基于GIS技術區域山洪災害定量評估研究

張 巍

(遼寧省水利事務服務中心，遼寧 沈陽 110003)

近些年來，區域山洪災害呈現頻發多發態勢，山洪災害具有突發性強、破壞力大的特點，是遼寧省乃至全國防汛的薄弱環節之一。從2013年開始，國家防汛指揮部開展實施全國山洪災害防治項目[1]，項目實施方案中對區域山洪溝進行了詳細調查，包括影響區域內人口、影響的行政區域面積以及區域內的社會經濟數據，并制作了相關的空間數據圖層[2]。當發生山洪災情時，防汛部門需要對發生災情的損失進行統計并對災害的等級評估，傳統災情損失統計方法主要依靠地方層層上報，災情損失和災害等級評估方法存在一定的主觀性[3]。從21世紀開始，隨著地理信息和計算機技術的蓬勃發展，地理信息技術已經逐步應用到洪水災害風險調查中[4- 9]，通過將洪水淹沒范圍同區域人口、行政區域以及社會經濟數據圖層進行空間疊加，確定洪水災情損失。考慮到近些年山洪災害發生的頻次和程度有所加劇，需要通過現代化手段對區域山洪災害災情和等級定量統計。本文結合GIS技術，以遼寧某山洪災害區域為研究實例，對該區域山洪災情損失和等級定量評估。

1 災情損失等級評估方法

1.1 洪災影響分析方法

洪水影響主要分析淹沒范圍內不同淹沒水深下受到洪災影響的區域面積、影響居民人數、受洪水淹沒的耕地面積、受洪災影響的交通等基礎設施、受洪災影響的GDP和行政村落等指標。

(1)洪水影響人口指標

人口數據通常以行政單元統計，對不同頻率下洪水淹沒范圍的影響人口分析，需要結合區域人口統計數據對其洪水影響人口的空間分布特征，受影響人口的統計方程為：

Pe=P×Af/A

(1)

式中，P—區域總人口；Af—某一行政區域的受淹面積；A—行政區域總面積。在對受洪水影響人口統計后，可進一步推求與人口相關的財產損失指標。

(2)受洪水影響的GDP指標

對于受洪水影響的GDP值，主要結合不同洪水頻率下確定的洪水淹沒面積與其單位面積的GDP值的乘積確定受洪水影響下的GDP指標。

(3)受洪水影響的耕地及居民地面積指標

將淹沒范圍、行政區劃、耕地分布以及居民地分布四個圖層，應用地理信息的疊加功能進行圖層疊加，確定不同洪水淹沒范圍下區域受影響的耕地面積以及居民地面積指標。

(4)受洪水影響的交通道路指標

結合地理信息技術，將道路矢量圖層和淹沒范圍圖層進行線面疊加分析，確定不同洪水淹沒范圍影響下的交通道路指標，指標主要為受洪水影響的交通道路的長度。

1.2 洪災損失分析方法

洪災損失通常指受災地區各種財產或耕作物的損失值與受災前值或正常值之比，主要包括直接經濟損失、間接經濟損失和非經濟損失3類。

(1)通過實地查勘以及水動力數學模擬的方式對不同頻率下洪水淹沒范圍、深度、以及洪水淹沒歷時等指標確定；

(2)結合面積加權以及線性回歸方法對社會經濟及地理信息空間數據進行空間屬性分析，建立具有空間信息的社會經濟地理數據庫；

(3)結合不同頻率下洪水淹沒范圍，構建社會經濟地理空間分布特征的拓撲關系，空間疊加分析，對不同淹沒范圍下的社會經濟損失進行空間分析。

(4)在不同的淹沒水深條件下，對受災典型地區、典型單元、典型部門等分類，并作受災損失統計，計算出各類財產損失率或繪制關系曲線。

(5)結合以下公式計算不同淹沒范圍下的洪水影響財產損失：

(2)

式中，Wij—評估單元在第j級水深的第i類財產的價值；η(i，j)—第i類財產在第j級水深條件下的損失率。

2 研究實例

2.1 研究區域概況

本文以遼寧東部某山洪區域為研究實例，該區域的降水量主要集中在夏季，多年平均降水量為1100mm，汛期降水量占總降水量的80%以上，汛期時山洪災害發生的主要時期，近些年來，受臺風氣候影響，遼寧東部的山洪災害呈現多發頻發的態勢，為對可能發生的山洪災害帶來的人員和財產損失進行定量評估，結合GIS技術，在區域洪水淹沒范圍的基礎上，疊加人口以、用地面積以及社會經濟等數據，定量評估不同等級洪水災害的損失。

2.2 網格剖分

采用非結構不規則網格對建模區域進行網格劃分，網格設計成大小不等的三角形，使網格的大小隨地形地勢和阻水建筑物的分布靈活確定，而且盡可能地將影響水流的阻水建筑物作為網格邊界，充分反映計算域的特征。必要時對區域內的一些典型的線性阻水建筑物，如堤防、公路等，經合理概化，并對網格適當加密，最大網格面積不超過3km2，共剖分網格7612個。

2.3 洪水淹沒范圍分析

結合水動力學模型對區域不同等級洪水淹沒范圍進行評估，各等級洪水淹沒范圍評估結果如圖2所示。

從圖中可看出，流域淹沒范圍和區域山洪災害發生等級總體影響程度不高，這主要是和流域地形有關，地形較高的區域，受洪水淹沒影響程度較小，而區域屬于地形的南高北低現象，因此北部區域淹沒范圍要高于南部區域，從各等級山洪淹沒范圍可看出，流域發生50年一遇的最大淹沒面積在20.38km2，各等級洪水淹沒的最大水深為3.5m，當淹沒水深達到最大水深時，區域的淹沒面積達到最大，從圖中還可看出發生5年一遇洪水淹沒范圍也較大，這主要和區域主要的地形較為低洼有關，當發生5年一遇洪水時，即發生淹沒區，但5年一遇淹沒影響的范圍和深度較小。

2.4 洪水損失影響分析結果

結合不同頻率淹沒范圍計算結果，對不同頻率下淹沒范圍內的影響指標進行統計，依次統計了研究流域不同淹沒區人口、受淹面積、受淹耕地面積、受洪災影響交通道路長度、受洪災影響的GDP。

(1)淹沒區人口

通過GIS技術，將淹沒范圍圖層(圖1)與研究區域的行政區圖層、居民地圖層進行相互的空間疊加分析，結合區域鄉村人口和城鎮人口數量的統計數據，即可得到區域不同等級山洪災害下淹沒范圍內的影響人口數量，結果見表1。

表1 研究區域不同頻率淹沒區人口數統計表 單位：人

圖1 不同重現期區域山洪淹沒范圍圖

從表中可以看出，隨著洪水頻率的遞增，其影響人口呈現明顯的遞增變化，對于研究區域而言，隨著洪水頻率的遞增，其影響人口的遞增率平均為15%，而當發生不同頻率洪水時，對于0.5m以下范圍內山洪災害主要是對人員的出行產生一定的影響，而當高于0.5m時，其淹沒范圍內的人員安全將產生一定程度的影響，當淹沒范圍在3.5以上時，其影響人口的數量將達到最大。

(2)淹沒面積

通過GIS技術，將淹沒范圍圖層與研究區域行政區圖層、區域耕地分布圖層進行空間疊加分析，即可得到對應不同頻率洪水方案不同淹沒水深等級下的受淹面積及耕地面積等，結果見表2—3。

從表2—3中可看出，不同洪水等級下區域淹沒面積和耕地面積的比例變化較小，這主要是受到區域地形有關，區域周邊高，而中部區域的地勢較低，使得不同洪水等級下其淹沒范圍內的受淹面積和耕地面積的變化比例較小，由于區域耕地面積所占比例較高，因此區域內主要受影響的為耕地面積，而居民用地及其他用地面積影響比例較小。

表2 研究區域不同頻率山洪淹沒面積統計表 單位:km2

表3 研究區域不同頻率山洪耕地淹沒面積統計表 單位:km2

(3)淹沒區交通道路統計

道路在地理信息系統的矢量圖層上呈線狀分布，道路圖層內包含道路名稱、長度、等級等屬性信息。將道路線圖層與區域不同頻率洪水的淹沒圖層進行空間疊加計算，可獲取不同頻率方案下的受淹道路長度信息。詳細數據見表4。

表4 區域不同頻率山洪影響交通道路統計表 單位:m

不同等級下山洪災害影響的交通道路統計結果，從表中可看出，隨著洪水等級的遞增，區域洪水淹沒的道路長度呈現較為明顯的遞增變幅，不同淹沒水深下的淹沒道路長度的遞增率均值在10%以上，可見，洪水對交通道路的影響較大。當區域淹沒水深在3.5m以上，區域淹沒的道路長度達到最大。

(4)淹沒區資產統計

結合區域不同行政單元內的淹沒面積與區域內單位面積的GDP值進行相乘來評估受山洪災害影響的區域GDP值，其分析結果見表5。按照不同行政單元受淹面積與該流域內單位面積上的GDP值相乘來計算受洪災影響GDP。故受影響GDP與流域內受淹面積直接相關。

表5 區域不同頻率山洪淹沒區資產統計 單位：萬元

從表中可以看出，當研究區域發生大以及特大洪水時，區域受山洪災害影響的GDP總值呈現較為明顯的遞增變化，其遞增幅度要高于5年和10年一遇的洪水影響GDP總值，從表中可看出，當區域發生不同等級的山洪災害下，區域3.5m范圍內的GDP總值影響程度較小，而在3.5m以上區域其GDP總值影響程度達到最大，這主要和區域GDP總值的分布相關，在3.5m以上區域屬于GDP的高產值區域，而3.5m以下范圍內屬于GDP的低產值區域，因此在3.5m以上區域其受不同等級洪水GDP總值影響程度達到最大。

2.5 洪水淹沒損失分析結果

在區域不同水深下的損失率確定的基礎上，對區域不同頻率洪水下不同等級水深下的洪水損失情況進行了估算，評估計算結果見表6—8。

表6 研究區域5年一遇洪水淹沒損失 單位：萬元

表7 研究區域10年一遇洪水淹沒損失 單位：萬元

表8 研究區域20年一遇洪水淹沒損失 單位：萬元

表9 研究區域50年一遇洪水淹沒損失 單位：萬元

從不同等級的洪水淹沒財產損失可以看出，區域受山洪災害影響的財產損失具有較為一致的變化規律，各洪水頻率下區域的農牧業和第三產業受到洪水影響的程度最高，這主要是和區域的產業結構有關，區域內主要以農牧業和第三產業為主，因此區域這兩個產業的財產損失影響程度最高，在發生20年和50年一遇較大洪水后，農牧業和第三產業受影響變幅最大，相比于5年和10年一遇，其增加的變幅達到20%以上，當淹沒范圍達到3.5m以上，其各項淹沒的財產損失將達到最大，最大值將達到1818.58萬元。從圖中還可看出，不同淹沒范圍內的財產損失不同，這主要和區域不同淹沒范圍內的產業結構分布有關，各淹沒范圍主產業結構損失影響程度最大。

3 研究結論

(1)該評估方法體系可實現區域內災害損失的定量評估，解決當前災情統計主要依靠地方上報，存在較大主觀性的局限，實現災情損失的多途徑評估。

(2)該評估方法體系可實現不同洪水情景下的山洪影響程度評估，可為區域山洪防汛決策提供重要的依據，也可為山洪影響范圍內的產業結構優化布局、人口安置提供重要的規劃依據。

(3)本文主要考慮不同洪水頻率下的災害損失影響，未能考慮山洪災害不同洪水歷時其洪水淹沒范圍的災害損失情況，在以后的研究中還應重點考慮洪水歷時對區域災情損失的影響。