基于區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)和ArcGIS的山洪災(zāi)害風(fēng)險評價

朱恒糠　李虎星　袁燦

摘要：山洪災(zāi)害具有極強的突發(fā)性和破壞性，是防洪減災(zāi)工作的重點和難點，而山洪災(zāi)害風(fēng)險性評價是開展其防治工作的重要依據(jù)。以河南省山洪災(zāi)害防治區(qū)為例，基于區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)理論，將山洪災(zāi)害系統(tǒng)劃分為自然災(zāi)害系統(tǒng)、環(huán)境災(zāi)害系統(tǒng)和人為災(zāi)害系統(tǒng)，選取多年平均降雨量、年最大10 min降雨量、年最大6h降雨量、年最大24 h降雨量、地形起伏度、地形指數(shù)、河網(wǎng)密度、人均國民生產(chǎn)總值、人口密度和土地利用類型共10個指標(biāo)構(gòu)建山洪災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)體系。首先運用層次分析法計算各指標(biāo)權(quán)重，然后借助ArcCIS軟件對各個指標(biāo)進(jìn)行提取和疊加計算，最終得到風(fēng)險評價值，結(jié)果表明：防治區(qū)91%的范圍處于山洪災(zāi)害中等或更高風(fēng)險級別區(qū)域。收集歷史山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)對評價結(jié)果進(jìn)行驗證，結(jié)果顯示超過90%的山洪災(zāi)害發(fā)生點處在中等一較高一很高風(fēng)險區(qū)域，證明了評價結(jié)果的可靠性。

關(guān)鍵詞：區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)：指標(biāo)體系;風(fēng)險評價;山洪災(zāi)害防治區(qū);河南省

中圖分類號：X43;TV122+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.005

山洪是指山丘區(qū)溪溝間由降雨和下墊面因素共同引發(fā)的暴漲暴落的地表徑流[1]，具有流速大、沖刷破壞力強等特點，容易引發(fā)滑坡、泥石流等次生災(zāi)害[2]。山洪災(zāi)害難以預(yù)測和預(yù)防，常造成人員傷亡，對國民經(jīng)濟(jì)和人身安全帶來巨大威脅[3]。山洪災(zāi)害的形成主要取決于山丘區(qū)的降雨和下墊面環(huán)境，一般比降較大、土壤質(zhì)地不利于水分吸收的小流域較可能引發(fā)山洪，反之可能性較小。山洪災(zāi)害風(fēng)險評價是指通過分析山洪災(zāi)害的驅(qū)動因子，對山洪災(zāi)害發(fā)生的可能性進(jìn)行評估。

通過對災(zāi)害的成因分析，史培軍教授把區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)分解為自然災(zāi)害系統(tǒng)、環(huán)境災(zāi)害系統(tǒng)和人為災(zāi)害系統(tǒng)[4-5]。區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)的研究是開展可持續(xù)發(fā)展研究的一項重要內(nèi)容，也是建立區(qū)域綜合風(fēng)險管理體系的科學(xué)依據(jù)[6]。

近年來，隨著地理信息系統(tǒng)（ GIS）技術(shù)的迅速發(fā)展，與GIS相結(jié)合的山洪災(zāi)害風(fēng)險評價成為研究的熱點[7-11]。羅日洪等[12]以曹江上游小流域為例，建立了小流域的山洪災(zāi)害風(fēng)險評估模型，得到曹江上游小流域的山洪災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖。靳夢等[13]從危險度和易損度兩個方面選取指標(biāo)因子，借助GIS軟件進(jìn)行疊置分析，最終得到河南省山洪災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖。山洪災(zāi)害一般發(fā)生在山丘區(qū)，因此山洪災(zāi)害風(fēng)險評價的范圍應(yīng)集中在山洪災(zāi)害防治區(qū)范圍內(nèi)。此外，山洪災(zāi)害形成原因具有多樣性，之前研究的指標(biāo)不夠系統(tǒng)和全面。本文以河南省山洪災(zāi)害防治區(qū)為例，基于區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)理論，分別從自然災(zāi)害系統(tǒng)、環(huán)境災(zāi)害系統(tǒng)、人為災(zāi)害系統(tǒng)共選取10個指標(biāo)因子，構(gòu)建山洪災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)體系，并且運用層次分析法（ AHP）對各個因子權(quán)重進(jìn)行分配，借助GIS手段得到山洪災(zāi)害風(fēng)險分級圖。1研究區(qū)概況

河南省屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，跨長江、黃河、淮河、海河四大流域，年均降水量為600 -1 300mm，降雨集中在夏季，易引發(fā)山洪災(zāi)害。河南省山洪災(zāi)害防治區(qū)見圖1，涉及13個市79個縣（市或區(qū)）715個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。山洪災(zāi)害一直是河南省山丘區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展的重要制約因素。1950-2017年的68 a中，發(fā)生泥石流災(zāi)害485次，滑坡災(zāi)害160處，累計受災(zāi)面積11.49萬km，受災(zāi)人口2 669.9萬人次，累計經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)226.76億元[14]。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 山洪災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)體系構(gòu)建

山洪災(zāi)害是一種典型的區(qū)域性自然災(zāi)害。區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)理論認(rèn)為，山洪災(zāi)害風(fēng)險是由自然災(zāi)害風(fēng)險、環(huán)境災(zāi)害風(fēng)險和人為災(zāi)害風(fēng)險疊加的結(jié)果，本研究據(jù)此確定山洪災(zāi)害風(fēng)險評價的指標(biāo)體系。

自然災(zāi)害風(fēng)險性主要是指山洪災(zāi)害致災(zāi)因子的風(fēng)險性，考慮到河南省山丘區(qū)地域差異明顯，山洪災(zāi)害主要是由短歷時、高強度的暴雨所引發(fā)的，為了突出暴雨致災(zāi)因子的空間差異性，選取多年平均降雨量、年最大10 min降雨量、年最大6h降雨量、年最大24 h降雨量作為自然災(zāi)害系統(tǒng)的4個指標(biāo)：環(huán)境災(zāi)害風(fēng)險性主要是指山洪災(zāi)害下墊面環(huán)境的穩(wěn)定性，考慮到山洪災(zāi)害與地形、降雨匯水的密切聯(lián)系，選取地形起伏度、地形指數(shù)、河網(wǎng)密度作為環(huán)境災(zāi)害系統(tǒng)的3個指標(biāo);人為災(zāi)害風(fēng)險性主要是指山洪災(zāi)害承災(zāi)體的脆弱性，往往人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高的地區(qū)更應(yīng)受到重視，因此選取人均國內(nèi)生產(chǎn)總值（ GDP）、人口分布密度和土地利用類型作為人為災(zāi)害系統(tǒng)的3個指標(biāo)。

由此構(gòu)建的山洪災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)體系，包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個層次10個指標(biāo)?？梢哉J(rèn)為各指標(biāo)因子的數(shù)值大小和山洪災(zāi)害風(fēng)險性高低成正相關(guān)關(guān)系，根據(jù)自然間斷法進(jìn)行1-5級的風(fēng)險分級，等級越高代表山洪災(zāi)害風(fēng)險性越大，具體指標(biāo)體系見表1。

2.2 數(shù)據(jù)源及處理

本研究所需數(shù)據(jù)來源如下：多年平均降雨量及年最大10 min、6h、24 h降雨量由《河南省中小流域暴雨圖集》中的線矢量插值得到;數(shù)字高程模型（ DEM）是下載于地理空間數(shù)據(jù)云平臺的SRTM3數(shù)據(jù)[15]，分辨率為90 m;中小河流線矢量和土地利用柵格數(shù)據(jù)由全國山洪災(zāi)害項目組下發(fā)，其中土地利用分辨率為30m;人均GDP和人口密度數(shù)據(jù)下載于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心[16]。地形起伏度、地形指數(shù)和河網(wǎng)密度可以通過相關(guān)公式計算得到。地形起伏度是指單位鄰域內(nèi)最大高差所構(gòu)成的柵格文件，描述了制定鄰域內(nèi)高程的起伏程度，該指標(biāo)以DEM為數(shù)據(jù)源借助

2.3 評價指標(biāo)權(quán)重確定

山洪災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)的權(quán)重由層次分析法確定，首先構(gòu)造山洪災(zāi)害評價指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)[22]，分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層;然后針對各層次兩兩指標(biāo)間的相對重要程度請專家進(jìn)行打分，形成判斷矩陣[23]：最后進(jìn)行權(quán)向量計算，并進(jìn)行一致性檢驗[24（CI= 0.017 6）。最終得到的評價指標(biāo)權(quán)重見表2。山洪災(zāi)害往往是由短歷時、強度大的暴雨引發(fā)的，并且容易發(fā)生在地面起伏較大的區(qū)域，嚴(yán)重威脅居民的生命安全，因此年最大6h降雨量、地形起伏度、人口密度權(quán)重較大。

2.4 評價指標(biāo)提取、計算過程及風(fēng)險評價結(jié)果

借助ArcGIS對10個指標(biāo)逐個提取并進(jìn)行柵格化處理：接著對各個評價指標(biāo)進(jìn)行分類，運用自然間斷法分為1-5級，各指標(biāo)分級結(jié)果見圖2～圖4：最后進(jìn)行疊加計算，得到山洪災(zāi)害風(fēng)險評價值。

山洪災(zāi)害風(fēng)險級別的閾值采用正態(tài)分布取值的方法進(jìn)行確定，將風(fēng)險級別依次分為很低、較低、中等、較高和很高5個風(fēng)險等級，各等級區(qū)間依次取最終風(fēng)險評價值的0% - 15%、15% - 40%、40% - 60%、60% -85%和85% - 100%，具體見圖5。由圖5可知，河南省山洪災(zāi)害防治區(qū)中等一較高一很高風(fēng)險區(qū)域的面積占比高達(dá)91%，說明整個區(qū)域山洪災(zāi)害風(fēng)險值較高，防洪形勢嚴(yán)峻：區(qū)域上顯示出南陽市北部、三門峽市南部、洛陽市南部、平頂山市西南部、駐馬店市、信陽市西南部和鶴壁市、新鄉(xiāng)市、安陽市三市交匯處的山洪災(zāi)害風(fēng)險級別較高，這些區(qū)域大多是地勢較高、暴雨強度較大的地區(qū)，需要在山洪災(zāi)害防治工作中予以重視。

3 結(jié)果驗證與分析

收集河南省歷史山洪災(zāi)害點有關(guān)數(shù)據(jù)作為本研究的驗證數(shù)據(jù)，并用ArcGIS軟件標(biāo)注到風(fēng)險分級圖上（見圖6），利用Arctoolbox工具箱中的值提取至點工具，統(tǒng)計歷史山洪災(zāi)害點的數(shù)量和占比，見表3。

從表3可以看出，約有91.33%的歷史山洪災(zāi)害發(fā)生在中等一較高一很高風(fēng)險級別的區(qū)域，這說明本次山洪災(zāi)害風(fēng)險評價的結(jié)果準(zhǔn)確率較高，可以為今后的山洪災(zāi)害防治工作的展開提供可靠和有效的建議。

4 結(jié)論

（1）基于災(zāi)害系統(tǒng)理論構(gòu)建全新的山洪災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)體系，并運用層次分析法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重計算，借助ArcGIS軟件進(jìn)行指標(biāo)信息提取，得到河南省山洪災(zāi)害防治區(qū)的風(fēng)險分級圖。研究結(jié)果揭示了河南省山洪災(zāi)害防治區(qū)超過90%的區(qū)域處在中等一較高一很高風(fēng)險區(qū)域，空間上展示出該區(qū)域不同地區(qū)間山洪災(zāi)害風(fēng)險的差異性。

（2）結(jié)合歷史山洪災(zāi)害點對山洪災(zāi)害風(fēng)險評價成果進(jìn)行驗證，超過90%的歷史山洪災(zāi)害發(fā)生在中等一較高一很高風(fēng)險區(qū)域，說明山洪災(zāi)害實際發(fā)生狀況與評價結(jié)果較為一致，證明所選用的研究方法能夠較為真實地反映山洪災(zāi)害的分布規(guī)律，可為山洪災(zāi)害的防治工作提供參考。

（3）山洪災(zāi)害的形成是一個復(fù)雜的突發(fā)過程，每個驅(qū)動因子從不同角度、以不同程度影響山洪災(zāi)害的發(fā)生，要全面、無差錯地評估山洪災(zāi)害的風(fēng)險仍有一定的難度，今后工作中要繼續(xù)優(yōu)化和完善評價模型和指標(biāo)體系，使得評價結(jié)果更有針對性和參考價值。

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