基于ArcGIS空間數(shù)據(jù)的洪水災害風險評估

摘 要：通過建立洪水風險評估四維指標體系與評價模型，構建基于ArcGIS空間數(shù)據(jù)的城市群洪水風險評估體系。以環(huán)鄱陽湖城市群為研究區(qū)域開展洪水風險評估，結果表明：（1）洪災高風險地區(qū)主要發(fā)生在研究區(qū)的中部和東南部地區(qū)等，且呈現(xiàn)北移的趨勢；（2）與傳統(tǒng)洪災風險評估研究相比，結合土地利用因素的洪災風險評估體系合理可行，能夠較好地反映土地利用變化對洪災風險的影響，為防洪減災提供科學支撐。

關鍵詞：土地利用變化；洪水風險；組合權重法；環(huán)鄱陽湖城市群

中圖分類號：P208 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

人類活動深刻地改變了地表的土地利用與覆被，并且隨著城鎮(zhèn)化進程的深入，該變化被進一步放大。洪水災害作為主要的自然災害之一，其產(chǎn)生與土地利用變化密切相關，研究土地利用變化對洪水災害風險的影響具有現(xiàn)實意義。

早在19世紀50年代，國外開始興起洪水災害風險的研究。1991年聯(lián)合國提出了風險的表達式：風險=危險性×脆弱性[1-2]。之后有學者認為洪水災害是由致災因子、孕災環(huán)境、承災體三者構成的[3]，在此基礎上，有學者考慮新增防災減災能力維度的指標并展開研究[4]。與此同時，國內外針對土地利用變化對洪水災害風險的影響也展開了研究。姜麗等[5]以多年土地利用與資產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎，結合多種未來極端洪水情景，開展杭州灣北岸承災體與暴露時空演化模擬，評估上海市杭州灣北岸洪水風險。當前，在進行洪水風險評估時已經(jīng)考慮了土地利用相關因素但不夠全面，不足以體現(xiàn)出土地利用變化對洪水風險的影響，同時較少考慮其防洪減災能力，因此其指標體系的構建有待完善。

1 研究區(qū)概況

環(huán)鄱陽湖城市群（圖1）位于江西省北部、長江中下游，包括南昌市、景德鎮(zhèn)市、撫州市等9個城市和吉安市的峽江縣和新干縣。研究區(qū)地處江西省北部，是長江中游城市群的重要組成部分。該城市群地處亞熱帶季風性濕潤氣候地帶，降雨量豐沛，且內部湖泊眾多，贛江、撫河等五大河流均注入鄱陽湖，形成以鄱陽湖為匯聚中心的輻聚水系，多年來持續(xù)遭受洪水災害的影響。

2 基于ArcGIS的環(huán)鄱陽湖城市群洪水風險評估

2.1 土地利用變化對洪災風險影響的關鍵指標選取

土地在地球生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色，其自然屬性或人類賦予的社會屬性的變化會引起鏈式反應，從而影響洪水的發(fā)生與演變。選取了徑流系數(shù)、地表曼寧系數(shù)、土地敏感性及土地穩(wěn)定性指標，研究土地屬性變化對洪水災害造成的影響。

圖1" 研究區(qū)空間柵格化處理

2.2 洪水風險評估指標體系構建

交互影響評價四維指標為致災因子危險性（H）、孕災環(huán)境敏感性（S）、承災體脆弱性（V）和防洪減災能力（P）。致災因子危險性（H）由徑流系數(shù)（H1）、雨季平均降雨量（H2）和地形濕度（H3）構成。孕災環(huán)境敏感性（S）由地表曼寧系數(shù)（S1）、土地穩(wěn)定性（S2）、DEM（S3）和距河流距離（S4）構成。承災體脆弱性（V）由土地敏感性（V1）、人口密度（V2）和地均GDP（V3）構成。防洪減災能力（P）由失業(yè)率（P1）、一產(chǎn)GDP比重（P2）、人均GDP（P3）、醫(yī)院床位數(shù)量（P4）、醫(yī)生數(shù)量（P5）、保費（P6）、人均教育支出費用（P7）、人均年末儲蓄余額（P8）和人均綠地面積（P9）構成（圖2）。

2.3 洪水風險評估模型構建

2.3.1 標準化處理

由于評價指標復雜多樣，含義和量綱各不相同，各個指標之間不具有可比性。為了對各個指標數(shù)據(jù)進行綜合運算，需要對數(shù)據(jù)進行無量綱標準化處理。將各指標數(shù)值標準化至0～1，標準化后的數(shù)值可反映指標對洪水災害風險的影響大小，標準化計算公式如下：

正向指標：Yij=（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）（1）

負向指標：Yij=（Xmax-Xi）/（Xmax-Xmin）（2）

式（1）、式（2）中，Yij為第j個指標的第i個值；Xi是原始值；Xmax和Xmin分別為第j項指標的最大值和最小值。

圖2" 洪水風險評估指標體系構建

2.3.2 洪水風險評估模型

自然災害系統(tǒng)是由致災因子、孕災環(huán)境、承災體和防洪減災能力構成的一個具有結構特征的復雜體系。在土地利用指標定量化基礎上，建立洪水風險評估模型，表達式如下：

致災因子危險性指數(shù)：H（x）=[wj·Hji（x）]（3）

孕災環(huán)境敏感性指數(shù)：S（x）=[wj·Sji（x）]（4）

承災體脆弱性指數(shù)：V（x）=[wj·Vji（x）]（5）

防洪減災能力指數(shù)：P（x）=[wj·Pji（x）]（6）

洪水風險評價指數(shù)：R（x）=wHH（x）+wSS（x）+wVV（x）-wPP（x）（7）

式（3）～式（6）中，H（x）、S（x）、V（x）、P（x）為各指標標準化后的值，H（x）表示致災因子、S（x）代表孕災環(huán)境、V（x）表示承災體、P（x）表示防洪減災能力。R（x）表示洪水風險指數(shù)，wj、wH、wS、wV、wP是各評價因子的權重。i表示某一維度指標的個數(shù)，j表示指標值。

2.3.3 指標權重的確定

層次分析法是一種多層次權重分析決策方法，是一種定性與定量相結合的系統(tǒng)分析方法，層次分析法（AHP）可以用來確定各指標的主觀權重[6]。熵權法是客觀賦權法的一種，近年來在國內外得到廣泛應用[7]。兩種權重結合避免了AHP法的主觀性和熵權法因數(shù)據(jù)分異帶來的誤差，進一步提高了結果的精確性。通過綜合權重計算獲得各指標的最終權重值見表1。綜合權重計算公式如下：

W=aW1+（1-a）W2（8）

式（8）中，W為綜合權重；W1為AHP求得各指標權重值；W2為熵權法求得各指標權重值；a為比重指數(shù)，

本研究取0.5。

3 結果與分析

3.1 洪水風險評估結果

將各指標的空間分布結果和權重輸入洪水風險評估模型，得到洪水災害風險指數(shù)。以自然斷點法（Natural Breaks）為依據(jù)，使用ArcGIS將洪水災害風險的空間分布劃分為5個等級（低、較低、中、中高和高）。根據(jù)2000、2010、2020年環(huán)鄱陽湖城市群洪水風險空間分布（圖3），2000—2010年研究區(qū)域的中高風險區(qū)有所下降，主要集中在城市群的中部地區(qū)，城市群的東南方向中，高風險區(qū)則有所增加，其西側較低風險區(qū)數(shù)量上升，西北側的中等風險區(qū)向較低風險區(qū)轉換明顯；2010—2020年間高風險區(qū)發(fā)生轉移，主要集中在城市群中部和東側，城市群北側低風險區(qū)數(shù)量明顯減少，中等風險區(qū)則有所增加，同時城市群的南側中高風險區(qū)及高風險區(qū)減少

明顯。

圖3" 2000（a）、2010（b）、2020年（c）研究區(qū)洪水風險的空間分布

表1" 洪水風險指標權重分析結果

風險構成 權重 指標構成 權重

AHP法 熵權法 綜合權重 AHP法 熵權法 綜合權重

致災因子危險性（H） 0.429 0.038 0.234 徑流系數(shù) 0.156 0.443 0.299

雨季平均降雨量 0.745 0.424 0.585

地形濕度 0.099 0.133 0.116

孕災環(huán)境敏感性（S） 0.081 0.155 0.118 地表曼寧系數(shù) 0.118 0.769 0.444

土地穩(wěn)定性 0.277 0.154 0.216

DEM 0.118 0.047 0.082

距河流距離 0.487 0.030 0.258

承災體脆弱性（V） 0.255 0.260 0.257 土地敏感性 0.130 0.188 0.159

人口密度 0.732 0.317 0.525

地均GDP 0.138 0.495 0.316

防洪減災能力（P） 0.235 0.547 0.391 失業(yè)率 0.053 0.056 0.055

一產(chǎn)GDP比重 0.260 0.096 0.178

人均GDP 0.065 0.158 0.112

醫(yī)院床位數(shù)量 0.052 0.061 0.056

醫(yī)生數(shù)量 0.124 0.140 0.132

保費 0.156 0.090 0.123

人均教育支出費用 0.113 0.098 0.106

人均年末儲蓄余額 0.157 0.160 0.158

人均綠地面積 0.020 0.141 0.080

3.2 洪水風險分析

由2000—2020年研究區(qū)不同等級洪水風險區(qū)面積（圖4）可知，面積最大的風險區(qū)由中風險區(qū)向中高風險區(qū)轉變；洪水低風險區(qū)的面積先升后降，中風險區(qū)面積不斷減少，高風險區(qū)呈現(xiàn)先降后升的趨勢，中低風險區(qū)與中高風險區(qū)面積有所擴大，在2000—2020年面積最大的風險區(qū)由中風險區(qū)轉變?yōu)橹懈唢L險區(qū)；高風險區(qū)面積在2000—2020年有所減少。

圖4" 2000—2020年研究區(qū)不同等級洪水風險區(qū)面積

4 結論

2000—2020年，研究區(qū)域洪水低風險區(qū)、中風險區(qū)及高風險區(qū)面積均有明顯減少，中低風險區(qū)和中高風險區(qū)面積均有明顯擴大?？臻g上洪水高風險區(qū)向城市群中部地區(qū)有明顯的轉移，洪水風險的整體格局呈現(xiàn)東北高、西南低的分布狀況。與傳統(tǒng)洪水風險評估研究相比，將土地利用因素作為影響因子納入四維洪水風險評估模型，利用ArcGIS空間數(shù)據(jù)進行洪水風險評估，可以準確細膩地反映土地利用變化對洪水風險的影響，對完善洪水風險評估的指標體系有一定的積極意義，并為土地利用與洪水風險變化分析提供依據(jù)。

參考文獻

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收稿日期：2024-07-11

作者簡介：陳浩（1997—），男，河南焦作人，研究方向為城市安全與防災規(guī)劃。#通信作者：劉剛（1973—），男，講師，研究方向為城市安全與防災規(guī)劃，E-mail：tomlgc@163.com。