基于多情景的巫山縣山洪災(zāi)害危險評價

林孝松, 崔夢瑞, 牟鳳云, 余 情, 徐 州

(1.重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 重慶 400074; 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400074)

山洪災(zāi)害是山丘區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展面臨的突出問題，每年均會造成重大人員傷亡和巨大財產(chǎn)損失。由于我國山丘區(qū)山洪孕災(zāi)、致災(zāi)因子復(fù)雜多變，空間異質(zhì)性強，山洪形成機理不確定性顯著，人類活動不利影響加劇，山丘區(qū)建設(shè)與發(fā)展將長期面臨緊迫的山洪災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)重任。當(dāng)前國內(nèi)外科技工作者在山洪災(zāi)害孕災(zāi)致災(zāi)、風(fēng)險評估以及災(zāi)害預(yù)警等方面取得了較豐碩成果。Garambois等[1]基于面向過程水文模型對降雨觸發(fā)山洪進行了深入研究；杜俊等[2]分析基本因子和一般因子對不同類型山洪災(zāi)害的影響程度；蔡維英等[3]基于分布式中小流域山洪災(zāi)害模擬模型分析了各因素對山洪形成影響；Azmeri等[4]對印度尼西亞典型山區(qū)小流域山洪災(zāi)害進行危險區(qū)識別研究；林孝松等[5]對跳石鎮(zhèn)山洪災(zāi)害危險進行了綜合分區(qū)；Zhang等[6]對中國霞浦流域進行山洪風(fēng)險制圖研究；黃國如等[7]對瑤安小流域山洪災(zāi)害進行風(fēng)險評估；岳琦等[8]完成了閩江上游山洪災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃；趙瑜等[9]對黑龍江省各區(qū)縣山洪災(zāi)害風(fēng)險進行等級區(qū)劃；劉少軍等[10]應(yīng)用DEA模型對海南島山洪災(zāi)害危險性大小進行排序，根據(jù)成災(zāi)效率進行山洪災(zāi)害危險性的等級劃分；葉金印等[11]提出采用降雨徑流相關(guān)法進行產(chǎn)流計算，采用Nash匯流模型進行匯流計算的山洪預(yù)警方法。當(dāng)前以及將來全球氣候變化將使高強度降雨發(fā)生頻率、強度和區(qū)域分布變得更加復(fù)雜，所造成的山洪災(zāi)害也將更為嚴(yán)重。

以重慶市巫山縣山洪災(zāi)害為研究對象，針對山區(qū)縣域山洪災(zāi)害形成特點及尺度差異，構(gòu)建由微地貌類型、地形坡位、地形指數(shù)、土地利用綜合程度和地表匯流累積量等組成的山洪災(zāi)害靜態(tài)、動態(tài)危險評價指標(biāo)；在GIS軟件支持下，獲取研究區(qū)各危險評價靜態(tài)指標(biāo)30 m分辨率數(shù)據(jù)，同時按照48 h降雨量為50，100，150，200，250 mm這5種強度值，考慮不同土地利用和土壤類型的下滲和產(chǎn)水特性，模擬獲取研究區(qū)地表匯流累積量；采用綜合指數(shù)法計算得到各網(wǎng)格單元山洪災(zāi)害危險綜合指數(shù)并進行綜合分區(qū)；利用GIS區(qū)域匯總功能，將網(wǎng)格評價結(jié)果平均匯總到巫山縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)和行政村，以利于各行政管理部門應(yīng)急響應(yīng)和實際應(yīng)用。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

巫山縣位于重慶市東北部，地處三峽庫區(qū)腹心，位于東經(jīng)109°33′—110°11′，北緯30°45′—23°28′，幅員面積2 958 km2，全縣轄25個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和9個林、農(nóng)場，2016年末常住人口45.55萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值101.79億元。地形以深谷、中山和低山為主，海拔高度為75～2 690 m(圖1)。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，常年降水量1 041～1 600 mm，最大月降雨量達300 mm。2014年8月30日—9月2日，巫山縣普降暴雨，最大降雨量達384.6 mm，高強度降雨導(dǎo)致山洪暴發(fā)，95 616人受災(zāi)，793間房屋倒塌，6 187 hm2農(nóng)作物受災(zāi)，36處道路中斷，直接經(jīng)濟損失超過2.4億元。1978—2016年巫山縣歷史山洪災(zāi)害點共770處(圖2)。

圖1 巫山縣數(shù)字高程模型

1.2 研究數(shù)據(jù)

研究所采用的數(shù)據(jù)主要包括巫山縣2015年土地利用類型圖、巫山縣1∶5萬30 m分辨率數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、巫山縣土壤類型圖、包含有鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)和行政村(居委會)的2015年行政區(qū)劃圖、巫山縣歷史山洪災(zāi)害點數(shù)據(jù)、2017年巫山縣統(tǒng)計年鑒等。

2 評價指標(biāo)與數(shù)據(jù)獲取

2.1 評價指標(biāo)選取

國內(nèi)外相關(guān)研究者針對不同的研究尺度，選用不同的評價指標(biāo)開展山洪災(zāi)害危險評價。在大尺度方面，岳琦等[8]選用多年降水均值、高程、坡度、土壤類型、糙率、穩(wěn)定下滲率、最長匯流路徑長度、最長匯流路徑比降、植被覆蓋度9個指標(biāo)，進行了閩江上游山洪災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃；劉少軍等[10]選用地形因子、水系因子、暴雨日指數(shù)、滑坡和泥石流密度、綜合災(zāi)度作為海南島山洪災(zāi)害危險性評價指標(biāo)；唐川等[12]采用地形坡度、暴雨天數(shù)、河網(wǎng)緩沖區(qū)、標(biāo)準(zhǔn)面積洪峰流量、泥石流分布密度和綜合災(zāi)度6個指標(biāo)，完成了紅河流域山洪災(zāi)害危險評價圖；杜俊等[13]選用暴雨綜合指標(biāo)、地形起伏度、土地利用產(chǎn)匯流能力、巖性軟硬程度4個指標(biāo)對長江流域山洪災(zāi)害危險進行評估。在小尺度方面，黃國如等[7]選用最大3 d降雨、高程、坡度、土壤類型等危險指標(biāo)對瑤安小流域山洪災(zāi)害進行風(fēng)險評估；高展等[14]采用不同等級降水量及頻次、高程、高程標(biāo)準(zhǔn)差等指標(biāo)對黃山風(fēng)景區(qū)暴雨山洪災(zāi)害進行風(fēng)險區(qū)劃研究；左倩云等[15]采用年均降雨量、地形坡度、起伏度、植被覆蓋度、路網(wǎng)密度、居民點密度、歷史災(zāi)害點密度、匯流累積量、暴雨強度、河網(wǎng)密度10個指標(biāo)對接龍鎮(zhèn)山洪災(zāi)害危險進行綜合評價。

圖2 巫山縣山洪災(zāi)害點分布

綜合上述研究來看，基本上是從氣象、地形地貌、水文、人類活動、歷史災(zāi)害情況等方面遴選相關(guān)指標(biāo)進行山洪災(zāi)害的危險評價，不足之處在于所有指標(biāo)均是靜態(tài)的歷史性數(shù)據(jù)，未考慮降雨尤其是暴雨這一指標(biāo)的動態(tài)性對山洪災(zāi)害形成的影響。論文根據(jù)巫山縣山地丘陵地形特點以及研究區(qū)尺度差異特征，從地形地貌、水動力條件、人類活動強度等方面選用微地貌類型、地形坡位、地形指數(shù)、土地利用綜合程度等作為山洪危險評價的靜態(tài)指標(biāo)，從不同降雨強度下洪水匯集差異角度選用地表匯流累積量作為山洪危險評價的動態(tài)指標(biāo)。

2.2 微地貌類型與地形坡位

利用研究區(qū)30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)，采用地形坡位指數(shù)(Topographic Position Index，TPI)法[16]可獲取巫山縣微地貌類型和地形坡位類型數(shù)據(jù)。首先，利用巫山縣30 m×30 m柵格DEM數(shù)據(jù)，采用90 m×90 m尺度矩形鄰域計算得到巫山縣TPI指數(shù)；然后，按照Weiss劃分標(biāo)準(zhǔn)，采用90 m×90 m和330 m×330 m尺度矩形鄰域提取到巫山縣10種微地貌類型(圖3)；最后，采用標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)方法對TPI值進行分等，并結(jié)合坡度值大小(表1)劃分得到巫山縣地形坡位類型(圖4)。

圖3 巫山縣微地貌類型分布局部示意圖

圖4 巫山縣地形坡位分布局部示意圖

地形坡位山谷谷地山坡下部平緩坡地陡峻坡地山坡上部山脊TPI標(biāo)準(zhǔn)偏差值≤-1(-1,-0.5](-0.5,0.5](-0.5,0.5](0.5,1]>1坡度——≤5°>5°——

2.3 地形指數(shù)

地形指數(shù)(Topographic Index，TI)是綜合考慮區(qū)域地形坡度和流域水文特性的一個綜合指標(biāo)。其空間分布可用于確定土壤飽和缺水量的空間分布情況以及產(chǎn)流區(qū)空間位置和范圍。計算公式為：

TI=ln(α/tanβ)

(1)

式中：TI為地形指數(shù)；α為匯流面積；β為坡度。

地形指數(shù)TI值越大，則表征土壤越容易達到飽和而產(chǎn)流，從而有利于發(fā)生山洪災(zāi)害。故可利用該值作為暴雨后地表產(chǎn)流并由此引發(fā)山洪的綜合評價指標(biāo)。首先利用巫山縣DEM數(shù)據(jù)得到其坡度圖；然后利用GIS水文分析功能得到巫山縣各網(wǎng)格坡面匯流面積；最后基于公式(1)利用柵格計算器可得到巫山縣地形指數(shù)分布數(shù)據(jù)。

2.4 土地利用綜合程度

不同強度的人類活動直接或間接影響山洪災(zāi)害的形成或強度大小。人類活動對地表形態(tài)造成一定的破壞作用，減弱對雨水的滲透和截留作用，土地利用程度不同其對地表破壞程度也會有所差異。由此可用土地利用綜合程度來表征人類活動強度大小以及其對山洪災(zāi)害形成的影響。按照人類利用程度的大小差異，將城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通用地等界定為高度利用等級，耕地、園地為中度利用等級，林地、草地、水域及水利設(shè)施用地為低度利用等級，其他用地為未利用等級。將巫山縣土地利用類型矢量數(shù)據(jù)按照利用等級標(biāo)準(zhǔn)進行柵格轉(zhuǎn)化即可得到研究區(qū)土地利用綜合程度柵格數(shù)據(jù)。

2.5 地表匯流累積量

結(jié)合巫山縣夏半年多年平均降雨情況，按照48 h降雨量50，100，150，200，250 mm這5種降雨強度模擬計算地表匯流累積量。首先基于研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS水文分析功能進行洼地填充、水流方向計算、匯流累積量(柵格數(shù))模擬；然后根據(jù)巫山縣2015年各土地利用類型(圖5)和土壤類型(圖6)的下滲與產(chǎn)水特性，按照表2中系數(shù)賦予各土地利用類型和土壤類型相應(yīng)的徑流系數(shù)值，并將兩個圖層進行相乘疊加得到巫山縣各柵格單元徑流系數(shù)；最后按照5種降雨強度值，基于以網(wǎng)格數(shù)量為單位的匯流累積量圖層，通過單位換算得到以m3為單位的地表匯流累積量，并以巫山縣徑流系數(shù)分布柵格數(shù)據(jù)為權(quán)重進行修正，最終得到不同降雨強度下巫山縣地表匯流累積量模擬分布數(shù)據(jù)。從模擬結(jié)果來看，隨著降雨量的增大，研究區(qū)各個網(wǎng)格單元地表匯流累積量均有不同程度增多。

圖5 巫山縣土地利用類型

圖6 巫山縣土壤類型

土地利用類型徑流系數(shù)值土地利用類型徑流系數(shù)值土地利用類型徑流系數(shù)值土壤類型徑流系數(shù)值建制鎮(zhèn)1果園0.60坑塘水面1紫色土0.88村莊0.99茶園0.65水工建筑用地1黃棕壤0.90采礦用地0.99其他園地0.70水庫水面1黃壤0.91風(fēng)景名勝及特殊用地0.96有林地0.45河流水面1潮土0.92公路用地1灌木林地0.55裸地0.90石灰?guī)r土0.94水田0.95其他林地0.60設(shè)施農(nóng)用地0.95裸巖0.95灌溉水田0.90其他草地0.70沙地0.65水稻土0.96旱地0.75內(nèi)陸灘涂0.95

3 結(jié)果與分析

巫山縣山洪災(zāi)害危險評價5個指標(biāo)中，微地貌類型、地形坡位、土地利用綜合程度為定性指標(biāo)，地形指數(shù)和地表匯流累積量為定量指標(biāo)。為進行綜合量化評價，將研究區(qū)山洪災(zāi)害危險等級劃分為高、中、低危險和基本安全4個級別，并依據(jù)表3標(biāo)準(zhǔn)對各指標(biāo)進行分等級標(biāo)準(zhǔn)化賦值處理。

表3 巫山縣山洪災(zāi)害危險評價指標(biāo)量化表

采用層次分析法對評價指標(biāo)權(quán)重進行計算，得到微地貌類型、地形坡位、地形指數(shù)、土地利用綜合程度和地表匯流累積量的權(quán)重值依次為0.178 5，0.111 0，0.290 7，0.075 1，0.344 7。

基于評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)量化柵格數(shù)據(jù)，利用柵格計算器功能計算得到不同降雨強度下巫山縣山洪災(zāi)害危險指數(shù)綜合值(表4)，并按照閾值1.2，1.8，2.4進行等級劃分(圖7—8)；最后利用區(qū)域匯總功能可得到不同降雨強度下巫山縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)和各行政村的平均危險評價值，其中巫山縣48 h降雨量為250 mm時各鄉(xiāng)鎮(zhèn)和各行政村的危險評價結(jié)果如圖9—10所示。

表4 不同降雨強度下巫山縣山洪災(zāi)害危險評價

由表4可知，巫山縣山洪災(zāi)害以低危險和中危險為主，分別占總面積的43.4%和31.0%，而中危險和高危險面積占總面積的39%。在48 h內(nèi)，降雨量由50 mm增加到250 mm的情況下，基本安全區(qū)面積基本不變，僅減少0.412 0 km2；低危險區(qū)面積稍有降低，降低了2.890 3 km2；中危險區(qū)面積變化較明顯，減少了10.425 1 km2；而高危險區(qū)面積增加較顯著，面積增加了13.727 5 km2。由此可預(yù)見，在降雨量不斷增加的情況下，巫山縣山洪災(zāi)害高危險區(qū)的面積在不斷增加，防治任務(wù)加劇。

從巫山縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)山洪災(zāi)害危險評價結(jié)果來看(圖9)，34個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(林、農(nóng)場)各危險等級面積占各自面積的比重分別為10.91%～27.87%(基本安全)，27.87%～52.64%(低危險)，25.47%～35.25%(中危險)和5.38%～10.32%(高危險)；中、高危險兩者總和比例超過40%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有鄧家、抱龍、金坪、龍溪、平河、竹賢、廟堂、當(dāng)陽、巫峽和官陽10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。此外，按照自然斷點分類法將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)危險綜合值分為4個等級，危險指數(shù)最高的第四等級鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要集中在研究區(qū)的南部和西部，共11個；而危險等級較低的第一和第二等級主要為研究區(qū)內(nèi)植被相對較好的林農(nóng)場。

圖7 巫山縣山洪災(zāi)害危險評價局部示意圖(降雨量50 mm)

從巫山縣各行政村山洪災(zāi)害危險分布來看(圖10)，巫山縣316個行政村(居委會)中，危險指數(shù)值大于1.80的有23個，1.71～1.80的有148個，1.61～1.70的有140個，小于1.60的有5個，同時各行政村山洪災(zāi)害危險評價結(jié)果與歷史災(zāi)害分布情況吻合相對較好。

圖9 巫山縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)山洪災(zāi)害危險評價

圖10 巫山縣各行政村山洪災(zāi)害危險評價

4 討論與結(jié)論

(1) 在對各評價指標(biāo)進行分級賦值量化的基礎(chǔ)上，采用多因素綜合指數(shù)法計算得到各評價單元山洪災(zāi)害危險綜合指數(shù)值并據(jù)此將山洪災(zāi)害危險劃分為高危險、中危險、低危險和基本安全4個等級；從總體來看，巫山縣山洪災(zāi)害以低、中危險為主，占比分別為43.4%和31.0%，而中、高危險面積占比為39%。

(2) 在研究區(qū)48 h降雨量由50 mm增加到250 mm的情況下，基本安全區(qū)面積基本不變，低危險區(qū)面積稍有降低，中危險區(qū)面積變化較明顯，面積減少10.425 1 km2，而高危險區(qū)面積則增加較顯著，面積增加13.727 5 km2。由此可見，采用動態(tài)的地表匯流累積量既可進行動態(tài)評價，也可進一步開展不同降雨強度下的山洪災(zāi)害空間預(yù)警研究。

(3) 從各鄉(xiāng)鎮(zhèn)山洪評價結(jié)果來看，中、高危險兩者總和比例超過40%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)達10個，且危險指數(shù)值相對較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要集中在研究區(qū)的南部和西部；從各行政村山洪危險分布來看，危險指數(shù)值大于1.7的行政村占總數(shù)的54.11%，且評價結(jié)果與歷史災(zāi)害分布情況吻合相對較好，可為研究區(qū)山洪災(zāi)害防治提供借鑒。

論文研究成果可為巫山縣山洪災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)，但也存在以下需要進一步研究之處。

首先，地表匯流累積量指標(biāo)的賦值量化問題。將地表匯流累積量由通常的網(wǎng)格數(shù)或面積變?yōu)榫唧w匯水量，可以模擬不同降雨條件下的地表匯流情況，并由此進行山洪災(zāi)害危險的動態(tài)評價。但在對該指標(biāo)進行分級賦值時是按照研究區(qū)河流整體特征確定的固定數(shù)額，未充分考慮河流上下游間河道寬度的差異，故按照此分級標(biāo)準(zhǔn)會使得對上游的評價結(jié)果偏輕，而對下游地區(qū)的評價會相應(yīng)偏重，使得評價結(jié)果與實際情況存在一定偏差。

其次，地表匯流累積量的精確性問題。在進行不同降雨強度下地表匯流累積量的模擬時，充分考慮了不同地表下墊面尤其是不同土地利用類型和土壤類型對洪水形成的差異影響，但在確定各土地和土壤類型的徑流系數(shù)時主要借鑒專家經(jīng)驗和少量試驗參數(shù)確定，其結(jié)果也會與實際情況存在一定誤差。

再次，山洪災(zāi)害形成關(guān)鍵指標(biāo)作用的均化問題。山洪災(zāi)害的形成受各種因素的綜合影響，是一個復(fù)雜的綜合過程。雖然在進行危險評價時盡量選擇綜合性和關(guān)鍵性指標(biāo)，但采用綜合指數(shù)方法通過線性組合計算山洪災(zāi)害危險指數(shù)值，在一定程度上平滑了部分關(guān)鍵性指標(biāo)所起的主要作用。