基于GIS的洪水災(zāi)害風(fēng)險評估

肖可

摘要 基于遙感數(shù)據(jù)、格網(wǎng)化的地理背景數(shù)據(jù)以及空間化的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，利用地理信息系統(tǒng)構(gòu)建洪水災(zāi)害風(fēng)險評估模型，得出以下結(jié)論：衢州市洪水災(zāi)害致災(zāi)因子危險性等級呈現(xiàn)出自東向西環(huán)狀遞減的分布格局；孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性等級總體呈現(xiàn)出由中西部平原向周圍山區(qū)遞減的趨勢。承災(zāi)體脆弱性等級總體都處在低水平，空間分布上東部地區(qū)高于西部地區(qū)。在上述因素的綜合作用下，衢州市發(fā)生洪水災(zāi)害的風(fēng)險較高，風(fēng)險等級由東南向西北遞增。

關(guān)鍵詞 洪水災(zāi)害；風(fēng)險評估；空間分析

中圖分類號：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-3305（2018）04-004-04

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.04.002

Abstract Based on the remote sensing data， geographical background data grid handling and space of social and economic data， the flood disaster risk assessment model were built by utilizing geographic information system. The conclusions were as follows： The distribution of hazard indicator of Quzhou present from east to west annular decline. The trend of sensitivity indicator decreased from the midwest plain to the surrounding mountains. The vulnerability indicator was low in total， and in spatial， the eastern region was higher than the western region. Under the combined action of the above factors， Quzhou had a high risk of flood disaster， and the risk level increased from southeast to northwest.

KKey words Flood disaster； Risk as sessment； GIS

洪水是水流從河道或其他水體的正常范圍溢漫出來，或者水流在正常情況下向不受淹地區(qū)累積的現(xiàn)象[1]。在聯(lián)合國公布并重點關(guān)注的15種主要自然災(zāi)害中，洪水災(zāi)害是影響范圍最廣，發(fā)生次數(shù)最多，損失最為嚴(yán)重的幾種災(zāi)害之一。洪水災(zāi)害造成的損失占到全球自然災(zāi)害損失的1/5[2]。災(zāi)害風(fēng)險通常被定義為“由于自然或人為災(zāi)害與脆弱性條件之間的相互作用產(chǎn)生的例如傷亡、財產(chǎn)損失、經(jīng)濟活動中斷和環(huán)境破壞等不良后果或預(yù)期損失的概率”。從風(fēng)險結(jié)果的角度來說，風(fēng)險是損失的概率分布或者期望值。而從風(fēng)險產(chǎn)生的條件來看，風(fēng)險是致災(zāi)因子、承災(zāi)體暴露和脆弱性三者共同作用的結(jié)果，也可定義為三者的乘積[3]。此外，孕災(zāi)環(huán)境也會影響到災(zāi)害的演進(jìn)和損失及影響的形成，也應(yīng)成為災(zāi)害系統(tǒng)的一部分[3]。

近年來，在全球氣候變暖為主要特征的氣候變化背景下，極端天氣氣候事件增加，暴雨洪澇災(zāi)害發(fā)生頻率和強度呈現(xiàn)明顯上升的態(tài)勢，隨著這種威脅的持續(xù)不斷加劇，減輕暴雨洪澇災(zāi)害造成的影響和損失已成為學(xué)者們致力研究的焦點問題之一[4-7]。目前的風(fēng)險評估大多在省域或流域尺度上進(jìn)行，且各種評價方法在評估模型、指標(biāo)和方法上并未達(dá)成共識。文中根據(jù)史培軍[3]提出的災(zāi)害系統(tǒng)理論，參考蔣衛(wèi)國[8]提出的洪水災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系。對浙江省衢州市（以下稱衢州市）洪水災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行評估和區(qū)劃，以期為衢州市因地制宜進(jìn)行洪水災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

衢州市位于浙江省西部，金衢盆地西端，地處118°01′E～119°20′E，28°14′N～29°30′N之間，總面積8 844.6 km2。衢州市地處浙、贛、閩、皖四省交界處，下轄柯城區(qū)、衢江區(qū)、江山市、龍游縣、常山縣和開化縣（圖1）。研究區(qū)內(nèi)地形以平原、丘陵為主，南北兩側(cè)為山區(qū)，中部地區(qū)為平原。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量在1 500～2 300 mm之間，南北山區(qū)降水多于中部平原，西部降水多于東部。衢州市處于錢塘江上游，河網(wǎng)水系發(fā)達(dá)，主要干流有3條，分別是衢江、常山港和馬金溪，主要一級支流有12條。

因衢州市地處江淮梅雨帶，梅雨季節(jié)暴雨頻發(fā)，極易發(fā)生洪水災(zāi)害。近10年衢州市發(fā)生過2次較嚴(yán)重的洪水災(zāi)害。2011年6月中旬，暴雨引發(fā)的洪水災(zāi)害造成65萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟損失7.8億元，農(nóng)作物受災(zāi)面積3.08萬hm2。2017年6月20—24日，持續(xù)暴雨誘發(fā)洪水災(zāi)害，平均降雨量達(dá)151 mm，最大站點開化縣桐村鎮(zhèn)花山村達(dá)246 mm，境內(nèi)各縣均受災(zāi)嚴(yán)重。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)洪水災(zāi)害風(fēng)險評估原理、指標(biāo)選取原則、評價方法， 參考蔣衛(wèi)國等[8]建立的洪水災(zāi)害風(fēng)險指標(biāo)體系，文中建立了衢州市洪水災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系（圖2）：洪水災(zāi)害的致災(zāi)因子主要是降雨，選擇累年年最大日降水量、暴雨次數(shù)等2個指標(biāo)；孕災(zāi)環(huán)境主要選擇植被覆蓋、河網(wǎng)密度、高程標(biāo)準(zhǔn)差3個指標(biāo)；承災(zāi)體的脆弱性性指標(biāo)選用單位面積人均GDP產(chǎn)值、單位面積總?cè)丝跀?shù)2個指標(biāo)。

累年年最大日降水量、累年年最大降水量≥50 mm日數(shù)數(shù)據(jù)來源于中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心；基于DEM提取的河流空間分布、NDVI指數(shù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心；浙江省DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云；人口空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)、GDP空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

2.2 研究方法

2.2.1 災(zāi)害風(fēng)險評估模型 采用史培軍提出的災(zāi)害風(fēng)險評估模型分析洪水災(zāi)害風(fēng)險，評估公式如下：

式（1）中，R為洪水災(zāi)害風(fēng)險，H為洪水災(zāi)害致災(zāi)因子危險性，S為洪水災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性，V為承災(zāi)體脆弱性。在該模型中，右邊所有因子均具有空間特征，GIS 的空間分析、地圖代數(shù)運算能力將很好地實現(xiàn)諸多因子的綜合和空間表達(dá)。

2.2.2 層次分析法 層次分析法（AHP）是美國運籌學(xué)家Saaty 教授于 20世紀(jì) 70年代初期提出的一種原理簡單、有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)依據(jù)、靈活而又實用的多準(zhǔn)則決策方法。它是定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的多目標(biāo)決策方法，并能將數(shù)據(jù)、專家意見和分析者的客觀判斷直接而有效地結(jié)合起來，就每一層次的相對重要性給予定量表示，然后利用數(shù)學(xué)方法確定表達(dá)每一層次全部元素的相對重要性次序的權(quán)值，通過排序結(jié)果分析，求解所提出的問題。它把一個復(fù)雜問題分解成組成因素，并按支配關(guān)系形成層次結(jié)構(gòu)，然后應(yīng)用兩兩比較的方法確定決策方案的相對重要性。大體上可按下面4個步驟進(jìn)行：①建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型，②構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣，③層次單排序及一致性檢驗，④層次總排序及一致性檢驗。

采用層次分析法得到的指標(biāo)權(quán)重分別為：降水強度（0.360）、暴雨次數(shù)（0.180）、植被覆蓋（0.049）、河網(wǎng)密度（0.016）、高程標(biāo)準(zhǔn)差（0.088）、單位面積總?cè)丝跀?shù)（0.109）、單位面積GDP產(chǎn)值（0.065）。

2.3.3 標(biāo)準(zhǔn)化處理 由于數(shù)據(jù)單位不統(tǒng)一，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，至于范圍在0.1～0.9之間，具體方法如下式：

（2）式、（3）式中，α 為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，I 是原始系列數(shù)據(jù)，Imax 和Imin分別為其最大值和最小值，式（2）適用于數(shù)值越大，越易形成高風(fēng)險的數(shù)據(jù)項，式（3）適用于數(shù)值越大，越難形成高風(fēng)險的數(shù)據(jù)項。

3 結(jié)果與分析

3.1 洪水災(zāi)害致災(zāi)因子危險性

衢州市洪水災(zāi)害的誘發(fā)因素是暴雨，收集衢州市境內(nèi)的氣象站點以及周邊江西省、安徽省、浙江省其他市共21個氣象站點數(shù)據(jù)，用1981—2010累年最大日降水量作為降雨強度指標(biāo)，用1981—2010累年最大降水量≥50 mm日數(shù)作為暴雨次數(shù)指標(biāo)。在Arcmap中對降水量數(shù)據(jù)采用樣條插值法（Spline）進(jìn)行處理，對暴雨次數(shù)數(shù)據(jù)采用克里金插值法（Kriging）進(jìn)行處理。按照權(quán)重疊加圖層，將致災(zāi)危險性指數(shù)劃分為高、較高、中、較低、低5個等級，得到衢州市洪水災(zāi)害致災(zāi)因子危險性空間分布圖（圖3）。

在降水的驅(qū)動下，衢州市致災(zāi)因子危險性等級呈現(xiàn)出自東向西環(huán)狀遞減的分布格局（表1）。高危險性地區(qū)的面積占比小（8.55%），集中分布在開化縣西部。低危險性（33.99%）和較低危險性地區(qū)（32.94%）的面積占比大，主要分布在龍游縣、衢州市市轄區(qū)、衢江區(qū)、常山縣東南部以及江山市北部。

3.2 洪水災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性

根據(jù)前文分析的衢州市洪水災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性構(gòu)成要素，采用高程標(biāo)準(zhǔn)差、河網(wǎng)密度、植被覆蓋度3個指標(biāo)反應(yīng)孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性。孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性等級與河網(wǎng)密度成正相關(guān)，與植被覆蓋度和高程標(biāo)準(zhǔn)差呈負(fù)相關(guān)。將浙江省DEM數(shù)據(jù)、水系數(shù)據(jù)以及NDVI指數(shù)導(dǎo)入Arcmap，使用焦點流（Focal Statistics）工具生成高程標(biāo)準(zhǔn)差，使用線密度（Line Density）工具計算河網(wǎng)密度。將3個圖層按照相應(yīng)權(quán)重疊加，得到浙江省洪水災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性空間分布圖，從中截取衢州市區(qū)域（圖4）。

受河網(wǎng)密度、高程標(biāo)準(zhǔn)差和植被覆蓋度的影響，衢州市洪水災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性等級總體呈現(xiàn)出由中西部平原向周圍山區(qū)遞減的趨勢。對孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性等級面積進(jìn)行統(tǒng)計（表2）發(fā)現(xiàn)，等級為低和較低的區(qū)域面積最大，兩者的比重相加超過50%，主要分布在南北兩側(cè)的山區(qū)。這些地區(qū)海拔相較于中部平原較高，地勢變化大，植被覆蓋度高，因此不利于洪水的形成。穩(wěn)定性等級為高的地區(qū)面積占比最?。?.04%），主要集中在龍游縣、衢州市市轄區(qū)和衢江區(qū)東部，該區(qū)域地處金衢盆地腹地，地勢低平，河網(wǎng)密布，植被覆蓋度較小，因此容易發(fā)生洪水災(zāi)害。

3.3 洪水災(zāi)害承災(zāi)體脆弱性

承災(zāi)體脆弱性一般采用社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)表示。使用浙江省單位面積人口總數(shù)和單位面積GDP作為本次評估的指標(biāo)。在Arcmap中按照相應(yīng)權(quán)重疊加運算，得到分辨率為1 km浙江省洪水災(zāi)害承載體脆弱性空間分布圖，從中截取出衢州市范圍（圖5）。

從圖5可以看出，衢州市承災(zāi)體脆弱性等級總體都處在低水平，空間分布上東部地區(qū)高于西部地區(qū)，衢州市市轄區(qū)的脆弱性等級最高。脆弱性等級較高的區(qū)域集中分布在人口集中，GDP較高的城鎮(zhèn)地區(qū)。對不同等級區(qū)域面積的統(tǒng)計結(jié)果（表3）顯示，承災(zāi)體脆弱性等級為低的區(qū)域面積最大，占比85.08%，承災(zāi)體脆弱性等級為高的區(qū)域面積最小，僅占1.18%。反映出與浙江省其他地區(qū)相比，衢州市經(jīng)濟水平較低，人口數(shù)量較少。

3.4 洪水災(zāi)害風(fēng)險

在洪水災(zāi)害致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性和承災(zāi)體脆弱性等級劃分的基礎(chǔ)上，對衢州市洪澇災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行計算，得到基于柵格單元和行政區(qū)劃單元的衢州市洪澇災(zāi)害綜合風(fēng)險評價圖（圖6、圖7）。

結(jié)合圖6和表4可知，衢州市發(fā)生洪水災(zāi)害的風(fēng)險較高，風(fēng)險等級由東南向西北遞增。風(fēng)險等級為中等以上的面積為3 380.4 km2，占總面積的38.23%。其中高風(fēng)險區(qū)域面積1 575.68 km2， 占總面積的17.82%，集中分布在開化縣中西部地區(qū)，這一地區(qū)降水量較大，容易在暴雨的誘發(fā)下形成洪水災(zāi)害，此外，江山市最南端的山區(qū)、金衢盆地內(nèi)的衢江沿岸也有小面積分布。較高風(fēng)險區(qū)域面積1 804.72 km2，占總面積的20.40%，主要分布在金衢盆地西部、開化縣東部和南部地區(qū)、常山縣城區(qū)，金衢盆地內(nèi)部地形平坦、河網(wǎng)密集，同時也是衢州市經(jīng)濟較為發(fā)達(dá)、人口最為密集的地區(qū)，有較高的承災(zāi)體脆弱性等級和孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性等級。中等以下的地區(qū)面積為2 765.66%，占總面積的31.27%，沿著仙霞嶺山脈分布于金衢盆地西南側(cè)，該區(qū)域海拔較高，高程標(biāo)準(zhǔn)差大，植被覆蓋情況較好，因此不利于洪水的暴發(fā)。

從洪水災(zāi)害風(fēng)險等級的行政區(qū)劃（圖7）上看，衢州市洪水災(zāi)害風(fēng)險等級總體上呈現(xiàn)出西部高于東部，北部高于南部的分布特征。高風(fēng)險的行政單元有開化縣，較高風(fēng)險的行政行政單元有衢州市市轄區(qū)，中等風(fēng)險等級的行政單元為常山縣，較低風(fēng)險等級的行政單元包括衢江區(qū)和龍游縣，低風(fēng)險等級的行政單元為江山市。

4 結(jié)論與討論

該次研究基于遙感數(shù)據(jù)、格網(wǎng)化的地理背景數(shù)據(jù)以及空間化的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，利用地理信息系統(tǒng)[10]，從致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性和承災(zāi)體脆弱性3方面出發(fā)，構(gòu)建洪水災(zāi)害綜合風(fēng)險評估模型，對衢州市洪水災(zāi)害進(jìn)行評估，得出以下結(jié)論：衢州市致災(zāi)因子危險性等級呈現(xiàn)出自東向西環(huán)狀遞減的分布格局。高危險性地區(qū)集中分布在開化縣西部。低危險性和較低危險性地區(qū)的主要分布在龍游縣、衢州市市轄區(qū)、衢江區(qū)、常山縣東南部以及江山市北部；孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性等級總體呈現(xiàn)出由中西部平原向周圍山區(qū)遞減的趨勢，等級為中等以下區(qū)域面積最大，主要分布在南北兩側(cè)的山區(qū)，等級為高的地區(qū)面積占比最小，主要集中在龍游縣、衢州市市轄區(qū)和衢江區(qū)東部。承災(zāi)體脆弱性等級總體都處在低水平，空間分布上東部地區(qū)高于西部地區(qū)，等級較高的區(qū)域集中分布在人口集中，GDP較高的城鎮(zhèn)地區(qū)。在上述因素的綜合作用下，衢州市發(fā)生洪水災(zāi)害的風(fēng)險較高，風(fēng)險等級由東南向西北遞增。

將圖6與曹羅丹等[10]對浙江省尺度上的洪水災(zāi)害風(fēng)險分布格局研究比較，結(jié)果顯示，衢州市東部地區(qū)洪水災(zāi)害風(fēng)險等級分布與浙江省的評估結(jié)果較為一致，但西部地區(qū)的評估結(jié)果有一定的差別。文中的評估顯示，衢州市洪水災(zāi)害風(fēng)險等級最高的地區(qū)分布在開化縣，曹羅丹等[8]對浙江省洪水災(zāi)害風(fēng)險的評估結(jié)果中，衢州市洪水災(zāi)害風(fēng)險等級最高的地區(qū)為衢州市轄區(qū)。產(chǎn)生區(qū)別的原因主要受致災(zāi)因子危險性分布的影響，在選取降水?dāng)?shù)據(jù)時，考慮到衢州市地處浙、皖、贛、閩、四省交界處的特殊地理位置，文中還加入了離衢州市較近，位于江西省、安徽省境內(nèi)氣象站點的數(shù)據(jù)，而曹羅丹等[8]的研究采用的是浙江省境內(nèi)的氣象站點數(shù)據(jù)。

需要指出的是，洪水災(zāi)害的形成是多種因素共同作用的結(jié)果，本文在指標(biāo)選取上并未考慮徑流量、洪峰流量等過程數(shù)據(jù)以及表示承災(zāi)體脆弱性的耕地面積和居民點數(shù)據(jù)。另外，GDP數(shù)據(jù)和人口數(shù)據(jù)年份為2010年，與當(dāng)前狀況可能存在差異。同時，為提高評價結(jié)果的精確度，可以進(jìn)一步細(xì)化評價單元，提高匹配程度。

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責(zé)任編輯：劉赟