基于AHP和GIS的广西岩溶内涝灾害风险区划研究

罗日洪，黄锦林

(广东省水利水电科学研究院，广东省山洪灾害防治工程技术研究中心，广东 广州 510635)

广西境内岩溶地貌分布广泛，集中连片分布于区内西南、西北、中部和东北区，面积9.87万km2，约占土地总面积的41.2%。岩溶内涝灾害是岩溶地区特有的，是一种与岩溶生态环境和人类活动密切相关的灾害类型[1]，一般发生于岩溶峰丛洼地和峰林谷地中。岩溶内涝灾害主要是由于汛期地下河因当地暴雨增大流量，受岩溶管道断面所限，使其排泄受阻，地下水位迅速上升，通过岩溶洼地或谷地中的天窗、落水洞溢出，从而淹没了洼地中的农田、村镇和公共基础设施[2]。广西易涝区约70%散布在岩溶石山区，区内岩溶内涝灾害具有范围大、频次高的特点，对当地居民、农业生产和经济的可持续发展危害极大[3]。因此，基于岩溶内涝灾害发生机理，研究广西不同地区岩溶内涝灾害发生的风险,为岩溶内涝灾害防治提供科学支撑是十分必要的。

国内学者对岩溶内涝灾害成因研究比较深入，主要从降雨、地形地貌、人类活动等3大方面对其形成机制进行剖析[3-5]，但对岩溶内涝灾害风险的研究较为缺乏。岩溶内涝灾害风险是指在岩溶多重介质环境中可能发生的灾害事件及其破坏损失[6]。为加强对岩溶内涝灾害的防御和治理，加深风险意识，国内学者以岩溶内涝灾害成因研究为基础，对岩溶内涝灾害风险开展研究。由于岩溶内涝灾害的复杂性，目前相关研究还处于起步阶段。郭纯青等[6]对岩溶浸没内涝灾害的风险评估方法进行了探讨，用系统原理指导灾害识别，进行危险性分析，开展易损性评估，构建灾害风险综合评价体系；曾家俊等[7]利用基于GIS技术和层次分析法的灾害风险评价模型对广西德保县岩溶内涝灾害进行风险评价。但在中大尺度岩溶内涝风险评估中，由于受到数据和大尺度模型方法的限制，则更倾向于从灾害风险系统角度结合较为成熟的地理信息系统(GIS)方法进行评估，以构建准确可靠的岩溶内涝风险图。因此，本文先构建岩溶内涝风险评估模型，运用层次分析法将复杂的岩溶内涝灾害风险评估问题进行分解，利用GIS空间分析功能，研究各指标空间分布特征及相互关系，得到岩溶内涝灾害的风险分布图。最后，根据其结果进行风险区划，进而为岩溶内涝灾害防治提供科学依据。

1 构建风险评估模型

风险评估包括对风险物质的、社会的、经济的、环境的原因和结果进行具体的定性和定量分析。联合国国际减灾署(ISDR)2004年给出了自然灾害风险评价分析的定义，分析可能造成破坏的潜在致灾因子、评估各类承灾体的易损性、判断风险性质和范围的综合方法，并提出自然灾害风险的概念公式如下[8]：

Risk(风险性)=Hazard(危险性)×Vulnerability(易损性)

(1)

在实践中，公式(1)中危险性和易损性的相乘一般采用对二者的加权叠加来代替[9-10]。即：

R=WHH+WVV

(2)

式中，WH—危险性权重；WV—易损性权重。

该公式是目前国际上主流的自然灾害风险评估方法，认为灾害风险是危险性和社会经济易损性的共同结果，危险分析主要针对引发灾害的致灾因子以及为灾害提供条件的孕灾环境等自然属性；而易损性分析则是针对灾害的承灾体即社会属性。岩溶内涝灾害评估模型按照该公式进行构建，并适当考虑危险性和易损性在岩溶内涝灾害风险评估中的重要程度，赋予不同权重，危险性H和易损性V分别为：

H=WH1H1+WH2H2+…+WHnHn

(3)

V=WV1V1+Wv2V2+…+WVnVn

(4)

式中，WH1、WH2，…、WHn—危险性指标对应的权重；WV1、WV2，…、WVn—易损性指标对应的权重。

2 建立风险评估指标体系

2.1 指标选取及数据来源

广西岩溶内涝主要由历时较长的暴雨引发的，下垫面因素以地形起伏度、坡度、岩性等因素对岩溶内涝危险性影响最大，故主要考虑最大3d降雨量、地形起伏度、坡度、岩性、地下水埋深、地下水径流模数6个自然属性指标来进行岩溶内涝发生的危险性评价。易损性采用人口空间分布、土地利用类型、GDP 空间分布3个具有典型社会经济属性的因素作为岩溶内涝灾害易损性评价指标，以上指标数据来源情况见表1。

表1 指标数据来源

2.2 指标分析和处理

各个指标的分析及处理情况见表2。

表2 指标分析及处理情况

根据上述处理得到的危险性和易损性指标对岩溶内涝灾害影响是正面还是负面的，可通过式(5)或式(6)进行归一化。

(5)

(6)

式中，x—危险性或易损性指标的原始数据；xmin—危险性或易损性指标数据中的最小值；xmax—危险性或易损性指标数据中的最大值。

归一化处理后各指标图层如图1所示。

图1 归一化指标图

2.3 建立指标层次结构

由于岩溶内涝风险评估是一个系统化、层次化的复杂决策分析问题，层次结构如图2所示。

图2 岩溶内涝灾害风险评估层次图

3 指标赋权分析

3.1 层次分析法

根据岩溶内涝灾害风险评估问题的层析性，可以采用层次分析法(AHP法)计算各个层次指标的权重。采用1—9标度法根据专家意见和经验对指标进行比较判断定量化，规定要素i和要素j两两比较的结果1、3、5、7、9分别代表同样重要、稍微重要、较强重要、强烈重要、绝对重要，而2、4、6、8表示上述两判断级之间的折衷值。步骤如下：

(1)构建判断矩阵A。矩阵A中的元素满足：

(7)

(2)采用“和法”求矩阵A的特征值(权重)

将判断矩阵A按列归一化(即列元素之和为1)：bij=aij/∑aij。

将归一化的矩阵按行求和：ci=∑bij，(i=1，2，…，n)。

将ci归一化，得到特征向量W=(w1，w2，…，wn)T，wi=ci/∑ci。

W即为权重向量。最后还需对权重向量进行一致性检验。

3.2 指标权重计算

按照以上AHP法计算权重的步骤，得到各层次指标的权重，见表3。

表3 岩溶内涝灾害风险评估指标权重

4 岩溶内涝灾害风险评估与区划

4.1 风险评估

按照公式(2)—(4)以及表3的权重结果，对相应的图层进行加权叠加，得到广西岩溶内涝灾害危险性图、易损性图以及风险图，如图3—5所示。从危险性图可以看出，岩溶内涝灾害次高、高危险区主要分布在桂中、桂西以及桂东北等地区；从易损性图可以看到，岩溶内涝灾害易损性主要集中于南宁、柳州、桂林、贵港、贺州等局部地区。其中为了验证危险性图的准确性，将文献[15]中所调查的84个岩溶易涝区叠加到危险性图中，其中有68个均位于次高、高危险性区域，达81.0%。

图3 岩溶内涝灾害危险性分布图

图4 岩溶内涝灾害易损性分布图

图5 岩溶内涝灾害风险分布图

为了更清晰地看到岩溶内涝灾害次高、高风险区的分布情况，将县(区)界叠加到风险区图中，结合文献[11]溶洼系统结构分类划分，结果可以看到广西岩溶内涝灾害风险区主要分布于桂西南低峰丛洼地、桂西南高峰丛洼地、桂西北低峰丛洼地、桂中低峰丛洼地、桂中峰簇洼地以及桂东北峰簇洼地和低峰丛洼地。

4.2 风险区划

为了便于管理部门对岩溶内涝灾害进行管理，能开展相应的防治工作，将风险分布图按区(县)级研究单元进行分区统计，计算区(县)域范围内岩溶内涝灾害风险值均值，生成区(县)级洪灾风险矢量分布图，按自然断点法从低到高分为5个风险等级，结果表明：广西中北部、西南部岩溶内涝灾害危险性普遍高于东部和南部地区，在灾害预防及整治措施的实施中应当列为重点防治地区。

4.3 空间集聚分析

为了进一步验证广西岩溶内涝风险区划结果，采用全局Moran指数(Moran’s I)对区县风险值进行空间相关分析。全局Moran指数代表了空间邻接或邻近区域单元属性值的相似程度[16]。反映了变量在空间上的依赖关系和集聚程度。它的取值范围在-1到1之间，越接近-1，代表地域单元间的指标值相差越大或者越分散；越接近1，代表单元越相似，相邻的地域单元联系越紧密(高值聚集或低值聚集)；取值接近于0，代表单元间无相关性[17]。广西区县岩溶内涝风险空间相关分析结果如图6所示，全局Moran I指数为0.614，说明研究区县域水平上的岩溶内涝灾害风险得分呈现较为显著的空间正相关关系。

图6 区县岩溶内涝灾害风险空间自相关结果图

再利用G指数(Getis-Ord local G)对岩溶内涝灾害区县进行高值聚类和低值聚类进行检测，得到G指数高低聚类分布图，如图7所示。

图7 区县岩溶内涝灾害风险空间聚集情况

图7中岩溶内涝灾害风险高-高聚类地区与广西岩溶内涝灾害区(县)风险区划图中次高、高风险区的分布基本一致，这些地区岩溶内涝灾害风险水平较高且空间差异较小，有很强的正相关性，属于高值被高值包围的区域，分布呈现明显的空间集聚现象，形成集中连片的高风险地区，给区域岩溶内涝灾害风险防范和社会经济发展带来严峻挑战；岩溶内涝灾害风险低-低聚类地区的分布则与风险区划图中次低、低风险区的分布较为吻合，这些地区岩溶内涝灾害风险水平较低。

5 结论

(1)从岩溶内涝灾害风险自然属性和社会属性因素进行分析，构建综合了危险性和易损性的岩溶内涝灾害风险层次结构评价模型。通过分析与岩溶内涝灾害密切相关的影响因素，建立了由反映自然属性的6个危险性因子和反映社会属性的3个易损因子所构成的指标体系。然后基于各指标的重要程度，采用层次分析法赋予各个指标合理的权重系数，经过空间加权综合叠加，获得了广西岩溶内涝灾害风险分布图。在此基础上，以区县为行政单元，进行区划分析，并基于Moran指数和G指数对区划结果进行空间相关分析和集聚分析，验证结果的准确性，为识别岩溶内涝灾害易发区，合理规划城镇建设和土地利用等提供了科学依据。

(2)按照溶洼系统结构分类，广西岩溶内涝灾害高风险区主要分布于桂西南低峰丛洼地、桂西南高峰丛洼地、桂西北低峰丛洼地、桂中低峰丛洼地、桂中峰簇洼地以及桂东北峰簇洼地和低峰丛洼地；按照行政区划分类，岩溶内涝灾害高风险区主要分布于崇左市中北部、百色市南部、南宁市北部、来宾市西部、河池市南部、柳州市南部，桂林市区、贺州北部，这些区域为广西的主要岩溶地区，且降雨量较为丰沛，人口相对密集，经济整体水平较高，峰丛洼地地貌分布广泛，水流容易汇集，易形成严重的岩溶内涝灾害，需加强岩溶内涝灾害风险识别和防御措施。