基于GIS技術(shù)的山區(qū)洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境綜合評價與分區(qū)研究

趙 燕，李溢龍，田 佳，林孝松

（1.重慶交通大學(xué)，河海學(xué)院 重慶400074；2.北京華夏合眾土地科學(xué)技術(shù)有限公司，北京100000）

1 引言

山區(qū)洪災(zāi)是山區(qū)特殊的自然災(zāi)害，指因降雨、洪水及其引發(fā)的一系列地質(zhì)災(zāi)害對區(qū)域環(huán)境造成損失的災(zāi)害事件[1，2]，具有季節(jié)性強(qiáng)、區(qū)域性明顯、來勢迅猛、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)，是自然因素和人類社會經(jīng)濟(jì)活動共同作用的結(jié)果[3，4]。近年來，關(guān)于山區(qū)洪災(zāi)的研究越來越多，尤其是將具有強(qiáng)大空間分析和數(shù)據(jù)管理功能的GIS技術(shù)應(yīng)用于山洪災(zāi)害的研究，已逐漸成為相關(guān)領(lǐng)域熱點(diǎn)研究方向[5～10]。

洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境是一個包含多要素的體系系統(tǒng)，而洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境合理分區(qū)的研究則包括多個層次，目前主要針對山區(qū)公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境進(jìn)行分區(qū)研究，而關(guān)于山區(qū)洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境體系研究較少[11～13]。

本文以重慶市巴南區(qū)11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為研究范圍，利用AHP層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，并將各指標(biāo)依據(jù)其對山區(qū)洪災(zāi)影響的大小進(jìn)行分級賦值，結(jié)合ArcGIS軟件，繪制出各單項(xiàng)指標(biāo)的分值圖，利用其疊加分析功能得到研究區(qū)及其各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)圖。

圖1 研究區(qū)位置示意

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市主城東南部巴南區(qū)境內(nèi)，地處四川盆地的東部，面積為1 128.12km2，共11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（圖1）。

該區(qū)屬于亞熱帶濕潤氣候，無霜期長、日照少、夏熱冬暖，是典型的盆地山區(qū)氣候；雨量充沛，年平均降雨量在1 100～1 450mm之間，時空分布極不均勻；地勢起伏較大，地貌類型以低山地貌為主（圖2）。區(qū)內(nèi)路網(wǎng)密集，人類活動較強(qiáng)，為山洪災(zāi)害的發(fā)生提供了充分的環(huán)境。

圖2 研究區(qū)數(shù)字高程（DEM）

3 研究方法

3.1 洪災(zāi)孕災(zāi)因子分析

洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境是由多種環(huán)境因素[14～16]綜合作用形成的，結(jié)合研究區(qū)特定地理環(huán)境和區(qū)域特點(diǎn)，參考目前山區(qū)洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境評價因子[17]，主要考慮地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育、地形地貌、年均降雨量、植被覆蓋度和人類活動強(qiáng)度作等影響因子[18]。

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況可用單位面積地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度來表示，其發(fā)育越頻繁的區(qū)域，地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性越差，越容易引發(fā)洪災(zāi)[19]。山區(qū)地形地貌主要由坡度和起伏度來描述。坡度大的區(qū)域，地質(zhì)構(gòu)造活躍，洪災(zāi)發(fā)生頻繁[18]。起伏度越大，地形越破碎，暴雨來襲時就越容易發(fā)生水土流失，越易造成山區(qū)洪災(zāi)。年均降雨量大，說明降雨強(qiáng)度大，沖刷力強(qiáng)，洪災(zāi)越易發(fā)生[20]。植被覆蓋度是指森林面積占土地總面積之比，植被覆蓋率越大，洪災(zāi)越不易發(fā)生[21]。人類活動的強(qiáng)度為洪災(zāi)的暴發(fā)提供了有利條件，一般而言，居民點(diǎn)和道路越密集的地區(qū)，洪災(zāi)爆發(fā)的可能性越大[22]。

3.2 洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境指標(biāo)體系構(gòu)建

3.2.1 評價指標(biāo)選取

研究選取地質(zhì)災(zāi)害歷史發(fā)育（X1）、地形坡度（X2）、地形起伏度（X3）、年均降雨量（X4）、植被覆蓋度（X5）、人口密度（X6）、路網(wǎng)密度（X7）7個指標(biāo)作為山區(qū)洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)指標(biāo)，并建立相應(yīng)的得分等級標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

表1 孕災(zāi)環(huán)境指標(biāo)得分分級賦值

圖3 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度分級

圖4 研究區(qū)地形坡度分級

3.2.2 指標(biāo)權(quán)重確定

本文采用層次分析法確定洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境各因素的權(quán)重值。為了避免主觀因素的缺陷，首先根據(jù)20位專家構(gòu)建不同的判斷矩陣，然后利用AHP層次分析法[23]進(jìn)行權(quán)重值計算，之后取各個專家算得的權(quán)重平均值，得到X1～X7指標(biāo)因子的權(quán)重值依次為0.3524、0.2345、0.1048、0.1225、0.1059、0.0537、0.0262。

3.3 洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境數(shù)據(jù)庫建立與分區(qū)

3.3.1 洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境數(shù)據(jù)庫建立

通過ArcGIS空間分析功能對7個指標(biāo)因子原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、編輯、分析與分類建立區(qū)域洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)數(shù)據(jù)庫。

（1）研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害歷史發(fā)育信息獲取。以研究區(qū)近年間歷史災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)及影響面積為原始信息，通過密度分析，得到區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度，依據(jù)分級賦值表對其進(jìn)行重分類，得到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度分級信息（圖3）。

（2）研究區(qū)地形信息獲取。① 地形坡度。以研究區(qū)范圍內(nèi)DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過坡度分析和重分類處理得到研究區(qū)100m×100m柵格單元的坡度信息（圖4）。② 地形起伏度。起伏度的提取關(guān)鍵在于最佳分析半徑窗口的確定，才能真實(shí)地反映地表起伏變化狀況。經(jīng)過多次計算，最終選取300m×300m作為區(qū)域起伏度計算窗口大小。通過塊統(tǒng)計、柵格計算器、重分類處理，得到研究區(qū)起伏度信息（圖5）。

圖5 研究區(qū)地形起伏度分級

（3）研究區(qū)年均降雨量信息獲取。根據(jù)已有的重慶市及其周邊地區(qū)共106個氣象站點(diǎn)的高程值和年均降雨量為基礎(chǔ)，利用Spss建立重慶市年均降雨量與高程之間的回歸方程：

式中：X代表各氣象站點(diǎn)高程值，Y代表對應(yīng)氣象站點(diǎn)的年均降雨量。

圖6 研究區(qū)年均降雨量分級

利用此公式進(jìn)行擬合驗(yàn)證，通過了顯著性檢驗(yàn)，回歸方程可適用于研究區(qū)分析。最后，基于研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，利用柵格計算器和重分類工具，得到研究區(qū)年均降雨量信息（圖6）。密度，對其進(jìn)行分級賦值重分類處理，得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密度分級圖（圖8）。② 路網(wǎng)密度信息獲取。以研究區(qū)內(nèi)國道（G）、省道（S）、縣道（X）、鄉(xiāng)道（Y）、村道（C）共652個要素為原始數(shù)據(jù)（圖9），基于ArcGIS中線密度工具對其進(jìn)行密度分析，并通過重分類功能得到研究區(qū)路網(wǎng)密度信息（圖10）。

圖8 研究區(qū)人口密度分級

（4）研究區(qū)植被覆蓋度信息獲取。以重慶市巴南區(qū)土地利用現(xiàn)狀矢量圖作為原始數(shù)據(jù)，按照不同土地利用類型植被覆蓋度，進(jìn)行賦值，其中有林地、竹林、經(jīng)濟(jì)林、灌木林、草地、水田、旱地、荒草地、灘涂、水域、居民地和道路依次賦值為：90、80、65、55、35、35、30、25、20、10、5和5。再根據(jù)前述的分級標(biāo)準(zhǔn)對各個植被覆蓋度等級量化賦值和重分類處理（圖7）。

圖9 研究區(qū)路網(wǎng)分布

圖7 研究區(qū)植被覆蓋度分級

（5）研究區(qū)人類活動信息獲取。具體而言，人類活動指標(biāo)可細(xì)化為研究區(qū)內(nèi)人口密度和道路分布密度。①人口密度信息獲取。依據(jù)2010年巴南區(qū)人口數(shù)據(jù)和各鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)面積數(shù)據(jù)（表2），計算得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口

3.3.2 洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)

（1）孕災(zāi)環(huán)境綜合得分模型。洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境綜合得分是由各指標(biāo)得分?jǐn)?shù)加權(quán)疊加獲得，其計算公式為：

式中：Z代表山區(qū)洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境綜合分值；Wi代表孕災(zāi)環(huán)境各指標(biāo)的權(quán)重值；Fi代表孕災(zāi)環(huán)境各指標(biāo)的等級得分。

（2）孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)。在ArcGIS中利用柵格計算器對各指標(biāo)柵格分級圖層進(jìn)行加權(quán)疊加運(yùn)算，最終得到研究區(qū)及其各鄉(xiāng)鎮(zhèn)山洪災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境綜合分值，利用分區(qū)效果較為明顯的幾何級數(shù)分類方法對其屬性值進(jìn)行等級劃分，可得到低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)和危險區(qū)四個孕災(zāi)環(huán)境各等級的賦值得分結(jié)果（圖11、圖12）。

圖11 研究區(qū)孕災(zāi)環(huán)境分級

圖12 研究區(qū)孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)

其中，危險區(qū)面積為269.795km2，占區(qū)域總面積的24.27%；高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)的面積分別為270.144km2、280.481km2、290.991km2，占研究區(qū)總面積百分比分別為24.31%、25.24%、26.18%。

分區(qū)匯總到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，經(jīng)幾何級數(shù)分類法劃分得到研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)孕災(zāi)環(huán)境綜合指標(biāo)分級數(shù)據(jù)，其中危險區(qū)面積為155.075km2，占區(qū)域總面積的13.94%，主要分布在巴南區(qū)東南部的石龍鎮(zhèn)和石灘鎮(zhèn)。高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低 易 發(fā) 區(qū) 的 面 積 分 別 為 192.315km2、315.566 km2、449.794km2，占區(qū)域總面積的17.28%、28.36%、40.42%；其中高易發(fā)區(qū)位于研究區(qū)西北的惠民街道和南彭街道，中易發(fā)區(qū)位于北部和西南的二圣鎮(zhèn)、跳石鎮(zhèn)和安瀾鎮(zhèn)，低易發(fā)區(qū)位于中部的東泉鎮(zhèn)、姜家鎮(zhèn)、天星寺鎮(zhèn)和接龍鎮(zhèn)。

4 結(jié)語

（1）通過對山區(qū)洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境評價指標(biāo)因子的分析，基于重慶市巴南區(qū)主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)地理環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)情況，選取了7個孕災(zāi)環(huán)境因子，基于ArcGIS分析軟件和AHP層次分析法實(shí)現(xiàn)了對研究區(qū)洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境的合理分區(qū)，為區(qū)域內(nèi)防災(zāi)減災(zāi)工作提供了科學(xué)依據(jù)。

（2）在GIS的支持下，大大提高了山區(qū)洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境綜合評價的效率和精度。同時層次分析法（AHP）提供了從定性分析到定量分析綜合集成的典型決策分析方法。運(yùn)用GIS技術(shù)與層次分析法相結(jié)合分析洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境，結(jié)果更科學(xué)、合理，從而確保了評判結(jié)果的可靠性。

（3）研究結(jié)果表明：研究區(qū)孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)中危險區(qū)、高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)占研究區(qū)總面積已達(dá)59.58%，防洪任務(wù)也比較嚴(yán)峻。同時，此評價系統(tǒng)及分區(qū)模型具有一定客觀性和普遍性，適用于我國其他山洪多發(fā)地區(qū)，對山區(qū)洪災(zāi)管理和洪災(zāi)風(fēng)險評價具有一定的參考價值，為相關(guān)部門進(jìn)行決策、制定防洪工程標(biāo)準(zhǔn)提供了理論依據(jù)。

[1]徐再庸.山洪及其防治[M].北京：北京水利出版社，1981：59～216.

[2]P.Salavati，V.Balducci，C.Bianchi.A Web GIS for the dissemination of information on historical landslides and mountain floodsin Umbria，Italy[J].Geoinformatica，2009，13（5）：305～322.

[3]Iuliana A，EugenA.Perception of flood risk in Danube.Delta，Romania[J].NatHazards，2009（50）：269～287.

[4]游溫嬌，張永領(lǐng).洪災(zāi)社會脆弱性指標(biāo)體系研究[J].災(zāi)害學(xué)，2013，28（3）：215～220.

[5]黃民生，黃呈橙.洪災(zāi)風(fēng)險評價等級模型探討[J].災(zāi)害學(xué)，2007，22（1）：1～5.

[6]黃大鵬，劉 闖，彭順風(fēng).洪災(zāi)風(fēng)險評價與區(qū)劃研究進(jìn)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2007，26（4）：11～22.

[7]張平倉，任洪玉，胡維忠，等.中國山洪災(zāi)害防治區(qū)劃初探[J].水土保持學(xué)報，2006，20（6）：196～200.

[8]王小麗.太湖流域洪水災(zāi)害與洪水保險的基本問題研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2004.

[9]王亞梅.基于GIS的洞庭湖區(qū)洪水災(zāi)害風(fēng)險評價[D].長沙：湖南大學(xué)，2009.

[10]蔣佩華.重慶市城口縣山洪災(zāi)害成因分析及對策研究[D].重慶：西南大學(xué)，2007.

[11]唐紅梅，廖學(xué)海，陳洪凱.基于模糊概率的阿壩州公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)[J].災(zāi)害學(xué)，2014，29（4）：52～56.

[12]林孝松，陳洪凱，王先進(jìn)，等.西南地區(qū)公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)[J].長江流域資源與環(huán)境，2012，21（2）：251～256.

[13]覃慶梅，林孝松，唐紅梅，等.重慶市萬州公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報，2011，30（1）：89～94.

[14]萬 君，周月華，王迎迎，等.基于GIS的湖北省區(qū)域洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估方法研究[J].暴雨災(zāi)害，2007，26（4）：328～333.

[15]韓 賾，林孝松，左倩云，等.山區(qū)鎮(zhèn)域山洪災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)研究[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報，2014，31（6）：82～89.

[16]殷 潔，裴志遠(yuǎn)，陳曦?zé)?，?基于GIS的武陵山區(qū)洪水災(zāi)害風(fēng)險評估[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29（24）：110～117.

[17]鄒 強(qiáng)，周建中，周 超，等.基于可變模糊集理論的洪水災(zāi)害風(fēng)險分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（5）：126～132.

[18]齊洪亮，田偉平，王 棟，等.公路洪水災(zāi)害危險性評價指標(biāo)[J].災(zāi)害學(xué)，2014，29（3）：44～47.

[19]郭芳芳，楊 農(nóng)，孟 暉，等.地形起伏度和坡度分析在區(qū)域滑坡災(zāi)害評價中的應(yīng)用[J].中國地質(zhì)，2008，35（1）：131～143.

[20]毛以偉，周月華，陳正洪，等.降雨因子對湖北省山地災(zāi)害影響的分析[J].巖土力學(xué)，2005，26（10）：1657～1662.

[21]謝 威，王慧覺.森林平均覆蓋率與公路水毀因子的關(guān)系[J].交通環(huán)保，2002，23（4）：5～9.

[22]林孝松，唐紅梅，陳洪凱，等.重慶市地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2011，21（7）：3～9.

[23]郭金玉，張忠彬，孫慶云.層次分析法的研究與應(yīng)用[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2008，18（5）：148～153.