（自然地理学专业论文）基于gis和模糊数学的重庆市洪水灾害风险评价研究.pdf

摘要 基于g i s 和模糊数学的重庆市洪水灾害风险 评价研究 自然地理学专业硕士研究生刘国庆 指导老师徐刚教授 摘要 洪水灾害是我国主要的自然灾害之一。重庆市地处亚热带季风区，受东南季风和西南季 风的交替影响，夏季暴雨频发，地势总体上由南北向长江河谷倾斜，地形起伏较大，同时受 四川盆地格局的影响，境内河流众多，水系密布，形成了以长江干流为主同时汇集来自盆地 周围山地众多支流的不对称向心水系，使得重庆市每年洪水灾害发生频率达到2 4 次，严重 威胁着人民生命财产的安全。作为一项非工程措施，洪水灾害风险评价，对重庆市的洪水灾 害损失评估、防洪救灾、土地利用与开发等方面具有重要的意义。 本文论述了洪水灾害风险评价的基本原理和主要内容；介绍并分析了目前常用的洪水灾 害风险评价方法的利弊；介绍了模糊数学的基本理论和模糊综合评价的一般步骤，将模糊综 合评价方法与洪水灾害风险评价相结合，充分利用模糊综合评价法在洪水灾害风险评价中的 优势；介绍了g i s 的基本特征和主要功能以及g i s 在洪水灾害风险评价中的作用；根据洪水 灾害风险评价原理、指标选取原则、评价方法以及研究区实际情况，选取洪水灾害风险评价 指标，建立了重庆市洪水灾害风险评价指标体系；基于模糊综合评价方法，构建了重庆市洪 水灾害风险模糊综合评价模型：将洪水灾害风险模糊综合评价模型输入g i s ，通过运算处理， 最终生成了重庆市洪水灾害风险分布图。 洪水灾害风险图显示，重庆市洪水灾害风险有明显的差异：高风险区、较高风险区主要 分布在重庆市西部、中部以及东北部的梁平县、开县和万州区大部；低风险区、较低风险区 主要分布于重庆市东南部大部分地区与重庆市东北部的城口县、巫溪县、巫山县、奉节县和 云阳县东部地区；同等级洪水灾害风险除了大片的集中分布外，还呈现出斑块状散落分布， 高风险区、较高风险的这种特征比较明显，这些都是洪水灾害双重属性的体现，是重庆市境 内自然环境地域性与社会经济因素差异性结合的结果。 关键词：重庆市洪水灾害风险g i s 模糊评价 a b s t r a c t t h e s t u d y o ff l o o dd i s a s t e rr i s ke v a l u a t i o ni n c h o n g q i n g ba s e do ng isa n d f u z z y m a t h e m a t i c s p o s t g r a d u a t e ：l i ug u o q i n g m a j o r ：p h i s i c a lg e o g r a p h y t u t o r ：p r o f e s s o rx ug a n g a b s t r a c t f l o o dd i s a s t e ri so n eo fc h i n a sm a j o rn a t u r a ld i s a s t e r s c h o n g q i n gi sl o c a t e di nt h es u b t r o p i c a l m o n s o o nz o n e ，a n dr a i n s t o r m so c c u rf r e q u e n t l yi ns u m m e rb yt h et h ea l t e r n a t i n ge f f e c t so f s o u t h - e a s tm o n s o o na n ds o u t h w e s tm o n s o o n n et e r r a i n ，o nt h ew h o l e ，l e a n st ot h ey a n g t z er i v e r v a l l e yf r o mt h es o u t ha n dn o r t h t h e r ea l em a n yr i v e r sa n dr e s e r v o i r s ，w h i l et h ei m p a c t i n gb y o ft h e p a t t e r no ft h es i c h u a nb a s i n ，f o r m sa l la s y m m e t r i cc e n t r i p e t a lw a t e r sb a s e do nt h ey a n g t z er i v e a l l t h o s em a k ec h o n g q i n ga na n n u a lf r e q u e n c yo ff l o o dd i s a s t e ru pt o2 - - 。4t i m e s ，w h i c hf o r m sa s e r i o u st h r e a tt ot h es a f eo fp e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t y a san o n - e n g i n e e r i n gm e a s u r e s ，f l o o d d i s a s t e rr i s ka s s e s s m e n th a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oc h o n g q i n g sf l o o dd a m a g ea s s e s s m e n t , f l o o dp r e v e n t i o n , d i s a s t e rr e l i e f , l a n du s ea n dd e v e l o p m e n t t l l i sa r t i c l ed i s c u s s e st h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dm a i nc o n t e n to ft h ef l o o dd i s a s t e rr i s ka s s e s s m e n t ； p r e s e n t st h ec u r r e n ta n dc o m m o n l yu s e dm e t h o d so ff l o o dd i s a s t e rr i s ka s s e s s m e n ta n da n a l y z e st h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ；i n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo ff u z z ym a t h e m a t i c sa n dt h eb a s i cs t e p s o ff u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o d ，m a k et h eb e s to f t h ea d v a n t a g e so ff u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm e t h o dw h e ne v a l u a t i n gt h ef l o o dd i s a s t e rr i s k d e s c r i b e st h eb a s i cf e a t u r e sa n dt h em a i n f u n c t i o n so fg i sa n dt h ea p p l i c a t i o no fg i si nf l o o dd i s a s t e rr i s ka s s e s s m e n t a c c o r d i n gt o p r i n c i p l e so f f l o o dr i s ka s s e s s m e n t , t h ep r i n c i p l eo fi n d i c a t o rs e l e c t i o na n de v a l u a t i o nm e t h o d s ，a n d t h e a c t u a ls i t u a t i o no ft h e s t u d ya r e a s ，t h ep a p e rs e l e c t st h ei n d i c a t o r so ff l o o d d i s a s t e rr i s k a s s e s s m e 盹a n ds e t su pi n d i c a t o r ss y s t e m so ff l o o dd i s a s t e rr i s ke v a l u a t i o ni nc h o n g q i n g ；b a s e do n f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o d , c o n s t r u c t e st h em o d e lo ff u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n t of l o o dd i s a s t e rr i s ki nc h o n g q i n g ；i n p u tt h em o d e lt og i s ，t h r o u g hp r o c e s s i n g ，g e t sam a po ft h e d i s t r i b u t i o no fc h o n g q i n g sf l o o dd i s a s t e rr i s k t h em a ps h o w st h a tt h er i s ko ff l o o dd i s a s t e ri nc h o n g q i n gw e r es i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n t ：t h e h i g h r i s ka r e a sa r em a i n l yd i s t r i b u t e di nt h ew e s t e r n , c e n t r a la n dn o r t h e a s t e r n sl i a n g p i n gc o u n t y , k a i x i a n , a n dm o s to fw a n z h o ud i s t r i c t ；l o w r i s ka r e a sa l em a i n l yd i s t r i b u t e di nm o s tp a r t so f s o u t h - e a s ta n dn o r t h e a s t e r n sc h e n g k o uc o u n t y , w u x ic o u n t y , w u s h a nc o u n t y , f e n g i i ec o u n t ya n d t h ee a s t e r no fy u n y a n gc o u n t y t h e s ea l et h er e s u l t so fc o m b i n a t i o no fd i f f e r e n tn a t u r me n v i r o n m e n t a n ds o c i o - e c o n o m i cf a c t o r si nc h o n g q i n g k e yw o r d s ：c h o n g q i n g f l o o dd i s a s t e rr i s kg i sf u z z ye v a l u a t i o n 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文 i f 用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了标注。 学位论文作者：j al 觋允签字日期： 力伊年月声日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生部可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：幽j 囝力二 导师签名：乡兮吲 签字日期：必c 9 年够月知日 签字日期：加，p 年月3 i ! i 1 绪论 曼皇曼皇曼曼曼蔓舅曼曼曼曼曼曼曼篡i! - - w 鼍 1 绪论 洪水是一种常见且高度复杂的自然现象，它是天文圈、大气圈、水圈、生物圈、岩石圈 以及人类圈相互影响和相互作用的结果。目前学术界对洪水还没有统一的定义，大多数人比 较认可的是现代地理学辞典中对洪水的定义，即“洪水是河流水位超过河滩地面溢流的 现象的统称，常由出现洪水地区上游或当地的暴雨或融水所致。常以人定的某一有影响水位 为标准，超过这一水位则被定义为洪水”。洪水给人类正常生活、生产活动带来的损失与祸患 称为洪水灾害。洪水灾害是指通常所说的水灾和涝灾的总称；水灾般是指因河流、湖泊泛 滥淹没田地所引起的灾害；涝灾指的是因过量降雨而产生地面大面积积水或土地过湿使作物 生长不良而减产的现象；水灾和涝灾往往同时发生，有时也难以区分，我们把水涝灾害统称 为洪水灾害，简称洪水灾害。 洪水灾害是自然灾害中的主要类型之一，在自然灾害中占有突出的地位。据统计资料显 示“。，自1 9 0 0 - 2 0 0 9 年全世界共发生各种洪水灾害3 6 5 9 次，造成死亡人数达6 9 1 4 4 3 7 人， 受影响人群达3 1 3 3 3 0 0 9 8 2 人，造成的经济损失超过4 3 6 2 6 8 8 5 6 0 0 0 美元。 我国的洪水灾害发生频率高，分布区域广，波及范围大，破坏性很强，全国有2 3 的国 土面积、1 2 以上的人口、2 3 的工农业总产值、3 5 的耕地受到洪水的严重威胁，据统计“。， 自1 9 0 0 2 0 0 9 年的i 0 0 年中，我国共发生各种洪水灾害2 0 0 次，平均每2 年时间就发生1 次， 共造成6 5 9 5 2 6 3 人死亡，1 6 9 9 7 1 3 1 4 9 人受到影响，直接经济损失达1 4 0 7 6 4 3 3 3 0 0 0 美元。 近年来，随着社会经济的快速增长，洪水灾害造成的损失也呈上升的趋势，洪水灾害已 经严重威胁和制约着人类社会经济的可持续发展，对洪水进行有效管理已刻不容缓，而洪水 灾害风险评价是充分而又成功地制定灾害减轻政策和措施的必要步骤。 1 1 选题背景及意义 重庆市位于青藏高原与长江中下游平原的过渡地带、中国经济发达的东部地区与资源富 集的西部地区的结合部、长江上游三峡库区及四川盆地东南部。重庆市是我国最年轻的直辖 市，是长江上游最大的经济中心，西部最大的中心城市，长江上游和西南地区最大的水陆空 立体交通枢纽。重庆市属亚热带湿润季风气候，降水量充沛，主要集中在夏半年( 5 - - 1 0 月) ， 境内山河众多，山脉连绵起伏，地形高低悬殊，地貌结构复杂，河流纵横交错，以长江于流 为轴线，汇集上百条大小支流。特定的地理位置、地貌等条件，加之越来越频繁的人类活动 的影响，使得重庆市洪水多发，极易致灾，给人民生命财产和社会经济带造成了严重的威胁。 重庆市自直辖以来，社会经济发展突飞猛进，城市化进程不断加快，但与此同时，人口不断 增长，环境正不断地受到破坏，人地关系十分紧张。重庆市山地面积很大，其中坡耕地有 9 8 0 0 k m 2 ，大于2 5 。的坡耕地有2 5 0 0 1 m 2 ，分别占总耕地面积的6 0 2 和1 5 3 。由于历史原 因和日益频繁的社会经济活动，植被受到严重破坏，导致生态环境恶化，水土流失加剧，土 两南大学硕士学位论文 层变薄，植被拦蓄雨水和土壤蓄水保水能力减弱，雨水产生径流的时间缩短，这不仅减弱耕 地的蓄水能力，同时也造成河道、湖泊、水库因泥沙淤积而削弱了蓄洪调洪功能，加大了洪 水灾害风险。 可见，重庆市面临着洪水灾害的威胁并十分严峻，加强洪水灾害管理，特别是洪水灾害 风险评估环节的研究，对减轻洪水灾害损失在理论研究和工程实践中都具有重要意义，同时 也是确保重庆市社会经济的可持续发展的一项十分必要和迫切的工作。 1 2 国内外研究现状 洪水灾害风险评价包括洪水灾害危险性评价、洪水灾害易损性评价和洪水灾害灾情评价， 下面将从这三个方面论述洪水灾害风险评价的国内外研究现状： 洪水灾害危险性评价，就是从洪水灾害系统的观点出发，着眼于诱发危险的各因素，研 究受洪水威胁地区可能遭受洪水影响的强度和频度。洪水灾害危险性评价研究主要集中在水 文频率和风险率计算方法、洪泛区洪水风险分析和区域层次洪水危险性区划等方面。 水文频率分析通常借助于数理统计方法，其中线型选择和参数估计是其主要研究方面。 研究表明，负指数律的p 型分布与我国有较长系列观察资料( 大于3 0 a ) 的洪水特征值分布 较匹配。，a m e r i c a n w a t e r r e s o u r c e s c o m m i s s i o n 倾向于使用负幂函数律的对数p 型分布”。 洪水风险率即洪水的不确定性，此概念的提出，使得我们能够从新的角度去认识和把握洪水 设计标准。水文过程的不确定性分为3 种类型：水文过程随机特性引起的内在不确定性，数 据有限产生的模型的不确定性以及参数的不确定性。t o d o r o v i c “。等基于极值理论和p o t ( p e a k o v e ra t h r e s h o l d ) 模型，首先阐述了季节性洪水的变化情况，随后对模型进行了改进，使之可以 推广到非同分布的随机变量。a s h k a r 和r o u s s e l l e “。研究建立了两种进行洪水风险分析的随机 模型：模型i 认为超常洪水是相互独立且同分布的随机变量；模型认为超常洪水只在同一 季节内为同分布。k u c z e r a 研究了参数估计的可靠性与水文时间序列之间的关系，使用了偏 倚校正后的前两阶矩以及诸如地下水、土壤水的储量函数相应的时间序列数据的两种改进参 数估计可靠性的方法。s t e d i n g e r 和t a y l o r ”。研究了随机年径流模型参数的不确定性后认为：即 使流量资料长达5 0 a ，参数不确定性的影响仍然非常大。r a s m u s s e n 和r o s b j e r 9 9 。基于超定量 频率序列，研究了数据匮乏条件下如何设计洪水的风险估计，提出了“期望风险”概念，并 以m c 法验证了其应用。f u t t e r 和m a w d s l e y “针对短期洪水风险预报问题，从模型假定、所 需数据及精确性等方面将c o x 回归模型和条件分布模型进行了对比研究。王燕生“基于区间 洪水预报时差和幅差的联合概率密度分析，构建了预报误差的风险计算模型。f e r n a n d e z 和 s a l e s p 场1 从重现期和失事风险的定义出发，提出了可以适用于彼此相关的年径流系列、水库 水位系列的通用方法。s e n u 刮以一阶m a r k o v 过程为工具研究计算了具有线性相关结构的水文 系列风险。陈元芳“以所建洪水随机模型为原型，以统计实验法研究了随机模拟中模型及参 数不确定性对推求设计防洪库容的影响。 2 1 绪论 洪泛区具有高风险性，因而受到特别关注。洪泛区洪水灾害危险性分析结果可以通过洪 水灾害危险性分布图来体现。洪水灾害危险性分布图的制作常用水文水动力学法、地貌学法 和历史洪水法等3 种方法。地貌学方法将洪泛区的水系特征与地形特征综合起来进行分析， 从而确定洪水灾害危险性的分布特征。日本地理学家m a s a h i k o o y a “根据地图与航空像片绘 制了一张反映万象地区湄公河洪水灾害危险性的地图。地貌学方法操作起来容易，但估算结 果比较粗糙。黄诗峰将g i s 应用于洪水灾害危险性分析，包括基于g i s 的流域结构特征 信息提取模型、g i s 支持下的河网密度特征提取及其与洪水灾害危险性关系分析、d e m 支持 下的洪水灾害危险性分析等，提高了洪水灾害风险评价的精度和效率。历史洪水法是通过对 历史上发生的大洪水资料，画出历史上大洪水的淹没范围来反映洪水灾害危险性。如我国对 长江流域1 8 7 0 年“等的调查，绘制了洪水淹没范围图。但是对于没有或具有很少历史资料的 洪泛区，历史洪水法将受到限制。尽管如此，基于历史灾情的洪水灾害危险性分析仍然取得 了许多成果，如基于历史灾情数据“，运用信息扩散法对洪水灾害危险性进行评价，以历史 水灾案例数据库为依据“一“，计算了清代中后期不同流域不同“受灾比”下的风险值及其时 间变化规律。马建明u “对岷江流域按“分县定级、因素权衡、指标连续”的原则进行史料量 化，研究了岷江流域各市、县的区域洪水灾害危险性分布特征。 水文和水力学方法在3 种方法中精度最高，随着计算机技术的发展，其优势将更加突出 将g i s 与水动力学方法相结合是今后进行洪水灾害危险性分析的趋势。水文和水力学方法通 过对洪水演进的进行数学模拟，能够计算出特定频率洪水，在洪水调度或工程失事情况下， 可能的淹没范围、深度、流速和历时等要素。欧美日在水文和水力学方法方面的研究较早， 从2 0 世纪7 0 年代开始编制全国洪水风险图，在媒体公开发表，或在商店公开出售。据民意 调查，有6 0 以上的被调查者看过洪水风险图，有9 0 的人认为公布风险图是有益的“一。 a n s e l m o 。等运用水文和水动力学方法对意大利某洪水易发区进行了洪水风险评估。我国从 2 0 世纪8 0 年代初开始这方面的研究。朱元“介绍了美国洪泛区洪水灾害风险评价的方法和 和风险管理措施；梅亚东“”描述了洪水在蓄滞洪区内动态演进的一维不恒定流模型和拟二维 不恒定模型：刘舒舒”等提出了建立在准二维流概念上的蓄水量演算模型；上述研究多采用 平面二维不恒定水沙模型进行模拟。在具体应用上，刘树坤、程晓陶、李娜、邢大韦等”一“ 分别对小清河、蒙洼、北金堤、孙口至艾山河段、东平湖、渭河下游等蓄滞洪区以及广州、 沈阳、海口、深圳、天津等城市进行了洪水演进模拟并进行了灾害洪水区划。李义天等对天 津七里海蓄滞洪区、欧阳晓红对永定河泛区、谭维炎等和胡四一等对洞庭湖洪泛区等进行了 模拟和风险分析3 7 4 2 1 。此外，浙江省和湖南省等 4 3 喇1 分别编制了“城镇洪水风险图，和“城 镇、大型水库洪水风险示意图”，并应用于实践。 区域洪水灾害危险性评价主要是对洪水灾害危险性的区域差异进行分析，并在此基础上 进行危险性区划。中国水旱灾害( 1 9 9 7 ) 将全国分成西部高寒地区、中部高原山区、东部 平原丘陵区三个大区，每个大区下又分为若干小区来探讨洪水灾害的区域特征。张行南等进 3 两南大学硕七学位论文 行了中国洪水灾害危险程度区划。周成虎等”一研究了基于g i s 的洪水风险区划问题，并以 辽河流域为例进行了洪水灾害危险性区划。李吉顺等”根据历史暴雨洪水灾害分省灾情资料， 通过构建“综合危险度”和“相对危险度”两种无量纲量，对全国洪水灾害的危险性进行评 估，并进行了全国暴雨洪水灾害风险区划。赵士鹏1 4 驯根据发生的原则、综合分析原则和为减 灾服务的原则，将全国划分为6 个洪水灾害一致性区域。汤奇成等一列采用标准面积最大洪峰 流量，编制了以县市为单位的中国洪水灾害危险程度图，并将全国划分为3 个1 级区和9 个2 级区。毛德华等“”进行了湖南省洪水灾害危险性区划，何报寅等u 研究了湖北省洪水灾害危 险性的区域差异。姜付仁等“指出区划层次应与区划指标相对应，洪水风险区划应当包括洪 水频率区划、洪水致灾特征区划和洪水灾害风险区划等基本层次。黄崇福等驯提出用多指标 的自然灾害模糊风险绘制风险区划图是自然灾害区划图的一个发展方向。 洪水灾害易损性是指一定社会经济条件下，特定区域各类承灾体在遭受不同强度洪水后 可能造成的损失程度。洪水灾害易损性评价指研究承灾体易于受到致灾洪水破坏、伤害或损 伤程度。洪水灾害易损性可以从物理、经济、社会和生态4 个侧面进行分析”。 r c c l 在区域承灾体易损性研究方面，蒋勇军等”“根据重庆市建国5 0 a 来的灾害统计资料，选 取灾害频数、灾害密度、经济g d p 损失模数、生命易损模数等易损性评价指标，对重庆市各 区县市的脆弱性和易损强度进行了综合评估，并结合g i s 技术对重庆市进行了易损度区划。 毛德华”“等对湖南省洪水灾害的脆弱性和湖南城市洪涝易损性进行了定量评价与分析。高吉 r r _ 1r 1 1 喜等”“也以洞庭湖地区为案例研究了洪水灾害易损性评价的问题。黄诗峰。对辽河流域洪水 r c 0 1 灾害进行了易损性评价。樊运晓“”选取人口密度、年末居住总户数、固有基础财富、城市建 成区密度、耕地面积密度、g d p 、生命线工程( 交通、通信、电力、油汽管道) 等评价指标 体系，利用a h p 方法确定脆弱性指标的权重值，建立了模糊综合评判、灰色聚类评判和物元 分析评判相结合的综合评判模型，计算了综合易损度。金菊良等。“探讨了基于遗传算法神经 网络在洪水灾害承灾体易损性中的应用。 洪水灾害灾情评价是对洪水造成的人员伤亡、经济损失、社会影响和生态环境影响等进 行评估分析。研究的主要内容包括评估指标体系、评价方法与手段研究等方面。灾度和灾损 率是衡量洪水灾害灾情常用的两个指标，灾度是自然灾害损失的绝对指标，灾损率是相对指 标，用来反映自然灾害损失占灾区经济生活和社会生产总量的比率。马宗晋等旧”人首先提出 了以灾害死亡人数和社会财产损失值双因子评估的灾度划分标准。随后有人增补了反映受灾 区域大小的指标( 如受灾面积、受灾人1 ：3 、受灾县数) 以及淹没范围和淹没历时等指标”1 ， 形成了3 因子或4 因子评估体系。灾度等级有的分为5 级：巨灾、大灾、中灾、小灾和微灾； 有的分为4 级：特大灾、大灾、中灾和轻灾。高庆华”训指出自然灾害评估指标系统包括自然 变异指标、自然灾害损失评价指标( 又包括直接经济损失和间接经济损失) 、减灾效益评价指 标、边际效益评价指标、成灾度的评价指标、单元成灾度的评价指标、分析性指标等。许飞 琼m 1 认为灾害损失评估指标体系由直接损失( 又分为人身伤害、财产物质损失、其他损失) 4 1 绪论 曼曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼皇量皇曼鼍曼曼曼皇皇皇皇孽| 1 1簟1 1 i lil l 鼍 和间接损失( 又包括间接经济损失和间接非经济损失) 两大类组成的3 层次指标系统。王静 爱等6 5 1 建立了自然灾害多度、灾次比、均灾比等指标。b u r t o n 6 6 等人认为频率、持续期、面 积范围、开始速度、空间扩散和时间扩散等指标适宜极端灾害事件程度的刻划。傅湘等建 立了包括人员伤亡损失、经济财产损失、生态环境损失与灾害救援损失四部分的洪水灾害损 失评估统一指标。王腊春等6 胡模拟了太湖流域典型灾害年( 1 9 9 1 ) 年的洪水灾害淹没范围和 灾害损失，并预测典型灾害年发生的情况下未来( 2 0 1 0 年) 的灾害损失。周寅康等6 9 枷3 探 讨了淮河流域洪涝的信息维和混沌特性。李春7 1 贝。指出综合灾害经济损失总量、区域调节承 受能力和灾后社会或部门追加投入总量的洪涝灾度评估方法，可对区域实际遭受洪水灾害的 破坏程度和影响程度做出科学、客观、合理的评估。向立云副从洪水灾害损失、损失率、保 护率、减灾率、防洪效益、风险分担率、风险转移率等层面，建立了宏观的洪水风险评价指 标体系。 近年来，一些新的理论与方法在洪水灾害风险评价中得到应用，促进了风险评价水平的 提高，如灰色系统理论方法、混沌理论方法、人工神经网络方法、模糊数学理论方法、极值 分布理论、遗传算法和投影寻踪方法等。 1 3 研究内容与方法 1 3 1 研究内容 本文从发生学的角度出发，运用g i s 技术和模糊数学方法，对重庆市洪水灾害进行风险 评价；主要内容有： ( 1 ) 介绍了洪水灾害系统及洪水灾害风险评价的一些基本理论，在此基础上，探讨了目前 进行洪水灾害风险评价的常用方法： ( 2 ) 介绍了模糊数学的基本理论与层次分析法( a h p ) 的基本原理，以及模糊综合评价法 实施的一般步骤： ( 3 ) 根据洪水灾害风险评价原理、指标选取原则、评价方法以及研究区实际情况，选取洪 水灾害风险评价指标，建立重庆市洪水灾害风险评价指标体系； ( 4 ) 洪水灾害风险评价各指标数据的获取及其量化分级，将模糊综合评价模型应用于洪水 灾害风险的评价，建立洪水灾害风险模糊综合评价模型； ( 5 ) 洪水灾害风险模糊综合评价模型在g i s 上的具体实现，使重庆市洪水灾害风险评价最 终结果能够可视化。 1 3 2 研究方法 ( 1 ) 历史文献法 查阅相关参考文献，理解洪水灾害风险评价基本理论，了解洪水灾害风险评价的研究现 状，借鉴前人成功研究方法。 5 两南大学硕七学位论文 ( 2 ) 模糊综合评价法 模糊综合评价是以模糊数学为基础，应用模糊关系的原理，将一些边界不清和不易定量 的因素定量化并进行综合评价的一种方法。洪水灾害风险评估中涉及到模糊现象、模糊概念 与模糊逻辑问题，利用模糊数学方法，就能将这些模糊问题定量化。 ( 3 ) 层次分析法( a h p ) 层次分析法，是从定性分析到定量分析综合集成的典型的决策分析方法，洪水灾害风险 评价是一个复杂多层次的问题，利用层次分析法，可以科学合理地确定各评价指标权重。本 研究中，将用层次分析法确定洪水灾害风险模糊综合评价模型中的权重向量。 ( 4 ) 地理信息系统( g i n ) 方法 洪水灾害风险评价涉及到天气因素、下垫面因素和社会经济发展状况等众多因素，这些 因素均具有较强的区域差异性，表现为具有空间特征的空间数据。g i s 作为空间数据采集、管 理、处理、分析、建模和显示的技术系统，为洪水灾害风险评价提供重要技术支撑。 1 3 3 技术路线 6 收集资料 上 上j士 降水因子地形因子水系因子植被因子社会经济因子 上 数据处理 l i 模糊综合评价法i - r 上上 重庆市洪水灾害危险重庆市洪水灾害易损 性模糊综合评价 性模糊综合评价 tt i 重庆市洪水灾害风险模糊综合评价模型 地理信息系统( g i s ) 1 =r i 重庆市洪水灾害风险图 l 图1 - 1 论文技术路线 f i g 1 - 1f l o wc h a r to f r e s e a r c h 2 洪水灾害风险评价概述 曼i=- mi|1 i 曼曼皇! 曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼舅曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼舅蔓皇 2 洪水灾害风险评价概述 2 1 洪水灾害 洪水给人类正常生活、生产活动带来的损失与祸患称为洪水灾害。洪水灾害与其他自然 灾害一样，是自然界与人类社会相互作用的产物。因此，一般来说，要形成自然灾害，必须 具备两大条件：第一，存在诱发灾害的因素( 即致灾因子) 及其形成灾害的环境( 即孕灾环 境) ；第二，洪水影响区有人类居住或分布有社会财产( 即承灾体) ，即使存在洪水，如果发 生在人迹罕至的地方，就不会给人类社会带来任何损失，故也不能称之为洪水灾害。因此， 洪水灾情的形成是由于致灾因子在一定的孕灾环境下作用于承灾体后而形成的。 洪水灾害是一个高度复杂系统，从系统论的观点来看，洪水灾害系统是致灾因子、孕灾 环境、承灾体与灾情四个子系统相互作用、相互影响、相互联系所形成的一个具有一定结构、 特征和功能的复杂系统，它们之间的因果关系可以用图2 1 来表示。洪水灾害系统具有比较突 出的特征，主要包括：系统组成的高维性、子系统间关联的复杂性、影响因素多样性、系统 的不确定性、系统的开放性、系统的动态性、系统的非线性等七个方面。因此，从系统科 学的角度来看，对于这样一个动态的复杂大系统，无论是用经典控制理论还是用传统的运筹 学方法来控制与管理，都不能完全解决问题，这势必要求我们运用新的概念和方法来综合分 析与探讨洪水灾害系统的模拟、预测、评估、决策方面的问题。 图2 - 1 洪水灾害系统 f i g 2 一lt h es y s t e mo ff l o o dd i s a s t e r 2 2 洪水灾害风险评价 2 2 1 洪水灾害风险评价的涵义 风险f r i s k ) 概念最早是在西方经济领域中被提出，现已广泛应用于环境科学、自然灾害学、 经济学、社会学、建筑工程学等领域。目前，学术界对“风险”的定义仍未完全统一，不同 的学者，基于不同的研究领域，对风险有着不同的定义：如1 8 9 5 年，美国经济学家j h a v n e s 在其著作m s ka sa l le c o n o m i cf a c t o r 中定义“风险”为损失的概率；1 9 0 1 年w i l i e r 在题为“风 险及保险的经济理论”博士论文中将“风险”定义为关于不愿发生事件的不确定性；奈特则 认为“风险”是“可测定的不确定性”；日本学者s a b u r oi k e d a 则认为风险是出于自然或人类 行为所导致的不利事件发生的可能性，并强调风险由两部分组成：不利事件发生的概率及不 7 两南大学硕十学位论文 利事件造成的后果；国际地科联( i u o s ) 滑坡研究组风险评价委员会则把风险定义为对健康 ( h e a l t h ) 、财产( p r o p e r 叻和环境( e n v i r o n m e n t ) 歹l 口 其中，其中a 为常数，厂( 功是不增函数，厂的选择不同对应不同的偏小型模糊分布：如降 半梯形分布、降半r 分布、降半正态分布等。 ( 2 ) 偏大型模糊分布 这类模糊集合适合于刻画“大”，“热”以及颜色的“浓”等偏向大的一方的模糊现象， 偏大型模糊分布，可表达成公式( 4 - 2 ) ： d ( x ) ： o ， x口(4-2) _ ( x ) 21 厂( x ) x 口 其中，其中口为常数，厂是不减函数，的选择不同可以得到不同的偏小型模糊分布： 如升半梯形分布、升半r 分布、升半正态分布、升半柯西分布等。 ( 3 ) 中间型( 对称型) 模糊分布 这类模糊集合适合于刻画“适中”，“温和”以及年龄的“中年”等处于中间状态的模糊 现象，其隶属函数可以通过偏大型模糊分布和偏小型模糊分布相结合来表示，下列三函数都 属中间型模糊分布： 矩形分布( 4 - 3 ) ： f o x - 口 心( 砷= l ax 0( 4 3 ) 0x a 1 4 对称梯形分布( 4 4 ) ： 4 模糊综合评价法 曼曼曼曼曼鼍曼量量量量舅皇曼曼曼曼曼曼皇鼍鼍i ii ii i i= _ 量 一( x ) = 正态分布( 4 5 ) ： x - a 一a 2 0 ( 4 4 ) 口l a 2 爿o ) - - e 一锻，其中口 0 ( 4 - 5 ) 4 2 3 权重系数 权重系数是论域中各个因素重要性程度的数学表示，从模糊集合的角度来看，权重系数 可以看成是评价论域中的各个因素相对于“重要性”的隶属度。多因素评价问题中权重的确 定，一般凭经验主观臆测，具有浓厚的主观色彩，合理性难以得到保证。数学方法科学严密， 并且逻辑性强，因此，应尽量使用数学方法来确定权重值，剔除确定权重时的主观成分，使 得权重比较符合客观事实。 确定权重的方法很多，主要包括专家经验估计法、调查统计法、层次分析法、模糊逆方 程法、序列综合法等。上述方法中，层次分析法在确定权重系数方面的准确性相对较好，其 所需数据量较少、评分花费的时间短、计算工作量小、易于理解和掌握，因而得到了广泛的 运用。本文将采用层次分析法来确定各评价因子的权重，下面将着重介绍一下层次分析法的 基本原理及其步骤。 层次分析法( t h e a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o e e e s ，简称a h p ) 是美国著名运筹学家匹兹堡大学教 授t l s a a t y 于七十年代中期提出的。层次分析法的基本原理是排序的原理，即最终将各方法 排出优劣次序，作为决策的依据。具体可描述为：层次分析法首先将决策的问题看作受多种 因素影响的大系统，这些相互关联、相互制约的因素可以按照它们之间的支配关系构成从高 到低的若干层次，从而构造递阶层次结构。然后请经验丰富的专家、学者、权威人士对各因 素两两比较重要性，再利用数学方法，对各因素层层排序，最后对排序结果进行分析，辅助 进行决策。 运用层次分析法解决问题的基本步骤如下： ( 1 ) 建立递阶层次结构 应用层次分析法( a h p ) 解决实际问题，首先明确要分析决策的问题，并把它条理化、层次 化，构建递阶层次结构模型。层次分析法( a h p ) 中典型的递阶层次结构一般由以下三个层次组 成： 目标层( 又称最高层) ：目标层只有一个元素，一般是分析解决问题时的预定目标、要求 1 5 x q x q o一q。吖一qo 吒一吒 吒一心 西南大学硕+ 学位论文 和理想结果等； 准则层( 又称中间层) ：准则层包括实现目标所涉及的所有中间环节，可以由若干个层次 组成，根据具体情形，准则层下可以设子准则，子准则层下还可再设更小的准则等； 方案层( 又称最低层) ：方案层是满足预定目标、要求和理想结果时可供选择的各种措施、 决策方案等。 图4 - 1层次分析法的递阶层次结构模型 f i g 4 1 h i e r a r c h i c a ll e v e ls t r u c t u r em o d e lo f a h p 图4 1 所示的递阶层次结构中，准则层( 子准则层) 元素可以支配子准则层( 方案层) 的 所有元素或是其中的部分子准则层( 方案层) 元素。递阶层次结构中的层次数取决于研究问 题的复杂程度及对结果要求的详尽程度，没有统一的规定。另外，各个层次中每个元素所支 配的下一层次的元素不宜太多，因为支配的元素越多，它们中两两之间的相对重要性越是不 容易判断。构建层次结构是层次分析法的第一步，其合理性直接取决于决策者对问题的认识 程度，对问题的解决起着非常重要的作用。 ( 2 ) 构造两两判断矩阵 在递阶层次结构中，如果下层元素对上层元素的重要性可以定量，其权重就可以直接确 定：如果问题比较复杂，下层元素对上层元素的重要性无法直接确定，那么可以通过两两比 较构造判断矩阵的方法来确定。其方法为：递阶层次结构中同一层次的两元素，对于上一层 元素，哪个更重要，重要程度如何，通常用标度1 - 9 来赋值，重要性标度值见下表4 1 。 1 6 围 圈 4 模糊综合评价法 曼曼曼曼曼暑曼曼曼曼曼鼍曼曼曼皇鼍曼鼍曼i i _ _ pn _l i , i ! n ili n 鼍 表4 - 1 重要性标度含义 t a b 4 1t h em e a n i n go f t h es c a l eo fi m p o r t a n c e 重要性标度含义 二者相比，同等重要 二者相比，前者稍显重要 二者相比，前者明显重要 二者相比，前者显著重要 二者相比，前者极其重要 前者重要性相对应的介于上述判断之间 菪前者与后者的重要性之比为疋则后者与前者的重要性之比为1 膻 设c 为某一准则，支配的所有方案层元素为u 1 , u 2 ，”。，那么将准则c 支配的1 1 个方 案之间进行相对重要性的两两比较，便得到一个两两比较判断矩阵彳= ( 口 ) 删，其中口 ，表示 方案对准则c 的重要性与方案甜对准则c 的重要性之间的比例标度。判断矩阵a 具备以 下性质： a f 0 ： 2 i 1 ； a “= 1 。 一般地，一 个n x n 阶的判断矩阵只需做旦型尘次比较判断即可，其他的比较判断根 据倒数关系可获得另外，若判断矩阵a 的所有元素满足口i 口，七= ，则称么= ( 口l ，) 脚为 一致性矩阵。 ( 3 ) 单一准则下元素相对权重的计算以及判断矩阵的一致性检验 权重的计算 判断矩阵彳对应于最大特征值k 的特征向量职经归一化后便得到同一层次相应因素 对于上一层次某因素相对重要性的权值。计算判断矩阵最大特征根和对应特征向量，并不需 要追求较高的精确度，这是因为判断矩阵本身有相当的误差范围。而且优先排序的数值也是 定性概念的表达，故从应用性来考虑也希望使用较为简单的近似算法。常用“和法”与“根 法”来近似地求解特征根，具体方法如下： “和法”求最大特征根和对应特征向量 1 7 良 擞 1 3 5 7 9 ， 侵 两南大学硕十学位论文 i 将矩阵么：( ) 。的每一列向量归一化得：瓦= l ； 口l i = l i i 对瓦按行求和得：谚：兰莎 ； j = l i i i 将形归一化，即有：形= ，则有特征向量：w = 一 形 谚 i = l i v 计算特征向量w = ： 呒 ： 呒 对应的最大特征根k 删值：k = 去喜等 “根法”求最大特征根特征向量近似值 i 将矩阵彳= ( a g ) 。的每一列向量归一化得：= 百l ； 一 口。 吩 t t 对归一化以后的列向量各元素按行懒”枷次方赚谚：睡矿矿r i i i 再将两归一化得：形：之生： 谚 ，。 、z lu 矿”l j = l 酾j = l i f = l 特征向量近似值：w - - - 计算歇特砜k = 丢喜字，作为最大特征根的近憾 彤 ： 致性检验 完成单准则下权重向量的计算后，必须进行一致性检验。由于客观事物复杂性与人们认 识多样性的存在，构造判断矩阵时，并不要求判断具有严格的传递性和一致性，即不要求所 有的a l ：口砖= 都成立，但判断矩阵应该满足大体上的一致性。例如，当x 比y 极其重要