基于GIS的長白山地區(qū)洪水災(zāi)害風險評估

倪曉嬌， 南穎*， 崔允秀

( 1.延邊大學(xué)理學(xué)院 地理系， 中國 延吉 133002； 2.首爾市立大學(xué) 空間情報工學(xué)科， 韓國 首爾 130-743 )

近年來，隨著全球氣候逐漸變暖，極端天氣事件呈增多趨勢，造成的損失也越來越嚴重.資料[1]顯示，各種氣象災(zāi)害造成的損失占全部自然災(zāi)害損失的75%～80%，直接損失占我國國民生產(chǎn)總值的3%～6%，其中極端降水導(dǎo)致的洪水災(zāi)害及其引發(fā)的次生災(zāi)害[2]占絕大多數(shù).關(guān)于極端降水事件和洪水災(zāi)害風險，已有眾多學(xué)者進行了大量的研究[3-5]，而且研究尺度多樣，其中區(qū)域尺度上的災(zāi)害風險研究處于核心的地位.目前為止，有關(guān)長白山地區(qū)洪水災(zāi)害風險評估的研究較少，而長白山地區(qū)降水強度較大，局地性較強，極易引發(fā)洪水災(zāi)害[6].本文基于區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)論的理論觀點，采用極差法、層次分析法、綜合指數(shù)法和百分位閾值法等方法對長白山地區(qū)洪水災(zāi)害風險進行評估，旨為長白山地區(qū)洪水災(zāi)害風險防范提供參考.

1 研究區(qū)概況

本文中的長白山地區(qū)是指長白山火山區(qū)，位于北界北緯42°35′，南界北緯41°23′，西界東經(jīng)127°15′，東界東經(jīng)129°00′.行政區(qū)劃上包括和龍市、安圖縣、撫松縣、長白朝鮮族自治縣(以下簡稱長白縣)和臨江市5個縣市，如圖1所示.長白山地區(qū)屬于溫帶季風氣候區(qū)，除有一般山地氣候的共同特點外，還有明顯的垂直氣候變化帶；年平均氣溫為3～7 ℃，年降水量為700～1 400 mm.長白山地區(qū)河網(wǎng)稠密，是圖們江、松花江和鴨綠江3大水系的發(fā)源地，水資源十分豐富.

圖1 研究區(qū)范圍的行政區(qū)劃

2 數(shù)據(jù)來源及處理

1) 氣象數(shù)據(jù).本文的氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局的“中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集”和“中國地面國際交換站氣候資料日值數(shù)據(jù)集”2個數(shù)據(jù)集，起止時間為1951-01-01—2012-11-30.降水數(shù)據(jù)采用長白山地區(qū)天池、長白、松江、臨江和延吉等氣象站的逐年日降水量實測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時段為1960-01-01—2010-12-31，時間跨度為51年.其中天池站于1989年改為季節(jié)站，6月至9月觀測，故天池站1989—2010年其余月份的氣象數(shù)據(jù)缺測.本文依據(jù)回歸分析法在地理要素相關(guān)性中的應(yīng)用研究[9]，基于臨近的長白站氣象數(shù)據(jù)建立一元線性回歸模型，對2個氣象站實測數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析，得到了天池站缺測的氣象數(shù)據(jù)；但由于天池站位于山地地區(qū)，2個氣象站的相關(guān)性較差，故天池站的氣象數(shù)據(jù)仍使用了原始數(shù)據(jù).本研究對原始氣象數(shù)據(jù)進行了均一性檢查和嚴格的質(zhì)量控制，最大限度地提高了數(shù)據(jù)的可靠性.例如去除了數(shù)據(jù)中類似降水量為32 700 mm的奇異值，把該數(shù)據(jù)也歸屬于缺測數(shù)據(jù)，并且補全了缺測的氣象數(shù)據(jù)[10-11].

3) 統(tǒng)計數(shù)據(jù).統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于《2011年延邊統(tǒng)計年鑒》[12]和《2010年白山統(tǒng)計年鑒》[13]，數(shù)據(jù)包括安圖縣、和龍市、撫松縣、長白縣和臨江市5個縣市2010年底的人口、面積、地區(qū)生產(chǎn)總值等.

3 研究方法

3.1 洪水災(zāi)害風險評估指標體系的構(gòu)建

本研究基于區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)論[14]的理論觀點，從致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性以及承災(zāi)體脆弱性3個方面建立了洪水災(zāi)害風險評估指標體系，體系分為目標層、準則層和指標層3個層次，如表1所示.

1) 致災(zāi)因子危險性.致災(zāi)因子危險性主要是對極端降水事件進行研究，本文基于中國氣象局提供的氣象站實測數(shù)據(jù)，采用百分位閾值法確定降水極值變化的閾值，進而提取出極端強降水日數(shù)和極端弱降水日數(shù)[15].極端強降水日數(shù)和極端弱降水日數(shù)越大，洪水災(zāi)害致災(zāi)因子危險性越大，洪水災(zāi)害風險也就越高，因而極端強降水日數(shù)和極端弱降水日數(shù)為正向指標.本研究首先將天池、松江、臨江、長白和延吉等氣象站點1960-01-01—2010-12-31逐年日降水量按升序排列，得到該序列的第95(5)個百分位值即為極端降水事件的上(下)閾值.當某日某站降水量高于極端降水事件的上閾值時，則稱之為極端強降水事件；當某日某站降水量低于極端降水事件的下閾值時，則稱之為極端弱降水事件.某站極端強降水事件的日數(shù)即為極端強降水日數(shù)，某站極端弱降水事件的日數(shù)即為極端弱降水日數(shù).然后采用反距離權(quán)重插值方法，估算出長白山地區(qū)面狀極端強降水日數(shù)和極端弱降水日數(shù)的空間分布情況[16].

2) 孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性.地形與洪水災(zāi)害風險有著密切的關(guān)系，地形對洪水災(zāi)害的形成主要表現(xiàn)在地形坡度與高程兩個方面.本文參照喻紅等[17]的研究，將坡度與高程兩個地形因子組合成地形位指數(shù)作為反映地形特征的指標.地形高程和坡度越低，洪水災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性越低，洪水災(zāi)害風險越高，故地形位指數(shù)為負向指標.

3) 承災(zāi)體脆弱性.脆弱性包括來自自然、社會、經(jīng)濟及環(huán)境等因素的綜合狀態(tài)與過程，并決定了在給定的致災(zāi)因子作用下所遭受破壞的可能性和大小[18].本文采用人口密度和人均GDP來反映一個地區(qū)宏觀層面的暴露度和易損性水平.人口密度越大，人均GDP越高，洪水災(zāi)害承災(zāi)體脆弱性就越高，洪水災(zāi)害風險也越高，故人口密度和人均GDP為正向指標.

表1 洪水災(zāi)害風險評估指標體系

3.2 洪水災(zāi)害風險指數(shù)的計算

本研究采用100m×100m的柵格單元作為洪水災(zāi)害風險評估的基本單元，采用極差法對指標進行標準化處理，將其量化到0～1之間，以消除指標量綱不統(tǒng)一對綜合評估帶來的影響[19].其中，正向指標采用公式(1)進行計算，負向指標采用公式(2)進行計算.公式中Xi為實測值， Xj為標準化后的數(shù)值， Xmax和Xmin分別為實測值的最大值和最小值.

(1)

(2)

4 結(jié)果分析

4.1 洪水災(zāi)害致災(zāi)因子危險性等級分布

結(jié)合文獻[22-23]等的研究，通過咨詢相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?，本研究將長白山地區(qū)洪水災(zāi)害致災(zāi)因子危險性指數(shù)劃分為4個等級：一級災(zāi)強區(qū)、二級災(zāi)強區(qū)、三級災(zāi)強區(qū)和四級災(zāi)強區(qū)，如圖2所示，洪水災(zāi)害致災(zāi)因子危險性等級劃分情況如表2所示.

圖2 洪水災(zāi)害致災(zāi)因子危險性等級

表2 洪水災(zāi)害致災(zāi)因子危險性劃分

結(jié)合圖2和表2分析發(fā)現(xiàn)，長白山地區(qū)洪水災(zāi)害致災(zāi)因子危險性等級整體上西南部高于東北部，其中天池附近最高.各級災(zāi)強區(qū)面積大小排序為：二級災(zāi)強區(qū)、三級災(zāi)強區(qū)、四級災(zāi)強區(qū)、一級災(zāi)強區(qū).一級災(zāi)強區(qū)位于長白山天池周邊地區(qū)，占總面積的8.77%，包括撫松縣東南部、長白縣北部和安圖縣南部，主要是由于較高的極端強降水日數(shù)起主導(dǎo)作用所致.二級災(zāi)強區(qū)面積較大，占總面積的39.02%，主要包括臨江市、撫松縣西北部和長白縣中部.三級災(zāi)強區(qū)位于安圖縣大部分區(qū)域、和龍市西南部、撫松縣東部和長白縣南部，占總面積的37.11%.四級災(zāi)強區(qū)位于和龍市東部和安圖縣東部，占總面積的15.10%；該等級區(qū)域受洪水災(zāi)害致災(zāi)因子的影響較小，主要是由于較低的極端強降水日數(shù)所致.

4.2 洪水災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性等級分布

結(jié)合文獻[22-23]研究，通過咨詢相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?，本研究將長白山地區(qū)洪水災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性指數(shù)劃分為4個等級：一級穩(wěn)定區(qū)、二級穩(wěn)定區(qū)、三級穩(wěn)定區(qū)和四級穩(wěn)定區(qū)，如圖3所示，洪水災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性等級劃分情況如表3所示.

圖3 洪水災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性等級分布

表3 洪水災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性等級劃分

結(jié)合圖3和表3分析發(fā)現(xiàn)，長白山地區(qū)洪水災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性等級整體上東西兩端和長白山天池周邊地區(qū)高于中部地區(qū).各級穩(wěn)定區(qū)面積的大小排序為：三級穩(wěn)定區(qū)、四級穩(wěn)定區(qū)、二級穩(wěn)定區(qū)、一級穩(wěn)定區(qū).一級穩(wěn)定區(qū)主要位于長白山天池周邊地區(qū)，占總面積的13.52%；該等級區(qū)域內(nèi)坡度和高程較高，地形位指數(shù)較大，較高的地勢在強降水的條件下雖不容易誘發(fā)洪水災(zāi)害，但容易誘發(fā)山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害.二級穩(wěn)定區(qū)主要位于長白山地區(qū)的東西兩端，占總面積的26.90%；該等級區(qū)域內(nèi)孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性指數(shù)也較高，位于0.120 1和0.152 3之間，因而孕災(zāi)環(huán)境也較穩(wěn)定，較不容易誘發(fā)洪水災(zāi)害.三級穩(wěn)定區(qū)主要位于長白山地區(qū)中部和北部，占總面積的32.16%；該等級區(qū)域內(nèi)孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性指數(shù)較低，位于0.152 3和0.183 5之間，較容易誘發(fā)洪水災(zāi)害.四級穩(wěn)定區(qū)主要位于長白山地區(qū)的中部和北部，占總面積的27.42%；該區(qū)坡度和高程導(dǎo)致地形位指數(shù)極低，地勢較為平坦，在極端強降水的條件下極容易誘發(fā)洪水災(zāi)害.

4.3 洪水災(zāi)害承災(zāi)體脆弱性等級分布

結(jié)合文獻[22-23]研究，通過咨詢相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜遥狙芯繉㈤L白山地區(qū)洪水災(zāi)害承災(zāi)體脆弱性指數(shù)劃分為4個等級：一級脆弱區(qū)、二級脆弱區(qū)、三級脆弱區(qū)和四級脆弱區(qū)，如圖4所示，洪水災(zāi)害承災(zāi)體脆弱性等級劃分情況如表4所示.

圖4 洪水災(zāi)害承災(zāi)體脆弱性等級分布

表4 洪水災(zāi)害承災(zāi)體脆弱性等級劃分

結(jié)合圖4和表4分析發(fā)現(xiàn)，長白山地區(qū)洪水災(zāi)害承災(zāi)體脆弱性等級整體上西部較高東部較低.各級脆弱區(qū)面積大小排序為：二級脆弱區(qū)、四級脆弱區(qū)、三級脆弱區(qū)、一級脆弱區(qū)，所占比例分別為35.78%、30.78%、20.98%、12.45%.一級脆弱區(qū)位于臨江市境內(nèi)，臨江市人口密度較高，人均GDP較大，使得其脆弱性指數(shù)遠高于其他地區(qū).二級脆弱區(qū)位于撫松縣和長白縣境內(nèi)，該等級區(qū)域面積較大，其脆弱性指數(shù)集中分布在0.021 7和0.029 5之間.三級脆弱區(qū)位于和龍市境內(nèi)，在人口密度和人均GDP這兩個指標的綜合作用下，其脆弱性指數(shù)集中分布在0.003 6和0.021 7間.四級脆弱區(qū)位于安圖縣境內(nèi)，安圖縣經(jīng)濟水平相對較低，人口密度也不高，因而其脆弱性指數(shù)相對較低.

4.4 洪水災(zāi)害風險等級分布

結(jié)合文獻[22-23]研究，通過咨詢相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?，本研究將長白山地區(qū)洪水災(zāi)害風險指數(shù)劃分為4個等級：一級風險區(qū)、二級風險區(qū)、三級風險區(qū)和四級風險區(qū)，如圖5所示，洪水災(zāi)害風險等級劃分情況如表5所示.

圖5 洪水災(zāi)害風險等級分布

表5 洪水災(zāi)害風險等級劃分

結(jié)合圖5和表5分析發(fā)現(xiàn)，長白山地區(qū)洪水災(zāi)害風險等級整體表現(xiàn)為西部較高東部較低.各等級面積大小排序為：三級風險區(qū)、二級風險區(qū)、一級風險區(qū)、四級風險區(qū)，所占比例分別為31.76%、25.22%、23.56%、19.45%.一級風險區(qū)主要包括臨江市和撫松縣大部分地區(qū)，其中：撫松縣中部地勢較低平，孕災(zāi)環(huán)境較不穩(wěn)定，其南部位于一級災(zāi)強區(qū)；臨江市位于一級脆弱區(qū).該等級區(qū)域內(nèi)洪水災(zāi)害的風險較大，容易誘發(fā)農(nóng)業(yè)暴雨洪澇和城市內(nèi)澇等災(zāi)害.二級風險區(qū)主要位于長白縣北部和撫松縣北部.三級風險區(qū)主要位于三級災(zāi)強區(qū)，包括安圖縣大部分區(qū)域和和龍市南部.四級風險區(qū)主要位于四級災(zāi)強區(qū)內(nèi)，該等級區(qū)域內(nèi)致災(zāi)因子危險性較低，孕災(zāi)環(huán)境也較穩(wěn)定，承災(zāi)體脆弱性也不高，因而洪水災(zāi)害風險較低.

5 結(jié)論

采用極差法、層次分析法、綜合指數(shù)法和百分位閾值法等方法對長白山地區(qū)洪水災(zāi)害風險進行了評估.結(jié)果表明：長白山地區(qū)洪水災(zāi)害致災(zāi)因子危險性等級西南部高于東北部，天池附近最高；孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性等級東西兩端和長白山天池周邊地區(qū)高于中部地區(qū)；承災(zāi)體脆弱性等級西部較高，東部較低；長白山地區(qū)洪水災(zāi)害風險等級西部較高，東部較低，整體上呈現(xiàn)出由西部向東部逐漸遞減的趨勢.長白山地區(qū)洪水災(zāi)害風險等級面積的大小排序為：三級風險區(qū)、二級風險區(qū)、一級風險區(qū)、四級風險區(qū)，所占比例分別為31.76%、25.22%、23.56%、19.45%.從行政區(qū)劃上看，位于白山市的臨江市、撫松縣和長白縣洪水災(zāi)害風險較大，而位于延邊朝鮮族自治州的安圖縣和和龍市的洪水災(zāi)害風險則較小.走訪長白山管理委員會、白山市和延邊州氣象局等相關(guān)部門，以及通過對長白山地區(qū)洪水災(zāi)害風險分布狀況進行多次實地考察得出的結(jié)果也符合本文的研究結(jié)果.由于某一區(qū)域設(shè)防水平以及防災(zāi)減災(zāi)教育水平的定量數(shù)據(jù)較難獲取，因此本文未能考慮當?shù)氐姆罏?zāi)減災(zāi)能力及人們的防災(zāi)意識等因素.洪水災(zāi)害承災(zāi)體的適應(yīng)性和恢復(fù)力研究將是本文今后研究的方向.

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