基于GIS技術(shù)區(qū)域山洪災(zāi)害定量評估研究

張 巍

(遼寧省水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110003)

近些年來，區(qū)域山洪災(zāi)害呈現(xiàn)頻發(fā)多發(fā)態(tài)勢，山洪災(zāi)害具有突發(fā)性強、破壞力大的特點，是遼寧省乃至全國防汛的薄弱環(huán)節(jié)之一。從2013年開始，國家防汛指揮部開展實施全國山洪災(zāi)害防治項目[1]，項目實施方案中對區(qū)域山洪溝進行了詳細調(diào)查，包括影響區(qū)域內(nèi)人口、影響的行政區(qū)域面積以及區(qū)域內(nèi)的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，并制作了相關(guān)的空間數(shù)據(jù)圖層[2]。當(dāng)發(fā)生山洪災(zāi)情時，防汛部門需要對發(fā)生災(zāi)情的損失進行統(tǒng)計并對災(zāi)害的等級評估，傳統(tǒng)災(zāi)情損失統(tǒng)計方法主要依靠地方層層上報，災(zāi)情損失和災(zāi)害等級評估方法存在一定的主觀性[3]。從21世紀開始，隨著地理信息和計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展，地理信息技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用到洪水災(zāi)害風(fēng)險調(diào)查中[4- 9]，通過將洪水淹沒范圍同區(qū)域人口、行政區(qū)域以及社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)圖層進行空間疊加，確定洪水災(zāi)情損失。考慮到近些年山洪災(zāi)害發(fā)生的頻次和程度有所加劇，需要通過現(xiàn)代化手段對區(qū)域山洪災(zāi)害災(zāi)情和等級定量統(tǒng)計。本文結(jié)合GIS技術(shù)，以遼寧某山洪災(zāi)害區(qū)域為研究實例，對該區(qū)域山洪災(zāi)情損失和等級定量評估。

1 災(zāi)情損失等級評估方法

1.1 洪災(zāi)影響分析方法

洪水影響主要分析淹沒范圍內(nèi)不同淹沒水深下受到洪災(zāi)影響的區(qū)域面積、影響居民人數(shù)、受洪水淹沒的耕地面積、受洪災(zāi)影響的交通等基礎(chǔ)設(shè)施、受洪災(zāi)影響的GDP和行政村落等指標(biāo)。

(1)洪水影響人口指標(biāo)

人口數(shù)據(jù)通常以行政單元統(tǒng)計，對不同頻率下洪水淹沒范圍的影響人口分析，需要結(jié)合區(qū)域人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)對其洪水影響人口的空間分布特征，受影響人口的統(tǒng)計方程為：

Pe=P×Af/A

(1)

式中，P—區(qū)域總?cè)丝冢籄f—某一行政區(qū)域的受淹面積；A—行政區(qū)域總面積。在對受洪水影響人口統(tǒng)計后，可進一步推求與人口相關(guān)的財產(chǎn)損失指標(biāo)。

(2)受洪水影響的GDP指標(biāo)

對于受洪水影響的GDP值，主要結(jié)合不同洪水頻率下確定的洪水淹沒面積與其單位面積的GDP值的乘積確定受洪水影響下的GDP指標(biāo)。

(3)受洪水影響的耕地及居民地面積指標(biāo)

將淹沒范圍、行政區(qū)劃、耕地分布以及居民地分布四個圖層，應(yīng)用地理信息的疊加功能進行圖層疊加，確定不同洪水淹沒范圍下區(qū)域受影響的耕地面積以及居民地面積指標(biāo)。

(4)受洪水影響的交通道路指標(biāo)

結(jié)合地理信息技術(shù)，將道路矢量圖層和淹沒范圍圖層進行線面疊加分析，確定不同洪水淹沒范圍影響下的交通道路指標(biāo)，指標(biāo)主要為受洪水影響的交通道路的長度。

1.2 洪災(zāi)損失分析方法

洪災(zāi)損失通常指受災(zāi)地區(qū)各種財產(chǎn)或耕作物的損失值與受災(zāi)前值或正常值之比，主要包括直接經(jīng)濟損失、間接經(jīng)濟損失和非經(jīng)濟損失3類。

(1)通過實地查勘以及水動力數(shù)學(xué)模擬的方式對不同頻率下洪水淹沒范圍、深度、以及洪水淹沒歷時等指標(biāo)確定；

(2)結(jié)合面積加權(quán)以及線性回歸方法對社會經(jīng)濟及地理信息空間數(shù)據(jù)進行空間屬性分析，建立具有空間信息的社會經(jīng)濟地理數(shù)據(jù)庫；

(3)結(jié)合不同頻率下洪水淹沒范圍，構(gòu)建社會經(jīng)濟地理空間分布特征的拓撲關(guān)系，空間疊加分析，對不同淹沒范圍下的社會經(jīng)濟損失進行空間分析。

(4)在不同的淹沒水深條件下，對受災(zāi)典型地區(qū)、典型單元、典型部門等分類，并作受災(zāi)損失統(tǒng)計，計算出各類財產(chǎn)損失率或繪制關(guān)系曲線。

(5)結(jié)合以下公式計算不同淹沒范圍下的洪水影響財產(chǎn)損失：

(2)

式中，Wij—評估單元在第j級水深的第i類財產(chǎn)的價值；η(i，j)—第i類財產(chǎn)在第j級水深條件下的損失率。

2 研究實例

2.1 研究區(qū)域概況

本文以遼寧東部某山洪區(qū)域為研究實例，該區(qū)域的降水量主要集中在夏季，多年平均降水量為1100mm，汛期降水量占總降水量的80%以上，汛期時山洪災(zāi)害發(fā)生的主要時期，近些年來，受臺風(fēng)氣候影響，遼寧東部的山洪災(zāi)害呈現(xiàn)多發(fā)頻發(fā)的態(tài)勢，為對可能發(fā)生的山洪災(zāi)害帶來的人員和財產(chǎn)損失進行定量評估，結(jié)合GIS技術(shù)，在區(qū)域洪水淹沒范圍的基礎(chǔ)上，疊加人口以、用地面積以及社會經(jīng)濟等數(shù)據(jù)，定量評估不同等級洪水災(zāi)害的損失。

2.2 網(wǎng)格剖分

采用非結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格對建模區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格設(shè)計成大小不等的三角形，使網(wǎng)格的大小隨地形地勢和阻水建筑物的分布靈活確定，而且盡可能地將影響水流的阻水建筑物作為網(wǎng)格邊界，充分反映計算域的特征。必要時對區(qū)域內(nèi)的一些典型的線性阻水建筑物，如堤防、公路等，經(jīng)合理概化，并對網(wǎng)格適當(dāng)加密，最大網(wǎng)格面積不超過3km2，共剖分網(wǎng)格7612個。

2.3 洪水淹沒范圍分析

結(jié)合水動力學(xué)模型對區(qū)域不同等級洪水淹沒范圍進行評估，各等級洪水淹沒范圍評估結(jié)果如圖2所示。

從圖中可看出，流域淹沒范圍和區(qū)域山洪災(zāi)害發(fā)生等級總體影響程度不高，這主要是和流域地形有關(guān)，地形較高的區(qū)域，受洪水淹沒影響程度較小，而區(qū)域?qū)儆诘匦蔚哪细弑钡同F(xiàn)象，因此北部區(qū)域淹沒范圍要高于南部區(qū)域，從各等級山洪淹沒范圍可看出，流域發(fā)生50年一遇的最大淹沒面積在20.38km2，各等級洪水淹沒的最大水深為3.5m，當(dāng)淹沒水深達到最大水深時，區(qū)域的淹沒面積達到最大，從圖中還可看出發(fā)生5年一遇洪水淹沒范圍也較大，這主要和區(qū)域主要的地形較為低洼有關(guān)，當(dāng)發(fā)生5年一遇洪水時，即發(fā)生淹沒區(qū)，但5年一遇淹沒影響的范圍和深度較小。

2.4 洪水損失影響分析結(jié)果

結(jié)合不同頻率淹沒范圍計算結(jié)果，對不同頻率下淹沒范圍內(nèi)的影響指標(biāo)進行統(tǒng)計，依次統(tǒng)計了研究流域不同淹沒區(qū)人口、受淹面積、受淹耕地面積、受洪災(zāi)影響交通道路長度、受洪災(zāi)影響的GDP。

(1)淹沒區(qū)人口

通過GIS技術(shù)，將淹沒范圍圖層(圖1)與研究區(qū)域的行政區(qū)圖層、居民地圖層進行相互的空間疊加分析，結(jié)合區(qū)域鄉(xiāng)村人口和城鎮(zhèn)人口數(shù)量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，即可得到區(qū)域不同等級山洪災(zāi)害下淹沒范圍內(nèi)的影響人口數(shù)量，結(jié)果見表1。

表1 研究區(qū)域不同頻率淹沒區(qū)人口數(shù)統(tǒng)計表 單位：人

圖1 不同重現(xiàn)期區(qū)域山洪淹沒范圍圖

從表中可以看出，隨著洪水頻率的遞增，其影響人口呈現(xiàn)明顯的遞增變化，對于研究區(qū)域而言，隨著洪水頻率的遞增，其影響人口的遞增率平均為15%，而當(dāng)發(fā)生不同頻率洪水時，對于0.5m以下范圍內(nèi)山洪災(zāi)害主要是對人員的出行產(chǎn)生一定的影響，而當(dāng)高于0.5m時，其淹沒范圍內(nèi)的人員安全將產(chǎn)生一定程度的影響，當(dāng)淹沒范圍在3.5以上時，其影響人口的數(shù)量將達到最大。

(2)淹沒面積

通過GIS技術(shù)，將淹沒范圍圖層與研究區(qū)域行政區(qū)圖層、區(qū)域耕地分布圖層進行空間疊加分析，即可得到對應(yīng)不同頻率洪水方案不同淹沒水深等級下的受淹面積及耕地面積等，結(jié)果見表2—3。

從表2—3中可看出，不同洪水等級下區(qū)域淹沒面積和耕地面積的比例變化較小，這主要是受到區(qū)域地形有關(guān)，區(qū)域周邊高，而中部區(qū)域的地勢較低，使得不同洪水等級下其淹沒范圍內(nèi)的受淹面積和耕地面積的變化比例較小，由于區(qū)域耕地面積所占比例較高，因此區(qū)域內(nèi)主要受影響的為耕地面積，而居民用地及其他用地面積影響比例較小。

表2 研究區(qū)域不同頻率山洪淹沒面積統(tǒng)計表 單位:km2

表3 研究區(qū)域不同頻率山洪耕地淹沒面積統(tǒng)計表 單位:km2

(3)淹沒區(qū)交通道路統(tǒng)計

道路在地理信息系統(tǒng)的矢量圖層上呈線狀分布，道路圖層內(nèi)包含道路名稱、長度、等級等屬性信息。將道路線圖層與區(qū)域不同頻率洪水的淹沒圖層進行空間疊加計算，可獲取不同頻率方案下的受淹道路長度信息。詳細數(shù)據(jù)見表4。

表4 區(qū)域不同頻率山洪影響交通道路統(tǒng)計表 單位:m

不同等級下山洪災(zāi)害影響的交通道路統(tǒng)計結(jié)果，從表中可看出，隨著洪水等級的遞增，區(qū)域洪水淹沒的道路長度呈現(xiàn)較為明顯的遞增變幅，不同淹沒水深下的淹沒道路長度的遞增率均值在10%以上，可見，洪水對交通道路的影響較大。當(dāng)區(qū)域淹沒水深在3.5m以上，區(qū)域淹沒的道路長度達到最大。

(4)淹沒區(qū)資產(chǎn)統(tǒng)計

結(jié)合區(qū)域不同行政單元內(nèi)的淹沒面積與區(qū)域內(nèi)單位面積的GDP值進行相乘來評估受山洪災(zāi)害影響的區(qū)域GDP值，其分析結(jié)果見表5。按照不同行政單元受淹面積與該流域內(nèi)單位面積上的GDP值相乘來計算受洪災(zāi)影響GDP。故受影響GDP與流域內(nèi)受淹面積直接相關(guān)。

表5 區(qū)域不同頻率山洪淹沒區(qū)資產(chǎn)統(tǒng)計 單位：萬元

從表中可以看出，當(dāng)研究區(qū)域發(fā)生大以及特大洪水時，區(qū)域受山洪災(zāi)害影響的GDP總值呈現(xiàn)較為明顯的遞增變化，其遞增幅度要高于5年和10年一遇的洪水影響GDP總值，從表中可看出，當(dāng)區(qū)域發(fā)生不同等級的山洪災(zāi)害下，區(qū)域3.5m范圍內(nèi)的GDP總值影響程度較小，而在3.5m以上區(qū)域其GDP總值影響程度達到最大，這主要和區(qū)域GDP總值的分布相關(guān)，在3.5m以上區(qū)域?qū)儆贕DP的高產(chǎn)值區(qū)域，而3.5m以下范圍內(nèi)屬于GDP的低產(chǎn)值區(qū)域，因此在3.5m以上區(qū)域其受不同等級洪水GDP總值影響程度達到最大。

2.5 洪水淹沒損失分析結(jié)果

在區(qū)域不同水深下的損失率確定的基礎(chǔ)上，對區(qū)域不同頻率洪水下不同等級水深下的洪水損失情況進行了估算，評估計算結(jié)果見表6—8。

表6 研究區(qū)域5年一遇洪水淹沒損失 單位：萬元

表7 研究區(qū)域10年一遇洪水淹沒損失 單位：萬元

表8 研究區(qū)域20年一遇洪水淹沒損失 單位：萬元

表9 研究區(qū)域50年一遇洪水淹沒損失 單位：萬元

從不同等級的洪水淹沒財產(chǎn)損失可以看出，區(qū)域受山洪災(zāi)害影響的財產(chǎn)損失具有較為一致的變化規(guī)律，各洪水頻率下區(qū)域的農(nóng)牧業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)受到洪水影響的程度最高，這主要是和區(qū)域的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有關(guān)，區(qū)域內(nèi)主要以農(nóng)牧業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)為主，因此區(qū)域這兩個產(chǎn)業(yè)的財產(chǎn)損失影響程度最高，在發(fā)生20年和50年一遇較大洪水后，農(nóng)牧業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)受影響變幅最大，相比于5年和10年一遇，其增加的變幅達到20%以上，當(dāng)淹沒范圍達到3.5m以上，其各項淹沒的財產(chǎn)損失將達到最大，最大值將達到1818.58萬元。從圖中還可看出，不同淹沒范圍內(nèi)的財產(chǎn)損失不同，這主要和區(qū)域不同淹沒范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分布有關(guān)，各淹沒范圍主產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)損失影響程度最大。

3 研究結(jié)論

(1)該評估方法體系可實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)災(zāi)害損失的定量評估，解決當(dāng)前災(zāi)情統(tǒng)計主要依靠地方上報，存在較大主觀性的局限，實現(xiàn)災(zāi)情損失的多途徑評估。

(2)該評估方法體系可實現(xiàn)不同洪水情景下的山洪影響程度評估，可為區(qū)域山洪防汛決策提供重要的依據(jù)，也可為山洪影響范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化布局、人口安置提供重要的規(guī)劃依據(jù)。

(3)本文主要考慮不同洪水頻率下的災(zāi)害損失影響，未能考慮山洪災(zāi)害不同洪水歷時其洪水淹沒范圍的災(zāi)害損失情況，在以后的研究中還應(yīng)重點考慮洪水歷時對區(qū)域災(zāi)情損失的影響。