基于防灾规划的城市自然灾害风险评估研究.pdf
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1、 5096基于防灾规划的城市自然灾害风险评估研究*燕群 蒙吉军 摘要：近年来，随着各种自然灾害的频发，城市安全受到了极大冲击。城市自然灾害风险评估是指分析自然灾害发生的概率和灾害发生后可能造成社会、经济、城市建设和环境等各方面的损失，以及损失程度的空间分布。城市自然灾害风险分析与评估关系到城市灾害预警、预案，灾害风险管理，城市防灾规划等诸多方面，是城市安全和人类安身的基础。城市自然灾害风险评估具有评估过程的多灾种研究与评估结果的时空表达等特点。本文从城市防灾规划的需要出发，综述了目前国内外城市自然灾害风险辨识、风险分析、风险评估的方法和模型。服务于城市防灾规划，首先，城市自然灾害风险分析与评估
2、工作应搭建时空桥梁，强化自然灾害风险评估成果在城市防灾规划中的应用；其次，多灾种风险评估服务于综合规划，单灾种风险评估服务于专项规划；再次，要完善评估模型，合理运用 GIS、RS 等技术。关键词：防灾规划；城市自然灾害风险；评估与分析 近年来，随着各种自然灾害的频发，城市安全受到了极大冲击。如 2010 年西南五省遭遇 60 年来最严重的特大干旱，青海省玉树发生的 7.1 级地震，以及甘肃省舟曲县发生的特大泥石流城市自然灾害风险成为国内外研究的焦点1，2。目前，国内外对灾害风险的理解大致上存在两种不同观点：一是将风险看成是灾害可能引起损失的大小；一是将风险看成是灾害引起某一程度损失的概率大小3
3、，4。联合国将自然灾害风险定义为，在一定区域和给定时段内，由于特定的自然灾害而引起的人民生命财产和经济活动的期望损失值5。自联合国 1987 年将 1990-2000 年确定为“国际减灾十年”以来，国内外关于城市防灾规划的研究做了大量的工作，大致可分为宏观、中观、微观三个层面。宏观层面包含城市综合防灾机构与预警制度6、城市灾害风险分析与评估7、灾害发生后应急对策8；中观层面包含城市综合防灾空间布局9，10和城市防灾体系自身布局11；微观层面则主要是防灾工程规划1213。城市灾害风险分析与评估是针对城市灾害现状制定预警制度和应急管理措施的基础，为城市综合防灾布局以及城市防灾体系自身布局提供现状基
4、底，同时是编制和实施防灾工程规划的前提。城市灾害风险分析与评估的结果还可运用于农业生产、保险行业、项目可行性分析等多个领域14-17。目前，国内外对城市自然灾害评估方法的研究较多，但多数未涉及评估结果的应用。本文针对城市防灾规划中城市自然灾害风险的分析与评估方法进行了研究进展的总结与分析。50971 基于城市防灾规划的城市自然灾害风险分析与评估的特点 1.1 基于城市防灾规划的城市自然灾害风险分析与评估的内涵基于城市防灾规划的城市自然灾害风险分析与评估的内涵 灾害是地球表层孕灾环境、致灾因子、承灾体综合作用的产物 18。目前，我国城市面临的自然灾害主要有地震、洪涝、干旱、台风、冰雹、滑坡、泥石
5、流、沙尘暴等19。张明媛等用“城市承灾能力”来评估多种灾害对城市的作用及城市受灾后的综合反应20，刘智用“城市抗灾力”从城市脆弱性和危机弹性两个方面建立城市抗灾力度量模型21。相比之下，城市自然灾害风险评估更侧重于城市内部灾害风险分析及区划，但与以上二者也有相同之处，例如，城市承灾能力中的“抗灾能力”与“易损性”同样是承灾体的属性，区别在于分别是该属性的正反两个方面12。结合城市防灾规划的要求，本文将城市自然灾害风险评估的内涵界定为：自然灾害（致灾因子）发生的概率和灾害发生后可能造成社会、经济、城市建设和环境等各方面的损失，以及损失程度的空间分布。1.2 基于城市防灾规划的城市自然灾害风险分析
6、与评估的特点基于城市防灾规划的城市自然灾害风险分析与评估的特点（1）评价过程的多灾种研究 针对目前我国城市防灾规划编制方法存在的灾种偏少、手段单一、缺乏评估内容、缺乏协调机制等问题，2006 年开始实施的新版城市规划编制办法强调城市“综合防灾”。但是，国内外对城市灾害风险评估的研究主要集中在单一灾种方面，如地震22、滑坡23、地裂缝24、洪灾25、火灾等26。1949 年以来，我国在气象、地震、海洋、洪水、地质、农、林等 7 大类自然灾害的减灾工作方面，形成了自成一体的监测、预报、防灾、抗灾、救灾、援建的工作管理系统，为减灾作出了重大贡献，但无论是减灾能力还是管理水平上，与发达国家相比还有一定
7、的差距25。由于一种灾害的发生通常会伴随或者引致其他灾害的发生，单一灾种的研究已经无法满足城市防灾减灾的需要，灾害链、灾害群等概念逐渐成为城市自然灾害综合防治的关键27。目前，我国多数城市自然灾害分析评估都不是多灾种的综合评估，使得防灾规划大都按单灾种评估结果进行内容和要点的罗列，导致城市防灾规划的实际指导意义不大。（2）评价结果的时空表达 城市自然灾害风险评估结果的时空表达可直接为城市防灾规划提供依据。从空间尺度来看，目前国内城市自然灾害风险评估的结果主要分为四种类型：一是对从全市尺度的评估，结果主要用于不同城市之间或同一城市不同灾种之间的横向对比28，29；二是以一定的行政边界为统计单元的
8、评估，尺度较大的有针对市域范围的分县市成果表达30和市区范围的分区成果表达31，尺度较小的有精确到社区和街道的成果表达28；三是以地理信息栅格 5098为评价单元、无明显行政界限的评估32，借助 RS、GIS 等技术与数学评估模型的耦合33。从时间尺度来看，一方面，作为概率分布的一种，自然灾害风险分析和评估应该建立在历史数据分析和自然演变规律总结的基础上；另一方面，分析与评估结果应适当对未来进行预测，分别为短期、中期、长期防灾规划服务。2 基于城市防灾规划的城市自然灾害风险分析与评估流程 2.1 城市自然灾害风险评估模型城市自然灾害风险评估模型 目前，国内外应用较广泛的灾害风险分析与评估模型主
9、要有 UNDRO 模型34、NOAA 模型35、EPC 模型36、FEMA 模型37、SMUG 模型38、APELL 模型39等（表 1）。各模型共有的特点体现在：首先，都适用于多个空间尺度（城市、地区、社区等）；其次，均考虑了多种灾种，且主要反映可能引发重大灾难的危险因素；再次，根据具体情况选择合适的评估方法，且方法反映了灾害事件发生的可能性和后果；最后，风险评估结果对风险管理和减灾计划有重要指导价值。其中，UNDRO 模型具有强调空间特性、综合全面分析、评估专业性强等优点，最能突出基于城市防灾规划的灾害风险分析与评估的特点40。表 1 城市自然灾害风险分析与评估模型对比 Tab1.The
10、comparison of urban natural disaster risk analysis and assessment models 模型 来源 步骤 优点 缺点 UNDRO 联合国救灾组织 识别危险脆弱性评价风险评估风险分级风险叠加经济影响 评估方法严谨、精确度高；分析过程综合全面；专业性强，评估过程吸纳了多方专家；强化空间特性，提出了“发生地点判断”优于“发生可能性判断”的观点。对数据要求较高；技术门槛较高；评估过程公众参与度较低。NOAA 美国国家海洋大气局 危险辨识危险区分析关键设施分析社会分析经济分析环境分析减灾机会分析结果总结 考虑对灾害链的分析；建立了风险计算的定量公
11、式。对 GIS 依赖性较大；对不同灾害危险区的评价标准不统一。EPC 加拿大 维护危险清单灾害评价与分级内部因素风险评价外部因素风险评价脆弱性评估风险叠加与排序 灾种全面；应用门槛低，便于在公众中传播。评估方法过于简单，评估模型稳定性不够；历史数据评估方法不全。FEMA 美国联邦应急管理署 灾害发生历史脆弱人群最大威胁区可能性分析风险评分风险阈值 危险辨识重视公众参与；风险综合评估引入各因素权重因子。确定危险因素、脆弱性的方法具有模糊性；权重确定、成果分级方法的科学性有待提升。SMUG 澳大利亚严重程度分析管理能将“管理能力”纳入衡量风险忽略危害后果及脆 5099灾害协会 力分析紧急程度分析风
12、险概率分析发生态势预测综合评分 的重要因素；危险分析中引入“紧急程度”评价。弱性评价；公众参与度不够，受专家主观影响明显。APELL 联合国环境规划署工业和环境规划中心 确定目标危险分析事件类型危害目标后果分析与分级可能性分析评估总结 方法简便，易于操作；将“预警系统”作为影响风险的重要因素。对脆弱性的认识和评价不够深入；灾种和危险因素涵盖不全且定义模糊。2.2 基于城市防灾规划的自然灾害风险分析与评估流程构建基于城市防灾规划的自然灾害风险分析与评估流程构建 在 UNDRO 模型的基础上，构建基于城市防灾规划的自然灾害风险分析与评估流程（图1），其中，自然灾害风险辨识、自然灾害风险分析、自然灾
13、害风险评估是该流程的主要组成部分。图 1 基于城市防灾规划中自然灾害风险分析与评估流程 Fig1.The Process of natural disaster risk analysis and assessment based on urban disaster prevention plan （1）风险辨识 城市自然灾害风险辨识是指确定规划范围内的灾害风险管理对象和目标，在地质地貌、水文、气象调查基础上，明确孕灾环境和致灾因子；在经济社会调查的基础上，明确承灾体。承灾体是区域社会经济系统的总称，反映了不同城市因政治制度、经济体制、人口数量、文化差异，相同致灾强度的致灾因子造成影响的差异4
14、1。自然灾害风险辨识是搜集资料、建风险分析致灾因子分析暴露性分析脆弱性分析GIS 工具 RS 工具 明确区域范围数据搜集与处理风险辨识风险评估城市防灾规划城市自然灾害综合评估 对接城市总体规划 协调单项防灾规划 灾害风险评估支持系统 风险分级 风险叠加经济影响 5100立数据库、确定方法和标准、科学进行风险分析与评估的前提。（2）风险分析 城市自然灾害风险分析的目的是要系统地认识、恰当地描述、正确地估测灾情，并制定对策以便有效调控灾情的状态。灾情是灾害系统中各子系统相互作用的产物，在多灾种共存的城市自然灾害系统中，单种灾害集中发生形成的灾害群及其诱发的次生衍生灾害形成的灾害链交织在一起，具有综
15、合性、复杂性等特点。基于城市防灾规划的自然灾害风险分析一般通过致灾因子分析、暴露性分析和脆弱性分析三个方面来实现。（3）风险评估 城市自然灾害风险评估是建立在风险辨识和风险分析基础上的自然风险定量过程，它是进行风险分级、风险叠加、经济影响分析的前提。自然灾害风险评估从时间角度可以分为灾前预评估、灾时跟踪评估和灾后评估三个阶段；从空间特征考虑可以分为点评估、面评估和区域评估三个层次；从项目维度可以概括为灾害风险评估、损失评估、生态环境评估和防灾工程的减灾效应评估等。（4）城市防灾规划 基于城市自然灾害多灾种综合评估的结果，结合城市规划编制办法的要求，强调防灾规划与城市总体规划对接，注重防灾规划成
16、果与其他专项规划相协调，完善灾害风险评估支持系统42。由于城市防灾规划具有空间尺度特性，相应地，自然灾害风险分析与评估的尺度也与研究区的比例尺、空间分辨率相对应，一般分为市级、区级（建成区）、社区级 3 个尺度。除基本的自然、社会、经济统计资料以外，不同尺度对应不同遥感数据源（表 2）28。表 2 基于城市防灾规划的城市自然灾害风险分析与评估尺度 Tab2.The scale of urban natural disaster risk analysis and assessment based on urban disaster prevention plan 尺度 比例尺 行政单元 遥感数
17、据源 分辨率 大尺度 1：50 万-1：10 万市域 MODIS，Landsat 等 250-30m 中尺度 1：10 万-1：1 万 城区 航片、SPOT 等 30-5m 小尺度 1：1 万-1：1 千 社区 IKONOS，Quickbird 等 5m 以下 3 基于城市防灾规划的城市自然灾害风险分析 3.1 致灾因子分析致灾因子分析 致灾因子是指可能造成财产损失、人员伤亡、资源与环境破坏、社会系统紊乱等孕灾环境中的异变因子，是导致灾害发生的直接原因。致灾因子的选择应坚持针对性、综合性、全面性原则。从风险的角度出发，致灾因子的致灾程度可用式（1）表达43：5101(,)Hf M P=公式 1
18、 式中：H-Hazard 指风险源的危险性；M-Magnitude 指风险源的变异强度；P-Possibility指自然灾变发生的概率。一般从灾害引发因素、致灾因子空间分布、致灾因子作用周期、致灾因子等级和强度以及致灾因子概率分析几个方面衡量致灾因子的致灾程度 44。王静爱等19曾从多样性、被灾频次、相对综合致灾强度三个方面分析致灾因子的区域分异。张俊香等曾分别应用直方图法、信息扩散法和内集-外集模型评估方法，进行了致灾因子风险分析45。杨秋珍等提出了气象致灾因子危险度及点面相结合的模型来诊断致灾因子的危险性46。致灾因子分析一方面为灾害风险评估提供基础；另一方面为城市选址提供依据；此外还可从
19、空间尺度上为城市多因子自然灾害综合区划提供参考 28。3.2 暴露性分析暴露性分析 暴露性反映的是暴露于自然灾害风险下的承灾体数量，与特定致灾因子作用于空间的危险地带有关。暴露性和脆弱性的本质区别在于脆弱性是承灾体本身的属性，而暴露性是致灾因子与承载体相互作用的结果。城市规划中的自然灾害风险暴露性分析应该从多个空间尺度，依次进行风险区确定、风险暴露要素（承灾体）分析、暴露要素评估。宏观尺度可以将居民区、城市、流域等作为暴露要素，微观尺度可以将建筑物、机场等作为暴露要素28。暴露性分析一般包括基础资料搜集、实地调查、价值估算三个步骤。价值估算的方法有重置成本法47、市场比较法48、成本法、剩余法
20、等。其中，重置成本法是最常见的建筑物暴露性的价值估算方法，指对城市建筑物财产按重置成本的方法来评估其暴露的价值量（公式2），其他三种方法主要针对环境要素类承灾体（土地资源、水资源等）。建筑物现值=重置价格（1-残值率）成新度+残值率建筑面积 公式 2 式中：重置价格指在当前建筑工艺、材料价格及人工费用情况下，重新建造该建筑物所需要的费用评估值；残值率指遭受自然灾害侵袭后的建筑物残值与建筑物造价的比值，其数值可以参考国家相关技术规定；成新度指建筑物的新旧程度，其数值可参考国家相关技术规定。3.3 脆弱性分析脆弱性分析 IPCC 对脆弱性的定义是：一个系统，其子系统和系统的组成部分在外界压力（胁迫
21、和干扰）下受到损害的可能程度49。国内相关研究主要从不同空间尺度50-51和不同灾种52-53的角度入手，通过建立评估指标体系54或绘制脆弱性曲线55来分析脆弱性强度。国际相关组织提出定量脆弱性的各种指标，包括环境脆弱性指标（EVI）56、环境永续性 5102指标（ESI）57、灾害风险评估指标（DRI）58等。但是，这些指标均侧重系统的自然属性，基于城市防灾规划的自然灾害风险分析，应该在考虑城市自然地理条件的基础上，结合城市社会经济属性，以及人类在面对灾害时的学习和适应能力，建立分析和评估模型（图 2）。图 2 基于城市防灾规划的城市自然灾害风险脆弱性分析框架 Fig2.The framew
22、ork of urban natural disaster risk analysis and assessment based on urban disaster prevention plan 脆弱性曲线一般被用于描述承灾体受到灾害时损害的程度，又叫脆弱性函数或灾损（率）函数或灾损（率）曲线，常运用于城市防灾规划中的建筑物脆弱性分析55。建立脆弱性曲线的关键在于，首先对建筑及内部财产进行分类、总价值估算、损失价值估算；其次，针对每类承灾体，将损失绝对值、单位面积损失或损失率作为因变量，建立其与灾害强度参数的关系，以表格或散点图（趋势线）的方式来描述。4 基于城市防灾规划的城市自然灾害风险评
23、估方法（1）概率和统计方法 运用概率和统计方法计算灾害风险的理论依据是灾害的随机不确定性。该方法在灾害研究中的应用包括灾害极值推断、异常事件的频数分布、等级排序统计等59。该方法一般通过极大似然估计、经验贝叶斯估计等来实现60。该方法主要适用于大尺度范围内台风、暴雨、洪灾、泥石流、地震等的灾害风险评估。（2）指数方法 指数是综合反映由多种因素组成的现象在不同时间或空间条件下平均变动的相对数。它主要表现为动态相对数形式，即以基期为 100 来表示报告期相对于基期的数值。在城市自然经济基础数据完备的情况下易于计算，常用于台风、地震等主要城市自然灾害类型61。（3）层次分析法 压力（暴露）状态（敏感
24、性）响应（恢复脆 弱 性 经济社会系统 冲突 调整 适应 地质、地貌、气候、水文 生物-物理环境压力 人口、资源、社会、经济 经济社会环境压力 政治、文化减灾政策 关键设施 危险辨识 危险区分析 自然生态系统 经济社会条件 自然环境条件 5103层次分析法（简称 AHP）是一种定量与定性相结合的评估方法，它通过对诸因子的两两比较、判断、赋值，得到一个判断矩阵，从而将人的主观判断用数量形式进行处理和表达62，能充分反映城市规划过程中人类主观能动性的发挥，因此，层次分析法是城市规划中自然灾害风险评估过程中的重要综合评估方法。但是，与模糊数学评估法、加权综合评估法类似，该方法可能出现主观性主导而导致
25、的误差。（4）模糊评估法 模糊评估法的基本出发点是解决承灾体因受各种不确定因素的影响而形成的模糊性。模糊评估法包括模糊综合评估法和模糊聚类法两种，前者主要根据模糊关系原理，将一些边界不清而不易定量的因素定量化并进行综合评估 63。后者弥补了传统聚类方法“非此即彼”的弊端，常用于灾害风险区划64。（5）灰色系统评估法 灰色系统评估法包括灰色关联度法和灰色综合评估法。前者应用灰色聚类法划分灾害风险等级，是灾害风险区划的常用方法 65。后者是在信息不充分不完全的情况下，对系统或因子在某一时段所处状态，进行半定性半定量的评估与描述的方法。该方法可操作性强，但颇受争议66。（6）人工神经网络评估法 人工
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