基于GIS-AHP集成的無(wú)資料小流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

李文靜，林凱榮，劉 玥，劉樹壕，陳 剛

(1.中山大學(xué)水資源與環(huán)境系，廣州，510275;2.廣東省水文局廣州水文分局，廣州 510150)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，新世紀(jì)以來(lái)全國(guó)每年山洪災(zāi)害死亡人數(shù)占洪澇災(zāi)害死亡總?cè)藬?shù)之比已上升至80%左右[1]，對(duì)國(guó)家工農(nóng)業(yè)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重危害。國(guó)際通用的自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模式為風(fēng)險(xiǎn)性R=危險(xiǎn)性H×易損性V[2]，目前國(guó)內(nèi)外多采用多目標(biāo)分析方法確定各因子權(quán)重，通過GIS空間分析功能評(píng)價(jià)流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性。國(guó)外Nektarios N[3]等利用比率法分析希臘克里特島Koiliaris河流域洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性；Sar N[4]等利用層次分析法(AHP)分析印度Keleghai河流域洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性，國(guó)內(nèi)Wu[5]等利用AHP法對(duì)淮河流域進(jìn)行山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。研究者在進(jìn)行多目標(biāo)分析時(shí)利用不同的方法確定因子權(quán)重，其中AHP法由于操作簡(jiǎn)單，常與GIS相結(jié)合評(píng)價(jià)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)[6]。以上研究均在有充分降雨資料或流量資料的基礎(chǔ)上，選擇降雨或流量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，然而山區(qū)小流域常為缺資料或無(wú)資料地區(qū)，目前對(duì)無(wú)資料小流域進(jìn)行山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究較少。

本文采用綜合單位法和推理公式法[7]計(jì)算無(wú)資料小流域石坎河流域的設(shè)計(jì)洪峰流量，并結(jié)合高程、坡度等指標(biāo)建立評(píng)價(jià)體系，集成GIS和AHP評(píng)價(jià)無(wú)資料小流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

1 研究區(qū)概況與資料

1.1 研究區(qū)概況

石坎河流域位于廣東省清遠(yuǎn)市清新區(qū)中部(圖1)，流域面積147 km2，河流全長(zhǎng)32 km，源頭位于龍頸鎮(zhèn)佛市村石磯頂，海拔為449.9 m，至龍頸鎮(zhèn)龍北村匯入濱江，河流平均比降0.725%，多年平均年徑流深1 410.3 mm，多年平均徑流量2.18 億m3。

流域內(nèi)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，濕熱多雨，降雨充足，是廣東省三大暴雨區(qū)之一，多年平均年降水量1 969.6 mm。5-8月是暴雨高發(fā)時(shí)期，暴雨集中、強(qiáng)度大，再加上地貌類型以高丘低山為主，坡度較陡，土壤類型以赤紅壤、紅壤為主，植被破壞嚴(yán)重，徑流量大且流速快，山洪災(zāi)害頻繁發(fā)生。根據(jù)歷史山洪災(zāi)害調(diào)查得知，流域內(nèi)受到山洪災(zāi)害威脅的防災(zāi)對(duì)象共67個(gè)1 361戶8 326人。由此可見石坎河流域面臨的山洪災(zāi)害威脅形勢(shì)極為嚴(yán)峻。

圖1 石坎河流域概況圖Fig.1 Overview of ShiKan River basin

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

石坎河流域DEM數(shù)據(jù)(30 m分辨率)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)，數(shù)字正射影像(DOM)、土地利用類型和土壤類型為全國(guó)山洪災(zāi)害防治基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，控制斷面、歷史山洪災(zāi)害信息、洪峰流量為清遠(yuǎn)市山洪災(zāi)害項(xiàng)目組野外調(diào)查及計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)均符合全國(guó)山洪災(zāi)害項(xiàng)目組與各項(xiàng)目承擔(dān)單位的統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，基于以上數(shù)據(jù)的清遠(yuǎn)市山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)項(xiàng)目(2013)已通過驗(yàn)收。

2 研究方法

山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是自然條件的危險(xiǎn)性和社會(huì)條件的易損性共同作用的產(chǎn)物，參考目前構(gòu)建的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[]，結(jié)合山洪孕災(zāi)環(huán)境和成災(zāi)特點(diǎn)，選取洪峰流量、高程、坡度、土壤類型作為危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取人口密度、土地利用類型作為易損性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1 洪峰流量指標(biāo)分析

石坎河流域內(nèi)無(wú)實(shí)測(cè)雨量和流量資料，首先通過ArcHydroTools提取集雨面積、河長(zhǎng)、平均坡降等地理信息，根據(jù)《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊(cè)》[9]利用推理公式和綜合單位線法間接推求流域67個(gè)防災(zāi)對(duì)象共32個(gè)河道控制斷面的50、100 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量，然后通過自然鄰域法對(duì)100 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量及自然分水嶺洪峰流量為0的點(diǎn)進(jìn)行空間插值，最后得出100 a一遇洪峰流量分布特征。

設(shè)計(jì)洪水成果合理性分析，首先通過選取石坎河上中下游歷史洪水場(chǎng)次為“20130816”的4個(gè)防災(zāi)對(duì)象的洪痕點(diǎn)，然后利用曼寧公式[10]計(jì)算出歷史洪水洪峰流量，最后將歷史洪水洪峰流量與100年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

2.3 山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)區(qū)劃

首先利用GIS將各指標(biāo)圖層進(jìn)行歸一化處理[11]，分別按數(shù)值1、2、3、4代表低危險(xiǎn)，危險(xiǎn)，高危險(xiǎn)，極高危險(xiǎn)限值賦給各柵格單元(表2)，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的空間分布特征(圖2)。然后通過柵格計(jì)算器按公式(1)～(3)分別計(jì)算每個(gè)柵格單元的危險(xiǎn)性、易損性和風(fēng)險(xiǎn)性，按照自然間斷點(diǎn)重分類方法，進(jìn)行山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分類，最后得到流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，并根據(jù)《山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)方法指南》提供的危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)確定山洪頻率。

表1 石坎河流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃各指標(biāo)權(quán)重Tab.1 Index weights of risk assessment of flash floodin ShiKan River Watershed

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)危險(xiǎn)度劃分與賦值Tab.2 Risk classification and assignment of risk assessment index

圖2 石坎河流域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)空間分布圖Fig.2 Distribution map of risk assessment index in ShiKan River basin

0.508×h1+0.214×h2+0.174×3+0.104×h4

(1)

(2)

(3)

式中：H，V分別為危險(xiǎn)性，易損性；hi、vi為各個(gè)柵格單元經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后洪峰流量、高程、坡度、土壤類型、人口密度、土地利用類型的柵格單元取值；ri為式(1)和式(2)得到的各個(gè)柵格單元的危險(xiǎn)性和易損性的取值H和V。

3 研究結(jié)果

3.1 洪水成果合理性分析

表1顯示洪峰流量在山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中權(quán)重最大，應(yīng)對(duì)其合理性進(jìn)行詳細(xì)分析，以減小洪峰流量空間插值和柵格計(jì)算的誤差。本文通過以下方法分析洪水成果合理性：

(1)歷史洪水調(diào)查資料對(duì)比分析。對(duì)比由推理公式和綜合單位線法推求的設(shè)計(jì)洪峰流量與曼寧公式推求的歷史洪水洪峰流量，表3顯示4個(gè)洪痕點(diǎn)的歷史洪水洪峰流量均處于50～100 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量之間，歷史洪水重現(xiàn)期為50～100 a一遇，接近100 a一遇，與實(shí)際情況相符合，說明計(jì)算得出的100 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量較為合理。

表3 石坎河流域設(shè)計(jì)洪水結(jié)果與歷史洪水結(jié)果的對(duì)比情況Tab.3 Comparison of design flood results and historical flood results in ShiKan River basin

(2)同一條河流上下游成果比較分析。同一河流的設(shè)計(jì)洪峰流量從上游到下游逐漸增大，洪峰模數(shù)逐漸減小。石坎河干流上29個(gè)控制斷面的100 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量從上游到下游逐漸增大，100 a一遇洪峰模數(shù)逐漸減小，沒有出現(xiàn)異常點(diǎn)。因此設(shè)計(jì)洪峰流量結(jié)果在趨勢(shì)上是合理的。

3.2 山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

利用GIS計(jì)算各個(gè)柵格單元的危險(xiǎn)性、易損性、風(fēng)險(xiǎn)性，進(jìn)行山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分并確定山洪頻率(表4)，得到石坎河流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性區(qū)劃結(jié)果(圖3)。

表4 石坎河流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分Tab.4 Gradation of flash flood risk in ShiKan River basin

(1)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分結(jié)果。對(duì)危險(xiǎn)性、易損性和風(fēng)險(xiǎn)性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分類，以此作為劃分低危險(xiǎn)區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、高危險(xiǎn)區(qū)、極高危險(xiǎn)區(qū)的界限值。表4顯示不同層次分析結(jié)構(gòu)下風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等級(jí)劃分界限值差別小，易損性和風(fēng)險(xiǎn)性分析結(jié)構(gòu)下的界限值一致，而風(fēng)險(xiǎn)性分析結(jié)構(gòu)下的界限值略有不同。

(2)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果。圖3(a)至圖3(c)顯示石坎河流域內(nèi)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低區(qū)域分布在河流上游地區(qū)(如中州村、佛市村)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高區(qū)域分布河流中下游地區(qū)(如石東村、建星村、石崇村)，危險(xiǎn)性、易損性、風(fēng)險(xiǎn)性均是東南部普遍高于西北部，呈現(xiàn)出從東南部向西北部逐漸遞減的趨勢(shì)。

沿河距離對(duì)危險(xiǎn)性、易損性、風(fēng)險(xiǎn)性的影響不同。危險(xiǎn)性與風(fēng)險(xiǎn)性受沿河距離的影響大，隨著沿河距離的增加而降低，等級(jí)極高的區(qū)域集中分布在河流兩岸200 m范圍內(nèi)；河流上游小部分地區(qū)，易損性受距河距離影響大，隨著沿河距離的增加而降低，但河流下游地區(qū)不受距河距離遠(yuǎn)近影響，等級(jí)整體偏高。

(3)有效性驗(yàn)證。本文對(duì)石坎河流域內(nèi)歷史山洪發(fā)生時(shí)間、洪痕高程進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，選擇“19820512”、“19020512”、“20130818”、“20140523”4場(chǎng)歷史洪水發(fā)生的地點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖進(jìn)行疊加分析，圖3(d)顯示幾乎所有歷史洪痕均位于極高危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)。根據(jù)初步對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果，認(rèn)為石坎河流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果符合實(shí)際情況的。

4 結(jié) 語(yǔ)

前人利用GIS技術(shù)推求設(shè)計(jì)洪水時(shí)，直接利用水文資料插值形成雨量或流量分布圖[12]，本文的不同之處在于：采用綜合單位線法和推理公式法計(jì)算流域內(nèi)不同控制斷面的100 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量，不同斷面的洪水成果相互印證，再通過GIS形成洪峰流量分布圖。通過設(shè)計(jì)洪水成果合理性分析，說明綜合單位線法和推理公式法計(jì)算出的100 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量可作為無(wú)資料小流域評(píng)價(jià)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)。

在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃過程中，按照自然間斷點(diǎn)重分類法將危險(xiǎn)性、易損性和風(fēng)險(xiǎn)性計(jì)算結(jié)果分類，所得風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分界限值與前人提出的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分界限值高度接近[13]。再加上歷史洪痕驗(yàn)證效果佳，說明石坎河流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果較為合理。

圖3 石坎河流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果Fig.3 Risk zoning map of flash flood disaster in ShiKan River basin

石坎河流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果顯示流域內(nèi)中下游地區(qū)和沿河200 m范圍內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高，主要原因是地勢(shì)較低，平緩開闊，土地利用類型以耕地為主，人口密度較大，易遭受山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。河流上游地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低，主要原因是地勢(shì)陡峭，人口分布稀疏，植被保護(hù)較好。結(jié)合該流域?qū)嶋H地理?xiàng)l件分析，說明該山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果與實(shí)際情況較吻合。

以上結(jié)論說明集成GIS-AHP方法是無(wú)資料小流域評(píng)價(jià)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)有效且快速的方法，在今后工作中可構(gòu)建水文水力模型與GIS結(jié)合的耦合模型，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的模擬洪水演進(jìn)過程。

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致謝：感謝廣東省水文局廣州水文分局清遠(yuǎn)市山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目組成員對(duì)本文的大力支持。

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