山洪災(zāi)害風(fēng)險評價
——以深圳市龍華區(qū)為例

魏澤彪，王秋良，孫 翔，嚴(yán)恒恒

(1.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東 深圳 518000；2.南方科技大學(xué)，廣東 深圳 518000；3.深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518000)

1 概述

山洪是常見的自然災(zāi)害之一，指暴雨、融雪等原因造成的突發(fā)性洪水，具有區(qū)域性明顯、易發(fā)性強、沖刷破壞力強、預(yù)測預(yù)防難度大等特點，嚴(yán)重制約區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展[1-3]。山洪災(zāi)害風(fēng)險劃分是洪災(zāi)評估與預(yù)防管理工作重要的內(nèi)容[4-5]，山洪危險性特征、承災(zāi)能力及社會經(jīng)濟狀況相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、查詢、檢索、顯示，能科學(xué)、系統(tǒng)認識其洪澇成因，為防洪工程規(guī)劃設(shè)計指明方向，為災(zāi)害預(yù)防及管理提供科學(xué)理論依據(jù)[6-9]。

國內(nèi)外許多學(xué)者對不同尺度區(qū)域的山洪風(fēng)險區(qū)域等級劃分以及評價指標(biāo)體系進行了研究。劉家福、李京等結(jié)合自然災(zāi)害理論，綜合考慮降雨、土地利用、人均GDP等自然與社會兩方面的指標(biāo)，利用定性及定量綜合分析方法，對亞洲洪災(zāi)進行風(fēng)險綜合評價[10]。田國珍等[11]選擇降雨、河網(wǎng)密度、植被覆蓋率等指標(biāo)采用層次分析法、可變模糊集理論以及GIS對全國洪水災(zāi)害區(qū)域等級進行了劃分，構(gòu)建了中國山洪災(zāi)害危險性評價指標(biāo)體系，明晰了中國山洪災(zāi)害的分布特征[11-15]。王小笑等采用主成分分析及綜合指數(shù)法，考慮降雨、人口、耕地等指標(biāo)，研究了省級區(qū)域山洪風(fēng)險等級劃分[16-18]。葛星等考慮洪峰流量、土壤類型、坡度等指標(biāo)，采用邏輯回歸模型、轉(zhuǎn)換賦值函數(shù)分別對危險性、易損性計算，對市、縣級山洪災(zāi)害風(fēng)險進行了討論[19]。

綜上所述，大部分學(xué)者均為大尺度開展洪災(zāi)害風(fēng)險等級研究，縣、區(qū)級層面上研究較少，龍華區(qū)作為深圳市產(chǎn)業(yè)大區(qū)，城市高密度建成，是粵港澳大灣區(qū)港深莞區(qū)域中軸重要創(chuàng)新節(jié)點，地理位置十分重要。本文基于GIS與層次分析法對該區(qū)域進行山洪災(zāi)害風(fēng)險評價，以期對該區(qū)域城市規(guī)劃、防洪排澇治理以及管理提供科學(xué)依據(jù)[20-21]。

2 研究區(qū)概況

龍華區(qū)處于北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，夏季盛行暖濕偏南氣流，冬季盛行干燥的偏北風(fēng)，位于深圳市中北部，地處北緯22°34′50″-22°46′30″，東經(jīng)113°58′-114°7′，南接福田中心區(qū)，西連寶安、光明，東鄰龍崗，北與東莞市交界，該區(qū)域轄區(qū)總面積為175.6 km2，均在觀瀾河流域范圍內(nèi)，觀瀾河是石馬河上游河段，自南向北流入東江，屬于東江水系。龍華轄區(qū)內(nèi)共有大小河流24條，河道總長度為111.69 km，觀瀾河干流總長為14.2 km，一級支流為13條，主要包括白花河、茜坑水、崗頭河、龍華河、油松河等，獨立支流為2條(君子布河、牛湖水)；水庫為16座，中型水庫茜坑水庫為全區(qū)唯一的飲用水供水，小型水庫為15座(水系及子流域劃分見圖1～圖2所示)?？傮w地勢南高北低，南部主要為低山丘陵地貌，北部地區(qū)為河灘沖積平原，地形平坦。全區(qū)降雨天數(shù)占全年38%，降雨南多北少、西北多東北少，時空分布不均，降雨年際變化較大，降雨年內(nèi)分配極不均勻，降雨主要集中在汛期(4—9月)，約占全年降雨量的80%，且降雨強度大，多以短時暴雨形式出現(xiàn)，導(dǎo)致洪澇災(zāi)害頻發(fā)。

圖1 龍華區(qū)水系示意

圖2 子流域劃分示意

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

山洪災(zāi)害受自然、經(jīng)濟因素綜合影響，本文以區(qū)域自然地理與社會經(jīng)濟兩個方面數(shù)據(jù)作為分析的基礎(chǔ)依據(jù)[10]，數(shù)據(jù)集為龍華區(qū)2012—2019年數(shù)據(jù)。自然地理數(shù)據(jù)包括1 h最大滑動降雨量、年降雨量、地形起伏坡度、植被覆蓋率、河網(wǎng)密度、城區(qū)覆蓋率、河道比降，社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)包括GDP密度、人口密度等，數(shù)據(jù)指標(biāo)來源見表1。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

3.2 研究方法

3.2.1數(shù)據(jù)處理

本次山洪風(fēng)險研究分析將龍華區(qū)河流水系劃分為23個小流域，一共75個節(jié)點(見圖3)。每個流域選擇相當(dāng)數(shù)量的點，這些點主要分布在河流上游山區(qū)、中游城區(qū)與山區(qū)交界處、下游城區(qū)等位置，根據(jù)等高線密集的程度與河流長度進行相應(yīng)加密處理。各小流域?qū)?yīng)的降雨量數(shù)據(jù)采用靠近雨量站的值，含多個雨量站的小流域采用雨量站均值；地形起伏坡度根據(jù)地形圖等提??；河網(wǎng)密度為河道長度與流域面積比值；植被覆蓋率、城區(qū)覆蓋率地理空間數(shù)據(jù)云進行提??；GDP密度、人口密度根據(jù)河道所在街道進行取值，含多個街道的取均值。將各個流域的最大1 h滑動雨量、年降雨量、地形起伏坡度、植被覆蓋率、城區(qū)覆蓋率、河網(wǎng)密度、地形起伏坡度、GDP密度、人口密度等因子數(shù)據(jù)進行無量綱歸一化，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的存儲格式，再利用GIS進行插值分析計算，得到全區(qū)域的風(fēng)險圖，并對其風(fēng)險區(qū)等級進行劃分。

圖3 流域計算節(jié)點示意

對各指標(biāo)數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，定義無量綱計算公式：

(1)

式中：

Xij——指標(biāo)取值；

i——導(dǎo)致山洪災(zāi)害的9個因子，i=1,2…9;

j——劃分的不同小流域，j=1,2…23；

βij——歸一化值。

3.2.2指標(biāo)權(quán)重計算

層次分析法(AHP)原理簡單，應(yīng)用廣泛，本次采用層次分析法計算山洪災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)權(quán)重，將降雨作為致災(zāi)因子，地形地貌、河網(wǎng)水系作為孕災(zāi)因子，人均GDP密度與人口密度作為承災(zāi)因子，根據(jù)以上指標(biāo)建立洪災(zāi)風(fēng)險評估指標(biāo)體系(見表2)。

表2 洪災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系

指標(biāo)選取以及權(quán)重確定參照參考文獻[5][10]，由經(jīng)驗豐富的專家對指標(biāo)的顯著程度進行判斷，得到判斷矩陣確定山洪災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)權(quán)重，通過計算判斷矩陣致災(zāi)因子、孕災(zāi)因子、承災(zāi)因子的CR均滿足小于0.1要求，最終得到洪災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重(見表3)。

表3 洪災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)權(quán)重

3.2.3模型構(gòu)建

危險性指數(shù)是山洪災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的致災(zāi)體強度；穩(wěn)定性指數(shù)是孕災(zāi)體強度；易損性指數(shù)是承災(zāi)體強度，結(jié)合自然災(zāi)害表達式為：綜合風(fēng)險=危險性+易損性+穩(wěn)定性[10]。

定義危險性指數(shù)為Dij,穩(wěn)定性值為Sij,易損性為Eij,綜合山洪風(fēng)險評估值為Z，則有：

(2)

(3)

(4)

Z=D+S+E

(5)

4 分析與討論

4.1 單因子風(fēng)險評價

根據(jù)圖4可知，最大1 h降雨量大值分布在茜坑水、高峰水流域上游、黃泥塘、崗頭河下游區(qū)域；年降雨量大值區(qū)主要分布在南部油松河、上芬水流域；地勢起伏坡度大值主要分布在牛咀水、龍華河上游區(qū)域；城市覆蓋率大值主要分布在龍華區(qū)中南部區(qū)域；河道比降大值區(qū)域為龍華河上游山區(qū)；河流密度大值的分布在崗頭河以及大布巷水河口區(qū)域；人口密度大值分布在油松河上游到黃泥塘河河口區(qū)域；人均GDP密度大值分布在白花河、樟坑徑、君子布河流域。

a 最大1 h滑動雨量

4.2 綜合風(fēng)險評價

利用GIS空間分析功能，對危險性、穩(wěn)定性、易損性以及綜合風(fēng)險評估進行計算，并采用5級劃分標(biāo)準(zhǔn)，等級越高表示影響性越大，確定洪澇災(zāi)害風(fēng)險評判等級U={低風(fēng)險、較低風(fēng)險、中等風(fēng)險、較高風(fēng)險、高風(fēng)險}[25-26](見表4)，將綜合風(fēng)險評價進行劃分如圖5所示。

表4 風(fēng)險等級劃分表[25]

a 龍華區(qū)山洪危險性分級示意

4.2.1危險性分析

根據(jù)圖5a可知：龍華區(qū)危險性最大的區(qū)域為高峰水至龍華河流域及崗頭河，黃泥塘水流域為很高風(fēng)險等級，其周邊片區(qū)為中等至較高風(fēng)險等級；民治、觀瀾街道部分片區(qū)為中等風(fēng)險等級；茜坑水部分地區(qū)為低風(fēng)險等級，主要是茜坑水庫對小流域局部氣候起了調(diào)節(jié)作用。

4.2.2穩(wěn)定性分析

根據(jù)圖5b可知：穩(wěn)定性較差的為牛咀水上游山區(qū)、賴屋山水庫山區(qū)、大水坑水上游山區(qū)，主要是山區(qū)地形起伏坡度分布不均等因素造成穩(wěn)定性差，引誘山洪的發(fā)生；其次為龍華區(qū)其余山區(qū)各處穩(wěn)定性較差或中等。穩(wěn)定性較好的區(qū)域為龍華區(qū)城區(qū)內(nèi)，均為好或較好，主要是城區(qū)內(nèi)市政排水管網(wǎng)健全，以及海綿城市等措施對洪水削減起到了相當(dāng)作用。

4.2.3易損性分析

根據(jù)圖5c可知：易損性最大的黃泥塘水至崗頭河流域周邊以及觀瀾街道大部分片區(qū)以及君子布河區(qū)域，受災(zāi)后會造成嚴(yán)重損失，主要是黃泥塘水至崗頭河流域內(nèi)人口聚集，君子布河區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展較好，GDP密度大，同時表明山洪災(zāi)害發(fā)生時人員傷亡最嚴(yán)重，其次才為經(jīng)濟損失；山洪發(fā)生造成損失最小的區(qū)域為高峰水、冷水坑、茜坑水、丹坑水流域，易損性小，受災(zāi)后幾乎不會造成較大損失。

4.2.4綜合風(fēng)險分析

根據(jù)圖5d可知：綜合風(fēng)險度依次取值[0,0.1]、[0.1,0.2]、[0.2,0.3]、[0.3,0.4]、[1.4,0.5]，綜合風(fēng)險由南向北大致呈現(xiàn)降低趨勢，牛咀水流域上游山區(qū)、油松河流域上游山區(qū)、茜坑水全流域、丹坑水全流域發(fā)生洪澇災(zāi)害的風(fēng)險程度較高。高峰水至龍華河流域山洪風(fēng)險等級為很高；民治街道部分區(qū)域及觀瀾湖片區(qū)較高；龍華區(qū)中部大部分地區(qū)風(fēng)險等級為中等；山洪風(fēng)險等級較低區(qū)域為茜坑水流域、觀湖街道大部分片區(qū)、白花河流域。

4.3 模型驗證

為驗證評價合理性，利用已有文獻[22-23]進行對比，發(fā)現(xiàn)龍華區(qū)發(fā)生洪澇災(zāi)害69次，受災(zāi)區(qū)域主要為南部茜坑水、高峰水、牛咀水、崗頭河流域等地區(qū)，北部為白花河、大水坑河、君子布河等流域地區(qū)，以現(xiàn)場調(diào)查方法發(fā)現(xiàn)牛咀水流域上游山區(qū)、高峰水以及君子布河等區(qū)域確實發(fā)生過洪澇災(zāi)害或發(fā)生災(zāi)害的風(fēng)險很高，表明構(gòu)建的模型對該區(qū)域風(fēng)險等級劃分評價是合理。

圖6 2019年高峰水庫陽臺山公園示意

5 結(jié)語

通過構(gòu)建龍華區(qū)山洪災(zāi)害評價模型，對該區(qū)域風(fēng)險等級進行了評價，結(jié)合歷史資料進行驗證了模型的可靠性。危險性較大為高峰水至龍華河及崗頭河流域；穩(wěn)定性較差為牛咀水上游、大水坑水上游；易損性最大的為黃泥塘水至崗頭河以及君子布河等流域。茜坑水、牛咀水、大水坑水流域以及民治水庫、賴屋山水庫周邊山區(qū)山洪風(fēng)險等級為很高；中部地區(qū)大部分風(fēng)險等級為中等；白花河流域、觀湖街道大部分區(qū)域為較低。