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1、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)。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)摘要
2、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
3、提供依据。关键词 地面沉降;风险指数;风险评估;风险区划中图分类号 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
4、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;河流泄洪能力的丧失;土壤的盐渍
5、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。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
6、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623.88km2,占总面积的#28#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图 1 研究区示意图Fig.1 Sketch map of research area30.37%;1985-2005年平均地面沉降速率为 29.99mm。
7、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。自然灾害风险评估(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。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(emergen
8、cy response&recovery capability)也是制约和影响自然灾害风险的因素 16 17。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
9、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。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(Interpolateto 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(Re
10、classify)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-DongKim 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(
11、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,计算公式为:Vj=Eni=1Wi#Dij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
12、统相互作用的结果(见图2)。地面沉降孕灾环境主要受区域地貌类型、含水岩系、#29#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。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。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
13、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。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
14、、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1985-1990年、1990-1995 年、1995-2000 年和 2000-2005 年的地面
15、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。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
16、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。天津市控沉工作主要围绕监测和压缩地下水开采量展开,因此,每平方公里水准测量公里数和地下水压采量占开采量的比重是影响
17、防灾减灾能力的两个主要因子;此外,随着一个区域城市化水平的提高,区域人口素质、文明程度、居民防灾减灾意识、区域科研水平、经济发展水平以及政府执政管理能力等都会相对提高,区域总体防灾减灾能力也将随之提高,因此,在一定程度上城市化水平也能反映区域防灾减灾能力。具体评价指标体系及其权重见表 1,各因子的权重利用特尔斐法确定。3.3 指标的量化地面沉降灾害风险评价的目标集分为 5 级,即低级、较低级、中等级、较高级和高级。评价指标是数学模型中的变量,必须量化。因此,表 1 中的指标应进行无量纲处理和定量转化。首先根据对地面沉降灾害风险的贡献率大小,在 Spatial Analyst 中选择 Recla
18、ssify 进行重新分类,将每个指标分为 1、2、3、4 和 5 五等,分别对应的风险等级为低级、较低级、中等级、较高级和高级(见表2)。如将累计#30#中国人口#资源与环境 2008年 第 4 期 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。天津市规划和国土资源局.天津市土地利用变更数据汇编(2005)。表 1 地面沉降灾害风险评价指标体系及其权重Tab.1 The index system and its weight value ofland subsidence disaster risk assessment因素层因子层危险性(0.45)易损性(0.36)防灾
19、减灾能力(0.19)累计地面沉降量(0.65)地面沉降速率(0.18)地下水开采强度(0.17)人口密度(0.42)单位面积 GDP(0.31)建设用地比重(0.27)地下水压采量占开采量的比重(0.46)每平方公里水准测量公里数(0.29)城市化水平(0.25)地面沉降量分为 1 200mm 5 个等级,当某个评价单元累计地面沉降量为 1 200mm 时,即重新分类后的取值为 5,该指标对应的地面沉降风险性评价目标是高级;其他依此类推。3.4 数据来源天津市自 1986 年开始实施三年一期的控沉措施,并在国家原有高程控制网的基础上逐年增设水准测量点,现已形成覆盖全市范围的地面沉降水准测量网。
20、截至2006表 2 天津市区及近郊区地面沉降灾害风险评估因子等级划分Tab.2 Grade partition for land subsidence disaster risk assessment indexes of urban and suburb of Tianjin指 标因 素因 子代号分级和取值低级(1)较低级(2)中等级(3)较高级(4)高级(5)危险性累计地面沉降量(mm)地面沉降速率(mm/a)地下水开采强度(104m3#km-2a-1)XH1XH2XH30 3000 200 4300 60020 354 8600 90035 508 12900 1 20050 6512
21、16 1 200 65 16易损性人口密度(人/km2)单位面积GDP(万元/km2)建设用地比重(%)XV1XV2XV30 8000 3 0000 35800 10 0003 000 15 00035 5010 000 20 00015 000 30 00050 6520 000 30 00030 000 45 00065 80 30 000 45 000 80防灾减灾能力每平方公里水准测量公里数(km/km2)地下水压采量占开采量的比重(%)城市化水平(%)XR1XR2XR3 2.4 80 701.8 2.460 8055 701.2 1.840 6040 550.6 1.220 4025
22、 400 0.60 20 25年11 月,全市范围内共有一等水准测量路线1 520.2km,二等水准测量路线 4 855km,共有 2 003 个水准测量点。本文选取 1985-2005 年天津市水准测量点监测数据,计算得到每个监测点的累计地面沉降量和地面沉降速率,并利用ArcGIS9.1 中Spline插值法进行空间插值,栅格单元大小为200m 200m,地下水开采强度由 1985-2005 年地下水开采量计算整理所得;按区统计的人口、经济数据根据5天津市统计年鉴6相关数据整理计算所得13;按区统计的建设用地面积来自5天津市土地利用变更调查数据汇编6;防灾减灾能力由截至 2005 年底水准测
23、量数据和 1985-2005年地下水开采量计算整理所得。为保证良好的空间重合性,各评价因子数据图均在滨海新区地形图的基础上进行数字化,形成统一的坐标系和投影系统。由于GIS 空间分析功能采用栅格数据结构为基础,实现各种代数和逻辑运算 24,因此本文利用ArcGIS中FeaturestoRaster功能将数字化后的矢量数据转化为栅格数据。4 天津市区及近郊区地面沉降灾害风险评估与区划 对于地面沉降灾害风险的评估应当遵循地面沉降灾害的形成机制,结合 GIS 技术分别对形成地面沉降风险的3 个因子)危险性、易损性和防灾减灾能力进行分析。首先利用ArcGIS 的空间分析方法对各个因素的因子进行叠加分析
24、,得到地面沉降灾害危险性、易损性和防灾减灾能力分区图(图3 图 5);在此基础上,采用加权综合评价法(WCA),通过栅格运算得到地面沉降灾害风险区划图(见图 6)。4.1 天津市区及近郊区地面沉降灾害危险性、易损性和防灾减灾能力 综合考虑了1985-2005 年累计地面沉降量、地面沉降#31#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速率和地下水开采强度得到天津市区及近郊区地面沉降危险性分区图(见图 3),由图3 可知:天津市区及近郊区地面沉降高危险区和较高危险区主要位于津南区和西青区,低危险区和较低危险区主要位于市内六区和东丽区,1985年之前地面沉降严重的市内六区情况逐渐好转,市
25、区地面沉降漏斗逐渐消失,初步分析其原因主要是 1986 年至今市区采取了大量压缩地下水开采量等措施,多年来中心市区地下水开采量维持在较低水平,地下水开采量已经低于可开采量;而津南区和西青区地面沉降危险性大主要原因是地下水开采以及地热大规模的开发利用。目前,津南区主要沉降漏斗分布于咸水沽镇、津南经济开发区至葛沽镇一带,基本与图中津南区高危险区分布一致;西青区主要沉降漏斗分布于杨柳青镇、辛口镇、张家窝镇、南河镇和大寺镇,基本与图中西青区高危险区分布一致。图 3 天津市区及近郊区地面沉降灾害危险性分区图Fig.3 Land subsidence disaster hazard zonation in
26、 urbanand suburb of Tianjin综合考虑人口密度、地均 GDP 和建设用地比重得到天津市区及近郊区地面沉降易损性分布图(见图 4),由图4 可知:总体来说,市区的易损性比近郊区大,因为市区承灾体的数量多、密度大、价值高,一旦地面沉降达到一定程度导致建筑物倒坍、生命线中断等灾难时人员伤亡和经济损失就大。其中高易损区为市中心的和平区,低易损区为北辰区和西青区。和平区是天津市经济最发达、人口最密集、商业最繁荣的区,2005 年和平区的人口密度达 43 845人/km2,单位面积生产总值 59 379.69 万元/km2;而北辰区和西青区相对来说人口稀疏、经济落后,西青区是研究区
27、人口最稀疏的区,人口密度为 556 人/km2,北辰区是研究区建设用地比重最低的区,其比重为 32.87%。单位面积生产总值综合考虑每平方公里水准测量公里数、地下水压采量占开采量的比重和城市化水平得到天 图 4 天津市区及近郊区地面沉降灾害易损性分区图Fig.4 Land subsidence disaster vulnerability zonationin urban and suburb of Tianjin津市区及近郊区地面沉降防灾减灾能力分区图(见图 5),由图 5 可知:总体来说市区防灾减灾能力强于近郊区,这与研究区实际控沉工作相符;此外,随着城市化水平的提高,相对来说,市区人口素
28、质高、防灾减灾意识强、政府管理能力强,并且财政收入高,防灾减灾有充足的资金保证。图 5 天津市区及近郊区地面沉降灾害防灾减灾能力分区图Fig.5 Zonation of land subsidence disasteremergency response&recovery capability inurban and suburb of Tianjin4.2 天津市区及近郊区地面沉降灾害风险区划根据自然灾害风险数学计算公式和表 1 中的指标体系和权重,计算了天津市区及近郊区地面沉降灾害系统的风险度,应用GIS 技术,编制了天津市区及近郊区地面沉降灾害风险区划图(见图 6),并对地面沉降灾害风险
29、进行#32#中国人口#资源与环境 2008年 第 4 期了分析。综合考虑各因子指数编制的地面沉降灾害风险分布有以下特点:津南区咸水沽镇、双河镇和葛沽镇等地遭受地面沉降灾害的风险最大,应该加强防御;地面沉降灾害风险次高值主要分布在津南区最高值的外围及西青区的杨柳青镇、辛口镇、张家窝镇、南河镇,这些区域地面沉降灾害危险性大,防灾减灾能力较弱,因此地面沉降灾害风险较大;东丽区东北部和北辰区东北部是研究区地面沉降灾害风险度最小的区域,这些区域地面沉降危险性较小,人口相对较少、经济相对落后,因此风险度最小。图 6 天津市区及近郊区地面沉降灾害风险区划图Fig.6 Land subsidence disa
30、ster risk zonation in urbanand suburb of Tianjin5 结 论综合考虑危险性、易损性和防灾减灾能力,形成了一套基于 GIS 的从数据采集 y空间属性数据库建立 y指标体系选择y评价分析 y地面沉降灾害风险区划的技术路线和方法体系;构建了地面沉降灾害系统模式;建立了地面沉降灾害风险区划的基本评价指标体系,并提出了其数量化方法。以天津市区及近郊区为研究区,构建了与地面沉降灾害相关的 1:1 000 000 比例尺空间图形数据库;以200m 200m 的区划单元对地面沉降风险进行了空间分析,最终编制了研究区的地面沉降灾害风险区划图。地面沉降危险性评价表明,
31、高危险区主要位于津南区和西青区;易损性评估表明,高易损区主要位于和平区;防灾减灾能力评价表明,市区防灾减灾能力相对较强,而近郊区相对较弱;风险区划表明高风险区主要位于津南区咸水沽镇、双河镇和葛沽镇等地。由研究结果可以看出,目前津南区和西青区应该成为天津市区及近郊区地面沉降灾害防御的重点。本研究主要是用来为天津市区及近郊区政府机构制定资源分配、制定高级防御管理计划决策、提高公众对地面沉降灾害成因和控制方法的认识等提供帮助。但由于资料和水平有限,难免有考虑不足之处。(编辑:王兴杰)参考文献(References)1 郑铣鑫,武强,侯艳声等.关于城市地面沉降研究的几个前沿问题 J.地球学报,2002
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48、U Bei-bei1,2 JIANG Yan-xiang3 ZHOUJun3 WANG Jun1 XUShi-yuan1 CHEN Zhen-lou1(1.Key Laboratory of Geographic Information Science of Ministry of Education,East China Normal University,Shanghai 20062,China;2.College of Urban and Environment Science,Tianjin Normal University,Tianjin 300387,China;3.Cotrol
49、ling Land Subsidence office of Tianjin Municipality,Tianjin 300061,China)Abstract Risk assessment and zoning are very important for risk management.Accumulative total subsidence volume,land subsidencevelocity and groundwater exploitation intensity were analyzed and superimposed to create the land su
50、bsidence disaster hazard evaluation map.Populationdensity,unit area GDP and Urbanization were used as indexes vulnerability mapping.Response&recovery capability of landsubsidence disaster was also assessed.Land subsidence disaster risk zonation by means of GIS automatically was overlaid on the three