基于GIS的承德市精細化山洪災害風險區劃

孟旭芹，童 俊，彭九慧

（承德市氣象局，河北 承德 067000）

山洪災害是指由于降雨在山丘區引發的洪水及由山洪誘發的泥石流、滑坡等對國民經濟和人民生命財產造成損失的災害[1]。山洪災害具有暴雨強度大、短歷時、難預測、難預防、危害大的特點[2]，常給社會經濟和人民生命造成巨大損失。近些年，我國學者對山洪開展了多方面的研究。宋云天等[3]認為泥沙輸移顯著影響最高洪水位、最大流速等洪水特征值的空間分布，大幅提升了局部河段山洪危險。狄瀟泓等[4]研究了引發山洪的強對流天氣成因和形成過程。包紅軍等[5-6]建立了山洪預報的指標和模型，并對預警指標進行檢驗。崔鵬等[7]研究了基于動力過程的山洪泥石流風險評估方法和承災體易損性評估方法。田豐等[8-12]基于自然災害風險理論，確定了山洪災害風險評估模型，基于GIS和FloodArea開展了山洪災害風險評估與區劃。葉超凡等[13-15]基于地形、災情等資料，利用信息量模型等方法把山洪災害劃分為不同風險等級的區域，并提出了相應的防御對策。呂新生等[16]運用比值權重法和無量綱化線性求和方法構建山洪災損指數，從而得到山洪災損時空分布特征。這些研究對山洪災害防御起到了重要作用，但這些研究中的降雨數據大部分使用的是國家氣象站數據，對山洪災害風險等級的劃分不夠精細。近年來，隨著氣象站網的飛速發展，區域氣象觀測站網的空間分辨率大大提高，為開展精細化山洪研究提供了條件。承德市地處河北省東北部燕山腹地，地勢落差大，境內高原、山地、丘陵交錯，屬于溫帶大陸季風型、半干旱半濕潤山地氣候，夏季雨水集中。復雜的地形地質條件和夏季強降水多發的氣候特征，導致山洪頻發，具有來勢迅猛、成災快等特點，一旦發生山洪就會造成巨大損失，而針對承德地區山洪研究相對較少。山洪災害風險區劃是通過對山洪災害影響因子的綜合分析，評估其在指定區域的詳細分布情況[17]，從而有針對性地開展防御工作，本文利用承德市1995—2019年361個區域氣象站和9個國家氣象站小時降雨量、山洪災情個例和地形等資料，研究山洪災害精細化分布特征，構建精細到鄉鎮的山洪災害風險評價模型，按照高、中高、中、中低、低5個風險等級進行區劃，旨在為當地政府和相關部門掌握本地區的山洪災害風險狀況，做好山洪災害防御工作提供科學依據。

1 研究資料與方法

1.1 數據來源

承德市民政局提供的1995—2019年精確到鄉鎮的山洪災情資料，基準年為2016年精細到鄉鎮的承德市耕地面積資料、人口和GDP資料；承德市361個區域氣象觀測站和9個國家氣象觀測站1995—2019年逐小時雨量資料；分辨率為1∶50 000的承德市DEM資料。

1.2 山洪災害評價因子選擇

基于史培軍[18]災害系統理論的“三元”風險評估模型，本文的山洪災害評價指標由致災因子危險性、孕災環境敏感性和承災體脆弱性組成。致災因子危險性指標為山洪災害發生頻次、1 h最小致災雨量閾值和3 h最小致災雨量閾值；孕災環境敏感性指標選取坡度和高程作為影響因子；承災體脆弱性評價指標為鄉鎮人口密度、GDP和耕地面積。

1.3 數據處理和研究方法

山洪災害發生頻次以鄉（鎮）次為單位，即鄉鎮在一天內發生多處山洪災害，只算一次。將致災雨量閾值時段定為1和3 h，致災雨量閾值運用實例反查法確定，即通過已發生的山洪災害個例，反查當日當地氣象區域站逐小時降雨量，取當日1 h降雨量最大值、3 h降雨量最大值作為該鄉鎮的一次致災雨量閾值。對該鄉鎮歷年來發生的所有山洪災情1與3 h致災雨量閾值分別進行統計，選出其中的1 h最小值為該鄉鎮1 h最小致災雨量閾值，其中的3 h最小值為該鄉鎮3 h最小致災雨量閾值。

單站最小致災雨量閾值的計算方法：

式中，n為該站山洪災害發生的次數，Ri為該站當日當地的1或3 h降水量。

因為各個評價指標量綱不同，為了對不同量綱的評價指標進行比較計算。利用公式（2）將各評價因子進行歸一化處理。

通過層次分析法和專家打分法，得到各指標的權重。在GIS中計算每個格點的山洪災害風險指數，得到承德市山洪災害風險區劃圖。本文詳細研究流程見圖1。

圖1 工作流程

2 山洪災害風險區劃

2.1 致災因子危險性評價指標及評估

承德復雜的地形地貌和強降水多發的氣候特征，導致了夏季山洪災害頻發。山洪災害的出災頻次多說明該地區山洪災害的危險性大；1或3 h降雨量越大，出現山洪災害的可能性就越高；某地發生山洪災害1、3 h最小致災雨量閾值越小，則該地山洪災害的危險性越大。分析1995—2019年山洪災情數據發現，承德市山洪發生頻次最高的是隆化縣（84次），每年大約發生4次山洪災害。豐寧和圍場次之，約每年2次，市轄區和承德縣最少，每年不足1次。大致趨勢為隆化縣到豐寧壩上的帶狀區域山洪災害頻次較高，其他地區的頻次相對較低。主要是因為該區域地形起伏明顯，坡度較大，一旦發生短時強降雨，極易發生山洪災害。

根據310個山洪災害個例，得到各鄉鎮的1 h最小致災雨量閾值、3 h最小致災雨量閾值，將山洪災害頻次P、1 h最小致災雨量閾值R1和3 h最小致災雨量閾值R3作為山洪災害的危險性評價指標。因為致災雨量閾值越小的地區，山洪災害的危險性越大，因此在計算中，將1、3 h致災雨量閾值取倒數，并做歸一化處理。采用層次分析法，構建3階判斷矩陣（表1），確定各評價指標的權重值，并通過一致性檢驗。根據公式（3）計算山洪災害危險性指數DI。

表1 危險性判斷矩陣及權重計算

利用GIS格點柵格計算功能得到承德市山洪災害危險性分布（圖2）。

由圖2可知，1與3 h致災雨量閾值風險較高的地區為承德市西北和中部部分地區，遭受山洪災害頻次最多的地區位于隆化縣到豐寧壩上的帶狀區域，根據危險性綜合風險圖得出中高風險區主要分布在豐寧、隆化大部和圍場小部，山洪危險性大致趨勢為豐寧和隆化較高，向南北兩側遞減，且北部略高于南部。

圖2 承德市山洪災害危險性指標分級

2.2 孕災環境敏感性評價指標及評估

孕災環境包括地形地貌、海拔高度、山川水系分布等，是風險源變異強度另一決定因素。地形對形成山洪的影響主要表現為2個方面：地形高程和地形變化程度[19]。承德境內高原、山地、丘陵交錯、地勢起伏大，因此主要考慮地形為孕災環境影響因子。本文選用坡度和高程來評價山洪災害的孕災環境，高程低，坡度數值小，則地勢趨于平坦，水流流速慢，則較難發生山洪災害；反之，高程高、坡度大，地形起伏明顯，一旦發生降雨，則水流湍急，沖擊力強，則易發生山洪災害。

采用專家打分法確定坡度S和高程A的權重，對坡度S和高程A歸一化處理后，根據公式（4）計算山洪災害孕災環境敏感性指數E，從而得到承德山洪災害孕災環境敏感性風險區劃。

興隆燕山山脈地區坡度風險較高，豐寧、圍場壩上及接壩地區高程風險較高，根據孕災環境綜合風險圖得到承德孕災環境高風險地區主要分布在豐寧、圍場接壩和壩上地區以及興隆燕山山脈。孕災環境危險程度大致趨勢為由北向南遞減，其中興隆燕山山脈地區例外，危險程度比南部其他地區高。

2.3 承災體脆弱性評價指標及評估

山洪災害常常對農田和基礎設施造成災害，甚至威脅人的生命財產安全，且同樣等級的洪水發生在不同的地區，造成的后果往往不一樣[20]。同樣強度的山洪如果發生在人口密度大、經濟發達和耕地面積較大的地區，造成的損失會更高。本文選擇精確到鄉鎮的GDP（G）、人口密度ρ和耕地面積A（圖3a～3c），計算山洪災害脆弱性指數VI。根據專家對脆弱性指標之間相對重要性進行判斷打分，通過層次分析法構建判斷矩陣得到脆弱性各評價因子的權重（表2）。歸一化處理后，根據公式（5）計算得到承德山洪災害脆弱性圖（圖3d）。

表2 承災體判斷矩陣及權重計算

鄉鎮GDP與人口密度風險等級由北向南遞增，市區最高。承德耕地面積風險等級的大值區主要分布在東南部和西北部，豐寧縣和平泉市風險相對較高。脆弱性風險較高的地區主要分布在豐寧縣、灤平縣、承德縣、市區、平泉市與寬城縣耕地面積較大或經濟相對發達的地區，其他地區脆弱性風險相對較低（圖3）。

圖3 承德市山洪災害脆弱性指標分級

2.4 山洪災害風險評估和區劃

山洪災害風險是山洪致災因子危險性、孕災環境敏感性和承災體脆弱性的綜合體現。利用層次分析法將致災因子DI、孕災環境E、脆弱性VI構建3階判斷矩陣，得到山洪災害各評價因子的權重（表3），根據公式（6）計算山洪災害風險指數M。

表3 風險三系統判斷矩陣及權重計算

在GIS中將歸一化取值后的危險性指數、敏感性指數和脆弱性指數圖層按公式（6）進行疊加計算，從而得到承德市山洪災害風險區劃（圖4）和山洪災害評價指標歸一化劃分標準（表4）。

圖4 承德市山洪災害風險區劃

表4 山洪災害評價指標歸一化劃分標準

承德山洪災害的高風險和次高風險區面積約為11 573.14 km2，占承德總面積的29.3%，主要包括豐寧、隆化大部分地區、圍場北部和市區小部分地區。中風險等級面積約為10 616.23 km2，約占承德總面積的26.9%，其余均為中風險等級以下（圖4）。豐寧和隆化山洪災害風險較高，是因為這2個地區發生山洪災害的頻次較多、小時致災雨量閾值較小，地勢較高且起伏明顯，較容易出現災害。圍場北部高風險區主要是由于該地區地勢最高，小時致災雨量閾值相對較小。市區的高風險區，則因為市區經濟較發達，人口密度較大，即便發生較輕的山洪災害，也極易造成較大的損失。因此在這些山洪風險較高的地區，應及時做好山區生態防護林建設和山體防護工程建設，并加強河道整治，建立健全防洪監測體系，有效調控山洪災害風險。

3 結論和討論

根據承德山洪災害發生的特征，選取小時致災雨量閾值、山洪災情頻次、地形、人口、GDP和耕地面積作為山洪災害的評價因子，基于GIS空間分析技術計算得到承德市精細化山洪災害風險區劃，得出以下結論：

（1）山洪災害發生頻次最高的是隆化，市轄區和承德縣最少。大致特點為隆化縣到豐寧壩上的帶狀區域山洪災害頻次較高，其他地區的頻次相對較低。

（2）危險性高風險區主要分布在豐寧、隆化大部和圍場部分地區。孕災環境危險程度大致趨勢為由北向南遞減，其中興隆燕山山脈地區除外，危險程度比南部其他地區高。脆弱性風險較高的地區主要分布在豐寧縣、灤平縣、承德縣、市區、平泉市與寬城縣耕地面積較大或經濟相對發達地區。

（3）承德山洪災害的高風險和次高風險區面積約為11 573.14 km2，約占承德總面積的29.3%，主要包括豐寧、隆化大部分地區、圍場北部和市區小部分地區。中風險等級面積約為10 616.23 km2，約占承德總面積的26.9%。其余均為中風險等級以下。

山洪災害的形成機理較為復雜，影響因子較多，將山洪災害風險完全定量化研究存在一定的困難。本文鑒于資料收集情況，選取了與山洪災害最為密切相關的山洪災情、降雨量、地形和人口經濟等數據，忽略了一些相對次要的影響因子，如山洪災害的致災雨量閾值還應考慮下墊面的土地利用類型和土壤前期含水量，承災體脆弱性還應考慮交通路網和防洪減災工程設施的布設等因素。通過層次分析法和專家打分法得到的山洪災害評價因子權重是可行的，但由于不同研究者對評價指標的重要性判斷有一定的主觀性，不能很好地反映各評價因子對山洪災害的影響情況。在未來的山洪災害研究中，仍需研究山洪災害形成機理和評價因子的選擇及權重的計算，進一步提高山洪災害風險區劃的準確性。