基于GIS-AHP集成的无资料小流域山洪灾害风险评价

李文静，林凯荣，刘 玥，刘树壕，陈 刚

(1.中山大学水资源与环境系，广州，510275;2.广东省水文局广州水文分局，广州 510150)

0 引 言

据统计，新世纪以来全国每年山洪灾害死亡人数占洪涝灾害死亡总人数之比已上升至80%左右[1]，对国家工农业发展和人民生命财产安全造成了严重危害。国际通用的自然灾害风险评价模式为风险性R=危险性H×易损性V[2]，目前国内外多采用多目标分析方法确定各因子权重，通过GIS空间分析功能评价流域山洪灾害风险性。国外Nektarios N[3]等利用比率法分析希腊克里特岛Koiliaris河流域洪水灾害危险性；Sar N[4]等利用层次分析法(AHP)分析印度Keleghai河流域洪水灾害风险性，国内Wu[5]等利用AHP法对淮河流域进行山洪灾害风险区划。研究者在进行多目标分析时利用不同的方法确定因子权重，其中AHP法由于操作简单，常与GIS相结合评价山洪灾害风险[6]。以上研究均在有充分降雨资料或流量资料的基础上，选择降雨或流量作为评价指标进行山洪灾害风险评价，然而山区小流域常为缺资料或无资料地区，目前对无资料小流域进行山洪灾害风险评价的研究较少。

本文采用综合单位法和推理公式法[7]计算无资料小流域石坎河流域的设计洪峰流量，并结合高程、坡度等指标建立评价体系，集成GIS和AHP评价无资料小流域山洪灾害风险，进行山洪灾害风险区划。

1 研究区概况与资料

1.1 研究区概况

石坎河流域位于广东省清远市清新区中部(图1)，流域面积147 km2，河流全长32 km，源头位于龙颈镇佛市村石矶顶，海拔为449.9 m，至龙颈镇龙北村汇入滨江，河流平均比降0.725%，多年平均年径流深1 410.3 mm，多年平均径流量2.18 亿m3。

流域内属亚热带季风气候区，湿热多雨，降雨充足，是广东省三大暴雨区之一，多年平均年降水量1 969.6 mm。5-8月是暴雨高发时期，暴雨集中、强度大，再加上地貌类型以高丘低山为主，坡度较陡，土壤类型以赤红壤、红壤为主，植被破坏严重，径流量大且流速快，山洪灾害频繁发生。根据历史山洪灾害调查得知，流域内受到山洪灾害威胁的防灾对象共67个1 361户8 326人。由此可见石坎河流域面临的山洪灾害威胁形势极为严峻。

图1 石坎河流域概况图Fig.1 Overview of ShiKan River basin

1.2 数据来源

石坎河流域DEM数据(30 m分辨率)来源于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)，数字正射影像(DOM)、土地利用类型和土壤类型为全国山洪灾害防治基础数据，控制断面、历史山洪灾害信息、洪峰流量为清远市山洪灾害项目组野外调查及计算结果数据，数据均符合全国山洪灾害项目组与各项目承担单位的统一技术标准，基于以上数据的清远市山洪灾害分析评价项目(2013)已通过验收。

2 研究方法

山洪灾害风险评价是自然条件的危险性和社会条件的易损性共同作用的产物，参考目前构建的山洪灾害风险评价指标体系[]，结合山洪孕灾环境和成灾特点，选取洪峰流量、高程、坡度、土壤类型作为危险性评价指标，选取人口密度、土地利用类型作为易损性评价指标。

2.1 洪峰流量指标分析

石坎河流域内无实测雨量和流量资料，首先通过ArcHydroTools提取集雨面积、河长、平均坡降等地理信息，根据《广东省暴雨径流查算图表使用手册》[9]利用推理公式和综合单位线法间接推求流域67个防灾对象共32个河道控制断面的50、100 a一遇设计洪峰流量，然后通过自然邻域法对100 a一遇设计洪峰流量及自然分水岭洪峰流量为0的点进行空间插值，最后得出100 a一遇洪峰流量分布特征。

设计洪水成果合理性分析，首先通过选取石坎河上中下游历史洪水场次为“20130816”的4个防灾对象的洪痕点，然后利用曼宁公式[10]计算出历史洪水洪峰流量，最后将历史洪水洪峰流量与100年一遇设计洪峰流量进行对比分析。

2.2 风险评价指标权重计算

2.3 山洪灾害风险评价区划

首先利用GIS将各指标图层进行归一化处理[11]，分别按数值1、2、3、4代表低危险，危险，高危险，极高危险限值赋给各栅格单元(表2)，得到各评价指标的空间分布特征(图2)。然后通过栅格计算器按公式(1)～(3)分别计算每个栅格单元的危险性、易损性和风险性，按照自然间断点重分类方法，进行山洪灾害风险分类，最后得到流域山洪灾害风险区划图，并根据《山洪灾害分析评价方法指南》提供的危险区等级划分标准确定山洪频率。

表1 石坎河流域山洪灾害风险区划各指标权重Tab.1 Index weights of risk assessment of flash floodin ShiKan River Watershed

表2 评价指标危险度划分与赋值Tab.2 Risk classification and assignment of risk assessment index

图2 石坎河流域风险评价指标空间分布图Fig.2 Distribution map of risk assessment index in ShiKan River basin

0.508×h1+0.214×h2+0.174×3+0.104×h4

(1)

(2)

(3)

式中：H，V分别为危险性，易损性；hi、vi为各个栅格单元经过标准化处理后洪峰流量、高程、坡度、土壤类型、人口密度、土地利用类型的栅格单元取值；ri为式(1)和式(2)得到的各个栅格单元的危险性和易损性的取值H和V。

3 研究结果

3.1 洪水成果合理性分析

表1显示洪峰流量在山洪灾害风险评价指标体系中权重最大，应对其合理性进行详细分析，以减小洪峰流量空间插值和栅格计算的误差。本文通过以下方法分析洪水成果合理性：

(1)历史洪水调查资料对比分析。对比由推理公式和综合单位线法推求的设计洪峰流量与曼宁公式推求的历史洪水洪峰流量，表3显示4个洪痕点的历史洪水洪峰流量均处于50～100 a一遇设计洪峰流量之间，历史洪水重现期为50～100 a一遇，接近100 a一遇，与实际情况相符合，说明计算得出的100 a一遇设计洪峰流量较为合理。

表3 石坎河流域设计洪水结果与历史洪水结果的对比情况Tab.3 Comparison of design flood results and historical flood results in ShiKan River basin

(2)同一条河流上下游成果比较分析。同一河流的设计洪峰流量从上游到下游逐渐增大，洪峰模数逐渐减小。石坎河干流上29个控制断面的100 a一遇设计洪峰流量从上游到下游逐渐增大，100 a一遇洪峰模数逐渐减小，没有出现异常点。因此设计洪峰流量结果在趋势上是合理的。

3.2 山洪灾害风险评价

利用GIS计算各个栅格单元的危险性、易损性、风险性，进行山洪灾害风险等级划分并确定山洪频率(表4)，得到石坎河流域山洪灾害风险性区划结果(图3)。

表4 石坎河流域山洪灾害风险等级划分Tab.4 Gradation of flash flood risk in ShiKan River basin

(1)山洪灾害风险等级划分结果。对危险性、易损性和风险性计算结果进行分类，以此作为划分低危险区、危险区、高危险区、极高危险区的界限值。表4显示不同层次分析结构下风险区等级划分界限值差别小，易损性和风险性分析结构下的界限值一致，而风险性分析结构下的界限值略有不同。

(2)山洪灾害风险区划结果。图3(a)至图3(c)显示石坎河流域内山洪灾害风险等级较低区域分布在河流上游地区(如中州村、佛市村)，风险等级较高区域分布河流中下游地区(如石东村、建星村、石崇村)，危险性、易损性、风险性均是东南部普遍高于西北部，呈现出从东南部向西北部逐渐递减的趋势。

沿河距离对危险性、易损性、风险性的影响不同。危险性与风险性受沿河距离的影响大，随着沿河距离的增加而降低，等级极高的区域集中分布在河流两岸200 m范围内；河流上游小部分地区，易损性受距河距离影响大，随着沿河距离的增加而降低，但河流下游地区不受距河距离远近影响，等级整体偏高。

(3)有效性验证。本文对石坎河流域内历史山洪发生时间、洪痕高程进行了详细调查，选择“19820512”、“19020512”、“20130818”、“20140523”4场历史洪水发生的地点与风险区划图进行叠加分析，图3(d)显示几乎所有历史洪痕均位于极高危险区内。根据初步对比验证结果，认为石坎河流域山洪灾害风险区划结果符合实际情况的。

4 结 语

前人利用GIS技术推求设计洪水时，直接利用水文资料插值形成雨量或流量分布图[12]，本文的不同之处在于：采用综合单位线法和推理公式法计算流域内不同控制断面的100 a一遇设计洪峰流量，不同断面的洪水成果相互印证，再通过GIS形成洪峰流量分布图。通过设计洪水成果合理性分析，说明综合单位线法和推理公式法计算出的100 a一遇设计洪峰流量可作为无资料小流域评价山洪灾害风险的重要指标。

在风险区划过程中，按照自然间断点重分类法将危险性、易损性和风险性计算结果分类，所得风险等级划分界限值与前人提出的山洪灾害风险等级划分界限值高度接近[13]。再加上历史洪痕验证效果佳，说明石坎河流域山洪灾害风险区划结果较为合理。

图3 石坎河流域山洪灾害风险区划结果Fig.3 Risk zoning map of flash flood disaster in ShiKan River basin

石坎河流域山洪灾害风险区划结果显示流域内中下游地区和沿河200 m范围内风险等级较高，主要原因是地势较低，平缓开阔，土地利用类型以耕地为主，人口密度较大，易遭受山洪灾害风险。河流上游地区风险等级较低，主要原因是地势陡峭，人口分布稀疏，植被保护较好。结合该流域实际地理条件分析，说明该山洪灾害风险区划结果与实际情况较吻合。

以上结论说明集成GIS-AHP方法是无资料小流域评价山洪灾害风险有效且快速的方法，在今后工作中可构建水文水力模型与GIS结合的耦合模型，实时动态的模拟洪水演进过程。

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致谢：感谢广东省水文局广州水文分局清远市山洪灾害防治项目组成员对本文的大力支持。

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