南疆暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

王小亞，馬 諾，李海花*，毛子卿，張云惠

（1.伊吾縣氣象局，新疆 伊吾 839300；2.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；3.喀什地區(qū)氣象局，新疆 喀什 844000）

暴雨洪澇災(zāi)害每年汛期均有發(fā)生，是我國最主要的氣象災(zāi)害之一[1-2]。暴雨災(zāi)害風(fēng)險評估始于20世紀(jì)30年代，由美國田納西河流域管理局提出洪水災(zāi)害評價理論方法[3]。王艷君等[4]利用1984—2012年中國暴雨洪澇災(zāi)害和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，分析了災(zāi)害暴露度范圍，暴露度總體呈顯著增加趨勢，高暴露區(qū)域主要在沿海省（市）；災(zāi)害脆弱性高值區(qū)主要分布在長江中游沿岸。謝五三等[5]利用氣象、水文、地理信息、社會經(jīng)濟統(tǒng)計及歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)，運用TOPMODEL水文模型進行洪水淹沒模擬得到不同重現(xiàn)期下洪水淹沒圖，再疊加不同承載體信息，得出不同的風(fēng)險區(qū)劃圖。研究人員[6-13]基于風(fēng)險評估原理，從致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性和防災(zāi)減災(zāi)能力等方面，利用氣象資料、自然地理和社會經(jīng)濟等數(shù)據(jù)，采用加權(quán)綜合評價法和層次分析法，得出本區(qū)域暴雨災(zāi)害綜合風(fēng)險區(qū)劃圖，對防災(zāi)減災(zāi)起到了一定的指導(dǎo)作用。

新疆雖然是干旱半干旱區(qū)，近36 a有18 a暴雨洪澇災(zāi)害的直接經(jīng)濟損失居所有氣象災(zāi)害損失的第一位[14]，具有暴雨洪澇種類多、直接經(jīng)濟損失明顯上升的規(guī)律[15-18]。而南疆地區(qū)由于干旱少雨且暴雨次數(shù)雖不多，但一次強降水往往能沖壞公路、鐵路、橋梁、阻斷交通、淹沒農(nóng)田，造成巨大損失。南疆洪水多以暴雨洪澇為主，隨著氣候變化和區(qū)域氣候變暖增濕，洪災(zāi)發(fā)生的不確定性和突發(fā)性也有所增加[19-20]。降水量可作為新疆易災(zāi)暴雨的風(fēng)險區(qū)劃指標(biāo)[21]；暴雨洪澇災(zāi)害損失與年降水量、GDP指標(biāo)均有顯著正相關(guān)[22]；1961—2019年新疆暴雨山洪災(zāi)害強度呈上升趨勢，年災(zāi)損指數(shù)也呈線性增長趨勢[23]。魏艷英等[24]利用降水?dāng)?shù)據(jù)和災(zāi)情資料等對南疆暴雨洪澇災(zāi)害進行分析，得出暴雨日數(shù)大值區(qū)主要在克州及山區(qū)；喀什地區(qū)暴雨洪澇災(zāi)情發(fā)生頻次最多；阿克蘇地區(qū)受災(zāi)人口、農(nóng)作物受災(zāi)面積、直接經(jīng)濟損失均最多。上述研究從不同角度對新疆暴雨災(zāi)害進行分析，為新疆暴雨洪澇災(zāi)害分析評估提供了參考，但從致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境方面對南疆暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃分析較少。為此，本文充分利用2010—2020年南疆氣象觀測站逐小時降水、南疆各縣（市）暴雨洪澇災(zāi)情數(shù)據(jù)，結(jié)合孕災(zāi)環(huán)境，基于GIS技術(shù)對南疆暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險進行研究，以期提升對南疆暴雨洪澇災(zāi)害的客觀認(rèn)識及危險性評價水平，為合理制定防災(zāi)減災(zāi)措施以及防洪避險規(guī)劃提供科學(xué)參考和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南疆由巴音郭楞蒙古自治州（以下簡稱“巴州”）、阿克蘇地區(qū)、喀什地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州（以下簡稱“克州”）、和田地區(qū)5個行政區(qū)組成（圖1）?？偯娣e為106.34×106hm2，約占新疆總面積的64%。南疆是典型的大陸性干旱氣候，塔里木盆地及周邊平原區(qū)是暖溫帶大陸性干旱氣候和綠洲氣候，山間盆地呈溫帶、中溫帶大陸性氣候，而周邊的高山區(qū)因氣候干燥寒冷，與盆地氣候相反。天山的高山帶是半干旱半濕潤高寒山地氣候，帕米爾高原、昆侖山、阿爾金山的高山帶是干旱半干旱高寒山地氣候。南疆各地降水差異大，總的分布特點為北部多，南部少，山區(qū)多，平原少，盆地沙漠區(qū)更少，山區(qū)迎風(fēng)坡多，背風(fēng)坡少。

圖1 南疆5地（州）分布

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 資料

利用2010—2020年南疆5地（州）44個國家站和623個區(qū)域站降水資料；暴雨洪澇災(zāi)害來自中國氣象局災(zāi)情直報系統(tǒng)中的災(zāi)情數(shù)據(jù)，考慮到數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性，對收集到的災(zāi)情數(shù)據(jù)進行逐條整理和核對，剔除有誤的數(shù)據(jù)，有終報的以終報為準(zhǔn)，無終報數(shù)據(jù)以初報或續(xù)報為主（1條災(zāi)情統(tǒng)計1次）。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

（1）相關(guān)分析方法是Pearson相關(guān)，軟件是SPSS。

Pearson計算公式為：

式中，xi為變量x的第i個值，yi為變量y的第i個值為變量x的樣本均值，為變量y的樣本均值，n 為樣本容量。在給定顯著性水平下，對計算出的相關(guān)系數(shù)根據(jù)相關(guān)系數(shù)檢驗表進行顯著性檢驗[22]。

（2）歸一化處理方法。

式中，Di是歸一化數(shù)值，Xi是樣本數(shù)據(jù)，Xmin和Xmax分別是樣本數(shù)據(jù)中的最小值和最大值。

（3）百分位數(shù)法，又稱為百分位數(shù)，是數(shù)據(jù)統(tǒng)計中一種常用方法。把一組統(tǒng)計數(shù)據(jù)按其數(shù)值從小到大順序排列，并按數(shù)據(jù)個數(shù)100等分。在第P個分界點（稱為百分位點）上的數(shù)值，稱為第P個百分位數(shù)（P=1，2，…，99）。在第P個分界點到第P+1個分界點之間的數(shù)據(jù)，稱為處于第P個百分位數(shù)。百分位數(shù)計算公式如下：

式中，Pm為第m個百分位數(shù)，N為總頻次，L為Pm所在組的下限，U為Pm所在組的上限，f為Pm所在組的次數(shù)，F(xiàn)h為小于L的累積次數(shù)，F(xiàn)n為大于U的累積次數(shù)，i為組距。

（4）自然斷點法，是一種地圖分級算法[25]。

2.3 結(jié)果分析

暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險是致災(zāi)因子易發(fā)性（主要指氣象因子）、孕災(zāi)環(huán)境敏感性（包括地形、水系、下墊面類型等方面）、承災(zāi)體易損性（人口密度和經(jīng)濟價值總量等方面）和防災(zāi)抗災(zāi)能力（資金投入的多少及交通的發(fā)達程度等方面）綜合作用的結(jié)果，其中致災(zāi)因子易發(fā)性和孕災(zāi)環(huán)境敏感性為自然屬性，共同構(gòu)成暴雨洪澇災(zāi)害的危險性，他們決定了暴雨洪澇災(zāi)害發(fā)生的可能性和自然災(zāi)害發(fā)生的嚴(yán)重程度[26]。

2.3.1 致災(zāi)因子識別

選擇表達單站暴雨過程強度的指標(biāo)組成致災(zāi)因子庫，包括1 h最大降水量R1h、3 h最大降水量R3h、6 h最大降水量R6h、12 h最大降水量R12h、24 h最大降水量R24h、暴雨持續(xù)天數(shù)Iday。

由于暴雨洪澇災(zāi)害事件的災(zāi)情要素較多，利用數(shù)據(jù)相對完整的受災(zāi)人口、直接經(jīng)濟損失、農(nóng)作物受災(zāi)面積3項災(zāi)損指標(biāo)（一共有122個樣本，每個樣本均有受災(zāi)人口、直接損失、農(nóng)作物受災(zāi)面積和對應(yīng)逐1、3、6、12、24 h降水?dāng)?shù)據(jù)），使用Pearson相關(guān)系數(shù)計算方法，分別計算歸一化處理的災(zāi)損指標(biāo)與歸一化處理后的暴雨過程各個特征量的相關(guān)系數(shù)，選取通過顯著性檢驗（α=0.05）的因子作為暴雨評估指標(biāo)。通過災(zāi)損指標(biāo)和致災(zāi)因子庫中各因子的關(guān)系分析，確定致災(zāi)因子（表1）。

表1 災(zāi)損指標(biāo)與暴雨評估指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

由表1可知，暴雨評估指標(biāo)R6h、R12h、R24h均與各災(zāi)損指標(biāo)相關(guān)性較好，因此選取R6h、R12h、R24h作為南疆暴雨洪澇的致災(zāi)因子。

2.3.2 災(zāi)損指標(biāo)等級劃分

災(zāi)損指標(biāo)進行歸一化處理后再根據(jù)百分位法，分別取50%、75%、90%，得到災(zāi)損指標(biāo)4級對應(yīng)閾值（表2），根據(jù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)得到南疆各縣（市）災(zāi)損指標(biāo)等級圖（圖2）。

表2 各災(zāi)損指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

從圖2可知，受災(zāi)人口特重的區(qū)域均在和田地區(qū)（洛浦縣、墨玉縣和于田縣）；受災(zāi)嚴(yán)重區(qū)域前三位是皮山縣、葉城縣、和田市；受災(zāi)較重區(qū)域前三位是岳普湖縣、策勒縣、烏什縣。直接經(jīng)濟損失特重區(qū)域為和靜縣、沙雅縣、烏什縣；嚴(yán)重區(qū)域前三位為洛浦縣、莎車縣、溫宿縣；較重區(qū)域前三位為阿克蘇市、阿克陶縣、拜城縣。農(nóng)作物受災(zāi)特重的區(qū)域為阿克蘇地區(qū)的沙雅縣、喀什地區(qū)的英吉沙縣和岳普湖縣；嚴(yán)重區(qū)域前三位為阿克陶縣、麥蓋提縣、皮山縣；較重區(qū)域前三位為拜城縣、和靜縣、和碩縣。近10 a和田地區(qū)的災(zāi)損指標(biāo)最嚴(yán)重。

圖2 南疆各縣暴雨洪澇災(zāi)損指標(biāo)等級

2.3.3 致災(zāi)因子危險性評估

致災(zāi)危險性評估主要考慮暴雨事件和孕災(zāi)環(huán)境，由年雨澇指數(shù)和暴雨孕災(zāi)環(huán)境影響兩部分組成。

（1）雨澇指數(shù)計算。

單站暴雨過程強度指數(shù)IR的計算：

式中，R6h、R12h、R24h均做歸一化處理，A、B、C為權(quán)重系數(shù)。結(jié)合區(qū)域自動站資料，選取1 568個樣本數(shù)據(jù)，利用信息熵權(quán)法，得到權(quán)重系數(shù)分別為0.5、0.3、0.2，計算各站暴雨過程強度指數(shù)。累加當(dāng)年逐場暴雨過程強度值，得到年雨澇指數(shù)。該指數(shù)用來計算致災(zāi)因子危險性指數(shù)。

（2）暴雨孕災(zāi)環(huán)境影響系數(shù)。

暴雨孕災(zāi)環(huán)境指暴雨影響下，對形成洪澇、泥石流、滑坡、城市內(nèi)澇等次生災(zāi)害起作用的自然環(huán)境。暴雨孕災(zāi)環(huán)境對暴雨成災(zāi)危險性起擴大或縮小作用。暴雨孕災(zāi)環(huán)境主要考慮地形、河網(wǎng)水系易發(fā)條件等。

對地形、水系易發(fā)條件進行加權(quán)綜合來計算暴雨孕災(zāi)環(huán)境影響系數(shù)Ie（圖3a）。

式中，Icmin為區(qū)域內(nèi)的最小暴雨孕災(zāi)環(huán)境綜合指數(shù)，Icmax為區(qū)域內(nèi)的最大暴雨孕災(zāi)環(huán)境綜合指數(shù)，C為常數(shù)0.2。

暴雨孕災(zāi)環(huán)境綜合指數(shù)Ic（圖3b）。

圖3 Ie值（a）和Ic值（b）分布

式中，Wh、Wr分別為地形影響系數(shù)Ph、水系影響系數(shù)Pr的系數(shù)，按照南疆地形及水系特點，Wh和Wr分別定為0.5。

水系影響系數(shù)Pr主要考慮評估點距離水體的遠近和所在區(qū)域的水網(wǎng)密度，分別用水體距離系數(shù)Prd和水網(wǎng)密度系數(shù)Prm表示。一般來說，距離河流、湖泊、大型水庫等越近的地方，河網(wǎng)越密集的區(qū)域遭受洪澇災(zāi)害的風(fēng)險越大。水系影響系數(shù)Pr為水體距離系數(shù)Prd和水網(wǎng)密度系數(shù)Prm的平均值。水體距離系數(shù)根據(jù)表3按距離水體（河流、湖泊、水庫）的遠近取相應(yīng)的數(shù)值，水網(wǎng)密度系數(shù)為單位面積內(nèi)自然和人工河道的總長度，按表4進行賦值。

表3 水體面積、距離水體距離、水體距離系數(shù)

表4 水網(wǎng)密度與對應(yīng)的水網(wǎng)密度系數(shù)

2.3.4 暴雨洪澇災(zāi)害危險性區(qū)劃

致災(zāi)因子危險性指數(shù)=（1+暴雨孕災(zāi)環(huán)境影響系數(shù)）×年雨澇指數(shù)。

在收集整理資料的同時，綜合考慮影響南疆暴雨洪澇危險性的致災(zāi)因子、暴雨孕災(zāi)環(huán)境的地形因子、水系因子各指標(biāo)，利用ArcGIS系統(tǒng)的提取、標(biāo)識等功能，將各個因子的值對應(yīng)到每個柵格，利用自然斷點法，得到每個致災(zāi)因子危險性指數(shù)，將南疆暴雨洪澇災(zāi)害危險性指數(shù)劃為4個等級：低危險區(qū)、中低危險區(qū)、中高危險區(qū)、高危險區(qū)（圖4）。

圖4 南疆暴雨洪澇災(zāi)害致災(zāi)因子風(fēng)險區(qū)劃

南疆暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險整體分布呈現(xiàn)北部高于南部，西部高于東部，山區(qū)高于平原。暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險高的前三位是阿克蘇地區(qū)烏什縣英阿瓦提北村、和田地區(qū)于田縣蘭干鄉(xiāng)昆侖渠首村，奧依托格拉克鄉(xiāng)山洪村和沙漠玫瑰基地，皮什蓋村和阿克蘇地區(qū)拜城縣的大橋鄉(xiāng)牧場3隊（災(zāi)損指標(biāo)等級對應(yīng)）；中高風(fēng)險的前三位是阿克蘇地區(qū)拜城縣布隆鄉(xiāng)8大隊6小隊，賽里木鎮(zhèn)，蘇杭村、溫巴什鄉(xiāng)3大隊、和田地區(qū)策勒縣努爾水庫；中低風(fēng)險的區(qū)域前三位是和田地區(qū)洛浦縣阿其克公路到石灰礦岔路口、墨玉縣英阿瓦提村和阿克蘇地區(qū)溫宿縣古勒阿瓦提鄉(xiāng)四大隊；暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險低的地區(qū)為巴州盆地（輪臺縣、尉犁縣、和碩縣）、和田地區(qū)中西部、喀什地區(qū)南部山區(qū)。

2.3.5 2021年災(zāi)害評估結(jié)果

基于上述風(fēng)險區(qū)劃成果，統(tǒng)計2021年126次暴雨洪澇災(zāi)情數(shù)據(jù)（表5），按災(zāi)損指標(biāo)閾值進行等級劃分（表6），對2021年南疆暴雨洪澇災(zāi)害進行了評估（圖5）。

圖5 2021年南疆暴雨洪澇災(zāi)害評估結(jié)果

表5 2021年南疆地區(qū)出現(xiàn)暴雨洪澇災(zāi)害時間、地點和災(zāi)情

和田地區(qū)洛浦縣局地暴雨洪澇災(zāi)害等級為高危險區(qū)，與表6相對應(yīng)，其直接經(jīng)濟損失、受災(zāi)人口、農(nóng)作物受災(zāi)面積均為最嚴(yán)重，進一步驗證了前述風(fēng)險區(qū)劃的結(jié)果。于田縣局地暴雨洪澇災(zāi)害等級為高危險區(qū)，但災(zāi)損指標(biāo)等級不高，說明于田縣孕災(zāi)環(huán)境較高。和田地區(qū)均處于中高風(fēng)險區(qū)，2021年夏季和田地區(qū)大部出現(xiàn)了極端降水。洛浦、墨玉、和田3站日降水量均為百年一遇，打破測站日降水量歷史極值并超過其年平均降水量。暴雨造成城市積澇并引發(fā)山洪、泥石流地質(zhì)災(zāi)害，對交通、水利設(shè)施、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活等造成不利影響，直接損失達1億元。巴州和靜縣的孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險等級為中高危險區(qū)，實際業(yè)務(wù)中應(yīng)引起關(guān)注。阿克蘇地區(qū)溫宿縣局地為中高危險區(qū)，農(nóng)作物受災(zāi)等級較重，沙雅縣雖然處于低危險區(qū)，但一出現(xiàn)暴雨洪澇災(zāi)害，其經(jīng)濟損失和農(nóng)作物受災(zāi)面積的等級較重，在實際業(yè)務(wù)中需進一步關(guān)注。

表6 2021年南疆地區(qū)暴雨洪澇災(zāi)損指標(biāo)等級

3 結(jié)論與討論

利用近10 a南疆地區(qū)暴雨洪澇災(zāi)情數(shù)據(jù)，根據(jù)百分位法得到各縣（市）的災(zāi)損指標(biāo)、根據(jù)相關(guān)系數(shù)確定了致災(zāi)因子、信息熵權(quán)法確定了權(quán)重系數(shù)?；贏rcGIS技術(shù)，采用重采樣、鄰域分析和重分類等方法結(jié)合地形、水系等環(huán)境因子得到暴雨洪澇的區(qū)劃圖。主要結(jié)論如下：

（1）南疆暴雨洪澇災(zāi)害的致災(zāi)因子為R6h、R12h、R24h；南疆各縣（市）受災(zāi)人口特重區(qū)域在和田地區(qū)洛浦縣、墨玉縣和于田縣；嚴(yán)重區(qū)域在皮山縣、葉城縣、和田市。直接經(jīng)濟損失特重區(qū)域在和靜縣、沙雅縣、烏什縣；嚴(yán)重區(qū)域在洛浦、莎車縣、溫宿縣。農(nóng)作物受災(zāi)特重區(qū)域在阿克蘇地區(qū)在沙雅縣、喀什地區(qū)的英吉沙縣和岳普湖縣；嚴(yán)重區(qū)域在阿克陶縣、麥蓋提縣、皮山縣。

（2）南疆暴雨災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃分為低風(fēng)險、中低風(fēng)險、中高風(fēng)險和高風(fēng)險4個等級。風(fēng)險高的區(qū)域主要集中在和田地區(qū)于田縣南部山區(qū)、阿克蘇地區(qū)西部北部山區(qū)；風(fēng)險低的地區(qū)巴州盆地東部，和田地區(qū)中西部，喀什地區(qū)南部山區(qū)。

（3）通過對2021年南疆暴雨洪澇災(zāi)害評估，進一步驗證了本文風(fēng)險區(qū)劃成果，也為今后開展新疆暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警業(yè)務(wù)提供了參考。