相邻地区风暴潮灾害风险评估与区划成果集成方法初探及应用

章晓洁 邓艳芬 邱桔斐等

关键词：风暴潮;风险评估;风险区划;成果集成;上海市

中图分类号：P76;P731.22 文献标志码：A 文章编号：1005-9857（2022）01-0043-06

0引言

我国是世界上遭受风暴潮灾害影响最严重的国家之一。我国沿海渤海湾底部沿岸和莱州湾沿岸是风暴潮多发区，以温带天气过程引发的风暴潮占主导因素;而长江口沿岸，福建北部福州到浙江南部台州，广东惠州、珠江口到阳江、雷州半岛东部沿岸等沿海区域以台风风暴潮为主;南方风暴潮灾害易发区发生特大潮灾的可能性比北方要大;长三角、珠三角一带是我国沿海经济和人口分布密集区，属于国家层面风暴潮灾害风险防范的重点区域[1]。风暴潮过程往往造成极大的经济损失和人口伤亡。根据2019 年度《中国海洋灾害公报》，2019年海洋灾害直接经济损失为117.03亿元，其中风暴潮灾害是造成直接经济损失最重的灾种，占总直接经济损失的99%。

自2008年河北省沧州市、唐山市和秦皇岛市部分沿海区域的我国首份风暴潮灾害风险评估图问世以来，至今已有不少沿海地区陆续完成风暴潮灾害风险评估与区划工作[2-4]。从全局风暴潮灾害风险管理的角度出发，可以预见，在不久的将来相邻市、县之间或相邻省份之间的区划成果集成或銜接将成为一个不可回避的问题。根据相关技术导则[5]，风暴潮灾害风险评估与区划成果丰富，包括评估区域在不同风暴潮等级条件下的潮位、增水、淹没水深分布，灾害危险性评价、脆弱性评价、风险评估和风险区划结果等。由于不同市、县的风场、风暴潮构建参数不同，基础资料差异以及计算模型不同，可能导致即便在同一台风级别下的相邻区域的评估结果出现无法直接衔接的问题。

上海市滨江临海，易受风暴潮灾害的影响，在原国家海洋局国家尺度风暴潮灾害危险性评价结果中，上海市的5个沿海区（金山区、宝山区、崇明区、浦东新区和奉贤区）均被评为危险性等级Ⅰ级（高）[6]。从2017—2019年，上海市分区域完成了沿海5区的市级风暴潮灾害风险评估与区划工作[7]。本研究以该工作的成果为基础，开展风暴潮灾害风险评估与区划成果集成的方法研究，并获得了上海全市的相应成果，可为全国其他省、市、县的成果集成提供方法借鉴。

1研究区域及数

据根据《上海年鉴》（2019年）上海市地处120°51'E—122°12'E，30°40'N—31°53'N，位于太平洋西岸，亚洲大陆东沿，中国南北海岸中心点，长江和钱塘江入海汇合处，北界长江，东濒东海，南临杭州湾，西接江苏和浙江两省。上海地处长江三角洲冲积平原，平均海拔高度4m 左右，陆地地势总趋势由东向西低微倾斜。截至2018年年末，上海市总面积6340.5km2，常住人口2423.78万人。上海气候属亚热带季风气候，夏季和秋季常受台风侵扰。

上海市2017—2019年，逐步完成了金山区、宝山区、崇明区、浦东新区和奉贤区的风暴潮灾害风险评估与区划工作，主要技术方法均参照自然资源部发布的技术导则[5]或其征求意见稿执行。该工作分3年分区域进行，共建立了3个区域风暴潮模型，分别是：金山区模型;宝山区和崇明区模型;浦东新区和奉贤区模型（图1）。3个模型区域的计算网格范围均为115°E—134°E，16°N—41°N，包括了整个东中国海，陆上部分分别包括了沿海5区各个区域范围，模型在相邻区之间的陆域部分存在约10km的重叠区域。外海网格较大，靠近沿岸的网格较小，在沿岸海堤处网格做了重点局部加密，沿岸网格分辨率50～100m。

在上海市风暴潮灾害风险评估与区划工作中，对于每个区域风暴潮数值模型，均通过验证、模拟得到潮位、增水、淹没水深和危险性等级等结果，结合海洋灾害承灾体分布数据和土地利用类型数据得到脆弱性等级结果，综合危险性和脆弱性得到风险等级结果，再综合考虑各区的社区边界数据或村队界数据得到风险区划结果。本研究利用这些单独的区域模型在可能最大台风风暴潮情景下的计算和评估结果（表1），开展上海市全市的风暴潮灾害风险评估与区划成果集成方法研究。

2集成方法

本研究按照成果数据的类型及其在相邻区域模型中的重叠度，对其进行再分类，分别研究其集成方法。按照数据类型包括矢量点数据、栅格数据和矢量面数据。按照重叠度，潮位和增水为海域计算结果，整个大面完全重叠;其余为陆域计算或评价结果，其中相邻区域模型的淹没水深和危险性为含陆域重叠区的计算结果，脆弱性、风险等级和风险区划均为完全独立、不重叠的结果。

2.1潮位、增水集成方法

对于潮位和增水计算结果，均为包含经度、纬度和潮位或增水的x、y、z3列点状数据，数据结果覆盖整个模型范围，不同区域模型的计算结果之间具有充分的空间重叠度。考虑到在风险评估工作中，往往对潜在风险采用就高不就低的原则，因此在可能最大台风风暴潮的情景下，重叠区域的潮位或增水宜取所有区域模型中的最高潮位或最大增水。因此首先对3个区域模型的潮位、增水数据进行空间插值，注意保持空间插值的范围和像元大小一致，然后综合所有区域模型的空间插值结果，按照平面分布中各处取最大值的原则得到最终的潮位或增水结果，即集成后的潮位或增水结果。有研究表明，在常用的GIS空间插值方法中，克里金（或称克里格）插值方法对水环境信息的空间插值是较为合适的[8-10]，因此本研究中均采用克里金插值方法。进行空间插值前，可预设一个插值的空间范围，防止由于数据量过大导致计算时长过长或失败。

2.2淹没水深、危险性集成方法

对于淹没水深计算结果和危险性等级评价结果，均为栅格数据，覆盖范围均为模型的陆地区域。与潮位和增水结果的集成不同的是，潮位和增水结果均为海域计算结果，整个海域是一个连通域，而淹没水深结果是陆域计算结果，陆域各区域之间可能存在自然或人为的隔断，如上海市浦东新区和宝山区之间被黄浦江隔断。看似相邻的两个区域之间若存在隔断，则无须考虑结果衔接的问题。同时，考虑到数值模型的边界效应，在陆上网格边界处模型中水体会产生一定的堆积，导致网格边界处淹没水深偏大，并且相邻模型的边界效应大小是不一致的，因此在区域模型构建时陆域的网格覆盖范围往往略大于评估范围以削弱边界效应。在本研究中，上海市3个区域模型的相邻陆域之间存在约10km的重叠区，即每个区域模型均在行政区边界外扩约5km，以此来削弱淹没水深在陆域边界异常偏大的现象。因此在淹没水深结果集成时，无须考虑将陆域重叠区的计算结果进行融合，而是直接去除每个区域模型的陆域外扩部分。若相邻模型之间无重叠区，即区域模型网格未适当外扩，则在集成时边界效应将难以忽略。在难以重新构建网格和计算的情况下，可以考虑在相邻陆域边界进行适当的平滑处理，如均值滤波[11]。

目前危险性等级评价结果是根据淹没水深进行划分得到[3，5]，因此在得到淹没水深的集成结果之后，直接对其按照淹没深度进行划分即可得到危险性等级评价的集成结果，无须另外研究集成方法。

2.3脆弱性、风险等级和风险区划集成方法

对于脆弱性等级评价结果、风险等级评价结果和风险区划结果，均为矢量数据，可以直接利用GIS软件进行拼接。由于脆弱性等级评价结果是以土地利用现状二级类区块单元作为脆弱性评估空间单元，因此各评估区域的相邻区块单元本就是相互独立的，可直接进行矢量拼接。而风险等级评价結果由危险性等级评价结果和脆弱性等级评价结果综合计算得到，风险区划结果是在风险等级结果的基础上，以沿海社区（村）为基本单元，进行风暴潮灾害风险区划分，因此各评估区域之间也是相互独立的，可直接进行矢量数据拼接即可得到集成结果。

3结果与讨论

本研究以上海市沿海5区在可能最大台风风暴潮情景下的风险评估与区划结果为例进行成果集成。

3.1潮位、增水集成结果

首先将金山区模型、宝山区和崇明区模型、浦东新区和奉贤区模型计算得到的潮位和增水结果进行集成，结果如图2和图3所示。可以看出，集成后的潮位和增水大面整体较为平滑。潮位分布结果显示，最大潮位在外海较低，进入长江口和杭州湾后显著增高。芦潮港潮位约5.5m，沿着杭州湾北岸往西沿岸最高达8.3m，进入长江口往上游最高达7.8m。增水分布结果类似，最大增水在外海较低，在长江口和杭州湾内较高。芦潮港增水约4.0m，沿着杭州湾北岸往西沿岸最高达7.0m，进入长江口往上游最高也达7.0m。

3.2淹没水深、危险性集成结果

对于淹没水深结果的集成，首先判断上海市沿海5区之间是否存在隔断，即能否直接拼接，或需进行数据处理后集成。由于上海市崇明区是由3个与大陆分离的海岛构成，故不存在与周边区域衔接的问题;在宝山区与浦东新区之间由黄浦江分隔，且在区域模型构建中已考虑了黄浦江的影响，因此这两个区域也不存在衔接问题;浦东新区和奉贤区接壤，但是这两个区的计算和评价结果均是源自同一个区域模型，所以也不存在衔接问题;最终可能存在衔接问题的是奉贤区和金山区之间。

金山区模型、浦东新区和奉贤区模型在构建时就预设了约10km 的陆域重叠区，重叠区采用的陆地高程数据一致，可能最大台风风暴潮的模拟方法也一致。淹没水深和危险性等级集成结果见图4，其中危险性等级集成结果是在淹没水深集成结果的基础上进行重分级得到。可以看出，淹没水深集成结果在金山和奉贤区边界附近过渡较为自然，该区域的危险性等级均为II级，没有出现淹没水深或者危险性等级突变的接边问题。

淹没水深和危险性等级分布结果显示，上海市沿海5区全境几乎均遭到淹没，危险性等级基本都在I级到III级，其中从I级到IV 级表示危险性从高到低（下同）。淹没水深在崇明岛西部、长兴岛、横沙岛、吴淞口附近黄浦江两岸、奉贤区西北角黄浦江南岸、金山区沿海等地较大，这些区域出现了I级危险性区域。I级危险性区域面积较大处包括崇明岛西部、宝山区北部沿海、奉贤区西北角沿江等地。I级危险性区域和II级危险性区域分布在几乎整个崇明岛、整个宝山区、整个长兴岛、整个横沙岛、黄浦江整条东岸、浦东新区整个东部沿海和金山区奉贤区部分区域。可以发现，沿海、沿江、上游都是高等级危险性出现的因素。

3.3脆弱性、风险等级和风险区划集成结果

脆弱性、风险等级和风险区划结果均为独立的矢量面数据，直接利用GIS软件进行拼接得到，分别见图5和图6。

上海市沿海5区的脆弱性等级评价主要依据土地利用现状二级类和海洋灾害承灾体分布数据进行划分，划分标准参照技术导则。从图5可以看出，上海市沿海各区脆弱性等级主要为IV 级，其次为I级，宝山区和崇明区的结果较为多样化，其余3个区的结果两极分化较为明显。I级脆弱性等级主要分布在高人口密度区域、大型工业园区、危化品企业、修造船厂等重要海洋灾害承灾体分布区域。

从图6可以看出，上海市存在较大的风暴潮灾害风险。经统计（表2），大部分区域风险等级为III级，其次是II级和I级，IV 级风险的区域面积最小。其中I级风险区主要集中在杭州湾内沿海区域、宝山沿海区域、浦东北部沿海区域、黄浦江两岸以及长兴岛。

奉贤区大部分区域风险等级为IV 级，其次为III级和II级，I级所占面积最小，主要集中在西南部化工区和南桥镇。

浦东新区大部分区域风险等级为II级，其次是IV 级和I级。其中I级风险区主要集中在北部，沿黄浦江向东约8km 范围内，以及从高桥镇到祝桥镇沿海堤向陆约8km 范围内。

宝山区风险等级II级，面积占比最大，大部分区域的风险等级在I～III级。其中I级风险区主要集中在沿海和沿黄浦江区域，包括罗泾镇、月浦镇、友谊路街道、吴淞街道、淞南镇、高境镇、张庙街道、庙行镇等。

崇明区大部分区域风险等级为III级，其次是II级和I级。其中I级风险区主要集中在长兴镇、堡镇、城桥镇、崇明工业园区以及农村宅基地等，大面积农用地（占崇明区陆地面积59.56%）风险等级均为III级。

金山区大部分区域风险等级为III级和IV级。其中I级风险区主要集中在石化街道、山阳镇临海大部分区域，以及枫泾镇、朱泾镇、亭林镇部分区域。

4结论

本研究开展了相邻区域风暴潮灾害潮位、增水、淹没水深、危险性等级、脆弱性等级、风险等级和风险区划等计算和评估结果的集成方法研究，基于上海市沿海5区的3个区域模型结果进行了方法应用，获得了上海市风暴潮灾害风险评估与区划的集成结果。值得注意的是，本方法的提出和成功应用，有赖于上海市海洋管理部门在开展风暴潮灾害风险评估工作时的前期统筹设计，即虽然是分区域分年度开展工作，但是在前期设计阶段即考虑到后期模型成果的衔接和集成问题，并采取措施，例如对模型基础数据的控制，对模型相邻陆域的重叠区设置和模型构建和计算方法的统一等。因此建议相邻行政区在开展此类工作时，从项目设计阶段就开展充分的沟通交流，从而保证后期成果集成的顺利实施。期望本方法的提出可为全国其他沿海省（自治区、直辖市）、县的风暴潮或其他海洋灾害的风险评估与区划成果集成提供借鉴和参考。