基于GIS的山丹縣氣象災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究

楊易誠

摘要? 利用山丹歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)、氣象資料和GIS系統(tǒng)，根據(jù)氣象災(zāi)害風(fēng)險評估方法和原理，綜合考慮致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體和防災(zāi)減災(zāi)能力，確立了山丹縣干旱、暴雨、大風(fēng)、低溫凍害等12種氣象災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃，提出了氣象災(zāi)害防御區(qū)分區(qū)，對提升氣象防災(zāi)減災(zāi)綜合能力和應(yīng)對氣候變化能力，最大限度地減少氣象災(zāi)害造成的損失具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞 氣象災(zāi)害;GIS;風(fēng)險區(qū)劃

中圖分類號：P429 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-3305（2019）01-032-05

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.01.013

Study on Risk Zoning of Meteorological Disaster Based on GIS in Shandan County

YANG Yi-cheng（Linze County Meteorological Bureau， Linze， Gansu 743200）

Abstract Using the historical disaster data and meteorological data in Shandan and GIS system， according to the meteorological disaster risk assessment method and principle， considering the disaster-causing factors， the environment pregnant with disasters， hazard bearing body and disaster prevention and mitigation capacity， 12 kinds of meteorological disaster risk zones such as drought， rainstorm， strong wind， low temperature and freezing injury were established， and the protection zones for meteorological disasters were put forward， in order to improve the comprehensive ability of meteorological disaster prevention and mitigation and the ability to cope with climate change， and minimize the losses caused by meteorological disasters.

Key words? ?Meteorological disaster; GIS; Risk zoning

氣象災(zāi)害風(fēng)險是指氣象災(zāi)害發(fā)生及其給人類社會造成損失的可能性。氣象災(zāi)害風(fēng)險既具有自然屬性，也具有社會屬性，無論自然變異還是人類活動都可能導(dǎo)致氣象災(zāi)害發(fā)生。20世紀(jì)30年代，美國開創(chuàng)了氣象災(zāi)害風(fēng)險評估的先河，并對洪水災(zāi)害風(fēng)險分析的理論和方法進行了初步探討[1]。我國氣象災(zāi)害評估工作始于20世紀(jì)50年代，最開始用于洪澇、干旱等主要災(zāi)種;20世紀(jì)90年代后臺風(fēng)、風(fēng)暴潮、冰雹等在內(nèi)的氣象災(zāi)害評估工作及研究在全國范圍內(nèi)大規(guī)模展開;近幾年氣象災(zāi)害頻發(fā)，國家有關(guān)部門意識到氣象災(zāi)害評估工作必須提升到災(zāi)害防御的核心位置上來，大力開展了沿海、丘陵、西北黃土等區(qū)域的氣象災(zāi)害評估工作。

山丹縣土地資源豐富，為發(fā)展農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)提供了良好條件，荒地資源豐富，面積達6.3萬hm2，若有水灌溉，發(fā)展?jié)摿艽?。?jù)統(tǒng)計，氣象災(zāi)害占山丹縣自然災(zāi)害的80%以上，每年因氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失占當(dāng)年GDP的1%～3%，對山丹縣經(jīng)濟社會發(fā)展、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民群眾生命財產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境等造成較大影響，并且全球氣候變暖使各類極端天氣事件變得更為頻繁，氣象災(zāi)害的強度和影響程度不斷加重。

1 山丹地理氣候概況和經(jīng)濟概況

山丹縣位于甘肅省西北部河西走廊中段，地處100°41′～101°42′E， 37°50′～39°03′N，東靠永昌縣，西鄰民樂縣，西北與甘州區(qū)接壤，東南與肅南裕固族自治縣皇城區(qū)相連，南以祁連山冷龍嶺與青海省為界，北過龍首山與內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善右旗相望。山丹縣北部區(qū)為荒漠戈壁，熱量充足但水資源缺乏，自然生態(tài)環(huán)境比較惡劣，植被多為荒漠沙生植物，土壤沙化嚴(yán)重;中部是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要種植區(qū)域，耕地集中連片，農(nóng)田水利條件比較優(yōu)越，光熱資源豐富，土地利用率高，人口密集，是小麥的主要產(chǎn)區(qū);南部區(qū)地形高低不平，坡大溝深，耕地主要以山旱地為主，間有草地，植被覆蓋率高，熱量不足，無霜期短，自然災(zāi)害頻繁（圖1）。

根據(jù)2010年《山丹統(tǒng)計年鑒》統(tǒng)計，2010年年末，山丹縣戶籍人口20.952 7萬人，人口密度為30人/km2;全縣實現(xiàn)國民生產(chǎn)總值27.5億元，人均13 892元;城鎮(zhèn)居民人均可支配收入10 006元，農(nóng)村居民人均純收入5 405元;實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增加值4.98億元，糧食種植面積2.606萬hm2，油料種植面積0.574萬hm2，其他作物種植面積0.7萬hm2。

2 數(shù)據(jù)來源以及數(shù)據(jù)處理

用于建立氣象災(zāi)害風(fēng)險評估模型的資料主要包括：①基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)：山丹縣1∶50 000分辨率的DEM數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃圖、水系湖泊圖、土地利用分布圖。②氣象數(shù)據(jù)：山丹縣1971—2011年常規(guī)氣象站和2005—2011年區(qū)域自動站觀測資料。③歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)：山丹縣1971—2011年直接經(jīng)濟損失、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失、受災(zāi)人口、受災(zāi)面積等歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)。④社會數(shù)據(jù)：山丹縣2010年統(tǒng)計年鑒資料，包括土地面積、人口密度、人均GDP等。

對所用數(shù)據(jù)進行了嚴(yán)格的質(zhì)量檢測和篩選，研究過程中數(shù)據(jù)工具包括社會科學(xué)統(tǒng)計軟件SPSS、數(shù)據(jù)庫軟件Access和地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS9.2。

3 氣象災(zāi)害風(fēng)險區(qū)評估原理和方法

氣象災(zāi)害風(fēng)險是指氣象災(zāi)害發(fā)生及其給人類社會造成損失的可能性。根據(jù)區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)理論，災(zāi)害系統(tǒng)主要由致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體共同組成。在氣象災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃中，危險性是前提，易損性是基礎(chǔ)，風(fēng)險性是結(jié)果。其中，氣象災(zāi)害危險性是自然屬性，承災(zāi)體潛在易損性是社會屬性。氣象災(zāi)害風(fēng)險性可以表達為：

氣象災(zāi)害風(fēng)險[2]=F（致災(zāi)因子危險性，孕災(zāi)環(huán)境敏感性，承災(zāi)體易損性，防災(zāi)減災(zāi)能力）（1）

通過對致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性、防災(zāi)減災(zāi)能力等多因子綜合分析，構(gòu)建氣象災(zāi)害風(fēng)險評價的框架、指標(biāo)體系、方法與模型，對氣象災(zāi)害風(fēng)險程度進行評價和等級劃分，采用風(fēng)險指數(shù)法、層次分析法、加權(quán)綜合評分法等數(shù)量化方法，借助GIS繪制相應(yīng)的風(fēng)險區(qū)劃圖系，分為氣象災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)、次高風(fēng)險區(qū)、中等風(fēng)險區(qū)、次低風(fēng)險區(qū)和低風(fēng)險區(qū)5級，區(qū)劃的技術(shù)流程見圖2。

3.1 氣象災(zāi)害風(fēng)險評價研究方法

3.1.1 層次分析法 層次分析法（AHP）[3]采用先分解后綜合的系統(tǒng)思想，整理和綜合人們的主觀判斷，使定性分析與定量分析有機結(jié)合，實現(xiàn)定量化決策。它可以將無法量化的指標(biāo)按照大小排出順序，把它們彼此區(qū)別開來。通過將每個因子的組成指標(biāo)成對地進行一對一的比較、判斷和計算，得出每個指標(biāo)的權(quán)重，以確定不同指標(biāo)對同一因子的相對重要性。

3.1.2 加權(quán)綜合評價法 加權(quán)綜合評價法[4] （WCA）是假設(shè)由于指標(biāo)i量化值的不同，而使每個指標(biāo)i對于特定因子j的影響程度存在差別，用公式表達為：

Cvj=QVijWci

其中CVj是評價因子的總值， QVij是對于因子j的指標(biāo)i（QVij≥0） ，WCi是指標(biāo)i的權(quán)重值（0≤WCi≤1） ， 通過AHP方法計算得出， m是評價指標(biāo)個數(shù)。加權(quán)綜合評價法綜合考慮了各個因子對總體對象的影響程度，是把各個具體指標(biāo)的優(yōu)劣綜合起來，用一個數(shù)量化指標(biāo)加以集中，表示整個評價對象的優(yōu)劣，因此，這種方法特別適合于對技術(shù)、決策或方案進行綜合分析評價和優(yōu)選，是目前最為常用的計算方法之一。

3.2 氣象災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)的量化

根據(jù)不同災(zāi)種風(fēng)險概念框架選取不同的指標(biāo)，由于所選指標(biāo)的單位不同，為便于計算，選用以下公式將各指標(biāo)量化成可計算的1～10的無量綱指標(biāo)[5]：

Xij′=Xij×10/Ximaxj（3）

其中Xij′與Xij分別表示象元j上指標(biāo)i的量化值和原始值，Ximaxj表示指標(biāo)i在所有象元中的最大值。

3.3 分災(zāi)種風(fēng)險評估模型的建立

考慮致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承載體脆弱性和災(zāi)害防御能力，建立災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)評估模型[2]：

DRI=（HWh）（EWe）（VWv）（RWr）[0.1（1-a）R+a]（4）

H=∑WhkXhk（5）

E=∑WekXek（6）

V=∑WvkXvk（7）

R=∑WrkXrk（8）

其中，DRI是災(zāi)害風(fēng)險指數(shù);H、E、V、R分別表示致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性和防災(zāi)減災(zāi)能力因子指數(shù);WH、WE、WV、WR表示相應(yīng)的權(quán)重，根據(jù)山丹縣氣象災(zāi)害實際情況，分別賦值0.4、0.2、0.2、0.2;Xk是指標(biāo)k量化后的值;Wk為指標(biāo)K的權(quán)重，表示各指標(biāo)對形成氣象災(zāi)害風(fēng)險的主要因子的相對重要性;a為常數(shù)，用來描述防災(zāi)減災(zāi)能力對于減少總的DRI所起的作用，考慮山丹縣的實際情況，取值0.8。

3.4 綜合風(fēng)險評估模型的建立

IDRI=∑DRIkWk（9）

其中，IDRI是氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險指數(shù)[2]，DRIk是災(zāi)種k的風(fēng)險指數(shù)，Wk為災(zāi)種k的權(quán)重，是根據(jù)山丹縣每個災(zāi)種的損失情況，計算各鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象災(zāi)害的風(fēng)險系數(shù)時，給5級風(fēng)險區(qū)分別賦以相應(yīng)的權(quán)重，乘以各風(fēng)險等級所占面積百分率后進行累加，最后根據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)風(fēng)險系數(shù)值進行排序。

4 山丹縣氣象災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃以及防御分區(qū)

4.1 致災(zāi)因子危險性分析

致災(zāi)因子危險性指氣象災(zāi)害異常程度，主要是由氣象致災(zāi)因子活動規(guī)模（強度）和活動頻次（概率）決定的。一般致災(zāi)因子強度越大，頻次越高，氣象災(zāi)害所造成的破壞損失越嚴(yán)重，氣象災(zāi)害的風(fēng)險也越大[6]。針對討論的12類氣象災(zāi)害，除了雷電以外，其他11類氣象災(zāi)害的危險性指數(shù)都是通過山丹范圍內(nèi)或者周邊的區(qū)域氣象站的多年觀測數(shù)據(jù)計算分析得到，主要方式即統(tǒng)計每個氣象站點的災(zāi)害發(fā)生頻數(shù)，并歸一化，最后利用GIS的數(shù)據(jù)內(nèi)插功能，獲取12類氣象災(zāi)害的危險性指數(shù)分布圖，圖3為干旱和低溫凍害的危險性等級計算結(jié)果（柵格大小統(tǒng)一為50 m×50 m）。

4.2 承災(zāi)體易損性分析

承災(zāi)體易損性是指在給定危險地區(qū)存在的所有人和財產(chǎn)，由于潛在的氣象危險因素而造成的傷害或損失程度。一般來說，承災(zāi)體的易損性越低，氣象災(zāi)害損失愈小，氣象災(zāi)害風(fēng)險也愈小，反之亦然。承災(zāi)體易損性評價是對各類受影響因子對不同氣象災(zāi)害的承受能力進行分析，本區(qū)劃中主要是評估山丹縣人口、社會經(jīng)濟財產(chǎn)、農(nóng)作物布局由于潛在的氣象災(zāi)害威脅而造成的傷害或損失程度。根據(jù)山丹縣實際情況，承災(zāi)體易損性分析選擇各縣（區(qū)）耕地面積比、各縣（區(qū)）人口密度和GDP密度作為評價指標(biāo)。

利用GIS技術(shù)將人口、GDP、耕地比數(shù)據(jù)空間化，采用1 000 m×1 000 m網(wǎng)格（圖4），由于承災(zāi)體對不同災(zāi)種的相對重要程度不同，因此在計算承災(zāi)體易損性時要賦予它們不同的易損性因子系統(tǒng)（表1），根據(jù)風(fēng)險指數(shù)法、層次分析法、加權(quán)綜合評分法得出各災(zāi)種承災(zāi)體的易損性。

4.3 各類氣象災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

氣象災(zāi)害的風(fēng)險區(qū)劃主要從致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性、防災(zāi)減災(zāi)能力4個方面進行綜合分析得到。致災(zāi)因子危險性見氣象災(zāi)害危險性等級分布圖（圖5）;孕災(zāi)環(huán)境敏感性分析主要考慮地形因子如坡度及高度、河網(wǎng)密度2個方面;承災(zāi)體易損性分析主要以人口密度、經(jīng)濟密度、耕地比為基本要素;防災(zāi)減災(zāi)能力分析是指分析為減少氣象災(zāi)害所致?lián)p失而進行的一系列工程和非工程措施，主要考慮人均國民生產(chǎn)總值。最后將上述4個方面內(nèi)容加權(quán)疊加，得到12種氣象災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖和各鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象災(zāi)害風(fēng)險排名表（表2）。

4.4 氣象災(zāi)害風(fēng)險綜合區(qū)劃

根據(jù)各類氣象災(zāi)害對山丹縣造成的損失確定權(quán)值，將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的風(fēng)險指數(shù)進行疊加，再將綜合風(fēng)險指數(shù)進行排序（表3），得到山丹縣氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險區(qū)劃圖（圖6）。

由圖6可見，山丹縣氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險東南高西北低，其中山丹馬場南部、霍城大部、東樂東北部分地方發(fā)生氣象災(zāi)害的風(fēng)險最高;東樂中部、清泉、位奇、陳戶、老軍大部為氣象災(zāi)害綜合低風(fēng)險區(qū)。

4.5 氣象災(zāi)害防御區(qū)分區(qū)

山丹氣象災(zāi)害重點防御區(qū)主要包括山丹馬場大部地區(qū)、霍城大部地區(qū)及東樂局部地區(qū)，該區(qū)域為山丹主要的糧食作物主產(chǎn)區(qū)，受災(zāi)后損失大。主要防御干旱、暴雨洪澇、冰雹、低溫凍害、雷電、大風(fēng)、沙塵暴、地質(zhì)災(zāi)害、雪災(zāi)、干熱風(fēng)等災(zāi)害（圖7）。

山丹氣象災(zāi)害次重點防御區(qū)主要包括大馬營大部、李橋局部、東樂局部地區(qū)，這些地區(qū)主要為農(nóng)作物種植區(qū)及設(shè)施農(nóng)業(yè)種植區(qū)，受災(zāi)后損失較大。主要防御地質(zhì)災(zāi)害、低溫凍害、暴雨洪澇、冰雹、大風(fēng)、沙塵暴、雷電、冰雪、干熱風(fēng)等災(zāi)害。

山丹氣象災(zāi)害一般防御區(qū)主要包括東樂局部、清泉大部、老軍大部、陳戶局部地區(qū)，該地區(qū)人口集中，山丹主要的工業(yè)產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展區(qū)，旅游資源較豐富，主要防御暴雨洪澇、地質(zhì)災(zāi)害、沙塵暴、低溫凍害、干旱、大風(fēng)、沙塵暴等災(zāi)害。

5 總結(jié)

利用氣象數(shù)據(jù)、歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)和GIS系統(tǒng)，將山丹縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)12種氣象災(zāi)害進行了一般、次級、中級、次高、高風(fēng)險區(qū)5個等級的區(qū)劃，并劃分了氣象災(zāi)害分區(qū)防御，為有關(guān)部門對氣象災(zāi)害進行有效管理和防災(zāi)減災(zāi)提供了科學(xué)參考依據(jù)，對防御氣象災(zāi)害工作及降低災(zāi)害損失有著很好的指導(dǎo)意義。

結(jié)合山丹縣經(jīng)濟社會發(fā)展需求，當(dāng)前氣象災(zāi)害防御能力仍存在以下薄弱環(huán)節(jié)：①氣象災(zāi)害綜合監(jiān)測預(yù)警能力有待進一步提高。體現(xiàn)在當(dāng)前氣象業(yè)務(wù)體系對于突發(fā)氣象災(zāi)害的監(jiān)測能力弱、預(yù)警能力低，像高速公路道路情況及山洪、地質(zhì)災(zāi)害等的監(jiān)測能力不足等，不能滿足氣象災(zāi)害防御需求。②氣象災(zāi)害防御布局重點不夠明確。一些影響經(jīng)濟的重點敏感行業(yè)和中心城鎮(zhèn)的氣象災(zāi)害易損性越來越大，氣象災(zāi)害造成的損失越來越重。③全社會氣象災(zāi)害綜合防御體系不夠健全。社會減災(zāi)意識不強，部門間信息實時共享不充分，聯(lián)動防御氣象災(zāi)害的機制不健全;基層和公眾氣象災(zāi)害主動防御能力不足、應(yīng)急能力弱，缺乏必要的防災(zāi)知識培訓(xùn)和應(yīng)急演練;防災(zāi)減災(zāi)法規(guī)不健全，缺乏科學(xué)的氣象災(zāi)害防御指南;面對氣象災(zāi)害頻發(fā)易發(fā)趨勢，氣象災(zāi)害防御的形勢更加嚴(yán)峻。

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