基于精细网格的台风灾损空间模型及应急物资需求定性预测模型

基于精细网格的台风灾损空间模型及应急物资需求定性预测模型

台风灾害是几种自然灾害之一。救灾策略、应急资源需求预测等直接关系到减轻台风灾害的效率。减轻台风灾害造成的损失,是防灾救灾的中心目标,而实现这一目标的重要环节之一就是对台风对灾区可能造成的损失提前进行有效估计,对台风灾害地区可能需要的应急资源提前进行有效的判断,实施快速有效、充分的支援和救助。目前,世界上很多发达国家,如美国、日本,由于经常受到各类灾害,特别是台风、地震的袭击,为了减少灾害造成的损失,建立了对灾害进行快速响应的专门机构,如美国的联邦紧急事务管理署、日本的东京防灾中心等。这些机构可以在得到灾区的紧急信息后,迅速制定相应的应急对策,并可提出定量化的物质调度与人员调度策略。目前国内,在灾害初期对灾害的损失预计、救灾人员的调集、救援物资的供给等方面还存在着一定的不足,一定程度上延误了救灾工作的进行。本文通过对应急资源体系进行研究分析,提出了基于精细网格空间数据的台风灾损空间模型及应急物资需求定性空间预测模型,对台风灾害的损失在空间上进行定性、定量描述,并根据区域灾损的情况,预测区域的应急资源需求。结合浙江省的实际情况,对模型进行了展示。1基于空间特征的现代脆弱性评价单元的确定灾害的损失主要表现为区域承灾体的损失。本文引入精细化空间地理数据与土地利用类型数据,以精细空间网格为基本评价单元对承灾体脆弱性作了空间量化研究。不同的土地利用类型很大程度上决定了其脆弱性程度及其在灾害环境中的损失情况。同时,本文对社会经济要素和人口要素的评价也采取新的方法,根据不同土地类型对经济的贡献率,合理计算社会经济在空间上的分布。根据城镇用地和居民用地的分布合理计算人口在空间上的分布,更加体现脆弱性的空间差异、脆弱性特征构成要素的灵敏性。该方法在数据足够精细的情况下对脆弱性的评价将有更大的优势,能比较客观准确地反映出脆弱性的量值及其空间分布。评价单元是进行精细化量化承灾体脆弱性的基本单位,同一评价单元内的气候环境、灾害特征基本上是一致的。目前脆弱性研究采用的评价单元通常是以行政区划为主的矢量单元。本文提出一种顾及地物要素空间分布特征的评价单元———矢量栅格混合模型,即面状地物要素矢量单元和规则网格单元相结合的评价单元。本文以100m×100m的规则网格作为指标因子的载体和基本评价单元。以下涉及空间模型的具体计算方法详见文。台风灾损模型由成灾因子、孕灾环境、承灾体、区域应急能力等方面因素构成。1.1台风的回收期台风是通过多种因子共同致灾,其致灾因子主要表现为狂风、暴雨,狂风暴雨可以由台风自身携带,也可以与其他天气系统共同促成。在灾害形成过程中,台风自身强度与灾害程度有一定的关联,但最终取决于狂风、暴雨的强度和影响范围。狂风会吹毁房屋,破坏电力和通讯设施,毁坏市政建设等;暴雨导致山洪、内涝、泥石流、滑坡等。当狂风、暴雨达到一定临界值时,会产生叠加效应。通过灾情资料的分析可知,当台风的过程降水量在25mm以下和过程风力7级以下时,基本不会有危险。因此,在台风灾害过程中,将台风分解为狂风、暴雨两个因素,而其值能够通过观测与当前比较成熟的预测模型得到。本文将风雨综合强度模型设计如下:式中:R为某地过程降水量,mm;f为某区域过程极大风速,m/s;Id为某地综合致灾因子强度指数;A,B为权重系数。浙江全省有68个气象观测站,一次台风过程中,可以对不同的时间序列资料进行处理,从而得出不同时间序列的台风致灾强度空间分布。图1所示的是以100m×100m的规则网格计算的2009年发生的莫拉克台风致灾强度分布情况。1.2综合孕灾环境因子灾害系统理论认为,致灾因子在灾害的形成中起决定性作用,孕灾环境对灾害则具有放大或缩小的作用。同样强度同样持续时间的台风,如果作用在地势低洼、河网交错的平原地带,则引发水淹、渍涝的概率会很大;如果作用在层岚叠嶂、沟壑纵横的山区,发生渍涝的概率很小,但却极易引起山洪,造成山体滑坡、泥石流等次生灾害。因此,台风灾害必须要考虑灾害孕育环境的影响。本文将台风灾害的孕灾环境定义为在台风致灾因子作用下,容易形成洪涝、山洪灾害,以及泥石流、滑坡等衍生灾害的自然环境,主要包括绝对地形高度、地形起伏程度、河网密度分布和地质等。1)绝对地形高度(I1)。相对来说,绝对地形越高的地区不易出现大范围积水,而绝对地形低的地区生发渍涝的概率要明显加大。2)地形起伏程度(I2)。如果地形起伏较大,说明局地地势有高有低,地表径流可以向沟壑汇集并排出,不容易形成大面积水淹现象;如果地形起伏程度较小,则说明局地地势相对较平坦,一旦泾流超过局地排泄能力,则十分可能出现大面积积水和渍涝。3)河网密度分布(I3)。一旦降水过多过急,超过了河流的蓄洪和排水能力之后,就会向河流周边漫涎、泛滥。4)地质灾害易发区(I4)。持续的强降水往往容易引起山洪暴发、山体滑坡、泥山流等次生灾害。这些次生灾害一方面与降水等致灾因子的持续性和强度有很大关系,另一方面也与当地的地质地貌特征不可分离。考虑到绝对地形高度、地形起伏程度、河网密度分布和地质灾害易发区分布4个因子是相互独立、相互平行的单因子,利用它们进行一个简单的线性组合,得到综合孕灾环境因子,其中:Ise为综合孕灾环境因子,Ii(i=1,2,3,4)表示各因子的强弱,wi(i=1,2,3,4)表示对应因子在线性组合中的权重。由于无法对各个单因子的相对重要性进行样本统计和检验,本文作者经过专家咨询后采用层次分析法对4个单因子赋与权重,再代入式(4)进行线性组合,得到综合孕灾环境因子。图2所示为浙江省孕灾环境空间分布图。1.3潜在易损性因子不同的土地利用类型(I5)对不同灾害的承灾能力不相同,在很大程度上决定了其脆弱性程度。根据浙江省的实际情况,灾情主要体现在人员伤亡、房屋倒损、经济受损以及农业受灾等。本文除了土地利用类型这一易损性因子外,还对区域的人口密度(I6)、地均GDP(I7)、耕地面积占土地面积比重(I8)、沿海地区农村住房防灾能力(I9)这4项指标进行强调与着重考虑。采取专家打分法和层次分析法相结合,计算不同土地利用类型应对不同灾害的潜在易损性因子。将这些影响承灾体脆弱性的因子进行一个简单的线性组合,得到综合脆弱性因子,其中:Isc为综合脆弱性因子,Ii(i=5,6,…,9)表示各因子的强弱,wi(i=5,6,…,9)表示对应因子在线性组合中的权重。由于无法对各个单因子的相对重要性进行样本统计和检验,本文作者经过专家咨询后采用层次分析法对5个单因子赋与权重,再代入式(5)进行线性组合,得到综合的承灾体脆弱性因子。1.4综合防御能力因子防御能力越强,台风灾害风险越低。一般的基础台风防御设施,如海塘设施、水利设施等在一个行政区域具有很好的一致性。而由于经济发达情况、交通疏散能力、农民防御能力等方面存在一定差异,因此挑选地均财政收入、交通疏散能力、农民人均收入、旱涝保收面积等作为防御能力的指标:1)地均年财政收入(I10)。经济越发达,地方财政收入越高,用于基础设施建设及防灾减灾设施建设的经费越多,防御能力相对要强。2)交通疏散能力(I11)。交通越发达,单位面积的公路里程越高,面对自然灾害,将有更多的生命和财产得到疏散及救助。3)农民人均收入(I12)。面对台风灾害,农村是防御能力相对薄弱环节,农民越贫困,防御设施及自救能力越差。4)旱涝保收面积(I13)。旱涝保收面积是农业免受水灾的保障,旱涝保收面积占耕地面积的比例可以表示一地的农业防灾能力。以上挑选的防御能力4个因子是相互独立、相互平行的单因子,利用它们进行一个简单的线性组合,得到综合防御能力因子,其中:Isf为某地综合防御能力因子,Ii(i=10,11,12,13)为各防御因子的标准化值,wi(i=10,11,12,13)为各因子的权重系数。由于无法对各个单因子的相对重要性进行样本统计和检验,本文作者在专家咨询的基础上进行层次分析,对4个单因子赋与权重,计算综合防御能力因子。图3所示为浙江省的防御能力空间分布图。1.5台风灾害损失模型台风灾害的损失是由台风致灾因子在一定的孕灾环境中作用在特定的承灾体上所形成的。因此,致灾因子、孕灾环境、承灾体和防御能力4个因子是灾害形成的必要条件,缺一不可。考虑到这4个因子是相互平行、相互独立关系,因此灾害损失可以表示为其中:DL表示灾害损失;Id为综合致灾因子;Ise为综合孕灾环境因子;Isc为综合脆弱性因子;Isf为综合防御因子。v1,v2,v3,v4为各个因子对灾害损失的权重,表示各个因子对造成灾害损失的相对重要性,并且v1+v2+v3+v4=1。上述损失模型中假定不同因子对灾害损失的贡献呈指数关系,并且,任一因子为0时都不能造成灾害损失。权重系数也是根据专家讨论和层次分析方法所得。考虑到积极的防御措施(R)能够降低灾害风险,因此,台风灾害损失模型需在上述损失模型基础上进行补充为其中:TYRisk为台风灾害灾损风险;a为常数,表示灾害风险的不可防御部分,因为人类积极的防御措施只能有效减小台风灾害风险。当防御能力完全发挥至100%时(此时R=1),能够有效地减小DL·(1-a)对应部分的灾害损失风险;如果不采取任何防御措施(此时R=0),台风灾害损失风险就为自然损失DL。在目前的科技发展程度和社会发展水平下,台风这种自然灾害损失大部分是不可防御的,因此这里取a为0.85。图4所示为一次台风过程灾害损失预测空间分布图(以莫拉克台风为例)。2信息风圈半径和路径应急资源需求预测要根据灾害的类型、级别及可能演变、耦合的情况,详细地设计相应的应急物资需求预案,事先明确不同灾害、不同等级、不同区域、不同阶段的应急资源类型、数量等情况,再根据整个灾害过程的发展、灾损的评定来预测应急物资的需求情况。在台风灾害发生过程中,一般可以得到以下的信息:台风过程中的风、雨因子气象观测值,发生地点、风圈半径和路径(由此可以得到台风影响范围的孕灾环境信息、承灾体脆弱性信息、防御能力信息等)。在台风灾害发生后,可以得到灾区范围、死亡人数、受伤人数、无家可归人数、倒塌房屋、道路破坏情况等。因此台风灾害应急资源需求模型可在上述台风灾损空间模型的基础上,结合相应的应急物资需求预案来设计。根据以100m×100m网格单元为对象,设计如下空间概念模型,其表达为其中:ES表示网格单元中,某种应急物资的需求量;TYRisk为网格单元台风灾害灾损风险;α表示地区系数,是描述各地区在发生同等强度(规模、大小或范围)的灾害时,所表现出来的应急紧迫程度、应急重要程度和应急救援强度的大小的指标。这一参数大小直接取决于该地区的社会经济特征属性及区域社会文化特征,而与灾害本身的强度或规模无关。因此,对于台风灾害,地域的差异所对应的地区系数是不相同的。具体的计算方法本文不着重研究。β表示物资对应系数,是描述某一应急物资在一定灾损程度下所对应的物资量。图5为根据本文模型得到的莫拉克台风过程中,某一应急物资需求预测空间分布图。该预测结果与实际情况的相关较为理想,在重点区域中尤为突出。3灾损预测模型建立本文引入精细化土地利用类型数据,以精细的承灾体作为研究重