基于GIS的丹江流域洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

李曉剛，張海龍

（1.商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛 726000;2.印第安納大學(xué)-普渡大學(xué)印第安納波利斯聯(lián)合分校地球科學(xué)系，印第安納波利斯，印第安納州 46202）

受全球氣候變化影響暴雨洪水發(fā)生頻率增加，洪水災(zāi)害已成為眾多自然災(zāi)害中發(fā)生頻率最大，累計(jì)損失最多的突發(fā)性災(zāi)害之一[1]。洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是從自然環(huán)境因素出發(fā)，應(yīng)用致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境兩方面分析評(píng)價(jià)，為區(qū)域防洪減災(zāi)和洪水管理提供重要的實(shí)踐意義[2-3]。近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者借助GIS（地理信息系統(tǒng)Geography Information System）技術(shù)對(duì)各級(jí)行政區(qū)，如國(guó)家級(jí)[4]、省級(jí)[5-8]、市級(jí)[9-10]、縣級(jí)[11]和鎮(zhèn)級(jí)[12]都開(kāi)展洪水災(zāi)害評(píng)價(jià)研究，為當(dāng)?shù)胤篮楣こ檀胧┑闹贫ㄌ峁┛茖W(xué)支撐。流域是徑流產(chǎn)、匯流的基本地貌單位，也是影響洪水量級(jí)大小的主要因子之一。目前針對(duì)流域尺度洪水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)鮮見(jiàn)，雖然前人在湘江流域和渭河下游洪災(zāi)評(píng)價(jià)研究[13-14]，也是以縣域作為基本的研究單元。丹江作為漢江最大的一級(jí)支流，其洪水的波及效應(yīng)足以影響到漢江中下游和丹江口水庫(kù)。丹江流域洪水研究集中在不同河段單次洪水水文特性和河流健康兩個(gè)方面[15-19]。本文以國(guó)家南水北調(diào)中線水源地的丹江流域作為研究對(duì)象，選取降水量、地形高程和坡度、水系分布等因子，運(yùn)用GIS疊加分析技術(shù)對(duì)洪水災(zāi)害進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，為丹江流域防洪減災(zāi)決策提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

丹江流域作為南水北調(diào)中線水源地備受關(guān)注。它發(fā)源于秦嶺南麓，自西北向東南流去，全長(zhǎng)433 km，流域面積16 812 km2。流域內(nèi)近30年平均降水量785 mm，降水季節(jié)性明顯，6～9月暴雨集中，是造成大洪水的主要原因。丹江流域歷史大洪水都集中在夏季，荊紫關(guān)水文站記載最大洪水發(fā)生在2010年7月，洪峰流量10 000 m3·s－1；次大洪水發(fā)生在1876年7月，洪峰流量7360 m3·s－1；第三大和第四大洪水出現(xiàn)在1935年8月和1854年7月，洪峰流量分別是6426 m3·s－1和6350 m3·s－1。洪水給丹江流域人民生命財(cái)產(chǎn)造成了重大損失。2010年7月23～25日，丹江流域普降大到暴雨，竹林關(guān)水文站和武關(guān)水文站發(fā)生了建站以來(lái)第二大和第三大洪水，過(guò)風(fēng)樓水文站出現(xiàn)有史以來(lái)最大洪水，屬于兩百年一遇大洪水。洪水造成28個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、29.7萬(wàn)人不同程度受災(zāi)，因?yàn)?zāi)死亡12人，失蹤31人，經(jīng)濟(jì)損失14.8億[18]。丹江流域支流眾多，流域面積超過(guò)200km2的有板橋河、油磨河、南秦河、會(huì)峪河、老君河、銀花河、武關(guān)河、清油河、縣河、冷水河、滔河、淇河、老灌河等。丹江流域地勢(shì)東低西高，地貌起伏變化大，既有秦嶺、流嶺、鶻嶺、新開(kāi)嶺、蟒嶺等高大山脈，也有商丹盆地、西峽盆地和穿插其中的低山丘陵地貌。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是從災(zāi)害的自然屬性出發(fā)，分為致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境兩方面。致災(zāi)因子指誘發(fā)洪水的因素，暴雨洪水是丹江流域的主要洪水類(lèi)型，故選用多年平均降水量作為致災(zāi)因子的評(píng)價(jià)指標(biāo)。孕災(zāi)環(huán)境指形成洪水災(zāi)害的環(huán)境，也就是下墊面因素，選用地形高程、坡度和水系分布作為孕災(zāi)環(huán)境的評(píng)價(jià)指標(biāo)（圖1）。

圖1 丹江流域洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 研究方法

運(yùn)用GIS空間分析工具，對(duì)洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了重分類(lèi)、屬性提取、柵格代數(shù)計(jì)算、緩沖區(qū)分析、疊加分析。

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

丹江流域降水量和水系數(shù)據(jù)來(lái)自中科院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)。地形高程和坡度數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)航空航天局（NASA）提供的90 m×90 m分辨率SRTM—DEM（Shuttle Radar Topography Mission -Digital Elevation Model）數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水對(duì)洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性的影響

丹江流域地處北亞熱帶和暖溫帶過(guò)渡區(qū)，受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)影響，降水具有季節(jié)性明顯和年際變化大的特征。從圖2可以看出，丹江流域年內(nèi)降水集中在6～9月，近36年這4個(gè)月的平均降水量總和達(dá)到498 mm，占全年平均降水量的63.44%。水文站實(shí)測(cè)和歷史文獻(xiàn)記載，丹江流域大洪水都發(fā)生在夏季。降水年際變化可以通過(guò)降水變率的大小來(lái)衡量。依據(jù)中科院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心提供的1980—2015年全國(guó)降水量插值圖，提取丹江流域范圍內(nèi)的商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣、西峽縣和淅川縣等五個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站的逐年降水量數(shù)值，計(jì)算其平均值和年際降水變率（圖3）。從圖3可知，近36年中，7年的降水變率超過(guò)15%，降水不穩(wěn)定，易發(fā)生洪水災(zāi)害。

圖2 丹江流域1980—2015年月平均降水量

圖3 丹江流域1980—2015年降水變率

運(yùn)用ArcGIS 10.2軟件將36幅降水量逐年插值圖按丹江流域界線分別裁剪后，使用柵格計(jì)算器工具計(jì)算其平均值。使用重分類(lèi)工具和自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將丹江流域年平均降水量分為五級(jí)，并按從低到高的順序?yàn)橛绊懚荣x值0.4～0.8（表1），即降水量越大，洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性越高。根據(jù)重分類(lèi)結(jié)果和賦值得到丹江流域降水量因子影響分布圖（圖4），通過(guò)各級(jí)屬性表和像元大小即可計(jì)算各影響度的相應(yīng)面積和空間分布狀況。

表1 丹江流域年均降水量影響度

從圖4可以看出，丹江流域降水量呈現(xiàn)出東南高、西北低，山區(qū)多、盆地低地少的空間分布特征。年均降水量＜765.3 mm，對(duì)丹江流域洪水災(zāi)害影響度為0.4，危險(xiǎn)程度低的區(qū)域占全流域9.3%，面積1560 km2，主要分布在商州以西北和商丹盆地。年均降水量介于765.3～801.4 mm，對(duì)洪水災(zāi)害影響度為0.5，危險(xiǎn)程度較低的區(qū)域占全流域19.2%，面積3228 km2，主要分布在丹鳳北部蟒嶺、西峽盆地和商南地勢(shì)較低的區(qū)域。年均降水量介于801.4～829.5 mm，對(duì)洪水災(zāi)害影響度為0.6，危險(xiǎn)程度中等的區(qū)域占全流域35.5%，面積5968 km2，主要分布在丹鳳南部和淅川地勢(shì)較低的區(qū)域。年降水量介于829.5～862.5 mm，對(duì)洪水災(zāi)害影響度為0.7，危險(xiǎn)程度較高的區(qū)域占全流域25.2%，面積4228 km2，主要分布在西峽北部和淅川西北部。年降水量＞862.5 mm，對(duì)洪水災(zāi)害影響度為0.8，危險(xiǎn)程度高的區(qū)域占全流域10.9%，面積1828 km2，主要分布在流嶺、鶻嶺、新開(kāi)嶺、鄖西大梁、老君山、伏牛山等山脈。

圖4 丹江流域降水量影響因子分布圖

3.2 地形對(duì)洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性的影響

洪水災(zāi)害的發(fā)生與研究區(qū)域的地形特征緊密相關(guān)，地形高程越低、地形變化程度越小，洪水災(zāi)害的危險(xiǎn)性越高[9-11]。地形高程使用分辨率90 m×90 m DEM數(shù)據(jù)，丹江流域絕對(duì)高程介于124～2141 m，平均值 817.3 m，標(biāo)準(zhǔn)差 363.8 m。地形變化程度（即坡度）使用高程相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差衡量，高程標(biāo)準(zhǔn)差越小，地形變化程度越小。高程標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算方法是使用空間分析工具中鄰域分析功能，鄰域設(shè)置為3×3窗口，統(tǒng)計(jì)類(lèi)型選擇STD（Standard Deviation）。丹江流域高程標(biāo)準(zhǔn)差最大值115.8 m，最小值0 m，平均值23.1 m。使用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將丹江流域DEM絕對(duì)高程分為五級(jí)，高程標(biāo)準(zhǔn)差分為三級(jí)，對(duì)洪水災(zāi)害的影響程度賦值0.3～0.9（表2）。運(yùn)用空間分析工具中的地圖代數(shù)，將五級(jí)絕對(duì)高程和三級(jí)高程標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)定為條件分析函數(shù)，柵格計(jì)算后得到丹江流域綜合地形因子分布圖（圖5）。

圖5 丹江流域綜合地形影響因子分布圖

從圖5中可以看出，丹江流域地形特征對(duì)洪水災(zāi)害影響程度的空間分布狀況，通過(guò)柵格計(jì)算結(jié)果的屬性表能夠計(jì)算各影響度對(duì)應(yīng)的面積。丹江流域地形因子造成洪災(zāi)危險(xiǎn)性極低、很低和較低的區(qū)域面積分別占流域總面積的4.1%、12.7%和20.2%，主要分布在丹江及各支流的分水嶺山脈，如秦嶺、伏牛山、流嶺等。丹江流域地形因子造成洪災(zāi)危險(xiǎn)性較高、很高和極高的區(qū)域面積分別占流域總面積的17.3%、11.7%和12.7%，主要分布在商丹大斷裂造成的商丹盆地、商南西峽低地，以及丹江出荊紫關(guān)河谷兩側(cè)和支流老灌河下游淅川低地。

表2 丹江流域綜合地形影響度

3.3 水系對(duì)洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性的影響

水系對(duì)洪水災(zāi)害的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是河流級(jí)別，一是距河道遠(yuǎn)近。河流級(jí)別越高、距河道越近，洪水災(zāi)害的危險(xiǎn)性就越高。綜合考慮河流級(jí)別和同一河流在不同河段的高程差異，結(jié)合前人在漢江上游安康市[9]和漢中市[10]兩級(jí)緩沖區(qū)的寬度，確定丹江流域干流、一級(jí)支流和二級(jí)及其他支流在不同高程區(qū)間的一級(jí)緩沖區(qū)和二級(jí)緩沖區(qū)寬度（表3）。運(yùn)用空間分析工具中的疊加分析功能，將丹江流域主要水系矢量圖與DEM柵格圖疊加，按絕對(duì)高程的五級(jí)分類(lèi)將丹江干流及各級(jí)水系分割為若干折線。丹江干流、流域面積大于200 km2的13條一級(jí)支流和53條二級(jí)支流及其他支流分別被分割成4條、42條和120條折線。使用空間分析工具中緩沖區(qū)功能，將上述折線矢量圖按照表3所示緩沖區(qū)寬度分別建立多環(huán)緩沖區(qū)，而后進(jìn)行合并和融合。根據(jù)前人研究結(jié)果，一級(jí)緩沖區(qū)賦值0.9，二級(jí)緩沖區(qū)賦值0.8，非緩沖區(qū)賦值0.5[9-11]，得到丹江流域綜合水系影響因子分布圖（圖6）。從圖6可以看出，丹江干流和位于下游的老灌河、淇河和滔河等三條一級(jí)支流的一級(jí)和二級(jí)緩沖區(qū)范圍較大。這是由于丹江干支流的整體流向是從西北向東南，而降水量也呈現(xiàn)出由西北向東南增加的趨勢(shì)，兩個(gè)原因疊加造成丹江流域東南部（即丹江下游）的緩沖區(qū)范圍大，洪水災(zāi)害的危險(xiǎn)性高。根據(jù)丹江流域綜合水系因子分布矢量圖的屬性表計(jì)算可知，一級(jí)緩沖區(qū)面積4879 km2，二級(jí)緩沖區(qū)面積3264 km2，分別占全流域面積的29.0%和19.4%。

表3 丹江流域各級(jí)河流緩沖區(qū)寬度值

3.4 洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)

據(jù)丹江流域洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（圖1），降水因子、地形因子和水系因子共同對(duì)洪水災(zāi)害造成影響。對(duì)于洪水災(zāi)害來(lái)說(shuō)，致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境都至關(guān)重要，沒(méi)有降水因子的誘發(fā)，即使地形高程再低，高差再低平，也不會(huì)發(fā)生洪水災(zāi)害；反之亦然。所以降水因子、地形因子和水系因子三者同等重要，三者權(quán)重同為0.333。將三個(gè)因子按照式(1)，使用空間分析工具中的柵格計(jì)算器功能進(jìn)行疊加分析，即得到丹江流域洪水災(zāi)害危險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)圖（圖7）。

圖6 丹江流域綜合水系影響因子分布圖

圖7 丹江流域洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等級(jí)圖

從圖7可以看出，丹江干流下游和一級(jí)支流老灌河、淇河和滔河下游河谷兩側(cè)由于降水量較多、地勢(shì)很低且位于一級(jí)緩沖區(qū)內(nèi)，所以造成洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)最高。丹鳳縣以上的丹江流域范圍，除商丹盆地以外，由于降水量少、地勢(shì)較高且大多沒(méi)有處于一級(jí)、二級(jí)緩沖區(qū)，造成洪水災(zāi)害的危險(xiǎn)性等級(jí)最低。根據(jù)丹江流域洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等級(jí)柵格圖的屬性表計(jì)算可知，低危險(xiǎn)性和較低危險(xiǎn)性的面積分別為935 km2和5122 km2，占全流域面積的5.6%和30.5%；中等危險(xiǎn)性的面積為4710 km2，占全流域面積的28.0%；高危險(xiǎn)性和較高危險(xiǎn)性的面積分別為1447 km2和4598 km2，占全流域面積的8.6%和27.3%。

4 結(jié)論

1）降水量因子對(duì)丹江流域洪水災(zāi)害的影響呈現(xiàn)出東南高、西北低，山區(qū)多、盆地低地少的空間分布特征。綜合地形因子造成洪災(zāi)危險(xiǎn)性較高、很高和極高的區(qū)域主要分布在商丹大斷裂造成的商丹盆地、商南西峽低地，以及丹江出荊紫關(guān)河谷兩側(cè)和支流老灌河下游淅川低地。水系因子在丹江干流和位于下游的老灌河、淇河和滔河等三條一級(jí)支流對(duì)洪災(zāi)危險(xiǎn)性的影響最大。

2）將降水因子、地形因子和水系因子疊加分析，并將丹江流域洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性分為五個(gè)等級(jí)：低危險(xiǎn)性935 km2，占全流域面積的5.6%；較低危險(xiǎn)性5122 km2，占全流域的30.5%；中等危險(xiǎn)性4710 km2，占全流域的28.0%；高危險(xiǎn)性1447 km2，占全流域的8.6%；較高危險(xiǎn)性4598 km2，占全流域的27.3%。

洪水災(zāi)害的危險(xiǎn)性不僅與降水、地形和水系等組成的自然要素相關(guān)，而且還與聚落分布、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等社會(huì)要素相關(guān)，也與河道兩岸防洪工程建設(shè)、水庫(kù)容量與泄洪能力、決策者和公眾防洪意識(shí)相關(guān)，這些影響因素都為后續(xù)丹江流域洪水災(zāi)害評(píng)價(jià)提供研究思路。