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Journal of Tropical Oceanography >

2024 , Vol. 43 >Issue 1: 126 - 136

DOI: https://doi.org/10.11978/2023048

Marine Environmental Science

Study on comprehensive risk assessment of storm surges for Fujian Province from the perspective of resilience

  • DING Yiting , 1, 2 ,
  • DONG Dibo 3
Expand
  • 1. Postdoctoral Scientific Research Station of Theoretical Economics, Fujian Normal University, Fuzhou 350117, China
  • 2. Postdoctoral Innovation Practice Base, Fujian Academy of Social Sciences, Fuzhou 350001, China
  • 3. Institute of Smart Marine and Engineering, Fujian Institute of Engineering, Fuzhou 350118, China
DING Yiting. email:

Copy editor: SUN Cuici

Received date: 2023-04-13

  Revised date: 2023-05-02

  Online published: 2023-06-14

Supported by

Fujian Marine Disaster Basic Investigation and Assessment Project([3500]MZZJ[GK]2022003)

Fujian Academy of Social Science "Evaluation and Path Research of Fujian 'five in one' Coordinated Development" project

Fold

Abstract

Based on the triangle model of urban safety resilience, this paper constructs a comprehensive risk assessment framework for storm surge disasters from the perspective of resilient cities. By using the data of 33 coastal districts in Fujian Province from 2011 to 2020, and through the urban resilience evaluation index system, this paper scientifically evaluates the spatial-temporal differentiation characteristics of urban resilience level in Fujian Province. With the help of geographic information analysis tools to evaluate hazard, vulnerability of storm surge disasters and urban resilience, the comprehensive risk assessment of storm surge disasters at the regional scale for Fujian Province is realized. The results show that: (1) the resilience level of coastal cities in Fujian Province in 2020 is at a descending order: Fuzhou, Xiamen, Zhangzhou, Quanzhou, Ningde, Putian; (2) with the improvement of urban resilience level, the storm surge disaster index of Fujian Province is showing a downward trend; (3) the comprehensive storm surge risk level I zone is mainly distributed along the Xinghua Bay and Meizhou Bay in Putian City; (4) we should pay attention to estuaries, trumpet shaped bays and other areas, focus on preventing typhoon storm surges along the northern and central routes, and formulate marine disaster prevention countermeasures and resilient city construction plans according to local conditions.

Key words： storm surge; urban resilience; disaster index; risk assessment

Cite this article

DING Yiting , DONG Dibo . Study on comprehensive risk assessment of storm surges for Fujian Province from the perspective of resilience[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2024 , 43(1) : 126 -136 . DOI: 10.11978/2023048

随着全球气候变暖和海平面持续上升, 人为或自然的灾害风险不断增加, 灾害的作用机理日益复杂, 灾害链逐渐延长, 同时灾害造成的损失程度也愈加严重, 这些因素严重影响着沿海城市的安全与可持续发展。根据《2021年中国海平面公报》显示, 我国沿海海平面上升速率为3.4mm·yr-1, 预计未来30年将上升68~170mm(中华人民共和国自然资源部, 2022)。同时, 伴随着城镇化进程加快, 人口、资金、技术、产业等要素向沿海地区快速集聚, 沿海城市防灾减灾面临着越来越多的风险和挑战。沿海地区由于其所处的地理位置的特殊性, 极易受到海洋灾害的影响, 尤其是风暴潮影的响最为严重。据统计资料显示, 在2011—2020年期间, 我国各类海洋灾害共造成直接经济损失876.78亿元, 导致死亡(含失踪)497人; 其中, 风暴潮灾害造成直接经济损失808.21亿元, 约占总直接经济损失的92.18%(中华人民共和国自然资源部, 2021)。研究发现, 海平面持续上升将持续抬高风暴增水的基础水位, 导致未来我国沿海城市遭受风暴潮概率增加, 而频发的风暴潮灾害将对人民生命财产安全和社会经济发展造成严重威胁。面对沿海地区复杂的环境问题和易发的海洋灾害, 城市适灾韧性研究已经受到广泛关注。2020年, 党的十九届五中全会首次提出“建设韧性城市”的工作部署, 并在“十四五”规划中明确提出“自然灾害防御水平明显提升, 发展安全保障更加有力”的建设目标, 旨在实现短期风险应对和长期城市发展的统一, 为沿海地区可持续发展提出具体方向(李睿倩 等, 2022)。
因此, 本文以韧性理念在沿海城市防灾减灾领域的研究与应用为出发点, 采用2011—2020年的时间序列数据, 通过分析风暴潮灾害特征及致灾因子, 探讨沿海城市适灾韧性评价体系与模型构建, 科学评价福建沿海城市在风暴潮灾害情境下的适灾韧性水平, 借助ArcGIS软件和系统测度评价方法, 分析福建沿海城市适灾韧性水平的时空分异特征, 探究提升沿海城市适灾韧性水平的主要驱动因子。同时, 实现沿海城市韧性动态模拟, 并基于城市适灾韧性三角形评估框架, 结合风暴潮灾害危险性和承灾体脆弱性评估结果, 综合分析了福建省33个沿海县(区、市)的风暴潮灾害风险水平。研究结果为完善我国城市适灾韧性评价研究、制定新时期的海洋防灾减灾对策提供科学参考。

1 研究方法和数据

1.1 区域特征

福建位于我国东南沿海, 北接浙江, 南连广东, 东临台湾海峡, 福建拥有总长为3752km大陆海岸线, 居全国第二, 岸线曲折率为1:6.21, 居全国第一。受亚热带季风气候影响, 福建雨量充沛, 光照充足, 气候条件适宜人类聚居及多种生物的繁殖和生长。拥有良好地理位置和资源禀赋的同时, 福建也面临着严重的海洋动力灾害威胁。据海洋灾害公报的数据显示, 每年5到10月, 福建频繁遭受台风袭击, 尤其是在7、8、9月份最为集中。由于台湾海峡东北至西南的走向与福建省盛行季风的风向一致, 形成“狭管效应”, 年平均风速在7~10m·s-1之间; 海区多年平均波高为1.0~1.5m, 平均周期为4.2~5.9s, 冬季平均波高最大, 夏季平均波高最小; 同时, 福建省沿海地区的潮差具有明显的地域分布特点, 宁德、莆田、泉州沿海潮差较大, 福州、厦门沿海潮差较小, 漳州沿海潮差最小。这些独特的地理、环境、水文动力等要素叠加使得福建受风暴潮灾害影响严重, 并具有发生频次高、影响范围广、灾害损失重的特点。据研究显示, 正面登陆福建的热带气旋和登陆浙南的影响热带气旋, 比登陆广东的影响热带气旋, 更容易引发福建沿海台风风暴潮过程, 最大风暴增水可达2m以上(夏丽花 等, 2014)。此外, 风暴潮影响期间, 季节性高海平面、天文潮和风暴增水三者叠加会加剧风暴潮致灾程度。

1.2 研究方法

1.2.1 基于韧性视角的风暴潮风险综合评估框架

韧性(resilience)最早是物理学和机械学领域的概念。1973年, Holling将韧性概念引入生态学领域, 提出“生态韧性”的概念; 并于1996年分析了“工程韧性”和“生态韧性”的区别与联系, 将其引入社会系统研究; 2004年, Walker基于对社会生态系统的研究, 提出“社会—生态韧性”(又称“演进韧性”)的概念(Holling, 1973; Holling et al, 1996; Walker et al, 2004)。随着系统理论的发展, 韧性概念在工程学、社会学、经济学、灾害学等诸多领域得到了广泛应用。2003年, Bruneau通过对地震灾害情境下的社区韧性研究, 提出韧性系统由工程韧性、经济韧性、社会韧性、组织韧性这四个子系统构成; 2014年, Francis通过对现有韧性定义的总结, 提出韧性系统具有抵御力、吸收力、恢复力这三个主要特征, 获得了学界的普遍认可, 也成为了韧性系统量化评价的理论基础(Bruneau et al, 2003; Francis et al, 2014)。国内的韧性研究起步较晚, 研究范围更多地集中在城市韧性评价的实证研究上, 而对其他灾害的理论应用成果相对匮乏。作为开放的复杂巨系统, 城市是承灾体最为密集且安全风险最集中的区域。随着韧性理论在城市防灾减灾领域的应用不断扩大, 国内学者对韧性城市(resilient city)的研究越来越感兴趣。相较于传统理念, 韧性城市能够减少灾害损失、实现更快的灾后恢复, 更好地应对未来不确定性风险, 是城市安全有序发展的前沿理念和最新模式。陈梦远将韧性内涵的转变过程概括为由均衡论的“工程韧性”、“生态韧性”到演化论的“演进韧性”的转变(陈梦远, 2017)。Liang尝试将韧性理论应用于海岸带生态管理实践, 为沿海地区应对全球气候变化与人类活动压力提供新的分析视角(Liang et al, 2020)。
目前, 海洋灾害风险评估的研究主要围绕灾害危险性评价与承灾体脆弱性评价展开, 在韧性研究方面的成果较少; 研究方法主要来源于工程领域, 对经济、社会、组织方面的考虑较少; 同时, 由于缺乏海量数据和实证分析, 现有研究方法的预测性不强, 难以应对未来的不确定性风险。传统的风暴潮灾害风险分析方法是采用风险等级评估公式: 风险(risk, R)=危险性(hazard, H)×脆弱性(vulnerability, V), 式中, R代表风暴潮灾害风险, H代表风暴潮灾害危险性等级, V代表承灾体脆弱性等级。该公式是基于区域灾害系统理论, 综合区域内的风暴潮危险性和承灾体脆弱性的分析结果, 通过参考风暴潮灾害风险等级与危险性、脆弱性对应关系表(表1), 得出风暴潮灾害风险评估结果。其中, 风暴潮危险性从高到低分为四个等级(I级—Ⅳ级), 每个等级所对应的数值范围表示的是淹没水深范围, I级表示淹没水深不小于300cm, Ⅱ级表示淹没水深在(120cm, 300cm)区间, Ⅲ级表示淹没水深在(50cm, 120cm)区间, Ⅳ级表示淹没水深在[15cm, 50cm)区间; 风暴潮脆弱性也从高到低分为四个等级(I级—Ⅳ级), 每个等级所对应的系数数值表示评估单元的承灾体脆弱性。
表1 风暴潮灾害风险等级与危险性、脆弱性对应关系表

Tab. 1 Relationship between storm surge disaster risk, hazard and vulnerability level

脆弱性
危险性		 低(Ⅳ级)
[0.1, 0.3]		 中低(Ⅲ级)
(0.3, 0.5]		 中高(Ⅱ级)
(0.5, 0.8]		 高(I级)
(0.8, 1]
低(Ⅳ级) 低风险
(V级)		 低风险
(V级)		 中低风险
(Ⅳ级)		 中低风险
(Ⅳ级)
中低(Ⅲ级) 低风险
(V级)		 中低风险
(Ⅳ级)		 中风险
(Ⅲ级)		 中风险
(Ⅲ级)
中高(Ⅱ级) 中低风险
(Ⅳ级)		 中风险
(Ⅲ级)		 中高风险
(Ⅱ级)		 中高风险
(Ⅱ级)
高(I级) 中低风险
(Ⅳ级)		 中风险
(Ⅲ级)		 中高风险
(Ⅱ级)		 高风险
(I级)
传统的灾害风险评估方法强调对灾害中致灾因子危险性和承灾系统脆弱性的研究, 缺乏对城市韧性的考量。石婷婷指出由于城市灾害在灾种、频率、强度等方面的不断变化和科学技术水平的日趋提高, 传统的灾害风险评估体系需要进一步优化(石婷婷, 2016)。郑艳认为韧性城市的分析框架应包括灾害风险评估中的致灾危险性和承灾体脆弱性评价(郑艳 等, 2017)。联合国减灾战略署(United Nations International Strategy for Disaster Reduction, UNISDR)提出韧性是发展的最终目标 (Fekete et al, 2014)。因此, 本文基于城市安全韧性三角形模型(黄弘 等, 2018), 构建适应韧性城市理念的风暴潮灾害风险综合评估框架(图1), 不仅分析风暴潮灾害危险性和重要承灾体脆弱性, 更强调城市系统在应对风暴潮灾害时的抵御力、吸收力和恢复力, 使得沿海城市在应对灾害时更具智慧性、专业性、动态性。
图1 风暴潮灾害情境下的城市安全韧性三角形模型

Fig. 1 Triangle model of urban safety resilience under storm surge disaster scenario

1.2.2 风暴潮危险性与脆弱性评价方法

福建省沿海台风风暴潮总潮位是风暴增水和天文潮之和。由于全省潮位观测站点数量有限, 为重现沿海所有岸段历史风暴潮过程的最大潮位, 本文采用了非结构网格有限体积海洋模型FVCOM (finite-volume coastal ocean model)进行数值计算。在台风风场计算方面, 采用对称台风气压场模型风场来模拟台风影响区域的风场, 并在台风外围及较远的地方用WRF(weather research and forecasting model)预报的风场作为背景风场。同时, 为满足台风区域高分辨率, 和风场范围足够大的要求, 保证长时间水位过程计算的需要, 并在两种风场的衔接区域施行合成。在外开边界的潮位设置方面, 则采用从TPXO9-atlas全球潮汐模型中提取的8个主要分潮: 太阴主要半日分潮(M2)、太阳主要半日分潮(S2)、太阴主要椭率半日分潮(N2)、太阴—太阳赤纬半日分潮(K2)、太阴—太阳赤纬全日分潮(K1)、太阴赤纬全日分潮(O1)、太阳赤纬全日分潮(P1)、太阴主要椭率全日分潮(Q1), 并以调和常数形式加入模型 (郭文云 等, 2021; 赵广生 等, 2022; 宋国煜 等, 2023)。为验证该计算方法的可靠性, 研究选取了福建省近10年来且不少于10个站点的20余场台风风暴潮过程进行模拟验证, 结果显示其误差总体在合理范围之内。
为得到各岸段危险性指数, 本文采用了《海洋灾害风险评估和区划技术导则第1部分: 风暴潮》(HY/T 0273-2019)中的计算方法, 基于沿海岸线数据将福建省域沿海岸线划分为优于2′间隔的岸段, 每个沿海乡镇至少包含了一个岸段。采用数值模拟方法模拟影响福建省域沿海风暴潮过程, 时间序列长度是30年。综合考虑风暴增水和风暴潮超警戒两个指标, 计算各岸段危险性指数${{D}_{g}}$, 具体计算方法如下: 首先, 将风暴增水分为特强(I)、强(Ⅱ)、较强(Ⅲ)、中等(Ⅳ)和一般(V)五个等级, 并按照标准验潮站的风暴潮增水的大小划分风暴潮增水等级, 如表2所示; 其次, 将风暴潮超警戒等级分为特别严重(I)、严重(Ⅱ)、较重(Ⅲ)和一般(Ⅳ)四个等级, 并按照标准验潮站的最高潮位达到当地警戒潮位级别进行划分, 如表3所示; 再次, 通过综合单站历史风暴潮强度等级和风暴潮超警戒等级, 计算得出单站风暴潮灾害危险性指数; 最后, 通过表4得出福建省域沿海岸段风暴潮灾害危险性等级, 评估风暴潮灾害危险。
表2 风暴增水等级划分标准(单位: 厘米)

Tab. 2 Standard for classification of storm surge levels (cm)

等级 I (特强) Ⅱ (强) Ⅲ (较强) Ⅳ(中等) V (一般)
风暴增水 >250 (200, 250) (150, 200) (100, 150) (50, 100)
表3 风暴潮超警戒等级划分等级

Tab. 3 Classification of storm surge exceeding warning level

等级 I (特别严重) Ⅱ (严重) Ⅲ (较重) Ⅳ(一般)
超警戒级别 红 橙 黄 蓝
表4 单站风暴潮灾害危险性等级划分

Tab. 4 Risk classification of single station storm surge disasters

等级 I Ⅱ Ⅲ Ⅳ
${{D}_{g}}$. ≥7.0 [3.5, 7.0) [2.0, 3.5) <2.0
${{D}_{g}}\text{=(}{{S}_{g}}\times \text{0}\text{.4+}{{H}_{g}}\times \text{0}\text{.6)/}N$
式中, ${{D}_{g}}$ 为风暴潮灾害危险性指数; ${{S}_{g}}$为风暴潮增水指数; ${{H}_{g}}$为风暴潮超警戒指数; N 为统计风暴增水和超警戒级别的时间序列的年数。
${{S}_{g}}={{S}_{1}}\times 20+{{S}_{2}}\times 16+{{S}_{3}}\times 12+{{S}_{4}}\times 8+{{S}_{5}}\times 4$
式中, ${{S}_{1}},{{S}_{2}},{{S}_{3}},{{S}_{4}},{{S}_{5}}$分别为单站历史出现I, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, V级增水等级的次数。
${{H}_{g}}={{W}_{1}}\times 20+{{W}_{2}}\times 15+{{W}_{3}}\times 15+{{W}_{4}}\times 5$
式中, ${{W}_{1}},{{W}_{2}},{{W}_{3}},{{W}_{4}}$分别为单站历史出现I, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ级超警等级的次数。
另外, 以沿海各乡镇不同二级土地利用现状类型的面积百分比作为权重, 利用加权综合评分法进行脆弱性评价, 其公式如下:
$A\text{=}\underset{i\text{=1}}{\overset{\text{n}}{\mathop \sum }}\,{{a}_{i}}{{V}_{i}}$
式中, A 为沿海乡镇承灾体脆弱性; ${{a}_{i}}$ 为第i个二级土地利用类型的权重; ${{V}_{i}}$为第i个二级土地利用类型的脆弱性值; n为二级土地利用类型的个数。

1.2.3 城市适灾韧性评价方法

近年来, 通过经济发展、社会进步、生态平衡、基础设施保障等多学科融合视角, 开展城市韧性测度评价, 分析城市韧性时空分异特征, 为城市适灾韧性评价提供了更多研究思路。张明斗等从经济、社会、环境和基础设施4个方面对城市韧性进行量化评价研究(张明斗 等, 2018)。本文基于韧性理论, 构建了一种适用于风暴潮灾害影响下的沿海城市适灾韧性评价框架, 该框架利用了系统工程和递阶结构分解理论, 并根据现有研究的指标使用频次, 以及科学性、系统性和可操作性等原则, 从沿海城市适灾韧性评价指标体系的经济韧性、社会韧性、生态韧性和工程韧性4个方面共选取28个指标(表5), 运用层次分析法采集专家意见, 构建判断矩阵, 从而确定各指标权重, 并对其进行一致性、协调性和信效度检验(陈晓红 等, 2020; 罗紫元 等, 2021)。以福建宁德、福州、莆田、泉州、厦门和漳州这6个沿海城市为研究区域, 对2011—2020年福建沿海城市适灾韧性水平及其空间分异特征做出评价, 并对提升城市韧性的主要驱动因子进行探讨, 提出相应的强韧建议。
表5 城市适灾韧性评价指标体系

Tab. 5 Evaluation index system for urban disaster resilience

子目标层 评价指标层 单位 性质 权重
经济韧性 人均GDP 元·人−1 + 0.05325
人均固定资产投资 元·人−1 + 0.04125
人均金融机构存款余额 元·人−1 + 0.03525
第三产业占GDP比重 % + 0.04950
公共财政收入占GDP比重 % + 0.02325
教育支出占财政支出比重 % + 0.02375
科学支出占财政支出比重 % + 0.02375
社会韧性 城镇登记失业率 % − 0.02550
卫生技术人数比重 % + 0.04125
公共管理和社会组织就业人数比重 % + 0.03400
人均医疗卫生机构床位数 张·人−1 + 0.04075
人均保险保费 元·人−1 + 0.03925
公共安全支出占财政支出比重 % + 0.03550
粮油物资储备支出占财政支出比重 % + 0.03375
生态韧性 人均绿地面积 公顷·人−1 + 0.05925
绿化覆盖率 % + 0.03300
污水处理率 % + 0.02925
生活垃圾无害化处理率 % + 0.02950
工业固体废物综合利用率 % + 0.03150
万元GDP工业废水排放总量 吨·万元−1 − 0.03400
万元GDP工业废水中COD排放量 吨·万元−1 − 0.03350
工程韧性 人均公路线路里程 千米·人−1 + 0.04325
人均生活用水量 吨·人−1 − 0.03300
人均用电量 千瓦时·人−1 − 0.03175
燃气普及率 % + 0.02625
互联网用户数比重 % + 0.04550
人均拥有公共汽电车辆数 辆·人−1 + 0.02575
排水管道密度 千米·平方千米−1 + 0.04450

注: 表中“性质” 列中“+”表示该项指标为正向指标, 即指标值越大则评价越好; “−”表示该项指标为逆向指标, 即指标值越小则评价越好。

构建沿海城市适灾韧性评价指标体系, 应着重体现城市韧性系统在灾害应对方面的抵御能力、吸收能力和恢复能力。本文从经济系统选取能反映城市经济实力的评价指标, 因为高经济水平的城市通常具备充足的资金储备和多元的产业结构, 能够更好地抵御灾害并快速实现灾后恢复; 从社会系统选取能反映公共安全服务保障、社会管理水平和居民生活水平的评价指标, 因为完善的保障服务体系能为受灾居民提供及时的医疗救治; 从生态系统选取反映城市环境和居民生活环境的绿色水平的评价指标, 因为宽广的绿地能为居民提供合适的避灾场所; 从工程系统选取反映城市基础设施水平的评价指标, 因为高水平的基础设施不仅能够降低灾害发生的概率, 减小灾害发生时的作用强度, 还能保证灾后城市的基本运转, 尤其城市排水管道的合理铺设可以有效断开风暴潮灾害链中的城市内涝灾害。
首先, 建立用于测度评价的福建6个沿海城市适灾韧性评价系统的原始数据矩阵Xi, 包含m个时间截面的n项指标数据:
${{X}_{i}}=\left[ \begin{matrix} {{X}_{11}} & \cdots & {{X}_{1n}} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ {{X}_{m1}} & \cdots & {{X}_{mn}} \\ \end{matrix} \right]$
采用极差标准法对矩阵X1, …, X6的原始数据进行处理, 以消除各指标数据的量纲和方向不同产生的影响。
其次, 利用综合指标测度评价方法计算得到各沿海城市的经济韧性、社会韧性、生态韧性和工程韧性水平, 取值范围为[0,0.25]; 再次, 将经济韧性、社会韧性、生态韧性和工程韧性的评价结果进行累加, 得到2011—2020年福建各沿海城市的综合韧性水平Re, 取值范围为[0,1], 并分析时空分异特征; 最后, 采用自然断点法将福建各沿海城市适灾韧性评价指数划分为4个等级: I级(低韧性, 0≤Re<0.25)、Ⅱ级(中低韧性, 0.25≤Re<0.5)、Ⅲ级(中高韧性, 0.5≤Re<0.75)和Ⅳ级(高韧性, 0.75≤Re≤1)。

1.2.4 风暴潮灾情等级指数

冯利华提出以灾害中的受灾人数情况、直接经济损失情况、房屋农田等受损情况作为衡量灾害损失的“灾级”指标, 其他学者也在灾害影响评估过程中运用了“灾级”评价方法, 得到了很好的验证(冯利华, 1993; 罗紫元 等, 2021)。因此, 本文参照该评价方法, 对2011—2020年福建省沿海城市历史风暴潮灾害损失情况进行量化评价。通过风暴潮灾害造成的受灾人口数量(单位: 人)、倒塌房屋间数(单位: 间)、直接经济损失(单位: 万元)和水产养殖受灾面积(单位: 公顷)等灾情统计指标衡量灾害综合等级。
通过下列公式对指标进行换算, 得到受灾人口数量(d)、倒塌房屋间数(c)、直接经济损失(e)和水产养殖受灾面积(h)这4项指标的规范化指数Id、Ic、Ie和Ih。
${{I}_{d}}\text{=}\left\{ \begin{matrix} d\text{/100, }d\le \text{100} \\ \text{log}d-\text{1, }d\text{100} \\ \end{matrix} \right.$
${{I}_{c}}\text{=}\left\{ \begin{matrix} c\text{/1000, }c\le \text{1000} \\ \text{log}c-\text{2, }c\text{1000} \\ \end{matrix} \right.$
${{I}_{e}}\text{=}\left\{ \begin{matrix} e\text{/1000, }e\le \text{1000} \\ \text{log}e-\text{2, }e\text{1000} \\ \end{matrix} \right.$
${{I}_{h}}\text{=}\left\{ \begin{matrix} \text{(15}\times h\text{)/1000, }h\le \text{66}\text{.7} \\ \text{log}\left( \text{15}\times h \right)-\text{2, }h\text{66}\text{.7} \\ \end{matrix} \right.$
因此, 风暴潮灾害综合等级指数F为各项指标的规范化指数之和:
$F={{I}_{d}}+{{I}_{c}}+{{I}_{e}}+{{I}_{h}}$

1.3 数据来源

收集整理水文气象资料, 包括台风路径数据、台风期间潮位数据、警戒潮位数据等, 主要来源于福建省海洋与渔业局, 用于风暴潮灾害危险性评价; 收集土地利用数据、重要承灾体及易损承灾体数据等, 主要来源于自然资源主管部门, 用于承灾体脆弱性评价; 收集经济、社会、环境及城市建设数据等, 主要来源于各期的《福建统计年鉴》《中国环境统计年鉴》《中国城市统计年鉴》等。

2 结果和分析

2.1 福建沿海城市适灾韧性评价结果

采用极差标准法对2011—2020年福建省6个沿海城市28项指标共计1680个数据进行处理, 借助于综合指标测度评价方法得到各沿海城市经济韧性、社会韧性、生态韧性和工程韧性4个维度的各期韧性评价结果(图2)。
图2 2011—2020年福建沿海城市适灾韧性雷达图

Fig. 2 Disaster resilience of coastal cities in Fujian from 2011 to 2020

由图2可知, 厦门和福州的城市适灾韧性水平较高, 厦门的经济韧性对城市适灾韧性贡献度最大; 而福州则由前期的工程韧性主导逐渐过渡到以经济韧性主导。漳州、泉州和宁德的城市适灾韧性水平次之, 漳州是以生态韧性为主导; 泉州则均衡构建城市适灾韧性体系; 宁德目前以生态韧性为主导, 但经济韧性的增速较快, 正逐渐占据主导地位。莆田的城市适灾韧性水平较低, 应提升城市适灾韧性水平, 以应对全球气候变化和未来不确定性扰动。

2.2 福建沿海城市风暴潮灾情分析

2011—2020年间, 福建沿海地区受到了共计26次台风风暴潮的影响, 如表6所示, 风暴潮频次呈逐年减少趋势; 就台风的路径而言, 影响福建沿海的台风风暴潮中, 北部路径的台风频率最高, 占总数的31%且平均强度最大; 南部路径的台风频率近年来呈上升趋势; 中部路径的台风频率最低, 仅占总数的19%。综合考虑风暴潮频次、路径和灾情等级指数, 可以得到以下结论: 北部路径的台风风暴潮对福建沿海地区构成较大威胁, 尤其对宁德和福州影响最为严重, 其灾情等级指数到2019年后才呈明显下降趋势; 南部路径的台风风暴潮造成的影响较小, 主要影响漳州地区, 其灾情等级指数较低; 中部路径的台风造成的灾情等级最低, 主要受影响的地区是莆田, 可能是由于台湾岛对台风强度起到了衰减作用, 导致台风的平均强度较低。
表6 2011—2020年风暴潮过程和福建沿海城市灾情等级指数

Tab. 6 Storm surge process and disaster level index of Fujian coastal cities from 2011 to 2020

年份 风暴潮过程 宁德 福州 莆田 泉州 厦门 漳州
2011 1105(其他路径);
1109(北部路径);
1111(南部路径)		 7.824 4.268 5.160 0.000 0.000 3.327
2012 1205(其他路径);
1209(北部路径);
1214(其他路径)		 10.834 8.494 0.000 0.000 0.000 0.000
2013 1307(北部路径);
1312(北部路径);
1319(南部路径);
1323(北部路径)		 12.520 10.871 0.000 4.281 0.000 8.416
2014 1407(其他路径);
1410(中部路径);
1416(其他路径)		 8.697 9.010 8.301 2.861 0.615 9.105
2015 1509(北部路径);
1513(中部路径);
1521(中部路径)		 11.667 12.154 9.771 5.491 2.534 6.351
2016 1601(南部路径);
1614(南部路径);
1617(中部路径);
1622(南部路径)		 10.059 9.535 1.973 9.114 8.621 7.468
2017 1709(中部路径) 8.356 8.674 3.409 0.000 0.000 4.648
2018 1808(北部路径);
1822(南部路径)		 9.900 9.134 0.002 0.000 0.000 2.026
2019 1911(南部路径);
1918(北部路径)		 2.916 0.007 0.000 0.000 0.000 2.860
2020 2006(南部路径) 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 5.938
如2011—2020年福建各沿海城市适灾韧性指数和福建省台风风暴潮灾情指数图(图3)所示, 随着各沿海城市适灾韧性水平的稳步提高, 福建省风暴潮灾情等级指数呈下降趋势, 适灾韧性城市的建设对减缓风暴潮灾害时所造成的影响有积极作用。
图3 2011—2020年福建沿海城市适灾韧性指数和福建省灾情等级指数

Fig. 3 Disaster resilience index of coastal cities and disaster severity index in Fujian Province from 2011 to 2020

2.3 福建沿海城市风暴潮风险综合评估

对于某次台风风暴潮过程, 通过比较各岸段最大潮位与当地核定警戒潮位值, 确定该岸段的超警戒潮位等级, 将超警戒潮位划分为超红色警戒、超橙色警戒、超黄色警戒、超蓝色警戒 4 个等级。同时, 以土地利用现状数据为基础, 通过加权综合评分法进行脆弱性评价, 参考重要承灾体脆弱性等级参考表, 将脆弱性划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级4个等级, 结果如图4所示。
图4 福建省风暴潮灾害(a)危险性区划和(b)承灾体脆弱性区划

该图基于福建省标准地图服务系统公开发布的审图号为闽S[2023]254号的标准地图制作。

Fig. 4 Storm surge risk zoning (a) and vulnerability zoning (b) of Fujian Province

在危险性分布方面, 如图4所示, 福建省风暴潮灾害I级危险性区域主要分布在闽江口和漳州市的北部沿海。由于闽江口的喇叭口地形作用, 位于闽江入海处的闽江口岸段为福建省风暴灾害最严重的区域; 漳州市的北部沿海警戒潮位值较低, 容易出现风暴潮潮位超警戒现象。Ⅱ级危险性区域主要分布在兴化湾和湄洲湾, 在风暴潮灾害影响的区域中, 应重点关注河口和喇叭型湾口等容易发生严重风暴潮灾害的地区。Ⅲ级和Ⅳ级危险区域主要分布在宁德、厦门和漳州市的南部沿海。因此, 应重点防范北部路径和中部路径的台风。
在脆弱性分布方面, 福建省风暴潮灾害承灾体I级脆弱性区域主要分布在福州、厦门和泉州的城市用地区域, 这些区域包括了福建两大核电站、三大国际机场、14个石油化工企业和港口码头密集地区。风暴潮灾害承灾体Ⅱ级脆弱性区域主要分布在福州、厦门和泉州市区周边的城镇地区和宁德市区。这些地区属于社会经济较发达且人口较密集地区; 风暴潮灾害承灾体Ⅲ级脆弱性区域主要分布在福建省北部乡镇地区; 而风暴潮灾害承灾体级脆弱性区域则分布在福建省北部和南部乡镇地区, 这些地区以林地、草地为主要土地利用类型。综上, 对于风暴潮灾害承灾体I级脆弱性区域, 应重点关注该区域内的核电站、国际机场、石油化工企业、港口码头等重要承灾体, 对于这类地区应完善土地利用规划, 配套完备的防波堤、避灾场所、应急通道等, 完竣风暴潮预警信息发布系统, 并制定多级别的应急预案, 以提高应对风暴潮灾害的能力。
通过对福建省沿海33个县(市、区)的风暴潮灾害危险性、承灾体脆弱性和2020年福建沿海城市适灾韧性区划的图层叠加分析, 得到基于韧性视角的福建省风暴潮风险综合区划图(见图5), 其中I级为高风险, V级为低风险。由图可知, I级风险区主要分布在莆田的兴化湾、湄洲湾沿岸, 涵盖莆田城厢区、涵江区、荔城区和秀屿区, 因莆田城市适灾韧性水平较低, 在较高的灾害危险性和承灾体脆弱性的综合影响下, 显示出省内最高的风暴潮灾害综合风险水平。Ⅱ级风险区主要分布在泉州沿海, 包括洛江区、惠安县、南安市、晋江市和石狮市, 因该区域具有国际机场、港口码头和石油化工企业, 导致承灾体脆弱性水平较高, 显示出较高的风暴潮灾害综合风险水平。Ⅲ级风险区主要分布在宁德北部沿海、闽江口沿岸和漳州北部沿海地区。而Ⅳ级和V级风险区主要分布在宁德至福州北部、厦门和漳州沿海地区。据此, 在综合考量福建沿海各县(市、区)的灾害危险性、承灾体脆弱性和适灾韧性这三个维度的评估数据的基础上, 应重点关注中部路径的台风, 制定防灾减灾对策和韧性城市建设规划, 提升城市适灾韧性水平, 以降低可能受“狭管效应”影响引起的异常尖陡的风暴潮增水对莆田、泉州沿岸地区造成的灾害损失。
图5 基于韧性视角的福建省风暴潮综合风险区划

该图基于福建省标准地图服务系统公开发布的审图号为闽S[2023]254号的标准地图制作。

Fig. 5 Storm surge risk zoning in Fujian Province based on the concept of resilience

3 结论

本文以韧性城市的研究为出发点, 采用2011—2020年的时间序列数据, 通过分析风暴潮灾害特征及致灾因子, 构建沿海城市适灾韧性评价体系, 并科学分析福建沿海城市在风暴潮灾害情境下的适灾韧性水平和时空分异特征。借助ArcGIS软件, 综合考虑风暴潮灾害危险性、承灾体脆弱性和城市适灾韧性评价结果, 全面评估了福建省33个沿海县(区、市)的风暴潮灾害综合风险水平。研究结果表明: (1)2020年, 福建省沿海城市适灾韧性水平从高到低依次为: 福州、厦门、漳州、泉州、宁德和莆田; 其中, 福州和厦门以经济韧性为主导, 漳州和宁德以生态韧性为主导; (2)随着各沿海城市适灾韧性水平的稳步提升, 福建省风暴潮灾情等级指数呈下降趋势, 建设适灾韧性城市有助于减缓风暴潮灾害带来的不利影响; (3)通过对不同路径和等级的台风所引发的风暴潮进行数值分析, 发现河口、喇叭型湾口等区域, 以及来自于北部路径和中部路径的台风, 更容易引发高危险性等级的风暴潮灾害, 应在防灾减灾工作中给予重点关注; (4)风暴潮综合风险I级区主要分布在莆田的兴化湾和湄洲湾沿岸, Ⅱ级风险区主要包括泉州的5个沿海县(市、区)。福建省全部沿海地区都存在不同等级的风暴潮灾害风险, 应基于风暴潮灾害综合风险评估结果, 因地制宜制定海洋防灾减灾对策和韧性城市建设规划, 开展隐患排查治理、风险监测预警等常态化灾害防治工作, 推进风险级别较高地区的海堤、护岸建设, 强化基础设施对海洋灾害风险的防控能力。

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