閩江流域洪澇風險區劃快速評估研究

曲 麗 英

（福建省水利水電科學研究院，福建 福州 350001）

0 引 言

閩江是福建省第一大河，地處東南沿海，流域面積約占福建省國土面積一半，覆蓋福州、三明、南平、莆田4 個市和建寧、閩侯、長樂和連江等30多個市縣。閩江流域深受頻繁發生的極值水文事件影響，洪澇災害風險的控制一直是流域水利建管工作的首要任務。流域洪澇風險涉及復雜的天氣、下墊面及社會經濟發展狀況等眾多因素，洪水災害具有明顯的空間分異特征［1］。洪澇風險評估與區劃是在分析洪澇風險空間分異特性的基礎上，對區域洪澇風險進行宏觀定量分區［1］。科學準確地對閩江流域的洪澇風險進行評估與區劃，有利于決策者把握流域洪澇風險的宏觀格局，對于流域的防洪預案編制和防洪減災政策制定具有重要意義。

2021 年，水利部水旱災害風險普查項目組發布了《洪水風險區劃及防治區劃編制技術要求（試行）》，明確了洪水風險區劃及防治區劃的基本原則、主要內容和基本技術要求，規范和統一了洪水風險區劃及防治區劃的技術標準和技術方法［2］。一些學者基于GIS 平臺［3，4］與水文水力學模型集成開展洪澇風險評估與區劃［5-7］。國內，王靜等［8］以蓄滯洪區啟用標準和淹沒水深為指標，以東西湖蓄滯洪區為案例，分析蓄滯洪區洪水風險區劃，王秀杰等［9］結合水力計算模型和GIS平臺，分析了洪、澇、潮多源洪水條件下的入海河口地區的洪水風險區劃，張永民等［10］基于GIS和Logistic回歸模型，評估河南省盧氏縣的山洪災害風險。相關專家［11-13］基于GIS平臺，基礎地理信息數據、社會經濟數據為基礎數據，構建洪澇災害評估指標體系，采用層次分析法等風險評估計算方法，應用GIS的空間分析功能，開展安徽蕪湖市、浙江和陜西省洪澇災害風險評估和區劃研究，王倩雯等［14］構建基于GIS 多準則評價與BP 神經網絡模型的風險辨識方法，研究了閩三角地區的風險空間分布規律和空間格局。上述研究成果，對區域防災減災起到了一定的指導作用。

目前閩江流域相關的研究成果較少，且主要是針對流域局部區域的洪水風險圖和超標準洪水風險防御預案的相關成果，缺乏全流域快速評估洪澇災害風險的研究方法和評價體系的研究，因此在防災減災規劃和預案制定方面尚未能根據不同洪水風險區劃制定更為精細化的應對舉措。本文基于閩江流域洪水致災機理和洪水特征，收集整理閩江流域水文、地形、小時降水數據、統計年鑒、防洪工程等資料數據，基于GIS平臺，評估閩江流域洪澇風險的空間分布規律和風險區劃，研究成果可為閩江流域洪水應急預案編制及防災減災工作提供支持。

1 指標數據來源及數據處理

自然災害風險是自然災害與承災體脆弱性共同作用的結果，洪澇風險評估通常建立在洪澇危險性評估和脆弱性評估的基礎上，但洪澇風險評估是重要而復雜的科學問題，隨著社會防災減災能力的提升，承載體的防災能力對洪澇風險的影響愈加顯著。相關文獻分析表明［15-18］，閩江流域洪水主要由暴雨形成，其中暴雨強度、時程變化、覆蓋范圍、移動路徑等諸多特征，對洪水影響關系密切；洪水出現時間具有明顯的季節性，其特點是峰高、量大、歷時短；洪水致災是流域內暴雨、地形、河系特征等自然因素、經濟社會因素和現有防洪能力三者所包含的各個因子之間具體相互影響、相互作用關系的結果。

為更加客觀、全面地反映區域洪澇風險，凸顯區域防災減災能力在洪澇風險空間分布的作用，本文擬將區域洪澇風險評估內容分為洪水危險性、承載體脆弱性、承載體防御能力3 個方面。

根據洪水風險評價的定義和閩江流域風險評估區劃目標，結合閩江流域洪水特征和致災環境，參考已有研究成果，綜合考慮洪澇危險性、承載體脆弱性、承災防御能力的影響因子，兼顧考慮到數據的可獲取性，收集閩江流域的自然地理基礎數據、社會經濟發展和防洪工程等相關信息，規范化整理成17 項評價指標，構建閩江流域“3個方面-3種關系-17項指標”的3個層次洪澇風險指標體系（表1），用于識別閩江流域的暴雨洪澇風險分布特征及區劃。指標體系主要分危險性、脆弱性、防御能力3個方面，包含致災因子、孕災環境和承災體3種關系，3種關系特性則采用17項指標表征。

表1 閩江流域洪澇風險區劃指標數據來源及處理方法Tab.1 Data sources and treatment methods of flood risk regionalization indicators in the Minjiang River Basin

本研究中洪澇災害頻次以縣域單元統計，30 m 分辨率網格作為地形指標計算單元，其他數據計算單元為100 m網格，洪澇災害脆弱性指標均以縣域為單元收集統計，災害風險總體評價基于縣域單元。

2 閩江流域洪澇風險區劃評估

2.1 指標體系構建

閩江流域洪澇風險的危險性主要考慮水文數據和地形兩個方面，具體指標有三日最大降雨量、坡度、高程標準差（起伏度）、河網密度、臨水距離、洪澇災害頻次、50 年一遇或100 年一遇洪災模擬淹沒區及地質災害點密度等因子構成。

承災體脆弱性包括承災體的暴露性和社會經濟因素。社會經濟因素包含人口，經濟和土地利用類型等指標，根據數據的可獲得性，選擇建設用地占比、耕地面積占比、人口密度以及地均GDP作為承災體社會經濟評估因子。

承災體的防御能力主要考慮防御能力要素，選取縣域內水文站氣象站分布密度、防洪排澇總量/縣市區域面積、水庫防洪庫容總量/縣市區域面積、道路密度、堤防標準、堤防閉合度以及近15～20年發生大洪水頻次等因子來表征。

2.2 AHP指標權重確定

利用層次分析法（AHP）確定各指標權重。層次分析法（Analytic Hierarchy process，AHP）是T.L.Satty 等人提出的一種定性與定量分析相結合的多準則決策方法［19］。確定權重的主要步驟：①指標間相互比較建立判斷矩陣；②利用方根法求各評估指標權重并歸一化；③進行一致性檢驗。表2 為AHP 確定的各指標權重。

表2 AHP法洪澇風險評價指標權重Tab.2 Weight of flood risk evaluation index by AHP method

分析表2 可知，閩江流域各縣域洪澇災害頻次、50 年一遇或100年一遇洪災模擬淹沒區這兩項指標權重排洪澇災害危險性的前兩位；承災體脆弱性則主要由城鎮建設用地占比和人口密度來表征；防洪堤防閉合度對承災防御能力影響最大。

2.3 熵權法權重

（1）評價指標歸一化處理。評價指標體系中各項參評因子含義和量綱各有不同，因子之間不具有可比性。故為了統一數據，需對判斷矩陣歸一化處理。根據各因子對洪澇風險的貢獻屬性，正向影響指標用式（1），逆向指標用式（2）對指標因子進行歸一化處理：

式中：Yij為標準化之后的指標值；Xijj為第j指標第i項的實測值；maxj(Xij)表示第j指標第i項的最大值；minj(Xij)表示第j指標第i項的最小值。

（2）評價指標的信息熵。熵權法（the entropy weight method簡稱EWM）是脫胎于信息論基本原理的解釋［20］，信息是系統有序程度的一個度量，熵是系統無序程度的一個度量。如果指標的信息熵越小，該指標提供的信息量越大，在綜合評價中所起作用越大，權重越高。

熵權法是常用的一種求權重的方法，它反映兩組隨機變量與某間線性相依性的度量。根據各指標的變異程度，利用信息熵計算個指標的熵權，再對各指標的權重進行修正，獲得客觀的指標權重，應用于評價指標的有序性。

根據熵的定義，m個指標n被評價對象時，第j指標的熵值：

式中：k為調節系數。

Pij為第j指標第i項指標值的比重：

當Pij= 0時，有PijlnPij= 0。

在確定指標熵之后，對權重進行計算：

式中：Wj為第j指標的權重，0 ≤Wj≤1。計算結果見表3。

表3 閩江流域洪澇風險評價指標權重Tab.3 Weight of flood risk evaluation index in the Minjiang River Basin

2.4 AHP-熵權法組合權重

AHP-熵權法組合權重的原理是根據各指標的AHP 權重W1j和熵權法的客觀權重W2j相結合，可得對應的組合權重Wj。根據博弈論思想，AHP 權重和熵權重越接近越好，應用最小相對信息熵原理：

對式（8）應用拉格朗日乘子法［21］求解，得AHP-熵權法組合權重Wj（表3）：

2.5 綜合洪澇風險

將各指標組合權重與各指標的標準化結果在地理信息空間處理上加權求和，建立洪澇災害相應影響因子風險指數模型：

式中：Wj為確定的指標權重；Yij為標準化之后的指標值柵格圖層。

將各指標因子風險指數，用“加”算子對式（2）有關變量進行數學組合，即獲得各區域綜合洪澇風險評價結果：

式中：S為區域綜合洪澇風險；S1為洪澇危險性、S2為承災體脆弱性、S3為承災體防御能力，為負向指標標準化處理后的值。

3 結果分析

根據洪澇災害的相應評價體系，采用自然斷點分級法進行分級，該方法根據屬性值的自然聚類，可以減少同一級中的差異，增加級間的差異。將洪澇災害風險指數分為5個相對等級：低風險（1）、次低風險（2）、中風險（3）、次高風險（4）、高風險（5）五個等級；在地理信息空間處理平臺上生成閩江流域洪澇災害的系列風險圖。。

3.1 洪澇風險危險性評估

洪澇災害危險性是指洪水災害系統中孕災環境和致災因子的各種自然屬性特征的概率分布。由圖1 可見，閩江流域的洪澇風險高風險縣區主要分布在南平、三明的閩江上游區域以及主干流流經的延平、閩清、閩侯，而低值區域主要分布在三明市的大部分區域以及靠近出海口，地表河流較少的福州市晉安區、長樂區。究其原因，南平市的武夷山脈一帶由于地形效應，本屬于福建省的暴雨多發地帶，雨量豐富，而閩江下游經過的建甌、順昌，延平均為多條河流交匯地帶，閩江流域上游地區多屬于坡度和起伏度較大的丘陵地帶，下游的閩清縣、閩侯縣地形起伏變化也較大，易發生山洪災害事故。

圖1 閩江流域洪澇風險危險性指數分布圖Fig.1 Distribution diagram of flood risk risk index in Minjiang River Basin

3.2 洪澇風險脆弱性評估

洪澇災害脆弱性指數主要反映了承災體自身的脆弱性及抗災能力，主要受人口及社會經濟因素的影響。從圖2來看，閩江流域的洪澇災害易損性形成比較明顯的上下游對比，高值區域主要集中在河流下游的縣市區，基本為福州市區周邊的幾個縣市，臺江區值較高，低值區域占全流域的大部分，集中在河流上游區域，明確反映了閩江下游區域由于人口密集、經濟實力高，城鎮用地比重高使得易損性強，上游區域相對人口數量較少、經濟發展水平中等，城鎮用地占比較少，使得易損性相對較弱的特點。

圖2 閩江流域洪澇風險脆弱性指數分布圖Fig.2 Distribution diagram of flood risk vulnerability index in the Minjiang River Basin

3.3 洪澇風險防御力評估

洪澇災害防御力指數主要反映了承災體本身的工程措施以及非工程性措施對自然災害的抗災能力。為與其他風險圖指標一致，防御力指數較高的說明抗災能力相對較弱，指數較低的說明抗災能力較強，圖3 為閩江流域洪澇防御能力分布圖。

圖3 閩江流域洪澇災害防御力指數分布圖Fig.3 Index distribution diagram of flood disaster defense force in the Minjiang River Basin

由圖3可見，各縣市防御力差別較大，高值區域集中在上中游地帶的南平市的建陽、建甌、順昌、沙縣、三元區，低值區域比較分散，部分集中在福州市區周邊。之所以形成這種趨勢，主要是各地的堤防建設狀況以及近年的洪災頻次影響，主要的市區區域如原南平的延平區、福州市區一帶，堤防標準較高，同時近20 年洪水頻次較高，群眾防御意識較強，福州市區位于閩江下游，臺風對閩江流域的影響常會帶來暴雨，而延平區原為南平市區，位于兩大支流沙溪和建溪匯合之處，抗災經驗豐富。而上游一帶的建陽區和沙縣區，由于新區正發展中，原有堤防問題較多，建甌市堤防未閉合，沙縣、三元區和順昌縣在堤防閉合上得分較低，同時在道路密度上，城市的市區的道路密度都較高，使得抗災能力較強一些。

3.4 洪澇風險綜合風險評估

綜合閩江流域的洪澇災害危險性、承災體的脆弱性以及防御力，在地理信息空間處理平臺上生產閩江流域的洪澇災害綜合風險圖（圖4）。數值較高區域即風險較高區域集中在閩江流域的上游地帶，包括武夷山脈一線，特別是建陽區、順昌縣、建甌市、沙縣區；而福州市的閩侯縣、臺江區也屬于較高風險區域。低值區域較分散，多集中在沙溪上游三明地區的縣市，大樟溪上游的永泰、德化，下游的馬尾區和長樂區，中值區域多集中在閩中大山帶的永安、大田一線。

圖4 閩江流域洪澇災害綜合風險指數分布圖Fig.4 Distribution chart of the comprehensive risk index of flood disaster in the Minjiang River Basin

從結果來看，閩江上游南平市區域，總體危險性較高，再加上防御力較弱，使得幾個縣市風險較高。而下游福州市的閩清、閩侯由于危險性較高，疊加中等的脆弱性，使得風險較高。臺江區因較高的脆弱性（受建設用地比例高、人口密度高）的原因，雖防御力較強，但其風險也較高。而其他幾個屬于河流上游區域的如連城、德化、松溪及三明的大部分區域，因經濟發展水平中等，脆弱性較低，危險性也中等，使得風險總體較低。所以，總體上閩江流域的洪澇災害綜合風險內部差異較大，需要集中精力防范南平市域內較高風險區的洪澇問題。

4 合理性分析

4.1 縣區洪澇風險區域特征分析

表4 統計了閩江流域各縣區的最大三日降雨量、地形起伏度、坡度、臨河距離和河網密度等危險性指標；與洪澇風險危險性、脆弱性和防御能力特征值；閩江流域綜合洪澇風險特征值。

表4 閩江流域縣區洪澇風險特征值表Tab.4 Characteristics of flood risk in the Minjiang River Basin

由圖2 至圖5，表4 所列數據可知，閩江流域的洪澇風險綜合風險內部差異較大。

（1）洪澇高風險區域集中在閩江流域的下游福州沿江縣市，上游的武夷山脈一線，特別是南平市延平區、建陽區、建甌市、邵武市、順昌縣和三明市的將樂縣、沙縣區、三元區、清流縣、泰寧縣、建寧縣。

（2）主要易淹沒縣區（危險性值較高）分布在三明的泰寧、將樂、沙縣；南平的建陽、建甌等閩江上游臨河地區；主干流流經的延平、閩清、閩侯等縣區。

（3）沙溪上游龍巖市連城縣和中游的寧德市古田縣，洪澇風險也較大。

分析表明，上述評估成果與閩江流域的洪澇易淹沒實際區域分布，基本吻合。

4.2 閩江流域縣區歷史洪水統計

表5統計了閩江流域各市縣區建國以來發生的洪災次數。

表5 閩江流域洪各縣市區建國以來洪災次數統計表Tab.5 Statistical table of flood times in flood counties and cities of Minjiang River Basin since the founding of the People's Republic of China

表4 和表5 兩者對比分析表明，本研究的閩江流域洪澇風險區劃結果與近幾十年閩江流域的洪澇災害實情基本吻合。

局部縣區（如泰寧、建寧和將樂等）雖洪災次數較多，但劃分為洪澇風險中風險區的原因是該區域人口較少，經濟總量不大，區域洪澇風險綜合風險指數不高。

總體考慮，本次構建的閩江流域洪澇風險快速評估方法準確性和可信度較好。

5 結 論

研究系統性地從致災因子、承災體、孕災環境的災害理論出發，收集整理閩江流域水文、地形、小時降水數據、統計年鑒、防洪工程等資料數據，選擇17個指標，從致災因子危險性、承災脆弱性、承災體防御能力等方面，構建了閩江流域洪澇系統的風險評估指標體系，應用AHP-熵權組合權重法，對閩江流域洪澇風險進行評估和區劃。

（1）總體上閩江流域的洪澇風險綜合風險內部差異較大。閩江流域洪澇風險危險性指數較高值主要分布上閩江流域的主干流區域；易損性風險高值區域主要集中在河流下游的縣市區，社會經濟較發達地區，這些地區人口集中、社會生產總值高、工業發達；從防災減災能力看，防御風險高值即防災減災能力低的區域集中在上中游地帶，下游經濟越發達的地區防災減災能力越強。洪澇風險綜合風險數值較高區域即風險較高區域集中在閩江流域的上游地帶，綜合風險低值區域較分散，多集中在沙溪上游三明地區的縣市。這表明洪澇風險對閩江流域的水安全和水資源利用影響顯著。

（2）對于綜合風險較高的地區，應盡快安排建設資金加強防洪工程建設，提升洪水防御水平；對于綜合風險較低的地區，并不說明該地區沒有發生洪澇風險的可能性，同樣不能放松警惕，要側重加強防洪宣傳與演練、完善預案制定等非工程措施，在資金允許的情形下進一步完善防洪工程建設。

（3）由于洪澇風險的形成受多種因素影響，將其影響因子完全量化有一定困難，需要進一步完善。本文選取臨界致災雨量頻次、洪澇風險頻次、河網密度、海拔、高程為危險性指標，由于資料有限，所選取區劃單位較大，再將危險性指標量化時，進行市區均值化處理，未將危險性指標進行細致空間化處理，會對最終綜合風險區劃的空間性效果有一定的影響。

（4）因研究涉及到的指標較多，數據收集有一定難度，指標選取中難免有不足，如評估指標體系中，未納入閩江流域中水庫的工程調蓄能力，如水口水庫對于閩江下游的防洪能力提升未體現出來。隨著數據收集增加，評估結果的合理性和精度有進一步提升空間。