基于GIS技術(shù)的河南省洪災(zāi)風(fēng)險評估與分析

馮凌彤

（鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

在眾多自然災(zāi)害中，暴雨洪澇災(zāi)害是最常發(fā)生、影響范圍大的一種氣象災(zāi)害［1］。為了對洪澇災(zāi)害進行有效的管理，降低洪澇災(zāi)害的影響范圍，有必要對洪災(zāi)風(fēng)險進行評估和分析。

目前對于洪災(zāi)風(fēng)險評估與分析，國內(nèi)外相關(guān)專家和學(xué)者提出了很多解決方案，如基于熵權(quán)法的洪災(zāi)風(fēng)險評估方法、基于因子分析法的洪災(zāi)風(fēng)險評估方法和基于模糊綜合評價的評估方法。以上3種方法的地理位置信息精度不夠，評估準確性并不高［2］。針對上述情況，本研究以河南省為例，提出一種基于GIS技術(shù)的河南省洪災(zāi)風(fēng)險評估與分析方法，對河南省洪災(zāi)風(fēng)險進行評估和分析，從而為預(yù)防措施的提出和實施提供依據(jù)。

該方法將GIS空間分析和災(zāi)害風(fēng)險評估方法相結(jié)合，對河南省洪災(zāi)風(fēng)險進行評估與分析。具體包括3個步驟：①收集資料并選取評價指標，分別計算河南省各地洪水災(zāi)害危險性程度和洪水災(zāi)害易損性程度，利用GIS工具進行因子疊加，分別得到河南省洪災(zāi)危險性分布圖和易損性分布圖；②將洪災(zāi)危險性和易損性進行疊加分析，獲取洪災(zāi)的整體風(fēng)險區(qū)劃圖，實現(xiàn)基于GIS技術(shù)的河南省洪災(zāi)風(fēng)險評估與分析；③為測試評估結(jié)果的準確性，對幾種評估方法進行仿真試驗分析［3-4］。

1 研究區(qū)概況及評估與分析流程

河南省位于中國中東部，東接安徽、山東，北接河北、山西，西連陜西，南臨湖北，其地理與氣候特征見表1。

表1 河南省地理與氣候特征

本文基于GIS技術(shù)的河南省洪災(zāi)風(fēng)險評估與分析流程見圖1。

圖1 基于GIS技術(shù)的河南省洪災(zāi)風(fēng)險評估與分析流程

洪災(zāi)風(fēng)險評估首先需要收集空間數(shù)據(jù)資料與屬性數(shù)據(jù)資料，并對上述數(shù)據(jù)進行處理，通過計算洪災(zāi)危險性指數(shù)與洪災(zāi)易損性指數(shù)獲得洪災(zāi)危險性分布圖與易損性分布圖，通過GIS因子疊加，獲得洪災(zāi)風(fēng)險分布圖。

2 洪災(zāi)危險性和易損性指數(shù)計算

根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)資料并參考同類地區(qū)的洪災(zāi)風(fēng)險指標體系［5-7］，分別計算洪災(zāi)危險性和易損性指數(shù)。計算公式為

式中：X為洪災(zāi)危險性（易損性）指數(shù)；w1，w2，…，wn為危險性（易損性）指標權(quán)重；n為指標個數(shù)；x1，x2，…，xn為危險性（易損性）評估指標值［8-9］。

2.1 洪災(zāi)危險性（易損性）指標權(quán)重計算

目前指標權(quán)重計算方法主要有3種：因子分析法、熵權(quán)法和層次分析法。這里選用層次分析法進行權(quán)重計算，具體步驟如下。

步驟1：構(gòu)建層次分析結(jié)構(gòu)。

步驟2：構(gòu)造判斷矩陣。將同一層次中的兩兩指標進行對比，得出每個指標的相對重要程度，并引用合適的標度方法（見表2），完成判斷矩陣的構(gòu)建，記為A=（aij），其中aij表示第i個指標相對于第j個指標的比較結(jié)果。

表2 標度方法

步驟3：指標權(quán)重計算。利用方根法求每個因素的權(quán)值，首先求出每一行元素的乘積，然后對每一行的乘積求n次方根，最后進行歸一化處理，得到權(quán)重向量和特征值［10-13］。

步驟4：對判斷矩陣進行一致性檢驗。

步驟5：層次單排序和層次總排序。

2.2 洪災(zāi)危險性（易損性）指標值計算

下面以危險性指標中的多年平均最大3 d降水量為例，說明指標值的計算方法。選取河南省各地觀測點的多年平均（2016—2018年）最大3 d降水量，制作等值線圖［14-15］。在ArcGIS下轉(zhuǎn)換成柵格點數(shù)據(jù)，將多年平均最大3 d降水量轉(zhuǎn)換為其對洪水危險程度的影響度。

獲取河南省各地觀測點連續(xù)3 a內(nèi)最大3 d降水量，通過ArcGIS將以上數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，得到最大3 d降水量與洪水危險程度關(guān)系式為

式中：f（x）為多年平均最大3 d降水量對洪災(zāi)危險的影響度；x為觀測點的多年平均最大3 d降水量，mm。

當最大3 d降水量≤30 mm時，基本不能引發(fā)洪災(zāi)；當30 mm＜最大3 d降水量≤200 mm時，會引發(fā)一定程度的洪災(zāi)；當最大3 d降水量＞200 mm時，通常會引發(fā)較大災(zāi)害，影響度為最大值1。

3 洪災(zāi)風(fēng)險評估隸屬度函數(shù)構(gòu)建

采用模糊分布構(gòu)建河南省洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估隸屬函數(shù)，具體過程如下。

（1）建立因素集。假設(shè)河南省洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估的指標有n個，由這些指標構(gòu)成評價因素集R：R=｛R1，R2，…，Rn｝。

（2）建立評價集。分析河南省洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估因素指標，結(jié)合目前相關(guān)研究成果可將河南省洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估各因素指標評價等級劃分為3級，即L=｛L1，L2，L3｝。L1、L2、L3為指標的等級，分別對應(yīng)低風(fēng)險、中等風(fēng)險、高風(fēng)險。

（3）構(gòu)建洪災(zāi)風(fēng)險評價等級矩陣Q。針對任意等級建立對應(yīng)隸屬度，并將上述計算的洪災(zāi)危險性和易損性指數(shù)計算結(jié)果代入，由此獲得隸屬度函數(shù)：

式中：c為評價指標值；f（x）、f（x-1）分別為相鄰的兩個風(fēng)險等級臨界指標值。

通過隸屬函數(shù)計算每個指標對不同等級的隸屬度，uij表示第i個指標對第j等級的隸屬度，3個等級所對應(yīng)的隸屬度分別為ui1、ui2，ui3，3個等級的隸屬函數(shù)表達式如下：

式中：xi為第i個指標的指標值；l1、l2、l3分別為低、中、高風(fēng)險等級的臨界指標值。

根據(jù)以上過程完成洪災(zāi)風(fēng)險評估隸屬度函數(shù)構(gòu)建，本文中目標層是河南省洪澇災(zāi)害風(fēng)險評價，準則層包括洪災(zāi)危險性、易損性，指標層包括最大3 d降水量、地形坡度、河網(wǎng)密度、人口密度、人均GDP。

4 采用GIS技術(shù)獲取洪災(zāi)風(fēng)險分布圖

根據(jù)上述過程得到的相關(guān)數(shù)據(jù)計算河南省洪災(zāi)風(fēng)險整體指數(shù)，計算公式為

式中：Y為洪災(zāi)風(fēng)險指數(shù)；w、X分別為洪災(zāi)危險性總體權(quán)重和指數(shù)；w′、X′分別為洪災(zāi)易損性總體權(quán)重和指數(shù)。

對比洪災(zāi)風(fēng)險等級表（見表3），確定風(fēng)險等級。

表3 洪災(zāi)風(fēng)險等級

利用GIS技術(shù)中ArcInfo的GRID模塊進行因子疊加，得到河南省洪災(zāi)危險性（易損性）分布圖，然后再次利用ArcInfo的GRID模塊將河南省洪災(zāi)危險性（易損性）分布圖進行疊加，得到河南省洪水災(zāi)害的總體風(fēng)險分布圖。

5 評估結(jié)果及分析

5.1 評估程序開發(fā)環(huán)境

整個評估分析過程需要將其編制成一個軟件程序進行，人工計算不僅耗費大量的時間和精力，計算的結(jié)果也可能有較大誤差。軟件程序編制需要的環(huán)境見表4。

表4 程序開發(fā)環(huán)境

5.2 洪災(zāi)危險性和易損性指數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)上文所述的方法，該次洪災(zāi)危險性和易損性指標權(quán)重計算結(jié)果見表5。

表5 洪災(zāi)危險性和易損性指標權(quán)重計算結(jié)果

根據(jù)權(quán)重和指標值，得到觀測點風(fēng)險洪災(zāi)危險性和易損性指數(shù)。

根據(jù)以上結(jié)果，利用GIS劃分河南省風(fēng)險等級分布，見圖2。

圖2 河南省洪災(zāi)風(fēng)險等級分布

分析圖2可知，不同地域洪災(zāi)風(fēng)險不同，其中周口市大部分地區(qū)屬于低洪災(zāi)風(fēng)險，小部分地區(qū)存在中等洪災(zāi)風(fēng)險，駐馬店市、信陽市、商丘市大部分地區(qū)存在中等洪災(zāi)風(fēng)險，而洛陽市、平頂山市、漯河市以及許昌市部分地區(qū)存在較高洪災(zāi)風(fēng)險。

5.3 基于不同評估方法的河南省各個風(fēng)險等級面積對比

對各個風(fēng)險等級進行面積統(tǒng)計計算，通過實地考察獲得河南省實際風(fēng)險等級面積結(jié)果，并將實際結(jié)果與3種傳統(tǒng)方法（基于熵權(quán)法的洪災(zāi)風(fēng)險評估方法、基于因子分析法的洪災(zāi)風(fēng)險評估方法和基于模糊綜合評價的評估方法）計算的結(jié)果進行對比分析，判斷本文方法的有效性。表6為不同方法所得的河南省各個風(fēng)險等級面積對比。

表6 河南省各風(fēng)險等級面積對比 萬km2

由表6可知，與熵權(quán)法、因子分析法和模糊綜合評價法等3種傳統(tǒng)洪災(zāi)風(fēng)險評估方法相比，利用本文基于GIS技術(shù)統(tǒng)計出來的風(fēng)險等級面積與實際結(jié)果更為接近。由此證明本文風(fēng)險評估方法精度更高，評估出來的結(jié)果更為準確，這為洪災(zāi)風(fēng)險預(yù)防提供了可靠的決策依據(jù)。

為了進一步驗證不同洪災(zāi)風(fēng)險評估效果，對不同評估面積下各評估方法的準確率進行統(tǒng)計，結(jié)果見圖3。

分析圖3可知，評估面積由小到大，洪災(zāi)風(fēng)險評估準確率不斷發(fā)生變化。當評估面積為2萬km2時，模糊綜合評價法的洪災(zāi)風(fēng)險評估準確率為67%，因子分析法的洪災(zāi)風(fēng)險評估準確率為76%，熵權(quán)法的洪災(zāi)風(fēng)險評估準確率為43%，本文方法的洪災(zāi)風(fēng)險評估準確率為89%。當評估面積為16萬km2時，模糊綜合評價法的洪災(zāi)風(fēng)險評估準確率為75%，因子分析法的洪災(zāi)風(fēng)險評估準確率為54%，熵權(quán)法的洪災(zāi)風(fēng)險評估準確率為66%，本文方法的洪災(zāi)風(fēng)險評估準確率為94%。本文方法的洪災(zāi)風(fēng)險評估準確率高于其他方法。

圖3 不同方法、不同評估面積下的評估準確率

6 結(jié) 語

本文將GIS技術(shù)與風(fēng)險評估方法相結(jié)合，提出基于GIS技術(shù)的河南省洪災(zāi)風(fēng)險評估與分析方法。

（1）本文方法能夠?qū)幽鲜『闉?zāi)風(fēng)險進行有效評估，獲得河南省洪災(zāi)風(fēng)險分布情況。

（2）本文方法能夠準確計算河南省各個風(fēng)險等級的面積，風(fēng)險評估的精度更高。

（3）本文方法的洪災(zāi)風(fēng)險評估準確率較高，評估面積為16萬km2時，本文方法的洪災(zāi)風(fēng)險評估準確率可達94%。