基于GIS的河南省洪災風險評價

劉 德 林

（1.河南理工大學 安全與應急管理研究中心，河南 焦作454000；2.河南理工大學 應急管理學院，河南 焦作454000）

洪水災害是中國最為嚴重的自然災害之一。據民政及水利部門統計，1991—2012年，中國洪水災害的直接經濟損失約為2.95×1012元，年均直接經濟損失約1.34×1011元，占自然災害經濟總損失的49.44%，若不考慮發生特大地震的2008年，洪水災害損失占自然災害總損失的60%以上［1］。河南省地跨長江、黃河、海河和淮河4大流域，流域面積廣，水系密度大，加之氣候、環境和土壤條件的影響，境內水旱災害頻繁，為全國洪水重災區之一。近幾十年來，由于降水持續增多且時空分布不均，河南省洪水災害幾乎每年發生。據不完全統計，從1950—2004年，河南省共發生洪水災害1 152次，平均每年20多次，累計死亡人數21 200人，直接經濟損失2.27×1010元［2］。頻繁發生的洪水災害給河南人民的生命和財產安全帶來了嚴重的威脅，給當地國民經濟特別是農業生產及生態環境帶來眾多不利的影響。為了對洪水災害進行有效的管理，預防洪水災害的發生和減少災害發生時的影響，有必要對區域洪水災害風險進行評價和區劃研究。

因此，本文的目的是在分析河南省洪災成因的基礎上，選取洪水致災關鍵影響因子進行風險評價與區劃研究。以期為該省洪災風險管理、防洪減災規劃和洪災應對提供依據，同時為該省農業產業結構優化、土地資源綜合利用及社會經濟發展規劃提供參考。

1 研究區概況

河南省地處黃河中下游，地理坐標為東經110°21′—116°39′，北緯31°23′—36°22′，國土總面積為1.67×105km2，其中，常用耕地面積為7.20×106hm2。2011年年末總人口1.05×108人，平均人口密度為628人／km2。該區橫跨黃河、淮河、海河和長江4大水系，流域面積廣，水系密度大，境內密布河流1 500多條。其中，流域面積在1.00×106km2以上的河流就有493條。該省屬暖溫帶—亞熱帶、濕潤—半濕潤季風氣候，雨熱同期、春旱夏澇，年均降水量為500～900mm，但降水時空分布不均，部分地區年均降水量可達1 100mm以上，約有60%的降水集中在汛期［3］，河南省地貌和土壤類型復雜多樣，地勢起伏較大，海拔高度為23.2～2 413.8m。

2 數據源與研究方法

2.1 洪災風險評價指標

洪災的形成與發展受自然因素和社會因素的共同作用。從系統的角度來說，洪水成災的基本條件有孕災環境、致災因子和承災體，三者缺一不可。其中，孕災環境是指形成洪災的自然因素，如地形地貌、水文氣候、土壤植被和河流湖泊等；致災因子是指導致洪災發生的觸發因素，如降水量、降水歷時和河流水情等；承災體是指承受災害的對象，如人口、經濟、資源和環境等。孕災環境和致災因子反映了災害的自然屬性，承災體則反映了災害的社會屬性。因此，洪災風險評價應包括洪災的危險性評價和承災體的易損性評價兩部分內容。

借鑒前人研究成果［4－5］，結合河南省洪災的孕災環境、成災特點和數據資料的可獲得性，從洪災的危險性和承災體的易損性兩個角度出發，選取絕對高程、坡度、年均降水量、河網分布、人口密度和GDP密度6個指標構建河南省洪災風險評價體系。

2.2 數據來源

本文所用坡度和高程數據來源于2009年的中國30m分辨率DEM數據集；水系數據和河南省縣市行政區劃數據來源于河南省1∶25萬基礎地理信息系統；多年平均降雨量來源于全國1km格網年均降水量空間化數據（建站到1996年）；人口密度數據來源于2003的年全國1km格網人口空間化數據；地均GDP來源于2003年的全國1km格網GDP空間化數據。

2.3 數據處理

（1）由于所用數據來源不一，其投影和地理坐標系統有所差異，需對其進行統一，以便進行空間疊加分析。本文利用Arc／Info軟件將上述指標數據統一轉化成 Geographic（Lat／Lan）投影、WGS 84坐標系統和1km格網空間數據格式。

（2）由于所用數據多為全國范圍數據，本文以河南省縣市級行政區劃圖為基礎，利用ERDAS Imagine 9.1軟件的裁剪功能獲取指標數據的研究區范圍。

（3）由于所選指標計量單位不同，取值變化范圍大，因此需對數據進行標準化處理。本文將處理好的指標按因子屬性對洪水危險程度進行劃分，分別以數值5，4，3，2，1代表高、較高、中等、較低和低5個危險程度等級。

2.4 研究方法

本文主要運用了ArcGIS平臺的空間分析、空間疊加和數據格式轉化功能、Erdas 9.1軟件的圖像處理功能和專家打分等方法。

3 結果與分析

3.1 洪災危險性分析

3.1.1 降水對洪災的影響 降水對洪災的影響主要表現在年降水量和降水強度兩個方面，而降水強度可用多年平均暴雨日數來表示。受季風氣候的影響，河南省約有60%的降水集中在汛期，降水年內分配不均成為河南省洪災發生的主要原因［6］。有研究表明，汛期降水總量和汛期相當暴雨日數有極強的正相關性，相關系數高達0.97［7］。結合數據的可獲得性和文獻［7］的研究成果，本文選取河南省多年（1949—1999年）汛期（5—9月）平均降水量來研究降水對洪災的影響。根據降水量越大，洪水危險性越高的原則，結合河南省實際降水情況，確定降水因子對洪災形成的影響度劃分標準和賦值（表1）。根據表1確定的劃分標準和賦值進行重分類，可得到降水對洪災影響度的分布情況。

3.1.2 地形特征對洪災的影響 地形特征與洪水的危險程度緊密相關，其對洪災的影響主要表現在海拔高度和地形變化程度兩個方面，而地形變化程度通常用坡度來表示。本文所用地形高程和坡度數據來源于2009年中國30m分辨率DEM數據集。根據絕對高程越低、坡度越小，洪水危險程度越高的原則［6］，結合河南省實際情況，確定地形因子對洪水危險程度的劃分標準［5］（表1），通過疊加高程柵格數據層和坡度柵格數據層，并根據表1確定的綜合地形因子影響度劃分和賦值標準進行重分類，可得到地形特征對洪災影響度分布情況。

表1 各因子影響度劃分標準和賦值

3.1.3 水系分布對洪災的影響 區域水系的分布狀況在很大程度上影響區域洪水發生的概率。一般來說，區域洪水的危險程度受距離水系的遠近（距離越近，危險程度越高）、水系自身的級別（級別越高，危險程度越高）和水系所處地形（地勢越低、地形越平坦，危險程度越高）的綜合影響。結合河南省歷史水情資料和相關研究文獻可知，河南省的洪水主要來源于黃河和淮河兩大水系的干流和支流［6］。由于地形因素對洪災的影響已單獨研究，所以本文在分析過程中，只考慮河流級別和距離對洪災的影響。

河流距離對洪災的影響主要是通過建立河流緩沖區來進行研究，不同的緩沖區寬度代表不同地段洪災發生的概率。本文對河流建立3級緩沖區，緩沖區的寬度主要考慮河流的級別和實際的影響，如將黃河和淮河干流視為1級河流，其支流與其他河流視為2級河流，不同級別河流緩沖區的具體寬度和賦值見表2。通過疊加1級河流和2級河流緩沖區柵格數據層，并根據表2確定的河流緩沖區劃分標準和賦值進行重分類，可得到河流分布對洪災影響度的分布情況。

表2 河流緩沖區等級和寬度值的劃分標準及賦值

3.2 洪災承災體易損性分析

致災因子是災害產生的充分條件，而承災體是放大或縮小災害的必要條件［8］。同樣級別的洪水發生的地區不同，導致的損失結果也不盡相同。因此，洪災的風險評價必須考慮承載體的易損性。在不考慮防災救災水平差異的前提下，區域的人口密度和經濟發展水平在一定程度上可反映研究區遭受洪災的潛在損失程度［9］。因此，本文選取人口密度和地均GDP兩個指標來分析洪災承災體的易損性。

3.2.1 人口密度影響因子 洪災對人類社會的影響首先表現為人員的傷亡。一般而言，對于同樣的洪水，人口密度越大，受影響人口越多，影響程度也越大。利用“中國科學院地理科學與資源研究所資源環境數據中心”發布的2003年全國1km格網人口空間化數據，確定河南省人口密度范圍。由該數據計算統計知，河南省人口密度范圍在0～39 920人／km2，而人口密度小于300，500和1 500人／km2的面積分別占總面積的27.4%，52.2%和95.1%。根據人口密度越大，影響越大的原則，結合上述計算結果，在考慮均差和標準差的基礎上，確定人口密度因子對洪災影響程度劃分標準和賦值（表1）。根據劃分標準和賦值進行重分類，可得到人口密度對洪災影響度的分布情況。

3.2.2 GDP密度影響因子 洪災對人類社會的另一個重要影響就是經濟財產的損失。由于GDP是評價地區經濟發展的一項重要標志，因此本文選用地均GDP作為研究區域的社會經濟因素。利用“中國科學院地理科學與資源研究所資源環境數據中心”發布的2003年全國1km格網GDP空間化數據，確定河南省GDP密度范圍。由該數據計算統計知，河南省GDP密度范圍在1～28 438萬元／km2，而GDP密度小于200，300和500萬元／km2的面積分別占總面積的59.0%，71.9%和83.9%。根據 GDP密度越大，損失越大的原則，結合計算結果，在考慮均差和標準差的基礎上，確定地均GDP因子對洪災影響程度劃分標準和賦值（表1）。根據劃分標準和賦值進行重分類，可得到GDP密度對洪災影響度的分布情況。

3.3 洪災危險性、易損性與風險評價

在綜合分析各影響因素的基礎上，利用ArcGIS軟件強大的空間疊加和分析功能，獲取河南省洪災的危險性、易損性和風險評價結果。首先，通過疊加降水、地形和河網因子，獲取洪水的危險性評價分布情況；再次，通過疊加人口密度和地均GDP因子，得到洪災的易損性評價分布情況；最后，通過疊加洪水危險性和洪災易損性評價分布情況，得到河南省洪災風險評價結果。

由于各評價因子對洪災形成的影響有所差異，在計算過程中采用加權疊加，各因子權重的確定主要采用專家打分法，同時結合前人研究成果和研究者對洪災的認識，最終確定各評價因子的權重如下：降水（0.4）、地形（0.2）、河網（0.2）、人口密度（0.1）和地均GDP（0.1）。

從河南省洪水危險性分布圖（附圖3）可以看出，河南省洪水危險呈現明顯地帶性，總體來說，從南到北逐漸降低，這主要是受降水的影響所致。從行政區劃來看，信陽市中部地區和駐馬店中南部處于洪水高危險區；駐馬店大部、南陽和平頂山東南部、漯河、周口南部和安陽西部地區處于洪水較高危險區；南陽、平頂山、許昌、周口和商丘大部地區處于洪水中等危險區；三門峽、焦作、新鄉、鶴壁、濮陽和安陽大部分地區處于洪水較低危險區。從不同洪水危險區所占全省總面積的比例來看，河南省所處洪水高、較高、中等、低和較低危險區的面積占全省總面積的百分比分別為：20.6%，22.7%，25.1%，24.3%和7.2%。

從河南省洪災易損性計算與統計數據來看，河南省洪災易損性高的區域為鄭州、許昌、漯河、焦作大部地區以及南陽、洛陽和新鄉部分地區；而三門峽、洛陽、濟源、南陽的大部分地區和信陽市南部地區洪災的易損性非常低，其他地區處于中間。從洪災不同易損性所占面積來看，河南省所處洪災易損性為高、較高、中等、低和較低的面積占全省總面積的百分比分別為：24.9%，23.7%，27.0%，11.3%和13.1%。

從河南省洪災風險分布圖（附圖4）可以看出，河南省洪水風險也呈現明顯地帶性，其變化趨勢與洪水風險變化趨勢基本相同。從行政區劃上來看，信陽市大部分和駐馬店中南部發生洪災的風險非常大；駐馬店、漯河和南陽大部分地區、洛陽、平頂山和周口南部小部分地區也有發生洪水形成洪災的可能；其他地區不太可能發生洪災，特別是三門峽、焦作、新鄉、鶴壁和濮陽，發生洪災的概率非常小。從不同洪水風險區所占面積比例來看，河南省所處洪水高、較高、中等、低和較低風險的面積占全省總面積的百分比分別為：20.6%，18.8%，20.7%，27.5%和12.4%。

4 結論

在綜合分析河南省洪水致災主要影響因素的基礎上，通過選取絕對高程、坡度、年均降水量、河網分布、人口密度和GDP密度6個指標構建了河南省洪災風險評價指標體系。借助ArcGIS平臺空間分析和疊加功能，對河南省洪災風險進行了評價與制圖。該評價結果與區域洪災實際發生情況基本吻合，具有一定的實際應用價值，可為該區域的洪災風險管理、防洪減災規劃和洪災應對提供依據。

本文評價結果的準確性受所用數據的完備性和評價模型的有效性兩個方面的影響。從數據方面來說，以往關于洪災風險評價或區劃的研究多以行政區劃為基本分析單元，采用數據多來源于統計數據，其特點是更新快、現時性強，但空間分辨率相對較低；本文所用數據多為公里網格數據，雖然空間分辨率有所提高，但多為2003年左右的數據，時效性不強，精度也有待進一步提高。因此，國家應建立并完善基礎數據共享平臺、加快基礎數據的更新周期、擴大基礎數據的共享范圍、提高基礎數據的共享效率。從評價模型來看，主要涉及兩個因素：一是評價指標的選取，二是指標權重的確定。由于洪災形成過程復雜、影響因素眾多，加之一些影響因素的數據資料缺乏或無法量化等原因，要進行完全、準確的量化研究還有一定困難。因此，如何根據研究區的特點，建立健全合理的評價指標體系，有待進一步研究與完善。此外，由于各影響因素對洪災形成的貢獻有所差異，而不同的權重賦值又會產生不同的評價結果。因此，如何確定合理的相對權重是洪災風險評價乃至是各種評價中亟待解決的問題之一。

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