基于GIS的廣西洪澇災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性評估*

莫建飛，陸甲，李艷蘭，陳燕麗

(1.廣西氣象減災(zāi)研究所，廣西南寧530022;2.國家衛(wèi)星氣象中心遙感應(yīng)用試驗(yàn)基地，廣西南寧530022;3.廣西氣象氣候中心，廣西南寧530022)

廣西地處我國南部沿海，地貌類型復(fù)雜多樣，地勢自西北向東南傾斜，河網(wǎng)密集，受季風(fēng)的影響，暴雨出現(xiàn)頻率大，暴雨量大，降水歷時(shí)短，水位變幅大，石灰?guī)r分布廣，排水不暢，易暴雨成災(zāi)，成為我國洪澇多發(fā)區(qū)之一［1］。頻繁的洪澇災(zāi)害使廣西經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，給人民帶來了巨大的災(zāi)難。研究廣西洪澇災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境本底條件，尋求合理的區(qū)劃，對廣西防災(zāi)減災(zāi)對策與措施的制定具有重要意義。

孕災(zāi)環(huán)境敏感性是指受到氣象災(zāi)害威脅的所在地區(qū)外部環(huán)境對災(zāi)害或損害的敏感程度。在同等強(qiáng)度的災(zāi)害情況下，敏感程度越高，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(xiǎn)也越大。目前許多學(xué)者根據(jù)地域的氣候特點(diǎn)分析了不同地區(qū)的孕災(zāi)因子對洪澇災(zāi)害形成的影響。童億勤［2］等認(rèn)為寧波水旱災(zāi)害的孕災(zāi)環(huán)境是在天氣氣候因子、地貌因子、水文因子、土壤植被因子、社會經(jīng)濟(jì)因子、防洪抗旱能力因子等自然因素和人為因素的共同作用下產(chǎn)生和發(fā)展的。邵曉梅［3］等從自然地域分異規(guī)律的角度出發(fā)，分析了河北省旱澇災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境的氣候、地貌、水文三要素對洪澇災(zāi)害形成的影響。萬君［4］等認(rèn)為地形及河網(wǎng)、江、河、湖泊和水庫的分布以及土地覆蓋類型對湖北省洪災(zāi)的危險(xiǎn)性最大。洪澇災(zāi)害的形成因子均具有較強(qiáng)的空間變異性，可用空間分布數(shù)據(jù)來表現(xiàn)［5］。鑒于GIS強(qiáng)大的空間分析能力，洪澇災(zāi)害的評估方法與區(qū)劃方面的研究也取得了許多顯著的成果［5－10］。但是目前尚未見到應(yīng)用GIS技術(shù)對廣西洪澇災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境研究的相關(guān)報(bào)道。本文從廣西洪澇形成的背景與機(jī)理分析，根據(jù)洪澇災(zāi)害成因［11］，孕災(zāi)環(huán)境主要考慮地形、水系、植被等因子對洪澇災(zāi)害形成的綜合影響。以1∶5萬基礎(chǔ)地理信息資料、TM遙感資料為主要數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS和RS技術(shù)，采用加權(quán)綜合評價(jià)法計(jì)算洪澇災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性集成化指數(shù)，繪制廣西洪澇災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感區(qū)劃圖，為廣西洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)源與處理

1.1 洪澇災(zāi)害資料

洪澇災(zāi)害資料主要包括廣西歷史旱澇監(jiān)測公報(bào)和氣候?yàn)?zāi)害專題評價(jià)數(shù)據(jù)，由廣西氣候中心提供。經(jīng)整理與統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用GIS技術(shù)，繪制廣西洪澇災(zāi)害頻率區(qū)劃圖［12］。

1.2 地理信息數(shù)據(jù)

地理信息資料主要包括廣西1∶5萬的境界、水系、居民點(diǎn)、DEM(數(shù)字高程模型)等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。

1.3 遙感影像數(shù)據(jù)

遙感影像數(shù)據(jù)有2007－2008年廣西范圍內(nèi)的18景TM數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，分析林地、灌草、農(nóng)用地的影像光譜特征以及R、G、B假彩色合成的信息差異，建立植被信息解譯的影像標(biāo)志和信息提取模型，采用掩膜技術(shù)，決策樹分類方法提取植被信息，并結(jié)合野外驗(yàn)證結(jié)果，進(jìn)行人機(jī)交互修正分類結(jié)果，得到廣西植被遙感分類信息［13］。

2 孕災(zāi)環(huán)境敏感性評估指標(biāo)體系

廣西洪澇災(zāi)害的時(shí)空分布特點(diǎn)受亞熱帶季風(fēng)氣候和廣西盆地與喀斯特等地貌控制，還受到水系形式及植被等因素的影響［14］。廣西水系的上游支流多，集水面積大，而中下游往往為單一河道，由于廣西地貌有大盆地套著小盆地的特點(diǎn)，上游河床縱坡降與中下游的相差極大，因而中下游河流宣泄能力總是不能適應(yīng)上游補(bǔ)給強(qiáng)度，造成中下游洪水大量壅積，泛濫成災(zāi)。全區(qū)森植被蓋率雖然不算太低，但是喀斯特地區(qū)面積廣大，地表巖石裸露，土被稀薄且分布不連續(xù)，水土保持功能差。且負(fù)地形封閉，谷洼地落水洞狹窄易被堵，暴雨時(shí)常集水成澇。因此，本文根據(jù)因子選擇的主導(dǎo)性、穩(wěn)定性、代表性、差異性等原則，主要選擇地形、水系、植被等下墊面因素對洪澇災(zāi)害形成的綜合影響，建立孕災(zāi)環(huán)境敏感性評價(jià)指標(biāo)體系(表1)。利用AHP法構(gòu)造因素遞階層次結(jié)構(gòu)，請專家對因素兩兩比較重要性，再利用歸一法，層層得出各層對上層因子的權(quán)重，最后確定目標(biāo)層的權(quán)重。通過一次性檢驗(yàn)，CR＜0.1。

表1 廣西洪澇災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性評估指標(biāo)體系

2.1 地形評估指標(biāo)

地形因子主要考慮地勢和地形變化兩個(gè)指標(biāo)。地勢采用高程表示，地形變化采用高程標(biāo)準(zhǔn)差表示。根據(jù)地形高程的大小，將廣西的地勢分為4級:一級≤100 m、100 m＜二級＜300 m、300 m＜三級＜700 m、四級≥700 m。根據(jù)高程標(biāo)準(zhǔn)差大小，將地形變化分3級評估:一級≤1 m、1 m＜二級＜10 m、三級≥10 m。高程越低、高程標(biāo)準(zhǔn)差越小，影響值越大，敏感性越大，洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性越大，越有利于形成澇災(zāi)。通過專家打分對地勢和高程標(biāo)準(zhǔn)差的不同組合進(jìn)行賦值(表2)。

表2 地形因子賦值表

2.2 水系評估指標(biāo)

水系因子主要考慮河網(wǎng)密度和距離水體的遠(yuǎn)近兩個(gè)指標(biāo)。河網(wǎng)密度是指單位流域面積上的河流總長度，在ArcMap9.2中，利用“Density”將廣西1∶5萬河流進(jìn)行計(jì)算。河流按大小分為二級，其中一級河流，包括珠江(南盤江－紅水河－黔江－潯江－西江)、長江(湘江、資江等)、桂南獨(dú)流入海(南流江、欽江、北侖河等)、百都河等4大水系的干流，二級河流，包括4大水系的支流和其它河流等。湖泊、水庫按水域面積分為4級:0.1萬km2＜一級＜1萬km2，1萬km2＜二級＜10萬km2，10萬km2＜三級＜20萬km2，四級＞20萬km2。采用GIS的緩沖區(qū)分析功能，將距離水體遠(yuǎn)近的影響分為一級緩沖區(qū)和二級緩沖區(qū)，并給予0～1之間適當(dāng)?shù)挠绊懸蜃又?，原則是一級河流和大型水體的一級緩沖區(qū)內(nèi)賦值最大，二級河流和小型水體的二級緩沖區(qū)賦值最小(表3、表4)。

表3 湖泊和水庫緩沖區(qū)等級和寬度的劃分標(biāo)準(zhǔn)

表4 河流緩沖區(qū)等級和寬度的劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.3 植被評估指標(biāo)

植被因子采用植被覆蓋度作為評估指標(biāo)。植被覆蓋度是指有植被的面積占土地總面積的百分比。利用TM遙感植被分類信息，計(jì)算廣西植被覆蓋度指數(shù)(VCI):

式中:VCI為植被覆蓋度指數(shù);SA為區(qū)域面積;PF為林地生長期;SF為林地面積;PG為草地生成期;SG為草地面積;PC為農(nóng)田生成期;SC為農(nóng)田面積;Di為一段時(shí)間內(nèi)(一個(gè)月、一個(gè)季度、一年)植被的生長天數(shù);DS為是一段時(shí)期內(nèi)(一個(gè)月、一個(gè)季度、一年)的總天數(shù)。

根據(jù)廣西植被的生長特點(diǎn)，確定林地生長期為1，草地生長期為0.75，農(nóng)田生長期為0.75，計(jì)算廣西各縣市的植被覆蓋度指數(shù)。由于植被具有強(qiáng)烈的水土保持功能，因此，植被覆蓋度越大，表示一個(gè)地方的植被越多，暴雨洪澇災(zāi)害的環(huán)境敏感性越小，洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)越小。

3 關(guān)鍵技術(shù)與方法

3.1 規(guī)范化方法

洪澇災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性包含若干個(gè)指標(biāo)，為了消除各指標(biāo)的量綱和數(shù)量級的差異，需對每一個(gè)指標(biāo)值進(jìn)行規(guī)范化處理。

式中:Dij是j區(qū)第i個(gè)指標(biāo)的規(guī)范化值，Aij是j區(qū)第i個(gè)指標(biāo)值;mini和maxi分別是第i個(gè)指標(biāo)值中的最小值和最大值。

3.2 加權(quán)綜合評價(jià)法

加權(quán)綜合評價(jià)法綜合考慮各個(gè)具體指標(biāo)對評價(jià)因子的影響程度，是把各個(gè)具體指標(biāo)的作用大小綜合起來，用一個(gè)數(shù)量化指標(biāo)加以集中:

式中:V是評價(jià)因子的值;Wi是指標(biāo)i的權(quán)重;Di是指標(biāo)i的規(guī)范化值;n是評價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。權(quán)重Wi的確定可由各評價(jià)指標(biāo)對所屬評價(jià)因子的影響程度重要性，根據(jù)專家意見，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況討論確定。

3.3 自然斷點(diǎn)分級法

自然斷點(diǎn)分級法用統(tǒng)計(jì)公式來確定屬性值的自然聚類，是減少同一級中的差異，增加級間的差異。

也可表示為:

式中:A是一個(gè)數(shù)組(數(shù)組長度為N)，meani－j為每個(gè)等級中的平均值。

3.4 孕災(zāi)環(huán)境敏感性區(qū)劃

在GIS中采用100 m×100 m的網(wǎng)格分別計(jì)算各孕災(zāi)因子影響指數(shù)，經(jīng)歸一化處理后，采用加權(quán)綜合評價(jià)法，計(jì)算廣西洪澇災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性評估指數(shù)。再利用自然斷點(diǎn)分級法，將孕災(zāi)環(huán)境敏感性指數(shù)劃分為5級，繪制廣西孕災(zāi)環(huán)境敏感性區(qū)劃圖(圖1)。

低敏感區(qū):主要包括西林、隆林、田林、樂業(yè)、天鵝、南丹、鳳山、凌云、那坡、靖西、金秀、資源等大部分區(qū)域和百色、德保、東蘭、大化、龍勝、融水等縣市的局部區(qū)域。該區(qū)以海拔500 m以上山地為主，地勢高、高差大，水系不發(fā)達(dá)，以林地為主，植被覆蓋度高，具有強(qiáng)烈的水土保持功能，孕災(zāi)環(huán)境敏感性低，不容易孕育洪澇災(zāi)害。

次低敏感區(qū):主要包括河池、都安、環(huán)江、三江、天等、田東、寧明、全州、灌陽等大部分區(qū)域和賀州、蒼梧、岑溪、容縣、上思、龍州、大新、田陽、平果、德保、巴馬、馬山、忻城等縣市的局部區(qū)域。該區(qū)主要以高丘陵、喀斯特地貌主要為主，地勢較高，高差較大，水系不發(fā)達(dá)，植被以林地和灌草為主，植被覆蓋度較高，具有較強(qiáng)的水土保持功能，孕災(zāi)環(huán)境敏感性較低，較不容易孕育洪澇災(zāi)害。

中敏感區(qū):主要包括崇左、扶綏、上思、鹿寨、柳江等縣市的大部區(qū)域，百色、平果、山林、馬山、宜州、合山、象州、武宣等縣市的局部區(qū)域，桂西北的二級河流一級緩沖區(qū)，右江、左江、西江的二級緩沖區(qū)。該區(qū)主要以中低丘陵為主，地勢較低，高差較小，河網(wǎng)較密集，植被主要以林地、農(nóng)作物為主，植被覆蓋度一般，孕災(zāi)環(huán)境敏感性中等，較容易孕育洪澇災(zāi)害。

次高敏感區(qū):主要包括南寧、武鳴、欽州、防城港、靈山、橫縣、貴港、桂平、柳州、柳城、桂林、富川等縣市的大部分區(qū)域，右江、左江、西江、桂江、湘江的一級緩沖區(qū)，一級、二級水庫湖泊的一級緩沖區(qū)。該區(qū)主要以平原為主，地勢低，高差小，河網(wǎng)密集，植被主要以農(nóng)作物為主，植被覆蓋度小，孕災(zāi)環(huán)境敏感性高，容易孕育洪澇災(zāi)害。

圖1 廣西孕災(zāi)環(huán)境敏感性區(qū)劃圖

高敏感區(qū):主要包括北海、合浦、欽州、橫縣、桂平、平南、玉林等縣市的大部分區(qū)域，南寧、賓陽、貴港、來賓、靈山、東興、博白、陸川等縣市的局部區(qū)域，邕江、郁江、西江、黔江、洪水河、柳江、南流江、欽江和大王灘水庫、洪朝江水庫、合浦水庫等主干河流與大型水庫湖泊的緩沖區(qū)。該區(qū)主要以河流沖積平原為主，較大平原有潯江平原、郁江平原、賓陽平原、南流江三角洲等，地勢很低，高差很小，河網(wǎng)很密集，植被主要以農(nóng)作物為主，植被覆蓋度小，孕災(zāi)環(huán)境敏感性很高，最容易發(fā)生洪水泛濫。

3.5 結(jié)果驗(yàn)證

用廣西洪澇災(zāi)害頻率區(qū)劃圖(圖2)與孕災(zāi)環(huán)境敏感性區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明，區(qū)劃結(jié)果與洪澇災(zāi)害頻率分布區(qū)基本吻合。廣西洪澇頻率的高值區(qū)與高、次高敏感區(qū)均分布在北海、欽州、防城港三市大部，桂林市中部，柳州市北部各縣及桂平、東興、博白、陸川等地，頻率在80%以上(其中沿海的北海市城區(qū)、欽州市城區(qū)、東興、防城港、博白等地頻率為90%～100%);洪澇頻率低值區(qū)與低、次低敏感區(qū)均分布在百色市的隆林、西林、樂業(yè)、那坡、田陽、寧明、灌陽等地，頻率只有30%～50%;其余縣市，如崇左、扶綏、上思、平果、宜州、象州等洪澇頻率為50%～80%，與中敏感區(qū)也基本吻合。

4 結(jié)論與討論

圖2 廣西洪澇災(zāi)害頻率區(qū)劃圖

(1)本文采用GIS、RS技術(shù)對廣西洪澇災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境進(jìn)行敏感性評估研究在廣西屬于首例，本研究應(yīng)用GIS、專家評判和AHP法，建立廣西洪澇災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性評估指標(biāo)體系，采用加權(quán)綜合評價(jià)法計(jì)算孕災(zāi)環(huán)境敏感性指數(shù)，并進(jìn)行廣西洪澇災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性區(qū)劃，劃分出廣西低敏感、次低敏感、中等敏感、高敏感五個(gè)區(qū)域，并用歷史洪澇災(zāi)害頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果表明區(qū)劃結(jié)果和實(shí)際洪澇災(zāi)害頻率分布區(qū)基本吻合，可為廣西防災(zāi)減災(zāi)工作提供技術(shù)支持科學(xué)依據(jù)。

(2)從區(qū)劃結(jié)果可知，地勢越低、高差越小，河網(wǎng)越密集、植被覆蓋度越低的區(qū)域越容易孕育洪澇災(zāi)害。廣西洪澇災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境低敏感區(qū)主要分布在海拔500 m以上的桂西北百色市區(qū)域，高敏感區(qū)主要分布在北海、欽州、防城港等沿海地帶，右江、左江、邕江、郁江、潯江、柳江、桂江等河流沿岸，潯江平原、郁江平原、賓陽平原、南流江三角洲等平原地區(qū)。

(3)1∶5萬高精度DEM、水系數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地表現(xiàn)廣西地形、河流、水庫、湖泊的空間分布，能很好地反映對廣西洪澇災(zāi)害形成的影響?；赥M中分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取的廣西林地、灌草、農(nóng)用地三種植被，根據(jù)廣西植被生長特點(diǎn)，能準(zhǔn)確地計(jì)算植被覆蓋度。但是由于洪澇災(zāi)害形成、發(fā)展的復(fù)雜性，下墊面影響因子眾多，要完全定量準(zhǔn)確地分析洪澇災(zāi)害孕災(zāi)本底環(huán)境敏感性存在一定的難度。目前評估結(jié)果尚難以做到與實(shí)際完全吻合，還需要不斷地深入研究，作出更加符合實(shí)際的洪澇災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性評估。

(4)孕災(zāi)環(huán)境敏感性因子是廣西洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估一項(xiàng)重要的本底條件，結(jié)合致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體易損性、抗災(zāi)能力等評估指標(biāo)，建立廣西洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估模型，繪制基于GIS的廣西洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，可為有關(guān)部門災(zāi)害管理和減災(zāi)決策制定提供參考依據(jù)。

［1］胡小軍，延軍，維新．1950年以來廣西洪澇災(zāi)害及趨勢預(yù)測［J］．災(zāi)害學(xué)，1999，14(4):27－31．

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