基于GIS的四川省暴雨洪澇災害風險評估

宋怡軒，何永青，陳 晉

(四川省氣象服務中心，四川 成都 610072)

1 引言

全球變暖背景下，世界各地氣象災害越發頻繁，其中暴雨洪澇災害尤為明顯，其發生頻率高、影響范圍廣、危害程度大，在災前進行科學、合理的風險評估對有效防御災害具有重要意義。國內外諸多學者對此進行研究，主要方法分為基于歷史災情數據[1～3]、遙感數據和GIS[4，5]、情景模擬分析[6，7]以及多指標體系對暴雨洪澇災害進行風險評估。Benito等基于長時間尺度的歷史極端降水數據，整合了地質、歷史、水力和統計方法改進了暴雨洪澇災害風險評估方法[8]；Lai等選取了10個指標，運用博弈論中主觀和客觀權重相結合的方法，并基于模糊綜合評價模型對東江流域暴雨洪澇災害風險進行評估[9]；Zou等選取了13個指標，基于集對分析和可變模糊集對湖北荊江進行暴雨洪澇災害風險評估[10]；Yashon等選取多個指標基于層次分析法和GIS繪制了肯尼亞埃爾多雷特市暴雨洪澇災害風險區劃圖[11]。

四川省位于我國西南地區，屬亞熱帶季風氣候和高原山地氣候，地勢西高東低，以龍門山-大涼山一線為界，東部為四川盆地及盆緣山地，西部為川西北高山高原及川西南山地。四川省多年平均降水量大部分在400～1200 mm之間，暖區多雨，冷區少雨，降水資源的時空分布不均，常形成旱、澇災害，歷史統計平均每4年發生一次洪澇災害，對居民生命財產安全造成嚴重的威脅。卿清濤等使用統計和小波分析發現四川省暴雨洪澇災害損失基本變化呈線性增加趨勢[12]；朱雅文等基于可拓理論建立了四川省暴雨災害風險等級評估模型[13]；張菡等從農業經濟角度對四川省暴雨洪澇災害進行了風險區劃研究[14]；潘昱杉等基于累計降水天數、最大降水量等降水指標對四川省暴雨洪澇災害進行了評估與區劃[15]。

本文將考慮四川各地氣候差異導致的不同暴雨實施標準，從致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體脆弱性、防災減災能力四因子對四川省暴雨洪澇災害風險進行評估，以期為四川省暴雨洪澇災害風險管理措施提供理論基礎。

2 資料和方法

2.1 數據來源

氣象數據為四川省1981～2020年153個國家氣象觀測站的逐日降水數據，數據來源于智能網格預報應用分析平臺?；A地理信息數據來源于中國科學院資源環境數據中心，包括四川省市級行政邊界、土地利用類型等。社會經濟數據來源于2020年四川省統計年鑒，包括各地區的人口密度、GDP密度、人均GDP、排水管網密度等。

2.2 暴雨洪澇災害風險評估模型

本文基于自然災害風險評估理論[16]，綜合考慮致災因子危險性(H)、孕災環境敏感性(E)、承災體脆弱性(V)、防災減災能力(R)4因子，選取12個指標構建評估指標體系，最后建立評估模型計算暴雨洪澇災害綜合風險指標(D)。

D=f(H,E,V,R)

(1)

2.2.1 致災因子危險性

致災因子危險性通常取決于災害的強度和頻次，本文選取1981～2020年四川省153個氣象站點日降水量達到暴雨、大暴雨、特大暴雨強度的頻次。四川省各地區氣候差異較大，各地暴雨級別實施的標準不同，如表1所示。

表1 四川省暴雨級別標準 mm

2.2.2 孕災環境敏感性

孕災環境敏感性主要指影響致災因子的環境條件，它們在一定程度上能加強或減弱致災強度及其衍生災害。本文選取地面高程(DEM)、坡度、河網密度、徑流系數(RC)等指標。徑流系數由土地利用類型確定[17]，土地利用類型分為林地、草地、園地、耕地、未利用地、建設用地和水體，徑流系數分別為0.30、0.35、0.40、0.60、0.70、0.92和1.00，徑流系數越大，暴雨洪澇災害越嚴重。

2.2.3 承災體脆弱性

承災體脆弱性是指受到災害造成的損害程度，損害程度取決于社會屬性，同程度的洪澇災害對人口密度大、GDP發達地區造成的損失更嚴重。本文主要考慮人口密度、GDP密度。

2.2.4 防災減災能力

防災減災能力是指用于抵御災害的能力，本文主要考慮人均GDP和排水管網密度。

2.3 規范化處理

在建立暴雨洪澇災害風險評估模型的過程中，各指標單位、量綱不同，因此需要進行規范化處理[18]以便計算：

對于正向指標：

(2)

對于負向指標：

(3)

式(2)、式(3)中，X'i為第i個指標的規范化值，Xi為第i個指標的值，Xmax,i為第i個指標的最大值，Xmin,i為第i個指標的最小值。

2.4 加權綜合評價法

本文采用加權綜合評價法建立四川省暴雨洪澇災害風險評估模型，該方法綜合考慮了各個指標作用大小[19,20]：

(4)

式(4)中，f為評價因子的值，m為評價指標個數，wi為第i個指標的權重，由層次分析法(AHP)[21]確定(表2)，X'i為第i個指標的規范化值。

表2 四川省暴雨洪澇災害風險評估因子及權重系數

3 暴雨洪澇災害風險評估

3.1 致災因子危險性評估

暴雨強度越大、頻次越高，其致災的可能性越大，致災因子危險性越高。本文基于不同強度的暴雨頻次，繪制四川省暴雨洪澇災害危險性分布圖(圖1)，如圖所示，高危險區主要分布在盆地內，分布呈集中連片特征的高危險性地區有盆地西北部的北川縣、江油市、安縣、綿竹市、三臺縣、都江堰，盆地西南部的峨眉山市、洪雅縣、雨城區，盆地東北部的旺蒼縣、南江縣、通江縣，此外單點危險性較高的地區有廣安鄰水縣、武勝縣、資陽隆昌縣、宜賓高縣、涼山州普格縣。

圖1 致災因子危險性分布

3.2 孕災環境敏感性評估

孕災環境敏感性與環境條件密切相關，地勢低洼、地形閉塞的地區不利于雨水及時排泄，當發生強降水時，更容易導致農田積水、道路、房屋淹沒，甚至引發山洪爆發、江河泛濫、堤壩決口等災害。由圖2所示，四川省敏感性呈現東高西低的特征，即盆地敏感性高于川西高原和攀西地區，盆地西北部的成都、德陽等地區敏感性最高，因其地勢較低、坡度平坦，同時河網密集、徑流系數較高，更易發生暴雨洪澇災害。

圖2 孕災環境敏感性分布

3.3 承災體脆弱性評估

一般來說同級別的暴雨洪澇災害對人口密集、經濟發達的地區造成的損失更大，承災體脆弱性更高。由圖3所示，四川省脆弱性總體呈現東高西低的特征，盆地內成都、綿陽、德陽、眉山等地區脆弱性較高，這些地區經濟較發達、人口偏多，若發生暴雨災害，會造成更嚴重的人員傷亡和財產損失，川西高原和攀西地區脆弱性較低，受災程度相對較低。

圖3 承災體脆弱性分布

3.4 防災減災能力評估

人均GDP越大、排水管網越密則認為該地區的防災減災能力就越強。由圖4所示，成都、德陽北部、汶川、雅安石棉縣、攀枝花、涼山州西昌、綿陽江油、宜賓翠屏等地防災減災能力較高，抵御暴雨洪澇災害的能力更強。

圖4 防災減災能力分布

3.5 暴雨洪澇災害綜合風險評估

綜合考慮上述暴雨洪澇災害風險四因子，繪制綜合風險評估分布圖(圖5)。評估結果表明：盆地暴雨洪澇災害風險最高，攀西地區次之，川西高原最低。全省高風險區主要分布在盆地西部沿山地帶和盆地北部，具體包括綿陽北部的北川縣、江油市、游仙區、安縣、三臺縣；德陽西北部的綿竹市、什邡市；眉山的洪雅縣、仁壽縣、丹棱縣；樂山的夾江縣、市中區、峨眉山市、五通橋；雅安的雨城區、名山縣；內江的隆昌縣；宜賓的高縣；廣安的武勝縣、鄰水縣；巴中的通江縣、南江縣；廣元的旺蒼縣，以上地區高風險主導因素為高危險性和高敏感性，即暴雨強度大且頻次高、坡度和地面高程較低、徑流系數和河網密度較大。此外高風險區還包括成都市的中心城區、郫縣、溫江區、蒲江縣，其高風險主導因素為高敏感性和高脆弱性，即坡度和地面高程較低、徑流系數和河網密度較大、人口密度和GDP密度較大。

圖5 暴雨洪澇災害綜合風險分布

4 結論與討論

4.1 結論

本研究基于四川省氣象數據、基礎地理信息和社會經濟等數據，構建暴雨洪澇災害風險評估模型，采用GIS技術對四川省暴雨洪澇災害風險進行評估，主要結論如下：

(1)四川省暴雨洪澇災害風險分布不均，盆地風險最高，攀西地區次之，川西高原最低。高風險區主要分布在盆地西北部沿山地帶的綿陽、德陽西部、成都，盆地西南部青衣江流域的雅安、樂山、眉山，以及盆地東北部大巴山南邊的廣元東北部、巴中北部等地區。

(2)四川省暴雨洪澇災害風險高值區分布集中連片，不同地區的高風險主導因素不同，綿陽、德陽、雅安、樂山、眉山、廣元和巴中等主要是由高危險性、高敏感性主導，成都地區主要是由高敏感性、高脆弱性主導。

4.2 討論

暴雨洪澇災害是一個復雜的系統，影響風險評估的因素很多，本文僅基于有限的指標對四川省暴雨洪澇災害風險進行評估，今后將進一步優化完善評估方法和評估指標，通過實際驗證建立更合理的風險評估模型。