基于GIS技術(shù)的邢臺市暴雨洪澇風(fēng)險區(qū)劃研究

趙志楠 孫晶 張兆博 何凱 李迪

摘要 根據(jù)邢臺市1980—2019年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)、1∶25萬高程數(shù)據(jù)以及相關(guān)社會、經(jīng)濟等基礎(chǔ)資料，利用GIS技術(shù)構(gòu)建邢臺市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險綜合評價模型，從致災(zāi)因子的危險等級、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體、防災(zāi)減災(zāi)能力4個方面對研究區(qū)域暴雨洪澇進行定量分析，計算出全市范圍暴雨洪澇災(zāi)害綜合風(fēng)險指數(shù)，得到邢臺市暴雨洪澇風(fēng)險區(qū)劃圖。結(jié)果表明，邢臺縣、沙河市、內(nèi)丘縣、臨城縣西部地區(qū)屬于洪澇災(zāi)害風(fēng)險最高的地區(qū);邢臺市轄區(qū)和沙河市、臨城縣、內(nèi)丘縣、柏鄉(xiāng)縣大部分地區(qū)屬于次高風(fēng)險地區(qū);其余縣市屬于中等及以下風(fēng)險水平。

關(guān)鍵詞 GIS;暴雨洪澇;風(fēng)險區(qū)劃;邢臺市

中圖分類號 P426.616 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2021）17-0217-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.17.055

Abstract Based on the daily precipitation data， 1∶250，000 elevation data and related social and economic data of Xingtai City from 1980 to 2019， a comprehensive risk assessment model of rainstorm and flood disasters in Xingtai City was established by using GIS technology. The regional rainstorm and flood were studied from four aspects： disaster-causing factors， disaster-pregnant environment， disaster-bearing bodies， disaster prevention and mitigation capabilities. The comprehensive risk index of rainstorm and flood disasters in the whole city was calculated by quantitative analysis of waterlogging， and the risk zoning map of rainstorm and flood in Xingtai City was obtained. The results showed that the western areas of Xingtai County， Shahe City， Neiqiu County and Lincheng County were the areas with the highest risk of flood disaster; most areas of Xingtai and Shahe City， Lincheng County， Neiqiu County and Baixiang County belong to the sub-high risk areas; the remaining counties and cities belong to the middle and lower risk levels.

Key words GIS;Rainstorm and flood;Risk zoning;Xingtai City

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者就暴雨災(zāi)害發(fā)生的原因及評估指標、評估方法進行了研究，這些研究大都是在利用ArcGIS信息處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，得到研究區(qū)域不同等級的區(qū)劃結(jié)果[1-8]。這些研究對于指導(dǎo)完成邢臺市的暴雨災(zāi)害風(fēng)險評估區(qū)劃有著重要的指導(dǎo)意義。邢臺市地處河北省中南部，位于太行山東部，毗鄰山西省，地形復(fù)雜，自西向東山地、丘陵、平原呈階梯狀分布。邢臺市氣候類型為溫帶季風(fēng)氣候，雨熱同期，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。相對復(fù)雜多變的地形以及氣候為邢臺市暴雨災(zāi)害的發(fā)生創(chuàng)造了一定的條件，邢臺市的暴雨災(zāi)害多發(fā)生在降雨相對較多的夏季，特別是6—9月份更是頻發(fā)，暴雨災(zāi)害給邢臺市人民的生命安全和財產(chǎn)帶來了嚴重威脅。

目前專門針對邢臺市暴雨洪澇的風(fēng)險區(qū)劃研究相對較少，筆者在前人研究成果的基礎(chǔ)上[9-13]，利用GIS空間數(shù)據(jù)處理方法參照現(xiàn)有的氣象災(zāi)害風(fēng)險等級劃分標準，構(gòu)建了邢臺市暴雨洪澇風(fēng)險綜合評價模型，對邢臺市不同等級的暴雨洪澇災(zāi)害進行劃分，得到該地區(qū)的暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險等級區(qū)劃圖。該區(qū)劃結(jié)果對指導(dǎo)邢臺市更好地防御暴雨災(zāi)害，指導(dǎo)有關(guān)部門出臺相應(yīng)的防洪規(guī)劃，降低對該地區(qū)人民生命、財產(chǎn)以及地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展帶來的損失有一定的參考價值。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)：邢臺市17個國家站1980—2019年逐日降水資料，邢臺縣數(shù)據(jù)通過擬合漿水無人站數(shù)據(jù)獲取;致災(zāi)標準依據(jù)邢臺市多年降水?dāng)?shù)據(jù)確定。

地理信息數(shù)據(jù)：30 m×30 m柵格數(shù)據(jù)。

社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)：2015—2019年邢臺市統(tǒng)計年鑒。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)一致化。

在對邢臺市的暴雨洪澇災(zāi)害進行風(fēng)險評估時，需要用到大量的空間地理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有著各自的柵格圖層。不同指標參考值不一，因此為了保持這些數(shù)據(jù)的一致性，該研究應(yīng)當(dāng)采用合適的辦法對其進行處理[14-15]。這些柵格數(shù)據(jù)必須要有著統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)和投影系統(tǒng)，只有這樣才能保證柵格數(shù)據(jù)與實際地理范圍的一致性[16-17]。只有在保證這些柵格數(shù)據(jù)一致的基本前提下，才能運用ArcGIS地圖代數(shù)功能進行下一步的圖層疊加等運算。由于該研究中不同的柵格數(shù)據(jù)像元大小不一，為了保持數(shù)據(jù)大小一致，將不同分辨率的空間數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為30 m×30 m的柵格。

1.2.2 指標歸一化。

由于在進行評估時選擇的各類指標評價因子不同，為了消除不同因子量綱影響，需要對其進行歸一化處理，其計算公式如下[18]：

式中，X′i與Xi分別為指標的量化值序列和原始值序列;Xmax為指標序列的最大值，Xmin為指標序列的最小值。

1.2.3 加權(quán)綜合評價法。

加權(quán)綜合評價法（WCA）是綜合考慮了各個因子對總體的影響程度，把各個具體的指標作用大小綜合起來，用一個數(shù)量化指標加以集中，表示整個評價對象的優(yōu)劣[18]。通過該方法計算得到各因子的指標與權(quán)重相加權(quán)，用評價因子總值Cvj表示，具體公式表達如下：

式中，Cvj是評價因子的總值;Qvij是因子j的指標i的歸一化值;Wci是指標i的權(quán)重值，m是評價指標個數(shù)。

1.3 暴雨洪澇風(fēng)險指標的選取與分析

1.3.1 致災(zāi)因子危險性。

暴雨是引發(fā)邢臺市洪澇災(zāi)害的主要原因，特別是在海拔較高的西部山區(qū)更為常見。當(dāng)?shù)氐臍夂驔Q定了每年的6—9月份是邢臺市暴雨洪澇災(zāi)害多發(fā)的季節(jié)。一旦出現(xiàn)暴雨洪澇災(zāi)害，勢必會給邢臺市人民生命和財產(chǎn)安全帶來巨大損害。依據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄杲邓闆r，該研究用洪澇出現(xiàn)的頻率和強度來表示邢臺地區(qū)暴雨洪澇災(zāi)害致災(zāi)因子的危險程度。

1.3.2 孕災(zāi)環(huán)境敏感性。

邢臺市地形復(fù)雜，地勢西高東低，西部山區(qū)海拔相對較高，受降水影響較大。特別是邢臺西部地區(qū)河流眾多，一旦出現(xiàn)短時強降水就會導(dǎo)致雨水在河道等低洼地區(qū)堆積，嚴重的會造成暴雨洪澇災(zāi)害的出現(xiàn)。東部地區(qū)海拔低，多為平原，受強降雨的影響較小，暴雨洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻率較低。為了更好地分析地形因素對邢臺市暴雨洪澇災(zāi)害的影響，結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H和現(xiàn)有氣象資料，選取地形因子作為孕災(zāi)環(huán)境敏感性的分析指標。

1.3.3 承災(zāi)體易損性。

邢臺市暴雨洪澇災(zāi)害造成的危害程度與當(dāng)?shù)爻袨?zāi)體密切相關(guān)。同級別的暴雨人口數(shù)量大、產(chǎn)業(yè)密集、經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)受到的影響高于人口稀疏、經(jīng)濟落后的區(qū)域。該研究根據(jù) 2015和2016年邢臺市統(tǒng)計年鑒資料，采用地均 GDP和地均人口作為承災(zāi)體易損性評價指標。

1.3.4 防災(zāi)抗災(zāi)能力。

防災(zāi)抗災(zāi)能力的高低與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟實力、防災(zāi)抗災(zāi)投入、領(lǐng)導(dǎo)者管理水平密切相關(guān)。暴雨洪澇災(zāi)害防御工作的開展與落實需要當(dāng)?shù)卣度氪罅康馁Y金與技術(shù)支持，該研究選取邢臺市2015和2016年的人均GDP作為評價當(dāng)?shù)貞?yīng)對暴雨洪澇災(zāi)害防災(zāi)抗災(zāi)能力高低的指標。

1.4 綜合評價模型的建立

在對邢臺市4個評價指標進行定量分析和數(shù)據(jù)一致化處理的基礎(chǔ)上得到邢臺市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險評價模型：

式中，F(xiàn)DRI為暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)，表示邢臺市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險等級，值越大受暴雨災(zāi)害的影響越大，風(fēng)險等級越高;H、 E、S、R分別表示風(fēng)險評價模型中的致災(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)能力的指數(shù);α、β、γ、δ是各評價因子的權(quán)重[8]。邢臺市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險評價指標及權(quán)重如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 致災(zāi)因子危險性區(qū)劃與分析

在對邢臺市17個國家站1980—2019年常年降水情況進行統(tǒng)計與分析的基礎(chǔ)上，最終確定以暴雨強度與頻次作為邢臺市暴雨洪澇致災(zāi)因子危險等級的評價指標。通過統(tǒng)計得到該市暴雨災(zāi)害出現(xiàn)的頻率。依據(jù)邢臺市常年降水?dāng)?shù)據(jù)和災(zāi)情數(shù)據(jù)，邢臺市出現(xiàn)日降水量100.0～249.9 mm或者連續(xù)3 d總降水量為 150.0～349.9 mm 可認定為一般洪澇;日降水量≥250 mm或 連續(xù)3 d總降水量≥350 mm認定為嚴重洪澇;通過數(shù)理統(tǒng)計得到邢臺市近40年17個國家站洪澇等級不同的暴雨頻次（表1）。

邢臺市暴雨洪澇災(zāi)害致災(zāi)因子的確定基于當(dāng)?shù)氐谋┯觐l次、強度以及歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)。該研究把一般洪澇和嚴重洪澇因子影響程度分別賦值為0.7、0.3，在此基礎(chǔ)上利用GIS柵格計算器功能對2個影響因子數(shù)據(jù)進行疊加計算，依據(jù)自然斷點法將風(fēng)險等級由低到高依次劃分5個等級，最終得到邢臺市暴雨洪澇致災(zāi)因子危險性區(qū)劃圖（圖 2）。由圖2可知，邢臺市市區(qū)、邢臺縣西部地區(qū)以及柏鄉(xiāng)縣致災(zāi)因子為高危險區(qū);內(nèi)丘縣、沙河市大部分地區(qū)、臨城縣、廣宗縣、臨西縣、任縣部分地區(qū)屬于次高危險區(qū);其他地區(qū)危險性相對較低。

2.2 孕災(zāi)環(huán)境敏感性區(qū)劃與分析

作為誘發(fā)暴雨洪澇災(zāi)害的重要原因之一，某一區(qū)域海拔越高，地形越為復(fù)雜受洪水影響越大。高程數(shù)據(jù)從邢臺市1∶25 萬地形數(shù)據(jù)中提取，利用GIS空間分析功能，得到邢臺市暴雨洪澇災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性區(qū)劃結(jié)果（圖3）。從圖3可以看出，邢臺縣、沙河市、內(nèi)丘縣、臨城縣西部地區(qū)屬于高敏感區(qū);其他地區(qū)敏感性較低。究其原因主要是因為邢臺西部地區(qū)是邢臺地區(qū)地形指數(shù)影響最大的區(qū)域，因此也是暴雨洪澇災(zāi)害發(fā)生最為敏感的區(qū)域。

2.3 承災(zāi)體易損性區(qū)劃與分析

查閱邢臺市統(tǒng)計年鑒，結(jié)合本地經(jīng)濟實際，選取邢臺市地均GDP、地均人口作為承災(zāi)體易損性的評價指標，并對2個指標分別賦值0.4、0.6。利用ArcGIS地圖代數(shù)柵格計算器功能疊加2個評價指標圖層數(shù)據(jù)，利用自然斷點法將疊加后的區(qū)劃圖層由低到高分為5個風(fēng)險等級，得到邢臺市暴雨洪澇承災(zāi)體易損性區(qū)劃圖（圖 4）。從圖4可以看出，由于邢臺市市轄區(qū)經(jīng)濟發(fā)達、人口密集，所以邢臺市市轄區(qū)易損性最高;清河縣、寧晉縣、柏鄉(xiāng)縣、隆堯縣、平鄉(xiāng)縣、任縣、南和縣次之;沙河市、廣宗縣、威縣、臨西縣、南宮市、巨鹿縣位于中等易損區(qū);內(nèi)丘縣、新河縣易損性較低;邢臺縣地域遼闊，人口密度較小，易損性最低。

2.4 防災(zāi)抗災(zāi)能力區(qū)劃與分析

防災(zāi)抗災(zāi)能力的大小與某一地區(qū)的經(jīng)濟水平密切相關(guān)，大量防御工程的建造需要充足的資金作保障，該研究選取人均GDP作為評估邢臺市防災(zāi)抗災(zāi)能力強弱的重要指標。從圖5可以看出，沙河市人均GDP最高，因此該市防災(zāi)抗災(zāi)能力最高;邢臺市轄區(qū)、邢臺縣、清河縣、臨城縣、寧晉縣防災(zāi)抗災(zāi)能力次之;內(nèi)丘縣、隆堯縣、平鄉(xiāng)縣、南宮縣防災(zāi)抗災(zāi)能力中等;南和縣、廣宗縣、巨鹿縣、臨西縣、新和縣、柏鄉(xiāng)縣防災(zāi)抗災(zāi)能力次低;任縣、威縣防災(zāi)抗災(zāi)能力最低。

2.5 暴雨洪澇災(zāi)害綜合風(fēng)險區(qū)劃與分析

在對4種風(fēng)險因子進行分析與處理的基礎(chǔ)上，基于GIS空間分析功能通過疊加不同的柵格數(shù)據(jù)圖層得到邢臺市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖，并按照自然斷點法將風(fēng)險等級由低到高劃分為高、次高、中等、次低和低5個風(fēng)險等級（圖6）。從圖6可以看出，邢臺縣、沙河市、內(nèi)丘縣、臨城縣西部地區(qū)屬于洪澇災(zāi)害風(fēng)險最高的地區(qū)，邢臺市市轄區(qū)和沙河市、臨城縣、內(nèi)丘縣、柏鄉(xiāng)縣大部分地區(qū)屬于次高風(fēng)險區(qū)，這些區(qū)域多是人口稠密和地形復(fù)雜且為暴雨、大暴雨的多發(fā)區(qū)，因此風(fēng)險相對其他縣市較大;邢臺市東部其他縣市多為平原地區(qū)，因此多為中等或者以下風(fēng)險水平。

3 結(jié)論與討論

該研究以邢臺市為研究區(qū)域，利用自然災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)法，在前人現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，綜合4類指標因子建立研究區(qū)域風(fēng)險評估模型，利用GIS軟件得到研究區(qū)域暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖。研究結(jié)果基本符合實際情況，該研究結(jié)果對于指導(dǎo)相關(guān)部門開展暴雨防災(zāi)減災(zāi)工作有一定的參考意義與價值。由于地形、水文數(shù)據(jù)相對缺乏，該研究結(jié)果有一定的局限性，因此在今后的研究中應(yīng)該獲取更多的研究數(shù)據(jù)，特別是歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)對暴雨誘發(fā)的邢臺地區(qū)的災(zāi)害程度進行驗證，使評價結(jié)果更加接近實際狀況。

參考文獻

[1] 張繼權(quán)，李寧.主要氣象災(zāi)害風(fēng)險評價與管理的數(shù)量化方法及其應(yīng)用[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2007：123-174.

[2] 李蘭，彭濤，葉麗梅，等.暴雨誘發(fā)富水流域洪澇災(zāi)害風(fēng)險研究[J].暴雨災(zāi)害，2017，36（1）：60-65.

[3] 郭廣芬，周月華，史瑞琴，等.湖北省暴雨洪澇致災(zāi)指標研究[J].暴雨災(zāi)害，2009，28（4）：357-361.

[4] 胡波，丁燁毅，何利德，等.基于模糊綜合評價的寧波暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃[J].暴雨災(zāi)害，2014，33（4）：380-385.

[5] 孫建霞.基于GIS和RS技術(shù)的吉林省暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險評價[D].長春：東北師范大學(xué)，2010：1-27.

[6] 黃懿，代春梅.基于GIS技術(shù)的樂山市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究[J].高原山地氣象研究，2014，34（1）：62-67.

[7] 王清川，壽紹文，許敏，等.廊坊市暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估與區(qū)劃[J].干旱氣象，2010，28（4）：475-482.

[8] 高操，韓典辰，趙曉涵，等.基于GIS的滄州市暴雨氣象災(zāi)害風(fēng)險評估[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（22）：210-213，249.

[9] 李喜倉，白美蘭，楊晶，等.基于GIS技術(shù)的內(nèi)蒙古地區(qū)暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃及評估研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2012，26（7）：71-77.

[10] 葉金玉.基于GIS 的閩江流域洪災(zāi)風(fēng)險分析與區(qū)劃研究[D].福州：福建師范大學(xué)，2003.

[11] 李春梅，劉錦鑾，潘蔚娟，等.暴雨綜合影響指標及其在災(zāi)情評估中的應(yīng)用[J].廣東氣象，2008，30（4）：1-4.

[12] 樊運曉，羅云，陳慶壽.區(qū)域承災(zāi)體脆弱性評價指標體系研究[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2001，15（1）：113-116.

[13] 王博，崔春光，彭濤，等.暴雨災(zāi)害風(fēng)險評估與區(qū)劃的研究現(xiàn)狀與進展[J].暴雨災(zāi)害，2007，26（3）：281-286.

[14] 劉瓊.基于層次分析法的風(fēng)險評估系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[15] 王以彭，李結(jié)松，劉立元.層次分析法在確定評價指標權(quán)重系數(shù)中的應(yīng)用[J].第一軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報，1999，19（4）：377-379.

[16] 湯國安，楊昕.ArcGIS 地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程[M].北京：科學(xué)出版社，2006：109-111.

[17] 周成虎，萬慶，黃詩峰，等.基于GIS的洪水災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究 [J].地理學(xué)報，2000，55（1）：15-24.

[18] 劉曉冉，康俊，王穎，等.基于GIS的重慶地區(qū)不同季節(jié)干旱災(zāi)害風(fēng)險評估與區(qū)劃[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2019，28（2）：92-100.