基于GIS的廣西洪澇災害孕災環境敏感性評估*

莫建飛，陸甲，李艷蘭，陳燕麗

(1.廣西氣象減災研究所，廣西南寧530022;2.國家衛星氣象中心遙感應用試驗基地，廣西南寧530022;3.廣西氣象氣候中心，廣西南寧530022)

廣西地處我國南部沿海，地貌類型復雜多樣，地勢自西北向東南傾斜，河網密集，受季風的影響，暴雨出現頻率大，暴雨量大，降水歷時短，水位變幅大，石灰巖分布廣，排水不暢，易暴雨成災，成為我國洪澇多發區之一［1］。頻繁的洪澇災害使廣西經濟損失嚴重，給人民帶來了巨大的災難。研究廣西洪澇災害孕災環境本底條件，尋求合理的區劃，對廣西防災減災對策與措施的制定具有重要意義。

孕災環境敏感性是指受到氣象災害威脅的所在地區外部環境對災害或損害的敏感程度。在同等強度的災害情況下，敏感程度越高，氣象災害所造成的破壞損失越嚴重，氣象災害的風險也越大。目前許多學者根據地域的氣候特點分析了不同地區的孕災因子對洪澇災害形成的影響。童億勤［2］等認為寧波水旱災害的孕災環境是在天氣氣候因子、地貌因子、水文因子、土壤植被因子、社會經濟因子、防洪抗旱能力因子等自然因素和人為因素的共同作用下產生和發展的。邵曉梅［3］等從自然地域分異規律的角度出發，分析了河北省旱澇災害孕災環境的氣候、地貌、水文三要素對洪澇災害形成的影響。萬君［4］等認為地形及河網、江、河、湖泊和水庫的分布以及土地覆蓋類型對湖北省洪災的危險性最大。洪澇災害的形成因子均具有較強的空間變異性，可用空間分布數據來表現［5］。鑒于GIS強大的空間分析能力，洪澇災害的評估方法與區劃方面的研究也取得了許多顯著的成果［5－10］。但是目前尚未見到應用GIS技術對廣西洪澇災害孕災環境研究的相關報道。本文從廣西洪澇形成的背景與機理分析，根據洪澇災害成因［11］，孕災環境主要考慮地形、水系、植被等因子對洪澇災害形成的綜合影響。以1∶5萬基礎地理信息資料、TM遙感資料為主要數據，運用GIS和RS技術，采用加權綜合評價法計算洪澇災害孕災環境敏感性集成化指數，繪制廣西洪澇災害孕災環境敏感區劃圖，為廣西洪澇災害風險區劃奠定基礎。

1 數據源與處理

1.1 洪澇災害資料

洪澇災害資料主要包括廣西歷史旱澇監測公報和氣候災害專題評價數據，由廣西氣候中心提供。經整理與統計，運用GIS技術，繪制廣西洪澇災害頻率區劃圖［12］。

1.2 地理信息數據

地理信息資料主要包括廣西1∶5萬的境界、水系、居民點、DEM(數字高程模型)等基礎地理數據。

1.3 遙感影像數據

遙感影像數據有2007－2008年廣西范圍內的18景TM數據。根據實地調查，分析林地、灌草、農用地的影像光譜特征以及R、G、B假彩色合成的信息差異，建立植被信息解譯的影像標志和信息提取模型，采用掩膜技術，決策樹分類方法提取植被信息，并結合野外驗證結果，進行人機交互修正分類結果，得到廣西植被遙感分類信息［13］。

2 孕災環境敏感性評估指標體系

廣西洪澇災害的時空分布特點受亞熱帶季風氣候和廣西盆地與喀斯特等地貌控制，還受到水系形式及植被等因素的影響［14］。廣西水系的上游支流多，集水面積大，而中下游往往為單一河道，由于廣西地貌有大盆地套著小盆地的特點，上游河床縱坡降與中下游的相差極大，因而中下游河流宣泄能力總是不能適應上游補給強度，造成中下游洪水大量壅積，泛濫成災。全區森植被蓋率雖然不算太低，但是喀斯特地區面積廣大，地表巖石裸露，土被稀薄且分布不連續，水土保持功能差。且負地形封閉，谷洼地落水洞狹窄易被堵，暴雨時常集水成澇。因此，本文根據因子選擇的主導性、穩定性、代表性、差異性等原則，主要選擇地形、水系、植被等下墊面因素對洪澇災害形成的綜合影響，建立孕災環境敏感性評價指標體系(表1)。利用AHP法構造因素遞階層次結構，請專家對因素兩兩比較重要性，再利用歸一法，層層得出各層對上層因子的權重，最后確定目標層的權重。通過一次性檢驗，CR＜0.1。

表1 廣西洪澇災害孕災環境敏感性評估指標體系

2.1 地形評估指標

地形因子主要考慮地勢和地形變化兩個指標。地勢采用高程表示，地形變化采用高程標準差表示。根據地形高程的大小，將廣西的地勢分為4級:一級≤100 m、100 m＜二級＜300 m、300 m＜三級＜700 m、四級≥700 m。根據高程標準差大小，將地形變化分3級評估:一級≤1 m、1 m＜二級＜10 m、三級≥10 m。高程越低、高程標準差越小，影響值越大，敏感性越大，洪澇災害風險性越大，越有利于形成澇災。通過專家打分對地勢和高程標準差的不同組合進行賦值(表2)。

表2 地形因子賦值表

2.2 水系評估指標

水系因子主要考慮河網密度和距離水體的遠近兩個指標。河網密度是指單位流域面積上的河流總長度，在ArcMap9.2中，利用“Density”將廣西1∶5萬河流進行計算。河流按大小分為二級，其中一級河流，包括珠江(南盤江－紅水河－黔江－潯江－西江)、長江(湘江、資江等)、桂南獨流入海(南流江、欽江、北侖河等)、百都河等4大水系的干流，二級河流，包括4大水系的支流和其它河流等。湖泊、水庫按水域面積分為4級:0.1萬km2＜一級＜1萬km2，1萬km2＜二級＜10萬km2，10萬km2＜三級＜20萬km2，四級＞20萬km2。采用GIS的緩沖區分析功能，將距離水體遠近的影響分為一級緩沖區和二級緩沖區，并給予0～1之間適當的影響因子值，原則是一級河流和大型水體的一級緩沖區內賦值最大，二級河流和小型水體的二級緩沖區賦值最小(表3、表4)。

表3 湖泊和水庫緩沖區等級和寬度的劃分標準

表4 河流緩沖區等級和寬度的劃分標準

2.3 植被評估指標

植被因子采用植被覆蓋度作為評估指標。植被覆蓋度是指有植被的面積占土地總面積的百分比。利用TM遙感植被分類信息，計算廣西植被覆蓋度指數(VCI):

式中:VCI為植被覆蓋度指數;SA為區域面積;PF為林地生長期;SF為林地面積;PG為草地生成期;SG為草地面積;PC為農田生成期;SC為農田面積;Di為一段時間內(一個月、一個季度、一年)植被的生長天數;DS為是一段時期內(一個月、一個季度、一年)的總天數。

根據廣西植被的生長特點，確定林地生長期為1，草地生長期為0.75，農田生長期為0.75，計算廣西各縣市的植被覆蓋度指數。由于植被具有強烈的水土保持功能，因此，植被覆蓋度越大，表示一個地方的植被越多，暴雨洪澇災害的環境敏感性越小，洪澇災害的風險越小。

3 關鍵技術與方法

3.1 規范化方法

洪澇災害孕災環境敏感性包含若干個指標，為了消除各指標的量綱和數量級的差異，需對每一個指標值進行規范化處理。

式中:Dij是j區第i個指標的規范化值，Aij是j區第i個指標值;mini和maxi分別是第i個指標值中的最小值和最大值。

3.2 加權綜合評價法

加權綜合評價法綜合考慮各個具體指標對評價因子的影響程度，是把各個具體指標的作用大小綜合起來，用一個數量化指標加以集中:

式中:V是評價因子的值;Wi是指標i的權重;Di是指標i的規范化值;n是評價指標個數。權重Wi的確定可由各評價指標對所屬評價因子的影響程度重要性，根據專家意見，結合當地實際情況討論確定。

3.3 自然斷點分級法

自然斷點分級法用統計公式來確定屬性值的自然聚類，是減少同一級中的差異，增加級間的差異。

也可表示為:

式中:A是一個數組(數組長度為N)，meani－j為每個等級中的平均值。

3.4 孕災環境敏感性區劃

在GIS中采用100 m×100 m的網格分別計算各孕災因子影響指數，經歸一化處理后，采用加權綜合評價法，計算廣西洪澇災害孕災環境敏感性評估指數。再利用自然斷點分級法，將孕災環境敏感性指數劃分為5級，繪制廣西孕災環境敏感性區劃圖(圖1)。

低敏感區:主要包括西林、隆林、田林、樂業、天鵝、南丹、鳳山、凌云、那坡、靖西、金秀、資源等大部分區域和百色、德保、東蘭、大化、龍勝、融水等縣市的局部區域。該區以海拔500 m以上山地為主，地勢高、高差大，水系不發達，以林地為主，植被覆蓋度高，具有強烈的水土保持功能，孕災環境敏感性低，不容易孕育洪澇災害。

次低敏感區:主要包括河池、都安、環江、三江、天等、田東、寧明、全州、灌陽等大部分區域和賀州、蒼梧、岑溪、容縣、上思、龍州、大新、田陽、平果、德保、巴馬、馬山、忻城等縣市的局部區域。該區主要以高丘陵、喀斯特地貌主要為主，地勢較高，高差較大，水系不發達，植被以林地和灌草為主，植被覆蓋度較高，具有較強的水土保持功能，孕災環境敏感性較低，較不容易孕育洪澇災害。

中敏感區:主要包括崇左、扶綏、上思、鹿寨、柳江等縣市的大部區域，百色、平果、山林、馬山、宜州、合山、象州、武宣等縣市的局部區域，桂西北的二級河流一級緩沖區，右江、左江、西江的二級緩沖區。該區主要以中低丘陵為主，地勢較低，高差較小，河網較密集，植被主要以林地、農作物為主，植被覆蓋度一般，孕災環境敏感性中等，較容易孕育洪澇災害。

次高敏感區:主要包括南寧、武鳴、欽州、防城港、靈山、橫縣、貴港、桂平、柳州、柳城、桂林、富川等縣市的大部分區域，右江、左江、西江、桂江、湘江的一級緩沖區，一級、二級水庫湖泊的一級緩沖區。該區主要以平原為主，地勢低，高差小，河網密集，植被主要以農作物為主，植被覆蓋度小，孕災環境敏感性高，容易孕育洪澇災害。

圖1 廣西孕災環境敏感性區劃圖

高敏感區:主要包括北海、合浦、欽州、橫縣、桂平、平南、玉林等縣市的大部分區域，南寧、賓陽、貴港、來賓、靈山、東興、博白、陸川等縣市的局部區域，邕江、郁江、西江、黔江、洪水河、柳江、南流江、欽江和大王灘水庫、洪朝江水庫、合浦水庫等主干河流與大型水庫湖泊的緩沖區。該區主要以河流沖積平原為主，較大平原有潯江平原、郁江平原、賓陽平原、南流江三角洲等，地勢很低，高差很小，河網很密集，植被主要以農作物為主，植被覆蓋度小，孕災環境敏感性很高，最容易發生洪水泛濫。

3.5 結果驗證

用廣西洪澇災害頻率區劃圖(圖2)與孕災環境敏感性區劃結果進行對比，結果表明，區劃結果與洪澇災害頻率分布區基本吻合。廣西洪澇頻率的高值區與高、次高敏感區均分布在北海、欽州、防城港三市大部，桂林市中部，柳州市北部各縣及桂平、東興、博白、陸川等地，頻率在80%以上(其中沿海的北海市城區、欽州市城區、東興、防城港、博白等地頻率為90%～100%);洪澇頻率低值區與低、次低敏感區均分布在百色市的隆林、西林、樂業、那坡、田陽、寧明、灌陽等地，頻率只有30%～50%;其余縣市，如崇左、扶綏、上思、平果、宜州、象州等洪澇頻率為50%～80%，與中敏感區也基本吻合。

4 結論與討論

圖2 廣西洪澇災害頻率區劃圖

(1)本文采用GIS、RS技術對廣西洪澇災害孕災環境進行敏感性評估研究在廣西屬于首例，本研究應用GIS、專家評判和AHP法，建立廣西洪澇災害孕災環境敏感性評估指標體系，采用加權綜合評價法計算孕災環境敏感性指數，并進行廣西洪澇災害孕災環境敏感性區劃，劃分出廣西低敏感、次低敏感、中等敏感、高敏感五個區域，并用歷史洪澇災害頻率數據進行對比，結果表明區劃結果和實際洪澇災害頻率分布區基本吻合，可為廣西防災減災工作提供技術支持科學依據。

(2)從區劃結果可知，地勢越低、高差越小，河網越密集、植被覆蓋度越低的區域越容易孕育洪澇災害。廣西洪澇災害孕災環境低敏感區主要分布在海拔500 m以上的桂西北百色市區域，高敏感區主要分布在北海、欽州、防城港等沿海地帶，右江、左江、邕江、郁江、潯江、柳江、桂江等河流沿岸，潯江平原、郁江平原、賓陽平原、南流江三角洲等平原地區。

(3)1∶5萬高精度DEM、水系數據能準確地表現廣西地形、河流、水庫、湖泊的空間分布，能很好地反映對廣西洪澇災害形成的影響?；赥M中分辨率遙感數據獲取的廣西林地、灌草、農用地三種植被，根據廣西植被生長特點，能準確地計算植被覆蓋度。但是由于洪澇災害形成、發展的復雜性，下墊面影響因子眾多，要完全定量準確地分析洪澇災害孕災本底環境敏感性存在一定的難度。目前評估結果尚難以做到與實際完全吻合，還需要不斷地深入研究，作出更加符合實際的洪澇災害孕災環境敏感性評估。

(4)孕災環境敏感性因子是廣西洪澇災害風險評估一項重要的本底條件，結合致災因子危險性、承災體易損性、抗災能力等評估指標，建立廣西洪澇災害風險評估模型，繪制基于GIS的廣西洪澇災害風險區劃圖，可為有關部門災害管理和減災決策制定提供參考依據。

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