基于GIS-AHP集成的無資料小流域山洪災害風險評價

李文靜，林凱榮，劉 玥，劉樹壕，陳 剛

(1.中山大學水資源與環境系，廣州，510275;2.廣東省水文局廣州水文分局，廣州 510150)

0 引 言

據統計，新世紀以來全國每年山洪災害死亡人數占洪澇災害死亡總人數之比已上升至80%左右[1]，對國家工農業發展和人民生命財產安全造成了嚴重危害。國際通用的自然災害風險評價模式為風險性R=危險性H×易損性V[2]，目前國內外多采用多目標分析方法確定各因子權重，通過GIS空間分析功能評價流域山洪災害風險性。國外Nektarios N[3]等利用比率法分析希臘克里特島Koiliaris河流域洪水災害危險性；Sar N[4]等利用層次分析法(AHP)分析印度Keleghai河流域洪水災害風險性，國內Wu[5]等利用AHP法對淮河流域進行山洪災害風險區劃。研究者在進行多目標分析時利用不同的方法確定因子權重，其中AHP法由于操作簡單，常與GIS相結合評價山洪災害風險[6]。以上研究均在有充分降雨資料或流量資料的基礎上，選擇降雨或流量作為評價指標進行山洪災害風險評價，然而山區小流域常為缺資料或無資料地區，目前對無資料小流域進行山洪災害風險評價的研究較少。

本文采用綜合單位法和推理公式法[7]計算無資料小流域石坎河流域的設計洪峰流量，并結合高程、坡度等指標建立評價體系，集成GIS和AHP評價無資料小流域山洪災害風險，進行山洪災害風險區劃。

1 研究區概況與資料

1.1 研究區概況

石坎河流域位于廣東省清遠市清新區中部(圖1)，流域面積147 km2，河流全長32 km，源頭位于龍頸鎮佛市村石磯頂，海拔為449.9 m，至龍頸鎮龍北村匯入濱江，河流平均比降0.725%，多年平均年徑流深1 410.3 mm，多年平均徑流量2.18 億m3。

流域內屬亞熱帶季風氣候區，濕熱多雨，降雨充足，是廣東省三大暴雨區之一，多年平均年降水量1 969.6 mm。5-8月是暴雨高發時期，暴雨集中、強度大，再加上地貌類型以高丘低山為主，坡度較陡，土壤類型以赤紅壤、紅壤為主，植被破壞嚴重，徑流量大且流速快，山洪災害頻繁發生。根據歷史山洪災害調查得知，流域內受到山洪災害威脅的防災對象共67個1 361戶8 326人。由此可見石坎河流域面臨的山洪災害威脅形勢極為嚴峻。

圖1 石坎河流域概況圖Fig.1 Overview of ShiKan River basin

1.2 數據來源

石坎河流域DEM數據(30 m分辨率)來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)，數字正射影像(DOM)、土地利用類型和土壤類型為全國山洪災害防治基礎數據，控制斷面、歷史山洪災害信息、洪峰流量為清遠市山洪災害項目組野外調查及計算結果數據，數據均符合全國山洪災害項目組與各項目承擔單位的統一技術標準，基于以上數據的清遠市山洪災害分析評價項目(2013)已通過驗收。

2 研究方法

山洪災害風險評價是自然條件的危險性和社會條件的易損性共同作用的產物，參考目前構建的山洪災害風險評價指標體系[]，結合山洪孕災環境和成災特點，選取洪峰流量、高程、坡度、土壤類型作為危險性評價指標，選取人口密度、土地利用類型作為易損性評價指標。

2.1 洪峰流量指標分析

石坎河流域內無實測雨量和流量資料，首先通過ArcHydroTools提取集雨面積、河長、平均坡降等地理信息，根據《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊》[9]利用推理公式和綜合單位線法間接推求流域67個防災對象共32個河道控制斷面的50、100 a一遇設計洪峰流量，然后通過自然鄰域法對100 a一遇設計洪峰流量及自然分水嶺洪峰流量為0的點進行空間插值，最后得出100 a一遇洪峰流量分布特征。

設計洪水成果合理性分析，首先通過選取石坎河上中下游歷史洪水場次為“20130816”的4個防災對象的洪痕點，然后利用曼寧公式[10]計算出歷史洪水洪峰流量，最后將歷史洪水洪峰流量與100年一遇設計洪峰流量進行對比分析。

2.2 風險評價指標權重計算

2.3 山洪災害風險評價區劃

首先利用GIS將各指標圖層進行歸一化處理[11]，分別按數值1、2、3、4代表低危險，危險，高危險，極高危險限值賦給各柵格單元(表2)，得到各評價指標的空間分布特征(圖2)。然后通過柵格計算器按公式(1)～(3)分別計算每個柵格單元的危險性、易損性和風險性，按照自然間斷點重分類方法，進行山洪災害風險分類，最后得到流域山洪災害風險區劃圖，并根據《山洪災害分析評價方法指南》提供的危險區等級劃分標準確定山洪頻率。

表1 石坎河流域山洪災害風險區劃各指標權重Tab.1 Index weights of risk assessment of flash floodin ShiKan River Watershed

表2 評價指標危險度劃分與賦值Tab.2 Risk classification and assignment of risk assessment index

圖2 石坎河流域風險評價指標空間分布圖Fig.2 Distribution map of risk assessment index in ShiKan River basin

0.508×h1+0.214×h2+0.174×3+0.104×h4

(1)

(2)

(3)

式中：H，V分別為危險性，易損性；hi、vi為各個柵格單元經過標準化處理后洪峰流量、高程、坡度、土壤類型、人口密度、土地利用類型的柵格單元取值；ri為式(1)和式(2)得到的各個柵格單元的危險性和易損性的取值H和V。

3 研究結果

3.1 洪水成果合理性分析

表1顯示洪峰流量在山洪災害風險評價指標體系中權重最大，應對其合理性進行詳細分析，以減小洪峰流量空間插值和柵格計算的誤差。本文通過以下方法分析洪水成果合理性：

(1)歷史洪水調查資料對比分析。對比由推理公式和綜合單位線法推求的設計洪峰流量與曼寧公式推求的歷史洪水洪峰流量，表3顯示4個洪痕點的歷史洪水洪峰流量均處于50～100 a一遇設計洪峰流量之間，歷史洪水重現期為50～100 a一遇，接近100 a一遇，與實際情況相符合，說明計算得出的100 a一遇設計洪峰流量較為合理。

表3 石坎河流域設計洪水結果與歷史洪水結果的對比情況Tab.3 Comparison of design flood results and historical flood results in ShiKan River basin

(2)同一條河流上下游成果比較分析。同一河流的設計洪峰流量從上游到下游逐漸增大，洪峰模數逐漸減小。石坎河干流上29個控制斷面的100 a一遇設計洪峰流量從上游到下游逐漸增大，100 a一遇洪峰模數逐漸減小，沒有出現異常點。因此設計洪峰流量結果在趨勢上是合理的。

3.2 山洪災害風險評價

利用GIS計算各個柵格單元的危險性、易損性、風險性，進行山洪災害風險等級劃分并確定山洪頻率(表4)，得到石坎河流域山洪災害風險性區劃結果(圖3)。

表4 石坎河流域山洪災害風險等級劃分Tab.4 Gradation of flash flood risk in ShiKan River basin

(1)山洪災害風險等級劃分結果。對危險性、易損性和風險性計算結果進行分類，以此作為劃分低危險區、危險區、高危險區、極高危險區的界限值。表4顯示不同層次分析結構下風險區等級劃分界限值差別小，易損性和風險性分析結構下的界限值一致，而風險性分析結構下的界限值略有不同。

(2)山洪災害風險區劃結果。圖3(a)至圖3(c)顯示石坎河流域內山洪災害風險等級較低區域分布在河流上游地區(如中州村、佛市村)，風險等級較高區域分布河流中下游地區(如石東村、建星村、石崇村)，危險性、易損性、風險性均是東南部普遍高于西北部，呈現出從東南部向西北部逐漸遞減的趨勢。

沿河距離對危險性、易損性、風險性的影響不同。危險性與風險性受沿河距離的影響大，隨著沿河距離的增加而降低，等級極高的區域集中分布在河流兩岸200 m范圍內；河流上游小部分地區，易損性受距河距離影響大，隨著沿河距離的增加而降低，但河流下游地區不受距河距離遠近影響，等級整體偏高。

(3)有效性驗證。本文對石坎河流域內歷史山洪發生時間、洪痕高程進行了詳細調查，選擇“19820512”、“19020512”、“20130818”、“20140523”4場歷史洪水發生的地點與風險區劃圖進行疊加分析，圖3(d)顯示幾乎所有歷史洪痕均位于極高危險區內。根據初步對比驗證結果，認為石坎河流域山洪災害風險區劃結果符合實際情況的。

4 結 語

前人利用GIS技術推求設計洪水時，直接利用水文資料插值形成雨量或流量分布圖[12]，本文的不同之處在于：采用綜合單位線法和推理公式法計算流域內不同控制斷面的100 a一遇設計洪峰流量，不同斷面的洪水成果相互印證，再通過GIS形成洪峰流量分布圖。通過設計洪水成果合理性分析，說明綜合單位線法和推理公式法計算出的100 a一遇設計洪峰流量可作為無資料小流域評價山洪災害風險的重要指標。

在風險區劃過程中，按照自然間斷點重分類法將危險性、易損性和風險性計算結果分類，所得風險等級劃分界限值與前人提出的山洪災害風險等級劃分界限值高度接近[13]。再加上歷史洪痕驗證效果佳，說明石坎河流域山洪災害風險區劃結果較為合理。

圖3 石坎河流域山洪災害風險區劃結果Fig.3 Risk zoning map of flash flood disaster in ShiKan River basin

石坎河流域山洪災害風險區劃結果顯示流域內中下游地區和沿河200 m范圍內風險等級較高，主要原因是地勢較低，平緩開闊，土地利用類型以耕地為主，人口密度較大，易遭受山洪災害風險。河流上游地區風險等級較低，主要原因是地勢陡峭，人口分布稀疏，植被保護較好。結合該流域實際地理條件分析，說明該山洪災害風險區劃結果與實際情況較吻合。

以上結論說明集成GIS-AHP方法是無資料小流域評價山洪災害風險有效且快速的方法，在今后工作中可構建水文水力模型與GIS結合的耦合模型，實時動態的模擬洪水演進過程。

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致謝：感謝廣東省水文局廣州水文分局清遠市山洪災害防治項目組成員對本文的大力支持。

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