基于GIS的漢江上游安康市洪水災害風險評價

石曉靜++查小春++郭永強++石彬楠

摘要：位于漢江上游秦巴山區的安康市，歷來洪水災害頻發且洪災損失嚴重。本研究根據洪水災害系統理論，基于GIS和層次分析法（AHP），從形成洪水災害的危險性和易損性兩方面出發，對安康市的洪水災害風險進行了評價。在洪災評價過程中，選取安康市近50年降水量、降水變率以及地形高程、坡度、水系等自然因素指標進行洪災危險性評價，選取安康市人口密度、GDP密度、單位面積年糧食產量等經濟因素指標進行洪災易損性評價。首先通過層次分析法確定各評價指標權重，然后運用ArcGIS的地圖代數功能對安康市洪水災害危險性和易損性進行疊加分析，得到了安康市洪水災害風險評價結果。結果表明：安康市洪水災害風險主要集中在漢江沿岸，且以河流干流為中心逐漸向兩邊支流遞減。該評價結果與安康市2010年“7.18”洪水受災情況基本一致，說明該評價方法可行。本研究結果可為安康市制定合理的防洪減災規劃，減輕洪災損失，提供重要的科學依據。

關鍵詞：安康市；漢江上游；洪水災害；風險評價；GIS；層次分析法

中圖分類號：S422文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2017）06-0088-07

AbstractThe flood disaster has occurred frequently with serious losses in Ankang City， which locates in Qinba mountain areas in the upper reaches of Hanjiang River. According to the theory of flood disaster system， based on GIS and AHP， the flood disaster risk assessment on Ankang City was studied from the hazard and vulnerability of flood disaster. The natural factor indexes， including annual rainfall and precipitation variability in nearly 50 years， terrain elevation， slope and water system of Ankang City， were considered to analyze the flood hazard. The economic indicators， such as population density， GDP density and annual grain output per unit area， were selected to analyze the flood vulnerability. Then the AHP method was used to compute the weights of evaluation indexes，and the grid of ArcGIS was used to overlay the hazard and vulnerability of flood disaster. The results of flood disaster risk assessment for Ankang City was obtained. The results showed that the flood disaster risk of Ankang City concentrated mainly along the Hanjiang River， and decreased generally from the main stream to the branches. The results were in consistent with the “7.18” flood events in 2010， which showed the feasibility of the evaluation method. Meanwhile， the results could provide an important scientific basis for the reasonable flood control and disaster mitigation planning for Ankang City.

KeywordsAnkang city； Upper reaches of Hanjiang River； Flood disaster； Risk assessment；GIS； AHP

洪水災害是全球許多國家共同面臨的問題[1]。我國是世界上洪水災害發生頻繁且損失十分嚴重的國家之一。頻繁發生的洪水災害不僅造成嚴重的經濟損失，而且帶給人們巨大的精神恐慌，嚴重影響社會的健康穩定發展[2]。面對如此嚴重的洪水災害，修建水庫等工程措施與洪災風險評價為主的非工程措施相結合成為防洪減災行之有效的主要手段，但是由于人類活動的加劇，洪水災害造成的風險依然存在，其造成的損失呈上升趨勢，所以開展非工程措施的洪水災害風險評價顯得尤為重要。它可以指導防洪工程的建設，以更加有效地防洪減災，從而最大限度地降低洪災損失，已逐漸成為國內外學者關注的焦點[3，4]。目前，國內外學者對洪災風險的評價已做了許多研究。例如何報寅[5，6]、陳華麗[7]等采用因子疊加分析得出湖北省洪水災害綜合風險評價圖；王建華[8]采用模糊綜合評判法構建洪水災害風險評價模型；Anselmo等[9]通過建立水文水動力學模型對洪水災害進行了風險評價；劉家福等[10]將GIS與AHP集成方法相結合，得到了洪水災害綜合風險評價圖；張會等[11]利用GIS技術評估了遼河中下游的洪災風險，并繪制了洪水災害風險區劃圖。其中，借助GIS方法，從洪水災害危險性和易損性兩方面選取評價指標建立指標體系的評價方法比較成熟，并廣泛應用于洪災風險評價之中，而且與實際情況相比，具有較高的參考價值。

位于秦巴山區漢江上游的安康市，每年汛期期間，由于太平洋副熱帶高壓發展強盛，加上西南低渦及強臺風影響，在其特殊的地形地貌條件下，很容易引起暴雨等強降雨過程，為洪水的發生提供了充足的水源。河流水量增加，水位升高，使河流兩岸地勢平坦的區域面臨淹沒的困境，從而形成洪水災害[12]。例如1983年7月、2005年10月和2010年7月等出現的大洪水，均給安康市帶來巨大的人員傷亡和經濟損失[13-15]。而且根據曹麗娟等[16]開展的未來氣候變化對黃河和長江流域極端徑流影響的預估研究發現，未來漢江流域發生洪水的可能性將增大。因此隨著全球氣候異常多變引起的極端降水事件增多，以及近些年來城市化進程的加快，對漢江上游安康市進行洪水災害風險評價，有助于安康市科學制定防洪減災規劃，最大限度地減輕洪災損失，促進社會的健康穩定可持續發展和水資源合理規劃利用。

本文基于洪水災害系統理論，遵循科學性、合理性、可操作性的原則，從洪災形成的致災因子、孕災環境和承載體等三個方面選取評價指標，運用層次分析法（AHP）和ArcGIS相結合的方法，對安康市進行洪水災害風險評價，以期為安康市防洪減災提供決策依據。

1研究區域概況

安康市位于陜西省最南部，下轄漢濱區及旬陽、石泉、平利、紫陽、嵐皋、寧陜、鎮坪、漢陰、白河縣等1區9縣（圖1）。地處秦嶺和大巴山的中間位置，漢江上游由西向東由石泉入境，經過白河后流入湖北省。地勢中間低，南北兩側高，構成“兩山夾一江”的自然地貌景觀。地形以山地、丘陵為主，地勢起伏較大。氣候受大巴山和秦嶺制約明顯，屬于亞熱帶大陸性季風氣候，同時位于秦嶺以南，處于南北氣候的過渡地帶，具有北亞熱帶和暖溫帶的氣候特征。降水主要集中在夏季，雨量充沛，而且受特殊的環流形勢影響，多連續性降水或暴雨，降水時空分布不均且降水變率大[12，17，18]。安康市境內河流均屬漢江水系，主要河流有漢江、月河、旬河、任河、嵐河、黃洋河、蜀河等，河網密布，水系發達。復雜的地形地貌特征、大氣環流狀況及網狀水系，使得安康市易出現暴雨洪水。

據歷史文獻記載[19]，從公元180年以來，安康共發生較大洪水51次，其中特大洪水13次，屬于洪災多發區。例如1983年安康大洪水，使全省48個縣不同程度地受災，受災農田117.5萬公頃，受災人口764.3萬人，倒塌房屋283 490間，全年經濟損失達151 278萬元，使安康老城區基本被毀，嚴重影響安康市經濟社會的發展和人們生活的穩定[13]。

當前安康市是國內重要的交通樞紐之一，優越的地理位置促進了安康經濟的快速發展。近些年來，安康市正在利用其資源和區位優勢發展多種產業。因此，對安康市進行洪水風險評價對其可持續發展具有重要的意義。

2數據來源與研究方法

2.1數據來源

安康市1960—2009年降水數據由安康市氣象局提供，高程和坡度數據取自SRTM-3 DEM，人口密度、GDP密度、單位面積糧食產量、耕地面積等數據來自《陜西省2010年區域統計年鑒》[20]。

2.2研究方法

2.2.1評價指標體系的建立洪水災害系統是致災因子、孕災環境和承載體三者相互聯系、相互作用構成的復雜系統，它構成了洪水災害風險評價的理論基礎[21，22]。本研究即依據洪水災害系統理論，從致災因子、孕災環境和承載體三方面出發，將安康市洪水災害風險評價分為洪水災害危險性評價和洪水災害易損性評價兩部分。洪災危險性評價主要從致災因子和孕災環境兩方面分析，致災因子選取降水量和降水變率作為評價指標，孕災環境主要選取地形和水系指標；洪災易損性評價主要從社會因素分析洪水災害造成的承載體的受災情況，采用與人類生活密切相關的人口密度、GDP密度、單位面積年糧食產量等指標。據此，根據安康市近幾年洪水災害情況，遵循數據的客觀性、可獲取性等原則，建立了安康市洪水災害風險評價的指標體系。

2.2.2層次分析法確定權重層次分析法（AHP）是一種通過對評價指標進行兩兩比較，構造判斷矩陣，并對判斷矩陣進行一致性檢驗，進而對評價指標實現定性和定量分析的方法[8]。通過具體的數學計算，可確定各評價指標對洪水災害風險影響的重要程度，即權重。這種方法計算簡單且有數學依據，適用于區域洪水災害風險評價中指標權重的計算，具有較大的合理性。本研究參照相關文獻[8， 23，24]，結合1983、2005、2010年安康市洪水災害情況，并請相關專家對評價指標賦值，建立了判斷矩陣，然后求解判斷矩陣的最大特征值和對應的特征向量，最后通過一致性檢驗（CR<0.1），得到評價指標降水、地形和水系的權重分別為：W1=0.2199，W2=0.2721，W3=0.5080。

2.2.3因子疊加ArcGIS具有強大的空間分析功能，本研究利用這一優勢，在ArcGIS 10.0軟件中，運用空間分析工具的地圖代數功能，根據指標權重值對安康市洪水災害危險性和易損性進行疊加，得到安康市洪水災害風險綜合評價結果。對安康市洪水災害風險評價運用如下公式[ 25]：

3洪水災害風險評價

3.1洪水災害危險性評價

洪水災害危險性評價主要分析致災因子和孕災環境各因素對造成洪災危險性概率的大小，主要包括降水量、地形、水系等自然因素。

3.1.1降水量對洪水災害危險性的影響安康市降水量具有年際變化大、空間分布不均的明顯變化特征，這是造成安康市洪水災害的重要原因之一。本研究綜合分析了安康市1960年至2009年近50年的降水量和降水變率，并根據降水量越大、降水變率越大對洪災危險性影響度越高的原則[25，26]，賦予綜合降水因子對洪災危險性的影響度（表1）。在ArcGIS 10.0軟件中，利用ArcMap的反距離權重插值法（簡稱為IDW）對降水量及降水變率數值進行空間插值，得到安康市10個站點近50年降水量和降水變率兩個插值圖層，再利用Combine函數疊加這兩個圖層，并根據表1賦予其所屬級別的影響度，得到綜合降水影響因子圖（圖 2）。

由圖2 知，降水因子影響度在紫陽縣和鎮坪縣出現高值，其次為石泉縣、嵐皋縣，其原因在于這些地區處于西南暖濕氣流的迎風區，加上地形的影響，出現多個暴雨中心；而旬陽縣由于暖濕氣流的移動，降水量減少，影響度出現低值。

3.1.2地形對洪水災害危險性的影響地形高程和坡度影響洪水淹沒范圍。安康市南北秦嶺和大巴山區地勢高，而中部漢江沿岸谷地地勢較低，洪災威脅性大。即地勢越低，地勢起伏越小，發生洪水災害的可能性越大。地形高程采用SRTM-3 DEM 數據，坡度采用相對標準差來反映。根據絕對高程越低、相對高程標準差越小對洪災危險性影響度越高的原則[25，26]，賦予綜合地形因子對洪災危險性的影響度（表2）。利用ArcMap軟件疊加DEM和高程標準差柵格圖，得到綜合地形影響因子圖（圖3）。由圖3 知，地形因子影響度高值主要分布在漢濱區中部盆地，其次為漢陰、旬陽、白河等地，這是由于這些地區位于漢江兩岸河谷地區，地形平坦且地勢起伏度小。

3.1.3水系對洪水災害危險性的影響水系的分布在很大程度上決定了安康市受洪災影響的危險程度。安康市各支流呈網狀分布在漢江南北兩岸的山地和丘陵地帶，組成了安康市的河流水系網[27]。在汛期暴雨時節，支流水量快速地向干流匯集，導致水位迅速升高，再加上低洼地區排水不暢，易造成洪災。根據河流等級越高、水量越大影響范圍越廣的原則，把研究區劃定為一、二級緩沖區。地形平坦的干流及一級支流河段，緩沖區寬；二級及其他支流等地勢陡的河段，緩沖區窄，并賦予各級河流合理的緩沖區寬度[26，28]。在ArcGIS 10.0軟件中，運用Buffer功能將提取的河流矢量圖按不同的干支流、不同的地形高程做出不同級別的緩沖區（表3）；然后依據距河流越近對洪災的危險性影響度越高的原則[25，26]，賦予河流各級緩沖區影響度：一級緩沖區為0.9，二級緩沖區為0.8，非緩沖區為0.5，進而得到綜合水系影響因子圖（圖4）。結合圖4 知，緩沖區寬度在地勢較低的漢江干流及一級支流處最寬，并依次向兩邊遞減，水系因子的危險性影響度以河流干流為中心逐漸向兩邊遞減。

3.1.4洪水災害危險性綜合評價在ArcGIS 10.0軟件中利用地圖代數功能的柵格計算器，將綜合降水影響因子插值圖層、綜合地形影響因子柵格圖層和綜合水系影響因子圖層根據各指標權重進行疊加，得到洪災危險性影響的綜合評價結果。各影響因子對洪水災害危險性影響的疊加公式如下：

式中，H為洪災危險性影響度，P為綜合降水因子影響度，M為綜合地形因子影響度，N為綜合水系因子影響度。

安康市洪水災害危險性評價結果 （圖5） 表明，洪災危險性等級整體上按照河流沿線分布，以干流為中心向兩邊遞減，即離干流越近，危險性越高。由于漢江干流沿岸地勢平坦，處于河流的一級緩沖區內，隨著城市化水平的提高，人類活動逐漸加劇，改變了下墊面等孕災環境，不透水面積增加，在降水量多的情況下，地勢平坦的地區容易積水且難以排出，因此洪災危險性最高。漢江干流及其支流的二級緩沖區洪水災害危險等級次之；安康市西北部和東南部由于山地多，地勢起伏較大，孕災環境較穩定，洪水災害危險性比較低。

3.2 洪水災害易損性評價

易損性評價主要是分析洪水災害對人民生命安全、經濟、農業等的影響程度，包括受災人口數、經濟損失、農作物減產等情況。隨著人類社會的發展，人類將從自然環境中獲取越來越多以創造更多的物質財富作為構成經濟效益的主體；而與此同時，自然也不同程度地反饋給了人類，如洪災造成的損失逐年增加。在同一洪水災害影響下，不同地區由于經濟發展等情況不同，遭受的損失也有差異。安康市經濟發展對農業依賴性高，同時安康市的石泉縣、紫陽縣、漢濱區、旬陽縣等幾個縣區均位于漢江及其支流邊上，洪災發生時不僅對當地糧食產量影響很大，而且也嚴重威脅當地的經濟發展和居民生命安全。根據安康市1983、2005、2010年洪災受損情況以及各縣區經濟發展狀況的差異性，選取了代表性的人口密度、GDP密度、單位面積年糧食產量等作為易損性的主要衡量指標。根據人口密度、GDP密度、單位面積年糧食產量越高，洪水災害易損性越高的原則，將其劃分為5個等級，并賦予相應的影響度（表4），在ArcGIS 10.0中得到各指標的影響度分布圖。為綜合評價安康市各縣區承載體的易損性，參照相關文獻[25，26]，運用ArcGIS 10.0的Grid模塊，將三項指標的影響度分布圖進行等權重疊加，得到洪水災害易損性綜合影響度分布圖（圖6）。由圖6知，漢濱區、漢陰、石泉等縣區人口密度、GDP密度、單位面積年糧食產量均高，易損性也高；紫陽縣、白河縣次之；嵐皋縣、平利縣處于中等易損性；旬陽縣、寧陜縣處于較低易損性；而鎮坪縣由于山地多，人口多分布在狹長的河流兩岸谷地區域，密度小，經濟較落后，處于低易損性。

3.3洪水災害風險綜合評價

洪水災害風險綜合評價是致災因子、孕災環境的危險性和承災體的易損性的疊加。由公式（1）得到安康市洪水災害風險評價等級圖（圖7）。

由圖7可知，安康市洪水災害高風險和較高風險主要集中在漢江干流，且逐漸向兩邊支流遞減，其原因是漢江干流沿岸地區，各支流匯聚，水量較大，尤其是汛期受副熱帶高壓和西南暖濕氣流影響，降水量較多且多暴雨，使水位較高；此外，該區域地勢低平，人口城鎮聚集，人類活動顯著，改變了下墊面環境，使河水匯集速度快且排水不暢，加劇了洪災的危險性；漢濱區經濟基礎雄厚，人口密度大，耕地面積廣，洪災造成的絕對經濟損失巨大，承災體的易損性高，因此洪災風險性高。漢江干流及其支流的二級緩沖區洪災風險等級次之，由于此處有河流流經，地勢較低，汛期降水量較多，為洪災提供了孕災環境和致災因子。安康市西北部和東南部由于山地多，地勢起伏大，孕災環境較穩定，洪災危險性低；居住的人口較少，經濟發展較落后，易損性較低，因此洪災風險等級比較低。因此，漢江干流沿岸等洪災風險比較高的區域，政府等相關部門應進一步增加投入，完善洪災預警系統，提高堤防等防洪工程的建設標準，加強洪水災害風險管理工作，提高災后恢復能力。

4驗證

2010年7月漢江上游發生嚴重的洪水災害事件，使安康市遭受了1983年洪災之后最嚴重的一次特大洪災。據統計，這次洪災主要分布在漢江干流沿岸的漢濱區及漢陰、紫陽、旬陽、平利、嵐皋等縣區；受災人口65.31萬人，損壞房屋2.47萬間，作物受災面積達2.181萬公頃，造成直接經濟損失達17.7億元 [15]。將2010年安康洪水實際受災情況與安康市洪災風險綜合評價結果對比驗證，可以得出兩者具有較高的吻合度，說明基于GIS和AHP的評價方法可行性較高，可為安康市防洪減災部門制定宏觀決策提供科學依據。

5結論

本研究依據洪水災害系統理論，從引發洪水的致災因子、孕災環境和承載體三方面出發，分危險性和易損性兩部分評價了安康市的洪水災害風險。危險性評價結果表明，安康市洪水災害危險性等級高的地區主要分布在漢江干流沿線。該區域地勢平坦，人類活動顯著；處于河流一級緩沖區內，遇到暴雨時節河流匯集速度快，造成水位迅速升高，導致河流兩岸農田、建筑物等被淹沒。易損性評價結果表明，隨著經濟的發展，漢江沿岸地區人類活動增加，城鎮越來越密集，洪災造成的絕對經濟損失將越來越大，因此，承災體的易損性高。從洪水災害綜合風險評價結果來看，洪水災害高風險和較高風險區域主要集中在漢江上游干流兩岸，其洪水災害危險性和社會經濟易損性均高。而安康市西北部和東南部由于山地多，平地少，地勢起伏大，且不在河流緩沖區內，危險性低；而且經濟相對落后，易損性低，因此洪災風險等級也比較低。本研究結果與2010年安康市洪水受災情況基本吻合，說明該研究結果可為安康市制定合理的防洪減災預案、建設防洪工程等以減輕洪災損失提供科學依據。

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