天津市区及近郊区地面沉降灾害风险评估与区划_胡蓓蓓

基于以上认识, 自然灾害风险数学计算公式为:
Dr= f (H , V, R) 式中: Dr- 灾害风险; H - 危险性; V- 易损性; R - 防 灾减灾能力。
2. 2 GIS 空间分析方法 主要运用 ArcGIS 空间分析中的内插分析、重分类和
栅格运算等。内插分析( Interpolate to Raster) 对矢量点数据 进行内插产生栅格数据, 每个栅格的值根据其周围( 搜索 范围) 的点的值计算。ArcGIS 栅格分析模块中, 通过栅格 插值运算生成表面主要有三种实现方式: 反距离权重插值 ( IDW) 、样条函数插值( Spline) 和克里克插值( Kriging) 。重 分类( Reclassify) 即基于原有数值, 对原有数值重新进行分 类整理从而得到一组新值并输出; 重分类一般包括新值替 代、旧值合并、重新分类和空值设置四种基本类型。栅格
摘要 风险评估与区划是灾害管理的重要内容。本文对 1985- 2005 年累计地面沉降量、加权算术平均速率和地下水开采强度三 个因
子进行分析和叠加评价, 完成了天津市区及近郊区地面沉降灾害危险性分区图; 以人口密度、单位面积 GDP 和建设用地比重作为指标
进行了易损性分析; 从每平方公里水准测量公里数、地下水压采量占开采量的百分比和城市化水平这三个方面考虑防灾减灾能 力; 在
中图分类号 U456. 33
文献标识码 A
文章编号 1002- 2104(2008) 04- 0028- 07
地面沉降是在自然和人为因素作用下, 由于地壳表层 土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种缓变性地质 灾害, 是一种不可补偿的永久性环境和资源损失, 是地质 环境系统破坏所导致的恶果[1] 。国内外对地面沉降的研 究主要集中在成因分析、监测方法、经济损失评估、时空分 布、预测、危害及防治对策等领域[ 2~ 7] 。有些学者对地面 沉降危险性分级标准进行了探讨[ 8~ 9] ; 部分学者采用模糊 数学层次分析法和相应的指标体系对广州市地面沉降危 险性进行了评价[ 10] ; Ki- Dong Kim 等运用 GIS 技术[ 11] 评 估了废弃地下煤矿的地面沉降危害性; 魏风华[ 12] 进行了 河北省唐山市地面沉降危险性区划和地面沉降物质财富 风险区划研究。然而, 地面沉降灾害风险评估与区划尚无 成熟先例。地面沉降灾害风险是地面沉降对人类社会及 其生存环境所造成危害或不利影响的可能性及不确定性 的描述。为了对地面沉降灾害风险进行有效管理, 减小损 失发生的影响, 必须进行地面沉降灾害风险评估与区划。 天津市是我国地面沉降比较严重的区域之一, 地面沉降给 天津市造成了多方面的危害, 如建筑物下沉变形、开裂乃 至破坏; 市政给排水管线的破坏; 海水倒灌造成的地下水 质破坏; 地面标高损失, 风暴潮灾害加剧; 河流泄洪能力的
一般认为社会经济条件可以定性反映区域的灾损敏 度, 即易损性的高低。社会经济发达的地区, 人口、城镇密 集, 产业活动频繁, 承灾体的数量多、密度大、价值高, 遭受 灾害时人员伤亡和经济损失就大。值得注意的是, 社会经 济条件较好的地区, 区域承灾能力相对较强, 相对损失率 较低, 但区域绝对损失率和损失密度都不会因此而降低。 同样等级的灾害, 发生在经济发达、人口密布的地区可能 造成的损失往往要比发生在经济落后、人口稀少的地区大 得多。社会经济易损性分析一般以一定行政单元为基础, 从而可直接利用各类统计报表与年鉴[ 23] 。由地面沉降灾 害系统模式可知, 地面沉降灾害主要承灾体是建筑物、市 政给排水管线等生命线工程、地面标高等, 地面沉降对这 些承灾体造成的破坏和损失, 会直接或间接影响到区域社 会经济发展和人民生产生活; 因此, 本文选取了人口密度、 单位面积 GDP 及建设用地比重三个因子来反映地面沉降 灾害易损性。
自然灾害危险性, 是指造成灾害的自然变异的程度, 主要是由灾变活动规模( 强度) 和活动频次( 概率) 决定的。 一般灾变强度越大, 频次越高, 灾害所造成的破坏损失越 严重, 灾害的风险也越大。承灾体的易损性, 是指在给定 危险地区存在的所有任何财产由于潜在的危险因素而造 成的伤害或损失程度, 其综合反映了自然灾害的损失程 度。一般承灾体易损性愈低, 灾害损失愈小, 灾害风险也 愈小。防灾减灾能力表示受灾区在长期和短期内能够从 灾害中恢复的程度, 包括应急管理能力、减灾投入、资源准 备等, 一般分为工程性防灾减灾措施和非工程性防灾减灾 措施。防灾减灾能力越高, 可能遭受潜在损失就越小, 灾 害风险越小[18] 。
丧失; 土壤的盐渍化等。研究区人口密集、经济发达, 地面 沉降严重, 并具备比较完整的监测数据。因此, 选择该区 域进行地面沉降灾害风险评估与区划具有较大的理论与 实践意义。
1 研究区概况
天津市位于九河下梢, 渤海湾西岸。整个天津和邻近 地区处于华北断块盘地的东北部, 从构造分区上看西部为 沧东隆起的一部分, 东部则包括了黄骅凹陷的一大部分, 由古近纪以前的沉积岩层和古老的结晶基底, 组成了本区 的地质构造基础, 长期以来缓慢下降, 沉积了巨厚的松散 沉积物。
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胡蓓蓓等: 天津市区及近郊区地面沉降灾害风险评估与区划
图 1 研究区示意图 Fig. 1 Sketch map of research area
30. 37% ; 1985- 2005 年平均地面沉降速率为 29. 99mm ¹ 。
2 研究方法
2. 1 自然灾害风险指数法 自然灾害系指自然变异超过一定的程度, 对人类和社
地面沉降灾害承灾体主要包括地面沉降影响地区的 建筑物、地面标高、市政给排水管线等生命线工程和人口 等, 他们的数量和质量( 脆弱性强度) 是地面沉降成灾的重 要因素。
地面沉降灾害灾情是地面沉降致灾因子、孕灾环境和 承灾体相互综合作用的产物, 主要包括建筑物下沉变形、 市政给排水管线受损等生命线工程受损, 以及由其间接导 致的风暴潮灾害加剧、土壤盐渍化、地下水质破坏和洪涝 加剧等。 3. 2 地面沉降灾害风险评价指标体系的建立
中国人口#资源与环境 2008 年 第 18 卷 第 4 期 CHINA POPULATION, RESOURCES AND ENVIRONMENT Vol. 18 No. 4 2008
天津市区及近郊区地面沉降灾害风险评估与区划*
胡蓓蓓1, 2 姜衍祥3 周 俊3 王 军1 许世远1 陈振楼1
( 1. 华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室, 上海 200062; 2. 天津 师范大学城市与环境科学学院, 天津 300387; 3. 天津 市控制地面沉降工作办公室, 天津 300061)
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开采量、调整开采层位和人工回灌等措施, 地面沉降趋势得 以缓解; 因此, 年代越近的地面沉降速率越能反映地面沉降 发展趋势。为了反映地面沉降未来发展趋势, 我们对19851990 年、1990- 1995 年、1995- 2000 年和 2000- 2005 年的地 面沉降速率进行加权求和计算出加权算术平均速率, 采用 特尔斐法确定其权重依次为 0. 1、0. 2、0. 3 和 0. 4。此外, 由 于地下水开采是研究区地面沉降最主要的致灾因子, 虽然 近年来研究区逐年压减地下水开采量, 但是由于生产生活 需要, 在一定时期内研究区仍将开采地下水, 因此, 地下水 开采强度也是研究区地面沉降危险性的一个重要指标。
式为:
n
Vj =
i
E
=1
Wi
#D
ij
式中: Vj 是评价因子的总值; Wi 是指标 i 的权重; Dij
是对于因子j 的指标i 的归一化值; n 是评价指标个数。
3 地面沉降灾害风险评价指标体系
3. 1 地面沉降灾害系统模式的构建 基于自然灾害系统理论[ 21] , 区域自然灾害系统是由孕
灾环境、致灾因子和承灾体共同组成的地球表层异变系统, 灾情是这个系统中各子系统相互作用的结果( 见图 2) 。
一定区 域自然 灾害风 险是 由自 然灾害 危险 性 ( hazard) 、承灾体的易损性( vulnerability) 两个因素相互综合 作用而形成的[ 15] 。近年来, 一些学者认为防灾减灾能力 ( emergency response & recovery capability) 也是制约和影响自 然灾害风险的因素[ 16~ 17] 。
运算( Raster Calculator) 指两个以上层面的栅格数据系统以 某种函数关系作为复合分析的依据进行逐网格运算, 从而 得到新的栅格数据系统的过程。对多个栅格数据进行运 算, 常用于综合评价[ 19] 。国外学者利用 GIS 空间分析方法 对地面沉降灾害时空变化进行了科学预测[ 20] , Ki- Dong Kim 等[ 11] 利用该方法对废弃地下煤矿的地面沉降危害进 行了可靠评估, 本研究将借鉴他们的成功经验首次对地面 沉降灾害风险进行评估与区划。
2. 3 加权综合评价法( WCA) 加权综合评价法综合考虑了各个因子对总体对象的
影响程度, 是把各个具体的指标的优劣综合起来, 用一个
数量化指标加以集中, 表示整个评价对象的优劣, 因此, 这
种方法特别适合于对技术、决策或方案, 进行综合分析评
价和优选, 是目前最为常用的计算方法之一[ 17,18] , 计算公
研究区包括天津市和平、河东、河西、南开、河北和红 桥市内六区, 以及东丽、西青、津南和北辰外围四区, 总面 积 2 054. 01km2( 见图 1) 。2005 年底, 总人口 518. 96 万人, 地区生产总值 760. 30 亿元[ 13] 。
随着社会经济的快速发展, 由于过量开采地下流体资 源, 地面沉降已经成为研究区最为严重的灾害之一, 该区 域 1985- 2005 年累计地面沉降量最大达 2. 93m; 累计地面 沉 降量 超过1 000mm 的面 积达6 23. 88km2, 占总 面积 的
会经济造成损失的事件。自然灾害风险指未来若干年内 可能达到的灾害程度及其发生的可能性。自然灾害风险 Hale Waihona Puke Baidu估( Risk Assessment of Natural Disaster) 是指通过风险分析 的手段或观察外表法, 对尚未发生的自然灾害之致灾因子 强度、潜在受灾程度, 进行评定和估计, 是风险分析技术在 自然灾害学中的应用[ 14] 。
地面沉降灾害影响因素非常复杂, 总体可以归纳为自 然和人为两大因素。自然因素中, 包括构造活动引起的沉 降、软弱土层形成的沉降以及地震活动等引起的沉降; 人 为因素中, 过量开采地下流体资源以及大规模的工程建设 等均可引起地面沉降。许多研究表明, 天津地区地面沉降 最主要的致灾因子是过量开采地下流体资源和现代构造 沉降[ 2, 22] 。
此基础上, 借助 GIS 空间分析方法, 将危险性分区图、易损性分区图和防灾减灾能 力分区图进行叠 加分析, 完成 了天津市 区及近郊 区
地面沉降灾害风险区划图, 共分为低风险区、较低风险区、中等风险区、较高风险区、高风险区五等。研究结果可为区域可持续发 展和
防灾减灾决策提供依据。
关键词 地面沉降; 风险指数; 风险评估; 风险区划
收稿日期: 2008- 05- 15 作者简介: 胡蓓蓓, 博士生, 讲师, 研究方向为生态环境与灾害风险研究。 通讯作者: 许世远, 教授, 博士生导师, 研究方向为地貌、沉积、城市自然地理, 环境演变与可持续发展。 * 国家自然科学基金项目( 40730526, 40571006, 70703010) ; 天津师范大学校青年基金( 52LJ41) 。
地面沉降孕灾环境主要受区域地貌类型、含水岩系、
¹ 天津市控制地面沉降工作办公室. 1986- 2006 天津市地面沉降年报。
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中国人口#资源与环境 2008 年 第 4 期
图 2 自然灾害系统示意图 Fig. 2 Model of natural disaster system
水文地质构造条件和地下流体资源等共同影响, 这些环境 条件在一定程度上能加强或减弱地面沉降致灾因子, 直接 影响灾情。
从系统论观点出发, 根据自然灾害风险指 数法的理 论, 遵循科学性、综合性、主导性、层次性、动态性和可操作 性原则, 地面沉降灾害风险指标体系包括危险性、易损性 和防灾减灾能力三个因素, 在此基础上根据地面沉降灾害 的特点确定因子层。
与地震等突发性灾害不同, 地面沉降是缓发性并逐年 累积的, 因此累计地面沉降量是反映地面沉降危险性的主 要指标。此外, 有些学者还用地面沉降速率来划分地面沉 降危险性[ 9, 12] 。1986 年以来, 天津市通过控制浅层地下水