一种城市内涝灾害预警等级评估方法与流程

本发明涉及一种内涝灾害预警等级评估方法。特别是涉及一种城市内涝灾害预警等级评估方法。

背景技术：

城市内涝灾害是一种普遍的城市灾害类型，它给城市带来了巨大的破坏。尤其是沿海城市，常常由于台风、暴雨、海潮而引起城市内涝，导致人员伤亡和巨额的财产损失。

为了有效地预测内涝灾害并减少内涝造成的人员与财产损失，国内外许多专家学者提出了一系列的数学和经验模型，模拟内涝形成过程并进行灾害评估，但鲜有研究对这些灾害评估结果进行综合评价。

基于此，有必要对多种评价城市内涝危害程度的指标进行综合评价，并在此基础上提供一种城市内涝灾害预警等级的评估方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种清晰、明确的城市内涝灾害预警等级评估方法。

本发明所采用的技术方案是：一种城市内涝灾害预警等级评估方法，包括如下步骤：

1)确定用于评价城市内涝危害程度的评价指标集，所述评价指标集中的评价指标是按层次划分为一级评价指标和二级评价指标；

2)采用层次分析法确定所述评价指标集中各级评价指标的权重；

3)确定每个二级评价指标的隶属度函数，计算城市内涝危害程度在各二级评价指标的量化评价值；

4)采用模糊合成算子中的加权平均算子计算城市内涝危害程度的综合评价值；

5)确定城市内涝灾害预警等级。

步骤1)中所述的评价指标集包括：积水影响评价和经济损失评价，构成一级评价指标；其中，所述的积水影响评价包括：汇水分区的最大积水深度、积水区占汇水分区面积的比例和汇水分区的积水时长，构成二级评价指标；经济损失评价包括：财产损失、交通延误损失和停工损失，构成二级评价指标。

步骤2)包括：根据判断两指标相对重要性的判断尺度与评价原则构造判断矩阵，计算判断矩阵的特征向量，对判断矩阵进行一致性检验，确定各级评价指标的权重。

步骤3)所述的确定每个二级评价指标的隶属度函数如下：

其中，z为城市内涝危害程度在任一二级评价指标的量化评价值，x为评价指标值，xmin为达到城市内涝最低危害程度时该二级评价指标的取值，xmax为达到城市内涝最高危害程度时该二级评价指标的取值。

步骤4)所述的采用模糊合成算子中的加权平均算子计算城市内涝危害程度的综合评价值如下：

其中，z为城市内涝危害程度的综合评价值，wi为第i个一级评价指标的权重，wij为第i个一级评价指标下属的第j个二级评价指标的权重，zij为城市内涝危害程度在第i个一级评价指标下属的第j个二级评价指标的量化评价值，ni为第i个一级评价指标下属的二级评价指标数目，m为一级评价指标数目。

步骤5)所述的确定城市内涝灾害预警等级，是：

若0≤z<t1，则为蓝色预警，说明城市内涝危害程度一般；若t1≤z<t2，则为黄色预警，说明城市内涝危害程度较重；若t2≤z<t3，则为橙色预警，说明城市内涝危害程度严重；若t3≤z≤1，则为红色预警，说明城市内涝危害程度特别严重；

其中，z为城市内涝危害程度的综合评价值；t1、t2和t3分别为设定的城市内涝灾害预警等级划分阈值。

本发明的一种城市内涝灾害预警等级评估方法，具有如下有益效果：

1、由于多个用于评价城市内涝危害程度的指标在进行综合评价中的权重是不确定的且不相同的，因此引入了层次分析法计算各评价指标的权重，使得各个评价指标的权重都是量化的，非常清晰、明确，适合于城市内涝危害程度的综合评价。

2、提出了一种城市内涝灾害预警等级的评估方法，将表征城市内涝危害程度的综合评价值转化为直观的预警等级，便于相关部门针对不同预警等级采取相应的应对策略，具有实际可操作性。

附图说明

图1是本发明一种城市内涝灾害预警等级评估方法的流程图；

图2是评价城市内涝危害程度的指标评价体系。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种城市内涝灾害预警等级评估方法做出详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种城市内涝灾害预警等级评估方法，包括如下步骤：

1)确定用于评价城市内涝危害程度的评价指标集，所述评价指标集中的评价指标是按层次划分为一级评价指标和二级评价指标；所述的评价指标集包括：积水影响评价和经济损失评价，构成一级评价指标；其中，所述的积水影响评价包括：汇水分区的最大积水深度、积水区占汇水分区面积的比例和汇水分区的积水时长，构成二级评价指标；经济损失评价包括：财产损失、交通延误损失和停工损失，构成二级评价指标。

如图2所示，y代表评价目标，即城市内涝的危害程度。x1，x2，……，xm表示一级评价指标，表示相应的二级评级指标。

2)采用层次分析法确定所述评价指标集中各级评价指标的权重；包括：根据判断两指标相对重要性的判断尺度与评价原则构造判断矩阵，计算判断矩阵的特征向量，对判断矩阵进行一致性检验，确定各级评价指标的权重。

层次分析法最初是由美国运筹学家萨蒂教授在上世纪七十年代正式确立的，此方法最初是在为美国国防部研究“各个工业部门对国家福利的贡献大小而进行电力分配”课题时提出的一种层次权重决策分析方法。这种理论是在对研究问题充分研究后首先分析影响目标的各评价指标的联系，并予以划分层次，之后再对单层次单目标进行数学的分析。因此这是一种定性与定量的有机结合，将复杂系统分解，把多目标、多准则又难以全部定量的综合评价问题转换为多层次单目标问题。

3)确定每个二级评价指标的隶属度函数，计算城市内涝危害程度在各二级评价指标的量化评价值；所述的确定每个二级评价指标的隶属度函数如下：

其中，z为城市内涝危害程度在任一二级评价指标的量化评价值，x为评价指标值(汇水分区的最大积水深度、积水区占汇水分区面积的比例和汇水分区的积水时长可参考王林,秦其明,李吉芝,等.基于gis的城市内涝灾害分析模型研究[j].测绘科学,2004,29(3):48-51.获得，财产损失、交通延误损失和停工损失可参考历史经验数据预测获得)，xmin为达到城市内涝最低危害程度时该二级评价指标的取值，xmax为达到城市内涝最高危害程度时该二级评价指标的取值。

4)采用模糊合成算子中的加权平均算子计算城市内涝危害程度的综合评价值；

所述的采用模糊合成算子中的加权平均算子计算城市内涝危害程度的综合评价值如下：

其中，z为城市内涝危害程度的综合评价值，wi为第i个一级评价指标的权重，wij为第i个一级评价指标下属的第j个二级评价指标的权重，zij为城市内涝危害程度在第i个一级评价指标下属的第j个二级评价指标的量化评价值，ni为第i个一级评价指标下属的二级评价指标数目，m为一级评价指标数目。

5)确定城市内涝灾害预警等级。所述的确定城市内涝灾害预警等级，是：

若0≤z<t1，则为蓝色预警，说明城市内涝危害程度一般；若t1≤z<t2，则为黄色预警，说明城市内涝危害程度较重；若t2≤z<t3，则为橙色预警，说明城市内涝危害程度严重；若t3≤z≤1，则为红色预警，说明城市内涝危害程度特别严重；

其中，z为城市内涝危害程度的综合评价值；t1、t2和t3分别为设定的城市内涝灾害预警等级划分阈值。

本发明具体实例如下：

首先采用层次分析法定量表达各级评价指标在评价城市内涝危害程度时的权重。

层次分析法在确定各评价指标之间的权重时，不把所有评价指标放在一起比较，而是两两相互比较，此时采用相对尺度，以尽可能减少性质不同的各评价指标相互比较的困难。判断两指标相对重要性的评价规则与评判尺度为：

假设相对于评价目标y，由一级评价指标x1，x2，……，xm之间两两比较得到的判断值分别为amn，anm＝1/amn(m,n＝1,2,……,m)，另外规定amm＝1，即一个评价指标与其自身具有同样重要性，将所有评价指标按相对重要性完成比较后即可得到判断矩阵a＝(amn)m×m。类似的，每个一级评价指标下属的二级评价指标按照相对重要性完成比较后可得到判断矩阵

本例中，由于一级评价指标数目仅为2个，因此无需借助层次分析法，可直接根据两个一级评价指标间的相对重要性关系确定一级评价指标的权重w1＝0.2500，w2＝0.7500。

将每个一级评价指标下属的二级评价指标按照相对重要性进行比较，得到判断矩阵

之后计算判断矩阵的特征向量，将判断矩阵bⁱ的每一列元素归一化处理：

对各列归一化的判断矩阵按行相加：

对向量进行归一化处理，即得到特征向量：

本例中得到的特征向量w¹＝(0.29730.16380.5390)；w²＝(0.63330.10620.2605)。

简单的说，得到的特征向量即为各评价指标的权重。但这个权重不一定就是有效、可取的。还需对其进行矩阵的一致性检验，首先计算判断矩阵的最大特征根：

本例中的最大特征根

计算判断矩阵的一致性指标c.i.：

本例中的一致性指标c.i.¹＝0.0046；c.i.²＝0.0194。

计算随机一致性比率c.r.：

其中r.i.为随机一致性指标，是一个常量，可以通过查表获得。

当c.r.<0.1时，即认为判断矩阵具有满意的一致性，否则就要重新调整判断矩阵的取值，使之满足一致性检验要求。

本例中的随机一致性比率c.r.¹＝0.0079，c.r.²＝0.0334，均满足一致性检验要求，所求得的判断矩阵特征向量wⁱ可作为各二级评价指标的权重，即w11＝0.2973，w12＝0.1638，w13＝0.5390，w21＝0.6333，w22＝0.1062，w23＝0.2605。

本例中涉及的各评价指标量纲并不一致，为方便后续综合评价值的计算，需对各评价指标去量纲化，此处通过建立各二级评价指标的隶属度函数实现，通过函数生成的量化评价值即可反映城市内涝在各评价指标的危害程度。

本例中涉及的各评价指标均为指标值越小则表示危害程度越低的指标，且均存在某个指标取值xmin，当评价指标值低于此值时可认为城市内涝造成的危害程度显著轻微，其量化评价值为0。类似的，本例中涉及的各评价指标均存在某个指标取值xmax，当评价指标值高于此值时则认为城市内涝造成的危害程度非常严重，其量化评价值取1。若指标取值介于xmin与xmax之间则根据设计的各评价指标的隶属度函数计算其量化评价值。

本例中，城市汇水分区的最大积水深度、积水区占汇水分区面积的比例、汇水分区的积水时长、财产损失、交通延误损失以及停工损失分别记为x11、x12、x13、x21、x22、x23。根据专家咨询的结果相应的将x11min、x12min、x13min、x21min、x22min、x23min分别设定为0.1、10％、0.5、100、50、80；x11max、x12max、x13max、x21max、x22max、x23max分别设定为2.0、50％、12、500、250、400。假设预测某次强降水后城市汇水分区的最大积水深度、积水区占汇水分区面积的比例、汇水分区的积水时长、财产损失、交通延误损失以及停工损失分别为1.8、30％、6、300、150、200。则城市内涝危害程度在各二级评价指标的量化评价值分别为：z11＝0.8947，z12＝0.5000，z13＝0.4783，z21＝0.5000，z22＝0.5000，z23＝0.3750。

模糊合成算子的作用是将各评价指标的权重与指标的量化评价值合成得到反映城市内涝危害程度的综合评价值。此处选用加权平均算子，该算子的优势在于允许各评价指标间以优补劣，相互补偿。本例中，城市内涝危害程度的综合评价值的计算结果z＝0.5020。设定t1、t2、t3分别为0.25、0.5和0.75，根据城市内涝预警等级确定方法，属于橙色预警范围，说明城市内涝危害程度严重。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。