基于ＧＩＳ和模糊數(shù)學(xué)的神農(nóng)架村鎮(zhèn)山洪風(fēng)險評價

王望珍 李玉剛 周又又

摘要：神農(nóng)架林區(qū)山洪災(zāi)害頻繁發(fā)生，為了評價神農(nóng)架各個地區(qū)的災(zāi)害狀況，給當(dāng)?shù)卣M(jìn)行災(zāi)害防御規(guī)劃提供技術(shù)支撐，根據(jù)山洪災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制和山洪災(zāi)害風(fēng)險評價原理，從致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境暴露性、承災(zāi)體脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)措施4個角度構(gòu)建了神農(nóng)架林區(qū)村鎮(zhèn)山洪災(zāi)害風(fēng)險模糊綜合評價模型，結(jié)合層次分析法并采用GIS分析技術(shù)對其進(jìn)行了多層次的模糊綜合評價。結(jié)果表明，林區(qū)山洪災(zāi)害危險性主要受降雨量影響，總體趨勢是西南部高于東北部;山洪災(zāi)害暴露性風(fēng)險分布區(qū)域性較強(qiáng)，主要集中在中部和西部;脆弱性風(fēng)險相對較小;防災(zāi)減災(zāi)能力全區(qū)都整體偏弱，林區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)亟需加強(qiáng)。神農(nóng)架林區(qū)山洪綜合風(fēng)險高值區(qū)集中在西部的木魚鎮(zhèn)和大九湖鄉(xiāng)兩個旅游重鎮(zhèn)，較高及以上風(fēng)險面積占全區(qū)面積的24.92%。

關(guān)鍵詞：山洪風(fēng)險;模糊綜合評價;AHP;GIS;神農(nóng)架林區(qū)

中圖分類號：X43? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）09-0037-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.09.009? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： Mountain torrent in Shennongjia forest region occurs frequently. In order to evaluate the disaster situation in various areas of Shennongjia and provide the government with technical support for disaster prevention planning， the fuzzy comprehensive evaluation model of mountain flood disaster risk in villages and towns in Shennongjia forest region was constructed from four angles which were the risk of disaster factors， the exposure of the disaster environment， the vulnerability of the carrier and disaster prevention and mitigation measures according to the occurrence mechanism of mountain flood disasters and the risk assessment principle of mountain flood disasters. And multi-level fuzzy comprehensive evaluation of it was carried out by analytic hierarchy process and GIS. Results showed that the forest mountain torrent disaster risk was mainly affected by rainfall， and the overall trend was southwest higher than northeast. Mountain torrent disaster exposure risk distribution had strong regional features， mainly concentrated in the central and western. Vulnerability risk was relatively small. Disaster prevention and mitigation capacity of district was overall weak， and forest infrastructure needs to be strengthened. The concentration area of comprehensive high value of flash floods in Shennongjia forest region was the west Muyu town and Dajiuhu village， two important tourist town， the square of high and above risk area of these two areas accounted for 24.92% of whole district.

Key words： mountain torrent disaster; fuzzy comprehensive evaluation; AHP; GIS; Shennongjia forest region

中國幅員遼闊，地形復(fù)雜多變，各類自然災(zāi)害時有發(fā)生，而作為華中屋脊的神農(nóng)架林區(qū)則是山洪頻發(fā)。山洪是由短時間或持續(xù)的高強(qiáng)度降雨所引起，往往突發(fā)性強(qiáng)破壞力極大，且對于突發(fā)山洪的預(yù)報十分困難，基于以上特點，山洪在發(fā)生后常帶來嚴(yán)重?fù)p失，威脅到當(dāng)?shù)氐纳敭a(chǎn)安全。研究該地區(qū)的山洪風(fēng)險有助于對神農(nóng)架林區(qū)的山洪預(yù)測。

對山洪災(zāi)害風(fēng)險性評價的研究在國內(nèi)外很受重視，其中山洪災(zāi)害的風(fēng)險分析和制圖是重點。自20世紀(jì)60年代以來，大部分受過嚴(yán)重洪災(zāi)影響的國家或地區(qū)都開展了對于綜合性的洪水損失預(yù)防和管理，其普遍做法是對某些示范試驗區(qū)或流域進(jìn)行洪災(zāi)的風(fēng)險性評估，這些非工程性措施的減災(zāi)效果很明顯且得到了國外的普遍認(rèn)可[1]。隨著遙感技術(shù)（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）取得巨大進(jìn)展，將其逐步應(yīng)用于山洪災(zāi)害風(fēng)險評估工作，極大地促進(jìn)了中國山洪災(zāi)害風(fēng)險評估的研究。多數(shù)學(xué)者采用實地資料與GIS空間分析相結(jié)合的方法，對山洪災(zāi)害進(jìn)行評估與區(qū)劃[2-6]。但大部分區(qū)劃空間尺度相對較大，很多學(xué)者進(jìn)行了基于全國范圍的以縣為單位的洪水災(zāi)害區(qū)劃研究[7-9]，而以村鎮(zhèn)為單位的縣區(qū)級災(zāi)害評估與區(qū)劃十分罕見，主要原因多是缺乏村鎮(zhèn)級的長期自然和社會經(jīng)濟(jì)資料。本研究以神農(nóng)架林區(qū)為對象，以村鎮(zhèn)為評價單元，利用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有數(shù)據(jù)，從危險性、暴露性、脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)4個方面選取風(fēng)險因子評價指標(biāo)，計算各因子對應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重，通過模糊綜合評價法構(gòu)建山洪災(zāi)害風(fēng)險評價模型，結(jié)合GIS技術(shù)，繪制出神農(nóng)架林區(qū)村鎮(zhèn)山洪災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖，為當(dāng)?shù)卣M(jìn)行災(zāi)害防御規(guī)劃提供技術(shù)支撐。

1? 山洪災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)體系

1.1? 指標(biāo)體系的構(gòu)建

根據(jù)山洪災(zāi)害系統(tǒng)的形成機(jī)制，以及客觀性、代表性、可獲取性等指標(biāo)選取原則，在對神農(nóng)架林區(qū)進(jìn)行實地考察和特征分析后，擬從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體、防災(zāi)減災(zāi)4個方面選取指標(biāo)，致災(zāi)因子主要為降雨，但由于獲取資料所限，指標(biāo)僅選取5—9月汛期降雨量;孕災(zāi)環(huán)境選取絕對高程、相對高程、林地面積、山洪溝長度4個指標(biāo);承災(zāi)體選取人口密度、建筑物數(shù)量、耕地面積、GDP產(chǎn)值4個指標(biāo)，防災(zāi)減災(zāi)措施選取河堤、河壩、橋梁、公路，由此構(gòu)建了神農(nóng)架林區(qū)山洪災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)體系，由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層3個層次構(gòu)成[10]，具體見表1。

1.2? 指標(biāo)危險度分級

由于各評價指標(biāo)量綱不同，且具體數(shù)值變化范圍較大，因此需對數(shù)據(jù)進(jìn)行分級處理。本研究采用5級劃分標(biāo)準(zhǔn)，等級越高表示該因子的影響性越大。賦予的數(shù)值d1、d2、d3、d4、d5分別代表危險性低、較低、中度、較高、高。結(jié)合神農(nóng)架林區(qū)實際情況，采用GIS中的自然斷裂法對各指標(biāo)進(jìn)行分級。分級結(jié)果見表2。

2? 基于GIS的山洪災(zāi)害風(fēng)險模糊綜合評價

2.1? 確定指標(biāo)權(quán)重

指標(biāo)的權(quán)重確定采用層次分析法，其核心是建立判斷矩陣。本研究判斷矩陣由多位水文地質(zhì)災(zāi)害專家通過打分建立，主要包含4個矩陣，分別為由致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體、防災(zāi)減災(zāi)構(gòu)造的判斷矩陣;由絕對高程、相對高程、林地面積、山洪溝長度構(gòu)成的判斷矩陣;由人口密度、建筑物數(shù)量、耕地面積、GDP產(chǎn)值構(gòu)成的判斷矩陣;由河堤、河壩、橋梁、公路等預(yù)防措施構(gòu)成的判斷矩陣。對各個專家打分結(jié)果進(jìn)行矩陣特征值計算和處理，選取通過一致性檢驗的取其幾何平均值從而得到13個指標(biāo)的權(quán)重分配，權(quán)重結(jié)果如表3所示。

2.2? 構(gòu)造隸屬函數(shù)

采用模糊綜合評價法來評價山洪災(zāi)害時隸屬度的確定有著非常重要的意義，在構(gòu)建隸屬函數(shù)時，典型的隸屬函數(shù)包括小型隸屬函數(shù)、偏大型隸屬函數(shù)、中間型隸屬函數(shù)和S型、Z型隸屬函數(shù)等，但在洪水方面，目前仍未找到精確的函數(shù)來確定隸屬度。由于研究的是山洪災(zāi)害，查閱往年關(guān)于洪水的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，采用比較多的是降（升）半梯形函數(shù)和三角函數(shù)，本研究也采用此種函數(shù)，具體方法是將指標(biāo)中分級標(biāo)準(zhǔn)的低值部分用降半梯形函數(shù)，高值部分用升半梯形函數(shù)，中間值部分用三角形函數(shù)表示。具體見式（1）至式（5）。

2.3? 建立模糊綜合評價模型

本研究采用模糊綜合評價法，設(shè)u1，u2，…，u13分別對應(yīng)上述13個指標(biāo)。B為神農(nóng)架林區(qū)山洪災(zāi)害風(fēng)險模糊綜合評判結(jié)果向量，B1、B2、B3、B4分別表示神農(nóng)架林區(qū)山洪災(zāi)害致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體、防災(zāi)減災(zāi)模糊綜合評判結(jié)果向量。向量A為神農(nóng)架林區(qū)山洪災(zāi)害對神農(nóng)架林區(qū)山洪災(zāi)害風(fēng)險模糊綜合評判的權(quán)重向量，A1、A2、A3、A4分別為致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體、防災(zāi)減災(zāi)對神農(nóng)架林區(qū)山洪災(zāi)害風(fēng)險模糊綜合評判的權(quán)重向量。模糊算子o取模型M（·，+），計算模型見式（6）。

ArcGIS雖不具備直接的矩陣運算功能，但可以通過自帶的柵格計算器工具分步計算。首先，載入13個評價指標(biāo)因子的隸屬度圖層到ArcMap中，然后將表達(dá)式（7）至式（11）輸入到柵格計算器，計算后便能得到神農(nóng)架林區(qū)村鎮(zhèn)山洪災(zāi)害不同等級的危險性、暴露性、脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力大小。

2.4? 山洪風(fēng)險評價結(jié)果及分析

根據(jù)最大隸屬度原則，選取每個柵格上山洪災(zāi)害致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體、防災(zāi)減災(zāi)、綜合風(fēng)險隸屬度的最大值作為該柵格單元山洪災(zāi)害致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體、防災(zāi)減災(zāi)、綜合風(fēng)險等級。通過柵格計算結(jié)果，神農(nóng)架林區(qū)山洪災(zāi)害的致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境暴露性、承災(zāi)體脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力風(fēng)險等級及綜合風(fēng)險等級結(jié)果如表4所示。

從致災(zāi)因子危險性風(fēng)險等級（圖1）可以看出，西部地區(qū)的山洪災(zāi)害致災(zāi)因子危險性要高于東部地區(qū)。通過對不同風(fēng)險等級山洪災(zāi)害致災(zāi)因子危險性面積及其占比進(jìn)行統(tǒng)計可知，低危險性風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為7.96%，高危險性風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為10.69%，較高危險性風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為14.23%，較低和中等危險性風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為67.12%。

基于村鎮(zhèn)分布來看，致災(zāi)因子危險性風(fēng)險等級較高的村有茅胡村、紅花坪村、青峰村、小當(dāng)陽村、九沖村、木魚村、三堆河村;致災(zāi)因子危險性等級風(fēng)險高的村有坪阡村、大九湖村、東溪村、黃柏阡村、洛陽河村、青樹村。

從孕災(zāi)環(huán)境暴露性風(fēng)險等級（圖2）可以看出，神農(nóng)架林區(qū)山洪災(zāi)害中等及以上危險區(qū)域主要分布在神農(nóng)架林區(qū)中部和西部一帶，西部地區(qū)的山洪災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境危險性要高于東部地區(qū)。通過GIS軟件對不同風(fēng)險等級山洪災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境暴露性面積及其占比進(jìn)行統(tǒng)計可知，低暴露性風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為9.50%，較高暴露性風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為28.34%，高暴露性風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為11.13%，較低和中等暴露性風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為51.03%。

基于村鎮(zhèn)分布來看，孕災(zāi)環(huán)境暴露性等級風(fēng)險較高的村有金甲坪村、興隆寺村、坪阡村、大九湖村、貓兒觀村、洛陽河村、龍溪村、溫水村、后山坪村、陽日村、盤龍村、紅舉村;孕災(zāi)環(huán)境暴露性等級風(fēng)險高的村有紅花坪村、龍口村、板倉村、宋洛村、朝陽村。

從承災(zāi)體脆弱性等級（圖3）可以看出，神農(nóng)架林區(qū)山洪災(zāi)害中等及以上危險區(qū)域主要分布在神農(nóng)架林區(qū)東部幾個村和西部的大九湖村，其他地區(qū)脆弱性均較為安全。通過GIS軟件對不同風(fēng)險等級山洪災(zāi)害承災(zāi)體脆弱性面積及其占比進(jìn)行統(tǒng)計可知，低脆弱性風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為64.26%，較高脆弱性風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為3.40%，高脆弱性風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為1.74%，較低和中等脆弱性風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為30.60%。

基于村鎮(zhèn)分布來看，承災(zāi)體脆弱性風(fēng)險等級較高的村有大九湖村、龍溝村、清泉村;承災(zāi)體脆弱性風(fēng)險等級高的村有朝陽村、陽日村、松柏村。由圖3還可以看出，林區(qū)的承災(zāi)體脆弱性風(fēng)險普遍較低，這與神農(nóng)架林區(qū)的經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)是相符合的。

從防災(zāi)減災(zāi)能力風(fēng)險等級（圖4）可以看出，神農(nóng)架林區(qū)山洪災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)能力整體偏弱，東部和西部的村鎮(zhèn)防災(zāi)減災(zāi)的風(fēng)險都很高，僅中部的幾個村有一定的防災(zāi)減災(zāi)能力。通過GIS軟件對不同風(fēng)險等級山洪災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)能力面積及其占比進(jìn)行統(tǒng)計可得，低防災(zāi)減災(zāi)能力風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為12.65%，較高防災(zāi)減災(zāi)能力風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為9.33%，高防災(zāi)減災(zāi)能力風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為54.30%，較低和中等防災(zāi)減災(zāi)能力風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為23.71%。

基于村鎮(zhèn)分布來看，太和山村、木魚村、蓮花村、紅花村、梨子坪村、塔坪村、古水村、東溪村、板倉村、松柏村、高坪村的防災(zāi)減災(zāi)能力風(fēng)險等級為低和較低;青峰村、溫水村、萬福村、紅河村、官封村的防災(zāi)減災(zāi)能力風(fēng)險等級為中等;林區(qū)其余的50村防災(zāi)減災(zāi)能力風(fēng)險等級為高和較高。由此可以看出，該林區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)能力總體很弱，一旦發(fā)生山洪，將造成巨大損失。

從圖5可以看出，神農(nóng)架林區(qū)山洪災(zāi)害中等及以上危險區(qū)域主要分布在神農(nóng)架林區(qū)西南部一帶，西部地區(qū)的山洪災(zāi)害風(fēng)險要高于東部地區(qū)，通過對不同等級山洪災(zāi)害綜合風(fēng)險面積及其占比進(jìn)行統(tǒng)計可得，低風(fēng)險等級區(qū)域面積所占比例為7.96%，較高風(fēng)險等級區(qū)域面積所占比例為14.23%，高風(fēng)險等級區(qū)域面積所占比例為10.69%，較低和中等風(fēng)險區(qū)域面積所占比例為67.12%。

基于村鎮(zhèn)分布來看，綜合風(fēng)險等級較高的村有茅胡村、紅花坪村、青峰村、小當(dāng)陽村、九沖村、木魚村、三堆河村;風(fēng)險等級高的村有坪阡村、大九湖村、東溪村、黃柏阡村、洛陽河村、青樹村。這些村由于位于山谷中，地形坡度大，且山洪溝密集，遇到夏季的強(qiáng)降雨時，容易爆發(fā)山洪災(zāi)害;此外由于大九湖和木魚鎮(zhèn)為神農(nóng)架的重點旅游景區(qū)，人口眾多，承災(zāi)體的脆弱性風(fēng)險很明顯，且河堤、河壩等防災(zāi)減災(zāi)設(shè)施缺乏，故而導(dǎo)致綜合風(fēng)險等級很高。神農(nóng)架林區(qū)的山洪災(zāi)害低風(fēng)險區(qū)主要集中在林區(qū)的東部，由于東部地區(qū)的地勢相對平緩，地形起伏不大，降雨量也相對林區(qū)其他地區(qū)較小，且土地以林地為主，植被覆蓋率高，不易發(fā)生山洪災(zāi)害。

3? 結(jié)論

基于山洪災(zāi)害形成機(jī)制角度，從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體、防災(zāi)減災(zāi)4個方面選取降雨、高程、林地面積、人口密度、GDP產(chǎn)值、河堤、河壩等13個因子作為神農(nóng)架林區(qū)山洪災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)，利用ArcGIS和模糊綜合評價法，基于村為評價單元得到神農(nóng)架林區(qū)山洪災(zāi)害危險性、暴露性、脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力和綜合風(fēng)險等級區(qū)劃圖。研究結(jié)果表明，林區(qū)西部和南部的村鎮(zhèn)山洪災(zāi)害綜合風(fēng)險普遍高于東部和北部，尤其是大九湖鄉(xiāng)和木魚鎮(zhèn)兩個旅游重鎮(zhèn)的風(fēng)險等級都在較高及以上。整個林區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)能力很弱，66村有50村風(fēng)險等級為較高及以上，面積高達(dá)60%以上，說明神農(nóng)架林區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)工程措施明顯不足，希望神農(nóng)架林區(qū)政府能加強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)工程措施的建設(shè)，強(qiáng)化村民的防災(zāi)減災(zāi)意識，減少因自然災(zāi)害帶來的損失。

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收稿日期：2018-10-31

基金項目：國家科技支撐計劃項目（2014BAL05B00）

作者簡介：王望珍（1968-），女，湖北武漢人，副教授，博士，主要從事風(fēng)險管理方面的研究，（電話）15342280143（電子信箱）wangwz_wh@163.com;通信作者，李玉剛（1994-），男，河南信陽人，在讀碩士研究生，研究方向為風(fēng)險評估，（電話）15927268620（電子信箱）liyugang_987@163.com。