基于GIS的海北州祁連縣暴雨災(zāi)害風(fēng)險評估

傅永超，朱宇蓉，馬俊卿

1.青海省祁連縣氣象局，青海祁連 812200；2青海省同仁市氣象局，青海同仁811300

祁連縣因地處祁連山中段腹地而得名，當(dāng)?shù)爻Ｄ隁鉁睾?、濕潤，高原性氣候特點顯著。祁連縣坐落于青海省的東北部，是海北州西北一帶的縣城，該縣北部毗鄰河西走廊，被稱作青海的“北大門”。近幾年，因為全球性的氣候變暖現(xiàn)象嚴(yán)重，造成局部地區(qū)頻繁出現(xiàn)極端惡劣天氣，頻降強暴雨，加之祁連縣地處“牛心山”低洼地帶，因頻發(fā)的暴雨造成嚴(yán)重的衍生災(zāi)害給祁連縣帶來了極為嚴(yán)重的損失。與其他氣象災(zāi)害相比，暴雨對人們生活造成的危害尤為嚴(yán)重，加之發(fā)生頻率高、強度大，直接造成人員大量傷亡，經(jīng)濟損失慘重。

現(xiàn)階段，有關(guān)專家已經(jīng)著手針對暴雨災(zāi)害的風(fēng)險評估展開專業(yè)調(diào)研，鐘東良等[1]堅持認(rèn)為，判斷暴雨災(zāi)害對人類造成影響程度，不能單憑暴雨量的大小，關(guān)鍵是要根據(jù)政府和社會的支持力度，預(yù)警信息的準(zhǔn)確接收度，以及民眾在面對暴雨災(zāi)害時采取的避災(zāi)行為是否有效等綜合因素而定；巨克英等[2]致力于黃河上游的青海段暴雨洪澇氣象災(zāi)害風(fēng)險評估的研討與探求；李萬志等[3]則立足風(fēng)險度基準(zhǔn)，著重對青海省暴雨洪澇災(zāi)害的風(fēng)險隱患進行客觀性評估；楊昭明等[4]針對汛期內(nèi)青海省發(fā)生暴雨洪澇和次生災(zāi)害的風(fēng)險進行專業(yè)評估；鄭德鳳等[5]根據(jù)GIS大連市發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害，綜合運用各項指標(biāo)對暴雨洪澇災(zāi)害進行系統(tǒng)的風(fēng)險評估。但有關(guān)祁連縣暴雨災(zāi)害風(fēng)險評估的研究暫未見文獻介紹，本研究結(jié)合3個國家基本站點1978—2020年的年降水基本特征、暴雨過程特征，結(jié)合災(zāi)害的多重致災(zāi)因子和不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)已經(jīng)發(fā)生災(zāi)情的次數(shù)等，對祁連縣形成的暴雨風(fēng)險災(zāi)害區(qū)劃進行系統(tǒng)分析，為當(dāng)?shù)卣罏?zāi)減災(zāi)決策等提供科學(xué)的依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象數(shù)據(jù)主要涉及祁連縣3個國家氣象觀測站（祁連、托勒、野牛溝）1978—2020年的降水資料：通過收集計算得出祁連縣降水變化特征、暴雨及大暴雨日數(shù)、不同日數(shù)累計最大降水量及重現(xiàn)期和單站暴雨過程；結(jié)合自1978—2020年間記載的歷史暴雨洪澇災(zāi)情信息數(shù)據(jù)，甚至借鑒《祁連災(zāi)害年鑒》等資料；一些詳實的地理信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)全部取自青海省氣象信息中心提供的包括縣行政邊界、地理環(huán)境、水系和水網(wǎng)密度。

1.2 分析方法

研究選用的主要統(tǒng)計方法以無量綱化與專家打分法為主，采用自然斷點與線性趨勢法、層次分析法（AHP）以及信息熵賦權(quán)法等完成統(tǒng)計分析[6]。

為最大限度地減少各指標(biāo)存在的量綱差異，使各指標(biāo)值完成歸一處理。計算公式為：

加權(quán)綜合評價法以二級指標(biāo)為基礎(chǔ)，遵循暴雨災(zāi)害風(fēng)險形成原理，參照評價指標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn)，建立災(zāi)害風(fēng)險的整體評估模型如下：

式（2）中，MDRI是對暴雨災(zāi)害風(fēng)險的等級程度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，公式中用TI、EI、VI，則分別代表暴雨造成人員身體受到危險性、人口暴露度、人口脆弱性指數(shù)。we、wh、ws是致災(zāi)危險性、人口暴露度和脆弱性指數(shù)的權(quán)重，權(quán)重的大小依據(jù)專家打分法確定。由于缺少鄉(xiāng)鎮(zhèn)級的暴雨過程災(zāi)情，本研究不考慮人口脆弱性，僅將致災(zāi)危險性和承災(zāi)體暴露度進行加權(quán)求積，得到風(fēng)險評估結(jié)果。根據(jù)暴雨災(zāi)害造成的風(fēng)險進行評估，利用自然斷點的分級方法，共劃分5個等級，并將該等級劃分體現(xiàn)在風(fēng)險區(qū)劃圖內(nèi)。

2 致災(zāi)因子的特征分析

2.1 降水量

由1978—2020年祁連縣平均降水年際變化趨勢和多年平均降水月際變化趨勢分析可以了解到，祁連縣年降水量在289.9（1997年）～526.6 mm（1998年）之間，平均每年393.5 mm，長期線性變化呈上升趨勢，傾斜率為19.149 mm/10年，即平均每10年降水量大約增加19.1 mm，且該趨勢達到了顯著性檢驗水平，這意味著祁連縣近43年的年平均降水量上升趨勢較為顯著。4—10月為祁連縣降水集中期，累計降水量386.0 mm，占全年降水量的98.1%；各月降水量在13.1～102.7 mm之間，以7月降水最多、10月最少。

2.2 暴雨及大暴雨日數(shù)

通過1978—2020年祁連縣年暴雨日數(shù)變化趨勢和多年平均月暴雨日數(shù)變化趨勢可以了解到，祁連縣年暴雨日數(shù)在0～7 d之間，平均每年1.9 d，長期變化呈上升趨勢，增長率為0.442 d/10年。4—10月暴雨日數(shù)占年暴雨日數(shù)的100%，平均每年0.6 d。其中，4—10月暴雨日數(shù)最多的年份為2016年，達7 d，1980年、1982—1984年、1987年、2006年、2012年4—10月未出現(xiàn)暴雨。從多年平均情況來看，4—10月各月暴雨日數(shù)在0～0.3 d之間，呈單峰分布，7月降水量最多，8月的降水量僅次于7月，7—8月的降水量與歷年月均降水量變化持平。在這43年內(nèi)，祁連縣內(nèi)未出現(xiàn)大暴雨日。

2.3 不同日數(shù)累計最大降水量及其重現(xiàn)期

祁連縣近43年的最大日降水量為35.6 mm；3、5 d內(nèi)的累計最大降水量分別為60.9和72.5 mm；10 d累計最大降水量為94.9 mm，都出現(xiàn)在2016年。從長期變化來看，1、3、5、10 d內(nèi)累計最大降水量均呈增大趨勢，其增長率分別為1.48、1.58、2.052、2.398 mm/10年。

由此計算得到祁連縣不同重現(xiàn)期不同日數(shù)最大降水量見表1。

表1 祁連縣不同重現(xiàn)期的不同日數(shù)最大降水量 mm

3 基于GIS暴雨災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

3.1 暴雨雨澇指數(shù)等級

雨澇指數(shù)可反映當(dāng)?shù)夭煌燃壪碌谋┯赀^程頻次、過程雨強等暴雨災(zāi)害特征。通過百分位數(shù)法將縣域內(nèi)所有暴雨過程的強度指數(shù)由小至大劃分4個不同等級，降雨強度最高則認(rèn)定其為高級別，最低則定為低級，中間有較高與較低2個不同等級劃分，統(tǒng)計各鄉(xiāng)鎮(zhèn)暴雨強度等級過程的發(fā)生頻率，加權(quán)相加后可以了解到，祁連縣暴雨雨澇指數(shù)高值區(qū)主要位于東部，峨堡鎮(zhèn)、默勒鎮(zhèn)的雨澇指數(shù)最高，表明暴雨過程發(fā)生的頻次相對最高、強度最強；阿柔鄉(xiāng)次之，雨澇指數(shù)較高，表明暴雨過程發(fā)生的頻次相對較高、強度較強；八寶鎮(zhèn)、扎麻什鄉(xiāng)、野牛溝鄉(xiāng)的雨澇指數(shù)較低，表明暴雨過程的頻次相對較低、強度較弱；央隆鄉(xiāng)的雨澇指數(shù)相對最低，暴雨頻次和強度遠低于其他地區(qū)（圖1）。

圖1 青海省海北州祁連縣暴雨雨澇指數(shù)等級區(qū)劃圖

3.2 暴雨孕災(zāi)環(huán)境等級

祁連縣域內(nèi)只有黑河與默勒河兩條較大河流，但支流較多達247條，集水面積大，極易發(fā)生暴雨災(zāi)害，從而引發(fā)大面積的山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害。孕災(zāi)環(huán)境主要指外部環(huán)境對暴雨致災(zāi)的作用，其中地形、水系和水網(wǎng)密度等是主要決定因素，所以分析孕災(zāi)環(huán)境顯得極為重要。利用相關(guān)數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到了祁連縣暴雨孕災(zāi)環(huán)境等級區(qū)劃圖。結(jié)果表明，祁連暴雨孕災(zāi)環(huán)境影響系數(shù)高值區(qū)位于八寶鎮(zhèn)、野牛溝鄉(xiāng)、央隆鄉(xiāng)等祁連三鎮(zhèn)四鄉(xiāng)靠近黑河、大通河等流域的部分，當(dāng)?shù)靥厥獾牡乩憝h(huán)境為高山地形偏多，遠觀縣城南北兩側(cè)的起伏相對較大，與東西為河谷的地形有關(guān)（圖2）。

圖2 青海省海北州祁連縣暴雨孕災(zāi)環(huán)境等級區(qū)劃圖

3.3 暴雨致災(zāi)危險性區(qū)劃結(jié)果

通過以上分析結(jié)果，將祁連縣暴雨和大暴雨日數(shù)作為致災(zāi)因子，搜集1978—2020年期間祁連縣7—8月間發(fā)生的主要強降水等信息，甚至包括因此引發(fā)的次生災(zāi)害頻次等指標(biāo)，對各指標(biāo)值完成歸一化處理。利用ArcGis軟件的自然斷點法作出祁連縣暴雨災(zāi)害危險性等級區(qū)劃圖，并依據(jù)危險性從高至低，共依次劃分為高級、較高級、較低級、低等級4個等級。

從圖3可以看出，峨堡鎮(zhèn)、默勒鎮(zhèn)、阿柔鄉(xiāng)、八寶鎮(zhèn)、扎麻什鄉(xiāng)等為祁連縣暴雨洪澇及其引發(fā)次生災(zāi)害的高致災(zāi)危險性區(qū)；其他地區(qū)連年降水量偏少，加之人口密度小和地形等原因，多年來極少發(fā)生災(zāi)情，可視其為低致災(zāi)危險性區(qū)域。

圖3 青海省海北州祁連縣暴雨災(zāi)害危險性等級區(qū)劃圖

4 結(jié)論

（1）1978—2020年，祁連縣年降水量 在289.9～526.6 mm之 間，平 均 每年393.5 mm，長期線性變化呈上升趨勢。4—10月為祁連縣降水集中期，累計降水量386.0 mm，占全年降水量的98.1%，其中7月降水最多。

（2）祁連縣年暴雨日數(shù)最多為7 d，平均每年1.9 d，未出現(xiàn)大暴雨日數(shù)。祁連縣最大日降水量為35.6 mm；3、5 d內(nèi)累計最大降水量分別為60.9和72.5 mm；10 d累計最大降水量為94.9 mm，都出現(xiàn)在2016年。從長期變化來看，1、3、5、10 d累計最大降水量均呈增大趨勢。

（3）在這43年間，祁連共發(fā)生78次暴雨過程，年均1.8次，2016年最多有6次；暴雨過程發(fā)生頻次的月際變化明顯，峰值出現(xiàn)在7月，為34次，占全年的43.6%；祁連暴雨過程持續(xù)時間最長為4 d，累計降水量為82.1 mm。

(4)祁連縣暴雨致災(zāi)危險性較高的地區(qū)主要位于中東部地區(qū)，其中峨堡鎮(zhèn)、默勒鎮(zhèn)、阿柔鄉(xiāng)、八寶鎮(zhèn)、扎麻什鄉(xiāng)等地區(qū)為高危險性集中區(qū)，野牛溝鄉(xiāng)、央隆鄉(xiāng)等地區(qū)為低致災(zāi)危險性區(qū)。