基于GIS的承德市精細(xì)化山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

孟旭芹，童 俊，彭九慧

（承德市氣象局，河北 承德 067000）

山洪災(zāi)害是指由于降雨在山丘區(qū)引發(fā)的洪水及由山洪誘發(fā)的泥石流、滑坡等對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成損失的災(zāi)害[1]。山洪災(zāi)害具有暴雨強(qiáng)度大、短歷時(shí)、難預(yù)測(cè)、難預(yù)防、危害大的特點(diǎn)[2]，常給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生命造成巨大損失。近些年，我國(guó)學(xué)者對(duì)山洪開(kāi)展了多方面的研究。宋云天等[3]認(rèn)為泥沙輸移顯著影響最高洪水位、最大流速等洪水特征值的空間分布，大幅提升了局部河段山洪危險(xiǎn)。狄瀟泓等[4]研究了引發(fā)山洪的強(qiáng)對(duì)流天氣成因和形成過(guò)程。包紅軍等[5-6]建立了山洪預(yù)報(bào)的指標(biāo)和模型，并對(duì)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。崔鵬等[7]研究了基于動(dòng)力過(guò)程的山洪泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和承災(zāi)體易損性評(píng)估方法。田豐等[8-12]基于自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論，確定了山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，基于GIS和FloodArea開(kāi)展了山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃。葉超凡等[13-15]基于地形、災(zāi)情等資料，利用信息量模型等方法把山洪災(zāi)害劃分為不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的區(qū)域，并提出了相應(yīng)的防御對(duì)策。呂新生等[16]運(yùn)用比值權(quán)重法和無(wú)量綱化線性求和方法構(gòu)建山洪災(zāi)損指數(shù)，從而得到山洪災(zāi)損時(shí)空分布特征。這些研究對(duì)山洪災(zāi)害防御起到了重要作用，但這些研究中的降雨數(shù)據(jù)大部分使用的是國(guó)家氣象站數(shù)據(jù)，對(duì)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分不夠精細(xì)。近年來(lái)，隨著氣象站網(wǎng)的飛速發(fā)展，區(qū)域氣象觀測(cè)站網(wǎng)的空間分辨率大大提高，為開(kāi)展精細(xì)化山洪研究提供了條件。承德市地處河北省東北部燕山腹地，地勢(shì)落差大，境內(nèi)高原、山地、丘陵交錯(cuò)，屬于溫帶大陸季風(fēng)型、半干旱半濕潤(rùn)山地氣候，夏季雨水集中。復(fù)雜的地形地質(zhì)條件和夏季強(qiáng)降水多發(fā)的氣候特征，導(dǎo)致山洪頻發(fā)，具有來(lái)勢(shì)迅猛、成災(zāi)快等特點(diǎn)，一旦發(fā)生山洪就會(huì)造成巨大損失，而針對(duì)承德地區(qū)山洪研究相對(duì)較少。山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是通過(guò)對(duì)山洪災(zāi)害影響因子的綜合分析，評(píng)估其在指定區(qū)域的詳細(xì)分布情況[17]，從而有針對(duì)性地開(kāi)展防御工作，本文利用承德市1995—2019年361個(gè)區(qū)域氣象站和9個(gè)國(guó)家氣象站小時(shí)降雨量、山洪災(zāi)情個(gè)例和地形等資料，研究山洪災(zāi)害精細(xì)化分布特征，構(gòu)建精細(xì)到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，按照高、中高、中、中低、低5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行區(qū)劃，旨在為當(dāng)?shù)卣拖嚓P(guān)部門掌握本地區(qū)的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)狀況，做好山洪災(zāi)害防御工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

承德市民政局提供的1995—2019年精確到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的山洪災(zāi)情資料，基準(zhǔn)年為2016年精細(xì)到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的承德市耕地面積資料、人口和GDP資料；承德市361個(gè)區(qū)域氣象觀測(cè)站和9個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站1995—2019年逐小時(shí)雨量資料；分辨率為1∶50 000的承德市DEM資料。

1.2 山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)因子選擇

基于史培軍[18]災(zāi)害系統(tǒng)理論的“三元”風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，本文的山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)由致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性和承災(zāi)體脆弱性組成。致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指標(biāo)為山洪災(zāi)害發(fā)生頻次、1 h最小致災(zāi)雨量閾值和3 h最小致災(zāi)雨量閾值；孕災(zāi)環(huán)境敏感性指標(biāo)選取坡度和高程作為影響因子；承災(zāi)體脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)為鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密度、GDP和耕地面積。

1.3 數(shù)據(jù)處理和研究方法

山洪災(zāi)害發(fā)生頻次以鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）次為單位，即鄉(xiāng)鎮(zhèn)在一天內(nèi)發(fā)生多處山洪災(zāi)害，只算一次。將致災(zāi)雨量閾值時(shí)段定為1和3 h，致災(zāi)雨量閾值運(yùn)用實(shí)例反查法確定，即通過(guò)已發(fā)生的山洪災(zāi)害個(gè)例，反查當(dāng)日當(dāng)?shù)貧庀髤^(qū)域站逐小時(shí)降雨量，取當(dāng)日1 h降雨量最大值、3 h降雨量最大值作為該鄉(xiāng)鎮(zhèn)的一次致災(zāi)雨量閾值。對(duì)該鄉(xiāng)鎮(zhèn)歷年來(lái)發(fā)生的所有山洪災(zāi)情1與3 h致災(zāi)雨量閾值分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選出其中的1 h最小值為該鄉(xiāng)鎮(zhèn)1 h最小致災(zāi)雨量閾值，其中的3 h最小值為該鄉(xiāng)鎮(zhèn)3 h最小致災(zāi)雨量閾值。

單站最小致災(zāi)雨量閾值的計(jì)算方法：

式中，n為該站山洪災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)，Ri為該站當(dāng)日當(dāng)?shù)氐?或3 h降水量。

因?yàn)楦鱾€(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱不同，為了對(duì)不同量綱的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較計(jì)算。利用公式（2）將各評(píng)價(jià)因子進(jìn)行歸一化處理。

通過(guò)層次分析法和專家打分法，得到各指標(biāo)的權(quán)重。在GIS中計(jì)算每個(gè)格點(diǎn)的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，得到承德市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖。本文詳細(xì)研究流程見(jiàn)圖1。

圖1 工作流程

2 山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

2.1 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)估

承德復(fù)雜的地形地貌和強(qiáng)降水多發(fā)的氣候特征，導(dǎo)致了夏季山洪災(zāi)害頻發(fā)。山洪災(zāi)害的出災(zāi)頻次多說(shuō)明該地區(qū)山洪災(zāi)害的危險(xiǎn)性大；1或3 h降雨量越大，出現(xiàn)山洪災(zāi)害的可能性就越高；某地發(fā)生山洪災(zāi)害1、3 h最小致災(zāi)雨量閾值越小，則該地山洪災(zāi)害的危險(xiǎn)性越大。分析1995—2019年山洪災(zāi)情數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，承德市山洪發(fā)生頻次最高的是隆化縣（84次），每年大約發(fā)生4次山洪災(zāi)害。豐寧和圍場(chǎng)次之，約每年2次，市轄區(qū)和承德縣最少，每年不足1次。大致趨勢(shì)為隆化縣到豐寧壩上的帶狀區(qū)域山洪災(zāi)害頻次較高，其他地區(qū)的頻次相對(duì)較低。主要是因?yàn)樵搮^(qū)域地形起伏明顯，坡度較大，一旦發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降雨，極易發(fā)生山洪災(zāi)害。

根據(jù)310個(gè)山洪災(zāi)害個(gè)例，得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的1 h最小致災(zāi)雨量閾值、3 h最小致災(zāi)雨量閾值，將山洪災(zāi)害頻次P、1 h最小致災(zāi)雨量閾值R1和3 h最小致災(zāi)雨量閾值R3作為山洪災(zāi)害的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。因?yàn)橹聻?zāi)雨量閾值越小的地區(qū)，山洪災(zāi)害的危險(xiǎn)性越大，因此在計(jì)算中，將1、3 h致災(zāi)雨量閾值取倒數(shù)，并做歸一化處理。采用層次分析法，構(gòu)建3階判斷矩陣（表1），確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，并通過(guò)一致性檢驗(yàn)。根據(jù)公式（3）計(jì)算山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)DI。

表1 危險(xiǎn)性判斷矩陣及權(quán)重計(jì)算

利用GIS格點(diǎn)柵格計(jì)算功能得到承德市山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性分布（圖2）。

由圖2可知，1與3 h致災(zāi)雨量閾值風(fēng)險(xiǎn)較高的地區(qū)為承德市西北和中部部分地區(qū)，遭受山洪災(zāi)害頻次最多的地區(qū)位于隆化縣到豐寧壩上的帶狀區(qū)域，根據(jù)危險(xiǎn)性綜合風(fēng)險(xiǎn)圖得出中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在豐寧、隆化大部和圍場(chǎng)小部，山洪危險(xiǎn)性大致趨勢(shì)為豐寧和隆化較高，向南北兩側(cè)遞減，且北部略高于南部。

圖2 承德市山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性指標(biāo)分級(jí)

2.2 孕災(zāi)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)估

孕災(zāi)環(huán)境包括地形地貌、海拔高度、山川水系分布等，是風(fēng)險(xiǎn)源變異強(qiáng)度另一決定因素。地形對(duì)形成山洪的影響主要表現(xiàn)為2個(gè)方面：地形高程和地形變化程度[19]。承德境內(nèi)高原、山地、丘陵交錯(cuò)、地勢(shì)起伏大，因此主要考慮地形為孕災(zāi)環(huán)境影響因子。本文選用坡度和高程來(lái)評(píng)價(jià)山洪災(zāi)害的孕災(zāi)環(huán)境，高程低，坡度數(shù)值小，則地勢(shì)趨于平坦，水流流速慢，則較難發(fā)生山洪災(zāi)害；反之，高程高、坡度大，地形起伏明顯，一旦發(fā)生降雨，則水流湍急，沖擊力強(qiáng)，則易發(fā)生山洪災(zāi)害。

采用專家打分法確定坡度S和高程A的權(quán)重，對(duì)坡度S和高程A歸一化處理后，根據(jù)公式（4）計(jì)算山洪災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性指數(shù)E，從而得到承德山洪災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

興隆燕山山脈地區(qū)坡度風(fēng)險(xiǎn)較高，豐寧、圍場(chǎng)壩上及接壩地區(qū)高程風(fēng)險(xiǎn)較高，根據(jù)孕災(zāi)環(huán)境綜合風(fēng)險(xiǎn)圖得到承德孕災(zāi)環(huán)境高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)主要分布在豐寧、圍場(chǎng)接壩和壩上地區(qū)以及興隆燕山山脈。孕災(zāi)環(huán)境危險(xiǎn)程度大致趨勢(shì)為由北向南遞減，其中興隆燕山山脈地區(qū)例外，危險(xiǎn)程度比南部其他地區(qū)高。

2.3 承災(zāi)體脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)估

山洪災(zāi)害常常對(duì)農(nóng)田和基礎(chǔ)設(shè)施造成災(zāi)害，甚至威脅人的生命財(cái)產(chǎn)安全，且同樣等級(jí)的洪水發(fā)生在不同的地區(qū)，造成的后果往往不一樣[20]。同樣強(qiáng)度的山洪如果發(fā)生在人口密度大、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和耕地面積較大的地區(qū)，造成的損失會(huì)更高。本文選擇精確到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的GDP（G）、人口密度ρ和耕地面積A（圖3a～3c），計(jì)算山洪災(zāi)害脆弱性指數(shù)VI。根據(jù)專家對(duì)脆弱性指標(biāo)之間相對(duì)重要性進(jìn)行判斷打分，通過(guò)層次分析法構(gòu)建判斷矩陣得到脆弱性各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重（表2）。歸一化處理后，根據(jù)公式（5）計(jì)算得到承德山洪災(zāi)害脆弱性圖（圖3d）。

表2 承災(zāi)體判斷矩陣及權(quán)重計(jì)算

鄉(xiāng)鎮(zhèn)GDP與人口密度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)由北向南遞增，市區(qū)最高。承德耕地面積風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的大值區(qū)主要分布在東南部和西北部，豐寧縣和平泉市風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。脆弱性風(fēng)險(xiǎn)較高的地區(qū)主要分布在豐寧縣、灤平縣、承德縣、市區(qū)、平泉市與寬城縣耕地面積較大或經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，其他地區(qū)脆弱性風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低（圖3）。

圖3 承德市山洪災(zāi)害脆弱性指標(biāo)分級(jí)

2.4 山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和區(qū)劃

山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是山洪致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性和承災(zāi)體脆弱性的綜合體現(xiàn)。利用層次分析法將致災(zāi)因子DI、孕災(zāi)環(huán)境E、脆弱性VI構(gòu)建3階判斷矩陣，得到山洪災(zāi)害各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重（表3），根據(jù)公式（6）計(jì)算山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)M。

表3 風(fēng)險(xiǎn)三系統(tǒng)判斷矩陣及權(quán)重計(jì)算

在GIS中將歸一化取值后的危險(xiǎn)性指數(shù)、敏感性指數(shù)和脆弱性指數(shù)圖層按公式（6）進(jìn)行疊加計(jì)算，從而得到承德市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃（圖4）和山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化劃分標(biāo)準(zhǔn)（表4）。

圖4 承德市山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

表4 山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化劃分標(biāo)準(zhǔn)

承德山洪災(zāi)害的高風(fēng)險(xiǎn)和次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積約為11 573.14 km2，占承德總面積的29.3%，主要包括豐寧、隆化大部分地區(qū)、圍場(chǎng)北部和市區(qū)小部分地區(qū)。中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積約為10 616.23 km2，約占承德總面積的26.9%，其余均為中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以下（圖4）。豐寧和隆化山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較高，是因?yàn)檫@2個(gè)地區(qū)發(fā)生山洪災(zāi)害的頻次較多、小時(shí)致災(zāi)雨量閾值較小，地勢(shì)較高且起伏明顯，較容易出現(xiàn)災(zāi)害。圍場(chǎng)北部高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要是由于該地區(qū)地勢(shì)最高，小時(shí)致災(zāi)雨量閾值相對(duì)較小。市區(qū)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，則因?yàn)槭袇^(qū)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，人口密度較大，即便發(fā)生較輕的山洪災(zāi)害，也極易造成較大的損失。因此在這些山洪風(fēng)險(xiǎn)較高的地區(qū)，應(yīng)及時(shí)做好山區(qū)生態(tài)防護(hù)林建設(shè)和山體防護(hù)工程建設(shè)，并加強(qiáng)河道整治，建立健全防洪監(jiān)測(cè)體系，有效調(diào)控山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論和討論

根據(jù)承德山洪災(zāi)害發(fā)生的特征，選取小時(shí)致災(zāi)雨量閾值、山洪災(zāi)情頻次、地形、人口、GDP和耕地面積作為山洪災(zāi)害的評(píng)價(jià)因子，基于GIS空間分析技術(shù)計(jì)算得到承德市精細(xì)化山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，得出以下結(jié)論：

（1）山洪災(zāi)害發(fā)生頻次最高的是隆化，市轄區(qū)和承德縣最少。大致特點(diǎn)為隆化縣到豐寧壩上的帶狀區(qū)域山洪災(zāi)害頻次較高，其他地區(qū)的頻次相對(duì)較低。

（2）危險(xiǎn)性高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在豐寧、隆化大部和圍場(chǎng)部分地區(qū)。孕災(zāi)環(huán)境危險(xiǎn)程度大致趨勢(shì)為由北向南遞減，其中興隆燕山山脈地區(qū)除外，危險(xiǎn)程度比南部其他地區(qū)高。脆弱性風(fēng)險(xiǎn)較高的地區(qū)主要分布在豐寧縣、灤平縣、承德縣、市區(qū)、平泉市與寬城縣耕地面積較大或經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)地區(qū)。

（3）承德山洪災(zāi)害的高風(fēng)險(xiǎn)和次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積約為11 573.14 km2，約占承德總面積的29.3%，主要包括豐寧、隆化大部分地區(qū)、圍場(chǎng)北部和市區(qū)小部分地區(qū)。中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積約為10 616.23 km2，約占承德總面積的26.9%。其余均為中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以下。

山洪災(zāi)害的形成機(jī)理較為復(fù)雜，影響因子較多，將山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)完全定量化研究存在一定的困難。本文鑒于資料收集情況，選取了與山洪災(zāi)害最為密切相關(guān)的山洪災(zāi)情、降雨量、地形和人口經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)，忽略了一些相對(duì)次要的影響因子，如山洪災(zāi)害的致災(zāi)雨量閾值還應(yīng)考慮下墊面的土地利用類型和土壤前期含水量，承災(zāi)體脆弱性還應(yīng)考慮交通路網(wǎng)和防洪減災(zāi)工程設(shè)施的布設(shè)等因素。通過(guò)層次分析法和專家打分法得到的山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)因子權(quán)重是可行的，但由于不同研究者對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性判斷有一定的主觀性，不能很好地反映各評(píng)價(jià)因子對(duì)山洪災(zāi)害的影響情況。在未來(lái)的山洪災(zāi)害研究中，仍需研究山洪災(zāi)害形成機(jī)理和評(píng)價(jià)因子的選擇及權(quán)重的計(jì)算，進(jìn)一步提高山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的準(zhǔn)確性。