基于區域災害系統和ArcGIS的山洪災害風險評價

朱恒糠　李虎星　袁燦

摘要：山洪災害具有極強的突發性和破壞性，是防洪減災工作的重點和難點，而山洪災害風險性評價是開展其防治工作的重要依據。以河南省山洪災害防治區為例，基于區域災害系統理論，將山洪災害系統劃分為自然災害系統、環境災害系統和人為災害系統，選取多年平均降雨量、年最大10 min降雨量、年最大6h降雨量、年最大24 h降雨量、地形起伏度、地形指數、河網密度、人均國民生產總值、人口密度和土地利用類型共10個指標構建山洪災害風險評價指標體系。首先運用層次分析法計算各指標權重，然后借助ArcCIS軟件對各個指標進行提取和疊加計算，最終得到風險評價值，結果表明：防治區91%的范圍處于山洪災害中等或更高風險級別區域。收集歷史山洪災害數據對評價結果進行驗證，結果顯示超過90%的山洪災害發生點處在中等一較高一很高風險區域，證明了評價結果的可靠性。

關鍵詞：區域災害系統：指標體系;風險評價;山洪災害防治區;河南省

中圖分類號：X43;TV122+.1

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.005

山洪是指山丘區溪溝間由降雨和下墊面因素共同引發的暴漲暴落的地表徑流[1]，具有流速大、沖刷破壞力強等特點，容易引發滑坡、泥石流等次生災害[2]。山洪災害難以預測和預防，常造成人員傷亡，對國民經濟和人身安全帶來巨大威脅[3]。山洪災害的形成主要取決于山丘區的降雨和下墊面環境，一般比降較大、土壤質地不利于水分吸收的小流域較可能引發山洪，反之可能性較小。山洪災害風險評價是指通過分析山洪災害的驅動因子，對山洪災害發生的可能性進行評估。

通過對災害的成因分析，史培軍教授把區域災害系統分解為自然災害系統、環境災害系統和人為災害系統[4-5]。區域災害系統的研究是開展可持續發展研究的一項重要內容，也是建立區域綜合風險管理體系的科學依據[6]。

近年來，隨著地理信息系統（ GIS）技術的迅速發展，與GIS相結合的山洪災害風險評價成為研究的熱點[7-11]。羅日洪等[12]以曹江上游小流域為例，建立了小流域的山洪災害風險評估模型，得到曹江上游小流域的山洪災害風險區劃圖。靳夢等[13]從危險度和易損度兩個方面選取指標因子，借助GIS軟件進行疊置分析，最終得到河南省山洪災害風險區劃圖。山洪災害一般發生在山丘區，因此山洪災害風險評價的范圍應集中在山洪災害防治區范圍內。此外，山洪災害形成原因具有多樣性，之前研究的指標不夠系統和全面。本文以河南省山洪災害防治區為例，基于區域災害系統理論，分別從自然災害系統、環境災害系統、人為災害系統共選取10個指標因子，構建山洪災害風險評價指標體系，并且運用層次分析法（ AHP）對各個因子權重進行分配，借助GIS手段得到山洪災害風險分級圖。1研究區概況

河南省屬于北溫帶大陸性季風氣候區，跨長江、黃河、淮河、海河四大流域，年均降水量為600 -1 300mm，降雨集中在夏季，易引發山洪災害。河南省山洪災害防治區見圖1，涉及13個市79個縣（市或區）715個鄉鎮。山洪災害一直是河南省山丘區經濟、社會發展的重要制約因素。1950-2017年的68 a中，發生泥石流災害485次，滑坡災害160處，累計受災面積11.49萬km，受災人口2 669.9萬人次，累計經濟損失高達226.76億元[14]。

2 研究方法及數據來源

2.1 山洪災害風險評價指標體系構建

山洪災害是一種典型的區域性自然災害。區域災害系統理論認為，山洪災害風險是由自然災害風險、環境災害風險和人為災害風險疊加的結果，本研究據此確定山洪災害風險評價的指標體系。

自然災害風險性主要是指山洪災害致災因子的風險性，考慮到河南省山丘區地域差異明顯，山洪災害主要是由短歷時、高強度的暴雨所引發的，為了突出暴雨致災因子的空間差異性，選取多年平均降雨量、年最大10 min降雨量、年最大6h降雨量、年最大24 h降雨量作為自然災害系統的4個指標：環境災害風險性主要是指山洪災害下墊面環境的穩定性，考慮到山洪災害與地形、降雨匯水的密切聯系，選取地形起伏度、地形指數、河網密度作為環境災害系統的3個指標;人為災害風險性主要是指山洪災害承災體的脆弱性，往往人口密集、經濟發展水平高的地區更應受到重視，因此選取人均國內生產總值（ GDP）、人口分布密度和土地利用類型作為人為災害系統的3個指標。

由此構建的山洪災害風險評價指標體系，包括目標層、準則層和指標層3個層次10個指標。可以認為各指標因子的數值大小和山洪災害風險性高低成正相關關系，根據自然間斷法進行1-5級的風險分級，等級越高代表山洪災害風險性越大，具體指標體系見表1。

2.2 數據源及處理

本研究所需數據來源如下：多年平均降雨量及年最大10 min、6h、24 h降雨量由《河南省中小流域暴雨圖集》中的線矢量插值得到;數字高程模型（ DEM）是下載于地理空間數據云平臺的SRTM3數據[15]，分辨率為90 m;中小河流線矢量和土地利用柵格數據由全國山洪災害項目組下發，其中土地利用分辨率為30m;人均GDP和人口密度數據下載于中國科學院資源環境科學數據中心[16]。地形起伏度、地形指數和河網密度可以通過相關公式計算得到。地形起伏度是指單位鄰域內最大高差所構成的柵格文件，描述了制定鄰域內高程的起伏程度，該指標以DEM為數據源借助

2.3 評價指標權重確定

山洪災害風險評價指標的權重由層次分析法確定，首先構造山洪災害評價指標體系的層次結構[22]，分為目標層、準則層和指標層;然后針對各層次兩兩指標間的相對重要程度請專家進行打分，形成判斷矩陣[23]：最后進行權向量計算，并進行一致性檢驗[24（CI= 0.017 6）。最終得到的評價指標權重見表2。山洪災害往往是由短歷時、強度大的暴雨引發的，并且容易發生在地面起伏較大的區域，嚴重威脅居民的生命安全，因此年最大6h降雨量、地形起伏度、人口密度權重較大。

2.4 評價指標提取、計算過程及風險評價結果

借助ArcGIS對10個指標逐個提取并進行柵格化處理：接著對各個評價指標進行分類，運用自然間斷法分為1-5級，各指標分級結果見圖2～圖4：最后進行疊加計算，得到山洪災害風險評價值。

山洪災害風險級別的閾值采用正態分布取值的方法進行確定，將風險級別依次分為很低、較低、中等、較高和很高5個風險等級，各等級區間依次取最終風險評價值的0% - 15%、15% - 40%、40% - 60%、60% -85%和85% - 100%，具體見圖5。由圖5可知，河南省山洪災害防治區中等一較高一很高風險區域的面積占比高達91%，說明整個區域山洪災害風險值較高，防洪形勢嚴峻：區域上顯示出南陽市北部、三門峽市南部、洛陽市南部、平頂山市西南部、駐馬店市、信陽市西南部和鶴壁市、新鄉市、安陽市三市交匯處的山洪災害風險級別較高，這些區域大多是地勢較高、暴雨強度較大的地區，需要在山洪災害防治工作中予以重視。

3 結果驗證與分析

收集河南省歷史山洪災害點有關數據作為本研究的驗證數據，并用ArcGIS軟件標注到風險分級圖上（見圖6），利用Arctoolbox工具箱中的值提取至點工具，統計歷史山洪災害點的數量和占比，見表3。

從表3可以看出，約有91.33%的歷史山洪災害發生在中等一較高一很高風險級別的區域，這說明本次山洪災害風險評價的結果準確率較高，可以為今后的山洪災害防治工作的展開提供可靠和有效的建議。

4 結論

（1）基于災害系統理論構建全新的山洪災害風險評價指標體系，并運用層次分析法進行指標權重計算，借助ArcGIS軟件進行指標信息提取，得到河南省山洪災害防治區的風險分級圖。研究結果揭示了河南省山洪災害防治區超過90%的區域處在中等一較高一很高風險區域，空間上展示出該區域不同地區間山洪災害風險的差異性。

（2）結合歷史山洪災害點對山洪災害風險評價成果進行驗證，超過90%的歷史山洪災害發生在中等一較高一很高風險區域，說明山洪災害實際發生狀況與評價結果較為一致，證明所選用的研究方法能夠較為真實地反映山洪災害的分布規律，可為山洪災害的防治工作提供參考。

（3）山洪災害的形成是一個復雜的突發過程，每個驅動因子從不同角度、以不同程度影響山洪災害的發生，要全面、無差錯地評估山洪災害的風險仍有一定的難度，今后工作中要繼續優化和完善評價模型和指標體系，使得評價結果更有針對性和參考價值。

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