基于GIS的山區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與分區(qū)

孫 欣，林孝松，何錦峰，韓 賾

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074）

0 引 言

在中國(guó)，由于山區(qū)面積比重大、人口多，因此山洪造成的災(zāi)害損失往往十分嚴(yán)重，是國(guó)內(nèi)自然災(zāi)害造成人員傷亡的主要災(zāi)害種類之一。山洪災(zāi)害具有明顯的多發(fā)性、無(wú)序的突發(fā)性和強(qiáng)烈的破壞性，防御難度很大[1]。

本文以重慶市巴南區(qū)安瀾鎮(zhèn)為例，將地理信息系統(tǒng) （geographic information system，GIS）與層次分析法相結(jié)合引入山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，充分發(fā)揮GIS強(qiáng)大的空間分析能力和層次分析法善于多要素綜合評(píng)價(jià)的長(zhǎng)處，最大限度地將評(píng)價(jià)過(guò)程中的因素量化和權(quán)重判別中的主觀因素與客觀因素有效的結(jié)合在一起，大大提高了山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)工作效率，使山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果更具有科學(xué)性、準(zhǔn)確性，評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)山洪災(zāi)害的防治具有重要意義。

安瀾鎮(zhèn)位于巴南區(qū)山洪災(zāi)害的高易發(fā)區(qū)，屬深丘－低山過(guò)渡地帶，地勢(shì)起伏較大，地形坡度陡，一般地形坡度大于35°，多砂巖質(zhì)陡崖，下伏地層主要為侏羅系遂寧組及沙溪廟組砂巖夾泥巖，在各砂巖陡崖邊緣由于卸荷作用，危巖崩塌較發(fā)育。

安瀾鎮(zhèn)山洪主要是暴雨引發(fā)的滑坡和崩塌，規(guī)模以中小型為主，多處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。特別是近10年來(lái)，隨著三峽水庫(kù)175m蓄、降水工程的實(shí)施，每年汛期災(zāi)害更是頻頻發(fā)生，影響著城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)及居民的正常生活、工作，威脅交通的暢通，危及農(nóng)戶和耕地，給全鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展造成了巨大影響。

1 評(píng)價(jià)因子選取

山洪災(zāi)害的形成因素眾多，而每一種因子又包含不同的表現(xiàn)形式，使得山洪災(zāi)害系統(tǒng)內(nèi)各因子之間因果表達(dá)關(guān)系較為復(fù)雜[2]。參考目前山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性分析所選取指標(biāo)內(nèi)容，并結(jié)合鎮(zhèn)域山洪災(zāi)害的特點(diǎn)，山洪危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)主要考慮地形、降水、水系、植被、人類活動(dòng)等5個(gè)因子。

（1）地形因子（U1） 地形與山洪危險(xiǎn)程度密切相關(guān)。一般認(rèn)為，地形對(duì)形成洪水的影響主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：地形高程及地形變化程度。山高坡陡地區(qū)，水流湍急，河道狹窄，洪水的影響范圍小。而到了平原地區(qū)，水流漸緩，河道開(kāi)闊，洪水的影響范圍變大[3]。

（2）降水因子（U2） 降水是暴發(fā)山洪的前提條件，也是山洪致災(zāi)的主要因素。山洪災(zāi)害的嚴(yán)重程度受降水強(qiáng)度、歷時(shí)和范圍的影響較大，一般降水強(qiáng)度越大、歷時(shí)越長(zhǎng)、范圍越廣，對(duì)山洪形成所起的作用也越大。

（3）水系因子（U3） 水系的空間分布在很大程度上決定了研究區(qū)域遭受洪水侵襲的難易程度，距離河道、水庫(kù)等越近，則山洪危險(xiǎn)程度越高。河流級(jí)別越高，其影響范圍越大，同一級(jí)別的河流如果其所處地形不同，影響范圍也會(huì)不一樣，平原區(qū)的河流具有更強(qiáng)的影響力。

（4）植被因子（U4） 不同的植被類型對(duì)降雨的截留、蓄水能力不同，同時(shí)也影響著降雨匯流的時(shí)間和大小。不同的植被覆蓋度對(duì)山洪的發(fā)生有著重要的影響，植被稀疏的地方，匯流迅速，易形成洪峰，容易暴發(fā)山洪災(zāi)害；植被覆蓋度大的地方，植被減緩降雨匯流，延緩洪峰的形成，降低山洪暴發(fā)的機(jī)率。

（5）人類活動(dòng)因子（U5） 人類不合理的活動(dòng)是造成山洪災(zāi)害加劇的重要因素之一?，F(xiàn)在人類活動(dòng)范圍及強(qiáng)度都是空前的，對(duì)山洪災(zāi)害的影響也在日益加深。不合理的人類活動(dòng)對(duì)山洪災(zāi)害的影響主要是影響氣候、破壞山體穩(wěn)定、影響河道泄洪等。

結(jié)合安瀾鎮(zhèn)山洪災(zāi)害實(shí)際情況，得到安瀾鎮(zhèn)山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系，如圖1所示。

圖1 安瀾鎮(zhèn)山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系圖

2 指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)研究?jī)?nèi)容和上述評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取，收集大量相關(guān)資料，利用GIS對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行數(shù)字化處理，構(gòu)建評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)，并基于安瀾鎮(zhèn)山洪災(zāi)害的特征、分布規(guī)律及專家系統(tǒng)法將每個(gè)指標(biāo)分為4級(jí)，其分別賦值為1、2、3、4，具體的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及賦值見(jiàn)表1。

表1 指標(biāo)分等賦值表

圖2 安瀾鎮(zhèn)坡度圖

圖3 安瀾鎮(zhèn)起伏度圖

圖4 安瀾鎮(zhèn)暴雨量圖

圖5 安瀾鎮(zhèn)年均降水量圖

（1）坡度（C1）和起伏度（C2）數(shù)據(jù)獲取。在1∶1萬(wàn)的CAD地形圖基礎(chǔ)上，利用MapGIS對(duì)等高線進(jìn)行賦值。在Arc－GIS空間分析模塊支持下，利用Slope函數(shù)提取坡度，由于安瀾鎮(zhèn)面積較小，選取50m×50m柵格大小較為合適，結(jié)果如圖2所示。地形起伏度隨著統(tǒng)計(jì)單元半徑的增大，地形起伏度的值也隨之增大，但增大到一定程度即趨于穩(wěn)定。基于安瀾鎮(zhèn)DEM[4]數(shù)據(jù)選取150m×150m作為統(tǒng)計(jì)單元，結(jié)果如圖3所示。

（2）暴雨量（C3）和年均降水量（C4）數(shù)據(jù)獲取。收集到重慶市暴雨等值線圖和重慶市以及周邊區(qū)縣共44個(gè)氣象臺(tái)站多年實(shí)測(cè)降水量平均值，利用ArcGIS軟件空間插值功能獲取[5]，結(jié)果如圖4所示。年均降水量需要根據(jù)重慶市各個(gè)區(qū)縣以及周邊區(qū)縣共44個(gè)縣級(jí)氣象臺(tái)站的高程以及多年平均降水量數(shù)據(jù)，在SPSS中進(jìn)行線性回歸模擬得到年均降水量的回歸方程[6]，采用反權(quán)重法，得到安瀾鎮(zhèn)的年均降雨量分布模擬數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5所示。

（3）河水匯流量（C5）數(shù)據(jù)獲取。在ArcGIS水文分析模塊支持下，利用生成的DEM數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)洼地DEM生成、水流方向、匯流量積累。流量累積值亦代表各網(wǎng)格的上游集流網(wǎng)格數(shù)量，將之乘上單位網(wǎng)格面積便可得到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的上游集水面積，亦代表每個(gè)柵格的匯流能力，得到河水匯流量數(shù)據(jù)[7－8]，結(jié)果如圖6所示。

（4）植被覆蓋率（C6）數(shù)據(jù)獲取。利用收集到的土地利用現(xiàn)狀圖及相關(guān)植被統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將小斑塊合并，并對(duì)斑塊進(jìn)行賦值量化，有林地85、竹林70、經(jīng)濟(jì)林50、灌木林45、草地30、旱地20、水田15，結(jié)果如圖7所示。

（5）房屋（C7）和道路（C8）數(shù)據(jù)獲取。數(shù)據(jù)來(lái)源于土地利用類型，將房屋和道路要素建立緩沖區(qū)，利用距離遠(yuǎn)近來(lái)表示對(duì)山洪災(zāi)害影響的大小，參考專家意見(jiàn)，房屋周圍人類活動(dòng)頻繁，影響距離為300m，結(jié)果如圖8所示。道路的等級(jí)不同，人類活動(dòng)影響力就有所差異。將道路分為2部分，高速路影響距離為300m，其他道路影響力為1 5 0m，結(jié)果如圖9所示。

圖6 安瀾鎮(zhèn)河水匯流量圖

圖7 安瀾鎮(zhèn)植被覆蓋率圖

圖8 安瀾鎮(zhèn)房屋緩沖區(qū)圖

圖9 安瀾鎮(zhèn)道路緩沖區(qū)圖

3 指標(biāo)權(quán)重確定

層次分析法 （analytic hierarehy process，AHP）是由美國(guó)T.L.Saaty等人20世紀(jì)70年代提出的一種定性和定量相結(jié)合的多準(zhǔn)則決策方法[9－11]。本文應(yīng)用層次分析法確定權(quán)重系數(shù)，向一些對(duì)山洪災(zāi)害有一定研究和認(rèn)識(shí)的專家征詢意見(jiàn)，采用常用的1－9標(biāo)度方法[12]，綜合構(gòu)造判斷矩陣，獲取8大指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)和最大特征值，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得到各個(gè)指標(biāo)權(quán)重 （表2）。

表2 各指標(biāo)層次總排序權(quán)重表

從影響山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性因素的總排序來(lái)看，主要因子地形、降水、水系、植被、人類活動(dòng)其權(quán)值分別是：0.308、0.308、0.154、0.154、0.076。

4 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)及評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)重分類

利用綜合評(píng)價(jià)法構(gòu)建了山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，層次分析法確定各個(gè)指標(biāo)權(quán)重，山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性由加權(quán)后的指標(biāo)分?jǐn)?shù)決定，分?jǐn)?shù)越高危險(xiǎn)性越高[13]。需要將分級(jí)后的各指標(biāo)進(jìn)行重分類，重分類的值由表1決定。ArcGIS空間疊加分析功能，使各個(gè)指標(biāo)按照權(quán)重綜合評(píng)定安瀾鎮(zhèn)山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性，得到危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果。

4.2 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖

目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)于危險(xiǎn)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題很少提及，對(duì)山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果的危險(xiǎn)度分級(jí)方法國(guó)際上沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[14]。多數(shù)采取的是依照專家個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對(duì)山洪災(zāi)害危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分級(jí)。在GIS軟件支持下，全自動(dòng)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行defined interval（定義間隔分類）、equal interval（等間隔分級(jí)）、quantile（等量分類）、standard deviation（標(biāo)準(zhǔn)差分類）、natural breaks（自然斷點(diǎn)分類）、geometry interval（幾何級(jí)數(shù)分類）分級(jí)劃分對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明幾何級(jí)數(shù)分類的分級(jí)劃分方法分區(qū)效果明顯，更能體現(xiàn)危險(xiǎn)性的分布規(guī)律。將結(jié)果分為微危險(xiǎn)、低危險(xiǎn)、中危險(xiǎn)、高危險(xiǎn)共4級(jí)，得到山洪危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)成果圖[15]（圖10），并進(jìn)行重分類統(tǒng)計(jì)，得到山洪災(zāi)害各個(gè)等級(jí)的危險(xiǎn)區(qū)面積 （表3）。

表3 各個(gè)等級(jí)危險(xiǎn)區(qū)網(wǎng)格數(shù)量及面積表

圖10 安瀾鎮(zhèn)山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖

5 結(jié)論及防治建議

從最終的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖可以看出：安瀾鎮(zhèn)山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性在空間上面積較廣，等級(jí)較高。鎮(zhèn)內(nèi)山洪災(zāi)害中危險(xiǎn)區(qū)和高危險(xiǎn)區(qū)主要集中在沿河地帶，從海拔高度上具有相對(duì)集中性。中危險(xiǎn)區(qū)和高危險(xiǎn)區(qū)主要分布在安瀾鎮(zhèn)西北方，與地形走向東南高、西北低相互吻合，呈反向關(guān)系。研究結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好，可以將研究區(qū)山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖用于該區(qū)山洪災(zāi)害防治工作：

（1）健全和完善有關(guān)法律法規(guī)，特別要保證山洪災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)內(nèi)退耕還林和移民搬遷生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面的政策、法律、法規(guī)得到嚴(yán)格執(zhí)行。

（2）根據(jù)山洪災(zāi)害危險(xiǎn)評(píng)價(jià)圖，編制山洪災(zāi)害防治預(yù)案，建立山洪災(zāi)害預(yù)防領(lǐng)導(dǎo)、指揮及組織機(jī)構(gòu)，進(jìn)行山洪災(zāi)害普查，明確山洪災(zāi)害范圍與影響程度，確定避災(zāi)預(yù)警程序和臨時(shí)轉(zhuǎn)移人口的路線和地點(diǎn)。

（3）根據(jù)安瀾鎮(zhèn)山洪災(zāi)害危險(xiǎn)評(píng)價(jià)分區(qū)圖，調(diào)整山洪災(zāi)高危險(xiǎn)區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)。

（4）加強(qiáng)分區(qū)圖所示危險(xiǎn)性高的河道管理力度，控制水土流失，嚴(yán)格禁止侵占泄洪河道行為，疏通洪水、宣泄渠道。

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