廬山風景區山洪災害風險區劃研究

劉衛林，陳 祥，劉麗娜，朱圣男

(南昌工程學院江西省水文水資源與水環境重點實驗室，南昌 330099)

近年來，隨著我國經濟快速的發展，旅游業日益成為我國經濟發展的重要產業[1]。其中山岳型風景區旅游是游客旅游的熱門選擇。據統計，在我國已公布的255處國家級風景名勝區中，山岳風景區占一半以上[2]。然而由于山岳型旅游地獨特的地形地貌及氣候條件，山洪災害一直是其最大的安全隱患[3,4]。廬山作為山岳型風景區，受特殊的氣候、地理條件影響，暴雨誘發的山洪災害頻繁，尤其是在我國東南沿海存在有臺風天氣或熱帶低氣壓系統時，廬山常出現強降雨，繼而引發突發性強、強度大、時間短的山洪或山洪引發的泥石流[5]，加之廬山風景區地勢險要，道路狹窄且防洪能力薄弱，往往會對風景區的居民和游客造成重大的生命財產損失。因此開展山岳型風景區山洪災害風險區劃研究可為防洪減災工作提供科學依據，為政府和旅游安全管理部門構建安全保護措施提供理論指導，有效減少山洪災害帶來的生命財產損失。

山洪災害風險區劃一直是洪災研究中的重要內容，很多學者從不同角度對山洪災害風險進行了研究[6-9]：一種是將GIS與水文模型、水動力模型(如MIKE、Flood Area等)結合進行洪水淹沒模擬，繼而得到山洪災害風險結果。然而，由于山洪突發性強、空間尺度小、分布數量多、成災迅速，其水文和動力參數難以進行觀測而取得[9]，因此，相關文獻報道較少。另一種是根據自然災害系統理論，從致災因子危險性、孕災環境敏感性及承災體易損性等方法對山洪災害風險進行量化分析[9-14]。如許曉華等[10]認為各地受洪災程度與地形地貌有很大的聯系，將地形、坡度及河網密度作為危險性因子，以人口指標作為易損性因子，通過ArcGIS疊加分析得到了江西省山洪災害風險區劃圖；方秀琴等[11]基于洪災系統理論，從觸發因子、孕災環境和承災體3個方面構建指標體系，采用層次分析法賦予各指標因子權重，獲得了洪災風險區劃圖；高展等[14]基于自然災害風險評價理論，通過對暴雨強度和頻率的危險性，高程和地形變化的孕災環境敏感性及旅游經濟易損性的綜合分析，開展了黃山風景區暴雨山洪災害風險區劃研究。以往研究對平原區、較大范圍山區的洪水災害研究較多，而對山岳型風景區山洪災害研究的較少。鑒于此，本文以廬山風景區為研究對象，結合廬山風景區山洪災害的特點，從山洪災害的危險性和易損性2方面構建山洪災害評價指標體系，基于GIS空間分析采用層次分析法開展山岳型景區暴雨山洪災害風險區劃研究。

1 研究數據與方法

1.1 研究區概況

廬山風景區位于江西省東北部九江市境內，東溯鄱陽湖，西接瑞昌丘陵，北臨長江，向南展至星子縣境內，總占地面積500 km2。景區位于東經115°52′-116°8′，北緯29°26′-29°41′。東偎婺源、鄱陽湖，南靠滕王閣，西鄰京九鐵路大通脈，北枕滔滔長江。長約25 km，寬約10 km，主峰漢陽峰，海拔1 474 m，廬山風景區地形見圖1。廬山氣候屬亞熱帶東部季風氣候區，具有鮮明的季風和山地氣候特點，多年平均降雨量為2 068.2 mm，多雨年份可達3 000 mm以上；區內共有山溪、河流40余條，分別注入長江和鄱陽湖，其中18條主要河流上均有人類活動，或為游客游覽的景區或為常住人口居住地。春夏季節水流較大，遇暴雨時暴漲暴落，常易引發山洪災害，威脅人員安全。因此，自古以來，區內山洪、泥石流一直較為活躍，同時山塘水庫年老失修，很多土石壩體出現嚴重的漫壩現象，給當地人民生活帶來安全隱患。近年來，由于景區內人類活動頻繁，山洪泥石流對景區的危害加劇。而散布在景區的城鎮和居民點多位于平川谷地，基本處于無設防狀態，缺乏有效的工程手段，防洪能力薄弱。因此，廬山風景區面臨的山洪災害威脅十分嚴重，已成為山洪災害的重點防范區。

1.2 數據來源及處理

文中所用的年最大1 h暴雨均值、年最大6 h暴雨均值、年最大24 h暴雨均值數據來自《江西省暴雨洪水查算手冊》(2010年版)[15]；30 m精度數字高程模型DEM數據來自地理空間數據云；人口密度來自國家地球系統科學數據共享服務平臺的中國1 km格網人口數據集；道路數據來自Google地圖，并通過ArcGIS數字化后進行緩沖區分析而來。研究數據來源見表1。

表1 研究數據來源Tab.1 Research data sources

1.3 研究方法

1.3.1 山洪災害風險評價模型

依據聯合國人道主義事務部對風險的定義：在一定區域和給定時段內，由于特定的自然災害而引起的人民生命、財產和經濟活動的期望損失值，且其表達式為“風險(R)=危險度(H)×易損度(V)”[9,10]。本文山洪災害風險主要從以下2個方面進行評估。

(1)危險性分析。危險性分析是對研究區內山洪災害致災因子和孕災環境的綜合評價。引起山洪災害的因素很多，各個因素也互相聯系。其中降雨是引發山洪災害的主導因素[10-14]，暴雨強度越大，越容易形成洪水災害；山岳型地形地貌又為洪水災害的發生提供了孕災環境，通常海拔低、地表越陡峭，山洪發生幾率較高，反之則發生幾率較低；河網密度反映了流域對地形的切割程度，也是影響山洪的重要因素。單位面積內的河流越多，一旦發生洪災，流經該地區的過境水流所造成山洪災害的幾率也就越大。因此本文選取降雨和地形作為引發山洪災害的危險性評價指標。

(2)易損性分析。易損性分析是從山洪造成的損失和危害角度進行分析。當洪水災害來臨時，受災地區越發達山洪造成的損失就越大。反映洪災易損性的指標有很多，如人口密度、道路緩沖區、耕地百分比及GDP等指標。綜合多方因素考慮，本文選擇人口密度和道路緩沖區作為山洪災害易損性分析指標，主要基于如下考慮：①由于信息有限，在進行廬山風景區易損性分析時有些資料難以獲取，而人口和道路統計數據可以通過統計年鑒較易獲得；②風景區人員傷亡是山洪災害中最為嚴重的一類，選取人口密度作為評價指標也是秉承著以人為本的理念；山洪發生時，越靠近道路中心山洪造成的損失就越大，反之越低；③人口密度和道路緩沖區也在一定程度上體現了廬山風景區的社會經濟發展水平。基于以上考慮，本文將人口密度和道路緩沖區作為山洪災害的易損性評價指標。

山洪災害是山洪危險性和社會經濟易損性綜合作用的結果，本研究按式(2)、(3)分別計算每個柵格單元的危險性、易損性并利用ArcGIS軟件的空間分析功能進行加權疊加，按照ArcGIS中的自然間斷分級法進行聚類分析，得到山洪災害風險區劃圖。其計算公式為：

R=whH+wvV

(1)

式中：R為山洪災害風險指數；H、V分別為山洪災害危險性和易損性指數；wh、wv分別為危險性和易損性指數權重。

最后，利用GIS中自然斷點分級法將景區山洪災害風險劃分為5個等級，即低風險、較低風險、中等風險、較高風險和高風險。

危險性和易損性的計算公式為：

(2)

(3)

式中：wi是指標i的權重；Xi是第i個危險性因子；CVi是第i個易損性因子。

在進行山洪災害風險評估時，由于各評價指標量綱不同，且各個指標取值范圍相差較大，所以在進行風險評估之前應該對各指標進行標準化處理，目的是消除量綱不同對山洪災害風險評估結果的影響。標準化計算公式如下[16]：

(4)

式中:xi為標準化前指標值;ximin為第i個指標數據中的最小值;ximax為第i個指標數據中的最大值;xis為標準化后的指標值，取值范圍為1～10。

1.3.2 層次分析法

本文采用層次分析法確定山洪災害風險評價各個指標的權重。層次分析法是將各指標因子結合專家打分并兩兩比較進而得到各因子權重的定量化多目標決策方法[16]。應用層次分析法計算各指標的權重，首先建立層次結構模型，目標層為山洪災害，準則層為危險性因子和易損性因子，指標層為選取的8個具體評價指標；然后，通過比較分析廬山風景區山洪災害風險評估各評價指標，結合相關文獻及專家意見，建立各層次的判斷矩陣；最后，通過判斷矩陣計算出影響山洪災害風險的各因子權重。廬山風景區山洪災害評價各指標權重計算結果見表2。由表2可知，影響山洪災害發生的危險性因子中，降雨的影響最大，其次是坡度，高程影響最小；而影響山洪災害發生的易損性因子中，人口指標是最重要的指標。

2 山洪災害風險分析

2.1 危險性分析

2.1.1 危險性因子分析

(1)降雨因子。降雨是引發山洪災害的主導因素。山洪災害的形成與降雨強度、降雨歷時和降雨量密切相關。區域短時間高強度的暴雨容易形成強大的地表徑流從而引發山洪。因此，本文選取時段年最大暴雨均值作為誘發山洪的主導因素。根據《江西省暴雨查算手冊》(2010版)分別求得年最大1、6和24 h暴雨均值，并利用ArcGIS軟件空間插值功能獲得研究區年最大1、6和24 h暴雨均值分布圖[見圖2(a)、(b)、(c)]。由圖2(a)、(b)、(c)可知，研究區中西部如廬山蓮花臺北部和仙人洞區等地降雨強度較大，而研究區東部降雨則相對較小。

表2 山洪災害風險評價指標及權重Tab.2 Mountain torrent disaster risk evaluation and weights

(2)地形地貌因子。地形地貌通過產匯流作用影響降水空間分布，通常海拔低、地表較陡峭的地方發生洪水的幾率更大。因此，本文選取高程和坡度作為地形地貌對山洪災害的影響因子。根據國際地理學聯合會地貌調查與地貌制圖委員會關于地貌詳圖應用的坡地分類，本研究將坡度分為4個等級(研究區坡度范圍為0°～73°)；同時，研究區地面高程范圍為28～1 445 m，將高程也分為4個等級。利用ArcGIS軟件的統計功能得到高程、坡度分級及所占比例見表3。

表3 高程、坡度分級及所占比例Tab.3 Elevation, grade gradient and the proportion

利用ArcGIS軟件提取出研究區的高程和坡度[見圖2(d)、(e)]：研究區總體上中西部高，東部低；陡坡和峭壁居多，其中峭壁主要分布在西北、東南較外圍一帶。

(3)河網密度。定義為單位面積內河流數量的多少[17]。河網密度反映了流域對地形的切割程度，是反應流域結構特征的重要指標，也是影響山洪的重要因素。定義流域面積為A，面積A內河流或河段條數為n，總長度為L，則有L=nl，A=na，那么該區域的河網密度可表示為：

(5)

利用ArcGIS軟件提取研究區流域面積及相應河長，按公式(5)計算河網密度，通過空間統計分析得到河網密度空間分布圖[見圖2(f)]：河網密度較大的地區位于北部的廬山牯嶺街心公園以及五教祈福文化園等，其他地方河網密度則較為稀疏。

圖2 危險性因子空間分布Fig.2 Spatial distribution of risk factors

2.1.2 危險指數分析

利用ArcGIS的空間分析功能對指標因子進行加權疊加分析，即各影響指標因子與其相應的權重相乘得出每個柵格單元的危險指數H。研究區山洪災害危險指數分布見圖3。

H=0.383 4X1+0.251 4X2+0.101 7X3+

0.064 8X4+0.153 5X5+0.045 2X6

(6)

式中：X1～X6分別為年最大1 h暴雨均值、年最大6 h暴雨均值、年最大24 h暴雨均值、河網密度、坡度和高程。

圖3 山洪災害危險指數分布Fig.3 Hazard index distribution of mountain torrent disaster

由圖3可知，山洪災害危險指數的分布格局為景區西北部危險指數較高而景區東部的危險指數較低。危險指數大的地區位于景區西北部石門澗景點所在區域，危險指數范圍為6.76～10.00，最大值為9.27，這是由該區域時段年降雨量較大且海拔高度低、地表較為陡峭等原因所致；仙人洞、星龍索道、廬山牯嶺街心公園及廬山會議舊址等景區危險指數較大，危險指數范圍為5.52～7.76；危險指數較小的地區為五教祈福文化園、玉川門和三疊泉等地，危險指數范圍為3.58～4.61，以五教祈福文化園為例，雖然該地的河網密度較大但是時段年降雨量較小且地表相對其他地區較為平緩，因此危險性程度比較低；危險性指數最小的區域為景區東北部，危險指數范圍為1.00～3.58，最小值為1.56，這是由于景區東北部降雨量總體比其他地區少、坡度平緩且河網密度低，因此該區域的危險指數最小。

進一步研究廬山風景區山洪災害危險指數分布特征，將危險性指數劃分為5個等級(見圖4)，可以看出研究區山洪災害危險性等級主要集中在2～4。研究區山洪災害較高危險指數區域(等級≥4)占研究區總面積的32.70%；山洪災害高危險指數區域(等級≥5)占研究區總面積的5.65%。

圖4 山洪災害危險性指數等級分布Fig.4 Torrential flood hazard level distribution

2.2 易損性分析

2.2.1 易損性因子分析

(1)人口密度。根據中國1km格網人口數據集與廬山風景區近幾年游客數量統計，對廬山風景區人口數量進行空間插值并生成人口密度分布圖，分析其人口空間分布規律，見圖5(a)。人口密度越大的地方，山洪災害的易損性就越高。從圖5(a)中可以看出廬山牯嶺街心公園區的人口密集程度最大，而三疊泉區域的人口較為稀少。因此，從人口密度方面來看，廬山牯嶺街心公園所在的區域在山洪災害發生時的人員傷亡相對于其他區域會更高。

(2)道路緩沖區。道路等級不同其影響程度也不同。由于廬山風景區的道路網主要包括省道、主干道和小路等3種道路類型，因此本文利用ArcGIS的緩沖區分析功能分別按照100、200、300、400和500 m的距離生成道路緩沖區，劃分道路等級，道路等級區劃圖見圖5(b)。離路中心越近其遭到洪災后所造成的損失越高，越遠遭受到的損失則越低。

圖5 易損性因子空間分布Fig.5 Vulnerability factor spatial distribution

2.2.2 易損指數分析

根據專家打分并結合廬山風景區實際情況，采用層次分析法得到人口密度和道路緩沖區的權重見表4。

表4 易損性因子權重Tab.4 Vulnerability factor weights

利用ArcGIS的空間分析功能對易損性指標進行加權疊加分析得出每個柵格單元的易損指數V。研究區山洪災害易損指數見圖6。

圖6 山洪災害易損指數分布Fig.6 Vulnerability index distribution of mountain torrent disaster

由圖6可見，景區易損指數空間分布格局為北部較大，由西至東易損指數總體較小。景區大部分易損指數都比較小，易損指數大的區域集中在廬山牯嶺街心公園,易損指數范圍為7.76～10.00，最大值為10.00，主要原因是廬山牯嶺街心公園人口和道路密集程度最大，因此當發生洪災時該區域受損害程度也最高；廬山風會議舊址、星龍索道、廬山博物館等景點易損指數較大，易損指數為6.09～7.76；易損指數較小的地區位于玉川門和三疊泉等地，易損指數為2.73～4.41；易損指數最小的區域為景區東北部，這些地區人煙稀少即便發生山洪災害其造成的損失也很低，因此該區域易損指數最小。

2.3 風險指數分析

利用前文已構建的山洪災害風險度模型進行廬山風景區山洪災害風險指數分析。由于山洪危險性是山洪災害最主要的誘發因素，因此本文結合廬山風景區實際情況將山洪災害危險性H權重取為0.8，易損性V取為0.2。故有山洪災害風險指數公式：

R=0.8H+0.2V

(7)

根據公式(7)，利用ArcGIS軟件，將各指標進行空間插值后形成柵格圖層，然后通過柵格計算器計算出每個柵格的風險指數R。廬山風景區山洪災害風險指數見圖7。由圖7可知，西北部如石門澗、星龍索道、仙人洞及廬山牯嶺街心公園等地風險指數最大，風險指數范圍為6.10～10.00，最大值為8.46；東南部如五教祈福文化園、玉川門、三疊泉等地的風險指數則較小，風險指數范圍為3.44～4.32；風險指數最小的區域為景區東北部，風險指數范圍為1.00～3.44，最小值為1.69。從總體上來看景區東北部降雨量少坡度較為平緩河網密度也不大，發生山洪災害的幾率較低。另外該區域路少人稀，山洪災害造成的損失也很低。故景區東北部山洪災害風險指數最低。

圖7 廬山風景區山洪災害風險指數Fig.7 Mountain flood disaster risk index in Mount Lu Scenic Area

3 山洪災害風險區劃

利用ArcGIS自然間斷點分級法將已生成的山洪災害風險指數進行重分類并劃分為5個等級，即低風險、較低風險、中等風險、較高風險和高風險，每個風險等級范圍和含義見表5。具體劃分結果見圖8。

表5 山洪災害風險等級范圍及其含義Tab.5 Mountain torrent disaster risk level range and its meaning

圖8 山洪災害風險區劃Fig.8 Mountain torrent disaster risk zoning map

在廬山風景區山洪災害風險區劃的基礎上，利用ArcGIS的空間統計分析功能計算出不同風險等級面積(見表6)。

表6 各風險等級面積Tab.6 The area of each risk level

由表6及圖7可知，研究區山洪災害高風險區面積約5.93 km2，占全區面積的11.86%；較高風險區面積約13.94 km2，占全區總面積的27.88% ；中等危險區面積10.78 km2，占全面積21.55%；較低風險區面積11.01 km2，占全區總面積的22.01%；低風險區面積8.35 km2,占全面積的16.70%。高風險區主要分布在星龍索道、石門澗、仙人洞和廬山牯嶺街心公園等地，其他風險等級相對較低的地區如五教祈福文化園、三疊泉等地。景區西部山洪風險性明顯高于東部，這與這些地區暴雨強度高、坡度大以及游客比較集中有關，而東部地區暴雨強度較低，人口密度較小。

以廬山牯嶺街心公園為例，一方面該區域時段年最大降雨量在整個研究區范圍內都處于較高水平，如年最大1 h暴雨均值為79.43～84.26 mm，年最大6 h暴雨均值為145.00～149.91 mm，年最大24 h暴雨均值為230.28～234.82 mm。加之該區域地形陡峭、河網也較為密集，山洪發生時水流湍急容易形成強大的沖擊力；另一方面該區域為廬山風景區旅游接待中心，賓館、飯店及居民點星羅棋布，居民和游客人流也最為集中加之該區域道路網縱橫交錯，山洪災害一旦在此地形成將會對該區域造成較為嚴重的人口傷亡及財產經濟損失。綜上所述，該區域為山洪災害高風險區，發生山洪災害的概率極大，山洪災害發生時對該區域造成的威脅也較其他區域更為嚴重，旅游安全管理部門應當予以高度警惕。

據廬山歷史山洪災害情況調查結果表明：廬山牯嶺街心公園所在區域為廬山風景區旅游接待中心，該區域多處地方最近10 a多發生過多次山洪災害，這與區劃結果較為吻合。因此該方法具有較好的適用性，可為廬山風景區旅游氣象災害防治提供一定的科學依據和參考價值。

4 結 論

(1)針對山岳型風景區山洪災害問題，以廬山風景區為例，利用GIS技術和層次分析法開展了山岳型景區暴雨山洪災害風險區劃研究，基于自然間斷點分級法得到廬山風景區山洪災害危險性、易損性及風險區劃圖。

(2)研究區山洪災害高風險區面積約5.93 km2，占全區面積的11.86%；較高風險區面積約13.94 km2，占全區總面積的27.88%；中等危險區面積10.78 km2，占全面積21.55%；較低風險區面積11.01 km2，占全區總面積的22.01%；低風險區面積8.35 km2,占全面積的16.70%。高風險區主要分布在星龍索道、石門澗、仙人洞和廬山牯嶺街心公園等地，其他風險等級相對較低的地區如五教祈福文化園、三疊泉等地。景區西部山洪風險性明顯高于東部，這些地區暴雨較為集中且強度大、山坡陡峭因此形成的山洪沖擊力大。此外這些地區的人口分布密集經濟較為發達，遭受山洪災害的損失也較其他地區嚴重。而東部地區暴雨強度較低，人口密度較小。

(3)受限于降雨資料不足，使得山洪災害危險性指標準確度可能偏低。今后應加強景區雨量站布設，加強降雨資料收集，同時應利用遙感圖像結合山洪災害普查信息，充分考慮游客流動性，使得區劃結果更加合理、可靠。

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