基于土地利用的山洪災(zāi)害損失評估模型研究

陳 宇，王 瑛，劉慶愛，陳笑娟，周 軼

(1.北京師范大學 環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點實驗室，北京 100875； 2.應(yīng)急管理部-教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875；3.河北省氣象災(zāi)害防御中心， 河北 石家莊 050021； 4.北京市安全生產(chǎn)科學技術(shù)研究院，北京 101101)

由于我國山地范圍廣，山區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)能力相對較差，突發(fā)性山洪容易造成巨大的經(jīng)濟損失[1]。2010年至2017年，中國各地發(fā)生山洪災(zāi)害超過1萬起，造成的直接經(jīng)濟損失超過22 050億元[2]。為了及時地為搶險救災(zāi)指揮提供依據(jù)，準確評估損失狀況是非常有必要的。

山洪是洪水災(zāi)害的一種。國外對于洪水災(zāi)害的損失評估研究起步于20世紀70年代。美國、日本等發(fā)達國家通過建立各類行業(yè)財產(chǎn)的損失率曲線而去評估洪水災(zāi)害的損失。日本的Srikantha等人利用分布式水文模型、GIS和RS等技術(shù)，實現(xiàn)了洪水模擬和損失評估[3]。此外，多個國家開發(fā)了洪水損失評估系統(tǒng)，如美國聯(lián)邦應(yīng)急管理署(FEMA)開發(fā)的HAZUS-MH(The Hazards United States Multi-Hazard)系統(tǒng)，它建立了系統(tǒng)全面的脆弱性數(shù)據(jù)庫和歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)庫，可以針對洪水災(zāi)害開展損失快速評估[4]。

相比于美國、日本等國家，我國尚未形成完善的洪水損失評估體系，在評估指標、評估模型、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等尚有待完善[5]。在評估系統(tǒng)方面，我國也有一些探索，如王艷艷等[6]以上海為研究區(qū)，利用水動力學洪水分析模型實現(xiàn)淹沒分析，建立地物空間疊加分析和洪災(zāi)損失評估模型，集成土地利用、社會經(jīng)濟和洪水淹沒數(shù)據(jù)，開發(fā)完成獨立的洪災(zāi)損失評估系統(tǒng)；王帆等[7]以湖北咸寧為例，集成分布式概念水文模型和土地利用信息，開發(fā)了社區(qū)山洪風險評估系統(tǒng)，以上洪水評估系統(tǒng)都集成了多方面的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了區(qū)域的洪水損失評估。但由于基礎(chǔ)統(tǒng)計資料的實時性、空間精度較差，加之山洪災(zāi)害的暴漲暴落特征，山洪災(zāi)情評估的準確性難以保證[8]。

土地利用是指土地類型及其相關(guān)資產(chǎn)的分布和使用[9]。土地利用狀況反映了土地上的資產(chǎn)暴露量及其脆弱性，繼而決定在面對洪水時的損失水平[10]。因此，已有許多研究以土地利用為評估對象進行洪水損失評估[11-12]。土地利用數(shù)據(jù)庫具有應(yīng)用效率高，更新及時，資料現(xiàn)勢性強等優(yōu)點[13]，可以很好的滿足災(zāi)情評估的實效性要求。

以土地利用為評估對象的山洪災(zāi)害損失評估系統(tǒng)需要具有普遍性，山洪災(zāi)害損失評估需要面向災(zāi)害的土地利用分類標準和方法，因此，本文以2012年 “7.21” 拒馬河流域山洪事件為例，以重災(zāi)區(qū)野三坡的土地利用為承災(zāi)體，構(gòu)建各類土地利用的山洪災(zāi)害脆弱性模型，采用耦合“水文-水動力”模型進行山洪淹沒模擬，形成一套完整的山洪損失評估模型(flash flood disasters loss assessment model，簡稱FFLA)，并對模型的精度進行對比，驗證該模型應(yīng)用的可行性。

1 山洪災(zāi)害損失評估模型

FFLA模型由淹沒模擬，土地利用數(shù)據(jù)庫構(gòu)建和經(jīng)濟損失評估組成。淹沒模擬利用HEC-HMS和FLO-2D耦合模型重現(xiàn)山洪淹沒狀況；土地利用數(shù)據(jù)庫通過高分辨率遙感影像識別獲得，包括土地利用類型及其經(jīng)濟暴露值和脆弱性模型；結(jié)合上述結(jié)果對歷史山洪事件進行損失評估。

1.1 損失評估方法

災(zāi)情損失由危險性、暴露度、脆弱性共同決定[14]。本文以水文—水動力模型模擬的淹沒深度作為危險性指標，以土地利用價值作為暴露度指標，以土地利用脆弱性模型作為脆弱性指標。在此基礎(chǔ)上得到損失評估公式：

L=∑Ei*Dil*ail.

(1)

式(1)中，L表示山洪經(jīng)濟損失，Eij表示i類土地利用類型的經(jīng)濟暴露值(元)；Dil表示i類土地利用類型在第l級淹沒等級下的損失率，無量綱；ail表示i類土地利用類型在第l級淹沒等級下的面積。根據(jù)該風險公式，利用GIS空間分析，可以進行山洪災(zāi)害的損失評估，具體流程如圖1所示。

圖1 山洪災(zāi)害損失模型評估流程Fig.1 Assessment process of flash flood loss model

1.2 山洪災(zāi)害危險性模擬模型

山洪發(fā)生流域內(nèi)的流量數(shù)據(jù)資料常出現(xiàn)缺失現(xiàn)象[15]。因此，一些研究通過耦合水文和水動力模型來解決這一問題。水文模型可以將鄰近流域的水文指標轉(zhuǎn)移到無資料流域，并模擬各個子流域的流量時間序列。但水文模型一般不適用于洪水過程的模擬，可以將流量時間序列輸入到水動力模型中，實現(xiàn)山洪路徑的模擬[16-17]。

HEC-HMS是一個基于流域水文、水力要素之間相互聯(lián)系的原理，模擬流域地表徑流和河流/水庫流量的水文模型。FLO-2D是一個可以模擬平原、小溪等表面的洪水和泥石流，繼而產(chǎn)生淹沒深度、流速等指標的洪水或泥石流路徑模擬的水動力模型。通過耦合HEC-HMS和FLO-2D構(gòu)建的山洪災(zāi)害危險性模擬模型，操作簡單，易于使用，且運行速度快，可以快速精確地實現(xiàn)對小流域山洪的危險性模擬。

具體的耦合過程如下：(1)將流域的DEM、土地利用和土壤類型輸入到HEC-GeoHMS水文插件中，通過洼地填充、流域劃分等操作獲得流域指標；(2)將流域指標文件輸入到HEC-HMS軟件，為每個子流域的降雨站點輸入雨量數(shù)據(jù)。在模擬山洪起止時間和步長后，運行HEC-HMS，得到山洪流量時間序列；(3)將HEC-HMS得到的流量時間序列輸入到FLO-2D中，得到淹沒深度、流速和淹沒范圍等指標。

1.3 面向災(zāi)害損失評估的土地利用類型劃分

本模型主要以土地利用為損失評估對象，因此土地利用分類是否合理是損失評估的關(guān)鍵。吳傳鈞指出，土地利用分類需要符合實際利用的需要，突出利用的可能性和利用程度的差別，并表達地域差異性及其分布規(guī)律[18]。因此，本文在進行分類時充分考慮山洪損失評估的需要，突出各土地類型在面對山洪時的脆弱性和暴露性差異。同時，考慮到山區(qū)旅游景區(qū)的特殊情況，在分類時參考張娟[19]的旅游用地分類標準，充分反映了旅游業(yè)用地的性質(zhì)和特點，并與全國土地分類體系[20]相互銜接。結(jié)合居民調(diào)查和政府訪談，進行驗證、調(diào)整，劃分了13種土地利用類型(表1)，分別為未利用地、水域、農(nóng)業(yè)用地、林地、交通用地、公共設(shè)施用地、娛樂設(shè)施用地、公共管理與服務(wù)用地、居住用地、居住與商業(yè)用地、商服用地、高級居住用地和高級商服用地。

表1 土地利用分類狀況Table 1 Status of land use classification

但山區(qū)地形復(fù)雜，往往缺乏高精度的土地利用數(shù)據(jù)用于精確的損失評估。遙感影像在分析土地利用信息方面具有明顯的優(yōu)勢，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土地利用分類。因此，本文通過對高分辨率遙感影像的目視解譯，獲取高分辨率的土地利用類型。

1.4 土地利用山洪災(zāi)害脆弱性模型構(gòu)建

脆弱性是表示承災(zāi)體在某種強度自然災(zāi)害發(fā)生時的損失程度[21]。目前國內(nèi)并沒有權(quán)威的、得到廣泛應(yīng)用的洪水脆弱性模型。因此，本文參考荷蘭、北京等地區(qū)的土地利用脆弱性模型結(jié)果[22-23]，納入到山洪損失評估模型中。

如圖2所示，公共和娛樂設(shè)施用地直接暴露在山洪之中，極易受到山洪的直接破壞。因此， 當淹沒深度為1 m時，公共和娛樂設(shè)施用地的損失率就超過了80%。農(nóng)業(yè)用地、林地和交通用地由于采取了一定的防洪措施，所以在1m的淹沒深度時，損失率只有50%左右。其他的土地利用類型基本都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物，防洪能力較強，并且人類活動程度高，能及時地采取防洪保護措施，因此在1m的淹沒水深下，損失率基本在40%以下。但當淹沒深度達到5m時，所有的土地利用類型的損失率都將達到100%。

圖2 不同土地利用類型的山洪脆弱性模型[23]Fig.2 Flash flood vulnerability model for land use types[23]

2 研究區(qū)概況

拒馬河是海河的二級支流，發(fā)源于河北省太行山西北處，干流長254 km，主要流經(jīng)河北省保定市、北京房山區(qū)(圖3(a))。拒馬河屬于溫帶大陸性季風氣候，年均降雨量能達到600mm以上，但季節(jié)分布不均勻，多集中于7，8月份。拒馬河上游河段流域面積達4 938 km2，主要流經(jīng)京津冀山地地區(qū)。因此，歷史上拒馬河流域山洪多發(fā)，在1963年、1977年和1996年等都發(fā)生過大規(guī)模的山洪事件。

圖3 拒馬河及野三坡位置圖Fig.3 The location of Juma River and Yesanpo

2012年7月21日22時，拒馬河流域爆發(fā)山洪，共造成保定市淶水縣30人死亡失蹤，經(jīng)濟損失40多億元，其中受災(zāi)最為嚴重的是淶水縣野三坡風景區(qū)(簡稱野三坡)。野三坡距北京西100km處，為我國5A級旅游區(qū)，河道兩岸分布著大量的旅游基礎(chǔ)設(shè)施和建筑物，極易受到山洪沖擊。

本文選取“7.21”山洪的重災(zāi)區(qū)——淶水縣野三坡的3個村：茍各莊、劉家河村和下莊村(圖3(b))作為研究區(qū)，利用FFLA模型，對3個村莊的“7.21”山洪損失進行模擬分析。

3 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)包括降水、地形、土壤、遙感影像、土地利用價值等數(shù)據(jù)，主要來源于圖書館資料、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平臺、政府官網(wǎng)等，具體說明如表2所示。

表2 主要數(shù)據(jù)來源Table 2 The major data sources

4 模型評估結(jié)果

4.1 研究區(qū)不同土地利用類型的價值

本文根據(jù)地方政府的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，確定各土地利用類型的經(jīng)濟暴露值。表3展示了野三坡土地利用類型的脆弱性和暴露性關(guān)系。其中，農(nóng)業(yè)用地和林地上的作物價值低，所以暴露價值低；旅游服務(wù)類由于有公共服務(wù)設(shè)施和旅游娛樂設(shè)施、土地價值較高；居住、商服用地上建筑物密度大，且附帶大量物資、財產(chǎn)，所以土地暴露值在所有土地利用類型中是最高的。

表3 野三坡土地利用類型的山洪災(zāi)害性質(zhì)Table 3 Flash flood disaster characteristics of land use types in Yesanpo

4.2 研究區(qū)“7.21”山洪災(zāi)害淹沒模擬

本文利用HEC-HMS及FLO-2D模型對“7·21”山洪事件的淹沒狀況進行模擬重現(xiàn)。采用地面控制點采集和居民訪談的方式，對模擬的山洪淹沒范圍和水深進行驗證。驗證結(jié)果如圖4，可以看出，下莊村的重災(zāi)區(qū)主要分布在中南部的河道兩岸，劉家河村的重災(zāi)區(qū)主要在村莊南部，而茍各莊的重災(zāi)區(qū)主要位于村莊中部的兩岸地區(qū)，模型模擬的重災(zāi)區(qū)分布和淹沒邊界與實地走訪的結(jié)果基本吻合。因此，本文構(gòu)建的水文—水動力模型模擬精度高，能較好地完成對小流域山洪的模擬。

如圖4所示，林地和水域是野三坡2種主要的土地利用類型。此外，茍各莊以未利用地和農(nóng)業(yè)用地為主，主要分布在河道兩岸，村莊中部還有服務(wù)于旅游業(yè)的居住與商業(yè)用地。劉家河村河岸地區(qū)有大片的農(nóng)田，村莊南部分布著的商服用地。下莊村是旅游資源最為豐富，經(jīng)濟發(fā)展最好的村莊，河道兩岸分布著大面積的公共設(shè)施用地和商服用地。

圖4 野三坡“7.21”淹沒模擬和土地利用類型Fig.4 The inundation simulation and land use types of Yesanpo on July 21, 2012

4.3研究區(qū)山洪災(zāi)害經(jīng)濟損失評估與精度

利用FFLA模型，根據(jù)模擬的淹沒和土地利用指標，得到山洪損失及分布構(gòu)成(圖5)。本研究將損失分為四類。其中，農(nóng)業(yè)損失由農(nóng)業(yè)用地和林地上的損失構(gòu)成，每個村的損失基本不超過100萬元；旅游設(shè)施損失由交通、公共設(shè)施、娛樂設(shè)施、管理與服務(wù)四類用地構(gòu)成，其數(shù)值遠遠超過了農(nóng)業(yè)損失，充分體現(xiàn)了野三坡山地旅游區(qū)的性質(zhì)；居民損失是指所有發(fā)生在居民用地上的損失，也是茍各莊損失的主要來源；商業(yè)損失指發(fā)生在商業(yè)類用地的損失，其損失量達到本次山洪總損失的64%。

圖5 野三坡7.21山洪損失分布構(gòu)成Fig.5 The distribution structure of flash flood losses in Yesanpo on July 21, 2012

對3個村的損失進行統(tǒng)計，與實際災(zāi)情損失進行對比，結(jié)果見表4。總體來看，下莊村的損失最大，達到23 048萬元；劉家河村的損失為7 154萬元；茍各莊的損失最小，為4 485萬元。3個村的總損失達到34 687萬元，與實際損失(41 914萬元)相比，偏小20.83%。 FFLA模型對經(jīng)濟損失的評估精度較高，與同類型其他研究精度相近。且模型在淹沒范圍、重災(zāi)區(qū)判別等方面，準確性也較高。

表4 山洪經(jīng)濟損失評估模型精度對比Table 4 Reliability comparison of flood economic loss assessment model

FFLA模型具有以下優(yōu)勢：(1)耦合HEC-HMS和FLO-2D的方式，是從山洪災(zāi)害的發(fā)生機理出發(fā)進行危險性評估，能夠?qū)崿F(xiàn)對小流域山洪危險性的準確模擬，彌補由于山洪災(zāi)害暴漲暴落特征，而缺失的淹沒資料。(2)本模型的土地利用分類面向山洪災(zāi)害損失評估，充分考慮了各類型之間的暴露性和脆弱性差異，專業(yè)性強。基于此分類方法構(gòu)建起的土地利用數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)管理更規(guī)范，更新效率更高，能滿足山洪災(zāi)害評估的時效要求。

5 結(jié)論

本文開展了面向山洪災(zāi)害，以耦合水文水動力模型和土地利用脆弱性模型相結(jié)合的方式，構(gòu)建山洪災(zāi)害損失評估模型(FFLA)，將模型應(yīng)用到2012年“7.21”拒馬河流域野三坡山洪損失評估中。主要結(jié)論如下：

(1)耦合HEC-HMS和FLO-2D模型的模擬精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)對歷史山洪災(zāi)害事件中的淹沒狀況進行較精確的模擬，可以用于山洪災(zāi)害的危險性模型。

(2)基于土地類型在遭受山洪災(zāi)害時的脆弱性和暴露性差異，劃分了13種類型，分別為未利用地、水域、農(nóng)業(yè)用地、林地、交通用地、公共設(shè)施用地、娛樂設(shè)施用地、公共管理與服務(wù)用地、居住用地、居住與商業(yè)用地、商服用地、高級居住用地和高級商服用地。

(3)FFLA模型具有較高的精度，對“7.21”拒馬河流域三個重災(zāi)村的損失模擬準確率達到75%以上。

未來，一方面需要積累更多的山洪災(zāi)情數(shù)據(jù)，對本文的脆弱性模型進行完善，提高評估精度，另一方面，還可以與目前各種高精度土地利用動態(tài)數(shù)據(jù)庫進行結(jié)合，實時更新土地利用數(shù)據(jù)，實現(xiàn)山洪災(zāi)害后的快速評估。