環(huán)江縣暴雨災(zāi)害風(fēng)險評估與區(qū)劃分析

陳耀飛，陳燕麗，謝 映，肖鴻祥，韋德寶

1.廣西河池市環(huán)江縣氣象局，廣西環(huán)江 547100；2.廣西壯族自治區(qū)氣象科學(xué)研究所，廣西南寧 530022

環(huán)江毛南族自治縣隸屬廣西河池市（107°51′～108°43′N，24°44′E 25°33′E），地處桂西北云貴高原南部邊緣的斜坡地帶，總面積約45.7萬hm2，喀斯特面積約32.9萬hm2，占國土面積的72.2%，屬于生態(tài)脆弱的巖溶山區(qū)[1]。該縣屬亞熱帶季風(fēng)氣候，受東南季風(fēng)的影響，降水充沛，每年出現(xiàn)暴雨的次數(shù)較多，具有降水歷時短、降水集中、暴雨量大等特點，縣內(nèi)河流水位變幅大，山區(qū)排水不暢[2-3]。遇暴雨易引發(fā)山洪、泥石流、城市內(nèi)澇等次生災(zāi)害，威脅極大，屬于影響力較嚴重的氣象災(zāi)害之一。在全球氣候變暖背景下，全球和區(qū)域尺度的暴雨洪澇災(zāi)害頻率升高和強度不斷增加[4-6]。尤其是在生態(tài)脆弱和抗災(zāi)能力較弱的環(huán)江縣，一旦發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害，將會給環(huán)江縣帶來了極大的危害，如2022年6月19日晚至20日上午環(huán)江縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨洪澇災(zāi)害。據(jù)不完全統(tǒng)計，全縣共受災(zāi)25 365人，農(nóng)作物受災(zāi)總面積約11 451 hm2，家禽牲畜、路基和房屋等均遭受不同程度災(zāi)害，直接經(jīng)濟損失高達5 526.2萬元。

目前，針對評估暴雨災(zāi)害風(fēng)險評估，諸多學(xué)者對此開展相關(guān)研究，多以層次分析法（AHP）和地理信息系統(tǒng)（GIS）等方法進行分析為主，GIS方法關(guān)于暴雨災(zāi)害風(fēng)險評估體系主要包括暴雨致災(zāi)危險性、承災(zāi)體脆弱性和承災(zāi)體暴露度[6-9]。陸芊芊等[10]以2022年廣西“龍舟水”暴雨災(zāi)害風(fēng)險為例，從危險性、暴露度和脆弱性3個維度開展精細化暴雨災(zāi)害風(fēng)險評估，結(jié)果表明此次過程河池市的暴雨致災(zāi)危險性及人口、GDP、水稻風(fēng)險等級相對較高。但目前針對環(huán)江縣暴雨災(zāi)害評估和區(qū)劃研究和報道仍未見。

因此，通過探討該地區(qū)的暴雨風(fēng)險區(qū)劃，一方面是為相關(guān)人員提供更詳實、可靠的縣域暴雨精細化區(qū)劃結(jié)果，另一方面是為環(huán)江縣植被生態(tài)保護、防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

環(huán)江縣下轄12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，環(huán)江縣境內(nèi)主要河流有大環(huán)江、小環(huán)江，發(fā)源于貴州省，從北向南流過。其中，大環(huán)江從馴樂鄉(xiāng)途經(jīng)明倫鎮(zhèn)、洛陽鎮(zhèn)、大安鄉(xiāng)、思恩鎮(zhèn)貫穿南北，位于縣域中部；小環(huán)江途經(jīng)馴樂鄉(xiāng)、龍巖鄉(xiāng)、明倫鎮(zhèn)、東興鎮(zhèn)、長美鄉(xiāng)，位于縣域東部。全縣土地類型以山地、丘陵為主，水稻、玉米等農(nóng)作物主要分布在南部、西部和中部等地勢相對低的地區(qū)。研究時段內(nèi)環(huán)江縣共33個氣象站點，其中1個為環(huán)江縣國家氣象觀測站，建站于1957年，32個區(qū)域自動氣象站于2012年后相繼建設(shè)完成，分布在各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

圖1 環(huán)江縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)、河流、站點分布圖

1.2 資料來源

所用的降水資料為1978—2020年環(huán)江縣國家氣象觀測站資料和2014—2020年區(qū)域自動氣象站資料；縣級行政區(qū)劃邊界矢量數(shù)據(jù)來源于國務(wù)院普查辦；鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界及行政點數(shù)據(jù)來源于廣西自然資源廳；數(shù)字高程數(shù)據(jù)則采用SRTM的30 m DEM數(shù)據(jù)。人口、GDP、農(nóng)作物（水稻）、房屋建筑、道路等承災(zāi)體網(wǎng)格數(shù)據(jù)均來源于國務(wù)院普查辦；1978年1月1—2020年12月31日歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)來源于環(huán)江氣象災(zāi)情數(shù)據(jù)庫、及其他相關(guān)部門提供的災(zāi)情數(shù)據(jù)等。

1.3 研究方法

基于日降水量和小時降水量資料進行統(tǒng)計分析，其中年際變化等有關(guān)時間變化的分析采用1978—2020年環(huán)江縣國家氣象觀測站（單站）資料統(tǒng)計分析，空間分布特征分析采用2014—2020年國家氣象觀測站和區(qū)域自動氣象站資料。多年平均指1991—2020年的平均值，也稱為“常年值”；研究中如無特別注明，國家站數(shù)據(jù)平均值的統(tǒng)計時段均指1978—2020年。

環(huán)江縣的暴雨降水基本特征，主要通過統(tǒng)計多年平均月降水量，1978—2020年歷年的暴雨日數(shù)、不同日數(shù)（1、3、5、10日）累積最大降水量、不同歷時（1、3、6、12、24 h）累積最大降水量等因子進行分析。

根據(jù)“風(fēng)險＝致災(zāi)危險性×承災(zāi)體暴露度×承災(zāi)體脆弱性”的風(fēng)險理論模型，考慮暴雨孕災(zāi)環(huán)境的影響，基于單個氣象站點開展精細化暴雨災(zāi)害風(fēng)險評估。

暴雨致災(zāi)危險性反映了暴雨可能產(chǎn)生的危害大小，主要考慮暴雨強度（IR）和孕災(zāi)環(huán)境（Ic）的影響，采用自然斷點法將致災(zāi)危險性劃分為高、較高、較低、低等級，致災(zāi)危險性指數(shù)ID由下式計算：

將單個氣象觀測站的日降雨量（20:00至翌日20:00）≥50 mm的降雨日定義為單站暴雨日；當(dāng)降水過程中，單站暴雨日持續(xù)天數(shù)≥1 d，或2個暴雨日相隔1 d、其中斷日有中到大雨（10 mm≤日降雨量＜50 mm），則定義為一個單站暴雨過程。參考區(qū)域性暴雨過程綜合強度算法，構(gòu)建暴雨過程強度指數(shù)IR，公式如下：

式（2）中，I1pre為過程中1 h降雨量最大值，I3pre為過程中3 h降雨量最大值，I6pre為過程中6 h降雨量最大值，I24pre為過程中日降雨量最大值，Ipre為過程的累積降雨量，Iday為過程的開始日至結(jié)束日總天數(shù)，a、b、c、d、e、f為權(quán)重系數(shù)。

暴雨孕災(zāi)環(huán)境指在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， 包括地形、水系、土壤類型 、植被分布等要素，以孕災(zāi)環(huán)境影響系數(shù)Ic表征，并將Ic縮放至[-0.3，0.3]；當(dāng)Ic值越大，表明孕災(zāi)環(huán)境加重暴雨致災(zāi)危險的可能性越大。

選取人口、經(jīng)濟、水稻、玉米作為承災(zāi)體，分別進行暴露度和脆弱性分析。建立風(fēng)險評估模型對不同承災(zāi)體（人口、GDP、水稻、玉米）進行風(fēng)險評估，模型如下：

式（3）中，R為暴雨災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)，用于表示暴雨災(zāi)害風(fēng)險程度，值越大，則暴雨災(zāi)害風(fēng)險程度越大；T、E、V分別表示致災(zāi)危險性指數(shù)、承災(zāi)體暴露度指數(shù)、承災(zāi)體脆弱性指數(shù)；we、wh、ws是致災(zāi)危險性、承災(zāi)體暴露度和脆弱性指數(shù)的權(quán)重，權(quán)重的大小依據(jù)專家打分法確定。由于缺少鄉(xiāng)鎮(zhèn)級的暴雨過程災(zāi)情，不考慮承災(zāi)體脆弱性，僅將致災(zāi)危險性和承災(zāi)體暴露度進行加權(quán)求積，得到風(fēng)險評估結(jié)果。依據(jù)對人口、經(jīng)濟和水稻的暴雨災(zāi)害風(fēng)險評估結(jié)果，采用自然斷點分級法，根據(jù)暴雨災(zāi)害造成的風(fēng)險進行評估，利用自然斷點法對風(fēng)險指數(shù)R由大到小進行分類，將暴雨災(zāi)害風(fēng)險劃分為高、較高、較低、低等級；并繪制風(fēng)險區(qū)劃圖，得到暴雨災(zāi)害對不同承災(zāi)體風(fēng)險分區(qū)劃圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 暴雨致災(zāi)因子的特征分析

2.1.1 降水 環(huán)江縣1978—2020年的年降水量在996.0（2009年）～2 025.4 mm（1994年）之間，平均年降水量為1 439.4 mm，長期線性變化趨勢不明顯（圖2）。3—10月為環(huán)江縣降水集中期，累計降水量1 284.0 mm，占全年降水量的88%；各月降水量在76.8～296.3 mm之間，呈單峰分布，以6月降水最多、3月最少（圖3）。

圖2 1978—2020年環(huán)江縣年降水量變化

圖3 3—10月環(huán)江縣多年平均月降水量變化

2.1.2 暴雨日數(shù) 環(huán)江縣43年暴雨日數(shù)在1（1995年）～11 d（1994年）之間，平均每年5.02 d，長期線性變化趨勢不明顯（圖4）；4—10月暴雨日數(shù)占年暴雨日數(shù)的94.8%以上，平均每年4.76 d。環(huán)江縣4—10月各月的多年平均暴雨日數(shù)在0.16～1.23 d之間，呈單峰分布，以6月最多，與其月降水量變化一致。

圖4 1978—2020年環(huán)江縣年暴雨日數(shù)變化

2.1.3 不同日數(shù)累計降水量極值 1978—2020年，環(huán)江縣最大日降水量為221.4 mm；3 d累計最大降水量為299.6 mm；5 d累計最大降水量為394.8 mm；10 d累計最大降水量為409.1 mm。從長期變化趨勢上看，1 d累計最大降水量呈明顯上升趨勢；3、5、10 d累計最大降水量的變化趨勢不明顯（圖5）。

圖5 1978—2020年環(huán)江縣1、3、5、10 d降水量年極值變化

2.1.4 不同歷時累計降水量極值 1978—2020年，環(huán)江縣1、3、6、12、24 h累計降水量最大值分別為75.4（2020年）、124.9（2016年）、164.3（2016年）、220.4（2020年）、221.4 mm（2020年）。從長期變化趨勢上看，1、3 h累計最大降水量的變化趨勢不明顯；6、12、24 h累計最大降水量具有明顯的上升趨勢。（圖6）。

圖6 1978—2020年環(huán)江縣1、3、6、12、24 h降水量年極值變化

2.2 暴雨致災(zāi)危險性評估

綜合雨澇指數(shù)和孕災(zāi)環(huán)境影響指數(shù)，評估環(huán)江縣暴雨致災(zāi)危險性，按危險性指數(shù)大小依次劃分為高、較高、較低、低等級，危險性較高的地區(qū)主要位于洛陽鎮(zhèn)中南部、馴樂鄉(xiāng)中部、水源鎮(zhèn)東北部、大安鄉(xiāng)西部、思恩鎮(zhèn)、大才鄉(xiāng)南部、長美鄉(xiāng)東部、東興鎮(zhèn)西部、龍巖鄉(xiāng)西部等地；其余大部地區(qū)的危險性較低（圖7）。

圖7 環(huán)江縣暴雨致災(zāi)危險性等級圖

2.3 暴雨風(fēng)險評估與區(qū)劃

2.3.1 人口風(fēng)險評估 環(huán)江縣的暴雨災(zāi)害人口風(fēng)險大環(huán)江和小環(huán)江流域高于其他區(qū)域，城鎮(zhèn)高于鄉(xiāng)村，較高和高風(fēng)險區(qū)主要位于大環(huán)江和小環(huán)江流域一帶，其余地區(qū)風(fēng)險較低（圖8）。

圖8 環(huán)江縣暴雨災(zāi)害人口風(fēng)險等級圖

2.3.2 GDP風(fēng)險評估 環(huán)江縣的暴雨災(zāi)害GDP風(fēng)險與人口風(fēng)險分布相似，大環(huán)江和小環(huán)江流域的GDP風(fēng)險高于其他區(qū)域，城鎮(zhèn)高于鄉(xiāng)村，較高和高風(fēng)險區(qū)主要位于大環(huán)江和小環(huán)江流域一帶，其余地區(qū)風(fēng)險較低（圖9）。

圖9 環(huán)江縣暴雨災(zāi)害GDP風(fēng)險等級圖

2.3.3 農(nóng)作物風(fēng)險評估 環(huán)江縣的暴雨災(zāi)害水稻中等以上風(fēng)險區(qū)主要位于環(huán)江縣中南部和偏東中部，以城鎮(zhèn)中心較為集中，主要分布在馴樂鄉(xiāng)西北部、川山鎮(zhèn)的北部和東部、下南鄉(xiāng)的北部、水源鎮(zhèn)的東部、洛陽鎮(zhèn)、大安鄉(xiāng)、思恩鎮(zhèn)、大才鄉(xiāng)、明倫鎮(zhèn)東部、東興鎮(zhèn)西部和南部、長美鄉(xiāng)北部和東南部、龍巖鄉(xiāng)西部，其余地區(qū)風(fēng)險較低（圖10）。

圖10 環(huán)江縣暴雨災(zāi)害水稻風(fēng)險等級圖

環(huán)江縣的暴雨災(zāi)害玉米中等以上風(fēng)險區(qū)主要位于馴樂鄉(xiāng)西北部、川山鎮(zhèn)的北部和東部、下南鄉(xiāng)的北部、水源鎮(zhèn)的東部、洛陽鎮(zhèn)、大安鄉(xiāng)、思恩鎮(zhèn)、大才鄉(xiāng)、明倫鎮(zhèn)東部、東興鎮(zhèn)西部和南部、長美鄉(xiāng)北部和東南部、龍巖鄉(xiāng)西部，其余地區(qū)風(fēng)險較低（圖11）。

圖11 環(huán)江縣暴雨災(zāi)害玉米風(fēng)險等級圖

3 結(jié)論與討論

選取1978—2020年環(huán)江縣氣象觀測站降水資料、基礎(chǔ)地理信息、當(dāng)?shù)乇┯陮嵡闉?zāi)情及其他社會經(jīng)濟資料，對致災(zāi)因子、危險性、承災(zāi)體暴露性和脆弱性等開展精細化暴雨災(zāi)害風(fēng)險評估開展分析和研究，得出以下結(jié)論：

（1）1978—2020年，環(huán)江縣年降水量在996.0～2 025.4 mm之間，平均每年1 439.4 mm，長期線性變化趨勢不明顯。3—10月為降水集中期，占全年降水量的88%，其中6月降水最多。

（2）環(huán)江縣年暴雨日數(shù)最多為11 d，平均每年5.02 d。環(huán)江最大日降水量達221.4 mm，1 h降水量極值75.4 mm；3、5、10 d累計最大降水量和1、3 h累計最大降水量的長期變化趨勢均不明顯；1 d累計最大降水量和6、12、24 h累計最大降水量均呈顯著上升趨勢。

（3）環(huán)江縣暴雨致災(zāi)危險性、暴雨災(zāi)害人口風(fēng)險和GDP風(fēng)險相類似，大環(huán)江和小環(huán)江流域的致災(zāi)危險性、人口風(fēng)險和GDP風(fēng)險高于其他區(qū)域，城鎮(zhèn)高于鄉(xiāng)村，較高和高風(fēng)險區(qū)主要位于大環(huán)江和小環(huán)江流域一帶，其余地區(qū)風(fēng)險較低。

（4）環(huán)江縣的暴雨災(zāi)害與農(nóng)作物水稻、玉米中等以上風(fēng)險區(qū)大體相同，主要位于環(huán)江縣中南部和偏東中部，以城鎮(zhèn)中心較為集中，其余地區(qū)風(fēng)險較低。

近年來，環(huán)江縣石漠化現(xiàn)象加劇，發(fā)生暴雨災(zāi)害頻次高，造成的經(jīng)濟損失嚴重，因此開展精細化暴雨災(zāi)害風(fēng)險評估為當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)和植被生態(tài)保護等決策部署工作提供科學(xué)依據(jù)顯得尤為必要。暴雨災(zāi)害風(fēng)險評估涉及氣象、自然環(huán)境、社會經(jīng)濟等多方面因素影響，所涉及的因子及其權(quán)重也各不相同，還有待深入研究所建立的風(fēng)險評估模型及其區(qū)劃的準確性，在后期的研究中將進一步增加承災(zāi)體數(shù)據(jù)的種類，提高相應(yīng)數(shù)據(jù)的精度，構(gòu)建更加精細化的暴雨風(fēng)險評估模型，進一步提高當(dāng)?shù)貞?yīng)對和防御災(zāi)害的能力。