北京市通州区洪涝灾害风险评估及区划研究

刘青云，王慧彦

(防灾科技学院，河北 三河 065201)

北京市通州区是北京市副中心所在地。随着通州区的快速发展，城市社会结构将更加复杂、人口规模迅速扩大、城市运行负荷急增，一旦发生重大自然灾害，生命财产安全必将遭受重创。又因通州区与河北省廊坊市、天津市武清区接壤，区域灾害的相互作用性明显，区域风险协同管控的任务十分繁重。因此，立足通州区新的功能定位，洪涝灾害风险评估为保障北京城市副中心(通州区)经济社会发展具有深远意义。

1 研究思路

近些年，洪水灾害系统理论为区域风险评估工作做出了杰出贡献，同时也产生了很多成果性文件[1]。例如，表1所示的内容是近年来在3种方案下的应用案例[2]。在进行洪涝灾害风险评估时，由于不同的研究人员在技术处理局限性、数据时效性、认知度不同等原因，造成其形成的系统组成要素不同，洪涝灾害风险表达式也就会有所不同，系统组成要素可以大致分为3种类型，即危险性-脆弱性(H-V)、危险性-脆弱性-暴露性(H-V-E)和危险性-脆弱性-暴露性-防灾减灾能力(H-V-E-R)。由此可知，即便在风险等同的前提下，不同方向的研究人员对风险评估工作的侧重点也可能有所不同。其评估工作的侧重点不仅要考虑洪涝灾害本身的形成机制，还要结合当地灾害特征、经济发展等因素进行分析，以使风险评估的结果符合当地的实际情况。

表1 洪涝灾害系统角度下风险评估应用案例统计表

降雨多而集中，是北京市通州区的洪涝灾害形成的主要原因。本文根据通州区的实际情况，从洪涝灾害的形成机制角度出发，结合通州区的政治站位，参照张继权、张会等的研究成果[3]，将致灾因子危险性、承灾体脆弱性、孕灾环境敏感性和防灾减灾能力作为洪涝灾害风险评估指标体系的主要组成要素。

洪涝灾害风险评估以灾害风险理论为基础，通过对孕灾环境的敏感性、致灾因子的危险性、承灾体的脆弱性，结合通州区的防灾减灾能力等多因素分析，最终选择了12个影响指标在北京市通州区建立洪水灾害评估指标体系；各指标的权重通过层次分析法得到，并结合GIS技术对洪灾风险进行分类，绘制北京通州区洪灾风险分区图，并提出相应的洪灾风险防控建议[4]。

1.1 灾害风险评估模型

从自然灾害学的角度出发，可以得出洪涝灾害的条件分为：发生机制(致灾因子)、形成环境(孕灾环境)、形成区敏感性(承灾体)以及面对潜在或现实的洪涝灾害的防御对策措施(防灾减灾能力)。通过以上分析得出：洪涝灾害风险的主要影响因素是致灾因子的危险性、承灾体的脆弱性、孕灾环境的敏感性和防灾减灾能力4部分。结合量化各指标值及层次分析法确定的权重，构成通州区的洪涝灾害风险评估函数[5]，可表示为：

洪涝灾害风险=f
(危险性、脆弱性、敏感性、防灾减灾能力)

(1)

式中，f(x)—4类要素交叉作用而导致灾害后果的函数。

1.2 构建指标体系

洪涝灾害的风险评估过程中，涉及的指标众多，各指标对洪涝灾害风险的影响程度不同。在选择洪涝灾害风险评估指标时，必须考虑每个指标数据的可用性、代表性和客观性，以及所选指标在该地区的洪涝灾害风险评估中是否具有代表性。针对北京市通州区洪涝灾害发生的基本情况，在4个准则层的基础上，又选取12个指标，共同建立北京市通州区的洪涝灾害风险评估指标体系[6]。如图1所示。

图1 洪涝灾害风险评估指标体系图

洪涝灾害的致灾因子主要体现在降水量和频率上，本文选取洪涝频率、极端日最大降雨量这2个指标作为洪涝灾害致灾因子风险评估因素；承灾体脆弱性主要取决于人口、经济等，为了充分体现社会发展和经济发展，本文选取人口密度、地均GDP以及路网密度来评估脆弱性；孕灾环境的敏感性主要取决于外部环境，本研究从地形起伏度、河湖网络指数以及土地利用类型来确定孕灾环境敏感性指数；防灾减灾能力主要取决于灾前准备以及灾后响应能力，本研究采用人均GDP、防汛应急预案、防汛物资储备和排水泄洪能力对研究区域的防灾减灾能力进行评估。

1.3 指标权重

层次分析法，常用于对各指标和因素进行赋值，进而对模糊和复杂的问题进行决策，是一种常见的分析方法[7]。其主要步骤为：构造判断矩阵、计算指标权重、一致性检验。结合以上建立的指标体系，对每个指标因子进行成对评分，比较构造5个判断矩阵的重要性，以并计算每个判断矩阵的最大特征值和对应的特征向量，以确保所有判断的权重均通过一致性检验(CR<0.1)。详见表2—7。

表2 洪涝灾害风险A判断矩阵及其各指标权重

表3 致灾因子危险性B1判断矩阵及其各指标权重

表4 承灾体脆弱性B2判断矩阵及其各指标权重

表5 孕灾环境敏感性B3判断矩阵及其各指标权重

表6 防灾减灾能力B4判断矩阵及其各指标权重

表7 洪涝灾害风险评估指标体系及权重

在以上的分析中可以得出：洪涝频率对北京市通州区洪涝灾害致灾因子危险性影响最大；人口密度对于承灾体的脆弱性具有代表性；孕灾环境对河流网络指数更为敏感；排水泄洪能力对防灾减灾能力贡献最大。

2 评价指标标准化

2.1 致灾因子危险性指数

在普遍情况下，致灾因子的强度越大，概率就会越高，危险性也会越大，出现严重灾情的可能性也会越大。致灾因子强度则体现在降水强度上，洪涝风险预警及区划均可由暴雨强度推算危险性指数。在评估致灾因子的危险性时，需要将降水强度统一到一个可比量纲上。这里采用等效日降水量作为这个可比量纲，它在概念上表示为一定时段内的降水强度等效于日降水量的值。本文以通州区日降水量大于等于50mm暴雨的年平均发生数和降水量，作为致灾因子危险性的风险评价指标[8]。

(1)洪涝频率

年均暴雨时间越长，降雨时间分布越密集，降水量就会越大，造成洪涝灾害的可能性就越大。如2015年9月4—5日，在北京26个雨量站的累计中，均超过大暴雨量级，但并无明显灾情发生，这是由于这场降雨持续了近30h，平均降雨强度小于25mm/h，因此选择短历时(1～6h)洪涝频率来反映降雨强度。降水因子影响度划分标准表见表8。

表8 降水因子影响度划分标准表

根据各等级洪水发生的频率，结合GB/T 33680—2017《暴雨灾害等级》中确定暴雨造成洪水水位的标准[9]，根据0<影响度<1的原则，以及暴雨的频率越高，降水量越多，对洪水形成的可能性也就越大，确定降水因子对致灾因子危险性的影响程度。

(2)极端日最大降雨量

暴雨过程降雨量是暴雨致灾危险性评估中比较常见的指标，实际上暴雨致灾更重要的一个指标是降雨强度，即极端日最大降雨量[10]。到目前为止，北京市通州区共建有气象监测站66个，在核心区内站网密度每百km2达到13个。据统计，由于季风的影响，经常下大雨。形成洪涝灾害的主要原因是：集中的强降雨造成洪涝灾害的频繁发生。极端日最大降雨量的影响度划分标准表见表9。

表9 极端日最大降雨量的影响度划分标准表

大雨期间的降雨和短时大雨的频率都是正向的评价指标，即值越大，灾害风险越大。根据0<影响度<1的原理，日极端最大降雨水平越高，对洪水形成的影响越大，确定日极端最大降雨对致灾因子危险性的影响程度。

2.2 承灾体脆弱性指数

承灾体主要包括人类自身和社会发展的各个方面，例如交通，教育，文化，娱乐，各种减灾工程设施以及人们积累的各种财富[11]。因此，选择人口密度、人均国内生产总值和河网密度等指标来评估通州区洪涝灾害承灾体的脆弱性。

(1)人口密度

对于相同的灾难，人口密度越大，受灾情况越严重。根据0<影响度<1的原则，以及人口密度越大，影响度越大，确定人口密度对承灾体脆弱性的影响程度。见表10。

表10 人口密度分类表影响度划分标准表

(2)地均GDP

地均GDP是反映土地利用的效率，并且主要反映了研究区域的工商业强度。根据0<影响度<1的原则，区域GDP的值越大，受灾的影响范围越大，确定地均GDP值对承灾体脆弱性的影响度。见表11。

表11 地均GDP值的影响度划分标准表

(3)路网密度

路网密度是指城市单位面积内，所有道路的总长度与城市总面积之比。道路网络的密度越大，在相同灾难下的损失就越大。根据0<影响度<1的原则，路网分布越密集，影响度越大，确定路网对承灾体脆弱性的影响度。见表12。

表12 路网密度的影响度划分标准表

2.3 孕灾环境敏感性指数

孕灾环境敏感性是指研究区对于洪涝灾害的敏感程度。在同等破坏力度情况下，研究区的越敏感，灾害的风险就越大[12]。本研究主要以地形起伏度、河流网络指数和土地利用类型来评估通州区洪涝灾害的孕灾环境敏感性指数。

(1)地形起伏度

地形对洪水具有再分配的重要影响。海拔高度和地形起伏对洪涝灾害的形成都有不同程度的影响。通过提取DEM数据并使用DEM高程标准偏差来表示地形起伏。高程越低，相对高程标准偏差越小，洪涝灾害风险越高[13]。根据0<影响度<1的原则，高程越低，高程标准差越小，综合地形因子系数越大，确定地形起伏度对孕灾环境的影响程度，见表13。

表13 地形起伏度影响度划分标准表

(2)河湖网络指数

洪涝灾害的形成主要取决于该地区河网的分布。在同等洪涝强度下，距离河湖越近，水域越大，影响就越大，孕灾环境就越敏感。根据0<影响度<1的原理，水域面积越大，河网指数越高，确定划分河湖网指标对孕灾环境的影响程度，见表14—15。

表14 湖泊和水库缓冲区等级和宽度影响度划分标准表

表15 流缓冲区等级和宽度值影响度划分标准表

(3)土地利用类型

根据北京市测绘局出《地覆盖分类方法和代码》，对土地以利用类型为标准[14]，按照0<影响度<1的原则，对未利用土地影响较小，洪水对耕地的影响度较大。制定了北京市通州区不同土地利用类型影响程度的划分标准，见表16。

表16 土地利用类型的影响度划分标准表

2.4 防灾减灾能力指数

洪涝灾害的防灾减灾能力是指为降低洪涝灾害所造成损害的能力，其中包括应急管理的能力、应急队伍建设、应急物资储备、减灾资金投入和资源准备等[15]。北京市通州区选取各街道人均GDP、防汛应急预案、防汛物资储备、排水泄洪能力作为衡量区域防灾减灾能力的指标。

(1)人均GDP

人均GDP是经济发达程度的客观体现。在同样严重的灾害下，经济越发达，造成的经济损失就越大。根据0<影响度<1的原则，以及人均GDP值越大，确定出了人均GDP值对防灾减灾能力的影响度，见表17。

表17 人均GDP值的影响度划分标准表

(2)防汛应急预案

防汛应急预案的编制是洪涝灾害应急救援前期准备工作的核心内容，是保障开展应急救援工作重要依据。根据0<影响度<1的原则，以及各个街道的防汛应急预案的职责内容的完整程度，确定出了防汛应急预案对防灾减灾能力的影响程度，见表18。

表18 防汛应急预案影响度划分标准表

(3)防洪物资储备

抢险物资储备在应急救援工作中提供了重要物资保障，物资储备主要以沙袋、器具、设备为主。

根据0<影响度<1的原则，以及防汛物资储备的覆盖率越小，影响度越大，确定出了防汛物资储备对防灾减灾能力的影响程度，见表19。

表19 防洪物资储备影响度划分标准表

(4)排水泄洪能力

评价排水泄洪能力的主要以北京市通州区各个街道内排水网设置与管网排水标准为评判依据[16]。根据排水网设置越短，管网排水标准越低，对排水泄洪能力的影响也越大，以及0<影响度<1的原则，确定出了排水泄洪能力对防灾减灾能力的影响程度，见表20。

表20 排水泄洪能力影响度划分表

2.5 洪涝灾害风险指数度量方法

(1)标准化处理

由于各指标数量级不同、量纲不同、单位不同、正负性不同，为了避免失误，需要对数据进行预处理，即采用极差变换的方法进行标准化[17]，将指标数值确定在0—1的范围内，不仅可以无量纲化，较小的数值也便于后续的分析。

对于正向指标，公式为：

(2)

对于负向指标，公式为：

(3)

(2)加权综合评价法

利用加权综合评价法综合各具体指标的效果，用一数量化指标加以集中，计算公式为：

(4)

3 洪涝灾害风险区划结果及建议

将标准化后的各个指标，分别乘以对应的权重并求和，得到各街道洪涝灾害风险的量化结果。见表21。

表21 通州洪涝灾害风险评估统计表

由表21统计数据可以看出，宋庄镇、新华街道、中仓街道、马驹桥镇和永乐店镇暴雨洪涝风险比较高。宋庄镇受环境因素影响，地势低于通州区平均地势，雨后容易积水；其次管网的排水能力在社会防灾减灾能力的占比较低；新华街道、中仓街道防洪物资储备、防汛应急预案等承灾体(社会防灾减灾能力)还不够完善；潞源街道、北苑街道、梨园镇、张家湾镇暴雨洪涝灾害风险比较低；其他街道(乡镇)洪涝灾害风险一般。

根据以上情况应用ArcGIS软件绘制出图2，能够结合地理信息在地图上更加直观的反映出通州区洪涝灾害风险评估结果[18]。

图2 通州区洪涝灾害风险区划图

根据区域洪涝灾害的风险评估结果，结合具体的指标影响因子，从我国自然灾害风险评估的现状出发，借鉴国际先进经验，从以下4个方面为全面提升防灾减灾能力提供政策建议。

(1)提高城市排水管渠建设标准，加强城市防洪工程建设。对通州区尚未达到规划标准的防洪河段、排涝河道和雨水管道，到2025年达到50年一遇的标准，到2035年达到100年一遇的标准，切实提高通州区防洪排涝能力，降低洪涝风险[19]。

(2)广泛普及防灾知识[20]。通过社区广播、社区课堂、村民会议等方式由专业人员讲解逃生、自救互救等措施，做好心理准备，提高防灾意识，更加冷静地应对洪涝灾害；要加快各村落的城市化进程，转变生产方式，提高村庄生活水平。

(3)优化应急预案。城市涝灾应急预案是应急管理的主线和起点，要建立一个“水平到边缘，垂直到末端”的城市涝灾应急计划系统，既要有战略计划，又要有战术计划，还要有现场行动计划[21]。

4 结语

(1)本文通过构建洪涝灾害风险评估指标体系，在传统的洪涝灾害风险评估中增加了孕灾环境敏感性和防灾减灾能力2项准则层评价因子，并借助ArcGIS软件对指标信息进行了提取、叠置分析与栅格计算，为北京市通州区洪涝灾害风险评估提供了新思路。

(2)由于洪涝灾害的形成和发生是一个复杂的突发过程，每个致使发生洪涝灾害的影响因子都会从不同角度、以不同程度影响灾害发生，因此要全面系统、准确无误地评估风险还存在一定的难度，若想使得评估结果变得更加具有针对性和参考意义，需要进一步优化、健全和完善评价模型和指标体系。