基于GIS技術(shù)的洪災(zāi)損失快速評(píng)估方法在中小河流中的應(yīng)用實(shí)踐

王 蕾，楊 洋

（1.陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710018; 2.西安迪飛科技有限責(zé)任公司,陜西 西安 710018；3.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司,陜西 西安 710010）

1 引言

洪災(zāi)損失評(píng)估是對(duì)洪水災(zāi)害給人類生存和發(fā)展所造成的破壞或影響大小作定量評(píng)估[1]。依據(jù)評(píng)估工作時(shí)間一般分為災(zāi)前評(píng)估、災(zāi)中評(píng)估和災(zāi)后評(píng)估。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,大江大河及重要河流洪澇災(zāi)害損失評(píng)估發(fā)展較快,災(zāi)前評(píng)估、災(zāi)中評(píng)估手段較為先進(jìn),但由于多數(shù)中小河流全面規(guī)劃資料缺乏、管理難度大、資金投入不到位、人員居住分散等客觀因素,各類高新模型方法因輸入資料受限而應(yīng)用困難,災(zāi)前評(píng)估、災(zāi)中評(píng)估及應(yīng)急措施研究亦難以開(kāi)展,一旦洪水來(lái)臨,很難對(duì)洪災(zāi)的影響面積和損失做出快速、準(zhǔn)確的判斷,致使防汛管理人員應(yīng)對(duì)能力較弱,不利于救災(zāi)計(jì)劃的制定和實(shí)施。

本文以延安市中小河流西川河寶塔區(qū)段為例,說(shuō)明在中小河流有限的資料條件下評(píng)估不同頻率洪水影響范圍和可能造成損失的方法。同時(shí),建立災(zāi)損曲線,為后期快速評(píng)估和防汛應(yīng)急管理提供有效手段。評(píng)估的內(nèi)容包括：原始資料收集、洪水影響分析、評(píng)估指標(biāo)體系確定、洪災(zāi)損失計(jì)算和災(zāi)損曲線確定。

2 研究區(qū)概況

2.1 河流概況

西川河是延河右岸支流,位于陜西省北部,發(fā)源地為陜西省志丹縣曹新莊,東南流經(jīng)志丹縣南部,至延安市楊家?guī)X入延河,行經(jīng)延安市志丹縣、安塞區(qū)、寶塔區(qū),全長(zhǎng)65.3 km,流域面積809 km2。多年平均徑流量0.29 億m3。其中,西川河寶塔區(qū)段上起棗園水文站,下至延河口段,河道長(zhǎng)約11 km,主要洪澇威脅來(lái)源于西川河干流洪水、延河干流洪水、干支流洪水遭遇等。

2.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)

寶塔區(qū)是延安市的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。西川河流經(jīng)寶塔區(qū)寶塔山街道、棗園街道、鳳凰山街道三個(gè)下轄街道。2019 年,寶塔街道常駐人口50001人,棗園街道常駐人口16313 人,鳳凰山街道常駐人口50043人,全區(qū)總?cè)丝?75003人,生產(chǎn)總值363.91億元,人均生產(chǎn)總值74135元,城鎮(zhèn)居民人均可支配收入36088元,農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值29.66億元,規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值173.04億元。

3 損失評(píng)估方案

3.1 技術(shù)路線

由于中小河流可利用資料有限,為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有資料快速評(píng)估,結(jié)合西川河的現(xiàn)狀設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有洪水調(diào)度方案、洪水分析計(jì)算方案確定計(jì)算洪災(zāi)影響的洪水量級(jí)和不同頻率沿河斷面洪水水位計(jì)算結(jié)果；利用Arcgis空間處理工具,將不同頻率斷面的洪水水位處理為帶水位的空間網(wǎng)格；通過(guò)空間地理關(guān)系,拓?fù)浏B加空間網(wǎng)格與DEM高程數(shù)據(jù),獲得研究區(qū)不同頻率洪水發(fā)生時(shí)每個(gè)空間網(wǎng)格的水深,通過(guò)分析獲取洪水影響的范圍；根據(jù)實(shí)際,結(jié)合現(xiàn)有資料,確定研究區(qū)重點(diǎn)關(guān)注的評(píng)估指標(biāo),開(kāi)展不同頻率洪水災(zāi)害損失計(jì)算。建立典型斷面或控制點(diǎn)斷面洪水設(shè)計(jì)值與損失的災(zāi)損曲線,便于救災(zāi)計(jì)劃的制定和災(zāi)情的快速應(yīng)對(duì)。

3.2 原始資料收集

1）基礎(chǔ)地理資料：覆蓋研究區(qū)洪水計(jì)算范圍區(qū)域的地理信息資料,用于洪水影響分析和損失計(jì)算中相關(guān)空間疊加計(jì)算,至少包含線劃地形圖（DLG）、數(shù)字高程模型（DEM）、河流水系圖、行政區(qū)劃圖、土地利用圖。地圖比例尺依據(jù)研究區(qū)面積確定,如針對(duì)西川河延安市寶塔區(qū)段,比例尺應(yīng)小于1∶10000,最小行政區(qū)劃至少到鄉(xiāng)鎮(zhèn),有條件的區(qū)域應(yīng)到行政村。

2）水文及設(shè)計(jì)洪水資料：用于洪水影響分析計(jì)算,至少包含一維或二維水力學(xué)模型生成的不同頻率各斷面洪水計(jì)算成果表、斷面位置、不同頻率設(shè)計(jì)洪水位數(shù)據(jù)。

3）社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料：用于評(píng)估指標(biāo)體系確定和洪災(zāi)損失計(jì)算,主要包括人口、耕地面積、地區(qū)生產(chǎn)總值、重要基礎(chǔ)設(shè)施、重點(diǎn)防洪保護(hù)對(duì)象等。資料詳細(xì)程度應(yīng)與行政區(qū)劃圖匹配。

4）歷史洪水及洪水災(zāi)害資料：研究區(qū)內(nèi)典型年份洪水造成的災(zāi)害影響和損失資料,用于評(píng)估指標(biāo)體系確定,重點(diǎn)收集洪水潰口位置、長(zhǎng)度等潰口情況,淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)歷時(shí)等淹沒(méi)特征,以及農(nóng)作物損失、人員傷亡等。

3.3 洪水影響分析

1）洪水量級(jí)方案和影響分析指標(biāo)

根據(jù)西川河周邊防護(hù)實(shí)際情況,結(jié)合前期收集的水文及設(shè)計(jì)洪水資料,綜合確定用于計(jì)算洪災(zāi)影響的洪水量級(jí)分別為10年、20年、30年、50年和100年。

2）水文及設(shè)計(jì)洪水資料矢量化

矢量化洪水計(jì)算成果表中的斷面,形成斷面shp線要素圖層,給圖層中各斷面要素添加不同頻率設(shè)計(jì)洪水位值屬性,制成斷面洪水位要素圖層。根據(jù)防洪預(yù)案,初步劃定可能的最大淹沒(méi)范圍為計(jì)算范圍。以計(jì)算范圍為邊界,利用Arcgis Toolbox工具集中TIN Management 工具,將斷面洪水位要素圖轉(zhuǎn)為T(mén)IN不規(guī)則三角網(wǎng),形成DEM數(shù)據(jù)（具體方法參考等高點(diǎn)、等高線轉(zhuǎn)DEM）后,通過(guò)Conversion Tools工具最終形成設(shè)計(jì)洪水網(wǎng)格面要素。

3）疊加分析

處理研究區(qū)數(shù)字高程模型（DEM）為地面高程網(wǎng)格,通過(guò)空間地理關(guān)系與設(shè)計(jì)洪水網(wǎng)格面要素進(jìn)行拓?fù)浏B加,以相同面域的設(shè)計(jì)洪水位與地面高程差值為淹沒(méi)水深,形成研究區(qū)不同洪水量級(jí)淹沒(méi)水深網(wǎng)格面。

4）洪災(zāi)影響范圍

考慮西川河歷史洪水受災(zāi)情況,提取各頻率淹沒(méi)水深大于0.5 cm網(wǎng)格面域,作為不同洪水量級(jí)的淹沒(méi)影響范圍。由于生成設(shè)計(jì)洪水網(wǎng)格面要素過(guò)程要對(duì)圖層數(shù)據(jù)進(jìn)行概化,可能出現(xiàn)淹沒(méi)范圍不連續(xù)的情況,可根據(jù)河道堤防、護(hù)岸情況進(jìn)行人工修正。

圖1 西川河不同洪水量級(jí)淹沒(méi)影響范圍

5）影響指標(biāo)計(jì)算

西川河寶塔區(qū)段位于延安市城區(qū),是民族圣地、中國(guó)革命圣地,現(xiàn)存全國(guó)革命根據(jù)地城市中舊址保存規(guī)模最大、數(shù)量最多、布局最為完整的城市。因此,洪水影響分析主要考慮淹沒(méi)總面積、淹沒(méi)居民地面積、淹沒(méi)重點(diǎn)單位（主要包含革命地遺址、商業(yè)區(qū)等）數(shù)量、影響人口等指標(biāo)。

將收集的寶塔區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃、居民地、重點(diǎn)單位等矢量圖層,通過(guò)空間地理關(guān)系與不同洪水量級(jí)的淹沒(méi)影響范圍網(wǎng)格面要素進(jìn)行拓?fù)浏B加,圖層相交部分即為受影響的行政區(qū)、居民地和重點(diǎn)單位。為提高影響人口測(cè)算的準(zhǔn)確度,利用西川河周邊行政村點(diǎn)圖層與不同洪水量級(jí)的淹沒(méi)影響范圍網(wǎng)格面要素疊加,獲得受影響的具體村落后進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)。

表1 西川河不同洪水量級(jí)主要影響指標(biāo)

3.4 評(píng)估指標(biāo)體系

評(píng)估指標(biāo)包括災(zāi)損指標(biāo)、損失率和資產(chǎn)單價(jià)三部分。

1）災(zāi)損指標(biāo)

結(jié)合研究區(qū)的重點(diǎn)關(guān)注因素,確定損失評(píng)估指標(biāo)為居民房屋損失、家庭財(cái)產(chǎn)損失、工業(yè)資產(chǎn)損失、商業(yè)資產(chǎn)損失。

2）損失率

洪災(zāi)損失通常是指某一頻率洪水不同淹沒(méi)水深所劃分區(qū)域內(nèi)各類財(cái)產(chǎn)的損失額,與同期擁有的各類財(cái)產(chǎn)額的比值[2]。由于洪水的隨機(jī)性,洪災(zāi)損失率逐年逐次都不同。因此,可挑選近期多場(chǎng)具有代表性的典型洪水過(guò)程,從中求得多年平均值,來(lái)推斷和估算未來(lái)的洪災(zāi)損失率,也可通過(guò)類比相似流域的方法估算洪災(zāi)損失率,以提高對(duì)未來(lái)洪水損失預(yù)測(cè)的可靠性。

西川河洪災(zāi)損失率主要采用類比法,參考《渭河下游南北兩岸防洪保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制報(bào)告》《東莊水庫(kù)防洪保護(hù)區(qū)范圍涇、渭河下游洪災(zāi)損失率調(diào)查表》,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查修正后確定。

表2 西川河損失率統(tǒng)計(jì)表

3）資產(chǎn)單價(jià)

根據(jù)延安市寶塔區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)資料和陜西省延安市2021 年第三季度價(jià)格水平,明確寶塔區(qū)下轄鄉(xiāng)鎮(zhèn)或行政村家庭人均收入、家庭財(cái)產(chǎn)情況、房屋建筑單價(jià)、工業(yè)及商業(yè)固定資產(chǎn)、流動(dòng)資產(chǎn)和主營(yíng)收入,作為洪災(zāi)損失計(jì)算的輸入。

3.5 洪災(zāi)損失計(jì)算

采取加權(quán)平均法,分別對(duì)各類損失等進(jìn)行估算,如城鄉(xiāng)居民家庭財(cái)產(chǎn)、住房損失計(jì)算方法如下[3]：

式中：R家直損為城鄉(xiāng)居民家庭財(cái)產(chǎn)洪澇災(zāi)直接損失值,元；R家損i為各類家庭財(cái)產(chǎn)洪災(zāi)直接損失值,元；W家產(chǎn)ijk為第k級(jí)淹沒(méi)水深下,第i類第j種家庭財(cái)產(chǎn)災(zāi)前價(jià)值,元；ηijk為第k級(jí)淹沒(méi)水深下,第i類第j種財(cái)產(chǎn)洪災(zāi)損失率,%；n為財(cái)產(chǎn)類別數(shù)；m為各類財(cái)產(chǎn)種類數(shù)；l為淹沒(méi)水深等級(jí)數(shù)。

考慮到城鄉(xiāng)居民家庭財(cái)產(chǎn)種類的差別,可按城市（鎮(zhèn)）與鄉(xiāng)村分別計(jì)算居民家庭財(cái)產(chǎn)損失值,然后累加獲得[3]。

各類財(cái)產(chǎn)損失值的計(jì)算方法類似,各行政區(qū)的總損失包括居民房屋損失、家庭財(cái)產(chǎn)損失、工業(yè)和商業(yè)資產(chǎn),各行政區(qū)損失累加即可得出受影響區(qū)域的經(jīng)濟(jì)總損失,如下式[3]：

式中：Ri為第i個(gè)行政分區(qū)的各類損失總值,元；Rij為第i個(gè)行政分區(qū)內(nèi),第j類損失值；n為行政分區(qū)數(shù)；m為損失種類數(shù)。

3.6 災(zāi)損曲線確定

選取西川河延安市寶塔區(qū)段上游棗園水文站為洪災(zāi)損失評(píng)估控制站,分別建立棗園水文站流量與淹沒(méi)總面積、受影響人口和洪災(zāi)總損失等不同評(píng)估指標(biāo)的關(guān)系曲線,利于防汛管理人員實(shí)際應(yīng)用。控制站可根據(jù)實(shí)際情況選擇研究區(qū)河段上游具有觀測(cè)條件的站點(diǎn)或設(shè)施,若控制站資料齊全,針對(duì)暴雨為主要洪水來(lái)源的區(qū)域,可同時(shí)繪制雨量與不同評(píng)估指標(biāo)的關(guān)系曲線,便于與山洪災(zāi)害防治區(qū)河流建立水旱災(zāi)害聯(lián)動(dòng)預(yù)警機(jī)制,強(qiáng)化災(zāi)害損失評(píng)估在山洪預(yù)警中的深入應(yīng)用。

圖2 控制站流量—淹沒(méi)面積關(guān)系曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文在現(xiàn)有資料有限的情況下,為中小河流防汛管理人員提供了可行的洪災(zāi)損失快速評(píng)估方法,建立災(zāi)損曲線,便于災(zāi)前快速預(yù)測(cè)可能的受災(zāi)區(qū)域,災(zāi)中迅速制定救災(zāi)計(jì)劃,同時(shí)災(zāi)后能夠有針對(duì)性的核實(shí)受災(zāi)情況,以彌補(bǔ)應(yīng)急措施缺乏的狀況,提高救災(zāi)管理水平。