基于ＧＩＳ和模糊數學的神農架村鎮山洪風險評價

王望珍 李玉剛 周又又

摘要：神農架林區山洪災害頻繁發生，為了評價神農架各個地區的災害狀況，給當地政府進行災害防御規劃提供技術支撐，根據山洪災害的發生機制和山洪災害風險評價原理，從致災因子危險性、孕災環境暴露性、承災體脆弱性、防災減災措施4個角度構建了神農架林區村鎮山洪災害風險模糊綜合評價模型，結合層次分析法并采用GIS分析技術對其進行了多層次的模糊綜合評價。結果表明，林區山洪災害危險性主要受降雨量影響，總體趨勢是西南部高于東北部;山洪災害暴露性風險分布區域性較強，主要集中在中部和西部;脆弱性風險相對較小;防災減災能力全區都整體偏弱，林區基礎設施建設亟需加強。神農架林區山洪綜合風險高值區集中在西部的木魚鎮和大九湖鄉兩個旅游重鎮，較高及以上風險面積占全區面積的24.92%。

關鍵詞：山洪風險;模糊綜合評價;AHP;GIS;神農架林區

中圖分類號：X43? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）09-0037-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.09.009? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Mountain torrent in Shennongjia forest region occurs frequently. In order to evaluate the disaster situation in various areas of Shennongjia and provide the government with technical support for disaster prevention planning， the fuzzy comprehensive evaluation model of mountain flood disaster risk in villages and towns in Shennongjia forest region was constructed from four angles which were the risk of disaster factors， the exposure of the disaster environment， the vulnerability of the carrier and disaster prevention and mitigation measures according to the occurrence mechanism of mountain flood disasters and the risk assessment principle of mountain flood disasters. And multi-level fuzzy comprehensive evaluation of it was carried out by analytic hierarchy process and GIS. Results showed that the forest mountain torrent disaster risk was mainly affected by rainfall， and the overall trend was southwest higher than northeast. Mountain torrent disaster exposure risk distribution had strong regional features， mainly concentrated in the central and western. Vulnerability risk was relatively small. Disaster prevention and mitigation capacity of district was overall weak， and forest infrastructure needs to be strengthened. The concentration area of comprehensive high value of flash floods in Shennongjia forest region was the west Muyu town and Dajiuhu village， two important tourist town， the square of high and above risk area of these two areas accounted for 24.92% of whole district.

Key words： mountain torrent disaster; fuzzy comprehensive evaluation; AHP; GIS; Shennongjia forest region

中國幅員遼闊，地形復雜多變，各類自然災害時有發生，而作為華中屋脊的神農架林區則是山洪頻發。山洪是由短時間或持續的高強度降雨所引起，往往突發性強破壞力極大，且對于突發山洪的預報十分困難，基于以上特點，山洪在發生后常帶來嚴重損失，威脅到當地的生命財產安全。研究該地區的山洪風險有助于對神農架林區的山洪預測。

對山洪災害風險性評價的研究在國內外很受重視，其中山洪災害的風險分析和制圖是重點。自20世紀60年代以來，大部分受過嚴重洪災影響的國家或地區都開展了對于綜合性的洪水損失預防和管理，其普遍做法是對某些示范試驗區或流域進行洪災的風險性評估，這些非工程性措施的減災效果很明顯且得到了國外的普遍認可[1]。隨著遙感技術（RS）和地理信息系統（GIS）取得巨大進展，將其逐步應用于山洪災害風險評估工作，極大地促進了中國山洪災害風險評估的研究。多數學者采用實地資料與GIS空間分析相結合的方法，對山洪災害進行評估與區劃[2-6]。但大部分區劃空間尺度相對較大，很多學者進行了基于全國范圍的以縣為單位的洪水災害區劃研究[7-9]，而以村鎮為單位的縣區級災害評估與區劃十分罕見，主要原因多是缺乏村鎮級的長期自然和社會經濟資料。本研究以神農架林區為對象，以村鎮為評價單元，利用當地現有數據，從危險性、暴露性、脆弱性、防災減災4個方面選取風險因子評價指標，計算各因子對應指標的權重，通過模糊綜合評價法構建山洪災害風險評價模型，結合GIS技術，繪制出神農架林區村鎮山洪災害風險區劃圖，為當地政府進行災害防御規劃提供技術支撐。

1? 山洪災害風險評價指標體系

1.1? 指標體系的構建

根據山洪災害系統的形成機制，以及客觀性、代表性、可獲取性等指標選取原則，在對神農架林區進行實地考察和特征分析后，擬從致災因子、孕災環境、承災體、防災減災4個方面選取指標，致災因子主要為降雨，但由于獲取資料所限，指標僅選取5—9月汛期降雨量;孕災環境選取絕對高程、相對高程、林地面積、山洪溝長度4個指標;承災體選取人口密度、建筑物數量、耕地面積、GDP產值4個指標，防災減災措施選取河堤、河壩、橋梁、公路，由此構建了神農架林區山洪災害風險評價指標體系，由目標層、準則層、指標層3個層次構成[10]，具體見表1。

1.2? 指標危險度分級

由于各評價指標量綱不同，且具體數值變化范圍較大，因此需對數據進行分級處理。本研究采用5級劃分標準，等級越高表示該因子的影響性越大。賦予的數值d1、d2、d3、d4、d5分別代表危險性低、較低、中度、較高、高。結合神農架林區實際情況，采用GIS中的自然斷裂法對各指標進行分級。分級結果見表2。

2? 基于GIS的山洪災害風險模糊綜合評價

2.1? 確定指標權重

指標的權重確定采用層次分析法，其核心是建立判斷矩陣。本研究判斷矩陣由多位水文地質災害專家通過打分建立，主要包含4個矩陣，分別為由致災因子、孕災環境、承災體、防災減災構造的判斷矩陣;由絕對高程、相對高程、林地面積、山洪溝長度構成的判斷矩陣;由人口密度、建筑物數量、耕地面積、GDP產值構成的判斷矩陣;由河堤、河壩、橋梁、公路等預防措施構成的判斷矩陣。對各個專家打分結果進行矩陣特征值計算和處理，選取通過一致性檢驗的取其幾何平均值從而得到13個指標的權重分配，權重結果如表3所示。

2.2? 構造隸屬函數

采用模糊綜合評價法來評價山洪災害時隸屬度的確定有著非常重要的意義，在構建隸屬函數時，典型的隸屬函數包括小型隸屬函數、偏大型隸屬函數、中間型隸屬函數和S型、Z型隸屬函數等，但在洪水方面，目前仍未找到精確的函數來確定隸屬度。由于研究的是山洪災害，查閱往年關于洪水的文獻發現，采用比較多的是降（升）半梯形函數和三角函數，本研究也采用此種函數，具體方法是將指標中分級標準的低值部分用降半梯形函數，高值部分用升半梯形函數，中間值部分用三角形函數表示。具體見式（1）至式（5）。

2.3? 建立模糊綜合評價模型

本研究采用模糊綜合評價法，設u1，u2，…，u13分別對應上述13個指標。B為神農架林區山洪災害風險模糊綜合評判結果向量，B1、B2、B3、B4分別表示神農架林區山洪災害致災因子、孕災環境、承災體、防災減災模糊綜合評判結果向量。向量A為神農架林區山洪災害對神農架林區山洪災害風險模糊綜合評判的權重向量，A1、A2、A3、A4分別為致災因子、孕災環境、承災體、防災減災對神農架林區山洪災害風險模糊綜合評判的權重向量。模糊算子o取模型M（·，+），計算模型見式（6）。

ArcGIS雖不具備直接的矩陣運算功能，但可以通過自帶的柵格計算器工具分步計算。首先，載入13個評價指標因子的隸屬度圖層到ArcMap中，然后將表達式（7）至式（11）輸入到柵格計算器，計算后便能得到神農架林區村鎮山洪災害不同等級的危險性、暴露性、脆弱性和防災減災能力大小。

2.4? 山洪風險評價結果及分析

根據最大隸屬度原則，選取每個柵格上山洪災害致災因子、孕災環境、承災體、防災減災、綜合風險隸屬度的最大值作為該柵格單元山洪災害致災因子、孕災環境、承災體、防災減災、綜合風險等級。通過柵格計算結果，神農架林區山洪災害的致災因子危險性、孕災環境暴露性、承災體脆弱性、防災減災能力風險等級及綜合風險等級結果如表4所示。

從致災因子危險性風險等級（圖1）可以看出，西部地區的山洪災害致災因子危險性要高于東部地區。通過對不同風險等級山洪災害致災因子危險性面積及其占比進行統計可知，低危險性風險區域面積所占比例為7.96%，高危險性風險區域面積所占比例為10.69%，較高危險性風險區域面積所占比例為14.23%，較低和中等危險性風險區域面積所占比例為67.12%。

基于村鎮分布來看，致災因子危險性風險等級較高的村有茅胡村、紅花坪村、青峰村、小當陽村、九沖村、木魚村、三堆河村;致災因子危險性等級風險高的村有坪阡村、大九湖村、東溪村、黃柏阡村、洛陽河村、青樹村。

從孕災環境暴露性風險等級（圖2）可以看出，神農架林區山洪災害中等及以上危險區域主要分布在神農架林區中部和西部一帶，西部地區的山洪災害孕災環境危險性要高于東部地區。通過GIS軟件對不同風險等級山洪災害孕災環境暴露性面積及其占比進行統計可知，低暴露性風險區域面積所占比例為9.50%，較高暴露性風險區域面積所占比例為28.34%，高暴露性風險區域面積所占比例為11.13%，較低和中等暴露性風險區域面積所占比例為51.03%。

基于村鎮分布來看，孕災環境暴露性等級風險較高的村有金甲坪村、興隆寺村、坪阡村、大九湖村、貓兒觀村、洛陽河村、龍溪村、溫水村、后山坪村、陽日村、盤龍村、紅舉村;孕災環境暴露性等級風險高的村有紅花坪村、龍口村、板倉村、宋洛村、朝陽村。

從承災體脆弱性等級（圖3）可以看出，神農架林區山洪災害中等及以上危險區域主要分布在神農架林區東部幾個村和西部的大九湖村，其他地區脆弱性均較為安全。通過GIS軟件對不同風險等級山洪災害承災體脆弱性面積及其占比進行統計可知，低脆弱性風險區域面積所占比例為64.26%，較高脆弱性風險區域面積所占比例為3.40%，高脆弱性風險區域面積所占比例為1.74%，較低和中等脆弱性風險區域面積所占比例為30.60%。

基于村鎮分布來看，承災體脆弱性風險等級較高的村有大九湖村、龍溝村、清泉村;承災體脆弱性風險等級高的村有朝陽村、陽日村、松柏村。由圖3還可以看出，林區的承災體脆弱性風險普遍較低，這與神農架林區的經濟不發達是相符合的。

從防災減災能力風險等級（圖4）可以看出，神農架林區山洪災害的防災減災能力整體偏弱，東部和西部的村鎮防災減災的風險都很高，僅中部的幾個村有一定的防災減災能力。通過GIS軟件對不同風險等級山洪災害防災減災能力面積及其占比進行統計可得，低防災減災能力風險區域面積所占比例為12.65%，較高防災減災能力風險區域面積所占比例為9.33%，高防災減災能力風險區域面積所占比例為54.30%，較低和中等防災減災能力風險區域面積所占比例為23.71%。

基于村鎮分布來看，太和山村、木魚村、蓮花村、紅花村、梨子坪村、塔坪村、古水村、東溪村、板倉村、松柏村、高坪村的防災減災能力風險等級為低和較低;青峰村、溫水村、萬福村、紅河村、官封村的防災減災能力風險等級為中等;林區其余的50村防災減災能力風險等級為高和較高。由此可以看出，該林區的防災減災能力總體很弱，一旦發生山洪，將造成巨大損失。

從圖5可以看出，神農架林區山洪災害中等及以上危險區域主要分布在神農架林區西南部一帶，西部地區的山洪災害風險要高于東部地區，通過對不同等級山洪災害綜合風險面積及其占比進行統計可得，低風險等級區域面積所占比例為7.96%，較高風險等級區域面積所占比例為14.23%，高風險等級區域面積所占比例為10.69%，較低和中等風險區域面積所占比例為67.12%。

基于村鎮分布來看，綜合風險等級較高的村有茅胡村、紅花坪村、青峰村、小當陽村、九沖村、木魚村、三堆河村;風險等級高的村有坪阡村、大九湖村、東溪村、黃柏阡村、洛陽河村、青樹村。這些村由于位于山谷中，地形坡度大，且山洪溝密集，遇到夏季的強降雨時，容易爆發山洪災害;此外由于大九湖和木魚鎮為神農架的重點旅游景區，人口眾多，承災體的脆弱性風險很明顯，且河堤、河壩等防災減災設施缺乏，故而導致綜合風險等級很高。神農架林區的山洪災害低風險區主要集中在林區的東部，由于東部地區的地勢相對平緩，地形起伏不大，降雨量也相對林區其他地區較小，且土地以林地為主，植被覆蓋率高，不易發生山洪災害。

3? 結論

基于山洪災害形成機制角度，從致災因子、孕災環境、承災體、防災減災4個方面選取降雨、高程、林地面積、人口密度、GDP產值、河堤、河壩等13個因子作為神農架林區山洪災害風險評價指標，利用ArcGIS和模糊綜合評價法，基于村為評價單元得到神農架林區山洪災害危險性、暴露性、脆弱性、防災減災能力和綜合風險等級區劃圖。研究結果表明，林區西部和南部的村鎮山洪災害綜合風險普遍高于東部和北部，尤其是大九湖鄉和木魚鎮兩個旅游重鎮的風險等級都在較高及以上。整個林區的防災減災能力很弱，66村有50村風險等級為較高及以上，面積高達60%以上，說明神農架林區的防災減災工程措施明顯不足，希望神農架林區政府能加強防災減災工程措施的建設，強化村民的防災減災意識，減少因自然災害帶來的損失。

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收稿日期：2018-10-31

基金項目：國家科技支撐計劃項目（2014BAL05B00）

作者簡介：王望珍（1968-），女，湖北武漢人，副教授，博士，主要從事風險管理方面的研究，（電話）15342280143（電子信箱）wangwz_wh@163.com;通信作者，李玉剛（1994-），男，河南信陽人，在讀碩士研究生，研究方向為風險評估，（電話）15927268620（電子信箱）liyugang_987@163.com。