闽江流域洪涝风险区划快速评估研究

曲 丽 英

（福建省水利水电科学研究院，福建 福州 350001）

0 引 言

闽江是福建省第一大河，地处东南沿海，流域面积约占福建省国土面积一半，覆盖福州、三明、南平、莆田4 个市和建宁、闽侯、长乐和连江等30多个市县。闽江流域深受频繁发生的极值水文事件影响，洪涝灾害风险的控制一直是流域水利建管工作的首要任务。流域洪涝风险涉及复杂的天气、下垫面及社会经济发展状况等众多因素，洪水灾害具有明显的空间分异特征［1］。洪涝风险评估与区划是在分析洪涝风险空间分异特性的基础上，对区域洪涝风险进行宏观定量分区［1］。科学准确地对闽江流域的洪涝风险进行评估与区划，有利于决策者把握流域洪涝风险的宏观格局，对于流域的防洪预案编制和防洪减灾政策制定具有重要意义。

2021 年，水利部水旱灾害风险普查项目组发布了《洪水风险区划及防治区划编制技术要求（试行）》，明确了洪水风险区划及防治区划的基本原则、主要内容和基本技术要求，规范和统一了洪水风险区划及防治区划的技术标准和技术方法［2］。一些学者基于GIS 平台［3，4］与水文水力学模型集成开展洪涝风险评估与区划［5-7］。国内，王静等［8］以蓄滞洪区启用标准和淹没水深为指标，以东西湖蓄滞洪区为案例，分析蓄滞洪区洪水风险区划，王秀杰等［9］结合水力计算模型和GIS平台，分析了洪、涝、潮多源洪水条件下的入海河口地区的洪水风险区划，张永民等［10］基于GIS和Logistic回归模型，评估河南省卢氏县的山洪灾害风险。相关专家［11-13］基于GIS平台，基础地理信息数据、社会经济数据为基础数据，构建洪涝灾害评估指标体系，采用层次分析法等风险评估计算方法，应用GIS的空间分析功能，开展安徽芜湖市、浙江和陕西省洪涝灾害风险评估和区划研究，王倩雯等［14］构建基于GIS 多准则评价与BP 神经网络模型的风险辨识方法，研究了闽三角地区的风险空间分布规律和空间格局。上述研究成果，对区域防灾减灾起到了一定的指导作用。

目前闽江流域相关的研究成果较少，且主要是针对流域局部区域的洪水风险图和超标准洪水风险防御预案的相关成果，缺乏全流域快速评估洪涝灾害风险的研究方法和评价体系的研究，因此在防灾减灾规划和预案制定方面尚未能根据不同洪水风险区划制定更为精细化的应对举措。本文基于闽江流域洪水致灾机理和洪水特征，收集整理闽江流域水文、地形、小时降水数据、统计年鉴、防洪工程等资料数据，基于GIS平台，评估闽江流域洪涝风险的空间分布规律和风险区划，研究成果可为闽江流域洪水应急预案编制及防灾减灾工作提供支持。

1 指标数据来源及数据处理

自然灾害风险是自然灾害与承灾体脆弱性共同作用的结果，洪涝风险评估通常建立在洪涝危险性评估和脆弱性评估的基础上，但洪涝风险评估是重要而复杂的科学问题，随着社会防灾减灾能力的提升，承载体的防灾能力对洪涝风险的影响愈加显著。相关文献分析表明［15-18］，闽江流域洪水主要由暴雨形成，其中暴雨强度、时程变化、覆盖范围、移动路径等诸多特征，对洪水影响关系密切；洪水出现时间具有明显的季节性，其特点是峰高、量大、历时短；洪水致灾是流域内暴雨、地形、河系特征等自然因素、经济社会因素和现有防洪能力三者所包含的各个因子之间具体相互影响、相互作用关系的结果。

为更加客观、全面地反映区域洪涝风险，凸显区域防灾减灾能力在洪涝风险空间分布的作用，本文拟将区域洪涝风险评估内容分为洪水危险性、承载体脆弱性、承载体防御能力3 个方面。

根据洪水风险评价的定义和闽江流域风险评估区划目标，结合闽江流域洪水特征和致灾环境，参考已有研究成果，综合考虑洪涝危险性、承载体脆弱性、承灾防御能力的影响因子，兼顾考虑到数据的可获取性，收集闽江流域的自然地理基础数据、社会经济发展和防洪工程等相关信息，规范化整理成17 项评价指标，构建闽江流域“3个方面-3种关系-17项指标”的3个层次洪涝风险指标体系（表1），用于识别闽江流域的暴雨洪涝风险分布特征及区划。指标体系主要分危险性、脆弱性、防御能力3个方面，包含致灾因子、孕灾环境和承灾体3种关系，3种关系特性则采用17项指标表征。

表1 闽江流域洪涝风险区划指标数据来源及处理方法Tab.1 Data sources and treatment methods of flood risk regionalization indicators in the Minjiang River Basin

本研究中洪涝灾害频次以县域单元统计，30 m 分辨率网格作为地形指标计算单元，其他数据计算单元为100 m网格，洪涝灾害脆弱性指标均以县域为单元收集统计，灾害风险总体评价基于县域单元。

2 闽江流域洪涝风险区划评估

2.1 指标体系构建

闽江流域洪涝风险的危险性主要考虑水文数据和地形两个方面，具体指标有三日最大降雨量、坡度、高程标准差（起伏度）、河网密度、临水距离、洪涝灾害频次、50 年一遇或100 年一遇洪灾模拟淹没区及地质灾害点密度等因子构成。

承灾体脆弱性包括承灾体的暴露性和社会经济因素。社会经济因素包含人口，经济和土地利用类型等指标，根据数据的可获得性，选择建设用地占比、耕地面积占比、人口密度以及地均GDP作为承灾体社会经济评估因子。

承灾体的防御能力主要考虑防御能力要素，选取县域内水文站气象站分布密度、防洪排涝总量/县市区域面积、水库防洪库容总量/县市区域面积、道路密度、堤防标准、堤防闭合度以及近15～20年发生大洪水频次等因子来表征。

2.2 AHP指标权重确定

利用层次分析法（AHP）确定各指标权重。层次分析法（Analytic Hierarchy process，AHP）是T.L.Satty 等人提出的一种定性与定量分析相结合的多准则决策方法［19］。确定权重的主要步骤：①指标间相互比较建立判断矩阵；②利用方根法求各评估指标权重并归一化；③进行一致性检验。表2 为AHP 确定的各指标权重。

表2 AHP法洪涝风险评价指标权重Tab.2 Weight of flood risk evaluation index by AHP method

分析表2 可知，闽江流域各县域洪涝灾害频次、50 年一遇或100年一遇洪灾模拟淹没区这两项指标权重排洪涝灾害危险性的前两位；承灾体脆弱性则主要由城镇建设用地占比和人口密度来表征；防洪堤防闭合度对承灾防御能力影响最大。

2.3 熵权法权重

（1）评价指标归一化处理。评价指标体系中各项参评因子含义和量纲各有不同，因子之间不具有可比性。故为了统一数据，需对判断矩阵归一化处理。根据各因子对洪涝风险的贡献属性，正向影响指标用式（1），逆向指标用式（2）对指标因子进行归一化处理：

式中：Yij为标准化之后的指标值；Xijj为第j指标第i项的实测值；maxj(Xij)表示第j指标第i项的最大值；minj(Xij)表示第j指标第i项的最小值。

（2）评价指标的信息熵。熵权法（the entropy weight method简称EWM）是脱胎于信息论基本原理的解释［20］，信息是系统有序程度的一个度量，熵是系统无序程度的一个度量。如果指标的信息熵越小，该指标提供的信息量越大，在综合评价中所起作用越大，权重越高。

熵权法是常用的一种求权重的方法，它反映两组随机变量与某间线性相依性的度量。根据各指标的变异程度，利用信息熵计算个指标的熵权，再对各指标的权重进行修正，获得客观的指标权重，应用于评价指标的有序性。

根据熵的定义，m个指标n被评价对象时，第j指标的熵值：

式中：k为调节系数。

Pij为第j指标第i项指标值的比重：

当Pij= 0时，有PijlnPij= 0。

在确定指标熵之后，对权重进行计算：

式中：Wj为第j指标的权重，0 ≤Wj≤1。计算结果见表3。

表3 闽江流域洪涝风险评价指标权重Tab.3 Weight of flood risk evaluation index in the Minjiang River Basin

2.4 AHP-熵权法组合权重

AHP-熵权法组合权重的原理是根据各指标的AHP 权重W1j和熵权法的客观权重W2j相结合，可得对应的组合权重Wj。根据博弈论思想，AHP 权重和熵权重越接近越好，应用最小相对信息熵原理：

对式（8）应用拉格朗日乘子法［21］求解，得AHP-熵权法组合权重Wj（表3）：

2.5 综合洪涝风险

将各指标组合权重与各指标的标准化结果在地理信息空间处理上加权求和，建立洪涝灾害相应影响因子风险指数模型：

式中：Wj为确定的指标权重；Yij为标准化之后的指标值栅格图层。

将各指标因子风险指数，用“加”算子对式（2）有关变量进行数学组合，即获得各区域综合洪涝风险评价结果：

式中：S为区域综合洪涝风险；S1为洪涝危险性、S2为承灾体脆弱性、S3为承灾体防御能力，为负向指标标准化处理后的值。

3 结果分析

根据洪涝灾害的相应评价体系，采用自然断点分级法进行分级，该方法根据属性值的自然聚类，可以减少同一级中的差异，增加级间的差异。将洪涝灾害风险指数分为5个相对等级：低风险（1）、次低风险（2）、中风险（3）、次高风险（4）、高风险（5）五个等级；在地理信息空间处理平台上生成闽江流域洪涝灾害的系列风险图。。

3.1 洪涝风险危险性评估

洪涝灾害危险性是指洪水灾害系统中孕灾环境和致灾因子的各种自然属性特征的概率分布。由图1 可见，闽江流域的洪涝风险高风险县区主要分布在南平、三明的闽江上游区域以及主干流流经的延平、闽清、闽侯，而低值区域主要分布在三明市的大部分区域以及靠近出海口，地表河流较少的福州市晋安区、长乐区。究其原因，南平市的武夷山脉一带由于地形效应，本属于福建省的暴雨多发地带，雨量丰富，而闽江下游经过的建瓯、顺昌，延平均为多条河流交汇地带，闽江流域上游地区多属于坡度和起伏度较大的丘陵地带，下游的闽清县、闽侯县地形起伏变化也较大，易发生山洪灾害事故。

图1 闽江流域洪涝风险危险性指数分布图Fig.1 Distribution diagram of flood risk risk index in Minjiang River Basin

3.2 洪涝风险脆弱性评估

洪涝灾害脆弱性指数主要反映了承灾体自身的脆弱性及抗灾能力，主要受人口及社会经济因素的影响。从图2来看，闽江流域的洪涝灾害易损性形成比较明显的上下游对比，高值区域主要集中在河流下游的县市区，基本为福州市区周边的几个县市，台江区值较高，低值区域占全流域的大部分，集中在河流上游区域，明确反映了闽江下游区域由于人口密集、经济实力高，城镇用地比重高使得易损性强，上游区域相对人口数量较少、经济发展水平中等，城镇用地占比较少，使得易损性相对较弱的特点。

图2 闽江流域洪涝风险脆弱性指数分布图Fig.2 Distribution diagram of flood risk vulnerability index in the Minjiang River Basin

3.3 洪涝风险防御力评估

洪涝灾害防御力指数主要反映了承灾体本身的工程措施以及非工程性措施对自然灾害的抗灾能力。为与其他风险图指标一致，防御力指数较高的说明抗灾能力相对较弱，指数较低的说明抗灾能力较强，图3 为闽江流域洪涝防御能力分布图。

图3 闽江流域洪涝灾害防御力指数分布图Fig.3 Index distribution diagram of flood disaster defense force in the Minjiang River Basin

由图3可见，各县市防御力差别较大，高值区域集中在上中游地带的南平市的建阳、建瓯、顺昌、沙县、三元区，低值区域比较分散，部分集中在福州市区周边。之所以形成这种趋势，主要是各地的堤防建设状况以及近年的洪灾频次影响，主要的市区区域如原南平的延平区、福州市区一带，堤防标准较高，同时近20 年洪水频次较高，群众防御意识较强，福州市区位于闽江下游，台风对闽江流域的影响常会带来暴雨，而延平区原为南平市区，位于两大支流沙溪和建溪汇合之处，抗灾经验丰富。而上游一带的建阳区和沙县区，由于新区正发展中，原有堤防问题较多，建瓯市堤防未闭合，沙县、三元区和顺昌县在堤防闭合上得分较低，同时在道路密度上，城市的市区的道路密度都较高，使得抗灾能力较强一些。

3.4 洪涝风险综合风险评估

综合闽江流域的洪涝灾害危险性、承灾体的脆弱性以及防御力，在地理信息空间处理平台上生产闽江流域的洪涝灾害综合风险图（图4）。数值较高区域即风险较高区域集中在闽江流域的上游地带，包括武夷山脉一线，特别是建阳区、顺昌县、建瓯市、沙县区；而福州市的闽侯县、台江区也属于较高风险区域。低值区域较分散，多集中在沙溪上游三明地区的县市，大樟溪上游的永泰、德化，下游的马尾区和长乐区，中值区域多集中在闽中大山带的永安、大田一线。

图4 闽江流域洪涝灾害综合风险指数分布图Fig.4 Distribution chart of the comprehensive risk index of flood disaster in the Minjiang River Basin

从结果来看，闽江上游南平市区域，总体危险性较高，再加上防御力较弱，使得几个县市风险较高。而下游福州市的闽清、闽侯由于危险性较高，叠加中等的脆弱性，使得风险较高。台江区因较高的脆弱性（受建设用地比例高、人口密度高）的原因，虽防御力较强，但其风险也较高。而其他几个属于河流上游区域的如连城、德化、松溪及三明的大部分区域，因经济发展水平中等，脆弱性较低，危险性也中等，使得风险总体较低。所以，总体上闽江流域的洪涝灾害综合风险内部差异较大，需要集中精力防范南平市域内较高风险区的洪涝问题。

4 合理性分析

4.1 县区洪涝风险区域特征分析

表4 统计了闽江流域各县区的最大三日降雨量、地形起伏度、坡度、临河距离和河网密度等危险性指标；与洪涝风险危险性、脆弱性和防御能力特征值；闽江流域综合洪涝风险特征值。

表4 闽江流域县区洪涝风险特征值表Tab.4 Characteristics of flood risk in the Minjiang River Basin

由图2 至图5，表4 所列数据可知，闽江流域的洪涝风险综合风险内部差异较大。

（1）洪涝高风险区域集中在闽江流域的下游福州沿江县市，上游的武夷山脉一线，特别是南平市延平区、建阳区、建瓯市、邵武市、顺昌县和三明市的将乐县、沙县区、三元区、清流县、泰宁县、建宁县。

（2）主要易淹没县区（危险性值较高）分布在三明的泰宁、将乐、沙县；南平的建阳、建瓯等闽江上游临河地区；主干流流经的延平、闽清、闽侯等县区。

（3）沙溪上游龙岩市连城县和中游的宁德市古田县，洪涝风险也较大。

分析表明，上述评估成果与闽江流域的洪涝易淹没实际区域分布，基本吻合。

4.2 闽江流域县区历史洪水统计

表5统计了闽江流域各市县区建国以来发生的洪灾次数。

表5 闽江流域洪各县市区建国以来洪灾次数统计表Tab.5 Statistical table of flood times in flood counties and cities of Minjiang River Basin since the founding of the People's Republic of China

表4 和表5 两者对比分析表明，本研究的闽江流域洪涝风险区划结果与近几十年闽江流域的洪涝灾害实情基本吻合。

局部县区（如泰宁、建宁和将乐等）虽洪灾次数较多，但划分为洪涝风险中风险区的原因是该区域人口较少，经济总量不大，区域洪涝风险综合风险指数不高。

总体考虑，本次构建的闽江流域洪涝风险快速评估方法准确性和可信度较好。

5 结 论

研究系统性地从致灾因子、承灾体、孕灾环境的灾害理论出发，收集整理闽江流域水文、地形、小时降水数据、统计年鉴、防洪工程等资料数据，选择17个指标，从致灾因子危险性、承灾脆弱性、承灾体防御能力等方面，构建了闽江流域洪涝系统的风险评估指标体系，应用AHP-熵权组合权重法，对闽江流域洪涝风险进行评估和区划。

（1）总体上闽江流域的洪涝风险综合风险内部差异较大。闽江流域洪涝风险危险性指数较高值主要分布上闽江流域的主干流区域；易损性风险高值区域主要集中在河流下游的县市区，社会经济较发达地区，这些地区人口集中、社会生产总值高、工业发达；从防灾减灾能力看，防御风险高值即防灾减灾能力低的区域集中在上中游地带，下游经济越发达的地区防灾减灾能力越强。洪涝风险综合风险数值较高区域即风险较高区域集中在闽江流域的上游地带，综合风险低值区域较分散，多集中在沙溪上游三明地区的县市。这表明洪涝风险对闽江流域的水安全和水资源利用影响显著。

（2）对于综合风险较高的地区，应尽快安排建设资金加强防洪工程建设，提升洪水防御水平；对于综合风险较低的地区，并不说明该地区没有发生洪涝风险的可能性，同样不能放松警惕，要侧重加强防洪宣传与演练、完善预案制定等非工程措施，在资金允许的情形下进一步完善防洪工程建设。

（3）由于洪涝风险的形成受多种因素影响，将其影响因子完全量化有一定困难，需要进一步完善。本文选取临界致灾雨量频次、洪涝风险频次、河网密度、海拔、高程为危险性指标，由于资料有限，所选取区划单位较大，再将危险性指标量化时，进行市区均值化处理，未将危险性指标进行细致空间化处理，会对最终综合风险区划的空间性效果有一定的影响。

（4）因研究涉及到的指标较多，数据收集有一定难度，指标选取中难免有不足，如评估指标体系中，未纳入闽江流域中水库的工程调蓄能力，如水口水库对于闽江下游的防洪能力提升未体现出来。随着数据收集增加，评估结果的合理性和精度有进一步提升空间。