基于GIS技術的邢臺市暴雨洪澇風險區劃研究

趙志楠 孫晶 張兆博 何凱 李迪

摘要 根據邢臺市1980—2019年逐日降水數據、1∶25萬高程數據以及相關社會、經濟等基礎資料，利用GIS技術構建邢臺市暴雨洪澇災害風險綜合評價模型，從致災因子的危險等級、孕災環境、承災體、防災減災能力4個方面對研究區域暴雨洪澇進行定量分析，計算出全市范圍暴雨洪澇災害綜合風險指數，得到邢臺市暴雨洪澇風險區劃圖。結果表明，邢臺縣、沙河市、內丘縣、臨城縣西部地區屬于洪澇災害風險最高的地區;邢臺市轄區和沙河市、臨城縣、內丘縣、柏鄉縣大部分地區屬于次高風險地區;其余縣市屬于中等及以下風險水平。

關鍵詞 GIS;暴雨洪澇;風險區劃;邢臺市

中圖分類號 P426.616 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2021）17-0217-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.17.055

Abstract Based on the daily precipitation data， 1∶250，000 elevation data and related social and economic data of Xingtai City from 1980 to 2019， a comprehensive risk assessment model of rainstorm and flood disasters in Xingtai City was established by using GIS technology. The regional rainstorm and flood were studied from four aspects： disaster-causing factors， disaster-pregnant environment， disaster-bearing bodies， disaster prevention and mitigation capabilities. The comprehensive risk index of rainstorm and flood disasters in the whole city was calculated by quantitative analysis of waterlogging， and the risk zoning map of rainstorm and flood in Xingtai City was obtained. The results showed that the western areas of Xingtai County， Shahe City， Neiqiu County and Lincheng County were the areas with the highest risk of flood disaster; most areas of Xingtai and Shahe City， Lincheng County， Neiqiu County and Baixiang County belong to the sub-high risk areas; the remaining counties and cities belong to the middle and lower risk levels.

Key words GIS;Rainstorm and flood;Risk zoning;Xingtai City

近年來，國內外眾多學者就暴雨災害發生的原因及評估指標、評估方法進行了研究，這些研究大都是在利用ArcGIS信息處理技術的基礎上，得到研究區域不同等級的區劃結果[1-8]。這些研究對于指導完成邢臺市的暴雨災害風險評估區劃有著重要的指導意義。邢臺市地處河北省中南部，位于太行山東部，毗鄰山西省，地形復雜，自西向東山地、丘陵、平原呈階梯狀分布。邢臺市氣候類型為溫帶季風氣候，雨熱同期，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。相對復雜多變的地形以及氣候為邢臺市暴雨災害的發生創造了一定的條件，邢臺市的暴雨災害多發生在降雨相對較多的夏季，特別是6—9月份更是頻發，暴雨災害給邢臺市人民的生命安全和財產帶來了嚴重威脅。

目前專門針對邢臺市暴雨洪澇的風險區劃研究相對較少，筆者在前人研究成果的基礎上[9-13]，利用GIS空間數據處理方法參照現有的氣象災害風險等級劃分標準，構建了邢臺市暴雨洪澇風險綜合評價模型，對邢臺市不同等級的暴雨洪澇災害進行劃分，得到該地區的暴雨洪澇災害風險等級區劃圖。該區劃結果對指導邢臺市更好地防御暴雨災害，指導有關部門出臺相應的防洪規劃，降低對該地區人民生命、財產以及地區經濟發展帶來的損失有一定的參考價值。

1 資料與方法

1.1 數據來源

氣象數據：邢臺市17個國家站1980—2019年逐日降水資料，邢臺縣數據通過擬合漿水無人站數據獲取;致災標準依據邢臺市多年降水數據確定。

地理信息數據：30 m×30 m柵格數據。

社會經濟數據：2015—2019年邢臺市統計年鑒。

1.2 研究方法

1.2.1 數據一致化。

在對邢臺市的暴雨洪澇災害進行風險評估時，需要用到大量的空間地理數據，這些數據有著各自的柵格圖層。不同指標參考值不一，因此為了保持這些數據的一致性，該研究應當采用合適的辦法對其進行處理[14-15]。這些柵格數據必須要有著統一的坐標系統和投影系統，只有這樣才能保證柵格數據與實際地理范圍的一致性[16-17]。只有在保證這些柵格數據一致的基本前提下，才能運用ArcGIS地圖代數功能進行下一步的圖層疊加等運算。由于該研究中不同的柵格數據像元大小不一，為了保持數據大小一致，將不同分辨率的空間數據均轉換為30 m×30 m的柵格。

1.2.2 指標歸一化。

由于在進行評估時選擇的各類指標評價因子不同，為了消除不同因子量綱影響，需要對其進行歸一化處理，其計算公式如下[18]：

式中，X′i與Xi分別為指標的量化值序列和原始值序列;Xmax為指標序列的最大值，Xmin為指標序列的最小值。

1.2.3 加權綜合評價法。

加權綜合評價法（WCA）是綜合考慮了各個因子對總體的影響程度，把各個具體的指標作用大小綜合起來，用一個數量化指標加以集中，表示整個評價對象的優劣[18]。通過該方法計算得到各因子的指標與權重相加權，用評價因子總值Cvj表示，具體公式表達如下：

式中，Cvj是評價因子的總值;Qvij是因子j的指標i的歸一化值;Wci是指標i的權重值，m是評價指標個數。

1.3 暴雨洪澇風險指標的選取與分析

1.3.1 致災因子危險性。

暴雨是引發邢臺市洪澇災害的主要原因，特別是在海拔較高的西部山區更為常見。當地的氣候決定了每年的6—9月份是邢臺市暴雨洪澇災害多發的季節。一旦出現暴雨洪澇災害，勢必會給邢臺市人民生命和財產安全帶來巨大損害。依據當地多年降水情況，該研究用洪澇出現的頻率和強度來表示邢臺地區暴雨洪澇災害致災因子的危險程度。

1.3.2 孕災環境敏感性。

邢臺市地形復雜，地勢西高東低，西部山區海拔相對較高，受降水影響較大。特別是邢臺西部地區河流眾多，一旦出現短時強降水就會導致雨水在河道等低洼地區堆積，嚴重的會造成暴雨洪澇災害的出現。東部地區海拔低，多為平原，受強降雨的影響較小，暴雨洪澇災害發生的頻率較低。為了更好地分析地形因素對邢臺市暴雨洪澇災害的影響，結合當地實際和現有氣象資料，選取地形因子作為孕災環境敏感性的分析指標。

1.3.3 承災體易損性。

邢臺市暴雨洪澇災害造成的危害程度與當地承災體密切相關。同級別的暴雨人口數量大、產業密集、經濟發達的地區受到的影響高于人口稀疏、經濟落后的區域。該研究根據 2015和2016年邢臺市統計年鑒資料，采用地均 GDP和地均人口作為承災體易損性評價指標。

1.3.4 防災抗災能力。

防災抗災能力的高低與當地經濟實力、防災抗災投入、領導者管理水平密切相關。暴雨洪澇災害防御工作的開展與落實需要當地政府投入大量的資金與技術支持，該研究選取邢臺市2015和2016年的人均GDP作為評價當地應對暴雨洪澇災害防災抗災能力高低的指標。

1.4 綜合評價模型的建立

在對邢臺市4個評價指標進行定量分析和數據一致化處理的基礎上得到邢臺市暴雨洪澇災害風險評價模型：

式中，FDRI為暴雨洪澇災害風險指數，表示邢臺市暴雨洪澇災害風險等級，值越大受暴雨災害的影響越大，風險等級越高;H、 E、S、R分別表示風險評價模型中的致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體易損性和防災減災能力的指數;α、β、γ、δ是各評價因子的權重[8]。邢臺市暴雨洪澇災害風險評價指標及權重如圖1所示。

2 結果與分析

2.1 致災因子危險性區劃與分析

在對邢臺市17個國家站1980—2019年常年降水情況進行統計與分析的基礎上，最終確定以暴雨強度與頻次作為邢臺市暴雨洪澇致災因子危險等級的評價指標。通過統計得到該市暴雨災害出現的頻率。依據邢臺市常年降水數據和災情數據，邢臺市出現日降水量100.0～249.9 mm或者連續3 d總降水量為 150.0～349.9 mm 可認定為一般洪澇;日降水量≥250 mm或 連續3 d總降水量≥350 mm認定為嚴重洪澇;通過數理統計得到邢臺市近40年17個國家站洪澇等級不同的暴雨頻次（表1）。

邢臺市暴雨洪澇災害致災因子的確定基于當地的暴雨頻次、強度以及歷史災情數據。該研究把一般洪澇和嚴重洪澇因子影響程度分別賦值為0.7、0.3，在此基礎上利用GIS柵格計算器功能對2個影響因子數據進行疊加計算，依據自然斷點法將風險等級由低到高依次劃分5個等級，最終得到邢臺市暴雨洪澇致災因子危險性區劃圖（圖 2）。由圖2可知，邢臺市市區、邢臺縣西部地區以及柏鄉縣致災因子為高危險區;內丘縣、沙河市大部分地區、臨城縣、廣宗縣、臨西縣、任縣部分地區屬于次高危險區;其他地區危險性相對較低。

2.2 孕災環境敏感性區劃與分析

作為誘發暴雨洪澇災害的重要原因之一，某一區域海拔越高，地形越為復雜受洪水影響越大。高程數據從邢臺市1∶25 萬地形數據中提取，利用GIS空間分析功能，得到邢臺市暴雨洪澇災害孕災環境敏感性區劃結果（圖3）。從圖3可以看出，邢臺縣、沙河市、內丘縣、臨城縣西部地區屬于高敏感區;其他地區敏感性較低。究其原因主要是因為邢臺西部地區是邢臺地區地形指數影響最大的區域，因此也是暴雨洪澇災害發生最為敏感的區域。

2.3 承災體易損性區劃與分析

查閱邢臺市統計年鑒，結合本地經濟實際，選取邢臺市地均GDP、地均人口作為承災體易損性的評價指標，并對2個指標分別賦值0.4、0.6。利用ArcGIS地圖代數柵格計算器功能疊加2個評價指標圖層數據，利用自然斷點法將疊加后的區劃圖層由低到高分為5個風險等級，得到邢臺市暴雨洪澇承災體易損性區劃圖（圖 4）。從圖4可以看出，由于邢臺市市轄區經濟發達、人口密集，所以邢臺市市轄區易損性最高;清河縣、寧晉縣、柏鄉縣、隆堯縣、平鄉縣、任縣、南和縣次之;沙河市、廣宗縣、威縣、臨西縣、南宮市、巨鹿縣位于中等易損區;內丘縣、新河縣易損性較低;邢臺縣地域遼闊，人口密度較小，易損性最低。

2.4 防災抗災能力區劃與分析

防災抗災能力的大小與某一地區的經濟水平密切相關，大量防御工程的建造需要充足的資金作保障，該研究選取人均GDP作為評估邢臺市防災抗災能力強弱的重要指標。從圖5可以看出，沙河市人均GDP最高，因此該市防災抗災能力最高;邢臺市轄區、邢臺縣、清河縣、臨城縣、寧晉縣防災抗災能力次之;內丘縣、隆堯縣、平鄉縣、南宮縣防災抗災能力中等;南和縣、廣宗縣、巨鹿縣、臨西縣、新和縣、柏鄉縣防災抗災能力次低;任縣、威縣防災抗災能力最低。

2.5 暴雨洪澇災害綜合風險區劃與分析

在對4種風險因子進行分析與處理的基礎上，基于GIS空間分析功能通過疊加不同的柵格數據圖層得到邢臺市暴雨洪澇災害風險區劃圖，并按照自然斷點法將風險等級由低到高劃分為高、次高、中等、次低和低5個風險等級（圖6）。從圖6可以看出，邢臺縣、沙河市、內丘縣、臨城縣西部地區屬于洪澇災害風險最高的地區，邢臺市市轄區和沙河市、臨城縣、內丘縣、柏鄉縣大部分地區屬于次高風險區，這些區域多是人口稠密和地形復雜且為暴雨、大暴雨的多發區，因此風險相對其他縣市較大;邢臺市東部其他縣市多為平原地區，因此多為中等或者以下風險水平。

3 結論與討論

該研究以邢臺市為研究區域，利用自然災害風險指數法，在前人現有研究的基礎上，綜合4類指標因子建立研究區域風險評估模型，利用GIS軟件得到研究區域暴雨洪澇災害風險區劃圖。研究結果基本符合實際情況，該研究結果對于指導相關部門開展暴雨防災減災工作有一定的參考意義與價值。由于地形、水文數據相對缺乏，該研究結果有一定的局限性，因此在今后的研究中應該獲取更多的研究數據，特別是歷史災情數據對暴雨誘發的邢臺地區的災害程度進行驗證，使評價結果更加接近實際狀況。

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