基于熵權—TOPSIS模型的雷電災害風險評價研究*
——以內蒙古自治區為例

劉正源，那仁滿都拉，郭恩亮，劉曉東，秦兆軍，宋昊澤，王漢堃，侯 越

(1.內蒙古自治區雷電預警防護中心，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區蒙古高原災害與生態安全重點實驗室，內蒙古師范大學 地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022)

內蒙古自治區地處高緯度地區，各類地形中高原所占的面積最大，邊緣受到山脈的阻隔，氣候類型主要為溫帶大陸性季風氣候，受其復雜的氣候類型和獨特的地形地貌影響，全區雷電災害頻繁發生。據內蒙古氣象局統計，2001—2015年期間，內蒙古共發生雷災事故653次，年均發生雷電災害事故43.5次，其中2001—2008年期間平均每年發生雷災事故67.0次，在2009—2015年期間雷電災害事故有所下降每年平均發生24.8次[1]。因此，研究內蒙古地區雷電災害風險的主要影響因素及分布情況，對防御雷電災害至關重要。

對于雷電災害風險評價及區劃，西方發達國家相繼從20世紀70年代開始關注氣象災害的風險評價，并在此方面做出了很多研究成果。WILLAM等[2]在1982年出版的《自然災害風險評價與減災政策》中，詳細論述了自然災害風險評價概念及其方法。BLAIKEI[3]通過致災因子、承災體和孕災環境等方面分析了資源開發對自然災害的影響，并根據1975—1994年期間的自然災害損失、人口和面積等因素對自然災害的區域風險進行了分析。國內學者如李彩蓮等[4]、秦建等[5]、姜蘇等[6]通過對不同地區以行政區為評價單元進行雷電災害風險評價及區劃，但是在實際中各個盟市、旗縣內的不同區域依然存在著不同的風險性，所以評價單元太大對評價結果的精確性會有影響[7]；另外還有學者如劉平英等[8-9]、程麗丹等[10]、劉三梅等[11]、劉垚等[12]、劉曉東等[13]采用層次分析法來確定指標權重值，但是該類型的方法弊端是在計算指標權重值時，主觀因素影響較大，對所得到的綜合評價結果會造成較大的偏差。

因此，本文將利用閃電定位儀數據、雷電災情數據、社會經濟數據和基礎地理信息數據等，選取適當的雷電災害風險評價指標，構建內蒙古地區雷電災害風險評價模型，利用熵權-TOPSIS方法進行雷電災害風險評價，并提出針對性的雷電災害防御規劃與減災對策建議。

1 研究區概況

內蒙古自治區位于中國北部邊疆，東西最長距離2 400 km，南北跨度約1 700 km，地理位置地處97°12′～126°04′E，37°24′～53°23′N，總面積共118.3萬km2，共轄12個地級行政區。2019年末，常住人口數量為2 539.6萬人。其中，城鎮常住人口數量為1 609.4萬人，鄉村常住人口數量為930.2萬人；常住人口城鎮化率為63.4%。

全區海拔高度一般在1 000 m以上，東部為大興安嶺山脈，被大面積的森林覆蓋；西部是被巴丹吉林、騰格里、烏蘭布和沙漠所覆蓋；南部由河套平原、嫩江平原和西遼河平原構成，北部則坐擁錫林郭勒和呼倫貝爾大草原。

內蒙古自治區受到地理位置以及地形地貌的影響，形成了復雜多樣的氣候特征，其中分布最廣的為溫帶大陸性季風氣候。春季溫度驟然升高，且大風天氣頻發；夏季溫度高且持續時間短，降水比較集中；秋季降溫速度快，常常較早發生秋霜凍；冬季溫度低且持續時間長，多發生寒潮天氣，成為我國受氣象災害影響比較嚴重的地區之一，氣象防災減災任務艱巨、形勢嚴峻。

2 數據收集與處理

2.1 地閃數據

地閃數據來源于內蒙古氣象部門閃電定位系統2014年1月至2018年12月的所有地閃數據。內蒙古閃電定位系統主要由42個閃電定位儀，一個處理數據的中央數據庫以及圖像顯示終端組成，收集到的每一條閃電定位數據，包含著日期、時間、經緯度、強度、誤差、陡度和定位方式等基本信息。ADTD閃電定位儀的探測標準距離為150 km，因此各站之間的距離通常選為150～180 km之間，圖1顯示研究區閃電定位儀站點的地理位置。

圖1 內蒙古自治區閃電定位儀站址分布圖(審圖號：GS(2019)1719號，底圖無修改，下同。)

2.2 雷電災情數據與處理方法

本文利用中國氣象局雷電防護管理辦公室以及中國氣象學會雷電防護研究會編寫的《全國雷電災害匯編(2008—2018年)》[14]資料，統計分析研究區人員傷亡和經濟損失。以法人數量為單位統計單位受災數量；以戶為單位統計社區或農村居民的受災數量；以相同位置發生雷擊傷亡事件為單位統計傷亡事故數量。

2.3 社會經濟、基礎地理信息數據與處理方法

社會經濟數據主要包括內蒙古地區1 km格網人口和GDP數據，來源于中國科學院資源環境科學數據中心提供的2010年1 km×1 km柵格數據(https://www.resdc.cn/)。

土地利用數據為內蒙古地區分辨率為1km的柵格數據，來自中國科學院資源環境科學數據中心提供的中國1:10萬比例尺土地利用現狀遙感監測數據庫(https://www.resdc.cn/Default.aspx)。

海拔高度數據為分辨率精度為90 m的SRTM地形數據，來自中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http://www.gscloud.cn)。

土壤電導率數據為中國境內數據源為第二次全國土地調查南京土壤所提供的1:100萬土壤數據集中內蒙古地區土壤數據，來自黑河計劃數據管理中心以及寒區旱區科學數據中心所建立的世界土壤數據庫(HWSD)的土壤數據集(v1.2)(http://www.fao.org/soils-portal/soil-survey/soil-maps-and-databases/harmonized-world-soil-database-v12/en/)。

生命損失指數、經濟損失指數的計算方法如下。

(1)生命損失指數。統計歷年來內蒙古地區單位面積上平均每年發生雷災的次數(次/( km2/年))和雷電災害所造成的人員傷亡數量(人/ km2)的加權平均指數。

(2)計算生命損失指數：

Cl=0.5×F+0.5×C。

(1)

式中：Cl為生命損失指數；F為年平均雷電災害次數的無量綱化值；C為年平均雷擊造成人員傷亡數量的無量綱化值。

(3)經濟損失指數。統計歷年來內蒙古地區單位面積上平均每年發生雷災的次數(次/( km2/年))和雷電災害所導致的直接經濟損失(萬元/ km2)的加權平均指數。

(4)計算經濟損失指數：

Ml=0.5×F+0.5×M。

(2)

式中：Ml為經濟損失指數；F為年平均雷電災害次數的無量綱化值；M為年平均雷擊造成直接經濟損失的無量綱化值。

3 研究方法介紹

3.1 自然災害風險形成原理

自然災害風險是指未來幾年或幾十年內發生災害的可能性或其可能造成損害的嚴重程度。目前，對于區域災害系統理論，一些研究者認為災害是由致災因子、承災體和孕災環境三個部分組成的。本研究中，對區域的自然災害風險評價選取的是致災因子危險性(包括閃電因子和環境因子)、承災體暴露性、承災體脆弱性等三者綜合作用的結果。即：

自然災害風險=f(致災因子危險性，承災體暴露性，承災體脆弱性)。

(3)

3.2 熵權-TOPSIS評價方法

3.2.1 熵權法確定權重

為了剖析不同影響因素對雷電災害形成的貢獻程度，本文利用熵權法計算每個評價指標的權重ωj，根據權重大小對其排序，同時剖析它們對雷電災害形成的相對價值。該方法的最大優點是在計算評價指標權重值時，克服了主觀因素的影響，對所得到的綜合評價結果更加客觀和準確，具體計算過程如下。

(1)原始數據構造評價矩陣。

設待評價的方案為M=(M1,M2,…,Mm)，指標集為D=(D1,D2,…,Dn)，方案Mi對指標Dj的值記為xij(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)，所以決策矩陣X可以表示為：

(4)

(2)指標無量綱化處理。

由于各項評價指標的單位不同會對方案決策結果造成影響，所以要對各項指標無量綱化處理，取得標準化矩陣V=(vij)m×n，本文中利用以下方法進行無量綱化處理。

對于越大越優型指標：

(5)

對于越小越優型指標：

(6)

式中：vij為xij歸一化后的值；max(xj)、min(xj)分別為第j個指標的最大值和最小值。根據傳統熵的定義，確定各評價指標的熵為：

(7)

(8)

顯然當fij=0時，lnfij無意義，所以對fij的計算加以修正：

(9)

(3)計算各評價指標的熵權:

W=(ωj)1×n;

(10)

(11)

3.2.2 TOPSIS排序法

TOPSIS排序法的全名是逼近于理想解的排序法，是一種常用的綜合評價方法，適合對多個指標或多個方案進行比較選擇的方法。該方法的核心思想是建立“正理想解”與“負理想解”，通過計算各候選指標與理想解之間的加權歐氏距離，對多個指標的接近程度進行排序，進而實現對各評價指標優劣的判斷，近年來被廣泛的應用[15]。

(1)構建加權決策矩陣。將各項評價指標的權重W乘以無量綱化后的矩陣V，獲得加權決策矩陣R。

R=(rij)m×n;

(12)

rij=ωj·vij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(13)

W表示各項評價指標的權重，由式(4)～式(11)計算得到，vij由式(5)～式(6)計算得到。

(2)確定正理想解與負理想解。

(14)

(15)

(3)確定各方案與正理想解和負理想解間的距離。在計算時，采用歐氏距離：

(16)

(17)

(4)確定各評價方案與正理想解的相對貼近度。各評價方案與正理想解的相對貼近度ηi表示為：

(18)

最后，依據ηi值對評價方案進行降序排列，其中ηi表示雷電災害危險性、暴露性、脆弱性和風險性的相對貼近度，ηi越大，評價方案Mi越接近正理想解，表明該區域危險性、暴露性、脆弱性和風險性越大，反之越小[16]。

3.2.3 構建雷電災害風險評價指標體系

根據自然災害風險理論及雷電災害風險區劃技術指南，結合內蒙古地區實際情況，從致災因子危險性、承災體暴露性和承災體脆弱性三個方面出發，選取以下多個評價指標建立雷電災害風險性評價指標體系，用于評價雷電災害風險性的大小。整個目標體系分為目標層、因子層和指標層，并通過熵權法來對內蒙古地區雷電災害風險評價指標體系中各指標的權重進行計算，最終計算得到各評價指標的權重值見表1。

4 研究區風險評價與分析

4.1 致災因子危險性評價

致災因子危險性分析主要是通過選取研究區內地閃密度、平均地閃強度、土壤電導率和海拔高度等因素，將致災因子危險性中的各項指標進行無量綱化處理，代入熵權法公式得到地閃密度和平均地閃強度的權重系數為0.075和0.057，可知地閃發生的頻次多且強度大是主要影響致災因子危險性的指標。土壤電導率及海拔高度則影響較小，權重系數分別為0.001和0.011。設置各影響因素的指標權重，利用TOPSIS方法對研究區雷電災害致災因子危險性進行評價，結合自然斷點法將致災因子危險性劃分為5個等級見表2，通過統計得到致災因子極低、低、中、高、極高危險性地區分別占研究區總面積的54.70%、28.18%、12.21%、3.83%、1.08%，最后得到內蒙古地區雷電災害致災因子危險性空間分布圖(圖2)。

表1 雷電災害風險概念框架及評價指標

表2 內蒙古地區雷電災害致災因子危險性等級劃分

表3 內蒙古地區雷電災害承災體暴露性等級劃分

圖2 內蒙古地區雷電災害致災因子危險性空間分布圖

從圖2可以看出，內蒙古地區雷電災害致災因子危險性指數處于極高、高危險性的區域主要集中分布在內蒙古中西部城市，如呼和浩特市城區、清水河縣、烏蘭察布市的涼城縣和豐鎮市、鄂爾多斯市、準格爾旗、伊金霍洛旗、達拉特旗、包頭市東河區、昆都侖區、土默特右旗、固陽縣等地區；內蒙古東北部的四盟市大部分處于中危險性以下的區域，其中呼倫貝爾市扎蘭屯市、牙克石市、通遼市中部有小范圍處于極高、高和中危險性區域；阿拉善盟、錫林郭勒盟等大范圍處于極低和低危險性區域。

4.2 承災體暴露性評價

承災體暴露性描述了當區域受到雷電災害的影響，所造成的人員傷亡數量和經濟損失價值等，本研究主要是通過選取研究區域內GDP密度和人口密度兩個指標進行無量綱化處理，代入熵權法公式得到GDP密度和人口密度的權重系數為0.288和0.307。設置各影響因素的指標權重，利用TOPSIS方法對研究區雷電災害承災體暴露性進行評價，結合自然斷點法將承災體暴露性劃分為5個等級(表3)，通過統計可知，極低、低、中、高、極高暴露性分別占內蒙古總面積的96.62%、2.83%、0.40%、0.12%、0.03%，最后繪制出內蒙古地區雷電災害暴露性空間分布圖(圖3)。

圖3 內蒙古地區雷電災害承災體暴露性空間分布圖

從圖3可以看出，極高暴露性區域主要分布在位于內蒙古中西部的各盟市主城區如呼和浩特市、包頭市、通遼市科爾沁區、鄂爾多斯市東勝區、烏海市市轄區、烏蘭察布市集寧區、赤峰市紅山區、呼倫貝爾市海拉爾區、錫林浩特市、烏蘭浩特市等，以及一些旗縣政府所在地如鄂爾多斯市準格爾旗、伊金霍洛旗、錫林郭勒盟二連浩特市、通遼市霍林郭勒市、呼倫貝爾市滿洲里市等。由于內蒙古地區的人口和GDP比較分散，其他地區均為極低和低暴露性。

4.3 承災體脆弱性評價

承災體脆弱性評價主要是通過選取研究區域內生命損失指數、經濟損失指數和防護能力指數等影響承災體脆弱性的因素進行分析，將承災體脆弱性中的各項指標進行無量綱化處理，代入熵權法公式得到生命損失指數和經濟損失指數的權重系數為0.136和0.122，區域歷年發生雷電災害造成人員傷亡數量和直接經濟損失是影響承災體脆弱性的主要因素；防護能力指數權重系數為0.002，對承災體脆弱性的影響很小。設置各影響因素的指標權重，利用TOPSIS方法對研究區雷電災害承災體脆弱性進行評價，采用自然斷點法將承災體脆弱性劃分為5個等級(表4)。通過統計可知，承災體極低、低、中、高、極高脆弱性分別占研究區總面積的47.44%、40.15%、6.69%、4.65%、1.05%，最后繪制出內蒙古地區雷電災害承災體脆弱性空間分布圖(圖4)。

圖4 內蒙古地區雷電災害承災體脆弱性空間分布圖

從圖4中可以看出，內蒙古地區雷電災害承災體脆弱性指數處于極高脆弱性的區域是雷電災害頻發的巴彥淖爾市五原縣、包頭市昆都侖區、呼和浩特市回民區、通遼市科爾沁區和興安盟烏蘭浩特市等地區；處于高和中脆弱性區域主要為巴彥淖爾市南部臨河區和杭錦后旗、包頭市土默特右旗和固陽縣、呼和浩特主城區及五個旗縣、烏蘭察布市南部旗縣、錫林郭勒盟南部旗縣、赤峰市和通遼市中心城區周邊旗縣；處于極低和低脆弱性區域是阿拉善盟、錫林郭勒盟和呼倫貝爾市等地廣人稀且發生雷電災害較少的地區。

4.4 雷電災害風險性評價

雷電災害風險評價是致災因子危險性、承災體暴露性和承災體脆弱性等因素共同影響的結果。通過對內蒙古地區雷電災害風險性指數的計算，運用ArcGIS軟件的空間分析功能，利用自然斷點法以及結合內蒙古地區實際情況，將內蒙古地區雷電災害風險等級進行劃分見表5，并繪制出內蒙古地區雷電災害風險的空間分布(圖5)。通過對數據統計分析并結合圖5可以發現，極高和高風險性地區占研究區面積的17.38%，主要位于人口和GDP密度較為集中的各盟市主城區，如呼和浩特市四轄區、包頭市昆都侖區和青山區、烏蘭察布市集寧區、鄂爾多斯市東勝區、巴彥淖爾市臨河區、烏海市市轄區、赤峰市市轄區、通遼市科爾沁區、烏蘭浩特市中心城區、呼倫貝爾市海拉爾區，除此之外還有一些旗縣的政府所在地如托克托縣、五原縣、烏審旗、伊金霍洛旗、準格爾旗、土默特右旗、固陽縣、豐鎮市、涼城縣、二連浩特市、霍林郭勒市、滿洲里市等。中風險性地區主要為內蒙古中西部和東北部除去各盟市人口和GDP密度集中的地區以外，如翁牛特旗、科爾沁右翼中旗、科爾沁右翼前旗、鄂溫克族自治旗、莫力達瓦達斡爾族自治旗、扎蘭屯市、白云鄂博礦區、阿爾山市、烏審旗、牙克石市、杭錦旗等，以上地區由于閃電活動比較頻繁且強度大，但是人口和GPD密度比較分散即脆弱性不高，所以發生雷電災害的風險為中風險性地區，占研究區面積的23.66%。其他為極低和低風險性地區，如內蒙古西部阿拉善盟、東北部錫林郭勒盟以及呼倫貝爾市北部地區，屬于地廣人稀且雷電活動較少的地區，占研究區面積的58.97%。

圖5 內蒙古地區雷電災害風險性評價空間分布圖

為了驗證本文風險評價的結果，將風險評價空間分布圖與內蒙古地區2008—2018年雷電災害事故進行對比分析。通過ArcGIS軟件利用發生災害點的位置提取雷電災害風險柵格像元值進行統計(圖6)，歷年發生雷電災害事故的位置有89.06%處于中風險性以上地區，由此可知本文的風險評價結果與內蒙古地區2008—2018年雷電災害空間分布基本吻合。

圖6 內蒙古地區雷電災害風險評價結果驗證

表4 內蒙古地區雷電災害承災體脆弱性等級劃分

表5 內蒙古地區雷電災害風險性評價等級劃分

5 討論與結論

5.1 討論分析

雷電災害風險評價是雷電災害防護設施建設、重大工程建設、城鄉規劃和災害治理的理論依據。根據雷電災害風險評價結果可以直觀地幫助決策制定者掌握地區雷電災害風險情況以及主要的影響因素，從而制定出行之有效的城市發展規劃和受災后恢復重建策略來降低雷電災害風險，以下為針對雷電災害風險提出的防御對策建議：

(1)極高和高風險區均是內蒙古最重要的經濟圈和城市帶，作為內蒙古經濟比較發達的地區，政府有充足的財力投入到基礎設施、科教文化事業以及災害管理方面，公眾也擁有更多接受防災教育的機會。該地區在降低雷電災害風險性方面，由于雷電災害致災因子和已經發生的雷電災害事故無法改變，所以需要對人口密度和GDP密度指標進行改善，進而降低城市發生雷電災害所造成的人員身亡和財產損失。其中以人口密度指標為例，BOUGHEDIR S[17]認為，災害風險與人口密度密不可分，人口密度高的地區比其他地區更容易受到災害影響。應該發揮好城市的輻射帶動作用，構建或完善與其他旗縣間的橫向協同發展的體系，加大對致災因子危險性偏低的周邊旗縣配套設施的建設，并促進人口轉移，降低人口密度和GDP密度的暴露性等級。

(2)中風險區主要存在于除各盟市主城區以外的周邊旗縣，以農村和牧區為主的地區，從雷電災情資料中可以看出，雷電災害造成人員傷亡的事故幾乎都發生在該地區。對于該地區在開展具體工作時，首先，要加快對雷電監測網的規劃與建設，提升雷電監測預警及防御能力；其次，在建房選址方面，因地制宜，科學選址，雷電多發地區通常在金屬礦產品較多、土壤電導率高、河岸、不同地質的土壤交界處和湖等地區。因此在進行房屋建造時，應盡量遠離以上容易受雷電活動影響的地區。最后，要能夠加大資金籌措力度，有必要建設一批防御雷電災害的示范性工程項目，在農村雷電頻發的地區按照防雷規范的要求每5 km2設置1個避雷亭，為農民和牧民在田間及路途中無法及時返回家中時用來臨時躲避雷電引發的危險。

(3)極低和低風險區的錫林郭勒盟、阿拉善盟和呼倫貝爾市等存在著大部分以畜牧業為主的地區，尤其是偏遠地區對雷電災害防治還處于起步階段，該地區草原交通不便、牧民居住比較分散，這正是防雷安全工作的薄弱點，雖然危險性和暴露性均較低，但是從歷年發生雷電災害事故來看，還有一少部分發生在低風險地區，所以針對該地區應加大宣傳力度，作為防災減災工作開展的基礎，要通過防災減災知識的宣傳和教育，加強人民的自救互救能力和防雷意識。對于居住比較偏遠且分散的農牧民可以先建立集鎮逐漸向城鎮過渡發展，不但能夠吸收分散居住的農牧民到集鎮聚居，有利于對脆弱人群集中照顧，而且可以提高災害防治和基礎設施建設等工作的效率。

5.2 結論

本文為了掌握內蒙古地區雷電災害風險水平與原因，并提出針對性防災規劃建議。根據自然災害風險理論和雷電災害風險評估技術指南，從致災因子危險性、承災體暴露性和脆弱性三個方面出發，構建了雷電災害風險評價模型，對內蒙古地區進行了雷電災害風險評價，并提出了針對性的防雷減災對策建議，主要結論如下：

(1)研究區雷電災害致災因子危險性較高區域主要分布在陰山山脈南麓的鄂爾多斯市、包頭市、呼和浩特市和烏蘭察布市等地區以及大興安嶺東南側的呼倫貝爾市東部、興安盟和通遼市等地區。

(2)承災體暴露性較高的地區為內蒙古中西部城市以及東北部盟市的城鎮中心區，隨著與中心城區距離的增加，人口和GDP密度逐漸降低，承災體暴露性也變低。

(3)研究區內脆弱性較高的地區是巴彥淖爾市五原縣、包頭市昆都侖區、呼和浩特市回民區、通遼市科爾沁區和興安盟烏蘭浩特市、包頭市土默特右旗和固陽縣以及赤峰市和通遼市中心城區周邊旗縣等地區。同樣地廣人稀的地區如阿拉善盟、錫林郭勒盟和呼倫貝爾市大部分地區脆弱性較低。

(4)內蒙古地區極高和高風險地區主要位于人口和GDP密度較為集中的各盟市城鎮中心地區以及歷年來發生雷電災害事故較多的中西部和東部地區，占研究區總面積的17.38%；雷電災害中風險地區主要分布在內蒙古中西部城市和東北部四盟市除中心城區以及旗縣政府所在地以外的周邊農業和畜牧業地區，占內蒙古總面積的23.66%；極低和低風險地區為內蒙古西部阿拉善盟、錫林郭勒盟東北部以及呼倫貝爾市北部等地廣人稀的地區，占內蒙古總面積的58.97%。

(5)在雷電災害風險評價的基礎上，對研究區雷電災害風險提出了針對性的防雷減災對策建議。本文獲得的雷電災害風險評價結果與歷史發生雷電災害事故的空間位置高度符合，總體研究成果可靠，希望為內蒙古地區的雷電災害防御規劃和應急管理等方面提供科學依據與實用性價值。