基于GIS的北京市山區(qū)防洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃技術(shù)探討

關(guān)麗，陳品祥，閆寧，胡卓瑋，馮學(xué)兵

基于GIS的北京市山區(qū)防洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃技術(shù)探討

關(guān)麗1*，陳品祥1，閆寧1，胡卓瑋2，馮學(xué)兵1

（1.北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048）

城市山洪災(zāi)害一旦發(fā)生具有人員和財(cái)產(chǎn)損失大、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)影響嚴(yán)重等特點(diǎn)，它不僅受到城市內(nèi)部河流、植被、地形等自然因素的影響，也受到道路、地下排水管網(wǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響，因此，研究城市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，降低城市山洪可能帶來(lái)的損失對(duì)于城市建設(shè)和發(fā)展具有重要意義。本文以北京市山區(qū)為例，基于山區(qū)小流域分布數(shù)據(jù)、水系數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃評(píng)估模型對(duì)山區(qū)流域進(jìn)行防洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的初步劃分，以期研究結(jié)果對(duì)北京市對(duì)城市山洪易發(fā)地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)投資、區(qū)域開(kāi)發(fā)和災(zāi)害管理提供應(yīng)用支撐。

山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；小流域；GIS；北京市山區(qū)

1　引 言

山洪是山區(qū)小流域由降雨引起的突發(fā)性、暴漲暴落的地表徑流，其特點(diǎn)是來(lái)勢(shì)猛，成災(zāi)快，破壞性強(qiáng)，容易造成人員傷亡；而且區(qū)域性明顯，易發(fā)性強(qiáng)，預(yù)測(cè)預(yù)防難度大。據(jù)國(guó)家防辦統(tǒng)計(jì)，近幾年來(lái)，山洪災(zāi)害平均每年造成的死亡人數(shù)占全部洪澇災(zāi)害死亡人數(shù)的80%左右，在人員傷亡上已經(jīng)大大超過(guò)了大江大河洪水傷亡數(shù)［1～3］。城市山洪災(zāi)害一旦發(fā)生具有人員和財(cái)產(chǎn)損失大、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)影響嚴(yán)重等特點(diǎn)，而且城市內(nèi)部除了具有河流、植被、地形等自然因素的影響，也包括了道路、地下排水管網(wǎng)等人工設(shè)施的影響。因此，城市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃時(shí)，需要同時(shí)考慮自然因素和人為因素，比非城市區(qū)域的山洪災(zāi)害評(píng)估復(fù)雜度要高。

城市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是指在城市范圍內(nèi)根據(jù)研究區(qū)山洪危險(xiǎn)性特征，并參考區(qū)域承災(zāi)能力及社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況，把山洪災(zāi)害劃分為不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)域的過(guò)程。城市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的結(jié)果，將對(duì)城市山洪易發(fā)地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)投資、區(qū)域開(kāi)發(fā)和災(zāi)害管理提供重要的決策依據(jù)。山洪具有發(fā)災(zāi)突然、空間尺度小、分布數(shù)量多、成災(zāi)迅速，其水文和動(dòng)力參數(shù)難以進(jìn)行觀測(cè)而取得，并且采用遙感技術(shù)也難以獲得其泛濫范圍等多種特殊性的問(wèn)題［4～6］。而地理信息系統(tǒng)（Geographic information system，GIS）具有完善的地理空間信息處理功能和良好的模型載入與區(qū)劃效果展示能力，因此，基于GIS技術(shù)完成城市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃工作成為一項(xiàng)非?？尚械姆桨福?～10］。本文以北京市山區(qū)為例，基于山區(qū)小流域分布數(shù)據(jù)、水系數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃評(píng)估模型對(duì)山區(qū)流域進(jìn)行防洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的初步劃分，以期其區(qū)劃結(jié)果對(duì)北京市山區(qū)的區(qū)域開(kāi)發(fā)和災(zāi)害管理提供應(yīng)用支撐。

2　研究區(qū)概況

2.1研究區(qū)特點(diǎn)

（1）地形特征

北京市山區(qū)山坡陡峻，切割較深，溝源和支溝溝床比降大；山地巖石組成類(lèi)型多樣，巖性十分復(fù)雜，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，松散碎屑物質(zhì)豐富；降水高度集中，往往以暴雨、大暴雨和特大暴雨等高強(qiáng)度的方式降落，形成山洪泥石流的群發(fā)，不僅在泥石流溝內(nèi)及其溝口造成危害，而且還對(duì)主河道造成次生危害。因此，自然因素是導(dǎo)致北京市山洪泥石流發(fā)生的基礎(chǔ)和主要原因。據(jù)北京市水務(wù)局提供資料，北京市山區(qū)共有山洪泥石流溝2 280條，分布在房山、門(mén)頭溝、懷柔、密云、平谷等7個(gè)區(qū)（縣），涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)61個(gè)。

（2）山洪時(shí)空分布特點(diǎn)

北京市山洪災(zāi)害多發(fā)生在雨季。北京市降水年內(nèi)分配不均和年際變化很大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京市多年平均降雨585 mm，汛期（6月～9月）雨量約占全年降水量的85%，汛期降水又常集中在7月下旬和8月上旬的幾場(chǎng)大暴雨，極易形成洪澇災(zāi)害。

2.2研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本次研究區(qū)范圍選擇北京市山區(qū)，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)容如表1所示，分為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和社會(huì)屬性數(shù)據(jù)?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括山區(qū)小流域分布數(shù)據(jù)、水系數(shù)據(jù)、DEM（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃區(qū)界、縣界、水利工程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容全面。其中，北京市山區(qū)小流域分布數(shù)據(jù)是北京市第一次水務(wù)普查的主要成果。小流域是指根據(jù)水系、河壩、閘口等地物的分布，以10 km2左右為單元，劃分形成的匯水面積最小單元。根據(jù)實(shí)際地形，小流域分為完整型、區(qū)間型和坡面性三類(lèi)。社會(huì)屬性數(shù)據(jù)由于受數(shù)據(jù)源的限制，只收集到北京市山區(qū)部分地區(qū)的人口密度分布數(shù)據(jù)、房屋資產(chǎn)數(shù)據(jù)、耕地面積和單位面積GDP密度數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)內(nèi)容有一定缺失。因此，在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃評(píng)估過(guò)程中，將基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)全部參與模型運(yùn)算，社會(huì)屬性數(shù)據(jù)作為保留數(shù)據(jù)，暫時(shí)不參與模型運(yùn)算。

研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)列表　表1

3　城市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃技術(shù)

城市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃過(guò)程中，首先需要根據(jù)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型確定需要收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)模型中選擇的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因子計(jì)算，并根據(jù)層次分析法和相關(guān)分析法確定風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因子歸一化的結(jié)果結(jié)合山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和區(qū)劃數(shù)據(jù)，最終得到山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果，具體流程如圖1所示。

圖1　城市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃流程圖

3.1危險(xiǎn)性指數(shù)獲取

（1）坡度因子

坡度工具用于為每個(gè)像元計(jì)算值在從該像元到與其相鄰的像元方向上的最大變化率。實(shí)際上，高程隨著像元與其相鄰的8個(gè)像元之間距離的變化而產(chǎn)生的最大變化率可用來(lái)識(shí)別自該像元開(kāi)始的最陡坡降。從概念上講，該工具會(huì)將一個(gè)平面與要處理的像元或中心像元周?chē)粋€(gè)3×3的像元鄰域的高程值進(jìn)行擬合。該平面的坡度值通過(guò)最大平均值法來(lái)計(jì)算，該平面的朝向就是待處理像元的坡向。坡度值越小，地勢(shì)越平坦；坡度值越大，地勢(shì)越陡峭。通過(guò)無(wú)洼地DEM數(shù)據(jù)生成坡度圖，并對(duì)坡度進(jìn)行歸一化處理并重分類(lèi)，獲得坡度因子，其結(jié)果如圖2所示。

（2）流域面積標(biāo)準(zhǔn)差

地形的起伏狀況對(duì)洪水的排泄也有較大影響，地形起伏越小，地勢(shì)越平坦，洪水不易排泄，發(fā)生洪災(zāi)的危險(xiǎn)程度就要高，相反地形起伏越大，形成洪水的危險(xiǎn)性也就越低，目前比較通用的算法是通過(guò)流域面積標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)實(shí)現(xiàn)。流域面積標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算流程如圖3所示，每個(gè)步驟得到的結(jié)果如圖4所示。

圖2　坡度因子結(jié)果圖

其中，地形標(biāo)準(zhǔn)差也稱(chēng)為集水流域高程標(biāo)準(zhǔn)差，通過(guò)高程標(biāo)準(zhǔn)差表達(dá)地形起伏程度能夠靈敏地反映地形起伏變化［11］，其計(jì)算過(guò)程是將集水流域高程的標(biāo)準(zhǔn)差分配給流域內(nèi)的所有像元。高程標(biāo)準(zhǔn)差的值越大，高程波動(dòng)的范圍就越大，地形也就越不平坦，這樣就可以用高程標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)衡量地形的起伏程度。流域面積標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算是指計(jì)算流程面積的標(biāo)準(zhǔn)差，同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，重分類(lèi)完成制圖。

圖3　流域面積標(biāo)準(zhǔn)差GIS計(jì)算流程

圖4　流域面積標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算結(jié)果

（3）溝谷密度

溝谷密度是描述地面被溝壑切割破碎程度的一個(gè)指標(biāo)，指單位面積內(nèi)溝壑的總長(zhǎng)度。溝谷密度是氣候、地形、巖性、植被等因素綜合影響的反映。溝谷密度越大，地面越破碎，平均坡度增大，地表物質(zhì)穩(wěn)定性降低，且易形成地表徑流，土壤侵蝕加劇，容易引起滑坡的發(fā)生。溝谷密度的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5　溝谷密度計(jì)算結(jié)果

首先，集水流域面積計(jì)算。依據(jù)圖4中已提取出的集水流域，計(jì)算集水流域的面積。

其次，計(jì)算溝谷密度，對(duì)溝谷密度進(jìn)行歸一化處理并重分類(lèi)。利用核密度分析原理進(jìn)行計(jì)算，核密度分析用于計(jì)算每個(gè)輸出柵格像元周?chē)狞c(diǎn)要素的密度。概念上，每個(gè)點(diǎn)上方均覆蓋著一個(gè)平滑曲面。在點(diǎn)所在位置處表面值最高，隨著與點(diǎn)的距離的增大表面值逐漸減小，在與點(diǎn)的距離等于搜索半徑的位置處表面值為零。這里，僅允許使用圓形鄰域。默認(rèn)情況下，單位是根據(jù)輸入點(diǎn)要素?cái)?shù)據(jù)的投影定義的線性單位進(jìn)行選擇的，或是在輸出坐標(biāo)系環(huán)境設(shè)置中以其他方式指定的。如果選擇的是面積單位，則計(jì)算所得的像元密度將乘以相應(yīng)因子，然后寫(xiě)入到輸出柵格。

（4）水系密度

洪澇災(zāi)害的發(fā)生，與河流、湖泊等水系的分布相關(guān)，距離江、河、湖、庫(kù)等越近，則洪水危險(xiǎn)程度越高。河流級(jí)別越高，水網(wǎng)越密，水域面積越大，其影響范圍越大，發(fā)生洪澇災(zāi)害的危險(xiǎn)性也就越大［12］。水系密度的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6　水系密度的計(jì)算結(jié)果

首先，計(jì)算水系面積。其次，計(jì)算水系高程標(biāo)準(zhǔn)差。最后是水系密度的計(jì)算。在轉(zhuǎn)換包含點(diǎn)要素的柵格數(shù)據(jù)集時(shí)，輸入柵格數(shù)據(jù)集中的每個(gè)像元都會(huì)在輸出中轉(zhuǎn)換為點(diǎn)。每個(gè)新生成的點(diǎn)都被定位在它所表示的像元的中心。對(duì)水系密度進(jìn)行歸一化處理并進(jìn)行重分類(lèi)。

3.2易損性指數(shù)獲取

本文中，易損性指數(shù)選取了人口密度、房屋資產(chǎn)、耕地百分比、單位面積工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和承災(zāi)能力等5種指數(shù)。分別按照相應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)并賦值，但受數(shù)據(jù)源的限制，每類(lèi)數(shù)據(jù)只獲得部分區(qū)域的數(shù)值，故不參與模型運(yùn)算。

3.3城市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃方法

（1）權(quán)重疊加法

權(quán)重疊加法是根據(jù)專(zhuān)業(yè)人員的先驗(yàn)知識(shí)，為參評(píng)因子按照貢獻(xiàn)率的大小賦予相應(yīng)的權(quán)重，將每個(gè)參評(píng)因子乘以它的權(quán)重值，最后將這些帶權(quán)重的指標(biāo)圖層疊加，得到計(jì)算結(jié)果。權(quán)重疊加的具體公式如下:

其中，P為指數(shù)和，Xi參評(píng)因子，Wi為因子權(quán)重。

在GIS柵格運(yùn)算中，疊加分析是在最佳位置選擇或適宜性建模中應(yīng)用的一組方法。權(quán)重疊加法是應(yīng)用最多的疊加分析方法之一，它是按照定義的等級(jí)安排輸入數(shù)據(jù)、對(duì)輸入柵格進(jìn)行加權(quán)，然后將權(quán)重值相加。在“加權(quán)疊加”工具中，分配給各輸入柵格的權(quán)重之和必須等于100%。將圖層乘以相應(yīng)的倍數(shù)，然后將每個(gè)像元生成的值相加。

（2）權(quán)重確定方法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty教授于上世紀(jì)70年代初期提出的，AHP是對(duì)定性問(wèn)題進(jìn)行定量分析的一種簡(jiǎn)便、靈活而又實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法。其基本方法是對(duì)于一個(gè)包括多因子而又難以準(zhǔn)確量化的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)時(shí)，根據(jù)各因子間的關(guān)系，理順其組合方式和層次關(guān)系，據(jù)此建立系統(tǒng)評(píng)價(jià)的結(jié)構(gòu)模型和數(shù)學(xué)模型。對(duì)模型的各種模糊性因子，根據(jù)它們對(duì)于影響對(duì)象或作用目標(biāo)的評(píng)判確定量化指標(biāo)或者標(biāo)度指標(biāo)，然后根據(jù)評(píng)價(jià)模型的需要，通過(guò)判斷矩陣逐項(xiàng)或逐層得出各因子的權(quán)重或指標(biāo)數(shù)值，最后計(jì)算出最高層次的評(píng)價(jià)標(biāo)值。

在山洪災(zāi)害系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，影響災(zāi)害發(fā)生的系統(tǒng)性比較明顯，可以采用隸屬度或者其他模糊數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行評(píng)估。但是目前而言，應(yīng)用比較多的是結(jié)合專(zhuān)家打分的層次分析法，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)在山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃評(píng)估中起著很大的作用。

（3）計(jì)算方法

城市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃計(jì)算方法包括危險(xiǎn)性指數(shù)和易損性指數(shù)的計(jì)算。

危險(xiǎn)性指數(shù)可表示為

R=W1*X1+W2*X2+W3*X3+W4*X4

其中，W1、W2、W3、W4為各評(píng)估指標(biāo)因子的權(quán)重，X1、X2、X3、X4分別坡度因子、河網(wǎng)密度、流域面積標(biāo)準(zhǔn)差、溝谷密度。W1、W2、W3、W4權(quán)重值分別為0.4、0.3、0.15、0.15。

易損性指數(shù)=人口密度*A+房屋資產(chǎn)*B+耕地百分比*C+單位面子工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值*D+承災(zāi)能力*E。

本模型中由于社會(huì)屬性數(shù)據(jù)有限，故只計(jì)算危險(xiǎn)性指數(shù)，保留易損性指數(shù)的公式，待社會(huì)屬性數(shù)據(jù)完善后再參與模型計(jì)算。

4　實(shí)例試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)以上山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)模型的計(jì)算結(jié)果，將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為5級(jí)，即高風(fēng)險(xiǎn)、中高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、中低風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)，不同的典型小流域因影響因子不同可劃分成4個(gè)或者3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。以中高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為例，其劃分依據(jù)如表2所示。

中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域各影響因子所占權(quán)重　表2

將得到的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果圖疊加到北京市山區(qū)小流域數(shù)據(jù)上，通過(guò)Zonal Statistics功能得到北京市山區(qū)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，結(jié)果如圖7所示。通過(guò)對(duì)北京市山區(qū)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖進(jìn)行分析可以看出，房山地區(qū)、門(mén)頭溝、密云懷柔南部、延慶部分地區(qū)為山洪暴發(fā)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，這主要與該區(qū)域地形坡度較大有著密切的關(guān)系。

圖7　山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5　結(jié) 語(yǔ)

本文以北京市山區(qū)小流域?yàn)槔?，基于山區(qū)小流域分布數(shù)據(jù)、水系數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，依據(jù)城市山區(qū)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃評(píng)估模型對(duì)山區(qū)流域進(jìn)行了防洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的初步劃分。研究結(jié)果說(shuō)明利用GIS技術(shù)完成城市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃工作，是一項(xiàng)可行高效的方案。由于社會(huì)屬性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的限制，在山洪風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃模型中，只應(yīng)用了危險(xiǎn)性指數(shù)參與評(píng)估，結(jié)果只反映自然因素對(duì)北京市山區(qū)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的影響。在此基礎(chǔ)上，可以加入降雨量等其他動(dòng)態(tài)因子，對(duì)典型流域的防洪安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的評(píng)估?？傊嘟嵌妊芯砍鞘猩胶闉?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，降低城市山洪可能帶來(lái)的損失對(duì)于城市建設(shè)和發(fā)展具有重要意義。

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Risk Zonation Technology and Example of BEIJING Mountain Torrent Based on GIS

Guan Li1，Chen Pinxiang1，Yan Ning1，Hu Zhuowei2，F(xiàn)eng Xuebing1
（1.Beijing Key Laboratory of Urban Spatial Information Engineering，Beijing Institute of Surveying and Mapping，Beijing 100038，China； 2.College of Resources Environment and Tourism，Capital Normal University，Beijing 100037，China）

Urban torrent disasters appear with a large staff and property damage，serious social and economic impacts.it is not only influenced by the rivers，vegetation，topography and other natural factors in city，but also by road，underground drainage network，economic scale and other social development factors.Therefore，study of the risk of urban torrent disasters to reduce the loss of city has the important implications for urban construction and development.In this paper，using assessment model of risk zonation is to preliminary divide the risk levels of torrent in mountain watershed in Beijing mountainous areas，based on the distribution data of small mountain watershed，the stream data，the elevation data，the administrative division data and other basic geographic data.The study results will provide application support of risk investment，regional development and disaster management of prone areas of mountain torrent in Beijing.

risk zonation of mountain torrent；small mountain watershed；GIS；mountains in Beijing

1672-8262（2016）04-18-06

P208.2

A

2016—04—25

關(guān)麗（1980—），女，博士，高級(jí)工程師，從事遙感與GIS理論與應(yīng)用方法研究等方面的研究。