福建省山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與定量分析

張曉蕾 ，劉榮華 ，劉 啟 ，李昌志 ，郭 良

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038）

1 研究背景

對(duì)于山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了大量研究。從基于臨界雨量的統(tǒng)計(jì)分析［2］，到基于指標(biāo)體系的定量分析，到基于遙感數(shù)據(jù)的空間分析，綜合天、空、地信息，計(jì)算方法趨于多元化。Wieczorek G F［3］應(yīng)用臨界雨量去預(yù)測(cè)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)行預(yù)警。S.Peruccacci等在1980年Nel Caine降雨時(shí)間和強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，發(fā)展了臨界雨量方法，收集全球數(shù)據(jù)庫的2626場(chǎng)場(chǎng)次降雨數(shù)據(jù)，進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并進(jìn)行了區(qū)域劃分。譚徐明等［4］利用近300年的水災(zāi)資料及自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)，完成了區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)的分析。韓松等［5］構(gòu)建了太湖流域洪水災(zāi)害系統(tǒng)各因素之間的洪水風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)因響應(yīng)關(guān)系，判斷了各因素的重要性和不確定程度。樊建勇等［6］研究了小時(shí)雨量與山洪災(zāi)害發(fā)生時(shí)間及小流域參數(shù)之間的關(guān)系，并運(yùn)用2009年的場(chǎng)次山洪過程模擬，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了山洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。美國(guó)水文研究中心HRC（2010）提出了動(dòng)態(tài)山洪臨界雨量計(jì)算模型，并嵌入其國(guó)家山洪預(yù)警系統(tǒng)（FFGS）［7］。Totschnig［8］分析了阿爾卑斯山的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)脆弱性，Holub［9］從建筑物的建筑結(jié)構(gòu)、風(fēng)暴降雨特征、冰雪覆蓋等方面，評(píng)估了歐洲中部山丘區(qū)建筑物的脆弱性。Guzzetti［10-11］基于1279—2002年的洪水及山洪災(zāi)害損失，分析了意大利北部山區(qū)的因?yàn)?zāi)死亡高發(fā)地，季節(jié)高發(fā)期的時(shí)空分布特征。Elkhrachy Ismail［12］基于SPOT和SRTM的DEM數(shù)據(jù)，分析了沙特阿拉伯地區(qū)Najran市的山洪風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)建了徑流、土壤類型、坡度、糙率、河網(wǎng)密度和距主河道距離等指標(biāo)體系，評(píng)估了地區(qū)山洪風(fēng)險(xiǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的研究多集中在大尺度，比如山洪災(zāi)害區(qū)劃，或者以柵格為單元進(jìn)行評(píng)估，以自然小流域單元的評(píng)估方法較少，而自然流域單元的產(chǎn)匯流是山洪形成的基本條件，為此，基于山丘區(qū)地形地貌和下墊面條件等小流域?qū)傩赃M(jìn)行山洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是具有一定物理機(jī)理的評(píng)估方法。

為此，本文基于全國(guó)山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目形成小流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集和產(chǎn)匯流特征參數(shù)集，結(jié)合山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果，以福建省為例，探討了基于小流域單元的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因子選取、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型建立等問題，并通過歷史山洪事件的對(duì)比分析，檢驗(yàn)了方法的有效性和結(jié)果的合理性。

2 研究區(qū)域概況

福建省位于我國(guó)的東南沿海，境內(nèi)峰嶺聳峙，丘陵連綿，山丘區(qū)面積占90%，遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平（66.7%）。復(fù)雜的地形地質(zhì)條件、暴雨多發(fā)的氣候特征、密集的人口分布和人類活動(dòng)的影響，導(dǎo)致山洪災(zāi)害發(fā)生頻繁，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和大量人員傷亡。2010—2016年，福建省85個(gè)區(qū)縣中的74個(gè)區(qū)縣實(shí)施了全國(guó)山洪災(zāi)害防治縣級(jí)非工程措施項(xiàng)目建設(shè)，涉及68574個(gè)自然村（圖1），人口2347萬人，防治區(qū)總面積達(dá)9.96萬km2，約占福建省陸地面積的81.55%。其中受山洪威脅縣城74個(gè)，受山洪威脅鄉(xiāng)鎮(zhèn)949個(gè)，受山洪威脅嚴(yán)重的沿河村落10 922個(gè)，受山洪威脅的企事業(yè)單位5478個(gè)。

根據(jù)全國(guó)山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果［13］，福建省建國(guó)后共發(fā)生歷史山洪災(zāi)害2306場(chǎng)（圖2）。2016年福建泰寧“5·8”大型泥石流災(zāi)害造成1座4層辦公樓、5處工棚推倒掩埋，39名施工人員失聯(lián)。

圖1 福建省山洪災(zāi)害防治村分布

圖2 福建省歷史山洪災(zāi)害分布（1949—2015年）

3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

3.1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與指標(biāo)體系構(gòu)建根據(jù)福建省降雨、下墊面和人類活動(dòng)的特點(diǎn)，選擇山丘區(qū)降雨特性、小流域特性參數(shù)及下墊面特征、社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況、現(xiàn)狀防洪能力評(píng)價(jià)結(jié)果、涉水工程及監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)施設(shè)備調(diào)查成果，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行歸類，并按照小流域進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和指標(biāo)篩選，得到備選指標(biāo)共54個(gè)。主要包括：

（1）降雨指標(biāo)8個(gè)：各年型設(shè)計(jì)暴雨絕對(duì)值（5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇）、設(shè)計(jì)暴雨變差系數(shù)（1 h、3 h、6 h）；

（2）下墊面指標(biāo)9個(gè)：土地利用和植被類型、土壤類型、土壤質(zhì)地類型、洪峰模數(shù)（10 min30 mm、10 min35 mm、60 min50 mm）、匯流時(shí)間（10 min30 mm、10 min35 mm、60 min50 mm）；

（3）社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)23個(gè)：小流域人口、村落數(shù)、財(cái)產(chǎn)類型（Ⅰ類財(cái)產(chǎn)、Ⅱ類財(cái)產(chǎn)、Ⅲ類財(cái)產(chǎn)、Ⅳ類財(cái)產(chǎn)）、房屋類型統(tǒng)計(jì)及占比（Ⅰ類房屋、Ⅱ類房屋、Ⅲ類房屋、Ⅳ類房屋、堅(jiān)固房屋比例、脆弱房屋比例）、企事業(yè)單位數(shù)、小流域內(nèi)距河網(wǎng)的高程（3 m、5 m、10 m、30 m）及距離因子（50 m、100 m）組合10組；

（4）現(xiàn)狀防洪能力指標(biāo)7個(gè)：小于5年一遇的村落數(shù)、5～10年一遇的村落數(shù)、10～20年一遇村落數(shù)、20～50年一遇村落數(shù)、50～100年一遇村落數(shù)、大于100年一遇村落數(shù)、臨界雨量與設(shè)計(jì)暴雨比值小于1的村落數(shù)；

（5）涉水工程指標(biāo)3個(gè)：小流域內(nèi)橋梁數(shù)、路涵數(shù)、塘（堰）壩數(shù)；

（6）監(jiān)測(cè)預(yù)警配置率指標(biāo)4個(gè)：小流域內(nèi)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站數(shù)量、簡(jiǎn)易雨量站、水位站及無線預(yù)警廣播站數(shù)量。

運(yùn)用SPSS工具采用主成分分析法對(duì)54個(gè)備選指標(biāo)進(jìn)行了降維處理，篩選出核心且獨(dú)立的指標(biāo)用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，得到了10個(gè)主成分（表1），成分主要集中在自然村落與河網(wǎng)位置關(guān)系，小流域短歷時(shí)強(qiáng)降雨特性、匯流時(shí)間、洪峰模數(shù)、涉水工程、房屋類型、現(xiàn)狀防洪能力、監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)施設(shè)備等方面。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析理論（ADRC，2005）［14］，將以上指標(biāo)整合構(gòu)建了山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)體系（表1），從危險(xiǎn)性、暴露性和易損性三個(gè)維度進(jìn)行指標(biāo)體系構(gòu)建和分析。

風(fēng)險(xiǎn)（risk）=危險(xiǎn)性（Hazard）×暴露性（Exposure）×易損性（Vulnerability）

危險(xiǎn)性：（1）降雨因子：短歷時(shí)強(qiáng)降雨是山洪事件的激發(fā)因子，是山洪危險(xiǎn)性的初始來源，主成分分析表明，歷時(shí)為3 h和6 h的稀遇降雨量及變率是非常突出的主成分，故選擇100年一遇3 h、6 h設(shè)計(jì)暴雨值及變差系數(shù)CV作為降雨因子；（2）地形因子：流域形狀、坡度、植被覆蓋、土壤類型及分布、溝道比降等因素，都會(huì)對(duì)產(chǎn)匯流造成影響，是山洪危險(xiǎn)性的主要來源，洪峰模數(shù)及匯流時(shí)間是綜合考慮了以上因素分析計(jì)算后得到的結(jié)果，在流域尺度可反映下墊面特征及產(chǎn)匯流特性，故選擇這兩項(xiàng)指標(biāo)綜合為危險(xiǎn)性的地形因子。

暴露性：山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)對(duì)受山洪威脅的沿河村落進(jìn)行了詳查和分析評(píng)估，主成分分析結(jié)果表明了村落與山洪溝的空間關(guān)系對(duì)山洪事件影響突出，故選擇受山洪威脅的沿河村落的人口、房屋及居民家庭財(cái)產(chǎn)類型為承險(xiǎn)體暴露性的具體指標(biāo)。

易損性：表現(xiàn)為在風(fēng)險(xiǎn)事件中容易遭受損害的特性及其程度（也可以理解為承險(xiǎn)體所具備防災(zāi)力的相對(duì)面）。根據(jù)山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)內(nèi)容，主成分分析結(jié)果表明，沿河村落房屋結(jié)構(gòu)及各種監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)施的信息可以大致直接反映易損性的基本情況，故選擇Ⅲ類和Ⅳ類房屋占比例、自動(dòng)監(jiān)測(cè)站和簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)站的站點(diǎn)密度作為表征易損性的指標(biāo)。

表1 山洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系及主成分分析結(jié)果

3.2 權(quán)重設(shè)定權(quán)重設(shè)定時(shí)，危險(xiǎn)性、暴露性和易損性都是風(fēng)險(xiǎn)要素的組成，同等重要，三者權(quán)重均為1/3。在確定二級(jí)指標(biāo)權(quán)重時(shí)，危險(xiǎn)性指標(biāo)中短歷時(shí)強(qiáng)降雨特征明顯，降雨賦予權(quán)重較高；暴露性指標(biāo)由小流域人口數(shù)、房屋類型和居民家庭財(cái)產(chǎn)類型組成，人口數(shù)權(quán)重相對(duì)較高；易損性指標(biāo)包括Ⅲ和Ⅳ類房屋比例、自動(dòng)監(jiān)測(cè)站和簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)站的密度，考慮到監(jiān)測(cè)站點(diǎn)對(duì)與應(yīng)急避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移的重要性，權(quán)重相對(duì)較高。各指標(biāo)權(quán)重如表2。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)計(jì)算對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)立方體模型，將危險(xiǎn)性、暴露性、易損性要素疊積。計(jì)算方法如式（1）：

其中，危險(xiǎn)性、暴露性、易損性三要素計(jì)算方法如式（2）—式（4）：

表2 指標(biāo)權(quán)重設(shè)置表

式中：Hi、Ej、Vk為各指標(biāo)項(xiàng)指標(biāo)；m、n、l為指標(biāo)項(xiàng)數(shù)量；m′、n′、l′為指標(biāo)項(xiàng)的各要素?cái)?shù)量；i、j、k、k′為累計(jì)求和中間變量；W為要素和指標(biāo)的權(quán)重。

對(duì)危險(xiǎn)性、暴露性、易損性三要素樣本量的計(jì)算值進(jìn)行降維排序，以每類要素的1/3、2/3處設(shè)為劃分節(jié)點(diǎn)，將三要素計(jì)算值分別劃分為低、中、高3個(gè)等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，綜合風(fēng)險(xiǎn)需由三個(gè)要素組合疊加，即27個(gè)等級(jí)組合，如圖3所示，具體分類方法如表3：

圖3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)閾值

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)閾值組合

4 評(píng)估結(jié)果及分析

根據(jù)本文提出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)福建省山洪災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖4所示。圖中紅色為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，黃色為中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，藍(lán)色為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在福建沿海臺(tái)風(fēng)高發(fā)區(qū)及內(nèi)陸暴雨高值山區(qū)，如武夷山脈、玳瑁山、博平嶺等，涉及小流域1151個(gè)，流域面積近2萬km2，人口608萬人，占比為19.9%；中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在省內(nèi)分布較為廣泛，以人口密集區(qū)為主，涉及小流域3280個(gè)，流域面積4.7萬km2，人口1227萬人，占比為40.2%；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)涉及小流域4480個(gè)，流域面積5.7萬km2，人口1215萬人，占比為39.8%。高、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布與山洪災(zāi)害防治區(qū)范圍基本一致。圖5是福建省典型山區(qū)，即閩江千嶺水庫以上流域的山洪災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)分布圖。

圖4 福建省山洪災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)分布

圖5 閩江千嶺水庫以上流域山洪防治區(qū)綜合風(fēng)險(xiǎn)圖

根據(jù)福建省山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果中的歷史山洪災(zāi)害資料計(jì)算小流域山洪災(zāi)害事件發(fā)生密度，并與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果對(duì)照，結(jié)果顯示，80%的歷史山洪落在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)密度為221場(chǎng)/萬km2，中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)密度為202場(chǎng)/萬km2，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)密度為66場(chǎng)/萬km2。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的山洪災(zāi)害發(fā)生密度是低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的3倍，驗(yàn)證結(jié)果說明基于小流域的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型指標(biāo)選擇具有較好的代表性，權(quán)重設(shè)定合理，風(fēng)險(xiǎn)早期識(shí)別結(jié)果可靠。

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了山洪災(zāi)害早期識(shí)別與定量分析模型，構(gòu)建了指標(biāo)體系和風(fēng)險(xiǎn)立方體模型，并以福建省為例，分析了全省的山洪災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)，并運(yùn)用2306歷史山洪場(chǎng)次數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)論如下：（1）基于小流域的山洪風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析，可反映山洪災(zāi)害對(duì)短時(shí)強(qiáng)降雨、流域下墊面與人類活動(dòng)的響應(yīng)關(guān)系，以自然流域?yàn)閱卧娘L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法具有一定的物理機(jī)制。（2）評(píng)估結(jié)果表明福建省山洪災(zāi)害高發(fā)區(qū)集中在沿海地區(qū)受臺(tái)風(fēng)暴雨影響的區(qū)域和內(nèi)陸山區(qū)的強(qiáng)對(duì)流暴雨高值區(qū)，山洪災(zāi)害發(fā)生頻度受自然環(huán)境和人類活動(dòng)雙重因素影響。評(píng)估結(jié)果統(tǒng)計(jì)得到高發(fā)區(qū)人口為608萬，面積近2萬km2。（3）通過歷史山洪場(chǎng)次數(shù)據(jù)驗(yàn)證，80%的歷史山洪落在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的山洪災(zāi)害發(fā)生密度是低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的3倍，風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別結(jié)果可靠，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型可較為準(zhǔn)確的反映山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。