基于AHP和GIS的曹江上游小流域山洪災害風險區(qū)劃

羅日洪，黃錦林,唐造造

(1.廣東省水利水電科學研究院， 廣東 廣州 510610；2.廣東省山洪災害防治工程技術研究中心， 廣東 廣州 510610)

基于AHP和GIS的曹江上游小流域山洪災害風險區(qū)劃

羅日洪1,2，黃錦林1,2,唐造造1,2

(1.廣東省水利水電科學研究院， 廣東 廣州 510610；2.廣東省山洪災害防治工程技術研究中心， 廣東 廣州 510610)

為了提高山洪災害防治管理的針對性，在小流域山洪災害資料收集的基礎上，選取了歷年最大6 h暴雨均值、高程標準差、河網(wǎng)密度、土壤類型4個危險性因子和人口密度、人均GDP、土地利用類型3個易損性因子，以層次分析法(AHP)計算各因子權重，通過GIS空間疊加分析，對曹江上游小流域進行了山洪災害風險區(qū)劃。由風險區(qū)劃圖可知，曹江上游小流域山洪災害高—次高風險區(qū)主要分布在人口較密集、經(jīng)濟較發(fā)達的沿河谷低洼區(qū)。通過與歷史山洪災害點的對比驗證，證明風險區(qū)劃結果精度較高，可為本區(qū)域的山洪災害風險識別提供科學依據(jù)。

層次分析法；GIS技術；小流域；山洪災害；風險區(qū)劃

山洪災害常發(fā)生于山丘區(qū)小流域，具有突發(fā)性強，破壞力大的特點，往往伴隨破壞性的滑坡、泥石流等地質災害，給山丘區(qū)經(jīng)濟和群眾生命財產(chǎn)帶來嚴重的危害[1-3]。山洪災害風險評估的開展可有效提高山洪災害防治的針對性，提升山洪災害防治管理水平。

近年來，隨著GIS技術的發(fā)展，山洪災害風險評估與GIS技術的有機結合成為研究的熱點[4-10]，國內(nèi)學者也開展了這方面的研究工作。李棟等[11]從山洪災害形成條件和小流域情況出發(fā)，應用GIS空間分析研究了呂梁市石樓縣山洪災害風險等級分布。方秀琴等[12]基于江西省實際情況構建了山洪災害風險區(qū)劃的多指標評價體系，利用GIS技術進行定量分析得到風險圖并進行分區(qū)。由于各地區(qū)山洪災害發(fā)育現(xiàn)狀及時空分布不盡相同，山洪災害成因及風險也比較復雜，要針對性地開展山洪災害防治工作，必須區(qū)別界定流域內(nèi)不同區(qū)域的山洪災害風險大小。本文選取廣東省高州市曹江上游小流域作為研究對象，利用GIS技術和層次分析法構建小流域山洪災害風險評估模型，提取7個指標因子，經(jīng)權重分析和疊加計算，得到曹江上游小流域山洪災害風險區(qū)劃圖，為識別防治區(qū)不同等級山洪災害風險、針對性地開展山洪災害防治工作提供了科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

曹江位于高州市東北部，是鑒江的一級支流。本次主要研究的是曹江上游大坡鎮(zhèn)以上的馬貴河段、厚園河段，集水面積226 km2，干流長度32.1 km，平均坡降2.72‰，多年平均年降水量為2 037 mm，年內(nèi)降雨分布不均且受地形影響明顯，降雨自上游向下游遞減。暴雨高區(qū)主要位于曹江上游的厚園圩、馬貴站一帶。流域植被良好，土壤為壤土及砂壤土。該流域山洪爆發(fā)較為頻繁，其中，2010年9月21日發(fā)生的特大洪水最為嚴重，12 h降雨量較大的站點有：馬貴站673.5 mm，達到1 000年一遇；厚園圩站472 mm，超200年一遇；下游大拜站洪峰流量3 740 m3/s，超200年一遇。暴雨強度超過大暴雨甚至特大暴雨量級，造成了該流域嚴重的洪澇災害和山洪地質災害的發(fā)生，交通、水利受損嚴重，沿岸農(nóng)田、民房遭受重創(chuàng)。

2 資料來源

根據(jù)山洪災害風險區(qū)劃的一般要求和資料獲取條件的限制，本次研究獲取的自然屬性數(shù)據(jù)有由茂名市水文局提供的歷年最大6 h暴雨均值、廣東省水利廳提供的DEM數(shù)據(jù)(5 m×5 m)、全國山洪災害項目組下發(fā)的土壤類型矢量圖。社會屬性數(shù)據(jù)中的人口密度分布和人均GDP分布數(shù)據(jù)由中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心提供，土地利用數(shù)據(jù)則由全國山洪災害項目組下發(fā)。在這些數(shù)據(jù)的基礎上，通過進一步整理，提取所需的影響因子。

3 山洪災害風險評價

3.1 山洪災害風險評價指標體系

山洪災害風險區(qū)劃是通過分析歷史暴雨洪水災害的危險性和承載體的易損程度，將研究區(qū)域劃分為不同風險等級。首先基于現(xiàn)場調查和國內(nèi)外相似研究成果，確定山洪災害風險區(qū)劃的評價指標。由于曹江上游小流域山洪災害主要由短歷時、高強度的暴雨引發(fā)，下墊面地形起伏程度大，溝谷發(fā)育，河床比降大，河網(wǎng)較密集，對山洪災害形成的影響較大。故危險性指標主要考慮年最大6 h暴雨均值、高程標準差、河網(wǎng)密度、土壤類型4個指標。又由于山丘區(qū)居民點和耕地主要分布在較平坦的河谷，一旦山洪暴發(fā)，沿岸居民生命財產(chǎn)將遭受嚴重損失。因此，易損性指標主要考慮人口密度、人均GDP、土地利用類型3個指標。由此，構建了曹江上游小流域山洪災害風險評價指標體系，包括目標層、準則層、指標層三個層次。為了利用Arcgis工具對各因子進行疊加計算，需要把各因子數(shù)字化、柵格化(5 m×5 m)，然后根據(jù)自然斷裂分級法進行分級。采用1、2、3、4代表低、中、較高、高危險或易損界限值，具體見表1，各指標圖層見圖1。

表1 曹江上游小流域山洪災害風險區(qū)劃指標體系

3.2 山洪災害風險評價指標權重

山洪災害風險評價指標權重采用層次分析法[13](AHP)計算。首先對曹江上游小流域山洪災害風險區(qū)劃問題進行因子分解，構造出層次結構，各因子間以1～9標度兩兩比較，通過定性、定量判斷，構造出層次判斷矩陣，然后根據(jù)求解的判斷矩陣特征向量和最大特征根確定出各因子的評價權重，最后計算權向量并作一致性檢驗。

根據(jù)AHP法計算的各因子權重見表2。其中，年最大6 h暴雨均值和高程標準差的權重最大，是因為短歷時、高強度暴雨是山洪災害發(fā)生的主因，并且通過下墊面起作用，高程標準差反映了地形的起伏程度，直接決定了洪水的匯集、排泄能力；人員是山洪災害中最重要的防護對象，因此損性指標中人口密度分布權重最大。

圖1 山洪災害指標因子分級圖

表2 山洪災害風險區(qū)劃指標權重

3.3 山洪災害風險性評價

山洪災害風險區(qū)劃采用定量表達式：風險(R)=危險性(H)×易損性(V)[14]作為基本模型。危險性(H)和風險性(V)的獲取根據(jù)權重疊加法進行計算。即對各影響因子的貢獻率賦予權重值，將指標因子與相應權重相乘，最后疊加多個帶權重的指標因子得到數(shù)量化的計算結果。計算公式為

(1)

其中：P為指數(shù)和；Xi參評因子；Wi為因子權重。

(1) 危險性評價。各山洪災害危險性因子(Hi)與AHP法計算的對應權重(Wi)相乘，即可得到危險性H=0.372H1+0.372H2+0.177H3+0.079H4。利用Arcgis軟件對規(guī)范化后的危險性因子柵格圖層疊加計算，將結果按自然斷點法進行分級，分別以1.70、2.18、2.74、3.25為界限值劃分為低、次較低、中、次高、高危險區(qū)，并賦值1、2、3、4、5，結果見圖2。

圖2危險性區(qū)劃圖

從圖2可以看到，次高—高危險區(qū)主要位于該小流域的中上游河谷區(qū)，距離水系越遠危險性越低；下游危險性較低。這是由于北部高山抬升作用導致降雨比南部大，山高坡陡、地形高差也較大，利于洪水的匯集，易于形成山洪災害。根據(jù)災后調研，馬貴鎮(zhèn)在“20100921”洪水中首批有受災最嚴重的馬貴、馬坑、埕垌、甘沖等9個行政村納入了重建規(guī)劃[15]，大坡鎮(zhèn)的白馬村也在這次洪水中受損嚴重，這些村落都位于本次危險區(qū)圖次高—高危險區(qū)內(nèi)。

(2) 易損性評價。各山洪災害易損性因子(Vi)與AHP法計算的對應權重(Wi)相乘，即可得到易損性V=0.539V1+0.297V2+0.164V3。利用Arcgis軟件對規(guī)范化后的易損性因子柵格圖層疊加計算，將結果按自然斷點法進行分級，分別以1.48、2.05、2.56、3.10為界限值劃分為低、次低、中、次高、高易損區(qū)，并賦值1、2、3、4、5，得到易損區(qū)圖，結果見圖3。

從圖3可以看出，易損性次高—高的地方基本沿較平坦的河谷分布。由于流域內(nèi)多山，平坦的河谷提供了較好的居住、耕種和交通等條件，因此社會經(jīng)濟較發(fā)達，山洪造成的損失相對較大，在山洪災害防治規(guī)劃時應進行重點防護。

(3) 風險性評價。將上述標準化后危險性和易損性圖層再次采用權重疊加法進行計算，利用Arcgis空間疊加法，得到山洪災害風險性圖層，根據(jù)自然斷點法進行重分類，分別以1.59、2.39、3.00、3.80作為界限值劃分為低、次低、中、次高、高風險區(qū)，結果見圖4。

圖3 易損性區(qū)劃圖

圖4風險性區(qū)劃圖

從圖4可以看出，高風險面積占比9.7%，次高風險區(qū)占比30.3%，中風險區(qū)占比34.6%，次低風險區(qū)占比18.6%，低風險區(qū)占比6.8%。次高—高風險區(qū)主要位于人口密度較高、地勢較為低洼的河谷，次低—低風險區(qū)主要位于高程較高的山地，主要為林地，人口分布稀疏，中風險區(qū)主要分布在較為低洼的河谷與高程較高山地過渡地帶，多分布有耕地。

3.4 結果驗證

將廣東水文局2015年在該區(qū)域調查的歷史山洪災害點共計84個[16]作為驗證點。通過Arcgis將其疊加到風險區(qū)劃圖中，如圖4所示。統(tǒng)計每級風險區(qū)的歷史山洪災害點數(shù)，并計算百分比，見表3。從表3中可以看到，驗證點在次高—高危險區(qū)比例占91.7%，說明風險區(qū)劃的結果與山洪災害發(fā)生的實際情況較為吻合，證明本文的山洪災害風險區(qū)劃分具有較高的精度，可為山洪災害防治提供決策參考，并為山洪易發(fā)區(qū)居民提供風險信息。

表3 驗證點在各風險區(qū)所占比例

4 結 論

(1) 構建了曹江上游小流域山洪災害風險評價模型，得到風險區(qū)劃圖。可知次高—高風險區(qū)主要集中在沿河低洼地區(qū)，次低—低風險區(qū)主要位于地勢較高的山地，為針對性開展山洪災害防治工作提供了科學依據(jù)。

(2) 經(jīng)與該區(qū)域山洪災害發(fā)生的實際情況進行對比，證明風險區(qū)劃成果精度較高，符合當?shù)氐膶嶋H情況，研究方法可供山丘區(qū)小流域風險區(qū)劃參考。

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FlashFloodRiskAssessmentatSmallWatershedoftheUpperCaoRiverBasedonAHP&GIS

LUO Rihong1,2, HUANG Jinlin1,2, TANG Zaozao1,2

(1.GuangdongResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Guangzhou,Guangdong510610,China;2.GuangdongResearchCenterofFlashFloodDisastersPreventionEngineeringTechnology,Guangzhou,Guangdong510610,China)

In order to improve the flash flood risk management, risk assessment of flash flood at small watershed of the upper Cao River is carried out by the overlay analysis function of GIS, with four factors of maximum 6 hours rainfall, standard of the elevation, drainage density, soil types are chosen as the risk indexes; and three factors of population density, capita GDP, land use types are chosen as the vulnerability indexes, AHP method is then adopted to determine the weight of each index. The risk map shows that second-highest and highest risk zones in the upper Cao River watershed primarily distribute in the developed area with high population-density along the river. Moreover risk zonation result precision is verified by comparison with the data of historical freshet disasters, which could provide scientific basis for the risk identification of this area.

AHP;GIStechniques;smallwatershed;flashflooddisaster;riskzonation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.030

2017-07-09

2017-08-20

廣東省水利科技創(chuàng)新項目(2015-12)

羅日洪(1988—)，男，廣西蒙山人，碩士，工程師，主要從事水文、山洪災害防治等方面的研究工作。E-mail: 715821816@qq.com

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