伊犁河流域春季融雪型洪水危險性評價與區劃

劉鑫趙魯強劉娜惠建忠唐千紅

(1 中國氣象局公共氣象服務中心，北京 100081；2 國家氣象信息中心，北京 100081)

伊犁河流域春季融雪型洪水危險性評價與區劃

劉鑫1趙魯強1劉娜2惠建忠1唐千紅1

(1 中國氣象局公共氣象服務中心，北京 100081；2 國家氣象信息中心，北京 100081)

將春季融雪型洪水發生最為頻繁的伊犁河流域作為研究區，選取高程、坡度、地形起伏度、與水系距離、土地利用/覆被、冬季積雪深度作為春季融雪型洪水的影響因子，利用GIS技術和信息量模型定量計算了春季融雪型洪水的危險性，并基于總信息量最終將研究區域劃分為極高度、高度、中度、低度和極低度等5個等級危險區。研究表明：春季融雪型洪水災害主要沿河谷地帶發生，并且與冬季積雪深度、農田等分布相一致，災害點與危險性區劃具有很好的空間相關性，運用信息量模型開展春季融雪型洪水危險性區劃具有較好的科學客觀性和業務應用價值，可為該區內的春季融雪型洪水精細化預報提供有力的技術支撐，可為防災減災決策服務提供參考依據。

春季融雪型洪水，危險性評價，信息量模型，伊犁河流域

0 引言

20 世紀80 年代以來，在全球氣候變暖的大背景下，雪線上升，積雪消融加快，我國春季融雪型洪水的發生頻次明顯增加且強度加大，其中新疆融雪型洪水最為顯著[1-2]。新疆融雪型洪水的發生不僅嚴重威脅到了當地的公路、鐵路、水庫、灌溉渠道等交通、水利設施，危及到了人民的生命財產安全，更較大地制約了當地的社會經濟發展[3]。例如，2010年春季新疆北部地區發生融雪型洪水40多次，造成15.55萬人受災，直接經濟損失約3億元①中國新聞網：新疆今年發生洪災40多次損失近3億元．[2010-05-05]. http://www.chinanews.com/gn/news/2010/05-05/2263366.shtml.。并且，隨著經濟的快速發展及人類活動加劇，融雪型洪水帶來的社會災害損失也與日俱增。而伊犁河流域是新疆春季融雪型洪水發生最為頻繁的地區，據統計，2000—2013年，伊犁河流域的春季融雪型洪水占新疆該災害總數的40%，因此，開展該地區的春季融雪型洪水危險性評價與區劃研究尤為迫切和必要。

春季融雪型洪水危險性包含了孕災環境、致災因子等多重因素的影響，春季融雪型洪水危險性評價需對這多種影響因素進行考慮[4-7]。春季融雪型洪水危險性區劃是在已有融雪型洪水的形成機理研究基礎上，選擇融雪型洪水形成的主要影響因子，進而利用一定的方法進行未來潛在融雪型洪水的發生概率估算，并完成融雪型洪水危險性預測分區。目前在洪澇災害危險性評價方面，常用的方法有主成分分析、回歸分析、層次分析、人工神經網絡和信息擴散理論等[5,8-9]，由于應用條件苛刻或專家打分主觀性比較強等原因，不易于操作，而廣泛應用于地質災害危險性評價中的信息量模型法[10-11]，易于實現且評價結果客觀性較高，將初次應用于春季融雪型洪水危險性評價與區劃研究。本文將結合伊犁河流域春季融雪型洪水發生的空間分布特征，選出高程、地形起伏度、坡度、水系距離、土地利用/覆被及冬季積雪深度等6個融雪型洪水影響因子，運用信息量模型法和GIS技術對研究區的春季融雪型洪水危險性開展定量評價，為伊犁河流域的春季融雪型洪水精細化預報提供技術支撐，為春季融雪型洪水的重點防治提供科學參考依據。

1 研究區概況

伊犁河流域位于新疆天山最西部，地理位置在42°50’—44°10’N，80°30’—83°10’E，面積約5.6萬km2，海拔531～6038m。全地區地貌的基本特征為三山夾兩谷，東、南、北三面高山環繞，地勢東高西低，東窄西寬，河流由特克斯河、鞏乃斯河和喀什河三大支流組成，干流全長1236km，在中國境內長約442km[12]。伊犁河流域是新疆主要糧油和畜牧業基地，畜牧總頭數為全疆第一，占全疆15%以上，耕地面積占全疆的12%，農作物的總產量占15%，是新疆重要的綠洲農業區（圖1）[13]。

圖1 研究區位置示意圖Fig. 1 The location of research area

2 資料與方法

2.1 資料來源

本文研究資料主要包括伊犁河流域2000—2013年春季（3—5月）融雪型洪水災情資料、90m的數字高程資料、1:100萬的水系分布圖、1km的土地利用圖和1981—2013年2月下旬的積雪深度資料。

2.2 資料處理方法

首先，在總結借鑒國內外相關學者的春季融雪型洪水成因和災害影響研究成果基礎上，結合研究區內春季融雪型洪水實際情況篩選影響因子。

其次，基于災情資料和GIS技術，提取災情對應的各影響因子數值。通過分析主要影響因子與春季融雪型洪水空間位置的關系，將各主要影響因子劃分為多個特征等級。

最后，基于信息量模型和GIS技術，統計各主要影響因子每個特征等級的危險度信息量，綜合得到研究區春季融雪型洪水各重要影響因子的危險度信息量，進而運用加權綜合法計算得到研究區的危險度信息量分布；利用自然斷點法，將總信息量重新劃分特征等級，最終得到精細化的春季融雪型洪水危險性區劃圖。

3 伊犁河流域春季融雪型洪水危險性評估與區劃

3.1 春季融雪型洪水影響因子的提取與分析

春季融雪型洪水是流域水文地理環境、流域積雪、下墊面以及熱力條件等因子綜合影響的結果[14-17]，在春季融雪型洪水危險性區劃中，合理把握融雪型洪水發生的主要影響因子非常重要。另外，通過分析主要影響因子與春季融雪型洪水空間位置的關系，可揭示春季融雪型洪水的分布規律，找出各影響因子對春季融雪型洪水發生過程的貢獻大小。本次研究中春季融雪型洪水影響因子的選取是在借鑒國內外相關學者的研究成果基礎上，并結合研究區內春季融雪型洪水實際情況篩選，確定高程、地形起伏度、坡度、水系距離、土地利用/覆被、冬季積雪深度等6個融雪型洪水影響因子（圖2）。

3.1.1 高程因子

高程是描述地形地貌的定量指標[18]，與山區氣溫和積雪深度有密切關系[14,16]，因而是春季融雪型洪水危險性的重要評價因子。利用美國NASA的3弧秒（約90m分辨率）的新疆數字高程圖，處理生成覆蓋伊犁河流域的1km×1km柵格數據，如圖2a所示。從研究區的高程圖可見，區內海拔較高，主要為山區。從融雪型洪水與高程關系（圖3）來看，融雪型洪水主要發生在533～1300m高程范圍內，占區內總災害點的70.2%。

3.1.2 地形起伏度因子

地勢起伏度是某一確定面積內最高和最低點的高差，是描述地貌形態的定量指標[18-19]。較小的地形起伏度可使得一定范圍內的積雪幾乎同步開始消融，中、低山區能夠同時來水，從而縮短春季融雪洪水的過程、增加洪峰流量[15]。它也是重要的春季融雪型洪水評價因子。基于數字高程和ARCGIS空間分析計算得到1km地形起伏度柵格數據，如圖2b所示。據地貌制圖時的分類標準[18]，研究區內平坦起伏（0～20m）地區面積占總面積的8.78%，小起伏（20～75m）地區面積占總面積的12.25%，中起伏（75～300m）地區面積占總面積的28.55%，山地起伏（300～600m）占總面積的29.37%，高山起伏（＞600m）占總面積的21.05%。該結果顯示（圖4），研究區地形大多為中起伏、山地起伏和高山起伏；區內春季融雪型洪水災害點主要分布在小起伏、中起伏地區，約占總災害點的75.5%。

圖2 伊犁河流域春季融雪型洪水評價因子Fig.2 Hazard evaluation factors of spring snowmelt-flood in the Ili River Basin

圖3 春季融雪型洪水與高程關系Fig.3 Relation between spring snowmelt-flood and elevation

圖4 春季融雪型洪水與地形起伏度關系Fig.4 Relation between spring snowmelt-flood and topographic relief degree

3.1.3 坡度因子

坡度是高度變化的最大值比率，反映陡緩程度[20]。從理論角度，坡度越大，水流動速度越快。高程、地形起伏度和坡度在春季融雪型洪水危險性評價中能夠起到互相補充的作用，這三個因子均與春季融雪型洪水具有良好的相關性，高程越低、地形變化越小，洪水、山洪災害越容易發生[4,8]。使用ARCGIS軟件生成伊犁河流域的1km坡度柵格數據，如圖2c所示。從研究區的坡度圖來看，區內坡度較陡峭，坡度分布在0°～78.9°，從融雪型洪水與坡度分布關系圖（圖5）來看，融雪型洪水主要發生在0°～4°，該區域內的融雪型洪水占區內總災害點的71.7%。

圖5 春季融雪型洪水與坡度關系Fig.5 Relation between spring snowmelt-flood and slope

3.1.4 水系距離因子

水系分布反映了積雪融水的流動方向，河流或山洪溝的水流流量迅速上漲，易發生融雪型洪水。因而，一般河流附近發生融雪型洪水的可能性較大[4,8]。根據河流分布圖，利用ARCGIS軟件生成水系因子圖。如圖2d所示，通過對研究區的融雪型洪水宏觀分析發現，區內融雪型洪水沿著河谷呈條帶狀分布。利用ARCGIS的空間分析工具，做水系的緩沖區，分析融雪型洪水在距河流不同的區域內分布特征，圖6為河流不同緩沖寬度內的融雪型洪水發生百分比，融雪型洪水的發生有兩個密集區，0～1000m和3000～6000m。這是由于融雪型洪水有兩種類型，即中小河流洪水和山洪，這兩個區域分別代表這兩種融雪型洪水形式發生的密集區域。另外，距離河流9000m范圍內的融雪型洪水占區內總災害點的84%，距離河流越遠，融雪型洪水發生呈現出逐漸減少的趨勢。

圖6 春季融雪型洪水與水系分布關系Fig.6 Relation between spring snowmelt-flood and river system distribution

3.1.5 土地利用/覆被因子

土地利用/覆被是影響積雪融水產流、匯流的重要下墊面條件，一方面坡面植被有利于減緩坡面水流的流動速度和下滲速度，另一方面人類活動對于土地資源的不合理開發利用，破壞了原有的地理水文環境，成為了融雪型洪水活動加劇的成因之一[14-15,21]。原始數據是中國科學院資源環境科學數據中心1km網格土地利用數據，如圖2e所示，土地利用類型共有6種，分別是居民用地、耕地、林地、草地、水域和未利用土地。從融雪型洪水與坡度分布關系（圖7）來看，融雪型洪水主要分布在耕地、草地和居民用地，分別占區內災害點總數的53.8%，28.6%和12.9%。

圖7 春季融雪型洪水與土地利用/覆被關系Fig.7 Relation between spring snowmelt-flood and land use/cover types

3.1.6 冬季積雪深度因子

入春前的積雪深度給春季融雪型洪水的發生提供了物質量[14-17,22]，2月底積雪厚是產生春季融雪型洪水的重要條件。計算研究區內氣象站點1980—2010年氣候平均2月底最大積雪深度，利用cokring方法插值到整個伊犁河流域，如圖2f所示。從研究區的冬季積雪深度來看，區內2月底積雪深度較厚，積雪深度分布在9.7～17.7cm，從融雪型洪水與冬季積雪深度分布關系（圖8）來看，融雪型洪水發生概率整體隨著積雪深度增加而增大。當積雪深度大于13.0cm，該區域內的融雪型洪水占區內總災害點的94.4%。

圖8 春季融雪型洪水與冬季積雪深度關系Fig.8 Relation between spring snowmelt-flood and winter snow-depth

3.2 春季融雪型洪水危險性評價和區劃

3.2.1 信息量模型原理

信息量模型是一種統計分析預測方法，是把各個影響因子對災害發生提供的信息量值進行疊加所得的總信息量值作為評價定量指標的一種評價方法[23]。如，融雪型洪水受多種因素影響，各種因素所起作用的大小是不同的，利用信息量模型可定量計算融雪型洪水各影響因子對災害發生的信息量（貢獻），將這些信息量相疊加得到的總信息量值將作為危險性評價的定量指標。

各影響因子對融雪型洪水發生所提供的信息量值根據公式（1）計算：

式中，P(Xi)是影響因子Xi的信息量值；S是研究區面積；R是研究區內已發生融雪型洪水的面積；Si是研究區內含有影響因子Xi的面積；Ri是影響因子Xi分布區域內已發生融雪型洪水的面積。

單個評價單元內的總信息量值根據公式（2）計算：

式中，P為評價單元總的信息量值；n為影響因子數；其他參數同上。

將總信息量值作為單元網格內影響融雪型洪水形成的綜合評價指標，值越大說明融雪型洪水發生的可能性就越大，根據計算得到的各個單元網格的總信息量值進行融雪型洪水危險性的等級劃分[10-11]。

3.2.2 信息量模型計算與危險性分區

在信息量模型計算中，評價單元的選取，直接影響到春季融雪型洪水危險性評價結果。由于影響春季融雪型洪水的各種因子，如水系、地形、土地利用、入春前積雪深度等是空間分布不均的，因此，選取評價單元，應盡可能考慮每一單元內部的條件最大均一性和單元之間的差異性[24]。本研究根據實際數據圖層精度，選取1km×1km作為評價單元。

前面已提取和分析了研究區內春季融雪型洪水的6個影響因子（高程、地形起伏度、坡度、水系距離、土地利用/覆被、積雪深度），各影響因子已利用ARCGIS轉化為1km×1km的柵格數據并根據公式（1）計算各影響因子對春季融雪型洪水發生的信息量，具體見表1。

將信息量分別賦給各因子不同類別的屬性表中，生成單因子信息量圖，通過公式（2）計算總信息量分布，最后利用統計學中的自然斷點法將總信息量重新劃分特征類別，即劃分為極高度、高度、中度、低度、極低度危險等5個等級，得到研究區的伊犁河流域融雪型洪水危險性評價分級，如圖9所示。

3.2.3 評價結果分析

通過對研究區內的融雪型洪水危險性分區進行統計分析得出，區內融雪型洪水危險性較高（表2），高度和極高度危險區的面積是17231km2，占研究區面積的32.98%，極高度危險區內分布有災害點44個，占區內災害點總數的64.71%，高度危險區分布有災害點15個，占災害點總數的22.06%，中等以下危險區域分布災害點總數較少。由此可見，融雪型洪水災害點的分布與危險性分區具有很好的相關關系，本次危險性區劃能客觀反映區內融雪型洪水危險性的分布情況，區劃結果比較好。

研究區內融雪型洪水極高度和高度危險區的面積分別是7341和9890km2，占研究區總面積的14.05%和18.93%，研究發現，極高度和高度危險區呈現集中分布的特點，這兩類危險區主要沿河流分布在河谷地區，這兩個地區的水系密集，高程低，地勢平緩，有利于積雪融水的迅速匯集，另外冬季積雪深度大，為春季融雪型洪水的發生提供了豐富的物質儲備；從土地利用分類來看，極高度和高度危險區主要分布在耕地和居民用地，人類活動影響大，加大了融雪型洪水的危險性。融雪型洪水中度危險區主要沿高度危險區外圍分布，面積10732km2，占研究區總面積的20.54%，分布有災害點5個，該區域高程增大，距河流的距離增大，危險性減小；另外下墊面主要為草地，人類活動影響小，災害發生的概率減少。融雪型洪水極低度和低度危險區主要分布在山區，面積24279km2，占研究區總面積的46.47%，極低度危險區為高海拔山區，區內人類活動少，植被為高山草地、林地和未利用土地，低度危險區主要是森林和草地覆蓋，發生災害概率低。

另外，據2014—2015年中國氣象局災情直報系統信息匯總，2014年春季伊犁河流域發生了2次融雪型洪水災害事件：2014年3月13日，新源縣大部分地區出現氣溫持續性回升，山區向陽坡積雪大面積迅速融化，導致肖爾布拉克鎮洪土拜村牧民定居點發生融雪性洪水災害；2014年3月16—17日，氣溫急劇升高，積雪迅速融化，造成尼勒克縣木斯鄉等多個鄉鎮相繼發生融雪型洪水災害。對比伊犁河流域春季融雪型洪水危險性區劃可知，2014年春季融雪型洪水災害發生區均位于極高度危險區和高度危險區。該區位于山區南部，海拔較低且地形起伏小，有利于山區向陽坡的融化積雪在該區域的快速匯集，形成融雪型洪水災害，與災情實際形成情況一致。由此可見，該春季融雪型洪水危險性區劃具有較好的業務應用價值。

表1 春季融雪型洪水各評價因子的信息量Table1 The information value of various evaluation factors on spring snowmelt-flood

圖9 伊犁河流域春季融雪型洪水危險性區劃Fig.9 The map of spring snowmelt flooding hazard levels in the Ili River Basin

表2 各危險性等級區春季融雪型洪水災害點的數目分布Table2 The number of spring snowmeltflooding disaster sites in zones with different hazard levels

4 結論與討論

1）研究結果表明，春季融雪型洪水災害主要沿河谷地帶發生，并且與冬季積雪深度、農田等分布相一致。研究區地形復雜，從高程上來看，融雪型洪水主要發生在533～1300m高程范圍內，占區內總災害點的70.2%。從地形起伏度來看，融雪型洪水災害主要分布在小起伏、中起伏地區，占區內總災害點的75.5%。從坡度來看，融雪型洪水主要發生在0°～4°，該區域內的融雪型洪水占區內總災害點的71.7%。融雪型洪水主要在距離河流一定范圍內密集發生，融雪型洪水的發生有兩個密集區（0～1000m和3000～6000m），分別代表這兩種融雪型洪水形式發生的密集區域，另外，距離河流9000m范圍內的融雪型洪水占區內總災害點的84%，距離河流越遠，融雪型洪水發生呈現出逐漸減小的趨勢。根據融雪型洪水在不同土地利用類型的統計數據來看，融雪型洪水主要分布在耕地、草地、居民用地這3種土地類型中。從冬季積雪深度來看，融雪型洪水發生概率隨著積雪深度增加而增大，當積雪深度大于13.0cm，該區域內的融雪型洪水占區內總災害點的94.4%。

2）基于GIS的信息量模型方法應用簡單方便，能快速提取融雪型洪水影響因子數據，計算出每個柵格單元內各影響因子對融雪型洪水的貢獻，很好地綜合了GIS空間分析和信息量計算的優點，且評價結果科學客觀。本次評價選取高程、地形起伏度、坡度、水系、土地利用/覆被、冬季積雪作為融雪型洪水危險性評價的影響因子，運用信息量模型開展春季融雪型洪水危險性評價，將研究區劃分為極高度、高度、中度、低度和極低度等5級危險區，通過對危險區和融雪型洪水災害點的相關性進行分析，得出危險性區劃能較好地總結反映實際融雪型洪水災害調查結果，因此基于GIS的信息量模型方法開展的區劃能夠客觀反映區內融雪型洪水危險性，為研究區的融雪型洪水精細化預報提供理論參考和技術支撐，也為融雪型洪水的防治提供依據。

3）本文的伊犁河流域春季融雪型洪水危險性評價與區劃結果目前已應用于中國氣象局公共氣象服務中心的專業氣象預報服務，在2014—2015年春季融雪型洪水氣象預報服務中顯示了較好的預報服務效果，具有較好的業務應用價值。如果能獲得我國其他地區詳細的春季融雪型洪水災情資料，基于信息量模型將可開展相關危險性評價與區劃，該研究結果可為全國的春季融雪型洪水氣象預警和災害防治工作提供有力的技術支撐和參考。

致謝：新疆氣象服務中心楊靜高級工程師為本研究提供了2000—2013年伊犁河流域春季融雪型洪水災情資料，特此感謝。

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Risk Evaluation of the Spring Snowmelt Flood in Ili River Basin and It’s Mapping

Liu Xin1, Zhao Luqiang1, Liu Na2, Hui Jianzhong1, Tang Qianhong1
(1 Public Service Centre of China Meteorological Administration, Beijing 100081 2 National Meteorological Information Centre, Beijing 100081)

This paper evaluates the risk of the spring snowmelt fl ooding, which is often occured in the Ili River Basin, based on GIS technology, information quantity model and impact factors including elevation, topographic relief degree, slope, distance from the river system, land use/cover types and winter snow depth. According to the fi nal comprehensive information quantity, the spring snowmelt fl ooding hazard may be divided into fi ve grades: very high, high, moderate, low and very low. Results show that the spring snowmelt fl oods concentrated mainly along the zonal river valley in the Ili River Basin, and are consistent with the distribution of winter snow-belt and farmland. The site number of spring snowmelt fl ooding hazards is positively correlated with the hazard grades. It is shown that the method based on the information quantity, and the mapping of spring snowmelt fl ood hazard zones is objective and has a better business value. The study may provide a technical support for a fi ne forecast of the spring snowmelt fl ood, and a valid basis to prevent from the spring snowmelt fl ood.

spring snowmelt fl oods, risk evaluation, information quantity model, Ili River Basin

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.06.006