洪水災害風險分析的系統(tǒng)理論

0洪水災害風險分析的系統(tǒng)論洪水風險分析是洪水風險管理的基礎，是制定各種防洪措施的重要依據(jù)，特別是對非防洪措施的重要性。因此，對減少洪水災害的損失具有重要意義，引起了人們的關注。20世紀50年代，美國、日本等工業(yè)化國家開始對洪水風險進行分析研究，制作并發(fā)布了中國的洪水風險地圖。20世紀80年代中期，中國開始對洪水風險進行研究。然而，目前國內(nèi)外對洪水風險的定義并不統(tǒng)一。在國內(nèi)外的研究活動中，對洪水災害風險的風險分析仍在一個學科中進行。如果沒有一個系統(tǒng)的洪水災害風險分析系統(tǒng)，就沒有統(tǒng)一的方法來進行評價洪水災害風險的內(nèi)容和分析。因此，本文首先從系統(tǒng)理論的角度，建立了一個復雜的洪水災害系統(tǒng)概念?；谶@一概念，本文探討了洪水災害風險分析的基本內(nèi)容，并構建了洪水災害風險分析的理論框架。1自然災害洪水洪水災害的發(fā)生、發(fā)展及消亡的整個演化過程都是人與自然關系的一種表現(xiàn).由于洪水災害的最終承受體是人類及人類社會中的集合體(承災體),因而,只有對承災體的部分或整體造成直接或間接損害的洪水稱之為災害性洪水.一般而言,形成洪水災害必須具有兩個條件:一是存在誘發(fā)洪水的因素(致災因素)及其形成洪水災害的環(huán)境(孕災環(huán)境);二是洪水影響區(qū)有人類居住或分布有社會財產(chǎn)(承災體).致災因素、孕災環(huán)境、承災體三者之間相互作用的結果形成了通常所說的災情.從系統(tǒng)論的觀點來看,孕災環(huán)境、致災因子、承災體及災情之間相互作用,相互影響,相互聯(lián)系,形成了一個具有一定結構、功能及特征的復雜體系,這就是洪水災害系統(tǒng).圖1描述了該系統(tǒng)的組成特征.概括起來,洪水災害系統(tǒng)具有以下幾個方面的突出特點.1洪水災害系統(tǒng)的層次結構洪水災害系統(tǒng)是由孕災環(huán)境子系統(tǒng)、致災因子子系統(tǒng),承災體子系統(tǒng)及災情子系統(tǒng)四個子系統(tǒng)組成,而每一個子系統(tǒng)又包括其各自的子系統(tǒng).例如:承災體子系統(tǒng)又包括人類子系統(tǒng)、建筑群子系統(tǒng)、工業(yè)子系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)等子系統(tǒng).如此逐層分解,形成了洪水災害的龐大的層次結構,顯然,洪水災害系統(tǒng)是一個“人-自然-社會”系統(tǒng),它具有極高的維數(shù).2復雜的關聯(lián).洪水災害系統(tǒng)內(nèi)各個子系統(tǒng)或局部子系統(tǒng)之間相互作用,相互聯(lián)系,形成了復雜的關聯(lián).這種關聯(lián)的復雜性不僅表現(xiàn)在結構上,而且可以表現(xiàn)在內(nèi)容上,例如,它們可以是物質(zhì)、能量或信息的關聯(lián),也就是說各子系統(tǒng)之間的關聯(lián)的形成是多樣的.3洪水災害系統(tǒng)內(nèi)部因素間因果關系表達不明確.洪水災害的形成受多種因素的影響,每一種因素又包含眾多的表現(xiàn)形式,形成了洪水災害系統(tǒng)內(nèi)各因素之間復雜的因果表達關系,從而使得系統(tǒng)內(nèi)部因素間因果層次關系不明確.例如,降雨作為直接影響徑流的重要因素之一,由于其時空分布的不同對經(jīng)濟的影響作用也不同.42洪水災害系統(tǒng)的不確定性洪水災害系統(tǒng)的不確定性概括起來,包括隨機性、模糊性、灰色性與混沌性等方面的內(nèi)容.5洪水災害形成的條件洪水災害系統(tǒng)是一個“人-自然-社會”系統(tǒng),這一系統(tǒng)不斷地與其環(huán)境發(fā)生著物質(zhì)能量和信息的交換.體現(xiàn)了這一系統(tǒng)的開放性.一方面,洪水災害的形成,需要一定的條件.例如:需要從其外部環(huán)境系統(tǒng)中得到能量、物質(zhì)或信息.沒有外部環(huán)境系統(tǒng)的作用,洪水災害就不可能發(fā)生.另一方面,由于洪水災害的發(fā)生,又對其外部環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生影響,甚至產(chǎn)生或引起其他災害.例如,大氣環(huán)流的變化,可以引起地面的洪水災害,同時由于洪水災害,可能導致泥石流、滑坡等災害的發(fā)生.洪水災害系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng).6洪水災害系統(tǒng)動態(tài)性原因洪水災害系統(tǒng)隨時間而不斷地發(fā)生變化.這是由于它的周圍環(huán)境系統(tǒng)不斷地發(fā)生變化,引起了洪水災害系統(tǒng)的輸入輸出強度與性質(zhì)不斷地變化,并進一步引起洪水災害系統(tǒng)的結構與功能的變化,從而使洪水災害系統(tǒng)呈現(xiàn)出顯著的動態(tài)性.7洪水災害系統(tǒng)的系統(tǒng)科學模型這就是指洪水災害系統(tǒng)的輸出特征,對于輸入特征的響應不具備線性疊加性質(zhì)。例如,相同強度的洪水,在經(jīng)濟發(fā)展水平相近的地域,其規(guī)模量級大小與損害數(shù)量程度方面具有一定的對應關系,但其由于不同地域的背景條件,人口密度,經(jīng)濟發(fā)展水平等方面有差異,所以自然事件的規(guī)模和造成的損失之間不可能構成線性函數(shù)關系.綜上所述的七個特點,突出了反映了洪水災害系統(tǒng)的高維性、復雜性、開放性以及動態(tài)性.因此,從系統(tǒng)科學的觀點來看,洪水災害系統(tǒng)是一個動態(tài)復雜大系統(tǒng).針對這一復雜大系統(tǒng)的控制與管理,無論是采用經(jīng)典的控制理論,還是采用傳統(tǒng)的運籌學技術,都將遇到困難.因此,必須應用現(xiàn)代科學理論,并采用綜合分析的方法,將各學科有機地結合起來,以研究洪水災害行為的時空分布規(guī)律、成災機理,從而形成洪水災害預測與模擬、分析與決策的綜合集成方法.2洪水災害風險分析2.1洪水災害風險的基本特征根據(jù)前述所建立的洪水災害復雜大系統(tǒng)的概念,洪水災害風險可定義為不同強度洪水發(fā)生的概率及其可能造成的洪水災害損失.顯然,這一定義確切地反映洪水災害本身的自然屬性和社會屬性.基于這一定義,洪水災害風險概括起來具有以下特征:2.1.1洪水的時空分布隨機性主要表現(xiàn)在表現(xiàn)于時空洪水災害發(fā)生既有隨機性,又具有可預測性.隨機性包括洪水的不確定性、資產(chǎn)分布的不確定性、防洪措施運用的不確定性等多方面,其中又以洪水的不確定性為主.洪水的發(fā)生受地貌、氣象、下墊面狀況等多種因素的控制,而后者的隨機性決定了洪水在時空分布上的隨機性;可預測性是指洪水災害發(fā)生發(fā)展的過程是有規(guī)律性的,如洪水(災害)等級——頻率分布符合某些概率曲線.洪水災害這種“可測定的不確定”,反映著洪水災害風險的存在.由于洪水災害發(fā)生不可避免,人類尚無法完全控制洪水的發(fā)生,任何防洪工程的設計標準也都有可能被超出,洪水災害風險是客觀存在的.2.1.2城市洪水災害與經(jīng)濟指標的關系洪水災害對人口、經(jīng)濟、社會、生態(tài)諸多方面造成危害或產(chǎn)生不利影響,洪水災害后果有些是可以用經(jīng)濟指標來反映,如財產(chǎn)損失、房屋倒塌、生命線工程的中斷等,但有許多影響是不能或難以用經(jīng)濟指標來反映的,如洪水災害造成的人員傷亡、心理恐懼、社會混亂及生態(tài)環(huán)境的惡化等.洪水災害風險既是經(jīng)濟風險又是非經(jīng)濟風險,在某些情況下,非經(jīng)濟風險更令人關注.2.1.3收益機會不同風險可分為純風險和投機風險兩種.只有損失機會而沒有收益機會時,就是純風險,而投機風險是既有收益機會又有損失機會的風險.洪水災害帶來的收益與其帶來的損失相比是微不足道的,因此,它是純風險.2.1.4洪水威脅不同洪水災害同其它自然災害一樣,具有明顯的空間分異特征.具體表現(xiàn)在兩個方面:一是不同地區(qū)面臨不同類型的、不同強度的洪水威脅;二是不同地區(qū)財產(chǎn)密度和易損失性差異也很大.既使同樣強度的洪水出現(xiàn)在不同地區(qū),造成的災情也會有很大的不同.總之,不同地區(qū)面臨的洪水災害風險是不一樣的,洪水災害風險具有空間性.2.1.5承災體價值及易損性測算洪水災害風險的可測算性主要是指:洪水災害致災因子——洪水發(fā)生概率可以測算;承災體價值及易損性可以測算;洪水對承災體的損害程度可以測算,從而可以綜合確定洪水災害的風險.當然,洪水災害風險的可測算性主要是指經(jīng)濟風險,洪水災害風險的非經(jīng)濟風險大多是難以測算的.2.1.6洪水災害風險的動態(tài)性洪水災害的災情是致災因子(洪水)、孕災環(huán)境、承災體三者相互作用的結果,而致災因子、孕災環(huán)境、承災體三要素都是在變化的.如經(jīng)濟發(fā)展導致財產(chǎn)密度增大,但同時抗災能力也在提高.洪水災害風險總處于動態(tài)之中.洪水災害風險的動態(tài)性表明通過人們的努力是可以在一定程度降低洪水災害風險度的.2.2洪水災害風險分析洪水災害風險管理主要包括洪水災害風險分析、洪水災害風險評價及洪水災害風險管理與決策三個部分.圖2描述了洪水災害風險管理的三個主要內(nèi)容之間的關系.從圖2中可以知道,洪水災害風險分析是洪水災害風險評價的前提,而洪水災害風險評價又是洪水災害風險管理和決策的依據(jù).因此,洪水災害的風險分析是洪水災害風險管理的核心和基礎,以下將重點討論洪水災害風險分析的內(nèi)容.洪水災害風險分析即分析不同強度的洪水發(fā)生的概率及其可能造成的洪水災害損失.圖3是洪水災害風險分析系統(tǒng)的結構框圖,可以看出洪水災害風險分析系統(tǒng)包括三個方面的內(nèi)容:危險性分析、易損性分析和洪水災害損失評估,其中危險性分析主要針對孕災環(huán)境和致災因子,是系統(tǒng)的輸入,易損性分析主要針對承災體,是系統(tǒng)的轉換,洪水災害災情評估是系統(tǒng)的輸出.2.2.1洪水災害危險性分析“洪水危險性”有文獻亦稱為“洪水風險”,為避免與洪水災害風險相混淆,本文采用“洪水危險性”這一概念.危險性(Hazard)是指不利事件發(fā)生的可能性,洪水災害的危險性是指洪水災害系統(tǒng)中孕災環(huán)境和致災因子的各種自然屬性特征,可用洪水過程強度或規(guī)模(如洪峰流量、洪峰水位、洪水總量、洪水歷時、洪峰流速)、洪水頻率(洪水重視期)、洪水災害影響區(qū)域及其影響程度、洪水災害危害強度等危險性指標來刻劃.洪水災害的危險性分析就是在洪水災害系統(tǒng)觀點的框架下,從風險誘發(fā)因素出發(fā),研究不利事件發(fā)生的可能性,即概率.洪水危險性分析就是研究受洪水威脅地區(qū)可能遭受洪水影響的強度和頻度,強度可用淹沒范圍、深度、歷時等指標來表示,頻度即概率,可以用重現(xiàn)期(多少年一遇)來表達.具體地說洪水危險性分析即研究不同頻率的洪水淹沒范圍、水深、歷時的時空分布,即研究洪水發(fā)生頻率與洪水強度的關系.2.2.2洪水災害損失率及洪水災害易損性分析不同承災體遭受同一強度的洪水,損失程度會不一樣,同一承災體遭受不同強度洪水損失程度也不一樣,即易損性(Vulnerability)不同.所謂洪水災害易損性是指承災體遭受不同強度洪水可能損失程度,常常可用損失率來表示.洪水災害損失率是描述洪水災害直接經(jīng)濟損失的一個相對指標,通常指各類承災體遭洪水災害損失的價值量與災前或正常年份各類承災體原有價值量之比,簡稱洪水災害損失率.洪水災害損失率是洪水災害經(jīng)濟損失評估的重要指標,分為各類承災體分項洪水災害損失率(如農(nóng)作物洪水災害損失率、工商企業(yè)財產(chǎn)洪水災害損失率、城鄉(xiāng)居民財產(chǎn)洪水災害損失率等)和各類承災體綜合洪水災害損失率兩種.洪水災害易損性分析是研究區(qū)域承災體易于受到致災洪水的破壞、傷害或損傷的特征.為此,首先識別洪水可能威脅和損害的對象并估算其價值,其次估算這些對象可能損失的程度.概括地說,洪水災害易損性分析是研究洪水強度與損失率的關系.2.2.3洪水可能帶來的損失洪水災害災情評估是在危險性分析和易損性分析的基礎上計算不同強度洪水可能造成的損失大小.對于某一具體的承災體,在一指定頻率洪水下可能受到的損失可采用如下方法進行計算:①從洪水危險性分析結果中找出該承災體所處位置可能遭受的洪水強度(如水深);②從易損性分析結果中,找出該類承災體在該洪水強度下可能的損失率;③利用上步計算的損失率乘以承災體的價值,即得到該承災體可能損失值.按上述步驟