大連市山洪災害風險分析

孫 濤

(大連金普新區農業農村發展服務中心，遼寧 大連 116199)

0 引 言

在下墊面和降雨因素共同作用下引發的山丘區溪溝間暴漲暴落的地表徑流即為山洪，通常存在沖刷破壞力強、流速大、覆蓋范圍廣等典型特征，極易造成泥石流、滑坡等災害。由于預防和預測較為困難使得山洪災害易產生人員傷亡，對人身健康和國民經濟造成重大威脅。實踐表明，山丘區的下墊面環境和降雨條件為驅動山洪災害的關鍵要素，一般易引發山洪的小流域其土壤質地不利于水分吸收且比降較大[1-6]。采取科學有效的減災措施和管理政策重要基礎是對風險的準確評估，通過對山洪災害驅動因子的分析開展系統性、前瞻性的風險評價可大大提升人類抵御自然災害的能力，為構建綜合風險管理體系及促進區域可持續發展提供重要依據，例如史培軍等從人為、環境和自然3個方面分解了區域災害系統[7]。

近年來，將山洪災害風險評價與GIS地理信息系統相結合的研究越來越多，如羅日洪等通過構建曹江上游小流域山洪災害風險評估模型獲取了區域風險區劃圖；靳夢等從山洪災害易損度和危險度的角度提取評價因子，利用GIS軟件疊置處理功能獲取山洪災害風險區劃圖[8-9]。一般情況下山丘區為山洪災害易發區，所以山洪災害重點防治區為風險評估范圍。另外，現有研究還未形成較為成熟、完善的山洪災害評估體系，且涉及山洪災害形成原因的分析不夠系統全面。文章選取大連市山洪災害防治區為研究對象，從人為、環境和自然災害系統選擇土地利用類型、河網密度、地形指數、年最大6h降雨量等10項因子構建風險評價體系，采用Arc GIS軟件和層次分析法疊加、分配各項因子及其權重，從而獲取區域山洪災害風險等級。

1 區域概況

大連市地處黃渤海之濱，介于E120°58′-123°31′、N38°43′-40°10′之間，大連市總面積12573.85km2，地勢呈南窄北寬、南低北高的特征，地貌形態復雜且大部分為低緩丘陵和山地，一些山間谷底及河流入海處零星分布有平原低地，海蝕地貌和喀斯特地貌比較發育且巖溶地形隨處可見。

研究區具有溫暖帶大陸性季風氣候，近鄰海洋海岸線較長且氣候適宜，年均氣溫10.5℃，年均降水量550-950mm，夏季多暴雨且集中全年60%-70%的降水，日照時數2500-2800h。黃海和渤海為該地區的主要水系，贊子河、大沙河、清水河、莊河、英那河及碧流河等為注入黃海了的主要河流，且以碧流河最大；三十里堡河、李官村河及復州河等為注入渤海的較大河流，其它小河近200余條。統計資料顯示，大連市淡水、地下水和地表水分別為37.86億m3、8.84億m3、34.2億m3，其中重復水為5.8億m3。近年來，特殊的地形條件、復雜的地質構造及降水環境使得大連山洪災害頻發，對當地交通、通訊和生產生活產生嚴重的影響，為進一步提升區域山洪災害科學管理水平，有必要采取科學的方法評估山洪災害風險狀況。

2 研究方法

2.1 山洪災害風險評價體系

山洪屬于一種自然災害對山丘地區的經濟發展和生命安全產生巨大威脅，區域災害系統理論認為環境、自然、人為災害風險的疊加即為山洪災害風險，因此考慮從此方面構造評估體系。

致災因子的風險性即為自然災害的風險性，由于大連市具有明顯的山丘區域差異，高強度、短歷時暴雨為造成山洪災害的關鍵因子，選取年最大24h、年最大6h、年最大10min和多年平均降雨量4個指標突出暴雨致災因子的空間差異性；區域下墊面環境的穩定性即為環境致災風險性，由于降雨匯水。地形與山洪災害之間的聯系較為密切，選擇的環境災害系統指標包括河網密度、地形指數和地形坡度；承載體的脆弱性即為人為災害風險性，經濟發展水平較高和人口密集區的脆弱性較低，選取人為災害系統指標包括土地利用類型、人口分布密度和人均GDP。

根據選取的10項指標構建包括指標層、準則層、目標層的山洪災害風險評估體系如表1所示，且山洪災害風險性高低與各指標因子的數值大小呈正相關性。依據相關研究資料和自然間斷法，將山洪災害風險等級劃分為1-5級，風險程度隨等級的增大而增加，各風險因子分界值如表2所示。

表1 大連市山洪災害風險評估體系

表2 山洪災害風險評估等級

2.2 數據的處理

根據遼寧省中小流域暴雨圖集中的線矢量插值獲取年最大24h、6h、10min和多年平均降雨量數據，由地理空間數據云平臺下載精度為90m的數字高程模型DEM數據；全國山洪災害項目組下發獲取土地利用格柵數據和中小河流線矢量，精度為30m；中科院資源環境科學數據中心提供人口密度和人均GDP數據，通過相關公式計算獲取河網密度、地形指數和地形起伏度。其中，地形起伏度V利用Arc GIS格柵計算器和DEM數據源獲取，用于描述單位相鄰格柵高程的起伏程度，數學表達式為：

V=Hmax-Hmin

(1)

式中：Hmin、Hmax為鄰域內高程最小、最大值；

地形指數TI體現了在空間分布上的流域飽和缺水量，用于描述地表產流受地形的影響作用，利用Arc GIS格柵處理工具和DEM數據源獲取，其計算式為：

TI=lnA/S

(2)

式中：S、A為任一點i的坡度及其在徑流坡面上的單寬集水面積。

單位相鄰面積a上的平均河長l即為河網密度D，若劃分為n個河段或河流的流域面積為A、總長度為L，則l=L/n、a=A/n。運用Arc GIS線密度分析工具和以中小河流矢量數據源獲取河網密度D，其表達式為：

(3)

確保各項參評因子的分辨率和投影坐標系的統一為疊置分析的基本條件，將所有數據利用Arc GIS中的重采樣工具和投影格柵投影值分辨率為1km的WGS_1984_UTM_ Zone_50N。依據以上處理方法和數據來源，提取大連市各區縣山洪災害風險各因子初始值，如表3所示。

表3 研究區山洪災害風險評判因子值

2.3 確定指標權重

根據AHP層次分析法獲取各參評因子權重，依據區域山洪災害實際情況選擇評價因子構建多要素、多目標層次結構；然后采用專家打分法對兩兩要素的重要度評分，經適當調整構造判斷矩陣，經一致性檢驗確定各評價指標權重見表1，其中CI值為0.0185滿足<0.1的要求。強度大、短歷時暴雨為驅動山洪災害的主要因子，且較大地面起伏區很容易產生洪澇，對居民生命安全和經濟發展產生嚴重威脅，所以權重較大的指標有人口密度、地形起伏度和年最大6h降雨量。

2.4 風險評價結果

將10項指標數據利用Arc GIS軟件提取，經柵格化處理后分類各個評價指標，然后對山洪災害風險等級運用自然間斷法分為1-5級，各區域風險等級如表4所示，最后，經疊加計算最終確定風險評價值。

表4 自然、環境和人工災害系統風險評價

續表4 自然、環境和人工災害系統風險評價

采用正態分布取值的方法獲取山洪災害風險級別的閾值，將風險級別劃分為很高、較高、中等、較低、很低5個等級，所對應的風險評價最終值為100%-85%、85%-60%、60%-40%、40%-15%、15%-0%，最終的評價結果見表5。結果顯示，大連市山洪災害風險以中等-較高-很高為主，由于大連市防洪災害防治的財力、物力和人力有限，為進一步提升山洪災害管理效率應優先考慮較高和很高風險區，同時兼顧中等和較低風險區域。

表5 大連市山洪災害風險分級及面積占比

2.5 驗證分析

驗證分析數據來源于大連市歷史山洪災害點相關數據，在風險等級和點工具上利用Arc GIS軟件、Arc toolbox工具箱標注提取，歷史山洪災害點統計占比與數量如表6所示。根據表6可知，歷史上發生很高-較高-中等山洪災害風險級別的區域占比達到91.26%，由此表明評價結果具有較高的準確率，分析結果與區域歷史統計數據保持良好的一致性，可為未來開展區域山洪災害防治提供科學的依據和指導。

表6 各個風險級別歷史災害點占比

3 結 論

1)從人為、自然和環境3大子系統選擇山洪災害風險評價因子，結合災害系統理論構建綜合評價體系，并對各指標權重利用AHP法求解，選取指標信息提取空間為Arc GIS系統軟件，從而獲取大連市各區域山洪風險等級。結果發現，達到很高-較高-中等山洪風險等級的區域占比超過90%，在空間分布上揭示了各區域山洪風險的差異性特征。

2)根據歷史統計資料驗證評價結果，結果顯示評價結果具有較高的準確度，風險分果與區域歷史統計數據保持良好的一致性，較為客觀、準確的揭示區域山洪災害分布規律，可為未來開展區域山洪災害防治提供科學的依據和指導。

3)山洪災害的發生受多個驅動因素的影響，且各因子影響程度和作用角度存在較大差異，較為準確、系統的分析山洪災害風險還存在相應的難度，為提高評價結果的參考價值和針對性，未來應繼續完善評價模型和優化評價體系。