基于GIS 疊加分析的洪水避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移分析

譚鋼

（國(guó)元農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)股份有限公司，安徽 合肥230031）

1 概述

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市化過(guò)程的加速，使得發(fā)生洪水災(zāi)害時(shí)帶來(lái)的損失巨大，已經(jīng)成為我們自然災(zāi)害中損失最嚴(yán)重的災(zāi)害,據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因洪澇災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失多于100 億元[1]。為了保障居民生命財(cái)產(chǎn)安全，盡量減少洪水損失，就需要提前制定防洪策略，優(yōu)化應(yīng)急轉(zhuǎn)移管理方案。

由此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也一直致力于深化研究探索避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移分析技術(shù)方法以及應(yīng)用，并且取得了較大的成果[1]。隨著GIS 技術(shù)的快速發(fā)展，其強(qiáng)大的疊加分析功能也不斷應(yīng)用在避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移分析中，從而能夠更為準(zhǔn)確的模擬避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移路線和過(guò)程。

國(guó)外學(xué)者中，2000 年Campos 等[10]分析研究了“糾出最佳獨(dú)立路線”方法，以此確定最佳轉(zhuǎn)移路線，便于群眾在最短時(shí)間內(nèi)快速轉(zhuǎn)移。2007 年Yamada T[12]提出了城市緊急疏散計(jì)劃方案的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)流方法優(yōu)化，通過(guò)最優(yōu)解比較，得出最短路線撤退規(guī)劃方法。

本文選取同馬大堤保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在不同洪水量級(jí)計(jì)算結(jié)果下的最大水深值和最短到達(dá)時(shí)間值，融合基礎(chǔ)地理信息，如耕地、房屋、構(gòu)筑物、路網(wǎng)等，通過(guò)ArcGIS 軟件分析形成洪水到達(dá)時(shí)間包絡(luò)圖，并將各方案淹沒(méi)范圍疊加得到可能的最大淹沒(méi)范圍，而后通過(guò)圖形文字要素結(jié)合的方式在地圖上直觀展示避洪區(qū)域、避險(xiǎn)單元、安置場(chǎng)所、最優(yōu)轉(zhuǎn)移路線等各個(gè)圖層，根據(jù)制圖規(guī)范要求，繪制出避洪轉(zhuǎn)移圖。

2 避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移分析方案

避洪轉(zhuǎn)移分析的目的是在歷年洪水資料計(jì)算出的洪水計(jì)算方案的基礎(chǔ)上編制避洪轉(zhuǎn)移圖，明確標(biāo)記反映避險(xiǎn)單元和安置區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及最優(yōu)轉(zhuǎn)移路線等基本信息，可為各級(jí)政府或防汛指揮機(jī)構(gòu)制定或完善防汛應(yīng)急預(yù)案，提供避洪轉(zhuǎn)移方案提供參考。

2.1 洪水到達(dá)時(shí)間包絡(luò)圖

洪水到達(dá)時(shí)間包絡(luò)圖，通俗意義上來(lái)說(shuō)即為洪水的淹沒(méi)歷程，對(duì)避洪轉(zhuǎn)移的過(guò)程控制以及方案設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。為滿足數(shù)據(jù)要求，針對(duì)同馬大堤防洪保護(hù)區(qū)的特點(diǎn)，結(jié)合確定的避洪轉(zhuǎn)移洪水量級(jí)，進(jìn)行洪水計(jì)算?？紤]到最壞的淹沒(méi)情況，提取各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)在各洪水淹沒(méi)歷程中的洪水的最短到達(dá)時(shí)間和最大水深值，并轉(zhuǎn)化ArcGIS 軟件識(shí)別格式。具體處理方式如下：

（1）提取洪水在演進(jìn)過(guò)程中不同時(shí)刻所有網(wǎng)格洪水淹沒(méi)水深的最大值、到達(dá)時(shí)間的最短值，并統(tǒng)計(jì)。

（2）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換ArcGIS 軟件識(shí)別格式，形成最大水深和最短到達(dá)時(shí)間包絡(luò)圖，在GIS 中動(dòng)態(tài)展示。

2.2 轉(zhuǎn)移單元及人員

避洪轉(zhuǎn)移單元的劃分原則為：蓄滯洪區(qū)、洪泛區(qū)（灘區(qū)）、中小河流等區(qū)域的轉(zhuǎn)移單元不大于自然村；防護(hù)保護(hù)區(qū)由于面積一般較大，轉(zhuǎn)移單元可以到鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)別；但若保護(hù)區(qū)面積小于500km2，則轉(zhuǎn)移的單元也不能大于行政村。為了更精確表達(dá)避洪轉(zhuǎn)移過(guò)程，本文同馬大堤區(qū)域的轉(zhuǎn)移單元為行政村。

避洪分區(qū)依據(jù)轉(zhuǎn)移方式（就地、異地安置、分批轉(zhuǎn)移）劃定。

使用ArcGIS 軟件工具,通過(guò)Spatial Analysis 功能，疊加保護(hù)區(qū)內(nèi)避洪區(qū)域范圍以及居民地圖層，分析計(jì)算出需要轉(zhuǎn)移的單元的人數(shù)，并統(tǒng)計(jì);疊加避洪轉(zhuǎn)移的單元圖層、單元內(nèi)包括公共設(shè)施以及避洪安全設(shè)施在內(nèi)等的建筑物圖層以及淹沒(méi)水深、洪水流速、淹沒(méi)歷時(shí)等洪水計(jì)算要素，分析計(jì)算從而確定避洪轉(zhuǎn)移安置方式以及需要轉(zhuǎn)移的總?cè)藬?shù)。相應(yīng)計(jì)算公式如下：

其中：i 為避險(xiǎn)單元，n 為避險(xiǎn)單元人數(shù)。

2.3 規(guī)劃安置場(chǎng)所

圖1 同馬大堤防護(hù)保護(hù)區(qū)54 型洪水20 年一遇最大淹沒(méi)水深圖

圖2 同馬大堤防護(hù)保護(hù)區(qū)54 型洪水20 年前鋒最短到達(dá)時(shí)間圖

表1 同馬大堤防洪保護(hù)區(qū)54 型洪水量級(jí)轉(zhuǎn)移安置計(jì)劃表

設(shè)定同馬大堤防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)的洪水水深約在>0.5m 淹沒(méi)范圍內(nèi)，同馬大堤防洪保護(hù)區(qū)避洪轉(zhuǎn)移安置區(qū)及范圍遵循如下基本原則：

（1）一定讓所有受災(zāi)群眾在避洪轉(zhuǎn)移過(guò)程中明確轉(zhuǎn)移的路線，以選擇最優(yōu)路徑，避免形成“人到洪水到”的不利局面；

（2）認(rèn)清路標(biāo)。轉(zhuǎn)移人群應(yīng)該按照指定的道路進(jìn)行轉(zhuǎn)移，為了防止盲目轉(zhuǎn)移，走錯(cuò)路、重回頭，應(yīng)在轉(zhuǎn)移隊(duì)伍中有很好識(shí)別的路標(biāo)；

（3）異地安置區(qū)應(yīng)與避洪單元對(duì)等，即村對(duì)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)；

（4）避洪轉(zhuǎn)移安置區(qū)可保障避洪人員基本生活；

（5）就近設(shè)置安置區(qū)，有安置預(yù)案區(qū)域充分利用已設(shè)安置區(qū)；

（6）首選公共建筑物、預(yù)設(shè)安置房等，其次選擇預(yù)設(shè)露天公共場(chǎng)所；

（7）安置場(chǎng)所在建筑物內(nèi)的人均面積應(yīng)不小于3m2，在露天區(qū)域人均應(yīng)不小于8m2；

（8）避洪轉(zhuǎn)移安置區(qū)高于最高洪水位1.0m 以上。

2.4 轉(zhuǎn)移路線

圖3 同馬大堤防護(hù)保護(hù)區(qū)道路和居民地分布圖

圖4 同馬大堤防護(hù)保護(hù)區(qū)54 型洪水避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移圖

轉(zhuǎn)移撤退路線的選擇會(huì)因?yàn)槭転?zāi)居民以及財(cái)產(chǎn)在撤退過(guò)程中影響因素過(guò)多而制約，如洪水淹沒(méi)的時(shí)間、洪水淹沒(méi)前進(jìn)的方向、避險(xiǎn)場(chǎng)所、轉(zhuǎn)移單元到避險(xiǎn)單元的距離、道路的級(jí)別、行人以及轉(zhuǎn)移車輛行進(jìn)的速度等等。

在此次的研究過(guò)程中, 我們主要只討論路線距離最短與轉(zhuǎn)移時(shí)間最短兩種情況，目的是能夠找到轉(zhuǎn)移居民點(diǎn)到安置場(chǎng)所之間的最優(yōu)轉(zhuǎn)移撤退路徑。

本次研究通過(guò)包絡(luò)圖確定需轉(zhuǎn)移的單元，通過(guò)避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移安置區(qū)選取的方案和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查以及人工等多種方式確定安置區(qū)，通過(guò)ArcGIS 軟件工具，建立轉(zhuǎn)移單元和安置區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)ArcGIS 軟件的Network Analyst 模塊最終建立轉(zhuǎn)移路線。

3 避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移成果分析

在避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移方案中,已經(jīng)確定了洪水包絡(luò)圖、轉(zhuǎn)移的單元和人數(shù)、安置區(qū)域、轉(zhuǎn)移路徑的分析方法。根據(jù)避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移的技術(shù)要求以及本文的計(jì)算方案，同馬大堤防護(hù)保護(hù)區(qū)中選擇的洪水量級(jí)為：54 型洪水、54 型+1 米洪水和54 實(shí)測(cè)洪水。此次成果以54 型洪水量級(jí)為例進(jìn)行介紹，詳細(xì)的成果分析如下介紹。

其最大淹沒(méi)、最短洪水達(dá)到時(shí)間如圖1-2 所示。

3.1 轉(zhuǎn)移單元、轉(zhuǎn)移人員、安置場(chǎng)所確定

在此方案中，淹沒(méi)范圍內(nèi)不安全人口約31.15 萬(wàn)人，其中洪水演進(jìn)時(shí)間小于12 小時(shí)的區(qū)域受災(zāi)居民第一批轉(zhuǎn)移人口共84477 人；演進(jìn)時(shí)間為12 至24 小時(shí)的區(qū)域受災(zāi)居民第二批轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移人口共31592 人；大于24 小時(shí)的區(qū)域則第三批轉(zhuǎn)移，人口共195434 人。 轉(zhuǎn)移單元安置區(qū)選擇采用層次分析法確定安置區(qū)權(quán)重排序選擇安置區(qū)。以楊林村單元為例，分析介紹層次分析法。

（1）建立目標(biāo)層和準(zhǔn)則層的遞階層次結(jié)構(gòu),用1～9 標(biāo)度構(gòu)造出影響因子判斷矩陣A={aij}n×n,設(shè)置“撤離時(shí)間”、“撤離距離”、“安置點(diǎn)容量”、“安置點(diǎn)安全狀況”為影響因子，分別為a1,a2,a3,a4，構(gòu)造判斷矩陣如下：

（2）建立準(zhǔn)則層和方案層的四個(gè)判斷矩陣，如下：

通過(guò)層次總排序，獲得安置區(qū)綜合權(quán)重，石林小學(xué)-0.2268，黃家堰村安置區(qū)-0.1673，楊林中心學(xué)校-0.6059。具體轉(zhuǎn)移安置方案見(jiàn)表1（展示部分?jǐn)?shù)據(jù)）。

3.2 轉(zhuǎn)移路線確定

確定好避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移單元和安置場(chǎng)所的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，通過(guò)AcrGIS的Network anlysis 功能，在研究區(qū)域內(nèi)的道路網(wǎng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，分析確定時(shí)間最短和距離最短兩種最佳避洪轉(zhuǎn)移路線。

同馬大堤防洪保護(hù)區(qū)的道路網(wǎng)絡(luò)空間分布如圖3 所示。

基于分析出的道路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，結(jié)合ArcGIS 平臺(tái)，分析確定時(shí)間最短、距離最短、兩種路線。進(jìn)而根據(jù)避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移圖的繪制要求，制作避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移圖，如圖4 所示。

結(jié)束語(yǔ)

本文借助ArcGIS平臺(tái)強(qiáng)大的疊加分析功能，利用研究區(qū)域內(nèi)的洪水風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移分析研究，為研究區(qū)域建立了比較有參考意義的洪澇災(zāi)害預(yù)防避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移方案。該研究尚處于初級(jí)階段，還需要進(jìn)一步深入研究與改善。