基于GIS的承德市冰雹災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

彭九慧，王 多，趙 巖，楊慶紅

（1.承德市氣象局，河北 承德067000；2.河北民族師范學(xué)院，河北 承德 067000）

冰雹災(zāi)害在我國是一種頻發(fā)性自然災(zāi)害。其出現(xiàn)范圍雖較小，時間短促，但來勢猛、強度大，常伴隨狂風(fēng)、強降水等陣發(fā)災(zāi)害性天氣[1]。國內(nèi)外最近幾年的研究進(jìn)展表明，在避免和減少自然災(zāi)害損失的所有可能措施中，在科學(xué)分析和研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃，是相對比較簡單有效的方法[2-5]。劉敏等[6]依據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險分析原理分析了湖北省雨澇災(zāi)害的評價因子并以能綜合體現(xiàn)風(fēng)險程度的風(fēng)險指數(shù)作為指標(biāo)，對湖北省雨澇災(zāi)害進(jìn)行了風(fēng)險區(qū)劃；萬君等[7]從洪澇災(zāi)害的危險性及社會經(jīng)濟(jì)易損性出發(fā)，對湖北省暴雨頻次、地形、河網(wǎng)密度、土地覆蓋以及耕地面積、人均GDP、人口密度等因素，運用地理信息系統(tǒng)（GIS）空間分析方法進(jìn)行了洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估；扈海波、董鵬捷等[8-10]通過專家打分法，以區(qū)縣GDP或人口分布作為易損性指標(biāo)，建立數(shù)學(xué)模型，對重慶地區(qū)和北京奧運期間冰雹災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行研究。本文利用承德市近37 a的氣象觀測資料、精細(xì)到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的737個雹災(zāi)個例資料，精細(xì)化的社會經(jīng)濟(jì)資料，DEM（Digital Elevation Model）資料，防雹高炮、火箭點的分布資料等，選取風(fēng)險評價因子，計算各因子及其對應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重，從雹災(zāi)的危險性、易損性、敏感性、防災(zāi)減災(zāi)能力4個方面構(gòu)建冰雹災(zāi)害風(fēng)險評價模型，結(jié)合GIS技術(shù)，對承德市冰雹災(zāi)害進(jìn)行精細(xì)化的風(fēng)險區(qū)劃，以期為農(nóng)業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)和城市防雹減災(zāi)決策提供依據(jù)。

1 資料來源與數(shù)據(jù)處理

1.1 資料來源

選取1980—2016年承德市近37 a各縣區(qū)9個代表站冰雹氣象觀測資料、承德市民政局提供的近37 a精細(xì)到205個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的全市冰雹災(zāi)情資料、基準(zhǔn)年為2010年的精細(xì)到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的全市耕地面積資料、經(jīng)濟(jì)林面積資料、人口密度資料、比例尺1∶50 000的DEM資料、市氣象局最新的防雹高炮、火箭點分布資料。

1.2 數(shù)據(jù)歸一化處理

由于冰雹災(zāi)害風(fēng)險評價各指標(biāo)量綱不同，為了對不同單位的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，需對各評價指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，本文選用公式（1）將所有資料轉(zhuǎn)化為0～1可計算的無量綱指標(biāo)。公式如下：

其中，Xi′與 Xi分別表示像元的量化值和原始值，Xmax與 Xmin分別表示指標(biāo)i在所有像元中的最大值和最小值，均一化處理后，用于圖層計算的所有數(shù)據(jù)取值范圍均在0～1。

1.3 柵格數(shù)據(jù)處理

本文以柵格為評價單元進(jìn)行冰雹災(zāi)害風(fēng)險評價研究，在進(jìn)行ArcGIS空間分析時，要對每個圖層賦予不同權(quán)重進(jìn)行計算疊加。要求每個圖層的柵格大小必須設(shè)為一致，本研究中采用投影坐標(biāo)系，將每個圖層?xùn)鸥駟卧笮≡O(shè)置為100 m×100 m。

1.4 評價指標(biāo)的處理方法

層次分析法是一種簡單實用的多準(zhǔn)則決策方法[11]。主要原理：建立層次結(jié)構(gòu)模型；然后通過元素之間的成對比較和比較尺度構(gòu)造判斷矩陣，最后根據(jù)判斷矩陣計算權(quán)向量并做一致性檢驗，近年來層次分析法已成為災(zāi)害風(fēng)險評價領(lǐng)域一種常用的方法。本文對于冰雹風(fēng)險區(qū)劃的各評價指標(biāo)采用層次分析法構(gòu)造判斷矩陣來確定各評價指標(biāo)的權(quán)重。

對冰雹災(zāi)害的危險性、承災(zāi)體的易損性、這種多因子組合的評價指標(biāo)，受參與成員個數(shù)的限制采用綜合加權(quán)評價法進(jìn)行處理、其基本原理是根據(jù)各因子相對于評價對象的重要程度確定其權(quán)重，加權(quán)求和后得到評價對象的評價指數(shù)，再對評價指數(shù)進(jìn)行分級。

2 計算各評價指標(biāo)

2.1 危險性因子

某地的降雹頻次大、受雹災(zāi)的頻次大，說明冰雹災(zāi)害致災(zāi)因子較活躍，災(zāi)害發(fā)生的概率大。承德市的冰雹主要出現(xiàn)在4—10月，降雹頻次北部縣區(qū)多于中南部縣區(qū)，降雹頻次豐寧縣最多，37 a降雹次數(shù)為118次，其次是圍場縣105次，其他縣區(qū)在90次以下；從雹災(zāi)出現(xiàn)頻次看豐寧縣出現(xiàn)頻次最多167次，隆化縣次之為152次，其他縣區(qū)在100次以下，由于各地降雹頻次與雹災(zāi)出現(xiàn)的頻次并不一致，因此，在對歷史災(zāi)情與降雹頻次分析的基礎(chǔ)上，確定致災(zāi)因子危險性采用降雹頻次和雹災(zāi)頻次綜合加權(quán)求和的危險性指數(shù)來表征，降雹頻次與雹災(zāi)頻次分別采用近37 a精細(xì)到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的年均降雹日數(shù)與年均遭受雹災(zāi)日數(shù)進(jìn)行分級，降雹頻次與雹災(zāi)頻次進(jìn)行歸一化處理后，加權(quán)疊加分級（分級標(biāo)準(zhǔn)見表1）得到承德市冰雹災(zāi)害危險性分布（圖1c）。

表1 冰雹災(zāi)害評價指標(biāo)歸一化指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

從圖1中可以看出承德市降雹頻次較多的地區(qū)，位于承德市北部和東部縣區(qū)，遭受雹災(zāi)嚴(yán)重的地區(qū)主要位于承德市的西北部到中部，冰雹災(zāi)害的高危險區(qū)與次高危險區(qū)則分布在承德市西北部及東部部分地區(qū)。

2.2 孕災(zāi)環(huán)境因子

孕災(zāi)環(huán)境主要指致災(zāi)因子、承災(zāi)體所處的自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境。分析承德市多年平均降雹頻次與海拔高度關(guān)系發(fā)現(xiàn)，多年平均降雹頻次與海拔高度基本上呈正相關(guān)關(guān)系，隨著海拔高度的升高，降雹發(fā)生的次數(shù)增多，主要是較高海拔地區(qū)受地形抬升影響容易產(chǎn)生強對流天氣，因此，確定孕災(zāi)環(huán)境敏感性主要考慮海拔高度。利用ArcGIS將1∶50000的數(shù)字高程模型圖輸出柵格數(shù)據(jù)，并進(jìn)行歸一化理后，分級（分級標(biāo)準(zhǔn)見表1）得到承德市冰雹災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性分布（圖2）。

圖1 承德市降雹頻次指數(shù)（a）、雹災(zāi)頻次指數(shù)（b）與冰雹災(zāi)害綜合危險性指數(shù)（c）分布

圖2 承德市冰雹災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性分布

承德市地形北高南低，從圖2可以看出，承德市冰雹災(zāi)害高敏感區(qū)主要位于承德市的北部，以及興隆縣北部燕山山脈和平泉市北部的高海拔地區(qū)。

2.3 承災(zāi)體的易損性因子

承災(zāi)體的物理暴露性（亦稱為易損性）是指暴露在致險要素影響范圍內(nèi)的承險體數(shù)目或價值量，對風(fēng)險而言，物理暴露量越多，應(yīng)災(zāi)能力越弱，其災(zāi)害風(fēng)險也就越大。承德市近37 a冰雹災(zāi)情資料分析顯示，冰雹受災(zāi)的對象主要是大田農(nóng)作物與經(jīng)濟(jì)林果，以及一些車輛，因此確定承災(zāi)體易損性主要考慮大田耕地面積、易損經(jīng)濟(jì)林面積和擁有車輛呈正相關(guān)的人口密度3個因子。數(shù)據(jù)經(jīng)過歸一化處理后分級（表2）得到耕地面積、經(jīng)濟(jì)林面積、人口密度3個評價指標(biāo)，再通過加權(quán)求和柵格計算（權(quán)重見表2）分級（分級標(biāo)準(zhǔn)見表1），得到承德市冰雹災(zāi)害承災(zāi)體綜合易損性空間分布圖（圖3d）。

從圖3中可以看到承德市的耕地面積分布相對均衡，蘋果、板栗等易損經(jīng)濟(jì)林果主要分布在中南部地區(qū)，人口密度以市區(qū)為中心，分布極度不均，承德市冰雹災(zāi)害高易損區(qū)，主要分布在耕地面積比較大或易受冰雹影響的經(jīng)濟(jì)林果區(qū)。

圖3 承德市冰雹災(zāi)害承災(zāi)體易損性分布

圖4 承德市防災(zāi)減災(zāi)能力分布

表2 承德市冰雹災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)各評價因子權(quán)重

2.4 防災(zāi)減災(zāi)能力

防災(zāi)減災(zāi)能力反映的是人類社會為保障承災(zāi)體免受或少受災(zāi)害威脅而采取的防備措施力度大小，通過人工影響冰雹云作業(yè)開展的人工防雹就是一種針對冰雹災(zāi)害威脅所采取的防御措施。2016年承德市建成了人工火箭、高炮防雹點87個，因此確定冰雹災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)能力主要考慮防雹點的分布密度。將分布在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的防雹點在ArcGIS中進(jìn)行空間插值、歸一化處理柵格計算后分級（分級標(biāo)準(zhǔn)見表1），從而得到承德市對冰雹災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)能力分布圖（圖4），進(jìn)行冰雹風(fēng)險指數(shù)計算時，因為防災(zāi)減災(zāi)能力與冰雹風(fēng)險指數(shù)呈反相關(guān)關(guān)系，因此，將數(shù)字1減去每一個歸一化數(shù)據(jù)后，形成防災(zāi)減災(zāi)指數(shù)進(jìn)行柵格計算。

對于雹災(zāi)危險性歸一化指數(shù)R1、雹災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境敏感性歸一化指數(shù)R2、綜合易損性歸一化指數(shù)R3、防災(zāi)減災(zāi)歸一化指數(shù)R4均采用自然斷點法進(jìn)行分級（表 1）。

3 冰雹災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

綜合風(fēng)險指數(shù)常用來表征災(zāi)害風(fēng)險的大小[12]，因為冰雹災(zāi)害風(fēng)險是致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性和防災(zāi)減災(zāi)能力4個指標(biāo)綜合作用的結(jié)果，因此，冰雹災(zāi)害風(fēng)險評價函數(shù)表示為：冰雹災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)（I）=f（危險性、易損性、敏感性、防災(zāi)減災(zāi)能力）。本文采用層次分析法通過構(gòu)造4階判斷矩陣，計算行積來確定冰雹災(zāi)害風(fēng)險4個評價指標(biāo)的權(quán)重并通過一致性檢驗（表2）。

因此，承德市冰雹災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)=0.5129×危險性+0.251×易損性+0.1431×敏感性+0.093 ×（1-防災(zāi)減災(zāi)能力），利用 ArcGIS空間柵格計算，并利用自然斷點方法進(jìn)行風(fēng)險等級劃分，即得到承德市冰雹災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃等級圖（圖5）。

圖5 承德市冰雹災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

從圖5可以看出，承德市冰雹災(zāi)害的高風(fēng)險區(qū)位于豐寧縣大部，次高風(fēng)險區(qū)位于圍場縣、隆化縣大部、灤平縣北部以及平泉市的部分地區(qū)，承德縣大部，隆化縣部分地區(qū)與灤平縣南部為中風(fēng)險區(qū)；承德市區(qū)、興隆縣、寬城縣大部為次低和低風(fēng)險區(qū)。總的來說，承德市西北部冰雹災(zāi)害風(fēng)險最高，承德市中北部大部縣區(qū)風(fēng)險較高，承德市南部的冰雹災(zāi)害風(fēng)險較低。

4 結(jié)論與討論

（1）冰雹災(zāi)害的危險性指數(shù)顯示，承德市冰雹災(zāi)害的高危險區(qū)與次高危險區(qū)主要分布在西北部與東部部分地區(qū)。

（2）承德市冰雹受災(zāi)的對象主要是農(nóng)作物與易損經(jīng)濟(jì)林果，承德市冰雹災(zāi)害高易損區(qū)，主要分布在耕地面積比較大或易受冰雹影響的經(jīng)濟(jì)林果區(qū)。

（3）通過分析冰雹災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖發(fā)現(xiàn)，承德市西北部冰雹災(zāi)害風(fēng)險最高、承德市中北部大部縣區(qū)風(fēng)險較高，承德市南部的冰雹災(zāi)害風(fēng)險較低。

由于冰雹災(zāi)害的形成機理較為復(fù)雜，影響因素多，冰雹觀測的空間分辨率較低，雹災(zāi)收集資料的限制等，要非常準(zhǔn)確地進(jìn)行風(fēng)險評價有一定難度。因此，區(qū)劃模型考慮的因子、風(fēng)險指標(biāo)的選擇還需要進(jìn)一步完善。