基于GIS技術的洪災損失快速評估方法在中小河流中的應用實踐

王 蕾，楊 洋

（1.陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院,陜西 西安 710018; 2.西安迪飛科技有限責任公司,陜西 西安 710018；3.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司,陜西 西安 710010）

1 引言

洪災損失評估是對洪水災害給人類生存和發(fā)展所造成的破壞或影響大小作定量評估[1]。依據(jù)評估工作時間一般分為災前評估、災中評估和災后評估。隨著科學技術的發(fā)展,大江大河及重要河流洪澇災害損失評估發(fā)展較快,災前評估、災中評估手段較為先進,但由于多數(shù)中小河流全面規(guī)劃資料缺乏、管理難度大、資金投入不到位、人員居住分散等客觀因素,各類高新模型方法因輸入資料受限而應用困難,災前評估、災中評估及應急措施研究亦難以開展,一旦洪水來臨,很難對洪災的影響面積和損失做出快速、準確的判斷,致使防汛管理人員應對能力較弱,不利于救災計劃的制定和實施。

本文以延安市中小河流西川河寶塔區(qū)段為例,說明在中小河流有限的資料條件下評估不同頻率洪水影響范圍和可能造成損失的方法。同時,建立災損曲線,為后期快速評估和防汛應急管理提供有效手段。評估的內(nèi)容包括：原始資料收集、洪水影響分析、評估指標體系確定、洪災損失計算和災損曲線確定。

2 研究區(qū)概況

2.1 河流概況

西川河是延河右岸支流,位于陜西省北部,發(fā)源地為陜西省志丹縣曹新莊,東南流經(jīng)志丹縣南部,至延安市楊家?guī)X入延河,行經(jīng)延安市志丹縣、安塞區(qū)、寶塔區(qū),全長65.3 km,流域面積809 km2。多年平均徑流量0.29 億m3。其中,西川河寶塔區(qū)段上起棗園水文站,下至延河口段,河道長約11 km,主要洪澇威脅來源于西川河干流洪水、延河干流洪水、干支流洪水遭遇等。

2.2 社會經(jīng)濟

寶塔區(qū)是延安市的政治、經(jīng)濟、文化中心。西川河流經(jīng)寶塔區(qū)寶塔山街道、棗園街道、鳳凰山街道三個下轄街道。2019 年,寶塔街道常駐人口50001人,棗園街道常駐人口16313 人,鳳凰山街道常駐人口50043人,全區(qū)總人口475003人,生產(chǎn)總值363.91億元,人均生產(chǎn)總值74135元,城鎮(zhèn)居民人均可支配收入36088元,農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值29.66億元,規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值173.04億元。

3 損失評估方案

3.1 技術路線

由于中小河流可利用資料有限,為實現(xiàn)現(xiàn)有資料快速評估,結合西川河的現(xiàn)狀設防標準、當?shù)噩F(xiàn)有洪水調度方案、洪水分析計算方案確定計算洪災影響的洪水量級和不同頻率沿河斷面洪水水位計算結果；利用Arcgis空間處理工具,將不同頻率斷面的洪水水位處理為帶水位的空間網(wǎng)格；通過空間地理關系,拓撲疊加空間網(wǎng)格與DEM高程數(shù)據(jù),獲得研究區(qū)不同頻率洪水發(fā)生時每個空間網(wǎng)格的水深,通過分析獲取洪水影響的范圍；根據(jù)實際,結合現(xiàn)有資料,確定研究區(qū)重點關注的評估指標,開展不同頻率洪水災害損失計算。建立典型斷面或控制點斷面洪水設計值與損失的災損曲線,便于救災計劃的制定和災情的快速應對。

3.2 原始資料收集

1）基礎地理資料：覆蓋研究區(qū)洪水計算范圍區(qū)域的地理信息資料,用于洪水影響分析和損失計算中相關空間疊加計算,至少包含線劃地形圖（DLG）、數(shù)字高程模型（DEM）、河流水系圖、行政區(qū)劃圖、土地利用圖。地圖比例尺依據(jù)研究區(qū)面積確定,如針對西川河延安市寶塔區(qū)段,比例尺應小于1∶10000,最小行政區(qū)劃至少到鄉(xiāng)鎮(zhèn),有條件的區(qū)域應到行政村。

2）水文及設計洪水資料：用于洪水影響分析計算,至少包含一維或二維水力學模型生成的不同頻率各斷面洪水計算成果表、斷面位置、不同頻率設計洪水位數(shù)據(jù)。

3）社會經(jīng)濟資料：用于評估指標體系確定和洪災損失計算,主要包括人口、耕地面積、地區(qū)生產(chǎn)總值、重要基礎設施、重點防洪保護對象等。資料詳細程度應與行政區(qū)劃圖匹配。

4）歷史洪水及洪水災害資料：研究區(qū)內(nèi)典型年份洪水造成的災害影響和損失資料,用于評估指標體系確定,重點收集洪水潰口位置、長度等潰口情況,淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時等淹沒特征,以及農(nóng)作物損失、人員傷亡等。

3.3 洪水影響分析

1）洪水量級方案和影響分析指標

根據(jù)西川河周邊防護實際情況,結合前期收集的水文及設計洪水資料,綜合確定用于計算洪災影響的洪水量級分別為10年、20年、30年、50年和100年。

2）水文及設計洪水資料矢量化

矢量化洪水計算成果表中的斷面,形成斷面shp線要素圖層,給圖層中各斷面要素添加不同頻率設計洪水位值屬性,制成斷面洪水位要素圖層。根據(jù)防洪預案,初步劃定可能的最大淹沒范圍為計算范圍。以計算范圍為邊界,利用Arcgis Toolbox工具集中TIN Management 工具,將斷面洪水位要素圖轉為TIN不規(guī)則三角網(wǎng),形成DEM數(shù)據(jù)（具體方法參考等高點、等高線轉DEM）后,通過Conversion Tools工具最終形成設計洪水網(wǎng)格面要素。

3）疊加分析

處理研究區(qū)數(shù)字高程模型（DEM）為地面高程網(wǎng)格,通過空間地理關系與設計洪水網(wǎng)格面要素進行拓撲疊加,以相同面域的設計洪水位與地面高程差值為淹沒水深,形成研究區(qū)不同洪水量級淹沒水深網(wǎng)格面。

4）洪災影響范圍

考慮西川河歷史洪水受災情況,提取各頻率淹沒水深大于0.5 cm網(wǎng)格面域,作為不同洪水量級的淹沒影響范圍。由于生成設計洪水網(wǎng)格面要素過程要對圖層數(shù)據(jù)進行概化,可能出現(xiàn)淹沒范圍不連續(xù)的情況,可根據(jù)河道堤防、護岸情況進行人工修正。

圖1 西川河不同洪水量級淹沒影響范圍

5）影響指標計算

西川河寶塔區(qū)段位于延安市城區(qū),是民族圣地、中國革命圣地,現(xiàn)存全國革命根據(jù)地城市中舊址保存規(guī)模最大、數(shù)量最多、布局最為完整的城市。因此,洪水影響分析主要考慮淹沒總面積、淹沒居民地面積、淹沒重點單位（主要包含革命地遺址、商業(yè)區(qū)等）數(shù)量、影響人口等指標。

將收集的寶塔區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃、居民地、重點單位等矢量圖層,通過空間地理關系與不同洪水量級的淹沒影響范圍網(wǎng)格面要素進行拓撲疊加,圖層相交部分即為受影響的行政區(qū)、居民地和重點單位。為提高影響人口測算的準確度,利用西川河周邊行政村點圖層與不同洪水量級的淹沒影響范圍網(wǎng)格面要素疊加,獲得受影響的具體村落后進行匯總統(tǒng)計。

表1 西川河不同洪水量級主要影響指標

3.4 評估指標體系

評估指標包括災損指標、損失率和資產(chǎn)單價三部分。

1）災損指標

結合研究區(qū)的重點關注因素,確定損失評估指標為居民房屋損失、家庭財產(chǎn)損失、工業(yè)資產(chǎn)損失、商業(yè)資產(chǎn)損失。

2）損失率

洪災損失通常是指某一頻率洪水不同淹沒水深所劃分區(qū)域內(nèi)各類財產(chǎn)的損失額,與同期擁有的各類財產(chǎn)額的比值[2]。由于洪水的隨機性,洪災損失率逐年逐次都不同。因此,可挑選近期多場具有代表性的典型洪水過程,從中求得多年平均值,來推斷和估算未來的洪災損失率,也可通過類比相似流域的方法估算洪災損失率,以提高對未來洪水損失預測的可靠性。

西川河洪災損失率主要采用類比法,參考《渭河下游南北兩岸防洪保護區(qū)洪水風險圖編制報告》《東莊水庫防洪保護區(qū)范圍涇、渭河下游洪災損失率調查表》,經(jīng)過現(xiàn)場調查修正后確定。

表2 西川河損失率統(tǒng)計表

3）資產(chǎn)單價

根據(jù)延安市寶塔區(qū)國民經(jīng)濟與社會發(fā)展統(tǒng)計資料和陜西省延安市2021 年第三季度價格水平,明確寶塔區(qū)下轄鄉(xiāng)鎮(zhèn)或行政村家庭人均收入、家庭財產(chǎn)情況、房屋建筑單價、工業(yè)及商業(yè)固定資產(chǎn)、流動資產(chǎn)和主營收入,作為洪災損失計算的輸入。

3.5 洪災損失計算

采取加權平均法,分別對各類損失等進行估算,如城鄉(xiāng)居民家庭財產(chǎn)、住房損失計算方法如下[3]：

式中：R家直損為城鄉(xiāng)居民家庭財產(chǎn)洪澇災直接損失值,元；R家損i為各類家庭財產(chǎn)洪災直接損失值,元；W家產(chǎn)ijk為第k級淹沒水深下,第i類第j種家庭財產(chǎn)災前價值,元；ηijk為第k級淹沒水深下,第i類第j種財產(chǎn)洪災損失率,%；n為財產(chǎn)類別數(shù)；m為各類財產(chǎn)種類數(shù)；l為淹沒水深等級數(shù)。

考慮到城鄉(xiāng)居民家庭財產(chǎn)種類的差別,可按城市（鎮(zhèn)）與鄉(xiāng)村分別計算居民家庭財產(chǎn)損失值,然后累加獲得[3]。

各類財產(chǎn)損失值的計算方法類似,各行政區(qū)的總損失包括居民房屋損失、家庭財產(chǎn)損失、工業(yè)和商業(yè)資產(chǎn),各行政區(qū)損失累加即可得出受影響區(qū)域的經(jīng)濟總損失,如下式[3]：

式中：Ri為第i個行政分區(qū)的各類損失總值,元；Rij為第i個行政分區(qū)內(nèi),第j類損失值；n為行政分區(qū)數(shù)；m為損失種類數(shù)。

3.6 災損曲線確定

選取西川河延安市寶塔區(qū)段上游棗園水文站為洪災損失評估控制站,分別建立棗園水文站流量與淹沒總面積、受影響人口和洪災總損失等不同評估指標的關系曲線,利于防汛管理人員實際應用?？刂普究筛鶕?jù)實際情況選擇研究區(qū)河段上游具有觀測條件的站點或設施,若控制站資料齊全,針對暴雨為主要洪水來源的區(qū)域,可同時繪制雨量與不同評估指標的關系曲線,便于與山洪災害防治區(qū)河流建立水旱災害聯(lián)動預警機制,強化災害損失評估在山洪預警中的深入應用。

圖2 控制站流量—淹沒面積關系曲線圖

4 結語

本文在現(xiàn)有資料有限的情況下,為中小河流防汛管理人員提供了可行的洪災損失快速評估方法,建立災損曲線,便于災前快速預測可能的受災區(qū)域,災中迅速制定救災計劃,同時災后能夠有針對性的核實受災情況,以彌補應急措施缺乏的狀況,提高救災管理水平。