四川省縣域公路洪災(zāi)危險評價研究*

林孝松，劉 強，陳洪凱，唐紅梅，王梅力，趙 宇

（1.重慶交通大學(xué)巖土工程研究所，重慶400074；2.重慶交通大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶400074）

四川省縣域公路洪災(zāi)危險評價研究*

林孝松1，2，劉 強2，陳洪凱1，唐紅梅1，王梅力2，趙 宇2

（1.重慶交通大學(xué)巖土工程研究所，重慶400074；2.重慶交通大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶400074）

以四川省縣域公路洪災(zāi)為研究對象，在影響因子分析基礎(chǔ)上，從地形地貌、降雨、巖性、河網(wǎng)及植被等方面構(gòu)建了縣域公路洪災(zāi)危險評價指標(biāo)體系，利用層次分析和專家效度相耦合方法計算各指標(biāo)權(quán)重值，采用綜合指數(shù)法建立公路洪災(zāi)危險評價綜合指數(shù)模型。在ArcGIS軟件支持下，獲取各評價指標(biāo)數(shù)據(jù)，匯總各區(qū)縣網(wǎng)格數(shù)據(jù)，計算得到各區(qū)縣公路洪災(zāi)危險指數(shù)綜合值，依據(jù)相應(yīng)閾值將四川省縣域公路洪災(zāi)劃分為高、中、低和微危險四個等級。研究表明：四川省縣域公路洪災(zāi)危險綜合指數(shù)值在31.21～71.63之間，以中、低危險兩個等級為主。

公路洪災(zāi)；危險評價；綜合分區(qū)；縣域；四川省

山區(qū)公路作為交通系統(tǒng)的重要組成部分，在山區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展中起著非常重要的作用。但其作為一種帶狀構(gòu)筑物，經(jīng)過路線長，面臨復(fù)雜的地形、地質(zhì)、水文和氣象條件，其洪災(zāi)防治問題非常突出且復(fù)雜。據(jù)中國交通運輸部2006-2010年統(tǒng)計，中國公路洪水災(zāi)害造成直接經(jīng)濟損失共計659.37億元。未來全球變化導(dǎo)致的極端氣象事件不斷增多將使我國公路洪災(zāi)防治工作變得更嚴峻。至今，國內(nèi)外科研人員和高校學(xué)者在公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境［1-5］、危險性［6-11］、易損性［12-13］和風(fēng)險評價與預(yù)警［14-16］等方面開展了大量工作，取得了較豐碩成果。

以四川省縣域公路洪災(zāi)為研究對象，從地形地貌、降雨、巖性、河網(wǎng)及植被等方面構(gòu)建公路洪災(zāi)危險評價指標(biāo)體系，采用綜合指數(shù)法建立公路洪災(zāi)危險評價綜合指數(shù)模型，依據(jù)公路洪災(zāi)危險指數(shù)綜合值以縣級行政區(qū)為評價單元進行公路洪災(zāi)危險等級劃分。

1 研究區(qū)域概況

四川省地處長江上游，介于97°21′～108°33′E、26°03′～34°19′N之間，幅員面積48.6萬km2。地勢總體特征為西高東低，由西北向東南逐漸傾斜（圖1）。降水受季風(fēng)環(huán)流和復(fù)雜地形綜合作用影響，局地性差異非常明顯，是中國降水差異大、變化復(fù)雜的地區(qū)之一。四川省全省2012年末常住人口8 076.2萬人，GDP為23 872.80億元，公路總里程293 499 km，公路旅客周轉(zhuǎn)量1 005×109（人·km），公路貨運量158 396萬t。

圖1 四川省DEM圖

據(jù)公路管理部門統(tǒng)計資料顯示，2003年至今，四川省每年公路洪災(zāi)造成直接經(jīng)濟損失在5億元～17億元之間，其中2009年，四川省廣元、綿陽、達州、阿壩等21個市（州）公路遭受暴雨洪災(zāi)襲擊，造成公路大面積損毀，公路中斷共計2 839處，直接經(jīng)濟總損失達16.81億元。四川省現(xiàn)有縣級行政單位181個，在論文研究中因?qū)⒉糠殖菂^(qū)單位進行合并，最終評價單元總計為160個。

2 公路洪災(zāi)危險評價指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 公路洪災(zāi)影響因子分析

地形地貌是影響公路洪水災(zāi)害形成和發(fā)生的主要下墊面因子。在降雨條件相同的情況下，地形和地貌條件影響著公路洪災(zāi)的特性和規(guī)模大小。地形對公路洪災(zāi)的影響主要體現(xiàn)在地勢高低和地形變化兩個方面，其中可采用微地貌類型和地形坡位表征地勢高低，用地形坡度表征地形變化。

降雨因子是造成公路洪災(zāi)的直接原因和激發(fā)條件，公路洪災(zāi)的形成與降雨量、降雨強度關(guān)系密切。通常情況下，降雨量大意味著雨強高、激發(fā)力大，很容易產(chǎn)生溪河洪水、泥石流及滑坡等災(zāi)害。四川省降雨豐富區(qū)與公路洪災(zāi)空間分布的吻合一致性反映出降雨與公路洪災(zāi)的直接關(guān)系。

公路沿線地層巖性影響公路洪災(zāi)的形成。巖性不同，其風(fēng)化速度存在較大差異，軟弱巖層比堅硬巖層更容易遭受破壞，同時也越容易提供松散物質(zhì)；巖性組合不同影響風(fēng)化作用的強度和速度，軟硬相間的巖性組合比巖性均一的巖石更容易受到風(fēng)化，其侵蝕也更強烈，有利于泥石流和滑坡的孕育；巖性主要通過地貌和雨水入滲能力影響溪河洪水的形成，通常情況下如巖性堅硬致密則其入滲能力差，地表徑流易匯集形成洪水。

河網(wǎng)分布與氣候、土壤、巖性、植被、人類活動密切相關(guān)。河網(wǎng)疏密程度反映一個地區(qū)的降雨和下墊面條件，也間接反映洪水危險的大小。對于公路洪災(zāi)而言，公路離水系越近，其遭受洪水損毀的可能性越大，危險性也相應(yīng)越高。

植被對降雨有截留、遮擋等作用，有利于雨水入滲，減緩匯流速度，減少匯流量。不同的植被覆蓋度對洪災(zāi)的發(fā)生有著重要影響：植被稀疏地區(qū)降雨匯流迅速，易于形成洪峰；植被濃密地區(qū)，植被能減緩降雨匯流，延緩洪峰形成，降低洪災(zāi)爆發(fā)機率。

2.2 公路洪災(zāi)危險分區(qū)評價指標(biāo)選取與量化

在分析洪災(zāi)影響因素和四川省公路洪災(zāi)資料統(tǒng)計基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)專家意見，將四川省縣域公路洪災(zāi)危險評價劃分為高、中、低和微危險4個等級，選取微地貌類型（x1）、地形坡位（x2）、地形坡度（x3）、年均降雨量（x4）、24 h降雨量（x5）、巖性條件（x6）、河網(wǎng)密度（x7）和植被覆蓋度（x8）等8個因子作為洪災(zāi)危險評價指標(biāo)，并建立了相應(yīng)分級賦值量化標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

表1 四川省公路洪災(zāi)危險評價指標(biāo)及量化表

2.3 公路洪災(zāi)危險評價指標(biāo)權(quán)重計算

將層次分析法和物元專家效度法進行耦合，計算公路洪災(zāi)危險評價指標(biāo)權(quán)重值，其主要步驟如下：首先征求18位相關(guān)專家的意見，利用層次分析法構(gòu)建判斷矩陣，計算得到各評價指標(biāo)專家權(quán)重值；然后利用物元可拓專家效度法［17］對專家權(quán)重進行修正得到最終權(quán)重值為微地貌類型（0.174 0）、地形坡位（0.125 9）、地形坡度（0.091 0）、年均降雨量（0.067 2）、24 h降雨量（0.210 1）、巖性條件（0.106 0）、河網(wǎng)密度（0.148 0）和植被覆蓋度（0.077 8）。

3 公路洪災(zāi)危險評價數(shù)據(jù)獲取

3.1 地形地貌數(shù)據(jù)獲取

基于30 m分辨率的四川省DEM數(shù)據(jù)，采用地形坡位指數(shù)（Topographic Position Index，TPI）計算方法獲取研究區(qū)地形坡位和微地貌類型。其中TPI值的計算主要通過柵格高程與鄰域柵格平均高程之差獲得。如果某柵格TPI＞0，則說明其處于凸起地形；如TPI＜0，則表明其位于下凹地形；如TPI＝0，則說明其位于平坦地帶［18］。地形坡位指數(shù)的計算與鄰域范圍大小有關(guān)，在研究中采用3×3 DEM網(wǎng)格矩形鄰域窗口提取得到四川省TPI值。

通?？刹捎瞄撝岛蜆?biāo)準(zhǔn)偏差兩種方法進行地形坡位的劃分［18］。在四川省地形坡位類型劃分中，采用TPI標(biāo)準(zhǔn)偏差方法并結(jié)合坡度值按照山谷谷地（TPI≤－1SD）、山坡下部（－1SD＜TPI≤－0.5SD）、平地山坡（－0.5SD＜TPI≤0.5SD且坡度≤5°）、山坡中部（－0.5SD＜TPI≤0.5SD且坡度＞5°）、山坡上部（0.5SD＜TPI≤1SD），山脊（TPI＞1SD）等標(biāo)準(zhǔn)進行劃分，由此得到四川省地形坡位分布圖（圖2）。

圖2 四川省地形坡位分布圖

按照Weiss劃分標(biāo)準(zhǔn)［19］，利用研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，采用5×5和11×11兩種不同尺寸矩形鄰域計算研究區(qū)TPI值，并將計算得到的兩種尺度TPI值進行耦合，最終得到四川省10種微地貌類型（圖3）。

圖3 四川省微地貌類型分布圖

基于四川省DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件坡度提取功能，得到四川省地形坡度數(shù)據(jù)（圖4）。

圖4 四川省坡度分布圖

3.2 降雨數(shù)據(jù)獲取

基于全國1 km×1 km分辨率多年平均降雨網(wǎng)格數(shù)據(jù)，利用ArcGIS柵格計算功能得到四川省年均降雨分布數(shù)據(jù)（圖5）并按照前述分級標(biāo)準(zhǔn)進行分級量化；以縣級行政區(qū)評價單元為基準(zhǔn)，利用ArcGIS分區(qū)統(tǒng)計功能，采用匯總求平均方法得到四川省各區(qū)縣多年平均降雨數(shù)據(jù)。

利用四川省多年平均24 h降雨量等值線數(shù)據(jù)，采用ArcGIS軟件空間插值方法計算得到柵格化的四川省24 h降雨量分布數(shù)據(jù)；按照前述分級量化標(biāo)準(zhǔn)進行賦值量化，得到四川省24 h降雨量量化分值圖（圖6）；以縣級行政區(qū)評價單元為基準(zhǔn)，采用ArcGIS鄰域分析功能中的匯總求平均方法得到四川省各區(qū)縣24 h降雨量數(shù)值。

3.3 巖性數(shù)據(jù)獲取

利用MapGIS將四川省1∶50萬紙質(zhì)地質(zhì)圖進行矢量化，得到研究區(qū)巖性數(shù)據(jù)；按照前述標(biāo)準(zhǔn)將各種巖性歸并為四類并進行分級量化賦值，得到四川省地質(zhì)巖性量化分值圖（圖7）。

3.4 河網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取

以四川省1∶25萬河網(wǎng)水系圖為基礎(chǔ)，利用MapGIS軟件將河網(wǎng)數(shù)據(jù)進行矢量化，得到四川省河網(wǎng)水系分布圖（圖8）；將水系和縣級行政區(qū)進行空間疊加，匯總得到各區(qū)縣河網(wǎng)水系長度；利用各區(qū)縣河網(wǎng)長度和區(qū)縣面積計算得到各區(qū)縣河網(wǎng)密度，并依據(jù)前述標(biāo)準(zhǔn)進行分級量化賦值。

3.5 植被覆蓋數(shù)據(jù)獲取

首先以四川省1∶50萬土地覆被類型（圖9）為原始數(shù)據(jù)，通過野外實地調(diào)查，并征求相關(guān)專家意見后按照森林（90%）、灌木林地（65%）、疏林（60%）、草地（40%）、山地草甸（30%）、水田（25%）、旱地（20%）、城市（10%）、寒冷荒漠（5%）、裸地（4%）和冰川（1%）轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)獲得四川省植被覆蓋度數(shù)據(jù)；然后在此基礎(chǔ)上對其進行分級量化賦值；最后以縣級評價單元為基準(zhǔn)，采用匯總求平均方法得到四川省各區(qū)縣植被覆蓋度量化數(shù)值。

4 公路洪災(zāi)危險分區(qū)及結(jié)果分析

4.1 縣域公路洪災(zāi)危險分區(qū)模型建立

選取影響公路洪災(zāi)危險指標(biāo)因子并獲取原始數(shù)據(jù)，對各指標(biāo)進行分級量化，得到各指標(biāo)量化值；依據(jù)各指標(biāo)重要性程度計算權(quán)重；利用多因素綜合指數(shù)法以線性加權(quán)求和形式建立縣域公路洪災(zāi)危險分區(qū)評價模型，并計算各評價單元公路洪災(zāi)危險分區(qū)綜合指數(shù)值。模型公式為：

式中：H為洪災(zāi)危險分區(qū)綜合指數(shù)，H越大表示公路洪災(zāi)危險程度越高；Zi為危險分區(qū)各評價指標(biāo)量化值；Wi為各指標(biāo)權(quán)重。

4.2 縣域公路洪災(zāi)危險分區(qū)

按照危險評價指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)對四川省公路洪災(zāi)危險分區(qū)各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進行分級量化；基于160個縣級評價單元對量化值進行匯總求平均，得到四川省各區(qū)縣公路洪災(zāi)危險分區(qū)指標(biāo)數(shù)據(jù)；利用式（1）計算得到各區(qū)縣公路洪災(zāi)危險分區(qū)綜合指數(shù)值；按照分區(qū)量化標(biāo)準(zhǔn)和各指標(biāo)權(quán)重值計算得到縣域公路洪災(zāi)各危險分區(qū)閾值為：微危險（≤21.59）、低危險（21.59～46.59）、中危險（46.59～75.53）和高危險（＞75.53）；同時按照閾值平分原則將低危險細分為低下（21.59～34.09）和低上（34.09～46.59）兩個等級；將中危險細分為中下（46.59～61.06）和中上（61.06～75.53）兩個等級。最終得到四川省縣域公路洪災(zāi)危險分區(qū)結(jié)果（圖10，表2）。

表2 四川省縣域公路洪災(zāi)危險分區(qū)情況表

從危險分區(qū)結(jié)果來看，四川省縣域公路洪災(zāi)危險綜合指數(shù)值在31.21～71.63之間，以低危險和中危險兩個等級為主，無高危險和微危險等級。其中低危險等級區(qū)占總面積的63.42%，中危險等級區(qū)縣數(shù)高達104個，占區(qū)縣總數(shù)的65%。從空間分布來看，中危險區(qū)主要分布在四川省中東部和南部，低危險區(qū)主要集中在西部和西北部。

5 結(jié)論

（1）以四川省縣域為評價單元，在公路洪災(zāi)影響因素分析基礎(chǔ)上，構(gòu)建了由微地貌類型、地形坡位、地形坡度、年均降雨量、24 h降雨量、巖性條件、河網(wǎng)密度和植被覆蓋度等8個因子組成的縣域公路洪災(zāi)危險評價綜合指標(biāo)體系。

（2）在GIS支持下，利用TPI方法和DEM數(shù)據(jù)獲得微地貌類型、地形坡位和地形坡度等指標(biāo)網(wǎng)格數(shù)據(jù)；利用空間插值方法得到年均降雨量和24 h降雨量數(shù)據(jù)；基于地質(zhì)巖性圖和土地覆被類型圖，通過量化得到巖性條件和植被覆蓋度網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

（3）將各指標(biāo)網(wǎng)格值按照區(qū)縣進行匯總，基于綜合指數(shù)法建立公路洪災(zāi)危險評價指數(shù)模型，計算得到各區(qū)縣公路洪災(zāi)危險指數(shù)綜合值，并按照相應(yīng)閾值將縣域公路洪災(zāi)劃分為高、中、低和微危險四個等級。研究結(jié)果表明：四川省縣域公路洪災(zāi)危險綜合指數(shù)值在31.21～71.63之間，以中危險和低危險為主。

圖5 四川省年均降雨量分布圖

圖6 四川省24 h降雨量量化分值圖

圖7 四川省地質(zhì)巖性量化分值圖

圖8 四川省河網(wǎng)水系分布圖

圖9 四川省土地覆被類型圖

圖10 四川省縣域公路洪災(zāi)危險分區(qū)圖

（4）研究結(jié)果體現(xiàn)的是四川省各區(qū)縣整體情況，雖然與縣域部分路段的實際情況難免存在一定程度的偏差，但研究結(jié)果可為相關(guān)政府及公路管理部門提供宏觀的縣域公路洪災(zāi)危險分區(qū)信息，為汛期防災(zāi)減災(zāi)提供輔助決策支持。

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Hazard Evaluation for Highway Flood of County Territory in Sichuan Province

Lin Xiaosong1，2，Liu Qiang2，Chen Hongkai1，2，Tang Hongmei1，2，Wang Meili2and Zhao Yu2
（1.Institute of Geotechnical Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；2.School of Architecture and Urban Planning，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Based on highway flood in Sichuan province，5 factors including topography and geomorphology，rainfall，lithology，river network and vegetation coverage are selected to construct the index system of hazards evaluation.The index weight are obtained through the combination of AHP and expert reliability，and the comprehensive index evaluation model for hazards evaluation is built by comprehensive indexmethod.Supported by ArcGIS，comprehensive index for hazards evaluation in each grid is calculated by the analysis data of each index precisely obtained，then hazard evaluation of highway flood in Sichuan province are divided into different zones according to county administrative districts.The results show that the comprehensive index of hazards evaluation ranges from 31.21 to71.63，and the hazard evaluation zones aremainly distributed in middle and low hazard area.

highway flood；hazard evaluation；comprehensive regionalization；county territory；Sichuan Province

X951；P954；X43

A

1000-811X（2015）04-0079-06

10.3969／j.issn.1000-811X.2015.04.016

林孝松，劉強，陳洪凱，等.四川省縣域公路洪災(zāi)危險評價研究［J］.災(zāi)害學(xué)，2015，30（4）：79-84.［Lin Xiaosong，Liu Qiang，Chen Hongkai，etal.Hazard evaluation for highway flood of county territory in Sichuan Province［J］.Journal of Catastrophology，2015，30（4）：79-84.］

2015-04-08

2015-05-21

國家自然科學(xué)基金項目（41071017，51479015）；西部交通科技項目（2009318221035）；重慶市自然科學(xué)基金項目（CSTC2011JJA30012）；2013年重慶高校創(chuàng)新團隊建設(shè)計劃資助項目（KJTD201305）

林孝松（1976-），男，湖南綏寧人，博士，教授，主要從事自然災(zāi)害與地理信息系統(tǒng)方面的研究.

E-mail：lxsgis＠163.com