GIS支持下的小流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分方法研究

葛 星，駱建雄

(河海大學(xué)地理信息科學(xué)與工程研究所，南京 211100)

1 研究背景

風(fēng)險(xiǎn)(Risk)概念最早在19世紀(jì)末的西方經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域提出，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、自然災(zāi)害、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域[1]。聯(lián)合國人道主義事務(wù)部(Department of Humainitarian UN)在1991年對(duì)風(fēng)險(xiǎn)作出定義：風(fēng)險(xiǎn)是指在一定區(qū)域和給定的時(shí)間內(nèi)，由于特定的自然災(zāi)害引起的人們生命財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的期望損失值，可用公式R=H×V來表示，其中R代表風(fēng)險(xiǎn)度；H代表危險(xiǎn)度；V代表易損度[2]。

國外有關(guān)洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究主要成果有，Joy Sanyal等(2005)結(jié)合GIS與RS技術(shù)利用Landsat及ERS衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)山洪災(zāi)害的易損性進(jìn)行了研究[3, 4]；Gunter BloschI等(2008)采用分布式水文模型研究了該模型在山洪災(zāi)害預(yù)測中的應(yīng)用[5]；Mohammed E1 Bastawesy等(2009)利用GIS與RS技術(shù)，通過計(jì)算地表徑流及降雨量模擬出該地區(qū)山洪的影響范圍及受災(zāi)程度[6]。我國學(xué)者在山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分方面最高開始于20世紀(jì)90年代，1996年趙士鵬對(duì)我國山洪災(zāi)害的危險(xiǎn)區(qū)劃做了定性的分析，將全國劃分為西北區(qū)、內(nèi)蒙區(qū)、青藏區(qū)、中部區(qū)、東部平原和東南區(qū)等6個(gè)區(qū)域[7]；同年史培軍對(duì)災(zāi)害的致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體作出評(píng)述，形成了災(zāi)害研究的理論體系[8]；2004年孫厚才等人對(duì)我國山洪災(zāi)害的特征、危害、成因、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等進(jìn)行了概括、分析和總結(jié)，為我國山洪災(zāi)害防治規(guī)劃的制定工作提供了參考[9]；2007年張平倉等對(duì)山洪災(zāi)害的特征和防治對(duì)策做了全面的分析，為我國各地區(qū)山洪災(zāi)害防治對(duì)策提供了參考[10]。

從我國山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究現(xiàn)狀來看，大部分學(xué)者都是對(duì)大尺度的區(qū)域進(jìn)行山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分，很少有人在縣/區(qū)級(jí)層面上進(jìn)行研究。本研究選擇江西省婺源縣樂安河上游流域?yàn)檠芯繀^(qū)，對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)性劃分和易損性劃分模型構(gòu)建，探索適用于小尺度的流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分方法。

2 研究區(qū)及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.1 研究區(qū)概況

本研究選取江西省婺源縣樂安河上游流域作為研究區(qū)，該區(qū)域?yàn)樯胶槎喟l(fā)區(qū)域，已經(jīng)作為江西省智慧流域建設(shè)的試點(diǎn)之一，數(shù)據(jù)較為齊全。

樂安河(又稱玉溪河)，為饒河支流，正源段莘水發(fā)源于婺源縣北部大庾山、五龍山南麓，南流經(jīng)段莘水庫至武口與古坦水匯合始名樂安河，整個(gè)樂安河流域全長279 km，流域面積8 989 km2。本研究選取的是樂安河上游流域，位于江西省婺源縣境內(nèi)(如圖1)，流域面積約為1 416 km2，為亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，雨量充沛、四季分明；歷年平均氣溫為16.8 ℃，多年平均降雨量為1 810 mm，流域境內(nèi)雨量分布不均，總體趨勢是東北多，西南少。

圖1 樂安河上游地理位置圖Fig.1 Le'an River upstream location map

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.2.1 流域基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)

為了更好了解樂安河流域下墊面情況，本研究收集了樂安河流域的遙感影像、土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型和質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)和數(shù)字高程模型。具體的數(shù)據(jù)情況見表1。

表1 流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情況表Tab.1 Basic data situation of the basin

2.2.2 流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)

流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，主要包括樂安河上游流域的行政區(qū)劃、道路、人口和GDP等數(shù)據(jù)，本研究收集到的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)Tab.2 Social-economic data of the basin

2.2.3 流域水文站網(wǎng)數(shù)據(jù)

樂安河上游流域內(nèi)主要有水文站有2個(gè)(汪口、三都)，水位站有6個(gè)，雨量站有19個(gè)，其地理位置分布見圖2。本研究收集了流域內(nèi)各類水文數(shù)據(jù)包括流域出口點(diǎn)、流域內(nèi)水系、流域最長匯流路徑、流域面、流域邊界、監(jiān)測站點(diǎn)(包括水文站、水位站和雨量站)和降雨數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 流域水文站網(wǎng)數(shù)據(jù)Tab.3 Hydrological station network data of the basin

圖2 樂安河上游流域水系站網(wǎng)分布Fig.2 Distribution of Water System Network

在所收集的水文數(shù)據(jù)中，樂安河上游流域被細(xì)化分為103個(gè)小流域(見圖3)，每個(gè)小流域的都帶有已經(jīng)處理好的流域?qū)傩?見表4)，包括流域的基本屬性如：流域面積、周長、形狀系數(shù)、中心點(diǎn)經(jīng)緯度；流域水文信息如：流域最長匯流路徑及比降、流域糙率和下滲率、洪峰模數(shù)等。

表4 小流域?qū)傩詳?shù)據(jù)Tab.4 The attribution of the small watershed

圖3 樂安河上游流域小流域劃分Fig.3 Classification of small watershed

2.2.4 歷史山洪調(diào)查數(shù)據(jù)

樂安河上游流域位于江西省4個(gè)暴雨中心之一，地形以中低山、丘陵為主，山區(qū)性河流坡降大，匯流速度快，非常容易受到山洪災(zāi)害的影響，根據(jù)江西省2015完成的山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目中，得到婺源縣樂安河上游流域歷史山洪災(zāi)害點(diǎn)(見圖4)和山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目中劃分的危險(xiǎn)區(qū)(見圖5)。

表5 歷史山洪災(zāi)害發(fā)生情況Fig.5 The situation of the historical floods

圖4 歷史山洪災(zāi)害點(diǎn)分布圖Fig.4 The distribution of the historical flood disaster

圖5 山洪災(zāi)害防治單元(危險(xiǎn)區(qū))分布Fig.5 The distribution of the risk flood area

3 研究方法

3.1 危險(xiǎn)性劃分

本文從風(fēng)險(xiǎn)的定義公式R=H×V出發(fā)，其中R代表風(fēng)險(xiǎn)度，H代表危險(xiǎn)度，V代表易損度來展開研究。

3.1.1 危險(xiǎn)性因子選擇

根據(jù)查閱資料及相關(guān)規(guī)定，自然災(zāi)害的危險(xiǎn)性是指可能導(dǎo)致災(zāi)害的自然過程發(fā)生的規(guī)模頻率集總，是描述潛在的致災(zāi)過程易發(fā)程度的指標(biāo)。促使山洪災(zāi)害發(fā)生的原因主要有暴雨、流域特性、地形地貌、土地利用、土壤質(zhì)地特性等自然因素有關(guān)，其中暴雨是誘發(fā)山洪災(zāi)害最重要的外力因素，地形地貌、土地利用、土壤等是山洪災(zāi)害形成的最基本的下墊面因子?；趯?duì)山洪災(zāi)害發(fā)生危險(xiǎn)性的理解和文獻(xiàn)的總結(jié)，本研究選取以下8個(gè)指標(biāo)作為樂安河上游山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估指標(biāo)(見圖6)。

表6 危險(xiǎn)性因子指標(biāo)量化Tab.6 The quantification of the risk factor indicator

圖6 危險(xiǎn)性因子指標(biāo)選取Fig.6 The choice of the risk factor indicator

3.1.2 邏輯回歸模型構(gòu)建

本文研究樂安河上游發(fā)生山洪災(zāi)害和未發(fā)生山洪災(zāi)害2個(gè)變量，因此采用二值化回歸模型(Binary Logistics)。在本研究的邏輯回歸分析中，因變量Y是一個(gè)二分類變量，其值取0或1，Y=1代表發(fā)生山洪災(zāi)害；Y=0代表未發(fā)生山洪災(zāi)害。影響Y取值的n個(gè)自變量分別為X1，X2，X3，…，Xn，在n個(gè)自變量的作用下山洪災(zāi)害發(fā)生的條件概率為P=P(Y=1|X1，X2，…，Xn)，邏輯回歸模型可表示為：

zi=a0+a1Xi1+a2Xi2+anXin

(2)

式中：zi代表中間變量參數(shù)；a0代表回歸常數(shù)；ai代表第j個(gè)變量的回歸系數(shù)(i，j=1，2，…，n)；Xij代表第i個(gè)單元中第j個(gè)變量的取值，發(fā)生山洪災(zāi)害取1，否則取0；Pi代表第i號(hào)單元內(nèi)發(fā)生山洪災(zāi)害概率的回歸預(yù)測(i=1，2，…，n)。

以已知的歷史山洪災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)的位置及隨機(jī)生成的72個(gè)樣本點(diǎn)共144個(gè)樣本格網(wǎng)作為模型輸入數(shù)據(jù)，整個(gè)模型的構(gòu)建和求解都是基于SPSS分析軟件中實(shí)現(xiàn)，最終在8個(gè)危險(xiǎn)性指標(biāo)中選擇了3個(gè)(坡度、高程、和河網(wǎng)緩沖指標(biāo))具有顯著性指標(biāo)為最佳模型組合，具體結(jié)果見表7，可以得出3個(gè)指標(biāo)不同權(quán)重的系數(shù)，其中每一類指標(biāo)分級(jí)的最后一級(jí)作為參考級(jí)，系數(shù)均為0。

表7 邏輯回歸危險(xiǎn)性指標(biāo)各級(jí)系數(shù)Tab.7 The coefficients of logistic regression model

根據(jù)邏輯回歸結(jié)果的各級(jí)指標(biāo)系數(shù)，求解可得整個(gè)樂安河上游流域山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性劃分結(jié)果(如圖7所示)，將山洪災(zāi)害發(fā)生的概率P(0～1)的值在0～0.2之間定為山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性很低區(qū)域；在0.2～0.4之間定義為山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性低區(qū)域；在0.4～0.6之間定義為山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性中等區(qū)域；在0.6～0.8之間定義為山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性高區(qū)域；在0.8～1之間定義為山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性很高區(qū)域。

圖7 山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性邏輯回歸結(jié)果Fig.7 The results of the logistic regression model

3.2 易損性劃分

山洪災(zāi)害易損性是指發(fā)生山洪災(zāi)害后，暴露于危險(xiǎn)的人口財(cái)產(chǎn)以及人口財(cái)產(chǎn)對(duì)危險(xiǎn)的抵御能力。本研究根據(jù)文獻(xiàn)查閱及數(shù)據(jù)收集的情況，引用劉希林教授提出的災(zāi)害易損性指標(biāo)，并對(duì)其模型進(jìn)行了簡化。由于研究區(qū)為婺源縣樂安河上游流域，在小尺度的研究中對(duì)于地區(qū)的固定資產(chǎn)投資可以忽略，所有本研究中去除了物質(zhì)易損性指標(biāo)，保留了樂安河上游三類易損度指標(biāo)，分別為人口易損度指標(biāo)(V1)、經(jīng)濟(jì)易損度指標(biāo)(V2)和環(huán)境易損度指標(biāo)(V3)。具體的模型公式如下：

V=[(FV1+FV2+FV3)/3]0.5

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：V代表山洪災(zāi)害易損程度；V1代表人口易損度指標(biāo)；V2代表經(jīng)濟(jì)易損度指標(biāo)；V3代表環(huán)境易損度指標(biāo)；Bi代表各類土地資源基價(jià)，元/m2；Ai代表各類土地利用類型面積，km2；FV1，F(xiàn)V2，F(xiàn)V3代表各類指標(biāo)定量賦值；m,n,l代表指定的常數(shù)項(xiàng)。

在最終的山洪災(zāi)害易損度劃分結(jié)果中，易損度的取值是0～1之間的值，為了使最終的結(jié)果能與危險(xiǎn)性結(jié)果相匹配，本研究將山洪災(zāi)害易損性分為五個(gè)等級(jí)：易損性值在0～0.2之間定為山洪災(zāi)害易損性很低區(qū)域；在0.2～0.4之間定義為山洪災(zāi)害易損性低區(qū)域；在0.4～0.6之間定義為山洪災(zāi)害易損性中等區(qū)域；在0.6～0.8之間定義為山洪災(zāi)害易損性高區(qū)域；在0.8～1之間定義為山洪災(zāi)害易損性很高區(qū)域(見圖9)。

4 山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分

4.1 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分

通過前面對(duì)危險(xiǎn)性和易損性模型的構(gòu)建，已經(jīng)分別得到樂安河上游流域山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性和易損性劃分結(jié)果，根據(jù)聯(lián)合國人道主義提出的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的定義，本研究對(duì)樂安河流域上游山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)定義為山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性與易損性的乘積。由于之前對(duì)危險(xiǎn)性和易損性結(jié)果都分為5級(jí)，分級(jí)范圍都是0～0.2；0.2～0.4；0.4～0.6；0.6～0.8；0.8～1，將危險(xiǎn)性與易損性相乘之后，可得到山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性的5個(gè)等級(jí)劃分(見圖10)，分別為：0～0.04表示山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)很低；0.04～0.16表示山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)低；0.16～0.36表示山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)中等；0.36～0.64表示山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高；0.64～1表示山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)很高。

圖8 易損性因子指標(biāo)選取Fig.8 The choice of Vulnerability factor indicator

圖9 山洪災(zāi)害易損性轉(zhuǎn)換賦值函數(shù)結(jié)果Fig.9 The result of the transformation assignment function

圖10 山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分結(jié)果Fig.10 Flash flood risk classification results

4.2 精度驗(yàn)證

在2015年完成的江西省山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目中，可以提取婺源縣樂安河上游流域范圍內(nèi)居民點(diǎn)的防治類型，其中居民點(diǎn)防治類型分為低、中、高三個(gè)等級(jí)。本研究采用防治類型中和高兩個(gè)等級(jí)的防治點(diǎn)(共134個(gè))對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)劃分的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)(見圖11)，從表8的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，在流域面積33.18%的中等、高和很高的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域中，有79.11%的已劃分的山洪災(zāi)害防治類型點(diǎn)(中和高)被驗(yàn)證，說明樂安河山洪災(zāi)害劃分的結(jié)果具有合理性，本研究的方法適合較小尺度的山丘區(qū)流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分。

表8 山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分結(jié)果驗(yàn)證表Tab.8 The verification table of classification result

圖11 山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分結(jié)果驗(yàn)證Fig.11 The verification of classification result

5 結(jié) 論

本研究根據(jù)聯(lián)合國人道主義事務(wù)部對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的定義，將樂安河上游流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)定為流域內(nèi)山洪災(zāi)害的危險(xiǎn)性與易損性的乘積，主要研究了邏輯回歸模型對(duì)山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性的劃分，轉(zhuǎn)換賦值函數(shù)對(duì)山洪災(zāi)害易損性的劃分，并對(duì)最終的山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分進(jìn)行了合理性驗(yàn)證。具體研究結(jié)果如下：

(1)對(duì)山洪災(zāi)害的危險(xiǎn)性采用二分類的邏輯回歸模型進(jìn)行模擬求解，以歷史山洪災(zāi)害發(fā)生的實(shí)際位置點(diǎn)結(jié)合流域內(nèi)隨機(jī)生成的等量隨機(jī)點(diǎn)作為模型樣本，將山洪災(zāi)害發(fā)的概率作為因變量，選取流域8個(gè)危險(xiǎn)性指標(biāo)作為自變量，經(jīng)模型回歸后最終選取流域坡度、高程和河網(wǎng)緩沖作為最優(yōu)模型的自變量，得出流域內(nèi)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分結(jié)果。

(2)對(duì)山洪災(zāi)害易損性采用轉(zhuǎn)換賦值函數(shù)法，將流域山洪災(zāi)害易損性定義為人口易損度指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)易損度指標(biāo)和環(huán)境易損度指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，得出流域山洪災(zāi)害易損性結(jié)果。

(3)通過山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性和易損性的乘積得到最終樂安河上游流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分結(jié)果，并利用山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目中的防治點(diǎn)對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明樂安河上游小流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分結(jié)果較為合理，證明了該方法對(duì)小流域山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分是可行的。

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