環江縣暴雨災害風險評估與區劃分析

陳耀飛，陳燕麗，謝 映，肖鴻祥，韋德寶

1.廣西河池市環江縣氣象局，廣西環江 547100；2.廣西壯族自治區氣象科學研究所，廣西南寧 530022

環江毛南族自治縣隸屬廣西河池市（107°51′～108°43′N，24°44′E 25°33′E），地處桂西北云貴高原南部邊緣的斜坡地帶，總面積約45.7萬hm2，喀斯特面積約32.9萬hm2，占國土面積的72.2%，屬于生態脆弱的巖溶山區[1]。該縣屬亞熱帶季風氣候，受東南季風的影響，降水充沛，每年出現暴雨的次數較多，具有降水歷時短、降水集中、暴雨量大等特點，縣內河流水位變幅大，山區排水不暢[2-3]。遇暴雨易引發山洪、泥石流、城市內澇等次生災害，威脅極大，屬于影響力較嚴重的氣象災害之一。在全球氣候變暖背景下，全球和區域尺度的暴雨洪澇災害頻率升高和強度不斷增加[4-6]。尤其是在生態脆弱和抗災能力較弱的環江縣，一旦發生暴雨洪澇災害，將會給環江縣帶來了極大的危害，如2022年6月19日晚至20日上午環江縣部分鄉鎮出現暴雨洪澇災害。據不完全統計，全縣共受災25 365人，農作物受災總面積約11 451 hm2，家禽牲畜、路基和房屋等均遭受不同程度災害，直接經濟損失高達5 526.2萬元。

目前，針對評估暴雨災害風險評估，諸多學者對此開展相關研究，多以層次分析法（AHP）和地理信息系統（GIS）等方法進行分析為主，GIS方法關于暴雨災害風險評估體系主要包括暴雨致災危險性、承災體脆弱性和承災體暴露度[6-9]。陸芊芊等[10]以2022年廣西“龍舟水”暴雨災害風險為例，從危險性、暴露度和脆弱性3個維度開展精細化暴雨災害風險評估，結果表明此次過程河池市的暴雨致災危險性及人口、GDP、水稻風險等級相對較高。但目前針對環江縣暴雨災害評估和區劃研究和報道仍未見。

因此，通過探討該地區的暴雨風險區劃，一方面是為相關人員提供更詳實、可靠的縣域暴雨精細化區劃結果，另一方面是為環江縣植被生態保護、防災減災提供科學依據。

1 資料來源與研究方法

1.1 研究區概況

環江縣下轄12個鄉鎮，環江縣境內主要河流有大環江、小環江，發源于貴州省，從北向南流過。其中，大環江從馴樂鄉途經明倫鎮、洛陽鎮、大安鄉、思恩鎮貫穿南北，位于縣域中部；小環江途經馴樂鄉、龍巖鄉、明倫鎮、東興鎮、長美鄉，位于縣域東部。全縣土地類型以山地、丘陵為主，水稻、玉米等農作物主要分布在南部、西部和中部等地勢相對低的地區。研究時段內環江縣共33個氣象站點，其中1個為環江縣國家氣象觀測站，建站于1957年，32個區域自動氣象站于2012年后相繼建設完成，分布在各個鄉鎮。

圖1 環江縣鄉鎮、河流、站點分布圖

1.2 資料來源

所用的降水資料為1978—2020年環江縣國家氣象觀測站資料和2014—2020年區域自動氣象站資料；縣級行政區劃邊界矢量數據來源于國務院普查辦；鄉鎮邊界及行政點數據來源于廣西自然資源廳；數字高程數據則采用SRTM的30 m DEM數據。人口、GDP、農作物（水稻）、房屋建筑、道路等承災體網格數據均來源于國務院普查辦；1978年1月1—2020年12月31日歷史災害數據來源于環江氣象災情數據庫、及其他相關部門提供的災情數據等。

1.3 研究方法

基于日降水量和小時降水量資料進行統計分析，其中年際變化等有關時間變化的分析采用1978—2020年環江縣國家氣象觀測站（單站）資料統計分析，空間分布特征分析采用2014—2020年國家氣象觀測站和區域自動氣象站資料。多年平均指1991—2020年的平均值，也稱為“常年值”；研究中如無特別注明，國家站數據平均值的統計時段均指1978—2020年。

環江縣的暴雨降水基本特征，主要通過統計多年平均月降水量，1978—2020年歷年的暴雨日數、不同日數（1、3、5、10日）累積最大降水量、不同歷時（1、3、6、12、24 h）累積最大降水量等因子進行分析。

根據“風險＝致災危險性×承災體暴露度×承災體脆弱性”的風險理論模型，考慮暴雨孕災環境的影響，基于單個氣象站點開展精細化暴雨災害風險評估。

暴雨致災危險性反映了暴雨可能產生的危害大小，主要考慮暴雨強度（IR）和孕災環境（Ic）的影響，采用自然斷點法將致災危險性劃分為高、較高、較低、低等級，致災危險性指數ID由下式計算：

將單個氣象觀測站的日降雨量（20:00至翌日20:00）≥50 mm的降雨日定義為單站暴雨日；當降水過程中，單站暴雨日持續天數≥1 d，或2個暴雨日相隔1 d、其中斷日有中到大雨（10 mm≤日降雨量＜50 mm），則定義為一個單站暴雨過程。參考區域性暴雨過程綜合強度算法，構建暴雨過程強度指數IR，公式如下：

式（2）中，I1pre為過程中1 h降雨量最大值，I3pre為過程中3 h降雨量最大值，I6pre為過程中6 h降雨量最大值，I24pre為過程中日降雨量最大值，Ipre為過程的累積降雨量，Iday為過程的開始日至結束日總天數，a、b、c、d、e、f為權重系數。

暴雨孕災環境指在暴雨影響下對形成洪澇、泥石流、滑坡、城市內澇等次生災害起作用的自然環境， 包括地形、水系、土壤類型 、植被分布等要素，以孕災環境影響系數Ic表征，并將Ic縮放至[-0.3，0.3]；當Ic值越大，表明孕災環境加重暴雨致災危險的可能性越大。

選取人口、經濟、水稻、玉米作為承災體，分別進行暴露度和脆弱性分析。建立風險評估模型對不同承災體（人口、GDP、水稻、玉米）進行風險評估，模型如下：

式（3）中，R為暴雨災害風險指數，用于表示暴雨災害風險程度，值越大，則暴雨災害風險程度越大；T、E、V分別表示致災危險性指數、承災體暴露度指數、承災體脆弱性指數；we、wh、ws是致災危險性、承災體暴露度和脆弱性指數的權重，權重的大小依據專家打分法確定。由于缺少鄉鎮級的暴雨過程災情，不考慮承災體脆弱性，僅將致災危險性和承災體暴露度進行加權求積，得到風險評估結果。依據對人口、經濟和水稻的暴雨災害風險評估結果，采用自然斷點分級法，根據暴雨災害造成的風險進行評估，利用自然斷點法對風險指數R由大到小進行分類，將暴雨災害風險劃分為高、較高、較低、低等級；并繪制風險區劃圖，得到暴雨災害對不同承災體風險分區劃圖。

2 結果與分析

2.1 暴雨致災因子的特征分析

2.1.1 降水 環江縣1978—2020年的年降水量在996.0（2009年）～2 025.4 mm（1994年）之間，平均年降水量為1 439.4 mm，長期線性變化趨勢不明顯（圖2）。3—10月為環江縣降水集中期，累計降水量1 284.0 mm，占全年降水量的88%；各月降水量在76.8～296.3 mm之間，呈單峰分布，以6月降水最多、3月最少（圖3）。

圖2 1978—2020年環江縣年降水量變化

圖3 3—10月環江縣多年平均月降水量變化

2.1.2 暴雨日數 環江縣43年暴雨日數在1（1995年）～11 d（1994年）之間，平均每年5.02 d，長期線性變化趨勢不明顯（圖4）；4—10月暴雨日數占年暴雨日數的94.8%以上，平均每年4.76 d。環江縣4—10月各月的多年平均暴雨日數在0.16～1.23 d之間，呈單峰分布，以6月最多，與其月降水量變化一致。

圖4 1978—2020年環江縣年暴雨日數變化

2.1.3 不同日數累計降水量極值 1978—2020年，環江縣最大日降水量為221.4 mm；3 d累計最大降水量為299.6 mm；5 d累計最大降水量為394.8 mm；10 d累計最大降水量為409.1 mm。從長期變化趨勢上看，1 d累計最大降水量呈明顯上升趨勢；3、5、10 d累計最大降水量的變化趨勢不明顯（圖5）。

圖5 1978—2020年環江縣1、3、5、10 d降水量年極值變化

2.1.4 不同歷時累計降水量極值 1978—2020年，環江縣1、3、6、12、24 h累計降水量最大值分別為75.4（2020年）、124.9（2016年）、164.3（2016年）、220.4（2020年）、221.4 mm（2020年）。從長期變化趨勢上看，1、3 h累計最大降水量的變化趨勢不明顯；6、12、24 h累計最大降水量具有明顯的上升趨勢。（圖6）。

圖6 1978—2020年環江縣1、3、6、12、24 h降水量年極值變化

2.2 暴雨致災危險性評估

綜合雨澇指數和孕災環境影響指數，評估環江縣暴雨致災危險性，按危險性指數大小依次劃分為高、較高、較低、低等級，危險性較高的地區主要位于洛陽鎮中南部、馴樂鄉中部、水源鎮東北部、大安鄉西部、思恩鎮、大才鄉南部、長美鄉東部、東興鎮西部、龍巖鄉西部等地；其余大部地區的危險性較低（圖7）。

圖7 環江縣暴雨致災危險性等級圖

2.3 暴雨風險評估與區劃

2.3.1 人口風險評估 環江縣的暴雨災害人口風險大環江和小環江流域高于其他區域，城鎮高于鄉村，較高和高風險區主要位于大環江和小環江流域一帶，其余地區風險較低（圖8）。

圖8 環江縣暴雨災害人口風險等級圖

2.3.2 GDP風險評估 環江縣的暴雨災害GDP風險與人口風險分布相似，大環江和小環江流域的GDP風險高于其他區域，城鎮高于鄉村，較高和高風險區主要位于大環江和小環江流域一帶，其余地區風險較低（圖9）。

圖9 環江縣暴雨災害GDP風險等級圖

2.3.3 農作物風險評估 環江縣的暴雨災害水稻中等以上風險區主要位于環江縣中南部和偏東中部，以城鎮中心較為集中，主要分布在馴樂鄉西北部、川山鎮的北部和東部、下南鄉的北部、水源鎮的東部、洛陽鎮、大安鄉、思恩鎮、大才鄉、明倫鎮東部、東興鎮西部和南部、長美鄉北部和東南部、龍巖鄉西部，其余地區風險較低（圖10）。

圖10 環江縣暴雨災害水稻風險等級圖

環江縣的暴雨災害玉米中等以上風險區主要位于馴樂鄉西北部、川山鎮的北部和東部、下南鄉的北部、水源鎮的東部、洛陽鎮、大安鄉、思恩鎮、大才鄉、明倫鎮東部、東興鎮西部和南部、長美鄉北部和東南部、龍巖鄉西部，其余地區風險較低（圖11）。

圖11 環江縣暴雨災害玉米風險等級圖

3 結論與討論

選取1978—2020年環江縣氣象觀測站降水資料、基礎地理信息、當地暴雨實情災情及其他社會經濟資料，對致災因子、危險性、承災體暴露性和脆弱性等開展精細化暴雨災害風險評估開展分析和研究，得出以下結論：

（1）1978—2020年，環江縣年降水量在996.0～2 025.4 mm之間，平均每年1 439.4 mm，長期線性變化趨勢不明顯。3—10月為降水集中期，占全年降水量的88%，其中6月降水最多。

（2）環江縣年暴雨日數最多為11 d，平均每年5.02 d。環江最大日降水量達221.4 mm，1 h降水量極值75.4 mm；3、5、10 d累計最大降水量和1、3 h累計最大降水量的長期變化趨勢均不明顯；1 d累計最大降水量和6、12、24 h累計最大降水量均呈顯著上升趨勢。

（3）環江縣暴雨致災危險性、暴雨災害人口風險和GDP風險相類似，大環江和小環江流域的致災危險性、人口風險和GDP風險高于其他區域，城鎮高于鄉村，較高和高風險區主要位于大環江和小環江流域一帶，其余地區風險較低。

（4）環江縣的暴雨災害與農作物水稻、玉米中等以上風險區大體相同，主要位于環江縣中南部和偏東中部，以城鎮中心較為集中，其余地區風險較低。

近年來，環江縣石漠化現象加劇，發生暴雨災害頻次高，造成的經濟損失嚴重，因此開展精細化暴雨災害風險評估為當地防災減災和植被生態保護等決策部署工作提供科學依據顯得尤為必要。暴雨災害風險評估涉及氣象、自然環境、社會經濟等多方面因素影響，所涉及的因子及其權重也各不相同，還有待深入研究所建立的風險評估模型及其區劃的準確性，在后期的研究中將進一步增加承災體數據的種類，提高相應數據的精度，構建更加精細化的暴雨風險評估模型，進一步提高當地應對和防御災害的能力。