基于GIS的河南省洪災(zāi)風(fēng)險評價

劉 德 林

（1.河南理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理研究中心，河南 焦作454000；2.河南理工大學(xué) 應(yīng)急管理學(xué)院，河南 焦作454000）

洪水災(zāi)害是中國最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。據(jù)民政及水利部門統(tǒng)計，1991—2012年，中國洪水災(zāi)害的直接經(jīng)濟(jì)損失約為2.95×1012元，年均直接經(jīng)濟(jì)損失約1.34×1011元，占自然災(zāi)害經(jīng)濟(jì)總損失的49.44%，若不考慮發(fā)生特大地震的2008年，洪水災(zāi)害損失占自然災(zāi)害總損失的60%以上［1］。河南省地跨長江、黃河、海河和淮河4大流域，流域面積廣，水系密度大，加之氣候、環(huán)境和土壤條件的影響，境內(nèi)水旱災(zāi)害頻繁，為全國洪水重災(zāi)區(qū)之一。近幾十年來，由于降水持續(xù)增多且時空分布不均，河南省洪水災(zāi)害幾乎每年發(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1950—2004年，河南省共發(fā)生洪水災(zāi)害1 152次，平均每年20多次，累計死亡人數(shù)21 200人，直接經(jīng)濟(jì)損失2.27×1010元［2］。頻繁發(fā)生的洪水災(zāi)害給河南人民的生命和財產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重的威脅，給當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟(jì)特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境帶來眾多不利的影響。為了對洪水災(zāi)害進(jìn)行有效的管理，預(yù)防洪水災(zāi)害的發(fā)生和減少災(zāi)害發(fā)生時的影響，有必要對區(qū)域洪水災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行評價和區(qū)劃研究。

因此，本文的目的是在分析河南省洪災(zāi)成因的基礎(chǔ)上，選取洪水致災(zāi)關(guān)鍵影響因子進(jìn)行風(fēng)險評價與區(qū)劃研究。以期為該省洪災(zāi)風(fēng)險管理、防洪減災(zāi)規(guī)劃和洪災(zāi)應(yīng)對提供依據(jù)，同時為該省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、土地資源綜合利用及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況

河南省地處黃河中下游，地理坐標(biāo)為東經(jīng)110°21′—116°39′，北緯31°23′—36°22′，國土總面積為1.67×105km2，其中，常用耕地面積為7.20×106hm2。2011年年末總?cè)丝?.05×108人，平均人口密度為628人／km2。該區(qū)橫跨黃河、淮河、海河和長江4大水系，流域面積廣，水系密度大，境內(nèi)密布河流1 500多條。其中，流域面積在1.00×106km2以上的河流就有493條。該省屬暖溫帶—亞熱帶、濕潤—半濕潤季風(fēng)氣候，雨熱同期、春旱夏澇，年均降水量為500～900mm，但降水時空分布不均，部分地區(qū)年均降水量可達(dá)1 100mm以上，約有60%的降水集中在汛期［3］，河南省地貌和土壤類型復(fù)雜多樣，地勢起伏較大，海拔高度為23.2～2 413.8m。

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 洪災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)

洪災(zāi)的形成與發(fā)展受自然因素和社會因素的共同作用。從系統(tǒng)的角度來說，洪水成災(zāi)的基本條件有孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子和承災(zāi)體，三者缺一不可。其中，孕災(zāi)環(huán)境是指形成洪災(zāi)的自然因素，如地形地貌、水文氣候、土壤植被和河流湖泊等；致災(zāi)因子是指導(dǎo)致洪災(zāi)發(fā)生的觸發(fā)因素，如降水量、降水歷時和河流水情等；承災(zāi)體是指承受災(zāi)害的對象，如人口、經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境等。孕災(zāi)環(huán)境和致災(zāi)因子反映了災(zāi)害的自然屬性，承災(zāi)體則反映了災(zāi)害的社會屬性。因此，洪災(zāi)風(fēng)險評價應(yīng)包括洪災(zāi)的危險性評價和承災(zāi)體的易損性評價兩部分內(nèi)容。

借鑒前人研究成果［4－5］，結(jié)合河南省洪災(zāi)的孕災(zāi)環(huán)境、成災(zāi)特點和數(shù)據(jù)資料的可獲得性，從洪災(zāi)的危險性和承災(zāi)體的易損性兩個角度出發(fā)，選取絕對高程、坡度、年均降水量、河網(wǎng)分布、人口密度和GDP密度6個指標(biāo)構(gòu)建河南省洪災(zāi)風(fēng)險評價體系。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用坡度和高程數(shù)據(jù)來源于2009年的中國30m分辨率DEM數(shù)據(jù)集；水系數(shù)據(jù)和河南省縣市行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于河南省1∶25萬基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)；多年平均降雨量來源于全國1km格網(wǎng)年均降水量空間化數(shù)據(jù)（建站到1996年）；人口密度數(shù)據(jù)來源于2003的年全國1km格網(wǎng)人口空間化數(shù)據(jù)；地均GDP來源于2003年的全國1km格網(wǎng)GDP空間化數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

（1）由于所用數(shù)據(jù)來源不一，其投影和地理坐標(biāo)系統(tǒng)有所差異，需對其進(jìn)行統(tǒng)一，以便進(jìn)行空間疊加分析。本文利用Arc／Info軟件將上述指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成 Geographic（Lat／Lan）投影、WGS 84坐標(biāo)系統(tǒng)和1km格網(wǎng)空間數(shù)據(jù)格式。

（2）由于所用數(shù)據(jù)多為全國范圍數(shù)據(jù)，本文以河南省縣市級行政區(qū)劃圖為基礎(chǔ)，利用ERDAS Imagine 9.1軟件的裁剪功能獲取指標(biāo)數(shù)據(jù)的研究區(qū)范圍。

（3）由于所選指標(biāo)計量單位不同，取值變化范圍大，因此需對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本文將處理好的指標(biāo)按因子屬性對洪水危險程度進(jìn)行劃分，分別以數(shù)值5，4，3，2，1代表高、較高、中等、較低和低5個危險程度等級。

2.4 研究方法

本文主要運(yùn)用了ArcGIS平臺的空間分析、空間疊加和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化功能、Erdas 9.1軟件的圖像處理功能和專家打分等方法。

3 結(jié)果與分析

3.1 洪災(zāi)危險性分析

3.1.1 降水對洪災(zāi)的影響 降水對洪災(zāi)的影響主要表現(xiàn)在年降水量和降水強(qiáng)度兩個方面，而降水強(qiáng)度可用多年平均暴雨日數(shù)來表示。受季風(fēng)氣候的影響，河南省約有60%的降水集中在汛期，降水年內(nèi)分配不均成為河南省洪災(zāi)發(fā)生的主要原因［6］。有研究表明，汛期降水總量和汛期相當(dāng)暴雨日數(shù)有極強(qiáng)的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.97［7］。結(jié)合數(shù)據(jù)的可獲得性和文獻(xiàn)［7］的研究成果，本文選取河南省多年（1949—1999年）汛期（5—9月）平均降水量來研究降水對洪災(zāi)的影響。根據(jù)降水量越大，洪水危險性越高的原則，結(jié)合河南省實際降水情況，確定降水因子對洪災(zāi)形成的影響度劃分標(biāo)準(zhǔn)和賦值（表1）。根據(jù)表1確定的劃分標(biāo)準(zhǔn)和賦值進(jìn)行重分類，可得到降水對洪災(zāi)影響度的分布情況。

3.1.2 地形特征對洪災(zāi)的影響 地形特征與洪水的危險程度緊密相關(guān)，其對洪災(zāi)的影響主要表現(xiàn)在海拔高度和地形變化程度兩個方面，而地形變化程度通常用坡度來表示。本文所用地形高程和坡度數(shù)據(jù)來源于2009年中國30m分辨率DEM數(shù)據(jù)集。根據(jù)絕對高程越低、坡度越小，洪水危險程度越高的原則［6］，結(jié)合河南省實際情況，確定地形因子對洪水危險程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)［5］（表1），通過疊加高程柵格數(shù)據(jù)層和坡度柵格數(shù)據(jù)層，并根據(jù)表1確定的綜合地形因子影響度劃分和賦值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重分類，可得到地形特征對洪災(zāi)影響度分布情況。

表1 各因子影響度劃分標(biāo)準(zhǔn)和賦值

3.1.3 水系分布對洪災(zāi)的影響 區(qū)域水系的分布狀況在很大程度上影響區(qū)域洪水發(fā)生的概率。一般來說，區(qū)域洪水的危險程度受距離水系的遠(yuǎn)近（距離越近，危險程度越高）、水系自身的級別（級別越高，危險程度越高）和水系所處地形（地勢越低、地形越平坦，危險程度越高）的綜合影響。結(jié)合河南省歷史水情資料和相關(guān)研究文獻(xiàn)可知，河南省的洪水主要來源于黃河和淮河兩大水系的干流和支流［6］。由于地形因素對洪災(zāi)的影響已單獨(dú)研究，所以本文在分析過程中，只考慮河流級別和距離對洪災(zāi)的影響。

河流距離對洪災(zāi)的影響主要是通過建立河流緩沖區(qū)來進(jìn)行研究，不同的緩沖區(qū)寬度代表不同地段洪災(zāi)發(fā)生的概率。本文對河流建立3級緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的寬度主要考慮河流的級別和實際的影響，如將黃河和淮河干流視為1級河流，其支流與其他河流視為2級河流，不同級別河流緩沖區(qū)的具體寬度和賦值見表2。通過疊加1級河流和2級河流緩沖區(qū)柵格數(shù)據(jù)層，并根據(jù)表2確定的河流緩沖區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)和賦值進(jìn)行重分類，可得到河流分布對洪災(zāi)影響度的分布情況。

表2 河流緩沖區(qū)等級和寬度值的劃分標(biāo)準(zhǔn)及賦值

3.2 洪災(zāi)承災(zāi)體易損性分析

致災(zāi)因子是災(zāi)害產(chǎn)生的充分條件，而承災(zāi)體是放大或縮小災(zāi)害的必要條件［8］。同樣級別的洪水發(fā)生的地區(qū)不同，導(dǎo)致的損失結(jié)果也不盡相同。因此，洪災(zāi)的風(fēng)險評價必須考慮承載體的易損性。在不考慮防災(zāi)救災(zāi)水平差異的前提下，區(qū)域的人口密度和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平在一定程度上可反映研究區(qū)遭受洪災(zāi)的潛在損失程度［9］。因此，本文選取人口密度和地均GDP兩個指標(biāo)來分析洪災(zāi)承災(zāi)體的易損性。

3.2.1 人口密度影響因子 洪災(zāi)對人類社會的影響首先表現(xiàn)為人員的傷亡。一般而言，對于同樣的洪水，人口密度越大，受影響人口越多，影響程度也越大。利用“中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心”發(fā)布的2003年全國1km格網(wǎng)人口空間化數(shù)據(jù)，確定河南省人口密度范圍。由該數(shù)據(jù)計算統(tǒng)計知，河南省人口密度范圍在0～39 920人／km2，而人口密度小于300，500和1 500人／km2的面積分別占總面積的27.4%，52.2%和95.1%。根據(jù)人口密度越大，影響越大的原則，結(jié)合上述計算結(jié)果，在考慮均差和標(biāo)準(zhǔn)差的基礎(chǔ)上，確定人口密度因子對洪災(zāi)影響程度劃分標(biāo)準(zhǔn)和賦值（表1）。根據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)和賦值進(jìn)行重分類，可得到人口密度對洪災(zāi)影響度的分布情況。

3.2.2 GDP密度影響因子 洪災(zāi)對人類社會的另一個重要影響就是經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)的損失。由于GDP是評價地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項重要標(biāo)志，因此本文選用地均GDP作為研究區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)因素。利用“中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心”發(fā)布的2003年全國1km格網(wǎng)GDP空間化數(shù)據(jù)，確定河南省GDP密度范圍。由該數(shù)據(jù)計算統(tǒng)計知，河南省GDP密度范圍在1～28 438萬元／km2，而GDP密度小于200，300和500萬元／km2的面積分別占總面積的59.0%，71.9%和83.9%。根據(jù) GDP密度越大，損失越大的原則，結(jié)合計算結(jié)果，在考慮均差和標(biāo)準(zhǔn)差的基礎(chǔ)上，確定地均GDP因子對洪災(zāi)影響程度劃分標(biāo)準(zhǔn)和賦值（表1）。根據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)和賦值進(jìn)行重分類，可得到GDP密度對洪災(zāi)影響度的分布情況。

3.3 洪災(zāi)危險性、易損性與風(fēng)險評價

在綜合分析各影響因素的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS軟件強(qiáng)大的空間疊加和分析功能，獲取河南省洪災(zāi)的危險性、易損性和風(fēng)險評價結(jié)果。首先，通過疊加降水、地形和河網(wǎng)因子，獲取洪水的危險性評價分布情況；再次，通過疊加人口密度和地均GDP因子，得到洪災(zāi)的易損性評價分布情況；最后，通過疊加洪水危險性和洪災(zāi)易損性評價分布情況，得到河南省洪災(zāi)風(fēng)險評價結(jié)果。

由于各評價因子對洪災(zāi)形成的影響有所差異，在計算過程中采用加權(quán)疊加，各因子權(quán)重的確定主要采用專家打分法，同時結(jié)合前人研究成果和研究者對洪災(zāi)的認(rèn)識，最終確定各評價因子的權(quán)重如下：降水（0.4）、地形（0.2）、河網(wǎng)（0.2）、人口密度（0.1）和地均GDP（0.1）。

從河南省洪水危險性分布圖（附圖3）可以看出，河南省洪水危險呈現(xiàn)明顯地帶性，總體來說，從南到北逐漸降低，這主要是受降水的影響所致。從行政區(qū)劃來看，信陽市中部地區(qū)和駐馬店中南部處于洪水高危險區(qū)；駐馬店大部、南陽和平頂山東南部、漯河、周口南部和安陽西部地區(qū)處于洪水較高危險區(qū)；南陽、平頂山、許昌、周口和商丘大部地區(qū)處于洪水中等危險區(qū)；三門峽、焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、濮陽和安陽大部分地區(qū)處于洪水較低危險區(qū)。從不同洪水危險區(qū)所占全省總面積的比例來看，河南省所處洪水高、較高、中等、低和較低危險區(qū)的面積占全省總面積的百分比分別為：20.6%，22.7%，25.1%，24.3%和7.2%。

從河南省洪災(zāi)易損性計算與統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，河南省洪災(zāi)易損性高的區(qū)域為鄭州、許昌、漯河、焦作大部地區(qū)以及南陽、洛陽和新鄉(xiāng)部分地區(qū)；而三門峽、洛陽、濟(jì)源、南陽的大部分地區(qū)和信陽市南部地區(qū)洪災(zāi)的易損性非常低，其他地區(qū)處于中間。從洪災(zāi)不同易損性所占面積來看，河南省所處洪災(zāi)易損性為高、較高、中等、低和較低的面積占全省總面積的百分比分別為：24.9%，23.7%，27.0%，11.3%和13.1%。

從河南省洪災(zāi)風(fēng)險分布圖（附圖4）可以看出，河南省洪水風(fēng)險也呈現(xiàn)明顯地帶性，其變化趨勢與洪水風(fēng)險變化趨勢基本相同。從行政區(qū)劃上來看，信陽市大部分和駐馬店中南部發(fā)生洪災(zāi)的風(fēng)險非常大；駐馬店、漯河和南陽大部分地區(qū)、洛陽、平頂山和周口南部小部分地區(qū)也有發(fā)生洪水形成洪災(zāi)的可能；其他地區(qū)不太可能發(fā)生洪災(zāi)，特別是三門峽、焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁和濮陽，發(fā)生洪災(zāi)的概率非常小。從不同洪水風(fēng)險區(qū)所占面積比例來看，河南省所處洪水高、較高、中等、低和較低風(fēng)險的面積占全省總面積的百分比分別為：20.6%，18.8%，20.7%，27.5%和12.4%。

4 結(jié)論

在綜合分析河南省洪水致災(zāi)主要影響因素的基礎(chǔ)上，通過選取絕對高程、坡度、年均降水量、河網(wǎng)分布、人口密度和GDP密度6個指標(biāo)構(gòu)建了河南省洪災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系。借助ArcGIS平臺空間分析和疊加功能，對河南省洪災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行了評價與制圖。該評價結(jié)果與區(qū)域洪災(zāi)實際發(fā)生情況基本吻合，具有一定的實際應(yīng)用價值，可為該區(qū)域的洪災(zāi)風(fēng)險管理、防洪減災(zāi)規(guī)劃和洪災(zāi)應(yīng)對提供依據(jù)。

本文評價結(jié)果的準(zhǔn)確性受所用數(shù)據(jù)的完備性和評價模型的有效性兩個方面的影響。從數(shù)據(jù)方面來說，以往關(guān)于洪災(zāi)風(fēng)險評價或區(qū)劃的研究多以行政區(qū)劃為基本分析單元，采用數(shù)據(jù)多來源于統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其特點是更新快、現(xiàn)時性強(qiáng)，但空間分辨率相對較低；本文所用數(shù)據(jù)多為公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)，雖然空間分辨率有所提高，但多為2003年左右的數(shù)據(jù)，時效性不強(qiáng)，精度也有待進(jìn)一步提高。因此，國家應(yīng)建立并完善基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享平臺、加快基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的更新周期、擴(kuò)大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的共享范圍、提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的共享效率。從評價模型來看，主要涉及兩個因素：一是評價指標(biāo)的選取，二是指標(biāo)權(quán)重的確定。由于洪災(zāi)形成過程復(fù)雜、影響因素眾多，加之一些影響因素的數(shù)據(jù)資料缺乏或無法量化等原因，要進(jìn)行完全、準(zhǔn)確的量化研究還有一定困難。因此，如何根據(jù)研究區(qū)的特點，建立健全合理的評價指標(biāo)體系，有待進(jìn)一步研究與完善。此外，由于各影響因素對洪災(zāi)形成的貢獻(xiàn)有所差異，而不同的權(quán)重賦值又會產(chǎn)生不同的評價結(jié)果。因此，如何確定合理的相對權(quán)重是洪災(zāi)風(fēng)險評價乃至是各種評價中亟待解決的問題之一。

［1］ 萬新宇，王光謙.近60年中國典型洪水災(zāi)害與防洪減災(zāi)對策［J］.人民黃河，2011，33（8）：1－4.

［2］ 周存旭，金世海.河南省山洪災(zāi)害的危害、成因及防治對策［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2008，17（3）：148－151.

［3］ 王紀(jì)軍，裴鐵璠，蘇愛芳，等.河南省降水集中程度研究［J］.人民黃河，2010，32（10）：84－86.

［4］ 李林濤，徐宗學(xué)，龐博，等.中國洪災(zāi)風(fēng)險區(qū)劃研究［J］.水利學(xué)報，2012，43（1）：22－30.

［5］ 杜鵑，何飛，史培軍.湘江流域洪水災(zāi)害綜合風(fēng)險評價［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2006，15（6）：38－44.

［6］ 李謝輝，王磊.河南省洪災(zāi)風(fēng)險危險性區(qū)劃研究［J］.人民黃河，2013，35（1）：10－13.

［7］ 吳正華，李海盛，儲鎖龍.汛期相當(dāng)暴雨日數(shù)與總降水量的定量關(guān)系［J］.氣象，1998，24（12）：13－17.

［8］ 史培軍.三論災(zāi)害研究的理論與實踐［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2002，11（3）：1－9.

［9］ 丁燕，史培軍.臺風(fēng)災(zāi)害的模糊風(fēng)險評估模型［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2002，11（1）：34－43.