一种基于多态系统理论的山洪灾害风险评价方法

摘要

本发明涉及一种基于多态系统理论的山洪灾害风险评价方法。包括：收集资料；山洪灾害现状调查；对影响因素划分等级；建立模型；确定不同风险等级。通过收集整理以小流域为单元的水文、地形地貌等基础信息，充分运用GIS、卫星遥感、水文分析计算等技术手段，提取相关数据，结合山洪灾害现场调查资料，进行小流域暴雨洪水分析、评价山洪威胁居民区山洪灾害现状防御能力、科学划分沿河村落危险区，并通过分析评价，较为全面和准确地掌握山洪灾害危险区小流域暴雨洪水基本特征以及人员与财产分布情况，分析暴雨、山洪与灾害之间的关系，分析沿河村落、集镇与城镇的可能导致山洪灾害发生的临界雨量，为进一步提高山洪灾害防治能力和社会经济持续发展提供支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于多态系统理论的山洪灾害风险评价方法，是一种防灾减灾的水文评测方法。

背景技术

山洪灾害是指由于降雨在山丘区引发的暴涨暴落洪水及由山洪引发的泥石流、山体滑坡、崩塌等对国民经济和人民生命财产造成重大损失的灾害。我国山丘面积大，自然地质地貌条件复杂，再加上人类活动的影响，导致山洪灾害频繁发生，严重制约着山区经济的发展。由于我国山洪灾害防治区面积广阔，类型多样，成因复杂，山洪灾害防治需要把握不同区域的特点，因地制宜地制定防洪减灾措施。

现在许多学者利用GIS和RS等技术对研究区的危险性和易损性进行定性、定量分析，从而得到山洪灾害风险区划图。但由于研究区资料的局限性，各影响因子在指标分级和权重确定方面还存在人为因素的影响，在一定程度影响着评价结果的准确性。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于多态系统理论的山洪灾害风险评价方法。所述方法将各种被研究地区的各种数据，特别是降雨数据，作为概率影响因子，并对各个概率影响因子进行计算，确定各研究区域的不同风险等级。

本发明的目的是这样实现的：一种基于多态系统理论的山洪灾害风险评价方法，所述的方法包括如下步骤：

收集资料的步骤：用于对研究地区划分研究单元，收集每个研究单元的水文气象、地形地质、土壤植被、河流水系、社会经济的各方面情况，以及降雨、DEM、土壤类型、土地利用、人口数据、社会经济指标的各项数据，特别是降雨数据的收集；

山洪灾害现状调查的步骤：用于对被研究地区的山洪灾害现状进行深入调查，调查该地区山洪灾害发生的原因，并对山洪灾害特点进行分析；

对影响因素划分等级的步骤：用于根据研究区域山洪灾害成因，将各影响因素划分为不同等级；

建立模型的步骤：用于根据多态系统理论，建立山洪灾害风险评价模型；对致灾因子和孕灾环境的各个因子串联或并联，形成危险性评价，同时将承载体的各个因子并联或串联，形成易损性评价，之后将危险性评价和易损性评价串联，进行危险性和易损性概率计算，计算公式如下：

对于由k个概率不相等的M+1（M=3）态元件组成的串联系统，不同危险状态的概率为R_s，由公式计算：

（1）

对于由k个概率不相等的M+1（M=3）态元件组成的并联系统，不同危险状态的概率为R_p，由公式计算：

（2）

式中：R_p0、R_p1、R_p2、R_p3和R_s0、R_s1、R_s2、R_s3对于危险性评价模型来说分别表示系统处于极高危险状态、高危险状态、中等危险状态、低危险状态的概率；对于易损性评价模型来说分别表示系统处于极高损失状态、高损失状态、中等损失状态、低损失状态的概率；

其中，不同元件不同状态下的面积比率q_i可用公式计算：

q_i=>_i>>>

式中：i=0，1，2，3；S_i>S为研究单元的面积；

确定不同风险等级的步骤：用于根据风险概率的计算结果，确定各研究区域的不同风险等级。

进一步的，所述的降雨数据的收集为：

对于降雨资料丰富的地区可采用实际降雨数据，对于无资料地区采用暴雨图集法、地区暴雨经验公式法、“铁一院”法之一。

进一步的，所述的确定各研究区域的不同风险等级的方式如下：

各个R_p0、R_p1、R_p2、R_p3和R_s0、R_s1、R_s2、R_s3的计算结果列表；

在列表中找到R_p0、R_p1、R_p2、R_p3和R_s0、R_s1、R_s2、R_s3的最大值；

以最大值所在的排位，确定风险为主要状态值；

以主要状态的值小者为高风险状态，以主要状态的值大者为低风险状态。

本发明产生的有益效果是：通过收集整理以小流域为单元的水文、地形地貌等基础信息，充分运用GIS、卫星遥感、水文分析计算等技术手段，提取相关数据，结合山洪灾害现场调查资料，进行小流域暴雨洪水分析、评价受山洪灾害威胁居民区的现状防御能力、科学划分沿河村落（含城镇、集镇）危险区；并通过分析评价，较为全面和准确地掌握山洪灾害危险区小流域暴雨洪水基本特征以及人员与财产分布情况，分析暴雨、山洪与灾害之间的关系，分析沿河村落、集镇与城镇的可能导致山洪灾害发生的临界雨量，为进一步提高山洪灾害防治能力和社会经济持续发展提供支撑。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）现有山洪灾害评价技术，在确定各指标权重过程中，受人为因素影响较大。而本发明在一定程度上排除人为因素的干扰，使评价结果更为精确。

（2）现有山洪灾害评价研究区域主要集中在大尺度、资料丰富地区。本研究适用于山区无资料地区。

（3）该技术充分利用ArcGis相关分析功能，在一定程度上解决了资料获取难的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述方法的流程图；

图2是本发明的实施例一所述具体实例中的山洪评价模型示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种基于多态系统理论的山洪灾害风险评价方法，流程如图1所示。本实施例所述的方法包括如下步骤：

（一）收集资料的步骤：用于对研究地区划分研究单元，收集每个研究单元的水文气象、地形地质、土壤植被、河流水系、社会经济的各方面情况，以及降雨、DEM、土壤类型、土地利用、人口数据、社会经济指标的各项数据，特别是降雨数据的收集。

关于降雨数据的收集，对于降雨资料丰富的地区可采用实际降雨数据，对于无资料地区可采用暴雨图集法、地区暴雨经验公式法、“铁一院”法等方法。具体根据研究区域资料，确定计算方法。其他因素可根据目的性、独立性、可靠性、代表性及资料获取的难易程度等相关原则确定。

本实施例以某研究区以A省B县为例，以各乡镇为研究单元，收集降雨、DEM、土壤类型、土地利用、人口数据、社会经济指标（GDP）等。对于除降雨外的指标，根据相关原则来确定。对于降雨因素来说，因为B县地处无实测洪水资料地区，因此采用由设计暴雨推求设计洪水的方法。主要使用“铁一院”法，并以地区暴雨经验公式法对其结果进行复核。并针对不同土壤含水情况，确定研究区域的准备转移预警雨量和立即转移预警雨量。本发明以立即转移预警雨量作为降雨指标。

（二）山洪灾害现状调查的步骤：用于对被研究地区的山洪灾害现状进行深入调查，调查该地区山洪灾害发生的原因，并对山洪灾害特点进行分析。

各个研究区域存在着不同的山洪形成的原因和灾害的特点，不能一概而论的进行分析研究，必须深入该地区，根据地形地貌特点、植被情况等因素，特别是降雨的特点，对山洪灾害发生的原因，以及产流的特点，进行具体分析。

（三）对影响因素划分等级的步骤：用于根据研究区域山洪灾害成因，将各影响因素划分为不同等级。以降雨因素为例进行分级说明，在一定时间内降雨量越大，越容易引发山洪灾害，确定的危险等级越高。降雨量越小，越不容易引发山洪灾害，确定的危险等级就越低。具体划分范围，可根据研究区的具体情况而定。

本实施例的实际举例中将与山洪灾害风险评价相关的因素按其对山洪灾害形成作用程度及发生灾害造成损失程度的不同，划分为：0级（极高）、1级（高）、2级（中等）、3级（低）4种状态。

（四）建立模型的步骤：用于根据多态系统理论，建立山洪灾害风险评价模型。根据对多态系统串、并联系统的研究，建立山洪灾害风险评价多态系统的串联系统和并联系统不同状态概率的计算模型。

将降雨因素作为山洪灾害风险评价的致灾因子，孕灾环境本底系统由高差、坡度、坡向、土壤类型等相关元件并联构成，致灾因子与孕灾环境本底系统相串联构成山洪灾害危险性评价模型。由人口、经济指标（GDP）、土地利用类型等相关元件并联构成山洪灾害易损性评价模型。由危险性评价模型与易损性评价模型相串联构成山洪灾害风险评价模型。

基于多态系统理论，对致灾因子和孕灾环境的各个因子串联或并联，形成危险性评价，同时将承载体的各个因子并联或串联，形成易损性评价，之后将危险性评价和易损性评价串联，进行危险性和易损性概率计算，计算公式如下：

对于由k个概率不相等的M+1（M=3）态元件组成的串联系统，不同危险状态的概率为R_s，由公式计算：

（1）

对于由k个概率不相等的M+1（M=3）态元件组成的并联系统，不同危险状态的概率为R_p，由公式计算：

（2）

式中：R_p0、R_p1、R_p2、R_p3和R_s0、R_s1、R_s2、R_s3对于危险性评价模型来说分别表示系统处于极高危险状态、高危险状态、中等危险状态、低危险状态的概率；对于易损性评价模型来说分别表示系统处于极高损失状态、高损失状态、中等损失状态、低损失状态的概率；

其中，不同元件不同状态下的面积比率q_i可用公式计算：

q_i=>_i>>>

式中：i=0，1，2，3；S_i>S为研究单元的面积。

本实施例的实际举例将B县山洪灾害危险性评价指标中选择降雨作为致灾因子，孕灾环境因素由相对高差、坡度、坡向、土壤类型4个元件并联构成。易损性评价指标由人口、经济指标（GDP）、土地利用类型3各元件并联构成。因此，将致灾因子、孕灾环境、承灾体相串联构成了B县山洪灾害风险评价模型，如图2所示。

通过以上模型计算出各个不同的风险概率。

（五）确定不同风险等级的步骤：用于根据风险概率的计算结果，确定各研究区域的不同风险等级。

应用风险概率的计算结果进行风险等级的评估可以有多种方式，例如：列表法，公式方法、曲线法等。

本实施例的实际举例采取列表法。根据上述相关步骤计算所得B县各乡镇不同风险等级结果，见表1。

表1 B县各乡镇山洪灾害风险等级

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例关于降雨数据收集方法。本实施例所述的降雨数据的收集为：

对于降雨资料丰富的地区可采用实际降雨数据，对于无资料地区可采用暴雨图集法、地区暴雨经验公式法、“铁一院”法等方法。

其中，“铁一院”法是适用于集水面积在100km²以下的小流域暴雨洪水计算方法，此方法综合考虑了产流、坡面汇流和河网汇流三个因素，计算成果精度较高。地区暴雨经验公式法是一种统筹考虑了暴雨和下垫面因素的地区性经验公式，多用于对其他方法计算的设计洪峰流量的校核计算。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于确定各研究区域的不同风险等级方式的细化。本实施例所述的确定各研究区域的不同风险等级的方式如下：

各个R_p0、R_p1、R_p2、R_p3和R_s0、R_s1、R_s2、R_s3的计算结果列表；

在列表中找到R_p0、R_p1、R_p2、R_p3和R_s0、R_s1、R_s2、R_s3的最大值；

以最大值所在的排位，确定风险为主要状态值；

以主要状态的值小者为高风险状态，以主要状态的值大者为低风险状态。

以表1为例：横行为一个乡的风险概率和损失概率，纵列为各个乡或镇（研究单元）的名称。表中C乡的风险概率的最大值为：0.5860，为3级，则确定主要状态值为3。比较主要状态值，可以得到以下结论：

N乡处于极高风险状态；F镇、G乡、J乡处于高风险状态；D乡、H镇、I乡、K乡、P乡处于中等风险状态；C乡、E乡、L镇、M镇处于低风险状态。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如数据收集的方式、公式的选择、运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。