考虑防洪工程安全性的防洪保护区洪水风险评价方法与流程

本发明属于水利工程中防洪保护区洪水风险评价方法，主要应用于评估受堤防工程保护的防洪保护区所面临的洪水风险，可作为防洪规划及管理、国土资源规划利用和洪水保险等工作的参考和依据，适用于已编制洪水风险图的防洪保护区的洪水风险评价。
背景技术：
洪水风险评价主要包括评价指标体系构建与评价方法选择两方面的内容。目前洪水风险评价多从危险性、暴露性和防灾减灾能力等方面构建评价指标体系，采用叠加法、排序法或加权综合评价法进行区域风险评价，尚未有文献提出针对防洪保护区的洪水风险评价方法。在应用已有的洪水风险评价方法评判防洪保护区的洪水风险时，由于未考虑防洪工程本身的安全程度对防洪保护区洪水风险的影响，评价结果与实际情况有较大出入。技术实现要素：本发明提供一种考虑防洪工程安全性的防洪保护区洪水风险评价方法，针对防洪保护区的洪水风险评价指标体系和各项评价指标相应于不同风险等级的划分标准，采用层次分析法计算各项指标权重，并采用模糊综合评价法评判防洪保护区各评价单元的洪水风险。本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：a)洪水风险等级划分将防洪保护区的洪水风险划分为4个等级，即极高风险、记为ⅰ级；高风险、记为ⅱ级；中风险、记为ⅲ级；低风险、记为ⅳ级；b)评价指标体系构建防洪保护区洪水风险评价指标体系包括目标层、准则层、因素层和指标层4个层级，目标层为洪水风险程度a；准则层由风险源危险性b1和承灾体易损性b2组成；因素层由4个因子构成，其中归属于风险源危险性b1的因子为防洪工程安全性c1与致灾因子危险性c2，归属于承灾体易损性b2的因子为承灾体暴露性c3与应对恢复能力c4；指标层共有13项指标，其中归属于防洪工程安全性c1的指标有防洪标准d1、筑堤材料d2、地质条件d3、河道弯曲率d4四项，归属于致灾因子危险性c2的指标有期望淹没水深d5、期望淹没历时d6、期望洪水流速d7三项，归属于承灾体暴露性c3的指标有人口密度d8、经济密度d9、耕地密度d10、路网密度d11四项，归属于应对恢复能力c4的指标有人均gdpd12、外部交通条件d13两项；c)评价指标计算及等级划分①指标计算洪水风险评价指标体系的指标层共有13项指标，其中定量指标有防洪标准d1、河道弯曲率d4、期望淹没水深d5、期望淹没历时d6、期望洪水流速d7、人口密度d8、经济密度d9、耕地密度d10、路网密度d11、人均gdpd12共10项，定性指标有筑堤材料d2、地质条件d3、外部交通条件d13共3项，各项定量指标的计算方法如下：ⅰ)防洪标准d1评价区域的防洪标准取与其相邻的堤防工程的现状防洪标准；ⅱ)河道弯曲率d4河道弯曲率即为沿河流中线两点间的实际长度与其直线距离的比值，计算公式如下：式中：kr——评价河段的河道弯曲率；lr——评价河段沿河流中线的实际长度，单位是km；ll——评价河段首尾两点间的直线距离，单位是km；ⅲ)期望淹没水深d5评价单元的期望淹没水深采用下式计算：式中：——评价单元的期望淹没水深，单位是m；p0——现状防洪标准相应的频率；hp——洪水发生频率为p时的淹没水深，单位是m；——洪水发生的频率；——洪水发生频率为时的淹没水深，单位是m；np——洪水风险图编制时选取的低于p0的频率个数；ⅳ)期望淹没历时d6评价单元的期望淹没历时采用下式计算：式中：——评价单元的期望淹没历时(h)；p0——现状防洪标准相应的频率；tp——洪水发生频率为p时的淹没历时，单位是h；——洪水发生的频率；——洪水发生频率为时的淹没历时单位是h；np——洪水风险图编制时选取的低于p0的频率个数；ⅴ)期望洪水流速d7评价单元的期望洪水流速采用下式计算：式中：——评价单元的期望洪水流速，单位是m/s；p0——现状防洪标准相应的频率；vp——洪水发生频率为p时的洪水流速，单位是m/s；——洪水发生的频率；——洪水发生频率为时的洪水流速，单位是m/s；np——洪水风险图编制时选取的低于p0的频率个数；ⅵ)人口密度d8人口密度是指区域人口总数与区域面积之比，采用下式计算：式中：dp——评价区域人口密度，单位是人/km2；tp——评价区域总人口，单位是人；sa——评价区域面积，单位是km2。ⅶ)经济密度d9经济密度是指区域国民生产总值与区域面积之比，采用下式计算：式中：de——评价区域经济密度，单位是万元/km2；tg——评价区域国内生产总值，单位是万元；sa——评价区域面积，单位是km2；ⅷ)耕地密度d10耕地密度是指区域耕地面积与区域面积之比，采用下式计算：式中：df——评价区域耕地密度，单位是km2/km2；tf——评价区域耕地面积，单位是km2；sa——评价区域面积，单位是km2；ⅸ)路网密度d11路网密度根据国家测绘局出版的1:50000数字线划图的交通道路图层采用下式计算：式中：dr——评价区域路网密度；sa——评价区域面积，单位是km2；nr——评价区域道路类别数；——第ir类道路的权重系数；——评价区域第ir类道路的长度，单位是km；不同等级道路的权重系数参照《公路工程技术标准》、《铁路线路设计规范》确定，具体数值见表1；表1不同等级道路权重系数道路类别铁路高速公路一级道路二级道路三四级道路其它道路权重系数2.01.251.00.8750.3750.25ⅹ)人均gdpd12人均gdp是指区域国民生产总值与区域人口总数之比，采用下式计算：式中：gp——评价区域人均gdp，单位是万元/人；tg——评价区域国内生产总值，单位是万元；tp——评价区域总人口，单位是人；②指标等级划分防洪保护区不同风险等级相应各分级指标的值域见表2，其中定性指标的不同等级指标值域均统一为[0.75，1.0]、[0.5，0.75)、[0.25，0.5)、[0，0.25)；表2洪水风险等级与指标分级标准表2中各项定性指标的等级划分方法及依据如下：ⅰ)筑堤材料d2筑堤材料根据其材料特性分为以下4个等级：ⅰ级，砂土与粉土；ⅱ级，壤土与黏土；ⅲ级，砌石；ⅳ级，钢筋混凝土；ⅱ)地质条件d3包括以下3类：①堤基存在软弱夹层或软弱结构面，存在潜在的抗滑稳定问题；②堤基渗透性较强，容易引起渗透稳定性问题；③堤基存有古河道、暗沟、井窖、杂填土问题；地质条件的划分标准根据以上3项条件判断：ⅰ级，同时存在上述3类问题；ⅱ级，同时存在上述2类问题；ⅲ级，仅存在上述1类问题；ⅳ级，不存在上述问题；ⅲ)外部交通条件d13防洪保护区外部交通条件按以下标准分级：ⅰ级，县级以下道路通达；ⅱ级，省道与县道通达；ⅲ级，高速公路与国道通达；ⅳ级，航空与铁路通达；d)指标权重确定方法采用层次分析法计算各项评价指标的权重，包括下列步骤：步骤1：依据洪水风险评价指标体系建立递阶层次结构；步骤2：对各指标之间进行两两对比，然后排定各评价指标的相对优劣顺序，依次构造出评价指标的判断矩阵；步骤3：由判断矩阵计算被比较元素对于该准则的相对权重，并进行判断矩阵的一致性检验；步骤4：计算各层次对于系统的总排序权重，并进行一致性检验；e)风险综合评价方法采用模糊综合评价法对防洪保护区各评价单元的洪水风险程度进行评价，包括下列步骤：步骤1：确定评价因素集u＝{u1,u2,…,un}，其中u1,u2,…,un为评价单元的n项评价指标；步骤2：确定评语等级集，即风险等级评判指标体系中各分级指标不同等级值域，如表3所示；表3洪水风险等级与分级指标值域表风险等级ⅰ级ⅱ级ⅲ级ⅳ级指标值域[d,e][c,d)[b,c)(a,b)注：表3中各项指标不同等级值域的上下限值a、b、c、d、e的具体数值见表2；步骤3：根据以下隶属函数计算评价单元洪水风险分级评判矩阵r的各个元素数值。式中：ui——评价单元第i项指标的数值；a、b、c、d、e——第i项指标相应各风险等级的界值；n——指标体系中的指标项数；步骤4：确定评价因素的权重模糊集a＝{a1,a2,…,an}，其中a1,a2,…,an为由层次分析法确定的各项评价指标的权重；步骤5：根据权重模糊集a和分级评判矩阵r，采用线性变换方法得到洪水风险分级综合决策向量b：b＝a×r步骤6：根据向量b各分量的大小，按照最大隶属度原则确定评价单元的洪水风险等级；g＝iifbi＝max(b1,b2,b3,b4)式中：g——评价单元的洪水风险等级；当向量b中出现两个相等的最大分量bi，bj时，有bi＝bj＝max(b1,b2,b3,b4)(j>i)则取g＝i。本发明的优点是：a)国内外文献资料表明，针对防洪保护区的洪水风险评价方法还未见报道，也无应用实例，因此本发明填补了防洪保护区洪水风险评价方法的空白，为防洪保护区洪水风险评价提供了合理可靠的方法。b)本发明从灾害学角度出发，考虑防洪工程安全性对防洪保护区洪水风险的影响，构建了完整的防洪保护区洪水风险评价指标体系，可以科学评估防洪保护区的洪水风险，是防洪保护区洪水风险评价方法的重大突破。c)本发明采用层次分析法确定指标的权重能够反映评价指标间的相对重要性差异，采用模糊综合评价法进行风险评价与防洪保护区洪水风险具有不确定性的特点更为适应。附图说明图1是本发明防洪保护区洪水风险评价指标体系图；图2(a)是本发明应用例中辽浑、浑太防洪保护区部分指标分布图中的防洪标准图；图2(b)是本发明应用例中辽浑、浑太防洪保护区部分指标分布图中的期望淹没水深图；图2(c)是本发明应用例中辽浑、浑太防洪保护区部分指标分布图中的期望淹没历时图；图2(d)是本发明应用例中辽浑、浑太防洪保护区部分指标分布图中的人口密度图；图3是本发明应用例中辽浑、浑太防洪保护区洪水风险等级图。具体实施方式包括下列步骤：a)洪水风险等级划分将防洪保护区的洪水风险划分为4个等级，即极高风险、记为ⅰ级；高风险、记为ⅱ级；中风险、记为ⅲ级；低风险、记为ⅳ级；b)评价指标体系构建防洪保护区洪水风险评价指标体系包括目标层、准则层、因素层和指标层4个层级，目标层为洪水风险程度a；准则层由风险源危险性b1和承灾体易损性b2组成；因素层由4个因子构成，其中归属于风险源危险性b1的因子为防洪工程安全性c1与致灾因子危险性c2，归属于承灾体易损性b2的因子为承灾体暴露性c3与应对恢复能力c4；指标层共有13项指标，其中归属于防洪工程安全性c1的指标有防洪标准d1、筑堤材料d2、地质条件d3、河道弯曲率d4四项，归属于致灾因子危险性c2的指标有期望淹没水深d5、期望淹没历时d6、期望洪水流速d7三项，归属于承灾体暴露性c3的指标有人口密度d8、经济密度d9、耕地密度d10、路网密度d11四项，归属于应对恢复能力c4的指标有人均gdpd12、外部交通条件d13两项；评价指标体系的层级具体见图1；c)评价指标计算及等级划分①指标计算洪水风险评价指标体系的指标层共有13项指标，其中定量指标有防洪标准d1、河道弯曲率d4、期望淹没水深d5、期望淹没历时d6、期望洪水流速d7、人口密度d8、经济密度d9、耕地密度d10、路网密度d11、人均gdpd12共10项，定性指标有筑堤材料d2、地质条件d3、外部交通条件d13共3项，各项定量指标的计算方法如下：ⅰ)防洪标准d1评价区域的防洪标准取与其相邻的堤防工程的现状防洪标准；ⅱ)河道弯曲率d4河道弯曲率即为沿河流中线两点间的实际长度与其直线距离的比值，计算公式如下：式中：kr——评价河段的河道弯曲率；lr——评价河段沿河流中线的实际长度，单位是km；ll——评价河段首尾两点间的直线距离，单位是km；ⅲ)期望淹没水深d5评价单元的期望淹没水深采用下式计算：式中：——评价单元的期望淹没水深，单位是m；p0——现状防洪标准相应的频率；hp——洪水发生频率为p时的淹没水深，单位是m；——洪水发生的频率；——洪水发生频率为时的淹没水深，单位是m；np——洪水风险图编制时选取的低于p0的频率个数；ⅳ)期望淹没历时d6评价单元的期望淹没历时采用下式计算：式中：——评价单元的期望淹没历时(h)；p0——现状防洪标准相应的频率；tp——洪水发生频率为p时的淹没历时，单位是h；——洪水发生的频率；——洪水发生频率为时的淹没历时单位是h；np——洪水风险图编制时选取的低于p0的频率个数；ⅴ)期望洪水流速d7评价单元的期望洪水流速采用下式计算：式中：——评价单元的期望洪水流速，单位是m/s；p0——现状防洪标准相应的频率；vp——洪水发生频率为p时的洪水流速，单位是m/s；——洪水发生的频率；——洪水发生频率为时的洪水流速，单位是m/s；np——洪水风险图编制时选取的低于p0的频率个数；ⅵ)人口密度d8人口密度是指区域人口总数与区域面积之比，采用下式计算：式中：dp——评价区域人口密度，单位是人/km2；tp——评价区域总人口，单位是人；sa——评价区域面积，单位是km2。ⅶ)经济密度d9经济密度是指区域国民生产总值与区域面积之比，采用下式计算：式中：de——评价区域经济密度，单位是万元/km2；tg——评价区域国内生产总值，单位是万元；sa——评价区域面积，单位是km2；ⅷ)耕地密度d10耕地密度是指区域耕地面积与区域面积之比，采用下式计算：式中：df——评价区域耕地密度，单位是km2/km2；tf——评价区域耕地面积，单位是km2；sa——评价区域面积，单位是km2；ⅸ)路网密度d11路网密度根据国家测绘局出版的1:50000数字线划图的交通道路图层采用下式计算：式中：dr——评价区域路网密度；sa——评价区域面积，单位是km2；nr——评价区域道路类别数；——第ir类道路的权重系数；——评价区域第ir类道路的长度，单位是km；不同等级道路的权重系数参照《公路工程技术标准》、《铁路线路设计规范》确定，具体数值见表1；表1不同等级道路权重系数道路类别铁路高速公路一级道路二级道路三四级道路其它道路权重系数2.01.251.00.8750.3750.25ⅹ)人均gdpd12人均gdp是指区域国民生产总值与区域人口总数之比，采用下式计算：式中：gp——评价区域人均gdp，单位是万元/人；tg——评价区域国内生产总值，单位是万元；tp——评价区域总人口，单位是人；②指标等级划分防洪保护区不同风险等级相应各分级指标的值域见表2，其中定性指标的不同等级指标值域均统一为[0.75，1.0]、[0.5，0.75)、[0.25，0.5)、[0，0.25)；表2洪水风险等级与指标分级标准表2中各项定性指标的等级划分方法及依据如下：ⅰ)筑堤材料d2筑堤材料根据其材料特性分为以下4个等级：ⅰ级，砂土与粉土；ⅱ级，壤土与黏土；ⅲ级，砌石；ⅳ级，钢筋混凝土；ⅱ)地质条件d3包括以下3类：①堤基存在软弱夹层或软弱结构面，存在潜在的抗滑稳定问题；②堤基渗透性较强，容易引起渗透稳定性问题；③堤基存有古河道、暗沟、井窖、杂填土问题；地质条件的划分标准根据以上3项条件判断：ⅰ级，同时存在上述3类问题；ⅱ级，同时存在上述2类问题；ⅲ级，仅存在上述1类问题；ⅳ级，不存在上述问题；ⅲ)外部交通条件d13防洪保护区外部交通条件按以下标准分级：ⅰ级，县级以下道路通达；ⅱ级，省道与县道通达；ⅲ级，高速公路与国道通达；ⅳ级，航空与铁路通达；d)指标权重确定方法采用层次分析法计算各项评价指标的权重，包括下列步骤：步骤1：依据洪水风险评价指标体系建立递阶层次结构；步骤2：对各指标之间进行两两对比，然后排定各评价指标的相对优劣顺序，依次构造出评价指标的判断矩阵；步骤3：由判断矩阵计算被比较元素对于该准则的相对权重，并进行判断矩阵的一致性检验；步骤4：计算各层次对于系统的总排序权重，并进行一致性检验；e)风险综合评价方法采用模糊综合评价法对防洪保护区各评价单元的洪水风险程度进行评价，包括下列步骤：步骤1：确定评价因素集u＝{u1,u2,…,un}，其中u1,u2,…,un为评价单元的n项评价指标；步骤2：确定评语等级集，即风险等级评判指标体系中各分级指标不同等级值域，如表3所示；表3洪水风险等级与分级指标值域表风险等级ⅰ级ⅱ级ⅲ级ⅳ级指标值域[d,e][c,d)[b,c)(a,b)注：表3中各项指标不同等级值域的上下限值a、b、c、d、e的具体数值见表2；步骤3：根据以下隶属函数计算评价单元洪水风险分级评判矩阵r的各个元素数值。式中：ui——评价单元第i项指标的数值；a、b、c、d、e——第i项指标相应各风险等级的界值；n——指标体系中的指标项数；步骤4：确定评价因素的权重模糊集a＝{a1,a2,…,an}，其中a1,a2,…,an为由层次分析法确定的各项评价指标的权重；步骤5：根据权重模糊集a和分级评判矩阵r，采用线性变换方法得到洪水风险分级综合决策向量b：b＝a×r步骤6：根据向量b各分量的大小，按照最大隶属度原则确定评价单元的洪水风险等级；g＝iifbi＝max(b1,b2,b3,b4)式中：g——评价单元的洪水风险等级；当向量b中出现两个相等的最大分量bi，bj时，有bi＝bj＝max(b1,b2,b3,b4)(j>i)则取g＝i。下边通过具体应用例来进一步说明本发明的效果。应用本发明进行辽浑、浑太防洪保护区的洪水风险评价，步骤如下：a)研究区概况与数据来源辽浑、浑太防洪保护区地处辽宁省腹地，由辽干铁岭至盘山闸左岸、浑河大伙房至三岔河左右岸、太子河辽阳至三岔河右岸4处防洪保护区组成，跨越铁岭、抚顺、沈阳、盘锦、辽阳共5个市，防洪保护区面积8926km2，总人口285.99万人，耕地面积711.45万亩。洪水风险评价所需数据可分为4类：一是防洪标准、筑堤材料和地质条件，均与防洪工程相关，主要来自各市县水利主管部门；二是期望淹没水深和期望淹没历时，是依据研究区洪水风险图编制成果计算所得；三是人口密度、耕地密度、经济密度和人均gdp，摘自于各市县的统计年鉴；四是河道弯曲率、路网密度与外部交通条件，采用研究区1:50000数字线划图数据统计。由于研究区的洪水风险图编制成果中未包含淹没区洪水流速，本案例不考虑期望洪水流速对洪水风险的影响。b)评价单元选取及指标值计算本案例以辽浑、浑太防洪保护区洪水风险图编制时二维水力学模型的网格剖分单元作为基本评价单元，网格形状为不规则四边形。为获取各评价单元的防洪工程安全性指标，需将其从线状要素转化为面状要素。与多段堤防邻接的乡镇，可取危险性最高堤段的防洪工程安全性评价指标值；与单段堤防邻接的乡镇，取该堤段的防洪工程安全性评价指标值；其余乡镇可取所在流域内距其最近堤段的防洪工程安全性评价指标值。将以乡镇行政区划为基本单元的各类统计资料(用于表征承灾体易损性和应对恢复能力)及各乡镇防洪工程安全性指标评价结果输入到gis软件平台，采用空间插值方法即可得到各评价单元的各项指标值。洪水风险图编制时洪水分析均以网格为基本单元，因此致灾因子危险性所属各项指标不需进行空间插值。防洪标准、期望淹没水深、期望淹没历时与人口密度四项主要评价指标的空间插值结果见图2(a)～(d)。c)指标权重确定通过调查，采用层次分析法计算指标层各评价指标相对于目标层的权重，权重计算结果及排序情况见表4；表4指标层权重计算结果及总排序由于本案例未考虑期望洪水流速对洪水风险的影响，在进行辽浑、浑太防洪保护区洪水风险评价时，将该项指标的权重按比例分摊至同属于致灾因子危险性因素的其余两项指标。d)洪水风险的模糊综合评判采用模糊综合评价法，根据选定的隶属度函数计算各评价单元洪水风险分级评价矩阵，将权重模糊集和各评价单元的评价矩阵通过模糊合成运算得到各评价单元洪水风险分级综合决策向量，按照最大隶属度原则找出各评价单元决策向量中分量最大者，其对应的等级即为评价单元洪水风险等级，辽浑、浑太防洪保护区洪水风险评价结果见图3。当前第1页12