岩石风化程度较弱，物质基础与诱发条件相对缺乏，较不易于地质灾害的发生。

地质灾害危险性评价结果的合理性可以通过实际发生的地质灾害在危险度等级分区图中的分布状况来检验。以未参与信息量统计的163个地质灾害点（占总数10%）进行危险性评价结果的合理性检验（表4）。首先计算各等级危险区的面积百分比（Gi）以及地质灾害点落在各等级危险区内的百分比（Si），然后计算两者的比值Ri。通过合理性检验的地质灾害危险性评价结果应该符合 RⅠ＜RⅡ＜RⅢ＜RⅣ＜RⅤ的要求。检验结果表明，基于信息量法的广东省地质灾害危险性评价结果是合理的。

2.4 热带气旋、雨涝灾害和地质灾害综合危险性评价结果

将热带气旋灾变指数、雨涝灾害灾变指数和地质灾害危险度值进行加权求和，计算每个 1 km×1 km栅格的热带气旋、雨涝灾害和地质灾害综合危险度，全省共计约175756个评价单元，得到广东省热带气旋、雨涝灾害和地质灾害综合危险度图，如图7(a)所示。采用基于数据集本身特性的ArcGIS自然断点法，将综合危险度分为5级，得到广东省主要自然灾害危险度分区图，如图7(b)所示。

上述3种自然灾害中，热带气旋在广东省造成的灾害损失最为严重，综合危险度计算中所占权重也最大，因此综合危险度分区的空间格局与热带气旋危险度的空间分布非常相似，呈现出从沿海向内陆逐渐递减的态势，综合危险度分区界线与海岸线也近似平行。尽管如此，由于受雨涝灾害和地质灾害的影响，综合危险度分区界线的平行程度不如热带气旋的整齐，不同等级综合危险区界线呈现出不规则的条带状沿海岸线向内陆排列的分布格局。

3 结论

图6 广东省地质灾害危险性空间分异Fig. 6 Spatial differentiation of geological disaster hazard in Guangdong Province

表4 广东省地质灾害危险度分区检验结果Table 4 Verification results of geological disaster zones in Guangdong Province

图7 广东省自然灾害综合危险性空间分异Fig. 7 Spatial differentiation of comprehensive hazard of natural disasters in Guangdong Province

本文以1 km×1 km栅格为评价单元，在广东省共计175756个评价单元基础上，基于风圈半径计算出热带气旋的灾变指数和日降雨量，划分出雨涝灾害等级，进而计算出雨涝灾害的灾变指数，同时采用信息量法计算出地质灾害危险度，在GIS技术支持下，分别得出了热带气旋、雨涝灾害和地质灾害危险度及其空间分布规律。采用加权求和法，对广东省热带气旋、雨涝灾害和地质灾害进行综合危险度评价，得出了广东省3种主要自然灾害综合危险度及其危险区划。主要结论如下：

（1）热带气旋是广东省自然灾害危险度等级最高的灾害类型，其次为雨涝灾害，再次为地质灾害（崩塌、滑坡、泥石流）。热带气旋和雨涝灾害危险度分区呈明显的条带状，两种灾害危险度空间分布整体上呈现出危险度等级自沿海向内陆逐渐降低，高危险区集中分布于西南沿海地区的态势。

（2）地质灾害危险度空间分布呈块状泛生状，高危险区集中分布于内陆低山丘陵区，粤东北和粤西地质灾害危险度等级较高，东南沿海地区、珠江三角洲和粤东地区地势平缓，危险度以中、低等级为主。

（3）受热带气旋和雨涝灾害主控，广东省 3种自然灾害综合危险度分区依然表现为不规则的条带状沿海岸线分布的特征，综合危险度分区等级仍然由东南沿海向西北内陆逐渐降低。地质灾害危险度等级空间分布格局虽然呈现块状泛生型，但其成灾机制往往是热带气旋和雨涝灾害的链式反应和结果。热带气旋带来的大风在其登陆后有所减弱，但其带来的暴雨仍然大范围地影响内陆地区，强降雨可在山地丘陵区引发崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害。“热带气旋—雨涝灾害—地质灾害”链式效应使广东省自然灾害具有泛生性与群发性。因此，多灾种综合评价是广东省自然灾害防御的依据。