基于GIS的氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分析
——以河南省為例

于照堃，李忠濤，豐玉渙，郭榕剛，逯躍鋒,3

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 山東 淄博 255049；2.中國交通通信信息中心，北京 100011；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

中國位于亞歐大陸的東部，處在最大的季風(fēng)氣候區(qū)，由于季風(fēng)氣候的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致氣象多變、災(zāi)害頻發(fā)，加之溫室氣體含量增加，全球溫度升高，各地區(qū)氣象系統(tǒng)的不穩(wěn)定性增加，災(zāi)害發(fā)生頻率升高。河南省屬于大陸性季風(fēng)氣候，氣象復(fù)雜多變，災(zāi)害多、頻率高、范圍廣，危害性大[1]。

由于季風(fēng)氣候氣候相對復(fù)雜，且隨著環(huán)境差異易發(fā)生改變，因此，氣象災(zāi)害的發(fā)生頻次高，災(zāi)害的發(fā)生勢必會造成各方面的損失，嚴(yán)重時(shí)會威脅到人的生命安全，因此日常的預(yù)防工作顯得尤為重要。對于變幻莫測的天氣情況，盲目的進(jìn)行預(yù)防只會造成資源浪費(fèi)。

目前中國針對氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評估與等級劃分已經(jīng)進(jìn)行多方面的研究，陳楠[2]對菏澤市7縣2區(qū)的歷史氣象資料進(jìn)行分析，建立風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。彭九慧等[3]針對冰雹災(zāi)害對承德市各地區(qū)展開詳細(xì)分析，進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)劃分。張曉宇等[4]對廣東省臺風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行分析。李軍玲等[5]根據(jù)降水空間分布對河南省進(jìn)行了洪澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分。雖說此類研究已中有針對河南省的研究，但較為片面并未發(fā)現(xiàn)對河南省氣象災(zāi)害進(jìn)行一個(gè)全面的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分，因此，有必要對河南省進(jìn)行一個(gè)較為全面的風(fēng)險(xiǎn)評估，為氣象災(zāi)害的防治提供重要依據(jù)。

1 資料來源和研究方法

1.1 資料來源

本文氣象災(zāi)害資料數(shù)據(jù)來源于國家科技基礎(chǔ)條件平臺——國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//www.geodata.cn)，采用河南省近50年氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)集(1960—2010);屬性數(shù)據(jù)來源于河南省地方志、河南氣象災(zāi)害大典(河南卷)等文獻(xiàn)；空間數(shù)據(jù)來源于河南大學(xué)黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)實(shí)驗(yàn)室2009年全國電子地圖。河南省人口、GDP、耕地面積等數(shù)據(jù)來自河南省統(tǒng)計(jì)局(http://www.ha.stats.gov.cn)。

1.2 研究方法

通過對河南省近50年氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)的整理與分析得出發(fā)生頻率較高的三種氣象災(zāi)害為暴雨洪澇、干旱和雹災(zāi)。本文主要針對上述三類氣象災(zāi)害的致災(zāi)因子、承災(zāi)體脆弱程度、孕災(zāi)環(huán)境和防減災(zāi)能力進(jìn)行分析，并結(jié)合災(zāi)害數(shù)據(jù)構(gòu)建河南省氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃模型，利用SuperMap軟件繪制出風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖。

進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)會涉及到不同種類的數(shù)據(jù)，針對不同種類、不同含義的數(shù)據(jù)，將采用歸一化公式進(jìn)行處理，消除數(shù)據(jù)種類不同的影響[6]。

1.2.1 數(shù)據(jù)歸一化處理

將不同種類的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使各類指標(biāo)數(shù)值位于區(qū)間[0,1]上，消除不同量綱的影響。利用式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

(1)

式中：Xi表示各類氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)的原始值；Xmax表示各類氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)最大值；X'表示數(shù)據(jù)量化之后的值。

1.2.2 綜合風(fēng)險(xiǎn)評估模型構(gòu)建

氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合評估模型的構(gòu)建需要對多種因素進(jìn)行考慮，對不同的影響因素賦予不同的權(quán)重，運(yùn)用公式(2)計(jì)算得出綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)F，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分。

F=a∑Riki+bP+cA+dG，

(2)

式中：a、b、c、d為比例系數(shù)；F為各地區(qū)綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Ri為各地區(qū)氣象災(zāi)害i的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；ki為氣象災(zāi)害i在各地區(qū)所占的比重；P、A、G為災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)影響因素，其中P代表人口密度，A代表耕地面積，G代表人均GDP。人口密度越大、耕地面積越多，危險(xiǎn)性越高，所以人口密度和耕地面積與綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)成正比，權(quán)值為正。人均GDP越高，防災(zāi)減災(zāi)能力越強(qiáng)，危險(xiǎn)性越低，所以人均GDP與綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)成反比，權(quán)值為負(fù)。

本文根據(jù)資料和數(shù)據(jù)對三種氣象災(zāi)害的致災(zāi)因子危險(xiǎn)性以及三種災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)影響因素進(jìn)行分析，結(jié)合專家打分的方式賦予各影響因子和影響因素相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，運(yùn)用式(2)計(jì)算得到各個(gè)地市的綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

2 氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析

綜合考量影響氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的多方面因素，首先明確研究方向、探析研究方法并建立風(fēng)險(xiǎn)評估模型；其次分析各影響因子、影響因素的作用范圍并確定各自權(quán)重[7]。本文從氣象災(zāi)害的致災(zāi)因子、承災(zāi)體的脆弱程度、河南省的孕災(zāi)環(huán)境以及防減災(zāi)能力等方面進(jìn)行分析。一方面針對干旱、洪澇、雹災(zāi)三種自然災(zāi)害進(jìn)行致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分析，另一方面從河南省承災(zāi)體、孕災(zāi)環(huán)境以及災(zāi)害防治能力三個(gè)災(zāi)害影響因子進(jìn)行分析。分析后根據(jù)影響程度大小確定各因子的權(quán)重，構(gòu)建綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃模型。

2.1 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分析

2.1.1 干旱致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分析

干旱是制約河南省農(nóng)業(yè)發(fā)展的自然災(zāi)害之一，干旱導(dǎo)致土壤板結(jié)且不能滿足農(nóng)作物生長生存所需的環(huán)境，給人們造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。由《氣象干旱等級》 (GB/T 20481-2017)可知，根據(jù)干旱程度的不同可將干旱分為無旱、輕旱、中旱、重旱和特旱五種。綜合對河南省1960—2010年間的干旱原因進(jìn)行分析總結(jié)，得出河南省干旱主要為季節(jié)性干旱，以春旱和秋旱最為顯著。其中對河南省干旱災(zāi)害起主要影響作用的是季節(jié)降水量和降水頻次以及季節(jié)高溫天氣及頻次。根據(jù)河南省1960—2010年的氣溫資料，對各地市季節(jié)溫度高于35 ℃的頻次和年份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)河南省1960年至2010年的氣象資料，對各地市季節(jié)降水量分別低于200 mm的頻次和年份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算出各個(gè)地市的干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。利用SuperMap軟件繪制河南省干旱致災(zāi)因子風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖(圖1)。由圖1可知，鶴壁市等5個(gè)地級市位于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，開封市等3個(gè)地級市位于較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，三門峽市等4個(gè)地級市位于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，焦作市等5個(gè)地級市位于較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，洛陽市位于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。總體看來，中部地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較低，西部、南部風(fēng)險(xiǎn)較高。

圖1 河南省干旱致災(zāi)因子風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖

2.1.2 洪澇致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分析

洪澇是指某一時(shí)間段內(nèi)降水量突增且增量超過增長正常值段，亦或是連續(xù)性降水導(dǎo)致地勢偏低的地區(qū)出現(xiàn)淹沒，漬水現(xiàn)象的自然災(zāi)害。暴雨是導(dǎo)致洪澇的主要原因，也是城市發(fā)生內(nèi)澇的源頭[8]。河南省大部分地區(qū)為平原，海拔相對較低，總體地勢西高東低。因此，對河南省洪澇災(zāi)害影響起主要作用是暴雨的降雨強(qiáng)度和暴雨的發(fā)生頻次。根據(jù)1960—2010年河南省各地市暴雨情況資料，統(tǒng)計(jì)出各地市暴雨頻次和年份。將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算出各個(gè)地市的洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。全省洪澇致災(zāi)因子風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖如圖2所示。由圖2可知，三門峽市等3個(gè)地級市位于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，駐馬店市和濮陽市位于較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，鶴壁市等3個(gè)地級市位于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，新鄉(xiāng)市等6個(gè)地級市位于較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，濟(jì)源市等4個(gè)地級市位于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

圖2 河南省洪澇致災(zāi)因子風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖

2.1.3 雹災(zāi)致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分析

冰雹災(zāi)害是一種相對劇烈的氣象災(zāi)害，雹災(zāi)受災(zāi)地域有限，時(shí)間短、強(qiáng)度大、來勢猛、破壞性強(qiáng)。根據(jù)冰雹強(qiáng)度可將其分為輕、中、重三類。隨著冰雹分類等級的上升，危害性增大。對河南省冰雹災(zāi)害起主要作用的致災(zāi)因子是冰雹強(qiáng)度和冰雹頻次，但是隨著冰雹頻次的增加，強(qiáng)度的影響減弱，鑒于研究時(shí)代相對久遠(yuǎn)，資料記載不全，可不考慮冰雹的強(qiáng)度，僅考慮冰雹頻次的影響，根據(jù)1960—2010年河南省各地市冰雹情況資料，對冰雹發(fā)生頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算出各個(gè)地市的雹災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。全省雹災(zāi)致災(zāi)因子風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖如圖3所示。由圖3可知，鄭州市等7個(gè)地級市位于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，開封市等4個(gè)地級市位于較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，許昌市等3個(gè)地級市位于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，焦作市和濮陽市位于較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，三門峽市和洛陽市位于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。整體來看，西部地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)性高，中東部地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)性較低。

圖3 河南省雹災(zāi)致災(zāi)因子風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖

2.2 孕災(zāi)環(huán)境分析

孕災(zāi)環(huán)境主要指由自然環(huán)境和社會環(huán)境共同組成的地球表層區(qū)域環(huán)境，所以孕災(zāi)環(huán)境的區(qū)域差異和發(fā)展趨勢是由眾多因素交叉作用導(dǎo)致的。

2.2.1 氣候條件

河南省位于我國濕潤與半濕潤地區(qū)，季風(fēng)氣候盛行，雖然季風(fēng)氣候意味著充沛的降水，但同時(shí)季風(fēng)氣候的不穩(wěn)定性也決定了河南地區(qū)季節(jié)性、年際性降水差異過大，導(dǎo)致該地區(qū)遭受干旱、洪澇等災(zāi)害的頻率不斷提高。

2.2.2 地形海拔

河南省內(nèi)地勢的高低起伏較大，地形多樣，地貌類型豐富。其西北部和西部以山地為主，地形坡度較大，土壤滯水、保水能力較差，受干旱威脅較為嚴(yán)重；同時(shí)海拔較高，容易造成強(qiáng)對流天氣，致使西部地區(qū)遭受雹災(zāi)侵害。東部多為平原，受氣候因素交叉影響，旱澇災(zāi)害發(fā)生較為頻繁。

2.2.3 社會因素

河南省內(nèi)河網(wǎng)稠密，東部地區(qū)地形平緩，適于農(nóng)作物生長，引水灌溉需求量較大，加之土壤質(zhì)量下降，保水保濕性較差，孕災(zāi)環(huán)境敏感度較高，易遭受干旱、洪澇災(zāi)害迫害。近年來受人類行為影響，環(huán)境質(zhì)量遭到破壞，水土流失情況嚴(yán)重，氣候?yàn)?zāi)害影響愈來愈大。

2.3 承災(zāi)體易損性分析

承災(zāi)體易損性是指事物受到氣候?yàn)?zāi)害影響的損傷程度，與地區(qū)人口密度、經(jīng)濟(jì)水平、耕地面積等因素有密切關(guān)系，人口密度越集中、經(jīng)濟(jì)水平越高、耕地面積越廣，相對來說遭受氣候?yàn)?zāi)害影響的潛在風(fēng)險(xiǎn)就越大。

分析河南省地區(qū)情況可知，干旱、洪澇、雹災(zāi)主要受災(zāi)對象為東部平原地區(qū)種植的農(nóng)作物、西部山地的經(jīng)濟(jì)林作物和主要城市的建筑及車輛。從區(qū)域情況分析，氣候?yàn)?zāi)害的產(chǎn)生和存在是絕對的，承載體易損程度與地區(qū)差異有著很大的關(guān)系。因此分析易損性需要從地區(qū)信息特征點(diǎn)入手，主要考慮人口密集程度、經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展情況、耕地面積及作物情況三個(gè)影響因子進(jìn)行分析，將數(shù)據(jù)通過歸一化處理過后得到不同參數(shù)指標(biāo)，再根據(jù)加權(quán)綜合評價(jià)法分析河南省各承災(zāi)體易損情況。河南省耕地面積圖和人口密度圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 河南省耕地面積圖

圖5 河南省人口密度圖

由圖4可知，河南省東部和南部耕地面積較大，惡劣天氣對其影響較大；由圖5可知，河南省中東部人口密度大，受災(zāi)時(shí)易損性高，損失大。

2.4 防災(zāi)減災(zāi)能力分析

防災(zāi)減災(zāi)能力是人們臨時(shí)進(jìn)行工程作業(yè)以減輕災(zāi)害造成更大損失的一種能力，主要影響因素是人均GDP[9]，通常政府決策能起到主導(dǎo)性作用，在時(shí)間、空間維度上實(shí)現(xiàn)水資源調(diào)整、規(guī)劃作物播種時(shí)間、人工影響冰雹云作業(yè)等方法直接提高防災(zāi)減災(zāi)能力。一般來說，減災(zāi)資源投入越多、經(jīng)濟(jì)水平越高、管理計(jì)劃越先進(jìn)，防災(zāi)減災(zāi)能力則越高，由氣候?yàn)?zāi)害造成的潛在損失就越小。

充分考慮到經(jīng)濟(jì)水平是防災(zāi)能力提高重要標(biāo)準(zhǔn)，本文主要研究地區(qū)GDP在當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)過程中發(fā)揮的作用，河南省各地市人均GDP水平指數(shù)圖如圖6所示。

圖6 河南省人均GDP水平指數(shù)圖

由圖6可知，河南省人均GDP水平由東部向西部基本呈遞增態(tài)勢，其中鄭州市、濟(jì)原市人均GDP水平高。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，防災(zāi)減災(zāi)能力提升，河南省西部防災(zāi)減災(zāi)水平高于東部。

3 氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃劃分

災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的高低通常代表某種災(zāi)害發(fā)生頻率及其造成的危害程度大小[10]，在對干旱、洪澇、雹災(zāi)三種氣象災(zāi)害的致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體脆弱程度、孕災(zāi)環(huán)境和河南省防減災(zāi)能力進(jìn)行分析之后，考慮各個(gè)因素對風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃劃分的影響程度，確定各影響因子及影響因素的權(quán)值。經(jīng)專家分析，本文將干旱、洪澇、雹災(zāi)三種氣象災(zāi)害的綜合影響權(quán)重系數(shù)定為0.7，人口密度和耕地面積兩種影響因素權(quán)重系數(shù)分別為0.1，由于人均GDP水平和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)成反比，人均GDP水平越高，防災(zāi)減災(zāi)能力越強(qiáng)，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)越低，所以將此影響因素權(quán)重設(shè)為-0.1。代入模型得式(3)：

F=0.7∑YiKi+0.1P+0.1A-0.1G。

(3)

根據(jù)綜合評估風(fēng)險(xiǎn)模型公式計(jì)算出河南省各個(gè)地市氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，河南省氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表和河南省氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖分別如表1和圖7所示。

表1 河南省氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表

圖7 河南省氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖

由圖7可知，三門峽市等3個(gè)地級市位于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，平頂山市等5個(gè)地級市位于較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，鶴壁市等4個(gè)地級市位于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，安陽市等4個(gè)地級市位于較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，鄭州市和漯河市位于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

4 結(jié)論

1)本文對河南省各類災(zāi)害的致災(zāi)因子、承災(zāi)體脆弱程度、孕災(zāi)環(huán)境和防減災(zāi)能力四個(gè)方面進(jìn)行分析，并結(jié)合對河南省18個(gè)地市近50年來的氣象災(zāi)害歷史資料的統(tǒng)計(jì)和相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，構(gòu)建出該省的氣象風(fēng)險(xiǎn)綜合評估模型，以GIS為基礎(chǔ)進(jìn)行氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的劃分。研究表明：河南省風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高的地區(qū)主要分布在東部和西部，中部地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較低，其中三門峽市和洛陽市風(fēng)險(xiǎn)等級最高。

2)考慮河南省各地市人口密度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平情況，中部人口密度大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高，受災(zāi)易損的同時(shí)又有較好的防災(zāi)減災(zāi)能力。

3)考慮河南省東部和南部耕地面積較大，惡劣天氣對其影響較大，易損性高。

4)本文建立的河南省氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，可為河南省在進(jìn)行氣象災(zāi)害防治資源分配時(shí)提供一定的參考，減少不必要的資源浪費(fèi)。

5)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)影響因素多樣，加之天氣系統(tǒng)本身具有復(fù)雜性，且本文使用的數(shù)據(jù)數(shù)量有限、涉及范圍窄且時(shí)間較為久遠(yuǎn)，要進(jìn)行準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分有一定難度。因此，在此基礎(chǔ)上，需要進(jìn)行更深層次的數(shù)據(jù)收集與參數(shù)分析，進(jìn)而完善模型并實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分析。