基于高精度房屋類型數據的海口市臺風次生洪澇災害損失評估*

曾 鵬，蘇朝暉，方偉華，張海霞，余 璐

(1.北京師范大學 環境演變與自然災害教育部重點實驗室，北京 100875；2.北京師范大學 地理科學學部災害風險科學研究院，北京 100875；3.北京師范大學 地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875；4.應急管理部—教育部減災與應急管理研究院，北京 100875)

海南島位于太平洋西北部，受西北太平洋臺風區偏西路徑的熱帶氣旋影響較大。熱帶氣旋在登陸前后常伴隨著暴雨以及風暴潮等原生災害，并引發洪澇、滑坡及泥石流等次生災害。近年來，熱帶氣旋次生洪澇災害造成的損失是中國各類海洋災害中最高的，且呈逐年上升趨勢[1]。特別在遭遇強臺風時，往往會形成巨災導致更為嚴重的損失。如2014年第9號超強臺風“威馬遜”單次事件造成的直接經濟損失高達446.5億元。因此，快速準確合理評估次生洪澇災害的損失對災害應急救援和城市風險管理至關重要。

臺風次生洪澇災害的經濟損失評估依賴于洪澇危險性(淹沒水深、淹沒歷時等指標)空間分布，以及各類承災體的財產脆弱性曲線[2]。由于我國記錄的歷史洪澇災害損失及社會經濟數據有限且獲取成本較大，采用傳統的災后統計調查法開展洪澇災害損失評估存在較大的不確定性。當前，隨著GIS技術和水文水力學模型的發展，基于兩者結合的損失評估模型(如MH-HAZUS、CatNet模型等)得到了快速發展，通過承災體價值數據與洪水淹沒信息的GIS分析，能夠實現對熱帶氣旋次生洪澇災害的快速可靠評估[3]。洪澇損失評估面臨的另一個嚴重挑戰是承災體數據精度欠缺，導致現有研究通常采用土地利用類型[4]或者研究區域的社會經濟統計數據[5]進行災害損失估算。然而，這類研究缺乏有效的承災體空間分布信息和損失的空間分布特征，得到的洪澇損失評估結果存在精度不足等問題。因此，高精度的承災體數據對于提高洪澇損失評估至關重要，特別是房屋建筑物這類承災體，即便在相同的土地利用類型下其使用類型和室內財產價值也不盡相同。此外，現有研究構建的洪災脆弱性曲線也為高精度的房屋洪澇損失評估提供了基礎，但各國洪澇災害脆弱性統計指標和房屋結構存在差異，直接借鑒使用承災體對應的脆弱性曲線會帶來較大誤差，需要根據研究的實際情況做出相應的調整和修改。

因此，本文通過高分辨率的房屋建筑物柵格數據提取了海口市的房屋輪廓數據，利用城市規劃、百度POI(Point of Interest)確定了海口市房屋建筑物的使用類型，并基于互聯網上房屋造價和家庭耐消費品價格估算了各類房屋建筑物的經濟價值。同時，基于實地調研的損失數據及參考現有研究，擬合了海口市各類房屋建筑物的脆弱性曲線。以模型模擬的海口市歷史臺風事件和臺風暴雨-洪澇-風暴潮聯合概率情景的洪澇淹沒數據為基礎，重建了影響海口市最嚴重的9場歷史臺風的房屋建筑物損失分布，并評估了6種臺風暴雨-洪澇-風暴潮聯合概率情景下海口市房屋建筑物的洪澇損失。研究結果可為減災政策的制定、洪澇保險業務的開展、以及城市規劃編制提供理論支撐和決策參考。

1 數據

1.1 研究區概況

海口市位處太平洋西北臺風區，熱帶氣旋次生洪澇災害呈現出“成災地域廣、強度及發生頻率高、災害損失重”等特點[6]。海口市常年受熱帶氣旋侵襲，多年平均受影響的臺風約為5.5個，熱帶氣旋帶來的強降水及風暴增水是洪澇災害發生的主要成因。海口市熱帶氣旋降雨具有“強度大、范圍集中、持續時間長”的特點，暴雨一般持續3～4 d，最長的達9 d。此外，受瓊州海峽東西走向地形的影響，熱帶氣旋引發的風暴潮增水常在海峽兩側壅高。熱帶氣旋降水引發的南渡江河道水面快速上漲，疊加南渡江入海口段的風暴潮增水，使得海口市的熱帶氣旋洪澇災害風險較高。

圖1 海口市水文及地貌分布示意圖(行政地圖改自海口市地圖，審圖號:瓊S(2021)023號)

1.2 研究數據獲取

1.2.1 熱帶氣旋次生洪澇淹沒

海口市熱帶氣旋次生洪澇淹沒數據來源于華東師范大學模擬的洪澇結果[7]，模擬平臺為Delft3D構建的海口市臺風暴雨-洪澇-風暴潮復合模型。模型利用硇洲島和秀英港潮位進行了結果驗證，兩個站點的均方根誤差(RMSE)分別為0.18和0.14，相關系數R2均為0.91，模擬結果具有較高的準確性和可靠性。次生洪澇淹沒數據空間分辨率為50 m，包含淹沒水深、淹沒范圍以及淹沒時長等指標。淹沒結果數據包含影響海南省最嚴重的9場歷史典型臺風(臺風國內編號：196309、196311、196608、197109、198007、198217、198616、199111和201409)，以及6種臺風暴雨-洪澇-風暴潮聯合概率情景(5年、10年、25年、50年、100年、200年) 。

1.2.2 屋建筑物使用類型分類

海口市房屋建筑物輪廓柵格數據來源于天地圖(https://map.tianditu.gov.cn/)，范圍為110.10°～110.71°E，20.12°～19.53°N。柵格數據空間分辨率為0.6 m，包含城市和農村房屋、道路、海岸及綠地等5類輪廓。

城市用地規劃數據來源于《海口市城市總體規劃(2011—2020)》[8]，數據內容包含海口市主城區各片區控制性詳細規劃用地，通過對JPG圖像矢量化及地理配準獲取海口市各片區的土地利用類型規劃數據。海口市興趣點POI數據來自百度地圖，內容包括房屋建筑物的名稱、坐標、地址、以及類別等空間屬性。

1.2.3 房屋建筑物造價及室內資產價值評估

海口市房屋造價數據參考主要建筑服務商網站中各使用類型房屋建筑物的工程造價及單位面積造價預算案例，統計指標包含與造價計算相關的建筑面積、地上建筑面積、地下建筑面積等多個屬性的數值。

海南省居民平均每百戶年末主要耐用消費品擁有量來自國家統計局發布的《中國統計年鑒》(http://www.stats.gov.cn/tjsj./ndsj/)，時間跨度為2015—2020年。室內資產價值借鑒了家電售賣網站中各類家電的零售價格，統計對象為在中國市場銷售的所有家電品牌的市場終端零售均價，時間跨度為2015—2020年。

此外，根據歷史臺風受災情況，采用問卷方式對海口市及文昌市等8個城市及農村地區的房屋使用類型及室內財產進行了實地調研，獲得有效樣本377份。調查的指標包括房屋的層數、間數、建成年代、室內財產類別、室內財產各類別數量，以及室內財產總價值等。

1.2.4 房屋建筑物脆弱性曲線

房屋建筑物脆弱性曲線來源根據實地調研數據擬合，以及參照其他脆弱性曲線或災害損失數據庫構建。實地調研數據為海口市及文昌市在“威馬遜”及“海鷗”臺風期間次生洪水導致的淹沒水深、財產價值及房屋室內財產損失等信息[9]。其他建筑物類型的脆弱性曲線參考已有研究的脆弱性曲線函數[10-11]。

2 研究方法

2.1 房屋建筑物次生洪澇損失評估

房屋建筑物洪澇損失分析基于研究區內受到洪澇災害的各房屋類型資產損失率和淹沒程度等指標，計算匯總各類資產損失值。步驟如下：

(1) 數據集構建。根據數據規范對收集的數據進行數據清洗及空間配準等，構建災害損失評估數據集，包括研究區域內的承災體類型及價值，致災因子危險性數據以及歷史災情統計數據等。

(2) 承災體脆弱性量化分析。基于災后實地調研、災情統計上報等數據，建立洪澇災害危險性指標(淹沒水深、淹沒范圍等)與不同承災體損失的定量關系，構建脆弱性矩陣并通過函數擬合得到脆弱性量化結果。

(3) 熱帶氣旋次生洪澇損失評估。通過GIS空間疊加分析，將網格致災因子危險性強度和承災體類型兩種屬性代入至對應承災體脆弱性曲線中，計算網格對應的災害損失率。再根據研究區損失率和各類房屋建筑物的價值空間分布，估算研究區域內的房屋建筑物洪澇損失：

(1)

式中：Lb為房屋建筑物的洪澇損失；Vij為j淹沒水深下的第i類房屋類型的資產價值；Rij為j淹沒水深下的第i類房屋類型的損失率；m為房屋使用類型數；n為淹沒水深等級。

2.2 房屋建筑物使用類型確定及室內財產價值估算

2.2.1 房屋建筑物矢量邊界提取

本研究采用監督分類從高分辨率柵格中提取建筑物輪廓，監督分類在小范圍的研究區域內具有“工作量小，分類精度高，計算效率高”等優點[12]。監督分類算法為基于Bayes準則構造分類函數(式2)的最大似然法，該方法能夠有效利用其他的先驗知識以提高分類精度。分類后對數據中的小圖斑進行剔除或重新分類，基于Aggregation、Majority/Minority分析、聚類處理(clump)和過濾處理(Sieve)等方法并根據實際情況選擇最優的圖斑處理方法，以獲得較為精準的分類結果。此外，利用GIS軟件疊加房屋分類結果與現狀遙感影像數據進行對比，手工刪除和編輯如道路、水體等非房屋輪廓數據，并補充在建工程用房以及臨時用房等遺漏缺失數據。

(2)

2.2.2 房屋建筑物使用類型確定

房屋建筑物的分類一般考慮結構類型、使用類型及其次級指標。基于海口市房屋建筑物的實際情況，參考《城市用地分類與規劃建設用地標準(GB 50137—2011)》中的城鄉用地分類方法，將海口市房屋建筑物根據使用類型劃分為36類(表1)[13]。通過疊加海口市各片區控制性土地利用類型詳細規劃圖，判斷相應覆蓋區域房屋建筑物的使用類型。對于缺少規劃圖的研究區域，對照POI數據及遙感影像中房屋名稱等關鍵標注信息，結合目視解譯及研究人員經驗，確認房屋建筑物的使用類型。

2.2.3 房屋建筑物室內財產價值估算

表2 海口市房屋建筑物和代碼

(3)

表3 海南省2021年毛坯房造價與裝修造價表 (元/m2)

2.3 房屋建筑物脆弱性曲線擬合

房屋建筑物的脆弱性曲線與建筑面積、室內財產類型及財產價值、災后應急相應能力密切相關。不同類型的房屋建筑物在相同淹沒水深情況下的損毀不同，需要建立各自的脆弱性曲線。脆弱性曲線常通過多項式、冪函數、Logistic回歸等函數表達，或使用核密度等非參數分布平滑為曲線[14]。

本文中商業服務業設施用地、二類居住用地、農村住宅用地等建筑物類型參照實地調研結果構建脆弱性曲線函數。其他類型房屋建筑物研究根據已有研究及HAZUS-Flood數據庫中的承災體分類及其對應的平均損失率，建立海口市房屋建筑物脆弱性曲線擬合的參考值。根據室內財產損失率-水深樣本的散點分布，優選出Lognormal函數進行脆弱性曲線函數擬合(式4)。在構建的脆弱性曲線基礎上，利用海口市災情統計數據對擬合參數進行優化，從而得到海口市不同建筑物類型優化后的脆弱性曲線。

(4)

式中：F(x|μ,σ)為不同建筑物類型的室內財產直接經濟損失率；x為淹沒水深(m)；σ、μ分別為自變量的對數值的標準差和平均值，其中，shape=σ為函數的形狀參數，scale=eμ為函數的尺度參數。

2 結果

3.1 洪澇危險性分布

洪澇危險性體現了災害強度和頻率在時空分布上的差異，以及臺風暴雨-洪澇-風暴潮災害遭遇(碰頭)的可能性組合。將洪水淹沒深度劃分為11個等級用以量化洪澇災害的嚴重程度：①0～0.1 m，②0.1～0.5 m，③0.5～1.0 m，④1.0～1.5 m，⑤1.5～2.0 m，⑥2.0～2.5 m，⑦2.5～3.0 m，⑧3.0～3.5 m，⑨3.5～4.0 m，⑩4.0～4.5 m，>4.5 m。

表4 建筑服務商的海口市房屋建筑工程預算案例

圖2展示了單次歷史臺風及臺風暴雨-洪澇-風暴潮聯合概率情景下的洪澇危險性分布，圖中顯示的洪水深度和面積為整個臺風期間每個位置的最大淹沒深度和淹沒范圍。從圖中可見，海甸島、新埠島以及江東新區的洪澇危險性較高，此外南渡江沿岸也存在部分危險性較高的點位。江東新區淹沒范圍較大可能是因為西北走向的臺風登陸時，風暴增水引發該區域河流入海口的水位壅高，導致河流兩岸受淹。總體而言，海口市次生洪澇危險性呈現由新埠島及江東新區沿岸向內陸逐漸降低的空間分布特征。

3.2 房屋建筑物使用類型分布

基于提取的海口市房屋建筑物矢量輪廓，疊加海口市主城區各片區控制性詳細規劃用地類型以及百度地圖POI空間屬性數據，得到房屋建筑物的使用類型空間分布(圖3)。從圖3中可以看出，海口市主城區房屋建筑物分布較為密集，非主城區部分主要集中在城鎮周圍以及以城鎮為中心向外擴散。此外，海口市占比最大的房屋使用類型為居住用地，包含農村住宅用地、一類居住用地、二類居住用地以及三類居住用地，其次是商業用地和旅館業用地。美蘭區是教育科研用地占比最大的行政區，分布有海南大學、海南師范大學等院校，此外，處于開發建設階段的江東新區，其在建工程用地占地面積最大。商業用地和旅館業用地集中在龍華區北部等經濟繁華區域，由于秀英港航運的存在，倉儲用地多分布于秀英區北部。

圖2 海口市臺風暴雨-風暴潮組合洪澇危險性分布

圖3 海口市房屋建筑物使用類型空間分布

圖4 海口市房屋建筑物單位面積室內財產價值(均值、極大值、極小值)估算結果

3.3 房屋建筑物室內財產估值

基于海口市房屋造價、室內耐用消費品總價值等數據，考慮室內財產價值的冪律(Power Law)分布規律[11]，估算了海口市各類房屋建筑物單位面積造價的上限、下限以及均值(圖4)。由于部分使用類型房屋(如倉儲用地、醫療用地等)的用途不同、低收入家庭的房屋建設裝修用料較差、以及各地區減災能力的不同，從而導致部分類型房屋建筑物單位面積室內財產價值的上限、下限相差較大。

3.4 房屋建筑物脆弱性曲線

通過分析實地調研結果中室內財產損失率-水深樣本的散點圖形態，考慮損失率值域區間為[0,1]的特點，選用Logistic函數擬合了商業服務業設施用地、二類居住用地、農村住宅用地等建筑物類型的脆弱性曲線函數。通過分析已有研究中的土地利用類型與建筑物類型水深-損失率對應關系表，借鑒已構建的脆弱性曲線函數參數值，選用擬合優度高的Lognormal累積分布函數進行海口市其他房屋建筑物類型的脆弱性曲線擬合。

此外，由于低水深時建筑物的損失基本可忽略不計，因此需要基于洪澇淹沒水深對脆弱性曲線做截斷處理。已有研究表明水深低于10 cm時房屋的損失基本為零[11]，此外，對城市區域而言道路洪澇災害發生后地表的主要行洪通道，道路兩邊的馬路牙子對洪水溢出有一定的阻礙作用，根據《室外工程(12J003)》規范我國馬路牙子的高度一般為5～10 cm[15]。因此，倉儲用地、在建工程、臨時用房、農村住宅用地以及采礦用地等低防護房屋類型的截斷水深選擇為10 cm，其他房屋類型截斷水深為20 cm。

在構建的脆弱性曲線基礎上，使用歷史災情統計數據對脆弱性曲線的參數進行優化，從而得到海口市不同建筑物類型優化后的脆弱性曲線(圖5)。基于歷史災情統計數據優化的脆弱性曲線，能夠合理有效反映研究區域的損失率-水深關系，可為后續損失評估的精度提供了保證，可認為是海口市各類房屋建筑物損失評估的間接驗證。從圖5中可以看出，當淹沒水深達到3 m或更高時，大部分房屋類型的損失率基本達到最大；當淹沒深度再增加時，損失率增長趨勢不明顯。此外，居民住宅用地、工業用地、商業用地、物流倉儲用地等房屋類型的損失率上升趨勢明顯，但洪水對公用設施用地、道路與交通設施用地等的影響相對較小，損失率普遍低于20%。

3.5 房屋建筑物損失評估

3.5.1 單次歷史臺風下的房屋損失評估

基于海口市房屋建筑物使用類型和室內財產價值空間分布、歷史臺風事件過程最大淹沒水深分布，以及不同房屋使用類型室內財產洪水脆弱性曲線函數，以2014年第9號超強臺風“威馬遜”(Rammasun，編號：201409)為例，估算海口市歷史臺風事件下房屋建筑物室內財產的損失率和損失價值。臺風“威馬遜”期間海口市各類房屋室內財產損失率空間分布見圖6，可見江東新區、海甸島、新埠島、瓊山區、秀英區及美蘭區北部等沿海區域房屋室內財產損失率較高，其中秀英區沿海低洼區域、美蘭區北部以及海甸河沿岸個別地區由于洪澇危險性高，以及部分易損毀房屋使用類型分布集中，部分區域的損失率高達85%以上。此外，受南渡江河流洪水的影響，江沿岸部分地區的損失率也高于20%。

“威馬遜”各類房屋室內財產損失價值空間分布見圖7，室內財產損失主要集中在江東新區、海甸島、新埠島、瓊山區、秀英區及美蘭區北部等沿海區域。從圖7中可見，大部分房屋室內財產損失價值低于5萬元，一些低洼地區及財產聚集度高的區域室內財產損失價值較高，部分區域的洪澇損失達200萬元以上。

圖5 海口市不同房屋建筑物類型(室內財產價值)洪澇災害脆弱性曲線擬合圖

圖6 海口市歷史臺風情景下的房屋室內財產損失率空間分布

圖7 海口市歷史臺風情景下的房屋室內財產損失價值空間分布

根據災情統計數據，超強臺風“威馬遜”對海口市造成直接經濟損失達83.86億元，其中農業生產及基礎設施損失25.82億元，市政園林、環衛設施損失11.01億元，民房倒塌4 204間，直接經濟損失4億元，旅游直接經濟損失3.12億元，供水供電損失4.2億元。一方面，本文在構建脆弱性曲線時已基于災后統計數據對擬合參數進行校驗。另一方面，本文評估的“威馬遜”臺風期間海口市房屋建筑物的洪澇損失值為47.19億元，考慮到旅游、農業以及漁業占海口市經濟的比重較大，在總的直接經濟損失中剔除這部分損失后，可認為對海口市房屋建筑物的洪澇損失估計值相對合理。

3.5.2 典型重現期下的房屋損失評估

模擬了5年、10年、25年、50年、100年和200年共6個典型重現期水平下，臺風暴雨-洪澇-風暴潮耦合作用造成的海口市房屋建筑物室內財產損失率空間分布(圖8)。結果顯示，隨著重現期水平的增加，相同位置的房屋建筑物室內財產損失率逐漸增大，在遭遇200年一遇臺風的情景下，海甸島及新埠島90%以上面積房屋室內財產損失率高于30%，其中部分地區損失率高達70%以上。從不同重現期情景來看，隨著臺風暴雨-洪澇-風暴潮危險性強度增加，江東新區、海甸島、新埠島、瓊山區、秀英區及美蘭區北部等沿海區域房屋室內財產損失率的上升幅度明顯高于其他地區，而在此區域內高損失率覆蓋范圍也呈擴散態勢，其中以海甸島損失率變化最為明顯。在相同重現期水平下，海口市房屋室內財產損失率呈現北高南低的分布格局，江東新區、海甸島、新埠島、瓊山區、秀英區及美蘭區北部等沿海區域損失率遠高于內陸地區。在遭遇5年一遇的臺風時，海甸島大部分地區房屋室內財產損失率低于10%，新埠島70%面積房屋室內財產損失率低于30%。

圖8 海口市臺風暴雨-洪澇-風暴潮不同重現期情景下的房屋室內財產損失率空間分布

圖9 海口市臺風暴雨-洪澇-風暴潮不同重現期情景下的房屋室內財產損失價值空間分布

圖9展示了海口市臺風暴雨-洪澇-風暴潮不同重現期情景下房屋室內財產損失價值的空間分布。對比圖2和圖9，發現房屋建筑物的損失分布與洪澇危險性的空間分布趨同，主要集中在海口市北部沿海及南渡江河流沿線。但也存在部分損失率較高的區域其損失值較小，如南渡江入海口新東大橋附近，這是因為該區域的房屋類型室內財產價值較低。對各類型房屋建筑物的總損失進行統計，在5年、10年一遇的重現期情景下，洪澇損失最高為二類居住用地，其次為商業用地和旅館業用地。當重現期水平超過25年一遇時，一類居住用地的損失將超過旅館業用地，成為洪澇損失第三高的房屋建筑物類型，這是因為一類居住用地主要以別墅為主，房屋室內價值高。當重現期水平超過200年一遇時，商業居住混合用地的損失將升至第三，這可能與該類房屋類型主要分布于海口市北部沿海區域附近有關，出現超設防洪澇時會遭受較為嚴重的損失。

從圖9可見，在5年一遇的臺風強度情景下，海口市房屋建筑物室內財產損失價值較小，大部分區域的損失在1萬元以下，僅個別區域的損失較大，如江東新區海岸線附近，這可能是因為該區域的在建工程較多。隨著臺風強度的增加，北部沿海地區房屋室內財產價值高損失覆蓋范圍不斷擴大，平均損失值也有所上升。在50年一遇的臺風強度情景下，北部沿海地區部分地區房屋室內財產損失價值達到35萬元以上，出現較多地區的損失達50萬元以上。在100年一遇及200年一遇的臺風強度情景下，江東新區、海甸島、新埠島、瓊山區、秀英區及美蘭區北部區域出現較大的房屋室內財產損失，較大部分可達300萬元以上。

3 結論與討論

承災體精度是臺風暴雨-洪澇-風暴潮災害研究的核心內容之一，建立高精度的承災體數據是開展精細化災害損失評估及風險評估的基礎。本文構建了高精度的海口市房屋建筑物承災體數據，同時根據研究區實際情況優化了海口市各類房屋建筑物擬合的脆弱性曲線。對比以往臺風次生洪澇損失研究，本研究實現了對單體房屋建筑物洪澇損失的評估，并且擁有較高精度的洪澇損失評估結果。高精度的洪澇損失結果，可以更好地了解洪澇風險的空間分布格局，以便在城市規劃中采取合理的減災措施以降低洪澇風險。

(1) 基于不同使用類型的高精度房屋建筑物數據能夠在單體房屋尺度展現臺風洪澇損失的空間分布特征，居住用地及商業用地是海口市洪澇損失較高的房屋類型。

(2) 海口市占比最大的房屋建筑物使用類型是居住用地，其次是商業用地和旅館業用地。臺風洪澇淹沒水深對居民住宅用地、工業用地、商業用地、物流倉儲用地等類型的脆弱性影響明顯，但對公用設施用地、道路與交通設施用地等則相對較弱。

(3) 海口市房屋室內財產損失率呈現北高南低的分布格局。隨著臺風暴雨-洪澇-風暴潮聯合重現期水平的增加，相同位置的房屋建筑物室內財產損失率逐漸增大，且區域內高損失率覆蓋范圍也呈擴散趨勢。

(4) 海口市房屋建筑物的損失分布與洪澇危險性的空間分布趨同，集中在江東新區、海甸島、新埠島、美蘭區等北部沿海及南渡江河流沿線區域。隨著臺風暴雨-洪澇-風暴潮聯合重現期水平的增加，一類居住用地和商業居住混合用地的洪澇損失增長較快。

由于缺乏海口市房屋建筑物歷史損失數據，本文對損失評估進行驗證的時候僅對歷史統計總損失與評估損失的差異進行了定性描述。但應當注意的是，本文使用的危險性數據精度較好，且構建脆弱性曲線時基于實地調研數據進行了擬合驗證，因此可認為脆弱性曲線的合理性在較大程度上代表了損失評估的合理性。此外，本文基于城市規劃確定房屋建筑物使用類型時可能會與實際存在誤差，主要是城市規劃受政策影響較大，特別是海南這類改革開放試驗區。