贛江上游的土地利用類型對山洪災害的敏感性

岳 琦, 張林波, 劉成程, 李岱青

(1.環境基準與風險評估國家重點實驗室, 北京 100012; 2.中國環境科學研究院, 北京 100012)

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贛江上游的土地利用類型對山洪災害的敏感性

岳 琦1,2, 張林波1,2, 劉成程1,2, 李岱青1,2

(1.環境基準與風險評估國家重點實驗室, 北京 100012; 2.中國環境科學研究院, 北京 100012)

[目的] 分析贛江上游的土地利用類型和地形條件的山洪災害敏感性，為非工程性減災工作的開展提供理論支持。 [方法] 基于GIS技術，使用Landset影像獲取土地利用數據和Aster的DEM數據，以小流域為最小研究單元，計算不同坡度、不同土地利用的山洪災害敏感性，分析土地利用和坡度影響下的山洪災害敏感性。 [結果] 城鎮建設、耕地建設等人工生態系統會增加山洪災害發生，而森林、灌叢、草地等自然生態系統可以減緩山洪災害發生。在坡度大于25°區域，耕地和城鎮建設用地的敏感性顯著增加，會顯著促進山洪災害發生。 [結論] 研究區通過生態建設開展防災減災工程，應該增加自然生態系統的覆蓋面積。此外，坡度大于25°的不適合開發區域，應盡量減少城鎮開發和耕地開墾行為。

土地利用; 敏感性; 山洪; 贛江上游

文獻參數： 岳琦, 張林波, 劉成程, 等.贛江上游的土地利用類型對山洪災害的敏感性[J].水土保持通報，2016,36(4)：16-21.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.003

山洪是山區小流域由降水引起的突發性、暴漲暴落的地表徑流[1]。我國是一個多山的國家，山丘區約占全國陸地面積的2/3，山區的復雜地形地貌、高強度降水以及人類不合理的土地利用導致山洪災害頻發[2]。統計顯示，山洪災害的平均死亡人數已經占據全部洪澇災害死亡人數的80%以上[3]。山洪災害敏感性空間分析是評價和預測某區域未來某時段內山洪發生的孕災環境和致災因子的各種敏感性指標的變化情況,估計它們的概率分布,并可在此基礎上完成其敏感性評價圖。進行山洪因子敏感性分析是山洪研究的一個重要的步驟，有利于研究山洪的形成機理及分析山洪的空間分布規律。長期以來，人們對自然因素的控制作用進行了深入細致的研究，而人類活動對山地災害的激發作用，特別是陡坡墾殖、過渡放牧、工程建設等對山地災害的促進作用，雖已經充分認識到其嚴重性，但因技術的限制和研究對象的復雜性，研究成果多以定性描述為主。國內外災害敏感性研究較多，主要集中在滑坡、泥石流災害研究中，研究危險性分區、風險分區，對山地災害敏感性進行分析，并使用敏感性分析結果，進行風險分區[4]；此外，研究也通過生態系統敏感性進行分析，找到對減少災害發生，減輕災害損失起作用[5]的關鍵生態因子；研究還主要使用水文模型，但對人類活動，土地利用等影響的研究還是較少[6-7]。國內研究最早是清華大學與中科院與水利部共建的成都山地災害與環境研究所針對云南東川的山地災害進行研究，并找到了最敏感土地利用方式和最不敏感土地利用方式[8]；其后對金沙江進行研究，找到了相似的結論，并進行了敏感性分區[9]。唐川[10]對云南省怒江流域的敏感性進行空間分析，并使用敏感性結果進行空間劃分。以往的研究經驗表明，地形因素與土地覆蓋因素是影響山洪災害發生的重要因素，而兩者相互作用，共同作用于山洪災害的發生機理尚不明確，因而通過敏感系數的引入，試圖定量分析不同土地利用類型、地形因素與山地災害的敏感性。

贛江上游地區山洪災害頻發，每年都有大小不同的山洪災害發生，一般均屬短歷時的暴雨所致，暴雨導致的山洪致使溪河洪水暴漲，特征主要分為季節性強、隨即突發性強和主要類型為山體滑坡、山溪洪水[11-13]。近50 a間，江西省共發生山洪災害2 267次，死亡人口1 215人，摧毀房屋28.9萬間，威脅人口830萬人次，威脅財產3.26×106萬元[14]。而贛江上游地區又是江西省最容易發生山洪災害的地區，因此，選擇贛江上游地區作為研究區具有非常好的典型性。

1　研究區概況

江西省東、南、西三面環山，地貌類型復雜，山地、丘陵較多，集水面積10 km2以上的河流有3 700余條。再加上江西是中國3大暴雨中心之一，4—7月的西風帶系統和8—9月的臺風，往往形成暴雨，甚至大暴雨等強對流天氣[14]。河流主要從南向北部匯集，在河谷地勢較為平緩的河谷平原與河流階地上主要為耕地和居民地，在章水和貢水2大支流匯集的平原地區分布最為集中。贛江上游地區土地利用以森林為主，占全研究區面積的72%，其次是耕地，占全研究區面積的18%。人工表面、草地等面積均較小。研究區范圍內，土地利用與坡度、高程之間有較強的相關性(表1)。城鎮、耕地位于坡度較小，高程較低的平原地區；草地主要位于坡度最大、高程高的山地區域；森林、裸地、灌叢則位于坡度較大，高程相對較高的山區。因此，該研究區的土地利用狀況具有明顯的垂直分布特征。

表1　研究區土地利用類型與高程、坡度關系

1985—2012年贛江上游山洪災害事件332起。贛江上游流域山洪災害事件的主要類型為溪溝洪水。從災害的時間分布特征上看，贛江上游流域山洪災害年際分布總體上呈現出多發年份間隔出現的規律。1994和2010年，山洪災害發生最多，分別為28和38起，占該流域山洪災害事件總數的20%，28%。從時間序列上看，山洪災害發生次數整體呈緩慢減少的趨勢。按照災害數據與相近年份土地利用相匹配的原則，將災害數據分別統計到相近年份1985，1990，1995，2000，2005和2010年(表2)。從災害的空間分布特征上看，主要分布在較為集中的幾個縣，如興國、石城、安遠、遂川、崇義和大余地區。

表2　研究區災害次數時間統計

2　數據來源

數據均源自環境保護部科研業務專項(易災地區生態環境功能評估)，采用Aster 2009年公布的30 m精度的GDEM數據；選取基于1985，1990，1995，2000，2005和2010年Landset 30 m精度的土地利用數據(中國環境監測總站提供該成品數據)；災害數據來自中國水利水電科學研究院；典型小流域邊界基于1∶5萬DEM并通過實地驗證源自中國水利水電科學研究院；最大暴雨均值圖源自中國水利水電科學研究院。

3　敏感性分析方法

3.1暴雨分布規律的確定

我國10 min, 60 min,6 h,24 h,3 d這5種歷時的雨強能較好地表述我國暴雨時程分布的特點，10 min代表小尺度天氣系統產生的特短歷時、特小面積暴雨，而3 d則基本上可以反映較大尺度天氣系統形成的一次降水過程。同時，這5種歷時相鄰的長度比為3～6倍，插補中間任意歷時雨量的誤差不會太大。故而，將以上5種歷時作為中國暴雨統計的標準歷時。考慮到山洪災害是由暴雨在山丘區引發的洪水，具有洪水陡漲陡落、匯流速度快，災害突發性強、成災快等特點，故在本研究中，選擇10 min,60 min,6 h這3種歷時，作為山洪災害暴雨統計的標準歷時。暴雨均值表示降水系列的平均情況，可以說明這一系列總水平的高低。均值不單是頻率曲線方程中的一個重要參數，而且是水文現象的一個重要特征值。本研究選取年最大10 min暴雨均值、年最大60 min暴雨均值、年最大6 h暴雨均值作為暴雨特征統計參數。

因此，對于研究區的選擇，正是依據上述年最大10 min暴雨均值、年最大60 min暴雨均值、年最大6 h暴雨均值3個指標進行選取(圖1)。通過上述3個指標對江西省暴雨特征進行分析，最終選取了以贛江地區為研究區，該研究區具有短歷時暴雨特征差異不大，空間上具有可比性的特點。

圖1　研究區最大暴雨均值圖

3.2確定最小研究單元的確定

根據敏感性計算方法，選用最小的單元應該為發生山洪災害的小流域。最終從1∶5萬DEM中確定小流域大小為10～50 km2，并通過實地調查確定小流域劃分的準確性，全流域共分為2 416個小流域。最小研究單元劃分主要是對研究區以自然地形地貌特征為基礎，進行山洪小流域劃分，同時建立流域拓撲關系、地表水系拓撲關系。小流域劃分處理流程依次為河道燒制處理，河道堤防處理，填洼處理，流向計算，坡度計算，集水面積計算，河流定義，河段定義，流域網格定義，流域邊界提取，河流線提取，流域出口點提取，河道交匯點提取，流域面積調整，流域拆分，流域合并，水庫(湖泊)流域處理，空間拓撲建立，逐級合并流域，光滑化處理等。

3.3災害數據處理方式

災害數據為歷史記錄數據，主要來源于中國水利水電科學研究院，數據源自江西省水利部門獲得。災害數據的空間化處理方式，主要是針對記錄列表中災害發生鄉、鎮、村為單元，并與上述小流域劃分相結合的方式，最終將災害事件空間化到小流域圖層。此步驟主要使用的是空間疊加的處理手段，將文字記錄的災害數據通過相應的行政單元進行準確定位，再通過文字記錄中的受災范圍對災害數據的相應影響范圍進行定位。最終將空間化好的災害數據與最小研究單元——小流域進行空間疊加處理，獲得小流域的空間化災害數據。災害數據的時間化處理方式，主要是依據災害數據與土地利用之間的關系進行考慮，本研究的基本假設為土地利用的變化對災害發生的影響。首先，多期土地利用數據均是由環保部衛星中心提供成品數據，該數據精度均較高，土地利用之間具有可比性。因此，將土地利用按照每5 a為間隔，將1985年的土地利用數據代替1985—1987年的土地利用狀況，將1990年的土地利用數據代替1988—1992年的土地利用狀況，并依次類推。雖然這樣的土地利用數據處理方式不可避免存在著土壤前期含水量不同對災害影響的問題。但是，本研究認為如果采用單一的土地利用類型，反而并不能夠真實地反映災害發生時的土地利用狀況。

3.4敏感性定義及計算方法

任一單元山洪災害的敏感性系數(SC, sensitivity coefficient)定義為單元中某一假定為真的確定程度。它根據每一數據層的單元上的事件(如山洪發生)的先驗概率和在特定數據條件下的事件發生的條件概率之間的關系確定。這里用敏感性系數來描述不同的土地利用對山洪災害敏感性。目前國內針對災害的敏感性系數的主要計算方法分為兩類：將災害作為點狀災害進行考慮[15]，例如，滑坡、崩塌；將災害作為面狀災害進行考慮[10]，例如，泥石流、山洪。其中，本文研究山洪災害選取的是面狀災害的研究方式。敏感性系數的主要是由He[16]提出，何易平[8-9]在其基礎上對山地災害敏感性進行了研究。

SCi=ln(DensClasi/DensMap)

(1)

式中：SCi——第i類土地利用類型的敏感性； DensClasi——山洪災害在i類土地利用類型中分布的面積比率或出現的頻率； DensMapi——山洪災害在所有土地利用類型中分布的面積比率或出現的概率。SCi值為正時，表示敏感程度，數值越大，表示敏感度越高，該土地利用分布區域的災害越易發生。SCi值為負時，表示不敏感程度，數值越小，表示不敏感度越高，該土地利用分布區域的災害越不易發生。SCi值為0時，表示與區域整體水平一致。

在上述敏感性系數計算方法的基礎上，必須確定最小的研究單元，然后以最小的研究單元為基礎，通過統計分析，最終得到敏感性系數。

SCi=ln(DensClasi/DensMap)

=ln〔(ASLi/ALi)/(AS/AT)〕

(2)

式中：ASLi——發生災害的第i類土地利用類型的面積；ALi——整個研究區內第i類土地利用類型的面積；AS——發生災害的小流域總面積；AT——研究區總面積。

4　敏感性分析

4.1土地利用狀況敏感性

根據敏感性系數計算公式，對贛江上游土地利用數據1級分類進行統計(1985—2010年6期)，并將災害按照與土地利用年份時間相結合的方式重新災害數據，以小流域為最小單元，使用ArcGIS獲取敏感性系數所需數據，計算敏感性系數(表3)。根據表3，按照多年平均值判斷，針對不同土地利用進行排序為：城鎮>耕地>森林>灌叢>草地。其中城鎮的敏感性最大，也就是在城鎮的土地利用狀況的影響下，最容易發生山洪災害。

其次，耕地也是人類對自然環境產生較大影響的土地利用，而且也較容易影響山洪的發生。對于敏感性為負值部分，森林、草地、灌叢作為當地生態系統組成的主要部分，敏感性數值較小，對山洪災害不敏感，不太容易導致山洪災害的發生。裸地由于在研究區總面積較小(1985—2010年均未超過6%)，并且本研究主要使用遙感反演土地利用數據，雖然經過實地數據驗證，但是土地利用數據存在一定的偏差，一般小于5 km2的斑塊均可以忽略其影響，尤其是在各個小流域內面積較小，裸地土地利用碎屑小斑塊較多，因而對山洪災害的發生產生的影響較小，產生的敏感性計算誤差較大。

表3　研究區一級土地利用敏感性統計

分別統計各年份不同土地利用面積，將1985作為基準年，計算出各年份相對于1985年土地利用面積變化率(表4)。比較6期不同土地利用面積變化與敏感性之間的關系，草地面積增大，相對應的敏感性減小；城鎮面積顯著增加，敏感性隨之增加明顯；森林、灌叢面積變化不大。呈現出土地利用面積變化與敏感性變化之間存在一定的相關性。將整個研究區內耕地按照陡坡、緩坡、和平原3種耕地劃分(按照8°，25°劃分緩坡與陡坡)(詳見表5)。其中緩坡耕地比例小幅提高，陡坡耕地面積比例明顯提高，是導致敏感性增加的最顯著的因素。因此陡坡耕地面積的增加會顯著影響敏感性。

表5　研究區耕地面積變化率統計　%

4.2土地利用亞類敏感性

根據敏感性系數計算公式，處理贛江上游土地利用數據二級分類(1985—2010年6期)，并將災害按照與土地利用年份時間相結合的方式重新災害數據，以小流域為最小單元，使用ArcGIS獲取敏感性系數所需數據，計算敏感性系數(表6)。根據表6，將敏感性平均值按照正負分為兩部分，其中敏感性為正，不同土地利用的敏感程度順序為:工業用地>裸巖>居住地>裸土>交通用地>旱地>針闊混交林>水田；敏感性為負部分，敏感性計算數值為:常綠闊葉林>常綠闊葉灌木林>稀疏草地>常綠闊葉林>草叢。因此，可以初步認為，人類活動對山洪災害的敏感性有著較強的聯系，人類活動越劇烈，敏感性越大。尤其是工業用地、居住地、交通用地對山洪災害的敏感性影響較大。生態環境越惡劣，生態環境越脆弱，山洪災害的敏感性越大，其中裸巖、裸土較為明顯。此外，闊葉林、針葉林、草地、灌叢的覆蓋均使得多年平均值為負。草叢、常綠闊葉林對于山洪災害較為不敏感。但常綠針葉林、針闊混交林、稀疏草地等較為敏感。主要是因為贛江地區的地帶性植被應該為常綠闊葉林，而常綠針葉林一般為人工林(以馬尾松為主)，人工林品種較為單一，而且對自然災害抵抗能力較弱。

表6　研究區土地利用亞類敏感性統計

4.3坡度與災害敏感性分析

根據敏感性系數計算公式，將從Aster下載DEM數據，進行鑲嵌、裁剪，并計算坡度后按照8°,15°,25°為間隔重分類，劃分為4個等級，并將災害數據與之相對于，以小流域為最小單元，使用ArcGIS獲取敏感性系數所需數據，計算敏感性系數。0°～8°敏感性系數為-0.315，8°～15°敏感性系數為-0.047，15°～25°敏感性系數為0.060，>25°敏感性系數為0.171。表明山洪災害敏感度隨著坡度等級的升高，也逐漸升高。說明坡度是影響山洪災害發生的重要因素。

4.4土地利用狀況、坡度敏感性

根據敏感性系數計算公式，處理贛江上游土地利用數據(1985—2010年6期)、坡度分級數據(按照8°,15°,25°為間隔重分類，劃分為4個等級)，并將災害按照與土地利用年份時間相結合的方式重新災害數據，以小流域為最小單元，使用ArcGIS獲取敏感性系數所需數據，計算敏感性系數(表7)。根據表7，城鎮用地無論在哪種的坡度下，均對山洪災害敏感。灌叢、森林隨著坡度的升高，山洪災害的敏感性也升高，在0°～15°的情況下，對山洪災害敏感性較低。草地在不同坡度情況下均對山洪災害敏感性較低，而草地由于其分布主要處在高海拔、高坡度的山區，再加上人為影響較小，所以在大于25°表現出敏感性最低。裸地由于面積較小，不足研究區面積的6%，因而對山洪災害的發生產生的影響較小，產生的敏感性計算誤差較大。

表7　研究區不同坡度下的土地利用敏感性統計

5　結 論

(1) 通過敏感性系數這一指標，確定不同的土地利用對山洪災害的敏感性。對于不同的土地利用類型來說，研究區內易誘發山洪災害的排序依次為工業用地、裸巖、居住地、裸土、交通用地、旱地、針闊混交林、水田；減少山洪災害的土地利用排序依次為草叢、常綠闊葉林、稀疏草地、常綠闊葉灌木林、常綠針葉林。人類活動對山洪災害的敏感性有著較強的聯系，人類活動越劇烈，敏感性越大。生態環境越惡劣，生態環境越脆弱，山洪災害的敏感性越大。

(2) 研究區森林、耕地二者相加占了全研究區面積的90%以上，因而森林和耕地的敏感性研究成為了該研究區的重要問題。其中針對森林來說，以馬尾松這種大面積種植的人工林對山洪災害發生有一定的促進作用；而以當地鄉土樹種為主的闊葉林則對山洪災害的發生起一定的減緩作用。江西省作為國有林場的代表性省份，近幾十年采伐闊葉林，并種植速生針葉林的這種方式對山洪災害的發生起著促進作用，雖然取得了一定的經濟效益，但是引起了更多山洪災害的發生。從江西省耕地變化方面來看，陡坡耕地也是促進山洪發生的重要原因，近幾十年的陡坡耕地面積呈先增加后減小趨勢，說明退耕還林還草工程在該研究區內實施較為有效，并針對山洪災害減少起到了積極作用。

(3) 為減少山洪災害的發生，應繼續推行退耕還林還草、天然林保護工程，保護鄉土樹種，增加生態工程林建設。此外針對林地建設不僅通過提高植被覆蓋面積，同時也需要提高植被覆蓋質量，提高蓄積量。此外，利用敏感性分析結果對研究區域進行危險性區劃是今后需要研究的課題。

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Sensitivity of Flood Disaster to Land Use Types in Upstream of Ganjiang River

YUE Qi1,2, ZHANG Linbo1,2， LIU Chengcheng1,2, LI Daiqing1,2

(1.StateKeyLaboratoryofEnvironmentalCriteriaandRiskAssessment,Beijing100012,China; 2.ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China)

[Objective] The purpose of this study was to analyze the flood susceptibility to land use type and mountain terrain condition in the upstream of Ganjiang River, and to provide theoretical support for the undertaking of non-engineering hazard mitigation efforts. [Methods] Based on GIS technology, data of land use types and Aster DEM were elicited from Landset images. Flood sensitivity was calculated in different slopes and land use types in a unit of small watershed. [Results] The construction of towns, farmland, and other artificial ecosystem components could increase floods disasters; whereas forests, shrub lands, grasslands and other natural ecosystems components could scale floods disasters down. The sensitivity of farmland and urban construction land in slopes over 25 degree significantly promoted the occurrence of floods disasters. [Conclusion] Disaster prevention and mitigation efforts should be carried out via ecological construction. The efforts should increase the coverage area of natural ecosystems. In addition, slopes more than 25 degrees are not suitable for development, where urban development and farmland reclamation were also not appropriate.

land use; sensitivity; flood; Ganjiang River upstream

2015-08-24

2015-10-18

環境保護部科研業務專項“易災地區生態環境功能評估”

岳琦(1990—),男(漢族),山西省太原市人,碩士研究生,研究方向為生態學。E-mail:yueqi@craes.org.cn。

張林波(1969—),男(漢族),山東省臨沂市人，博士,研究員,主要從事區域生態質量評估技術方法、生態城市規劃理論與技術方法、流域和資源開發生態補償評估技術等領域的研究。E-mail:zhanglb@craes.org.cn。

A

1000-288X(2016)04-0016-06

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