基于自然災害系統理論的2020年鄱陽湖流域1號洪水災害分析

連悅辰，高 路,2,3*，馬苗苗，汪 瀾，林 暉

(1.福建師范大學濕潤亞熱帶生態地理過程教育部重點實驗室，福建 福州 350007；2.福建師范大學地理研究所，福建 福州 350007；3.福建省陸地災害監測評估工程技術研究中心，福建 福州 350007；4.中國水利水電科學研究院，北京 100038;5.水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心，北京 100038;6.福建省災害天氣重點實驗室，福建省氣象科學研究所，福建 福州 350007；7.中國氣象局上海臺風研究所，上海 200030)

洪水災害是指給人們的生命財產、社會功能、資源環境等造成損害和損失的洪澇事件。洪澇災害也稱為“水災”， 主要觸發因素包括降雨、融雪、風暴潮等[1]，被認為是“百害之首”。 洪澇災害深深影響著我們的生產和生活，是世界范圍內最嚴重的自然災害。據國際紅十字會與紅新月會對1990—2001年期間的世界災害的統計,除死亡人口外(干旱與饑荒居第一位),在發生次數、受災人口、直接經濟損失等方面,洪水災害在所有自然災害中占第一位[2]。進入21世紀以來，中國是世界上受洪澇災害影響最為嚴重的國家之一，洪澇災害在中國自然災害中出現的幾率最高、影響范圍最廣、造成損失最大。新中國成立以來，中國每年都受到不同程度和范圍的洪澇災害影響，年均受災面積達到3 000萬hm2，受災農作物和成災農作物面積占耕地面積的10%和5%，重災年份的直接經濟損失甚至超過1 000億元[1,3]。因此，從災害系統角度對洪澇災害形成機制及影響因素進行案例分析，有其重要的指導意義。

災害科學是揭示災害形成、發生與發展規律，建立災害評價體系，探究減輕災害途徑的一門綜合學科，災害科學的研究對象為災害系統[4]。災害系統由孕災環境、致災因子、承災體共同組成的地球表層系統[4]。區域災害系統(D)的結構體系(Ds)是由孕災環境(E)、致災因子(H)以及承災體(S)復合組成[5]。致災因子往往是自然環境中對人類造成不良影響的極端事件，是災害發生的起因[6]，影響致災因子的因素包括災害種類、強度、頻率、承載范圍等[7]，在災害研究中，通常把來自風險源的災害風險稱為危險性[8-10]，即致災因子危險性。孕災環境是指受災區域的綜合地理條件，它能放大或制約災害影響的嚴重程度，狹義上是指醞釀致災因子的環境系統，主要包括大氣環流、水文條件、地形地貌、植被條件等，這些背景因素通常被理解為孕災環境的敏感性[7,10-11]，即孕災環境敏感性(穩定性)。承災體則是指受災區域內的受災對象[6]，是遭受災害的實體，災害只有作用于承災體而造成損失，才能形成災害，而脆弱性(Vulnerability)是評價承災體的損失的指標[7,12-14]。孕災環境穩定性/敏感性(S)、致災因子風險性/危險性(R)和承災體脆弱性(V)共同構成了區域災害系統的功能體系(Df)[5]，災害風險是由孕災環境穩定性、致災因子危險性以及承災體脆弱性共同決定的[15-17]。因此，通過災害系統角度，從孕災環境穩定性/敏感性、致災因子風險性/危險性和承災體脆弱性(V)3個方面，是分析災害的重要方式。

洪澇災害往往誘發山體滑坡、泥石流、城市內澇、河堤坍塌等一系列次生災害的發生[6]。從災害系統角度看，洪災是由孕災環境(容易形成洪災的敏感性因素)、致災因子(降雨引起的洪峰)以及承災體(社會經濟要素)相互作用的結果，三大要素加上災情，即構成洪水災害系統[13]。

洪水災害的致災因子主要是指自然因素，即在一定區域內短時間發生了高強度不間斷的水源輸入，導致該區域內的水源輸入量減去輸出量仍遠大于該地區河流、湖泊以及蓄水工程所能容納的最大限度。水源的輸入可以是降雨，也可以是冰雪融水等[1]。而洪澇災害的孕災環境包括大氣環境、水文氣象環境和下墊面環境等[18]，其中以下墊面環境為主，如地形地貌、海拔高程、植被條件、河網條件等。承災體則是人類生活和生產發展的各方面，例如三次產業、公共服務設施、交通和通訊設施、資源環境以及大型工程設施等。洪澇災害帶來的損失(災情)可以分為經濟損失和非經濟損失，經濟損失主要是對生產生活、資源環境等造成的打擊。非經濟損失則是由于洪澇災害而引起的潛在損失和隱形損失等。

在鄱陽湖流域，由于其水系特征和特殊的自然環境，容易形成洪澇災害。葉許春等[19]利用時間序列分析法，對鄱陽湖流域五河水系干流河段主要水文測站的天然徑流進行研究，認為五河汛期來水是影響鄱陽湖洪水的重要因素，洪水的形成、發展過程還受到長江中上游洪水的控制，氣候因素是引起鄱陽湖流域徑流趨勢變化的主導因素。郭華等[20]利用鄱陽湖流域40多年來的實測流量數據，發現鄱陽湖流域的洪峰流量變化趨勢空間差異大，全流域一致呈現枯水流量增加的趨勢。也有不少研究發現，各河徑流量受到人類活動的影響程度不同[21-22]。王鳳等[22]通過1950—2002年鄱陽湖洪水災害與損失的統計資料，建立年最高洪水位與洪災損失的相關模型，運用概率統計的理論與方法，研究了鄱陽湖區洪澇災害與災害損失的統計規律。

本研究收集了鄱陽湖流域核心區地形、河流、承災體資料以及日降雨量數據，以2020年鄱陽湖流域1號洪水為案例，從災害系統的角度對洪澇災害進行分析，以期深化對洪澇災害孕災環境、致災因子以及承災體等各災害系統要素的認識，從而提煉總結出更適宜該區域的洪澇災害風險識別、風險研判以及風險防范的方法和措施，提高總體風險管理水平。

1 鄱陽湖洪澇災害系統分析

1.1 研究區概況

鄱陽湖位于江西省北部平原地區，是中國最大的淡水湖泊，是長江中下游極為重要的洪水調蓄區。鄱陽湖流域包括鄱陽湖核心區及周邊南昌、九江、上饒3市的15縣(市)區，是長江中下游五大平原之一，占地面積16.22萬km2，年平均流量1 450億m3，水量占長江流域15%，是中國重要的淡水資源庫[19]，屬于亞熱帶濕潤季風氣候。鄱陽湖流域河流眾多，主要包括贛江、撫河、信江、饒河、修河5條水系，匯入湖區，調蓄后湖口匯入長江，形成鄱陽湖水系[22]。受五大河和長江影響，每年4—6月全流域降水，五大河水量增大，鄱陽湖水位上漲；每年7—8月，長江又迎來洪水時期，水量激增同樣使得鄱陽湖水位升高[23]。鄱陽湖水系的特征使得鄱陽湖稱為天然的多洪災區域。

1.2 鄱陽湖2020年1號洪水

根據歷史資料統計1950—2005年的56年中，鄱陽湖流域經歷46次洪澇災害，平均5年4災，1998年導致工業經濟負增長，比1997年下降35%，直到2000年末，工業總產值仍未趕上1997年的水平[22]。2020年6月下旬以來，江西省大部分縣市遭遇暴雨，受強降雨及長江中上游來水影響，鄱陽湖湖口水文站7月6日2時漲至警戒水位19.5 m，依據相關規定，“鄱陽湖2020年第1號洪水”形成[24]。除了超高水位，星子站監測到的水勢上漲也異常迅速：僅6 d就從警戒水位19 m上升至22 m。而1998年，同樣的水位變化耗時34 d[25]。截至9月1日，洪澇災害共導致江西省903.7萬人受災，直接經濟損失344.3億元，受持續強降水影響，江西贛江、撫河、信江、饒河、修河五河及鄱陽湖一周內接連12次編號洪水。僅7月，江西省就有77次超警戒，其中16個站點超歷史。7月以來，673.3萬人受災，需緊急生活救助人口31.3萬人，農作物受災741.7千hm2、絕收191.7千hm2，房屋倒塌、嚴重和一般損壞6.08萬戶、12.19萬間，直接經濟損失313.3億元。與近5年同期相比，江西直接經濟損失偏多達802.4%[26]。

1.3 鄱陽湖流域孕災環境敏感性(穩定性)分析

通常用敏感性或穩定性來描述自然環境的孕災能力。鄱陽湖流域洪澇災害發生的孕災環境較為復雜，從氣候條件上看，洪澇災害往往容易發生在極端降水較強較多的區域。在中國，洪澇災害分布具有明顯的地域性，多發生于東部和江河流域周邊地區，包括華東地區、華中地區、華南地區以及東北地區[27]，長江中下游省份受洪澇災害影響的受災面積較大，且其余受災面積大的省份多位于400 mm等降水量線的東南部。陶詩言等[28]認為，長江中下游地區的洪澇災害往往與季風異常相關，具體表現為梅雨形成早、結束晚、梅雨期長、降水的時間和降水量異常增多，從而引發洪澇災害。張錄軍等[29]認為如果流域上下游因為氣候異常發生雨季重疊，就可能會造成上下游、南北岸各河流洪水在干流重疊，形成災難性的大洪水。也有研究認為長江中下游地區汛期降雨量的突增與厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)密切相關[30-31]。

除了降雨量的大幅增加，地形環境也是洪澇災害發生過程中不可忽視的孕災環境。因此在該案例分析中，孕災環境的分析主要以下墊面環境及水文環境為主，洪澇在高程和坡度均較小地區的發生頻率更高。鄱陽湖流域核心區坐落于江西省北部的平原，高程小、坡度平緩，農田、城市以及工業大規模分布于鄱陽湖流域核心區周邊，與鄱陽湖湖區主體的坡度和高程差異均較小。汛期來臨，湖區面積大范圍擴張，伴隨高強度降雨，贛江、撫河、信江、饒河、修河5條水系水量暴漲，匯入水量超出湖區所能承載的最大蓄水量，湖體淹沒了湖區的社會經濟系統，洪澇隨之發生。

首先獲取鄱陽湖流域的高程(DEM)數據，構建高程和坡度組合的地形位指數，即T=log[(E/E*+1)×(S/S*+1)][32]，T表示地形位指數，E及E*分別表示空間任一點的高程及該點所在區域的平均高程，S和S*分別表示空間內任一點的坡度值和該點所在區域的平均坡度值[32]，地形位對中間狀態的地形組合(高程大坡度小或高程小坡度大)能夠清晰體現。第二，根據2015—2019年汛期鄱陽湖流域的影像進行監督分類(遙感影像取自Landsat 8衛星)，劃定汛期鄱陽湖湖區的范圍，將5年監督分類的結果進行綜合，得到汛期鄱陽湖湖區，將鄱陽湖流域劃分為汛期鄱陽湖湖區和非湖區。計算鄱陽湖湖區的平均高程、平均地形位，使用非湖區的高程和地形位減去湖區的平均高程、平均地形位，結果為負的區域，表明其地勢低于汛期湖區的地勢(圖1)，當匯入水量超過湖區最大承載水量時，該區域遭遇洪澇災害的可能性較高。

a)高程

匯入鄱陽湖的贛江、撫河、信江、饒河、修河5條水系，在汛期水量猛增，單位時間降雨量大于單位時間河流的容納和運轉能力，徑流向周邊區域漫延，淹沒社會經濟系統，發生洪澇災害。因此，以河道為中心建立2、3、4 km的緩沖區，向外受洪澇災害影響程度逐漸減少。

已知特征空間表示第i個樣本特征，N是樣本總數；Cj表示屬于第j個類別的樣本的集合，k是類別總數，nj表示第j個類別中的樣本個數。RCA算法的目標是找到滿足式（4）的矩陣B。

將上述非湖區減去湖區平均高程和地形位的結果疊加水系2、3、4 km緩沖區，可綜合分析得到孕災環境的敏感性分布(圖2)，0代表最低的敏感性等級，即孕災環境穩定性較好，5代表最高的敏感性等級，即穩定性較差。在自然地形方面，南昌市較大范圍區域屬于洪澇災害高敏感性區域，包括贛江流經區域以及南昌市主城區，敏感性等級都在2～5之間(圖2)；上饒市高敏感性區域主要分布在饒河和信江流經的區域范圍以及靠近鄱陽湖湖區的部分區域；九江市的高敏感性區域主要集中于贛江流經區域。

圖2 鄱陽湖核心區敏感性等級分布

1.4 承災體脆弱性分析

承災體受災的程度，除了與致災因子強度有關外，還與自身的脆弱性息息相關。

洪澇災害損失與地區人口、經濟密集程度密切相關[33]。本研究收集了1995、2000、2005、2010、2015年的人口集中程度及GDP數據[34-35]，分別賦予相應的權重，進行疊加分析，進行脆弱性分級(圖3)。從全流域來看，北部平原地區的脆弱性整體高于南部丘陵地區，從鄱陽湖流域核心區看(圖3)，西南部的南昌市城區范圍的脆弱性最高，主要原因在于高人口密度和高GDP。其次是鄱陽湖流域北部的九江市也表現出高脆弱性，上饒市的脆弱性整體較低。計算脆弱比指數，即區域內脆弱性總和除以區域面積，鄱陽湖核心區的脆弱比高于江西省整體脆弱比約18%，高于江西省南部區域約32%?？紤]到2015—2020年鄱陽湖流域內的GDP增長速率和城市化進程人口集中程度增長速率，預估在2020年鄱陽湖核心區高于江西省整體脆弱比超過18%。

圖3 鄱陽湖核心區脆弱性分布

1.5 致災因子危險性分析

異常高強度降水是鄱陽湖流域地區誘發洪澇災害的主要致災因子。鄱陽湖流域汛期雨量集中，地區差異大，且常有暴雨出現，個別年份由于準靜止鋒在江西省內南北移動，可造成連續十余天的暴雨天氣過程，形成大面積洪澇災害[36]。

根據收集的2020年長江中下游流域氣象站降雨量記錄顯示(氣象站點數據來源于中國氣象數據網http://data.cma.cn/)，2020年鄱陽湖流域第1號洪水的發生與鄱陽湖流域內、匯流大河區域短期內降水量的突增密不可分。從鄱陽湖流域核心區來看，鄱陽湖核心區湖體以及匯入大河的降雨量從6月以來迅速增加，并且鄱陽湖流域核心區內的3個氣象站(南昌站、廬山站、波陽站)都記錄了7月8號異常偏高的降雨量(圖4b—d)。南昌站7月8日的降雨量約占7月降水的30%，單日降雨量分別超過8、9月的月總降雨量。廬山站7月8日降雨量約占7月降雨量的33.2%，單日降雨量超過5月的總降雨量。波陽站7月8日降雨量約占7月降雨量的32%，超過了8月的月總降雨量。從長江中下游范圍看，相較于5月(圖5a)，長江中下游地區的降雨量在6月普遍大幅增加(圖5b)，導致長江中下游河段的水位在6月異常偏高，而鄱陽湖作為長江中下游重要的洪水調蓄區，水位也高居不下。7月1—8日鄱陽湖流域內的降雨量約占7月降雨量的60%～70%，長江下游尤其是鄱陽湖流域周邊地區7月的月降雨量也達到全年的峰值(圖5c)。因此2020年鄱陽湖流域洪水的致災因子不僅僅是7月8日遠高于降雨量，還與長江中下游地區6月以來以及鄱陽湖流域7月初猛增的降雨量密切相關(6月以來，長江流域降雨量410.4 mm，較常年同期偏多48.3%，為1961年以來歷史同期最多[37])，2020年6月下旬以來，中國南方因為入梅偏早且梅雨鋒偏強，引發長時間的強降水過程，長江中上游大片區域降水普遍增加，長江干流多站超警戒水位。6月以來的高強度降水是2020年鄱陽湖1號洪水爆發的基礎條件，土壤濕度已趨近飽和。7月1—8日短時間內異常高強度降水是洪澇災害的導火索。

a)鄱陽湖流域氣象站分布

a)5月降雨量

d)8月降雨量

2 災情分析

洪澇災害帶來的損失主要可以大致分為經濟損失與非經濟損失。經濟損失主要是指由于洪澇災害直接造成的物質方面的損失，又可以分為直接經濟損失和間接經濟損失[18]。直接經濟損失是洪水淹沒造成的動產和不動產損失總和，主要表現為實物的破壞、功能受損或損毀，例如居民財產損失、農業漁業林業損失、基礎設施損失以及自然資源損失等。20世紀90年代至2011年，中國洪澇災害直接經濟損失占國內生產總值比重和財政收入比重分別為0.81%和4.56%，且受洪澇災害影響最為嚴重的行業是農林牧漁業，占比為46.04%，其次是工業交通運輸業和水利設施，占比分別為20.77%和16.60%[1]。洪水間接經濟損失是指不直接對動產和不動產帶來損失，但給社會經濟影響造成損失，主要分為兩類：①抗洪搶險、物資轉移、救助災民、安置救濟災區、開辟臨時交通以及通訊、供電供水管線等的費用；②洪澇淹沒期間工廠停產、農業減產、交通運輸受阻，導致地區性企業原料供應不足以及產品積壓帶來的經濟損失。洪澇災害帶來的非經濟損失是指那些受到洪水沖擊無法通過經濟直接進行衡量的因素，包括但不限于社會治安、傳染病的流行以及生態失衡和生態環境的惡化等。

3 討論與結論

目前臺風路徑能夠較為準確預測，但短臨極端降水的預報還存在較大的不確定性。有學者指出，中國南方部分地區高強度降雨與厄爾尼諾密切相關[30]， 1997/1998年的超級厄爾尼諾導致了當年夏季長江中下游嚴重的洪澇災害[39-40]，2019—2020年的厄爾尼諾-拉尼娜現象也引發了鄱陽湖流域的洪澇災害，但厄爾尼諾-拉尼娜現象只是大氣環流中可能加強降雨的一個氣候因子，2020年鄱陽湖流域洪澇災害的成因是多因子協同作用的結果。對于長江中下游地區重要的蓄水區域鄱陽湖流域來說，在現有條件下，降低承災體的暴露度和脆弱性是最為行之有效的防災手段，例如加快重要工業產業的轉移。鄱陽湖流域是江西省北部平原地區的重要組成部分，對江西省經濟發展的拉動扮演著舉足輕重的作用。在后續的工業布局中需要充分評估工業園區的災害風險，尤其是洪澇的淹沒水深，遠離洪澇災害高風險區。對已有高風險園區，需要采取有效的防洪抗洪措施，提高防御等級。

本研究系統收集了鄱陽湖流域核心區的孕災環境(地形、河網)、承災體(社會經濟)、致災因子(日降雨量)以及災情等信息，系統分析了2020年鄱陽湖流域1號洪澇災害的致災機理與成災過程，得到以下結論。

a)6月以來高強度的降水是2020年鄱陽湖1號洪水爆發的前期基礎，土壤濕度較高，趨近飽和。7月1—8日短時間內異常強降水(致災因子)和鄱陽湖流域核心區高程低(孕災環境敏感性高)的共同作用下，洪水蔓延快，短時內淹沒了湖區的社會經濟系統(承災體)，形成洪澇災害。

b)從孕災環境敏感性上看，南昌市大部分區域屬于洪澇災害高敏感性區域，包括贛江流經區域以及南昌市主城區；上饒市高敏感區主要分布在饒河和信江流經的區域以及靠近鄱陽湖湖區的部分區域；九江市的高敏感區域主要集中于贛江流經區域。

c)從承災體脆弱性上看，鄱陽湖流域核心區，西南部的南昌市主城區的脆弱性最高，主要原因是高度集中的GDP。其次是鄱陽湖流域北部的九江市，上饒市整體的脆弱性較低。