基于GIS和FloodArea水動力模型的重慶市山洪災害風險區劃

劉曉冉, 康 俊, 王 穎, 李永華

(重慶市氣候中心, 重慶 401147)

山洪是山區小流域由降水引發的突發性、暴漲暴落的地表徑流，山洪災害多為短歷時強降雨造成，具有來勢猛、成災快、破壞力強等特點[1-3]。重慶市山丘廣布，類型復雜，地形崎嶇，高差懸殊，河流縱橫，切割強烈，這種地貌有利于山洪災害的發展和形成[4]，尤其是夏季受南亞夏季風和東亞夏季風的共同影響，雨量充沛，暴雨頻繁，暴雨區域范圍廣、強度大、發生頻率高[5-6]，暴雨是造成山洪災害的根源[4]。近年來，隨著經濟的發展和城市化進程的加快，山丘區開發建設活動日益頻繁，森林破壞，土地退化，水土流失嚴重，縮短了雨水產生徑流的時間，河道、水庫、塘、堰等因泥沙淤積降低了蓄洪滯洪功能，加劇了山洪災害[4]。重慶市特殊的氣候條件、地理環境和人為因素，使之成為山洪災害的頻發區和重災區。重慶市山洪災害幾乎年年發生，因山洪誘發的各種災害較多，造成的直接經濟損失和人員傷亡較重[7]。全市范圍均屬于山洪災害防治區，重點防治區所占比例高達40%，是制約當地經濟社會發展的重要因素之一[8]。山洪災害風險區劃是根據研究區域山洪危險性特征，并參考區域災害承受能力及社會經濟狀況，把研究區域劃分為不同風險等級的區域，對于防災減災決策和管理具有重要意義[9-10]。根據自然災害風險評估理論，一般從致災因子危險性、孕災環境脆弱性、承災體暴露性和防災減災能力等方法進行量化分析[11]。隨著GIS技術的發展，近年來不少學者將山洪災害風險評估與GIS技術相結合，從危險性評價和易損性評價兩個方面選擇因子，開展了福建閩江上游、清遠市瑤安小流域、呂梁地區小流域、曹江上游小流域等小流域區域[12-15]，以及黃山風景區、海南島、河南省、遼寧省等大范圍地區[16-19]的山洪災害風險評估與區劃研究。另一方面，不少工作將GIS與水動力模型相結合應用于洪水淹沒模擬研究，FloodArea模型是由德國Geomer公司開發的洪水淹沒模型，主要基于水動力原理模擬洪水淹沒范圍和淹沒深度[20]。Gemmer[21]通過FloodArea水動力淹沒模型發展編制流域風險圖技術，國內一些學者[22-27]利用FloodArea模型通過模擬大通河流域、淠河流域以及云南、西藏東南部、新疆尼勒克縣等不同地區山洪個例來推算致災臨界面雨量，這成為確定山洪致災臨界面雨量的新方法。FloodArea模型的優勢在于既考慮水動力原理又不需要歷史觀測水文資料，很好地解決了以往水文數據缺乏的問題。由于重慶市大部山洪溝沒有水文站，缺乏逐時的淹沒水深數據，利用FloodArea模型來確定山洪致災臨界面雨量較為適宜。周杰等[28]利用FloodArea模型模擬了重慶市清江河流域山洪致災臨界面雨量，取得比較好的效果。本文結合自然災害風險評估理論和FloodArea水動力模型淹沒模擬，綜合考慮影響山洪災害風險的主要因子和具體指標，建立重慶市山洪災害風險評估模型，開展山洪災害風險評估與區劃，這對于政府部門山洪災害防災減災具有一定的科學指導意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

(1) 氣象數據為重慶市氣象信息與技術保障中心提供重慶市范圍內34個國家氣象站1981—2015年氣象資料年報表數據及2005—2015年逐小時降水資料。

(2) 地理信息數據包括美國NASA網站(https:∥www.nasa.gov/)下載的STRM1∶5萬的DEM數據和1∶25萬植被指數NDVI，以及清華大學2010年土地利用矢量數據中1∶25萬土地覆蓋類型數據。

(3) 社會經濟數據包括分辨率為1 km×1 km的重慶市各區縣人口、GDP等經濟社會資料，來源于國家綜合地球觀測數據共享平臺(http:∥www.chinageoss.org/dsp/home/index.jsp)。

(4) 地形坡度、河網密度和臨河距離通過DEM數據處理得到。

(5) 山洪災害資料來自重慶市氣象臺災情直報系統1981—2018年災情數據。

1.2 重現期計算和雨型分析

基于重慶市34個國家氣象站1981—2015年24 h最大降水量資料，采用廣義極值分布函數進行擬合，計算不同重現期降水的空間分布?；?005—2015年逐小時降水資料，滑動選取最大4場不重合的降水，記錄每場降水逐小時降水量，計算每小時降水占該場總降水的百分率，最后對多場降水進行平均，得到1～24 h逐時的降水平均雨型分布。

1.3 FloodArea模型

FloodArea模型是由德國Geomer公司開發的基于GIS柵格數據構建的二維非恒定流的水文動力學模型，被廣泛應用于洪水演進淹沒模擬、洪水動態風險評估等，國內的應用表明了其在不同地區山洪淹沒模擬具有比較好的適用性[22-28]。FloodArea模型用Manning-Stricker公式計算每個柵格單元與周圍8個單元間的洪水流量，相鄰單元的水流寬度被認為是相等的，位于對角線的單元以不同的長度算法來計算，坡度由單元最低水位和最高高程差異決定，水流方向由柵格間坡度決定，水流的淹沒深度為淹沒水位高程和地面高程間的差值[20]。

1.4 災害風險評估方法

1.4.1 災害風險評估原理 災害風險評估是基于定量的角度對災害發生的形式和強度予以評估，一般考慮致災因子危險性(D)、孕災環境脆弱性(V)、承災體暴露性(E)和防災減災能力(P)4個主要評估因子，每個因子包含一系列指標。

1.4.2 指標歸一化 自然災害風險評估及區劃評估參數不同，每個評估因子包含了若干指標，由于各個指標具有不同的量綱和不同的數量級，無法直接進行比較。為了使得各個指標間具有可比性，必須對每個具體指標做歸一化處理，從而使每個指標數值分布在[0,1]區間范圍內。

(1)

式中：Dij——第j個因子第i個指標值的歸一化值；Aij——第j個因子第i個指標值； mini——第i個指標值中的最小值； maxi——第i個指標值中的最大值。

1.4.3 加權綜合評價法 加權綜合評價法是災害風險綜合評估的常用方法，主要是依據每個評估因子對總目標的影響程度，預先分配一個相應的權重系數，然后再與該評估因子相應各指標的量化值相乘后再相加。具體公式為：

(2)

式中：Vj——第j個因子的總值；Wi——第i個指標的權重；n——評價指標個數。

1.4.4 自然斷點分級法 自然斷點分級法是用統計公式來確定屬性值的自然聚類，其功能是減少同一級中的差異、增加級間的差異。計算公式為：

(3)

式中：A——一個數組長度為k的數組，meani-j——每個等級中的平均值。

1.4.5 專家打分法 專家打分法，也稱德爾菲法(Delphi)，是通過匿名方式征詢有關專家的意見，對專家意見進行統計、處理和歸納，綜合多數專家經驗與主觀判斷，對大量難以采用技術方法進行定量分析的因子做出合理估算，經過多輪意見征詢、反饋和調整后，來確定各因子的權重系數。該方法與層次分析法(AHP)、聚類及組合權重法等傳統的指標權重確定方法相比，雖存在一定的主觀因素，但能較好地反映實際情況下各致災因子在災害形成過程的作用。

2 山洪災害風險分析

2.1 指標體系構建

根據自然災害風險評估理論和指標體系的構建原則，結合影響重慶市發生山洪災害的因素，從致災因子、孕災環境、承災體和防災減災能力4個方面考慮評估因子，在各指標選取上參考了前人的研究工作，致災因子危險性指標主要考慮反映山洪頻次的災害頻次和反映山洪強度的模擬淹沒水深，孕災環境脆弱性主要考慮地形坡度、河網密度和臨河距離，承災體暴露性主要考慮人口密度、經濟密度和耕地比例，防災減災能力主要考慮人均GDP和植被指數，選取了10個指標進行山洪災害風險分析，并通過專家打分法確定各評價因子及其指標的權重系數，構建重慶市山洪災害風險評估指標體系(圖1)。最后利用加權綜合評價法得到綜合山洪災害風險指數，對山洪災害風險進行評估。

圖1 山洪災害風險評估指標體系及指標權重

2.2 致災因子危險性

致災因子危險性指形成山洪災害的自然變異因素及其異常程度。一般來說，山洪致災因子危險性越高，山洪災害的風險也就越大。這里山洪災害致災因子主要考慮山洪災害頻次和FloodArea模型模擬100 a重現期24 h最大降水量的淹沒水深。

2.2.1 山洪災害頻次 重慶市山洪災害頻次分布圖(圖2)表明，重慶東北部的巫溪、西南部的江津、東南部的酉陽和西北部的合川為高發區，頻次每年在2.2次以上，重慶西部的銅梁、璧山及主城沙坪壩山洪災害發生頻次較低，每年在1.1次以下。

圖2 重慶市1981-2014年山洪災害頻次分布

2.2.2 FloodArea模擬淹沒水深 圖3為采用廣義極值分布函數擬合的重慶市100 a重現期最大降水量的空間分布，重慶市有3個高值中心，分別位于東北部的梁平和開州、西部的銅梁和璧山以及東南部的彭水，均在300 mm以上，最大值位于開州，達339.9 mm。低值區位于在西南部的巴南、涪陵、南川、綦江地區，均在150 mm以下。

圖3 廣義極值分布函數擬合的重慶市100 a重現期24 h最大降水量分布

根據24 h雨型分布和100 a重現期最大降水量計算得到24 h逐時降水量，將其作為FloodArea水動力模型的輸入參數，模擬計算降水在地面產生的匯流情況，輸出逐小時的淹沒水深和范圍，并提取最大淹沒范圍和深度(圖4)，可以看出即使是100 a重現期的降水量，淹沒水深在河流山谷比較深。

圖4 FloodArea模擬重慶市100 a重現期24 h最大降水雨型的淹沒范圍和深度

2.2.3 致災因子危險性區劃 山洪頻率越高、模擬流域淹沒水深越深，山洪災害致災因子的危險性越高，山洪災害的風險也就越大。運用自然斷點分級法將致災因子危險性指數D劃分為低、次低、中等、次高、高5個危險區，對應的D值依次為0.50～0.52，0.52～0.54，0.54～0.57，0.57～0.86，0.86～0.96，得出重慶市山洪災害致災因子危險性區劃圖(附圖6)，次高和高危險區主要分布在重慶東北部的巫溪、萬州、忠縣地區，西南部的江津、永川、綦江，東南部的酉陽、彭水，西北部的合川以及中部的涪陵，其中合川和江津大部地區為高危險區。

2.3 孕災環境脆弱性

孕災環境脆弱性是指衡量自然環境發生災害可能性大小的因子，是地貌、水文等各種自然因素和社會經濟因素對山洪災害影響的敏感度和適應能力的綜合反映。在同等致災強度下，孕災環境脆弱性高低具有放大或者縮小災情的作用。因此，孕災環境脆弱性越高，山洪災害風險也越大。根據自然環境對山洪災害的影響能力，并結合重慶市的孕災環境，主要選取地形坡度、河網密度和臨河距離作為孕災環境脆弱性評價指標。在地心引力作用下，地表徑流向低洼地區匯聚，因此地形坡度越大，越容易發生山洪。河網密度是流域結構性特征的重要指標，反映了流域地形切割程度，決定了該流域承受山洪能力的強弱。河網密度越高，臨河距離越近，產生山洪災害的危險性越大。運用GIS空間分析功能，并利用自然斷點分級法將孕災環境脆弱性指數V劃分為5個脆弱區，依次為低、次低、中等、次高、高5個脆弱區，對應的V值依次為0.25～0.40，0.40～0.44，0.44～0.47，0.47～0.50，0.50～0.67，得到重慶市山洪災害孕災環境脆弱性區劃圖(附圖7)，可以明顯看出，長江、嘉陵江沿江河谷地帶的環境脆弱性高，重慶中西部其余廣大地區環境脆弱性次高，而東北部城口、巫溪的環境脆弱性較低。

2.4 承災體暴露性

承災體暴露性是指可能受到山洪威脅的社會經濟和自然環境系統主體。一個地區暴露于山洪災害危險因素的價值密度越高，可能遭受的潛在損失也就越大，風險也越高。根據重慶市社會經濟和農業條件，選取人口密度、經濟密度和耕地比例作為承災體暴露性評估指標。人口密度、經濟密度和耕地比例分別為區域內人口總數、國內生產總值和耕地面積與區域總面積之比，人口密度、經濟密度和耕地比例越高的地區，可能遭受的損失越大，暴露性越高。運用GIS空間分析功能，承災體暴露性E依據自然斷點分級法劃分為5個脆弱性等級，依次為低、次低、中等、次高、高5個暴露區，對應的E值依次為0.50～0.52，0.52～0.57，0.57～0.63，0.63～0.74，0.74～0.92，得出重慶市山洪災害承災體暴露性區劃圖(附圖8)。重慶主城區、西南部的綦江、南川、武隆、涪陵地區，以及東北部的石柱、萬州、奉節、巫溪和城口的大部地區暴露性較高，為次高和高暴露區，尤其是重慶主城區、南川、武隆、涪陵、城口為高暴露區。重慶東南部的彭水、黔江、酉陽和秀山大部地區暴露性較低。

2.5 防災減災能力

防災減災能力是指受災風險區對山洪災害的抵御和恢復能力，是通過采取工程和非工程性措施來抵御和應對山洪災害所造成損失和破壞的能力，與地方經濟發展水平呈正相關。這里主要考慮人均GDP和植被指數作為防災減災能力的體現。人均GDP越高經濟越發達地區，防災減災的工程和非工程性措數量相對越多，山洪抗災能力相對較強。植被指數越高，覆蓋越高越廣，涵養水源的能效越強。

基于GIS空間分析功能，利用自然斷點分級法防災減災能力P劃分為5個能力區，分別為低、次低、中等、次高、高5個防災減災能力區，對應的P值依次為0.50～0.63，0.63～0.67，0.67～0.70，0.70～0.75，0.75～0.94，得到重慶市山洪災害防災減災能力區劃圖(附圖9)。重慶主城區周邊大部地區的防災減災能力為次高和高能力區，而重慶東北部和東南部大部地區為低防災減災能力區。

3 山洪災害風險綜合評估

在定量分析致災因子危險性、孕災環境脆弱性、承災體暴露性和防災減災能力的基礎上，根據山洪災害風險評估模型綜合風險C值，運用GIS軟件并結合自然斷點分級法將山洪災害風險區劃分為低、次低、中等、次高、高5個風險等級區，依次為0.39～0.47，0.47～0.48，0.48～0.49，0.49～0.50，0.50～0.61，得出重慶市山洪災害綜合風險等級區劃圖(附圖10)。重慶東南部、東北部和西南部大部地區的山洪災害風險性較高，為次高和高風險區，尤其是重慶東北部的巫溪、東南部酉陽和彭水、西南部的江津以及西北部的合川為山洪災害高風險區。而重慶西部的潼南、銅梁、榮昌、璧山，中部偏北的墊江、梁平大部分地區為低風險性區。

利用重慶市氣象臺災情直報系統2015—2018年汛期期間的災情信息，對山洪發生情況進行統計(表1)，近4 a來的山洪災害發生的地點包括巫溪(2次)、城口、忠縣(2次)、豐都及武隆，主要分布于重慶的東北部和東南部，與山洪災害綜合風險評估結果的高風險區較為一致，印證了山洪風險區劃的合理性。

表1 重慶市2015-2018年災情直報系統山洪災害統計結果

4 結 論

(1) 重慶市山洪災害致災因子危險性在合川和江津大部地區為高危險區。

(2) 山洪災害孕災環境脆弱性的高脆弱區主要位于長江、嘉陵江沿江河谷地帶，而重慶東北部城口、巫溪的環境脆弱性較低。

(3) 山洪災害承災體暴露性在重慶主城區、南川、武隆、涪陵、城口為高暴露區，東南部的彭水、黔江、酉陽和秀山大部地區暴露性較低。

(4) 山洪災害防災減災能力在重慶主城區及涪陵、萬州城區周邊為次高和高能力區，而東北部和東南部大部地區為低防災減災能力區。

(5) 總體評估而言，重慶市山洪災害風險高風險區主要位于重慶東北部的巫溪、東南部的酉陽和彭水、西南部的江津以及西北部的合川。而重慶西部的潼南、銅梁、榮昌、璧山，中部偏北的墊江、梁平大部分地區為低風險性區。