2. 国家卫星气象中心遥感应用试验基地,南宁 530022;
3. 南京信息工程大学地理与遥感学院,南京 210044
2. Remote Sensing Application and Validation Base of National Satellite Meteorological Center, Nanning 530022;
3. School of Geography & Remote Sensing, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044
自然灾害脆弱性评价是防灾减灾的一项重要措施,已成为自然灾害研究热点问题[1]。自然灾害脆弱性评价包括自然脆弱性与社会脆弱性两个方面,自然脆弱性是描述自然环境变化的基础,社会脆弱性则是描述人类特性变化的基础,两者结合使对灾害及环境冲击的研究更加完整[2]。因此,台风灾害承灾体脆弱性评价是自然生态与社会经济承灾体对遭受台风破坏时自身发生损毁的脆弱程度的评定。目前,国内外台风灾害承灾体脆弱性研究已取得一些成果[3-11]。其研究理论方法日渐丰富,逐步从主观向客观、不确定性向确定性、非定量化向定量化发展。台风灾害是链发式复杂行为过程,对其承灾体脆弱性评价的难度较大,但从评价的精准定量化和业务化层面看,尚需进一步探讨,其主要表现在三个方面:(1)评价指标体系多考虑社会经济因素,较少关注自然生态因素;(2)评价承灾体多为宏观统计数据,缺乏客观空间化数据;(3)评价尺度多以县域或地市行政区为单元,缺乏精细像元尺度的评价。
广西位于华南沿海,灾害性台风天气频发[12-14]。据统计,影响广西的台风平均每年4~5个;广西地处云贵高原向东南沿海丘陵过渡地带,周边高、中间低,形似盆地,山地多,平原少,岩溶广布;人口主要集中在沿海地区,桂西北较少;桂南和桂东北经济较发达,桂西北相对落后;石漠化、水土流失分布面积广,强度大,自然生态脆弱。特殊的自然环境条件和复杂的社会经济差异,导致广西生态系统和社会承受台风灾害的脆弱性增强,给及时准确评估台风灾害增加了难度。本文在前人研究基础上,从台风灾害承灾体生态可持续发展和精细化评价出发,构建耦合自然生态和社会经济的台风灾害承灾体脆弱性指标体系,运用基于地理信息系统(Geographic Information System,GIS)的风险指数法,实现像元尺度的广西台风灾害承灾体脆弱性等级精细化客观评价,期望为广西生态、经济可持续发展和采取台风防灾减灾对策提供科学依据。
1 数据处理与研究方法 1.1 数据来源与处理因2010年影响广西的台风数量多,且各种相关数据完整,所以在评价广西台风灾害承灾体脆弱性时,仅用了该年资料。
1.1.1 生态遥感本底数据生态遥感本底数据主要包括2010年空间分辨率为30 m的广西林地、灌草地、耕地、建设用地(城镇用地、工矿用地、居民地、道路)、水体、水土流失、石漠化等,其获取技术方法详见文献[15]。利用GIS的重采样技术,将广西生态遥感本底数据升尺度为100 m分辨率的栅格数据,投影方式为兰伯特投影。
1.1.2 地理信息数据地理信息数据包括广西1:250 000的境界、道路、行政区点等数据,由广西气象信息中心提供。基于道路矢量数据,采用GIS的线密度空间分析模块,计算广西道路密度。栅格数据空间分辨率及投影方式同1.1.1节。
1.1.3 社会经济空间化数据社会经济空间数据由中国科学院地理科学与资源研究所提供,主要包括2010年广西公里网格人口空间分布数据集和广西GDP空间分布数据集。考虑到人口空间分布数据集与城市人口密度、交通状况、地形及总量等四个因子密切相关,而GDP空间分布数据集与土地利用类型密切相关,本文采用GIS技术,将社会经济空间数据转换为点图层,运用普通克里金插值法将社会经济空间数据降尺度为100 m分辨率的栅格数据,投影方式同1.1.1节。
1.2 研究方法根据广西台风灾害对自然、社会和经济等承灾体应对台风的狂风、暴雨洪涝、风暴潮等致灾因子打击的固有敏感性,基于因子选择的主导性、稳定性、代表性、差异性等原则,选择自然生态脆弱、社会经济脆弱为评价指标体系,采用基于GIS的风险指数评价法,实现广西台风灾害承灾体脆弱性评价。首先,以GIS地理空间数据库为基础,采用地理模型分析方法进行数据库管理和空间分析,获取承灾体脆弱性空间表达指标图层;然后,利用专家经验打分法确定指标脆弱程度,再运用层次分析法(AHP)确定各因子的权重;最后,采用加权综合评价法建立评价模型,形成综合定量化指标进行评价。
AHP是一种定性与定量分析相结合的多目标决策分析方法。用其确定各因子权重时,首先,建立评价因子层次结构模型,确定上下层次之间因子的隶属关系;然后,基于1-9标度法,通过两两对比确定评价因子各指标的重要性,构造两两比较判断矩阵,再计算判断矩阵的最大特征根及对应的特征向量;最后,将向量归一化得到权重值,并验证判断矩阵的一致性,其表达式[16]为
$ CI = \frac{{{\lambda _{{\rm{max}}}}-n}}{{n-1}} $ | (1) |
$ CR = \frac{{CI}}{{RI}} $ | (2) |
式(1)-(2)中,CI为一致性值,λmax为最大特征根,n为判断矩阵的阶数,RI为平均随机一致性指标。当CR<0.1时,一般认为判断矩阵的一致性可以接受,否则判断矩阵应作适当修正。
加权综合评价法综合考虑了各个具体指标对评价因子的影响程度,把各具体指标的作用大小综合起来,用一个数量化指标来表示,其计算式[17]如下
$ V = \sum\limits_{i = 1}^n {{W_i} \cdot {D_i}} $ | (3) |
$ {D_i} = \frac{{{A_i}}}{{{\rm{ma}}{{\rm{x}}_i}}} $ | (4) |
式(3)-(4)中,V是评价因子的指数;Wi是指标i的权重;Di是指标i的归一化值;n是评价指标个数;Ai是第i个指标值;maxi分别是第i个指标值中的最大值。
2 结果与分析 2.1 台风灾害承灾体脆弱性指标体系影响台风灾害承灾体脆弱性的主导因素存在区域差异性。广西西北部主要为山地和喀斯特地貌,其中,喀斯特地貌占全区总面积的37.8%。该区域台风灾害脆弱性的主要影响因素是植被类型、石漠化、水土流失等自然生态和生态气象灾害。广西东南部主要为平地、丘陵地貌,其中,平地占全区总面积的26.9%。该区域交通便利、经济发达、人口密集,影响台风灾害脆弱性的主要因素是暴露在台风中的人口密度、工农业生产和财富分布等社会经济条件。因此,广西台风灾害承灾体脆弱性指标体系(A)主要包括自然生态(B1)和社会经济(B2)两大指标体系,其中,自然生态脆弱性指标选择了土地覆被类型、水土流失、石漠化等指标;社会经济脆弱性指标选择了人口密度、道路密度、地均GDP等指标,详见表 1。
不同承灾体受台风灾害威胁存在较大差异。根据专家经验打分方法,规定量值从0.5~1.0脆弱性依次增加,获得广西台风灾害承灾体脆弱性指数值。森林、灌草等植被覆盖度高,具有强烈的水土保持功能和阻挡大风能力,生态脆弱性小,其指数分别为0.5和0.6;河流、湖泊、水库等水体受台风的狂风暴雨袭击后,洪水易泛滥,河岸地貌易破坏,水库湖泊池塘淤积,河床垫高缩窄,河道阻塞,生态脆弱性较大,其指数为0.7;裸地无植被覆盖,水土保持功能差,易造成水土流失,生态修复困难,生态脆弱性较大,其指数为0.8;农用地遭受台风打击后,易被冲毁、掩埋,面积减少,农作物受灾,粮食减产,土地环境恶化,生态脆弱性强,其指数为0.9;建设用地是公路、建筑、桥梁、水利水电等基础设施的高度密集区,易造成交通瘫痪、房屋倒塌、设施损毁,城市自然生态系统自我维持和修复功能弱,生态脆弱性极强,其指数为1.0。水土流失、石漠化地区表土裸露,松石嶙峋,受台风袭击易造成溪河洪水、滑坡和崩塌、泥石流等地质灾害,生态脆弱性较强,其中,水土流失生态脆弱性强度分为轻度、中度、强度、极强度等4个等级,其指数分别为0.5、0.7、0.9、1.0;石漠化生态脆弱性强度分为潜在、轻度、中度、重度4个等级,其指数分别为0.5、0.6、0.8、0.9。人口、道路等社会承灾体密度越大、GDP等经济承灾体财富越密集,则暴露于台风中越多,越容易遭受台风灾害,社会经济脆弱性越强。人口密度分5个等级,从低到高其脆弱性指数分别为0.5、0.6、0.7、0.9、1.0;道路密度也分5等级,从低到高其脆弱性指数分别为0.5、0.6、0.7、0.9、1.0;地均GDP同样分5个等级,从低到高其脆弱性指数分别为0.5、0.6、0.7、0.9、1.0 (表 1)。
2.2 台风灾害承灾体脆弱性评价模型关注人类社会经济损失固然重要,但自然生态系统与人类社会经济系统共同承受台风灾害侵扰,这对台风灾害的破坏力有缓冲或减轻作用。因此,自然生态系统脆弱性增强,易加重台风灾害对人类社会的损害。根据AHP,建立广西台风灾害承灾体脆弱性评价指标判断矩阵见表 2。
A-B矩阵λmax为1.998 0,特征向量为(1.090 8,0.907 2),CR=-0.003 5(< 0.1),满足一致性检验,归一化得到权重为(0.54,0.46)。B1-C层判断矩阵λmax为3.000 0,特征向量为(1.714 3,0.857 1,0.426 8),CR=0.000 0(< 0.1),满足一致性检验,归一化得权重为(0.58,0.26,0.16)。B2-C层判断矩阵λmax为3.001 5,特征向量为(1.380 6,0.957 2,0.663 7),CR=0.001 3(< 0.1),满足一致性检验,归一化得权重为(0.46,0.32,0.22)。将B1、B2层归一化后的权重在层次A下再次归一化后,得到广西台风灾害承灾体脆弱性的6项指标权重总排序见表 3。
本文耦合自然生态因素和社会经济因素的相互作用,采用加权综合评价法构建基于GIS的广西台风灾害承灾体脆弱性评价模型。即
$ \begin{array}{l} {V_{\rm{C}}} = {\rm{ }}0.31{V_{{\rm{C1}}}} + {\rm{ }}0.14{V_{{\rm{C2}}}} + {\rm{ }}0.09{V_{{\rm{C3}}}} + {\rm{ }}0.21{V_{{\rm{C4}}}} + \\ 0.15{V_{{\rm{C5}}}} + {\rm{ }}0.10{V_{{\rm{C6}}}} \end{array} $ | (5) |
式(5)中,VC为台风灾害承灾体脆弱性综合指数;VC1为土地覆被类型生态脆弱性指数;VC2为水土流失生态脆弱性指数;VC3为石漠化生态脆弱性指数;VC4为人口密度社会脆弱性指数;VC5为地均GDP经济脆弱性指数;VC6为道路密度社会脆弱性指数。
2.3 台风灾害承灾体脆弱性等级评价根据台风灾害承灾体脆弱性指标体系及其模型,采用GIS技术,获得空间分辨率为100 m的广西台风灾害承灾体脆弱性综合指数分布,并利用自然断点法将广西台风灾害承灾体脆弱性划分为高、次高、中等、次低和低等5级脆弱区,其结果见图 1。
基于图 1,对广西14个地级市不同等级承灾体脆弱区域面积及其比重进行统计,其结果详见表 4。
从图 1和表 4中可见出,广西台风灾害承灾体高脆弱区和次高脆弱区其综合指数(VC)大于0.57,主要分布在桂南和桂东南的北海市、钦州市、南宁市、贵港市和玉林市,面积分别占全市的70.5%、38.0%、45.9%、45.8%,占全区总面积的25.9%。该地区主要以盆地、平原为主,有南宁盆地、宾阳平原、合浦平原、钦州平原、郁江平原、南流江三角洲等,道路密集,城市建设发展迅速,人口承载量大,产业发达,社会经济脆弱性强,土地覆被类型主要为农用地,耕地密度大,植被覆盖度小,水土流失较严重,自然生态脆弱性强。
中等脆弱区和次低脆弱区的指数为0.43~0.57,主要分布在桂北的河池市、桂西北的百色市、桂西的崇左市、桂中的来宾市,面积分别占全市的48.4%、32.0%、37.5%、37.8%,占全区总面积的29.5%。该地区主要的以丘陵、石山为主,交通不发达,人口承载量较小,产业较落后,社会经济脆弱性较小,土地覆被类型主要为灌草,土地石漠化较严重,生态脆弱性较强。
低脆弱区的指数小于0.43,主要分布在桂东的梧州市、桂东北的贺州市、桂林市、柳州市、桂西北的百色市、桂南的防城港市,面积分别占全市的78.0%、67.4%、53.9%、52.7%、55.3%、58.7%,占全区总面积的45.6%。该地区主要以山地为主,有大桂山、海洋山、越城岭、天平山、九万大山、都阳山、凤凰山、岑王老山、十万大山等,交通落后,人口稀少,产业落后,社会经济脆弱性小,土地覆被类型主要为林地,植被覆盖度大,水土流失强度小,生态脆弱性最小。
根据上述结果,可以有针对性采取相关措施。对自然生态易损区而言,应积极调整农业结构,提高植被覆盖度,加强石漠化和水土流失治理;对社会经济脆弱区而言,应适度控制人口增长,优化产业结构,加强城市生态建设,提高基础设施抗台风能力。
3 结论与讨论本文基于自然灾害风险评估理论和方法,构建了耦合自然生态因素和社会经济因素的广西台风灾害承灾体脆弱性指标体系,实现了像元尺度的广西台风灾害承灾体脆弱性等级定量化客观评价。主要结论如下:
(1) 广西台风灾害承灾体脆弱性指标体系较好地反映了承灾体的受灾程度由自然生态的易损程度和社会经济的暴露程度决定;承灾体的自然生态因素和社会经济因素相互作用、相互影响,社会经济越发达的地区,越易增加自然生态脆弱性。
(2) 广西台风灾害承灾体脆弱性评价模型较好地描述了基于精细像元尺度的自然生态和社会经济空间量化指标内部的空间细节变异信息及其抵抗台风灾害的贡献程度,也说明基于GIS的风险评价方法能综合分析问题,客观准确,易于理解,方便操作。
(3) 广西台风灾害承灾体脆弱性区域差异较为明显,高脆弱性区域主要分布在桂南、桂东南高暴露于台风灾害的建设用地和生态易损的农用地、水土流失严重的裸地,低脆弱性区域主要分布在桂东、桂东北、桂西北、桂西社会经济落后和植被覆盖度较高的山区。
目前台风灾害承灾体脆弱性评价尚无统一评价体系。本文虽做了一些探索性研究,但仍存在若干问题:此评价中仅用单一年份资料,未能对其脆弱性作动态评价;由于社会经济数据空间变化不确定性因素很多,台风灾害社会经济承灾体脆弱性评价的精准度有待提高;自然生态脆弱性还包括生态恢复力,本研究中尚未考虑植被净初级生产力(NPP)、植被生态服务价值等;基于GIS技术的评价模型,其指标脆弱程度、权重的确定存在主观性;仅用一年数据,对其区划结果未作可靠性检验。今后,将在该脆弱性评价模型的基础上,除考虑台风路径、强度、频率等因素作台风危险性评价外,还要收集多年台风灾情数据进行对比验证,不断完善评价指标体系、优化评价模型,使对广西台风灾害的脆弱性和危险性评价更加符合实际。
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