山區(qū)縣域洪災(zāi)危險性評價指標(biāo)體系構(gòu)建方法

王芳+林孝松+何浪+崔夢瑞+周元瑞+楊晗

摘要：洪災(zāi)作為影響人類最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，給人類帶來了巨大的傷亡和經(jīng)濟損失。而山區(qū)由于其特殊的地形地貌和氣候水文條件，是洪災(zāi)形成且受洪災(zāi)影響最大的區(qū)域之一。以山區(qū)縣域為研究尺度，從地形地貌、氣象水文、下墊面和人類活動等4方面因素入手，針對每個因素對山區(qū)洪災(zāi)的影響機制，進行指標(biāo)遴選及量化分級，最終選取坡度、起伏度、微地貌類型、河網(wǎng)密度、夏半年降雨量、土壤類型、植被覆蓋度、土地利用綜合程度等作為靜態(tài)指標(biāo)，將不同暴雨強度下的匯流累積量作為動態(tài)指標(biāo)，詳細(xì)探討了各評價指標(biāo)的獲取方法并將山區(qū)縣域洪災(zāi)危險劃分為高、中、低和微危險4個等級，最終構(gòu)建得到山區(qū)縣域洪災(zāi)危險性綜合評價指標(biāo)體系。

關(guān)鍵詞：洪災(zāi)；危險評價；指標(biāo)體系；山區(qū)縣域

中圖分類號：P426.616 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）2-0001-04

1 引言

洪災(zāi)指在自然和人為條件下，降水達到一定強度，引起陸地水域匯流量驟增，導(dǎo)致堤壩漫溢或潰決，在短期內(nèi)因高強度突變引發(fā)成災(zāi)的客觀自然事件[1]。我國是一個多山地的國家，有69%國土面積屬于山地、丘陵、高原地形。在我國每年因洪災(zāi)造成的人民生命損失和社會經(jīng)濟財產(chǎn)損失不計其數(shù)，據(jù)中國國家防總數(shù)據(jù)顯示，截至2016年7月3日，該年全國已有26個?。▍^(qū)、市）1192個縣遭受洪澇災(zāi)害，農(nóng)作物受災(zāi)面積294.2萬hm2，受災(zāi)人口3282萬人，緊急轉(zhuǎn)移148萬人，因災(zāi)死亡186人、失蹤45人，倒塌房屋5.6萬間，直接經(jīng)濟損失約506億元。國內(nèi)外不同學(xué)者針對不同的洪災(zāi)研究方向和洪災(zāi)研究尺度，選用了不同的指標(biāo)體系對洪災(zāi)危險性進行評價。如許小華（2015）選取高程、坡度、河網(wǎng)密度、土地利用等指標(biāo)對江西省山洪災(zāi)害危險性進行研究[2]；李謝輝等（2013）從歷史洪災(zāi)、降水、地形、土壤、水系等方面對河南省洪災(zāi)風(fēng)險危險性進行區(qū)劃研究[3]；王一秋等（2010）選取降水、水系、地形、人口、GDP和播種面積等對太湖流域江蘇片區(qū)洪災(zāi)進行研究[4]；孫欣等（2014）選取坡度、起伏度、匯流量、植被覆蓋率、房屋、道路、暴雨量、年均降水量等因子分析安瀾鎮(zhèn)山洪災(zāi)害 [5]。綜合來看，相關(guān)學(xué)者選取的指標(biāo)均是靜態(tài)的，均是從靜態(tài)的角度分析各指標(biāo)因子所起的綜合作用，但洪災(zāi)的形成尤其是山區(qū)洪災(zāi)的致災(zāi)過程是動態(tài)性的，因此，構(gòu)建的危險評價指標(biāo)不僅要包括較全面的靜態(tài)性，而且要能體現(xiàn)洪災(zāi)的動態(tài)特性。

以山區(qū)縣域作為研究尺度，針對山區(qū)縣域洪災(zāi)孕災(zāi)敏感性和致災(zāi)動態(tài)性特征，從地形地貌、氣象水文、下墊面和人類活動等方面遴選縣域洪災(zāi)危險評價的動態(tài)指標(biāo)，根據(jù)降雨-匯流-洪水量（位）之間的動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)建洪災(zāi)危險評價的動態(tài)指標(biāo)，由此建立包含靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的綜合評價指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了各指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取方法并將山區(qū)縣域洪災(zāi)劃分為高、中、低、微危險4個等級，構(gòu)建的指標(biāo)體系可運用于山區(qū)縣域的洪災(zāi)危險綜合評價。

2 洪災(zāi)影響因素分析

洪災(zāi)的孕育與形成由多方面因素綜合導(dǎo)致[5～8]，根據(jù)其成因可將其分為地形地貌、氣象水文、下墊面和人類活動等四個方面因素。

2.1 地形地貌因素

地形地貌是一個地區(qū)的地表形態(tài)，它反映區(qū)域內(nèi)的宏觀地勢起伏情況。地形地貌通過影響降雨的匯流速度與時間，從而影響洪災(zāi)的危險性。在縣域尺度主要體現(xiàn)在坡度、起伏度和微地貌類型。

坡度表征地勢的陡緩程度，坡度值越大，地勢越陡峭，降雨發(fā)生時在陡峭的地勢上流速增加，從而雨水匯流時間減少，增加洪災(zāi)的危險性；起伏度主要反映一定區(qū)域內(nèi)的地勢起伏狀況，是一定范圍內(nèi)高程的閾值，同一個地區(qū)由于選取的范圍不同，其起伏度數(shù)值也會有所差異。起伏度越大地表水流速度越大，并且在低地勢處形成匯積，達到一定水量后又向更低的地勢處匯流，最終形成洪水；微地貌是相對宏觀地形地貌來講的，主要體現(xiàn)為較微小地貌的差異，一般來說不同的微地貌類型對雨水的匯積作用不同，因此其危險性也存在差異。

2.2 氣象水文因素

氣象水文條件是洪災(zāi)發(fā)生的直接因素，降雨形成徑流在地表匯流累積，最終匯入水系中并與其共同形成洪水。其對洪災(zāi)的影響主要體現(xiàn)在降雨量、河網(wǎng)密度、匯流累積量和降雨強度。

降雨量決定了河流的匯流累積量，當(dāng)降雨量越大，匯流量也相應(yīng)越多，洪災(zāi)的危險程度也越高[5，8]；河網(wǎng)密度是研究區(qū)內(nèi)河流長度與區(qū)域面積的比值，其數(shù)值反映河流的密集程度，對于河網(wǎng)越密集的區(qū)域，雨水越容易匯集，且易發(fā)生漲洪現(xiàn)象，由此洪災(zāi)危險性越高；匯流累積量的大小反映了地表徑流形成的難易程度以及水量的大小。匯流累積量越大，則表示越容易形成地表徑流，水量也相應(yīng)較大，并使洪災(zāi)危險性變得越嚴(yán)重；降雨強度是一定時間內(nèi)降雨量的大小，它作為一個動態(tài)因子，直接影響匯流累積量。伴隨著降雨強度的增加，匯流累積量也相應(yīng)增大，由此造成洪災(zāi)的危險性也相應(yīng)增高。由于匯流累積量和降雨量均是隨時間變化的動態(tài)性因素，同時單位時間降雨量對匯流累積量也有較大影響，即降雨強度影響匯流累積量，因此將匯流累積量和降雨強度同時作為動態(tài)因子用于評價縣域洪災(zāi)危險性。

2.3 下墊面因素

影響洪災(zāi)的下墊面因素主要包括植被和土壤。降雨落到地面，地面的物質(zhì)組成決定了地表徑流的形成速度和徑流量大小，從而導(dǎo)致洪災(zāi)具有不同的危險性。在一次降雨過程中，植被覆蓋度不同，雨水被植被截留量會有所不同。一般在植被密集的地方，有20%左右的降雨量能夠被地表植被阻攔。由于植被對雨水的這種截留作用，地表徑流匯積的時間增長，推遲洪峰形成的時間，并且削減了山洪流量峰值，降低洪災(zāi)危險性。土壤分為多種類型，不同地區(qū)土壤類型不同，不同類型的土壤其下滲率也有較大差異。一般來說，下滲率大的土壤能減少地表徑流量，當(dāng)發(fā)生降雨時，土壤可下滲一部分的雨水，減少匯流量，降低洪災(zāi)的危險程度。

2.4 人類活動因素

人類的活動會對上述因素造成不同程度的直接或間接影響，人類在地表的生產(chǎn)生活使得地表形態(tài)和土地利用方式發(fā)生變化，因此可用土地利用綜合程度來表征人類活動的強度大小。在人口密集的區(qū)域，對土地的利用程度高，人類生產(chǎn)生活會對地表形態(tài)造成一定的破壞作用，從而地表對雨水的滲透作用以及截留作用減弱，雨水匯流成地表徑流時間減少，洪水也就越容易形成。土地利用的程度不同其對地表形態(tài)破壞程度不同，越是高效利用的土地，對地表的影響越大，增加了洪災(zāi)的危險性。

3 評價指標(biāo)遴選及數(shù)據(jù)獲取方法

3.1 評價指標(biāo)因子及分級賦值

山區(qū)縣域洪災(zāi)是多種因素綜合作用的結(jié)果。結(jié)合山區(qū)縣域特征，綜合考慮孕災(zāi)和致災(zāi)因子對洪災(zāi)危險性的影響[9～13]，對相應(yīng)指標(biāo)進行綜合遴選。最后選取坡度、起伏度、微地貌類型、河網(wǎng)密度、夏半年降水量、土壤類型、植被覆蓋度和土地利用綜合程度8個指標(biāo)作為靜態(tài)評價指標(biāo)，選取不同暴雨強度下的匯流累積量作為動態(tài)指標(biāo)，從靜態(tài)和動態(tài)兩方面構(gòu)建山區(qū)縣域洪災(zāi)危險性評價綜合指標(biāo)體系。對山區(qū)縣域洪災(zāi)危險性劃分為高危險、中危險、低危險和微危險四個等級，并對每個評價指標(biāo)進行分級賦值，

3.2 指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取方法

研究山區(qū)縣域洪災(zāi)危險性需要用到研究區(qū)域行政邊界圖、土地利用類型圖和遙感影像圖、DEM數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及各評價指標(biāo)數(shù)據(jù)，以下具體說明指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取方法。

3.2.1 地形地貌數(shù)據(jù)獲取

坡度數(shù)據(jù)提取一般選取1∶10000地形圖或具有相應(yīng)精度的DEM數(shù)據(jù)，在提取坡度時建議依據(jù)研究區(qū)面積大小選取10 m×10 m或30 m×30 m的柵格尺寸；起伏度數(shù)據(jù)也是通過DEM數(shù)據(jù)進行提取，其中的關(guān)鍵是確定最佳窗口大小。建議采用不同窗口大小計算得到研究區(qū)不同的起伏度值，然后利用起伏度數(shù)據(jù)與相應(yīng)窗口大小進行擬合，得到兩者的回歸曲線，最后以其與45°直線相切的點確定為計算起伏度的最佳窗口大??；利用TPI（地形坡位指數(shù)）可進行研究區(qū)地形坡位和微地貌類型的劃分并獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。根據(jù)Weiss的劃分標(biāo)準(zhǔn)，利用DEM數(shù)據(jù)選取3×3和11×11窗口大小可提取得到微地貌類型[14]。

3.2.2 氣候水文數(shù)據(jù)獲取

當(dāng)前情況下，常使用空間插值和回歸分析兩種方法獲取降雨量的空間分布。其中常用的空間插值方法主要有：反距離權(quán)重法、樣條函數(shù)法、協(xié)同克里格法和普通克里格法4種。在山區(qū)，對降雨量量影響較大的是高程和坡向等因素。因此可以考慮將高程變化作為約束條件進行插值分析；回歸分析是根據(jù)回歸模型計算得到每個網(wǎng)格的降雨量，根據(jù)研究區(qū)域的不同選取的柵格尺寸大小也不同，在研究山區(qū)縣域時建議選用10 m×10 m或30 m×30 m柵格尺寸?；貧w模型的建立主要根據(jù)歷年降雨量數(shù)據(jù)求得，比較求得的回歸曲線相關(guān)系數(shù)確定最佳回歸模型。再考慮坡向?qū)涤炅康挠绊懀x用坡向系數(shù)來對計算的降雨量進行校正得到最終降雨量；河網(wǎng)密度即區(qū)域內(nèi)河流長度與區(qū)域面積的比值，利用水系圖和行政區(qū)劃圖進行疊加計算即可方便得到。

利用不同降雨強度將原本以柵格數(shù)為單位的匯流累積量換算成以雨水量為單位的具體水量。降雨強度數(shù)值單位有很多種，一般選取mm/24h作為單位。結(jié)合當(dāng)前山區(qū)縣域的降雨強度值，建議選取50 mm/24h、75 mm/24h、100 mm/24h、125 mm/24h、150 mm/24h、175 mm/24h、200 mm/24h、250 mm/24h進行動態(tài)模擬。降雨強度對匯流累積量的影響就是將不同的降雨強度換算成每個柵格中匯流的流量總和，其大小也與柵格尺寸有關(guān)。

3.2.3 下墊面數(shù)據(jù)獲取

植被覆蓋度主要利用遙感影像圖進行計算，在眾多的遙感影像系列中，其費用、分辨率均有所不同，綜合考慮建議選取TM遙感影像，利用遙感圖像處理軟件進行植被覆蓋度計算。而土壤類型主要根據(jù)不同土壤類的下滲率進行劃分，即利用其土壤類型進行分等定級。例如某南方地區(qū)其土壤下滲率順序為：紫色土<黃棕壤<黃壤<潮土<石灰?guī)r<裸巖<水稻土。

3.2.4 人類活動數(shù)據(jù)獲取

土地利用綜合程度可利用土地利用類型數(shù)據(jù)[15]，結(jié)合實際情況，針對不同用地類型其對地表形態(tài)改變的程度對其進行等級劃分，一般分為高度利用、中度利用、低度利用和未利用，

4 結(jié)語

以山區(qū)縣域為研究尺度，在洪災(zāi)影響因素分析的基礎(chǔ)上，從靜態(tài)和動態(tài)兩個方面入手構(gòu)建了山區(qū)縣域洪災(zāi)危險性綜合評價指標(biāo)體系，得到以下研究結(jié)果。

（1）從地形地貌、氣象水文、下墊面和人類活動等4方面因素入手，選取坡度、起伏度、微地貌類型、河網(wǎng)密度、夏半年降雨量、土壤類型、植被覆蓋度、土地利用綜合程度等作為靜態(tài)指標(biāo)，將不同暴雨強度下的匯流累積量作為動態(tài)指標(biāo)，由此得到動靜結(jié)合的綜合評價指標(biāo)。

（2）詳細(xì)探討了縣域尺度洪災(zāi)危險性評價指標(biāo)的獲取方法，為實例應(yīng)用提供相應(yīng)方法。

（3）將山區(qū)縣域洪災(zāi)危險劃分為高危險、中危險、低危險和微危險4個等級，并將各等級按照簡便方法進行賦值量化。

構(gòu)建的山區(qū)縣域洪災(zāi)危險評價指標(biāo)體系在以下2個方面還需要進一步改進與完善。

（1）各指標(biāo)危險等級的劃分閾值可結(jié)合實際的研究區(qū)域進行適當(dāng)調(diào)整。

（2）在遴選動態(tài)指標(biāo)時，僅僅是將匯流累積量由傳統(tǒng)的柵格數(shù)量轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌涤陱姸缺尘跋碌暮樗浚窈笮枰Y(jié)合研究區(qū)各河段的寬度、高程變化情況進行精準(zhǔn)的危險分區(qū)劃分。

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Methods for Assessment Index System of Flood Disaster Risk

in Mountainous Counties

Wang Fang，Lin Xiaosong，He Lang，Cui Mengrui，Zhou Yuanrui，Yang Han

（College of Architecture and Urban Planning， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074，China）

Abstract： The floods as one of the most serious natural disasters which affects human production and living has brought huge casualties and economic losses to human beings.And mountainous area is one of the largest areas influences by the floods because of its special topography and meteorologic hydrological conditions.This work started with four aspects including topography，meteorologic hydrological ，underlying surface and humans activities with mountainous area being research scale.Then weconducted index selection and quantitative classification aiming at each factors influence on mountainous flood.Eventually we selected slope，ups and downs，the types of micro landform ，drainage density，rainfall in summer ， soil type， vegetation coverage and the comprehensive degree of landuse as static indexes，confluence cumulants affected by different rainfall intensity as dynamic index.We discussed the acquisition method of each evaluation index detailly and divided the risk of flood in mountainous area count into four grades such as high，moderate，low and slight dangerous. The work established the index system of the comprehensive evaluation to flood risk in the mountainous area county.

Key words： flood disaster；risk assessment；index system；mountainous counties