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山洪灾害危险评价

文章来源: yobo体育全站app下载发布时间:2022-04-27 02:54
本文摘要:原标题基于SPR与DEMATEL模型的村域山灾害危险评价洪摘要为提高山洪危险性评价的准确度和实际应用价值,以巫山县大溪乡官田村作为村域尺度山洪灾害危险评价的研究区域,以土地使用类型作为评价单元,凭据单元间的拓扑毗邻关系,构建官田村2D-SPR山洪灾害危险评价观点模型。选取糙率、高程、单元间中心距离和单元间界限长度构建表征山洪洪水流量的指标体系,并使用TOPSIS多属性决议工具,盘算基于流量指标的单元间相互影响强度。

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原标题基于SPR与DEMATEL模型的村域山灾害危险评价洪摘要为提高山洪危险性评价的准确度和实际应用价值,以巫山县大溪乡官田村作为村域尺度山洪灾害危险评价的研究区域,以土地使用类型作为评价单元,凭据单元间的拓扑毗邻关系,构建官田村2D-SPR山洪灾害危险评价观点模型。选取糙率、高程、单元间中心距离和单元间界限长度构建表征山洪洪水流量的指标体系,并使用TOPSIS多属性决议工具,盘算基于流量指标的单元间相互影响强度。联合DEMATEL算法,盘算各单元影响度、被影响度,思量大溪河溢出和未溢出堤岸两种情景,完成村域尺度山洪危险评价。

效果讲明无论是否发生漫堤式洪灾,研究区各单元危险性指数排序均为S3>11>5>S2>6>7>10>8>S4>12>9>4>3>13>14>2>1,且随着洪水强度增加危险性指数增大。关键词山洪灾害; 2D-SPR观点模型; DEMATEL算法; 巫山县;作者简介徐州(1994—),男,硕士研究生,研究偏向为山洪危险性评价与生态都会。E-mail:524507713@qq.com; *林孝松(1976—),男,教授,博士, 研究偏向为资源情况与地理信息系统。

E-mail:lxsgis@163.com;基金 国家自然科学基金项目(41601564);国家自然科学基金校内培育项目(2018PY15); 重庆市教委项目(KJ1600539); 重庆市基础研究与前沿探 索项目(cstc2018jcyjAX0156); 重庆市自然科学基金面上项目(cstc2019jcyj-msxm1642);引用徐州,林孝松. 基于 SPR 与 DEMATEL 模型的村域山洪灾害危险评价[ J] . 水利水电技术,2020,51( 3) : 124-130. XU Zhou,LIN Xiaosong. Hazard Assessment of Villagelevel Mountain Torrent Disaster Based on SPR and DEMATEL Model[ J] . Water Resources and Hydropower Engineering,2020,51( 3) : 124-130.0 引 言山洪灾害具有显着的多发性、无序的突发性和强烈的破坏性等特征,对其举行危险性评价是开展防治事情的有效前提。然而,由于山洪灾害防 治区面积辽阔,类型多样,成因庞大,现在我国村镇地域的防洪技术不能很好地适应生长趋势。

为保障山区经济社会的可连续生长,我国学者开展了 大量山洪危险评价研究,结果颇丰。田丰等 、陆桂华等 、林孝松等 使用GIS技术划分对河西走廊、淮河息县上游地域和重庆市跳石镇的山洪 灾害危险评价与分区举行了研究。但现有的危险评价多为将各相关因子举行叠加的二维面盘算,研究尺度相对较大,且对山洪成灾历程尤其是致灾源 与受体间的庞大作用反映不足。

因此,论文选取重庆市巫山县官田村为研究区域,基于ArcGIS平台,以土地使用类型为评价单元,探索了一种联合2DSPR模型、DEMATEL庞大网络模型和TOPSIS决议矩阵的村域尺度山洪危险评价方法,为山洪灾害防治和农村下层山洪预警事情的实施提供决议支持。本研究首先凭据研究区各地块与河流、溪沟的拓扑毗邻关系,构建二维SPR观点模型,确定其相互作用关系。

其次以溪沟作为致灾源,土地使用 类型作为受体评价单元,选取影响溪洪流量的因素来构建评价单元相互影响强度的综合指标,并使用TOPSIS多属性决议工具盘算各单元间的影响强 度。然后将单元间的相互作用看作庞大网络问题,使用DEMATEL工具盘算山洪系统内部各评价单元的影响度与被影响度。最后思量在大溪河漫堤 式洪水淹没的情况下,界说危险性指数为洪水强度分级指数与单元被影响度的乘积,盘算获得研究区遭受漫堤式洪水的危险性指数。

1 研究方法1.1 SPRC模型法 1.1.1 1D-SPRC观点模型 SPRC即“源-途径-受体-影响”(Source-Pathway-Receptor-Consequence, SPRC)模型,是在“压力-状态-响应”(Pressure-State-Response, PS R)模型的基础上演变而来的,可分为一维模型(1D-SPRC)和二维(2D-SPRC)模型两类。1D-SPRC是一个简朴的线性观点模型(见图1),用于表征洪 水系统的作用历程及发生的特定结果,适用于评估致灾源头S(海浪,潮汐,风暴,河流等)越过防御单元P(堤坝等),影响受体R(内陆系统)从而对经济、 社会和情况发生影响C的现象。该模型的利益是能将某特定区域庞大的洪灾问题拆分为多个更小尺度的线性SPRC问题,有效地整合了庞大的洪水历程。

图1 一维源-途径-受体(1D-SPR)洪水分析模型1.1.2 2D-SPRC观点模型在实际的洪水事件中,各要素之间是相互影响的,并非简朴的线性问题。好比,海岸边的红树林在洪水灾害中充当缓冲地的作用,即途径,但与此同 时该地块也遭受洪水的破坏和影响,也可视为受体。

而且,在一次洪水事件中,受体或途径的状态变化也会影响随后其他地块的洪灾危险状态。因此, Narayan等 提出了二维源-途径-受体-影响(2D-SPRC)观点模型,将受体与土地使用单元相对应,使用单元间的拓扑关系建设起各单元间的联系, 从而定量化地表征洪水经由单元间的影响强弱。2D-SPRC比1D-SPRC更能体现受灾区洪水的庞大历程和影响细节,该方法的关键原则是认为“途 径”和“受体”的界说是相对的,并非像1D-SPRC模型中那样牢固稳定。因此,在2D-SPRC模型中任何要素部门都可能成为下个受体的途径,同时自身 也会受到此外要素的影响。

1.2 DEMATEL法 DEMATEL算法即决议试行与评价实验室(Decision-making Trail and Evaluation Laboratory)方法,由美国Bastille国家实验室于20世纪7 0年月提出 ,是一种面向庞大系统因素分析的算法,普遍适用于对系统中影响因素重要水平和因素间相互影响关系的定量研究,具有机理简练、利便快捷等优点,其详细盘算步骤如下 :图2 官田村土地使用类型与区位示意(1)结构直接影响矩阵: 假设某系统中有n个因素,凭据各因素间的关系绘制有向图,并盘算各因素间的相互影响强度,建设直接影响矩阵A=[a ] ,a 表现因素i对因素j的 直接影响强度,其值越大表现影响强度越大;a =0,i=1,2,…,n。(2)将直接影响矩阵A规范化为B=[b ] ,使b 处于[0,1]间,盘算公式为(3)结构综合影响矩阵T=[t ] ,盘算公式为式中,T 反映的是i因素对j因素的综合影响水平;(I-B) 为I-B的逆矩阵,I为单元矩阵。

(4)盘算影响度f 和被影响度e ,盘算公式为式中,f 为综合影响矩阵T的行和,表现因素i对其他因素的直接和间接影响之和;e 为综合影响矩阵T的列和,表现因素i受其他因素的直接和间接影 响之和。2 研究区域与SPR模型构建2.1 研究区概况官田村位于重庆市巫山县西部、长江南岸,紧邻大溪河(见图2),据历史统计数据显示,该村近40年来共发生山洪灾害6次。

官田村土地使用类型 主要包罗住民点、旱地、林地、水田和河流水面5种(见图2),致灾源有S1、S2、S3、S4共四条河槽,其中S1为长江的支流大溪河,正常情况下河槽 里的河水并不致灾,但当遭遇暴雨时,河槽里水位上涨淹没河堤,会形成漫堤式洪水。S2、S3和S4是使用ArcGIS水文分析工具取阈值为500提取到 的溪沟,正常情况下溪沟干枯,但当遭遇暴雨时,汇流累积并迅速形成溪洪,易导致山洪灾害。

2.2 官田村山洪灾害SPR模型将2D-SPRC模型与系统图相联合,是综合形貌洪水系统状态、要素及其关系的一种强有力的方法。本研究关注的是源(S)、途径(P)和受 体(R)之间的联系,并不涉及灾后造成的经济、情况破坏效果(C),故将2D-SPRC模型简化为2D-SPR模型;海内外近年来努力开展了洪水灾害中SPR 模型构建的相关研究 ,但致灾机制均为水源区与受灾区存在水位差导致的漫堤式淹没。山洪成灾机制较为庞大,如遭遇暴雨后短时间形 成的强地表径流,或岩层裂隙中水体压力剧增打破土体平衡后形成的滑坡与泥石流,在没有水位差的情况下便能致灾。

因此,并非所有致灾源单偏向 影响途径或受体,致灾源与受体也可以是相互影响的关系。按官田村的土地使用类型将受体划分为14个地块单元,划分编号为1到14(见图2),同时对研究区的4个致灾源举行编号(S1、S2、S3、S4),其中 S1为河槽内常年流水的大溪河,S2、S3和S4为暴雨引发条件下才会形成地表径流的溪沟;假设在暴雨引发条件下,S1河流中水位上涨,河水漫过堤坝 淹没相邻地块,SPR模型中箭头的指向即是从S1单偏向到其他受体;S2、S3、S4溪沟中形成的水流会冲刷毗邻的土地单元,同时,由于没有堤坝防护, 同样也受到其他受体单元的影响,因此在SPR模型中的箭头是双向的;相邻的受体单元相互影响;综上,凭据单元间的拓扑毗邻关系制作获得官田村山 洪灾害2D-SPR系统图(见图3)。图3 官田村山洪灾害2D-SPR模型示意3 基于TOPSIS决议矩阵的单元间影响强度盘算3.1 影响强度指标体系构建与数据获取官田村各地块单元间关于山洪危险的相互影响强度值是构建DEMATEL模型中直接影响矩阵的基础。由于DEMATEL模型要求系统内各要素间 的关系必须是相互影响的,而源S1对受体的影响是单向的,因此山洪灾害DEMATEL庞大网络模型的要素不思量源S1。

由2D-SPR模型图(见图3)可 知共有49个相互影响关系。为快速评估山洪在单元间的相互影响强度,简化评价指标体系,选取影响流量的基本参数形成的综合指标作为各单元相 互影响强度的依据。

流量的盘算公式为式中,Q为流量;S为水流截面面积;v为水流流速。若洪水流为明渠匀称流,则凭据曼宁公式 可知流速为式中,n为糙率;R 为水力半径;J为水力坡度。由公式(5)、(6)可知流量与糙率n、高程坡度以及水流截面面积相关。

因此,选取糙率(源单元糙率n和被影响单元糙率n′)反映差别土地使用类型 对水流的阻力作用;选取高程(源单元高程h和被影响单元高程h′)反映地形对流速的影响;选取单元中心之间的距离d作为影响流速的参数;选取单元间 相邻界限的长度l反映过水断面的长度。使用ArcGIS对官田村DEM与土地使用数据举行处置惩罚,提取获得各受体单元的平均高程,单元中心间和相邻界限的长度;糙率的取值参考《水力手 册》及《风暴潮灾害风险评估额区划技术导则》,各单元及单元间的数据如表1、 2所表1 官田村差别单元的高程与糙率表2 官田村山洪承载区相邻单元间中心距离d与界限长度l3.2 单元间影响强度盘算引入迫近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution, TOPSIS)盘算官田村各地块单元间的相互影响强度, 不仅可以保证影响强度取值的一致性,还能充实使用原始数据,淘汰信息损失。

详细盘算历程如下:(1)TOPSIS决议矩阵P构建。取源单元糙率,被影响单元糙率,源单元高程,被影响单元高程,单元中心间距离,单元相邻界限长度为决议因子;凭据 官田村山洪灾害SPR模型(见图3)中源单元到被影响单元的影响关系,构建TOPSIS决议矩阵P(见表3)(2)盘算归一化后的决议矩阵Z。n,n′,h′,d按负向指标处置惩罚,对其求导转化为正向指标。

为消除各项指标量纲不统一的影响,对各项指标举行归一 化处置惩罚,获得归一化后的矩阵Z为(3)求最优解Z 和最劣解Z 盘算公式为(4)贴近度盘算。划分盘算归一化决议矩阵Z中第i行数据与最优解和最劣解的欧式距离d 、d ,并盘算各行数据与最优方案的贴近度C ,作为单 元间相互影响强度值。各盘算公式为4 基于DEMATEL法的单元影响度、被影响度盘算4.1 直接影响矩阵构建直接影响矩阵反映了各单元间的直接影响值。凭据单元间的相互影响关系以及单元间相互影响强度值盘算效果,构建官田村山洪灾害DEMATE L模型中各单元间的直接影响矩阵A,如表4所列。

4.2 各单元影响度、被影响度盘算影响度表现在研究区发生山洪的情况下,该单元对山洪系统的综合影响强度,值越大则对研究区其他地块发生影响越大;被影响度表现在同一次 山洪灾害中,山洪系统对该单元的综合影响强度,即山洪危险性指数,其值越大则越容易受到山洪影响,发生山洪灾害的危险水平越大;基于直接影响矩 阵A,使用公式(1)、(2)盘算获得综合影响矩阵T。在此基础上,使用公式(3)和(4)求得各致灾源及地块单元影响度f 与被影响度e ,效果如表5所列。表3 官田村山洪受灾区各单元间TOPSIS决议矩阵P表4 官田村山洪受灾区单元间直接影响矩阵A表5 官田村山洪受灾区差别单元的影响度f 、被影响度e由表5可知,在研究区山洪系统所有组成单元中,致灾源S3的被影响度数值最大(1.69),且远高于其他单元,说明S3最易受到山洪影响;被影响度数 排前三位的地块编号为11、5和6,这三个地块海拔相对其他区域较低,且均受到至少两个致灾源的影响;针对被影响度较高的单元,应多关注地块自己 对山洪灾害的预防,如淘汰人类运动影响山体稳定,保持土壤肥力、掩护森林资源以淘汰水土流失等;致灾源S3的影响度数值最大(1.61),远高于其他 单元;与被影响强度排序一致,编号为11、5和6的单元的影响强度位列地块前三。针对影响度较高的单元,则应从削弱该单元与其他单元的联系入手, 如建设防洪沟道。

综上可知,若致灾源仅为溪沟而不思量源S1影响,官田村各地块单元被影响强度即为山洪危险性指数,其排序为S3>11>5>S2>6>7>10>8>S4>1 2>9>4>3>13>14>2>1;各单元影响度排序为S3>11>5>6>S2>7>12>10>S4>8>4>9>3>13>14>1>2;其中源S3无论是影响度还是被影响度均最大, 是整个系统的焦点和关键单元,在接纳防灾减灾措施中应加以重点关注。5 村域尺度山洪灾害危险性指数官田村山洪灾害危险性指数的盘算应综合思量山洪灾害DEMATEL庞大系统和源S1的配合作用。

在思量源S1的情况下,假设暴雨致使大溪河水 位升高漫过堤岸,且致灾源S2、S3、S4形成强地表径流冲刷相邻地块,此时官田村各单元不仅与其他地块相互作用,且受到源S1的单偏向影响。此 时界说山洪危险性指数盘算公式为式中,H 为单元i的山洪危险性指数;u 为洪水强度分级指数;e 单元i的被影响度。设历史最强洪水分级指数为1,若源S1发生3次洪水强度分级指数划分为0.75、0.5和0.25的洪水,则凭据公式(13)可得各单元的危险性指数(见表 6)。

由表6可知,各单元山洪危险指数随着洪水强度的增加而增加,其排序与被影响度排序一致。S3在各源强分级指数下危险性指数均最大,不仅易受 到山洪的侵犯,且由于S3在研究区三条溪沟中长度最长,相邻地块最多,水土流失发生的泥石流也极易危害周边其他单元。

因此,应重点关注源S3的 防灾工程建设以掩护周边住民宁静;单元11则是所有地块中危险性指数最高的,土地使用类型为旱地,建议此单元应以防灾为重,淘汰人类运动。表6 差别情境下各单元的危险性指数6 结论与讨论(1)论文以重庆市巫山县官田村为研究区,使用研究区各土地使用类型间相互影响的逻辑关系建设了2D-SPR模型,借助DEMATEL庞大网络算法和TOPSIS多属性决议工具构建村域尺度山洪灾害评价模型,思量了山洪系统中多种因素及评价单元间的相互影响和相互作用,能够体现山洪危险分析问题的本质特征。(2)若致灾源仅为溪沟而不思量源S1影响,官田村各地块单元被影响强度即为山洪危险性指数,其排序为S3>11>5>S2>6>7>10>8>S4>12>9>4 >3>13>14>2>1;各单元影响度排序为S3>11>5>6>S2>7>12>10>S4>8>4>9>3>13>14>1>2;源S3无论是影响度还是被影响度均最大,是整个系统 的焦点和关键单元;思量S1影响的情况下,各单元山洪危险指数随着洪水强度的增加而增加,其排序与被影响度排序一致。

(3)本研究是对村域山洪灾害危险评价的一次实验和探索,仍有诸多问题需在后续事情中加以深入研究和完善:2D-SPR模型可直观地展现一次山洪事件中所有的洪水源、洪水路径以及受体间的关系,可是在实际情况中,洪水淹没的规模和元件的毗连情况会随着洪水深度的变化而有所差别。如何越发准确地确定洪水淹没规模从而制作相应的SPR系统图,是以后需要深入的研究偏向和重点。水利水电技术水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊(月刊),为全国中文焦点期刊,面向海内外公然刊行。

本刊以先容我国水资源的开发、使用、治理、设置、节约和掩护,以及水利水电工程的勘察、设计、施工、运行治理和科学研究等方面的技术履历为主,同时也报道外洋的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工修建、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水情况与水生态、运行治理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利计划、防汛抗旱、建设治理、新能源、都会水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。


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