廣東省熱帶氣旋、雨澇災害和地質災害生態風險評價(Ⅰ)

劉希林 ，陳薈竹

1. 中山大學地理科學與規劃學院，廣東 廣州 510275；2. 廣東省城市化與地理環境空間模擬重點實驗室，廣東 廣州 510275

“多災種”最早出現在《21世紀議程》中，被認為是災害多發區風險管理的重要內容之一（UNEP，1992）。在全球氣候變化和人類工程活動的影響下，當今世界自然災害頻發，導致一個區域往往受多種災害的共同作用，形成復雜的災害系統（史培軍等，2014）。災害的群聚性和群發性及其鏈式效應和連鎖反應，無疑會加重災害的后果，使得災害損失進一步加大（余瀚等，2014）。因此，“單災種”風險評價已不足以全面反映整個區域的災害風險水平，綜合多災種的區域災害風險評價是管理者進行綜合防災減災規劃的重要決策依據，也是自然災害風險研究的發展方向之一。

近年來，有關自然災害多災種研究引起了國內外學者的關注并取得了顯著進展（Kappes et al.，2010；明曉東等，2013）。王靜愛等（1994）在102種自然災害致災因子分布圖的基礎上，以縣級行政區為基本單元，繪制出中國自然災害致災因子多度、相對強度和被災指數圖，是國內早期多災種綜合研究的經典之作。史培軍（2011）選取中國 12種主要自然災害，完成了基于縣域單元的中國自然災害多災種綜合風險制圖。雖然不同學者對多災種風險的理解與評價方法各有不同，但總體而言，多災種風險評價的理念是建立在災害的群發性和災害鏈基礎之上的，多災種風險評價的方法是建立在單災種風險評價結果之上的。因此，本文以廣東省為研究區域，研究省內主要自然災害且具鏈式效應和全域性的災害類型，并進行自然災害綜合生態風險評價及其生態風險區劃研究。

生態風險是指由于不確定的危害事件可能給生態系統及其組分帶來的負面后果。生態風險評價是對這種負面后果產生的可能性和程度的分析和評判。生態風險評價的終點可以是生態系統某一組分受外界脅迫后產生的不良變化，也可以是整個生態系統的結構和功能受到的負面影響。生態風險評價涉及的危害事件可以是人為因素造成的，也可以是自然因素造成的。目前在生態風險評價領域，較多成果集中在各地區點源和面源重金屬污染分布及其對生態環境的影響（王明仕等，2017；孟國欣，2017；田華等，2018；楊期勇等，2018），也有針對地表水抗生素分布特征及其對生態環境影響的研究（汪濤等，2016；趙騰輝等，2016；周志洪等，2017），還有基于人口、經濟、社會和環境等方面以及從資源、環境、人口和經濟社會等方面選取指標，專門針對珠江三角洲城市群災害易損性和生態安全進行評價的研究（唐波等，2013；胡志仁等，2018）。然而，有關自然災害對生態環境的破壞及其造成的生態功能退化的生態風險研究鮮有報道，亟待加強。

區域尺度上的生態風險評價具有多風險源和多受體的特點。在區域內部，風險源和風險受體還具有空間異質性。因此，區域自然災害綜合生態風險的研究更為復雜。然而，自然災害對生態環境的破壞有時往往是致命的，可能在短時間內造成高額的生態資產損失。所以我們不僅需要關注人類活動主導的脅迫類型包括化學污染（劉孟蘭等，2007）、尾礦棄渣（常青等，2013）和旅游開發（鐘林生等，2014）等給生態系統及其組分帶來的損毀，也要特別重視自然災害對生態環境造成的危害。自然災害生態風險評價，將生態系統安全與災害風險管理聯系起來，探究自然災害對生態環境的影響。這樣的研究，對生態系統的健康、人類社會的安全和福祉，無疑具有重要的科學價值和現實意義。

廣東省自然資源豐富、人口高度聚集、經濟高度發達，位于南嶺以南、南海之濱，以熱帶和亞熱帶季風氣候為主，是光、熱和水資源最為豐富的省份。全省陸地面積約17.58×104km2，以林地和耕地為主，沿海地區還有面積寬廣和類型豐富的濕地資源。常住人口11169萬，人口數量和全省GDP總量均居全國首位，是中國第一人口和經濟大省，也是自1979年改革開放40年來，中國東南沿海經濟發展最快、人口和財富最為集中的省份。然而，臺風及其引發的暴雨洪澇和地質災害，呈現出“臺風—暴雨—洪澇—崩塌、滑坡、泥石流”的災害鏈式反應（王靜愛等，2012）。因此，在廣東省經濟社會高速發展的同時，也開始進入一個經濟和人口高增長以及自然災害高風險并存的時期。歷史上，廣東記載的各類自然災害共計40余種，主要有臺風、暴雨、洪水、風暴潮和干旱災害等。據史料記載，廣東省水災記錄最早始于東晉武帝太元八年（公元383年），臺風記錄始于唐德宗貞元十四年（公元798年）。從16世紀至19世紀中葉災害記錄相對完整的450年間，廣東臺風共計693次，洪水發生405次。1949年新中國成立后，每年依然有臺風、洪水和地質災害發生。據 1980—1999年不完全統計，廣東省自然災害造成的經濟損失總額約為1200億元，以熱帶氣旋（包括臺風）和雨澇災害所致的經濟損失最大，1990—1999年間，平均每年因臺風災害造成的經濟損失約為 60億元，部分年份的強臺風可造成100億元甚至200億元以上的經濟損失。暴雨洪澇災害與相伴而生的地質災害、水土流失、海洋災害等，在上世紀 90年代造成的年均經濟損失也達4～8億元（《廣東省志》編纂委員會，2014）。地質災害造成的經濟損失雖然占比較低，但發生頻率較高，尤其是在臺風和暴雨災情較重的2013年，發生地質災害（崩塌、滑坡、泥石流）共計 1502起（《廣東省防災減災年鑒》編纂委員會，2005—2010）。本研究結合廣東省自然災害影響范圍、災害損失、發生頻率，以及災害數據的可獲得性，選取熱帶氣旋、雨澇災害和地質災害作為代表性風險源，進行全省范圍內3種主要自然災害的生態風險評價。

危險性評價是前提，易損性評價是基礎，風險評價是結果。危險是指由于災害而遭受損失的可能性，危險性和危險度分別是危險的定性和定量表達。自然災害危險性是災害本身的固有特性，與具體的危害對象或防災抗災工程無關（劉希林等，1995）。區域自然災害危險性評價需要在統計歷史災害發生的數量、強度、災情等數據基礎上，結合災害的成災機制和當地的孕災環境進行綜合分析，從而確定該地區發生某種自然災害事件的可能性。本文旨在分析廣東省主要自然災害的發生概率、影響范圍、破壞程度，闡明熱帶氣旋、雨澇災害和地質災害的危險性及其空間分布規律，為3種主要自然災害的生態風險評價提供基礎。

1 自然災害危險性評價

1.1 數據來源

研究所用的基礎數據包括統計數據、觀測數據、柵格數據和矢量數據（表1）。

1.2 評價方法

1.2.1 熱帶氣旋危險性評價方法

熱帶氣旋帶來的破壞主要源于與之相伴而生的狂風和暴雨，由于大風和降雨之間的關系在熱帶氣旋發生發展過程中相當復雜，所以在討論熱帶氣旋時主要考慮大風的影響，熱帶氣旋暴雨所致的影響可以歸屬于雨澇災害（張繼權等，2007）。因此，根據熱帶氣旋的定義以及氣象學對 17級風力等級的劃分，風力7級為疾風，中心風力7級以上稱之為熱帶氣旋；風力10級為狂風，中心風力10級以上稱之為強熱帶風暴。點繪 2005—2015年影響廣東省的熱帶氣旋路徑（圖1），采用鄧睿（2014）提出的風圈半徑模型，參照中央氣象臺網站采用的 7級和 10級風圈半徑表征熱帶氣旋的影響范圍，本研究亦選取疾風和狂風兩個風力等級，運用ArcGIS中的緩沖區功能重建熱帶氣旋的影響范圍。

表1 基礎數據及來源Table 1 Basic data and sources

7級風圈半徑模型為：

10級風圈半徑模型為：

式中，y為熱帶氣旋風圈半徑（km）；x為熱帶氣旋中心最大風速（m·s-1）。

以1 km×1 km為柵格單元，利用ArcGIS的空間連接功能，分別統計每個柵格在熱帶氣旋作用期間受7級和10級以上大風的影響次數，對不同強度的大風作用頻次進行加權求和，參照高慶華（2005）氣象災害災變指數計算公式，計算熱帶氣旋災變指數：

式中，ZT(b)為熱帶氣旋災變指數；N1、N2分別為7級風圈、10級風圈作用頻次；大風的破壞力源于動能，基于動能原理（質量m的運動物質的能量E與其運動速度v的平方成正比：E=?mv2），強度系數d1、d2根據7級、10級大風的風速平方比分別取值1、3。

1.2.2 雨澇災害危險性評價方法

由暴雨引起的澇災可以用日降雨量來表征其強度。通過對2005—2015年廣東省37個基準、基本氣象站日降雨量數據采用普通克里金法進行空間插值，并以1 km×1 km為柵格進行重分類，根據日降雨量將雨澇災害分為輕澇（50～99 mm）、中澇（100～200 mm）和重澇（＞200 mm）3個等級，統計每個柵格內各等級雨澇災害的出現頻次，由此計算雨澇災害災變指數（國家科委國家計委國家經貿委自然災害綜合研究組，1998）：

式中，ZY(b)為雨澇災害災變指數；N1、N2、N3分別為輕澇、中澇、重澇出現頻次；強度系數k1、k2、k3根據雨澇等級劃分中各等級臨界值50、100、200 mm的比值分別取值1、2、4。

1.2.3 地質災害危險性評價方法

信息量法（一種從信息理論引出的統計預測方法）已被廣泛應用于地質災害的空間預測研究。信息量法通過研究區地質地理環境信息，將實際值轉化為反映地質體穩定性的信息量值，用信息量值來表征地質體變形破壞的程度。由此通過指標的信息量值可以度量其在地質災害發生中的貢獻率，即用信息量絕對值大小來評價影響因素的狀態與地質災害發生可能性的關系。信息量法計算方法為（李鐵峰，1997）：

式中，Ni為分布在評價因子xi內含地質災害點的柵格單元數；N為研究區含地質災害分布點的柵格單元總數；Si為研究區含評價因子xi的柵格單元數；S為研究區柵格單元的總數；i為評價因子的類別。

單個柵格單元內的總信息量為各評價因子信息量的總和：

式中，I為某柵格單元內的總信息量；n為評價因子數量；其他變量同式（5）。

本研究采用的廣東省地質災害編目數據共計1631個災害點（包括崩塌、滑坡和泥石流）。運用ArcGIS中子集提取功能，隨機選取90%（共計1468個）災害點作為訓練樣本參與信息量模型的統計，其余10%（共計163個）災害點作為測試樣本用于危險性評價結果的驗證（圖2）。

圖2 廣東省地質災害點分布圖Fig. 2 Distribution of geological disasters in Guangdong Province

基于地質災害的形成規律，參考廣東省地質災害空間分布特征以及危險性評價實踐成果（蘭恒星等，2002；郭芳芳等，2008；程維明等，2009；趙艷南等，2010；韓海輝等，2012；楊德宏等，2015；田春山等，2016），從地理環境、地質構造和人類活動 3個方面，分別選取高程（Elavation）、坡度（Slope）、地形起伏度（Relief）、降雨量變差系數（Rainfall variation coefficient）、距航道距離（Distance from waterway）、植被覆蓋指數（NDVI）、地質年代（Geological age）、距斷層距離（Distance from fault）、距城鎮距離（Distance from town）、距公路距離（Distance from highway）共10個指標進行地質災害危險性評價（圖3）。

圖3 廣東省地質災害危險性評價指標Fig. 3 Hazard assessment factors of geological disasters in Guangdong Province

各指標圖層均以1 km×1 km柵格為評價單元，其中高程、坡度和地形起伏度基于廣東省數字高程模型（DEM）數據計算獲取，降雨量變差系數基于月降雨量計算并通過區域內空間插值獲取，距航道、斷層、城鎮和公路距離通過 ArcGIS的鄰域分析功能獲取，其中距城鎮距離中的城鎮數據由土地利用類型圖提取。

1.2.4 多災種綜合評價方法

熱帶氣旋、雨澇災害和地質災害三者之間存在災害鏈關系。熱帶氣旋帶來狂風暴雨，暴雨是洪澇災害的直接原因，強降雨又觸發地質災害發生，三者疊加往往對區域生態環境造成更加嚴重的影響。因此，采用加權求和方式，計算廣東省熱帶氣旋、雨澇災害和地質災害綜合危險度是合理可行的。

根據《廣東省防災減災年鑒》（2005—2015）的災情記錄，計算可得廣東省3類主要自然災害歷年經濟損失及其單次平均損失（表2）。由表2可知，熱帶氣旋單次平均經濟損失為27.04億元，雨澇災害單次平均經濟損失為8.11億元，地質災害單次平均經濟損失為0.01億元。參照中國自然災害災度分級方案（國家科委國家計委國家經貿委自然災害綜合研究組，1993），可得熱帶氣旋、雨澇災害和地質災害對應的災度等級分別為Ⅱ級（直接經濟損失10～100億元）、Ⅲ級（直接經濟損失1～10億元）、Ⅴ級（直接經濟損失≤0.1億元），相應地其災害損失由大到小。據此，分別對3類災害損失強度賦值為 4、3、1，歸一化處理后得到熱帶氣旋、雨澇災害、地質災害的權重分別為0.5、0.375、0.125。歸一化乃數據處理的常用方法，其目的是使一系列數據中的最大值轉化為 1，最小值轉化為 0，其余數據介于0～1之間。歸一化可使不同取值范圍和不同計量單位的各列數據具有可比性。極差變換是常用的歸一化方法之一。

表2 2005—2015廣東省主要自然災害發生頻次與經濟損失Table 2 Occurrence numbers and economic losses of three natural disasters in Guangdong Province during 2005—2015

自然災害綜合危險度采用各災種危險度加權求和法，計算公式為：

式中，HNC為自然災害綜合危險度；HTC為熱帶氣旋危險度；HRW為雨澇災害危險度；HGD為地質災害危險度。危險度取值介于0～1之間。

2 危險性評價結果

2.1 熱帶氣旋危險性評價結果

由式（3）計算每個1 km×1 km柵格的熱帶氣旋災變指數，全省共計175756個評價單元，得到熱帶氣旋災變指數，如圖4(a)所示。將災變指數進行歸一化處理，采用基于數據集本身特性的ArcGIS自然斷點法，將歸一化后的熱帶氣旋災變指數劃分為5級，得到廣東省熱帶氣旋危險度分區圖，如圖4(b)所示。

由圖4可知，廣東省熱帶氣旋危險度等值線近似平行，危險度等級分區呈平整規則的條帶狀，由沿海至內陸逐漸從高危險區過渡至低危險區。沿海地區處于熱帶氣旋的高危險區，與影響和登陸廣東沿海的熱帶氣旋次數和作用強度是密切相關的。

2.2 雨澇災害危險性評價結果

根據式（4）計算每個1 km×1 km柵格的雨澇災害災變指數，全省共計約175756個評價單元，得到雨澇災害災變指數，結果如圖5(a)所示。將災變指數歸一化處理，采用基于數據集本身特性的ArcGIS自然斷點法，將歸一化后的雨澇災害災變指數劃分為5級，得到廣東省雨澇災害危險度分區圖，如圖5(b)所示。

圖4 廣東省熱帶氣旋災害危險性空間分異Fig. 4 Spatial differentiation of tropical cyclone hazard in Guangdong Province

圖5 廣東省雨澇災害危險性空間分異Fig. 5 Spatial differentiation of rainstorm waterlogging hazard in Guangdong Province

廣東省雨澇災害危險度總體空間格局為沿海高于內陸。沿海西南部地區危險度高于東北部地區，內陸中部地區高于東、西部地區。雨澇災害危險度的空間分布與熱帶氣旋有相似之處，尤其是沿海地區，受海洋性氣候和臺風暴雨影響，危險度分區界線與海岸線近似平行。在內陸地區，由于復雜地形的影響，雨澇災害危險度等值線平行于海岸線的分布規律被干擾，并且呈現出南北中間高、東西兩側低的特點。

2.3 地質災害危險性評價結果及其檢驗

將地質災害各評價因子圖層與地質災害分布點圖層疊加，通過 ArcGIS求取每個因子各類別的信息量（表3）。信息量值越大，越有利于地質災害發生。結果表明，廣東省易于發生地質災害的環境條件為：高程200～400 m，坡度10°～20°，地形起伏度75～300 m，降雨變差系數0.37～0.39，植被覆蓋指數0.63～0.72，地層為志留系，距斷層距離小于3 km，距城鎮距離100～300 m，距公路距離小于500 m。總體而言，地層年代越古老、地形起伏越明顯、降雨變率越大且受人類活動影響越嚴重的地區，越容易導致地質災害的發生。

表3 廣東省地質災害危險性評價因子信息量值Table 3 Information content values of hazard assessment for geological disasters in Guangdong Province

將 10個評價因子圖層的信息量疊加后進行歸一化處理，計算每個1 km×1 km柵格的地質災害危險度，全省共計約175756個評價單元，得到地質災害危險度，結果如圖6(a)所示。采用基于數據集本身特性的ArcGIS自然斷點法，將危險度劃分為5級，得到廣東省地質災害危險度分區圖，如圖6(b)所示。

廣東省地質災害高危險區主要分布在以梅州市為中心的東北地區和以肇慶南部為代表的粵西地區，低危險區主要位于雷州半島和珠江三角洲平原，東部沿海地區也有較大面積的低危險區分布。地質災害低危險區地勢低平，降雨變率較小，且地層年代較新，巖石風化程度較弱，物質基礎與誘發條件相對缺乏，較不易于地質災害的發生。

地質災害危險性評價結果的合理性可以通過實際發生的地質災害在危險度等級分區圖中的分布狀況來檢驗。以未參與信息量統計的163個地質災害點（占總數10%）進行危險性評價結果的合理性檢驗（表4）。首先計算各等級危險區的面積百分比（Gi）以及地質災害點落在各等級危險區內的百分比（Si），然后計算兩者的比值Ri。通過合理性檢驗的地質災害危險性評價結果應該符合 RⅠ＜RⅡ＜RⅢ＜RⅣ＜RⅤ的要求。檢驗結果表明，基于信息量法的廣東省地質災害危險性評價結果是合理的。

2.4 熱帶氣旋、雨澇災害和地質災害綜合危險性評價結果

將熱帶氣旋災變指數、雨澇災害災變指數和地質災害危險度值進行加權求和，計算每個 1 km×1 km柵格的熱帶氣旋、雨澇災害和地質災害綜合危險度，全省共計約175756個評價單元，得到廣東省熱帶氣旋、雨澇災害和地質災害綜合危險度圖，如圖7(a)所示。采用基于數據集本身特性的ArcGIS自然斷點法，將綜合危險度分為5級，得到廣東省主要自然災害危險度分區圖，如圖7(b)所示。

上述3種自然災害中，熱帶氣旋在廣東省造成的災害損失最為嚴重，綜合危險度計算中所占權重也最大，因此綜合危險度分區的空間格局與熱帶氣旋危險度的空間分布非常相似，呈現出從沿海向內陸逐漸遞減的態勢，綜合危險度分區界線與海岸線也近似平行。盡管如此，由于受雨澇災害和地質災害的影響，綜合危險度分區界線的平行程度不如熱帶氣旋的整齊，不同等級綜合危險區界線呈現出不規則的條帶狀沿海岸線向內陸排列的分布格局。

3 結論

圖6 廣東省地質災害危險性空間分異Fig. 6 Spatial differentiation of geological disaster hazard in Guangdong Province

表4 廣東省地質災害危險度分區檢驗結果Table 4 Verification results of geological disaster zones in Guangdong Province

圖7 廣東省自然災害綜合危險性空間分異Fig. 7 Spatial differentiation of comprehensive hazard of natural disasters in Guangdong Province

本文以1 km×1 km柵格為評價單元，在廣東省共計175756個評價單元基礎上，基于風圈半徑計算出熱帶氣旋的災變指數和日降雨量，劃分出雨澇災害等級，進而計算出雨澇災害的災變指數，同時采用信息量法計算出地質災害危險度，在GIS技術支持下，分別得出了熱帶氣旋、雨澇災害和地質災害危險度及其空間分布規律。采用加權求和法，對廣東省熱帶氣旋、雨澇災害和地質災害進行綜合危險度評價，得出了廣東省3種主要自然災害綜合危險度及其危險區劃。主要結論如下：

（1）熱帶氣旋是廣東省自然災害危險度等級最高的災害類型，其次為雨澇災害，再次為地質災害（崩塌、滑坡、泥石流）。熱帶氣旋和雨澇災害危險度分區呈明顯的條帶狀，兩種災害危險度空間分布整體上呈現出危險度等級自沿海向內陸逐漸降低，高危險區集中分布于西南沿海地區的態勢。

（2）地質災害危險度空間分布呈塊狀泛生狀，高危險區集中分布于內陸低山丘陵區，粵東北和粵西地質災害危險度等級較高，東南沿海地區、珠江三角洲和粵東地區地勢平緩，危險度以中、低等級為主。

（3）受熱帶氣旋和雨澇災害主控，廣東省 3種自然災害綜合危險度分區依然表現為不規則的條帶狀沿海岸線分布的特征，綜合危險度分區等級仍然由東南沿海向西北內陸逐漸降低。地質災害危險度等級空間分布格局雖然呈現塊狀泛生型，但其成災機制往往是熱帶氣旋和雨澇災害的鏈式反應和結果。熱帶氣旋帶來的大風在其登陸后有所減弱，但其帶來的暴雨仍然大范圍地影響內陸地區，強降雨可在山地丘陵區引發崩塌、滑坡和泥石流等地質災害?！盁釒庑隄碁暮Α刭|災害”鏈式效應使廣東省自然災害具有泛生性與群發性。因此，多災種綜合評價是廣東省自然災害防御的依據。