大連市山洪災害風險分析

孫 濤

(大連金普新區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展服務中心，遼寧 大連 116199)

0 引 言

在下墊面和降雨因素共同作用下引發(fā)的山丘區(qū)溪溝間暴漲暴落的地表徑流即為山洪，通常存在沖刷破壞力強、流速大、覆蓋范圍廣等典型特征，極易造成泥石流、滑坡等災害。由于預防和預測較為困難使得山洪災害易產(chǎn)生人員傷亡，對人身健康和國民經(jīng)濟造成重大威脅。實踐表明，山丘區(qū)的下墊面環(huán)境和降雨條件為驅(qū)動山洪災害的關(guān)鍵要素，一般易引發(fā)山洪的小流域其土壤質(zhì)地不利于水分吸收且比降較大[1-6]。采取科學有效的減災措施和管理政策重要基礎(chǔ)是對風險的準確評估，通過對山洪災害驅(qū)動因子的分析開展系統(tǒng)性、前瞻性的風險評價可大大提升人類抵御自然災害的能力，為構(gòu)建綜合風險管理體系及促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供重要依據(jù)，例如史培軍等從人為、環(huán)境和自然3個方面分解了區(qū)域災害系統(tǒng)[7]。

近年來，將山洪災害風險評價與GIS地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的研究越來越多，如羅日洪等通過構(gòu)建曹江上游小流域山洪災害風險評估模型獲取了區(qū)域風險區(qū)劃圖；靳夢等從山洪災害易損度和危險度的角度提取評價因子，利用GIS軟件疊置處理功能獲取山洪災害風險區(qū)劃圖[8-9]。一般情況下山丘區(qū)為山洪災害易發(fā)區(qū)，所以山洪災害重點防治區(qū)為風險評估范圍。另外，現(xiàn)有研究還未形成較為成熟、完善的山洪災害評估體系，且涉及山洪災害形成原因的分析不夠系統(tǒng)全面。文章選取大連市山洪災害防治區(qū)為研究對象，從人為、環(huán)境和自然災害系統(tǒng)選擇土地利用類型、河網(wǎng)密度、地形指數(shù)、年最大6h降雨量等10項因子構(gòu)建風險評價體系，采用Arc GIS軟件和層次分析法疊加、分配各項因子及其權(quán)重，從而獲取區(qū)域山洪災害風險等級。

1 區(qū)域概況

大連市地處黃渤海之濱，介于E120°58′-123°31′、N38°43′-40°10′之間，大連市總面積12573.85km2，地勢呈南窄北寬、南低北高的特征，地貌形態(tài)復雜且大部分為低緩丘陵和山地，一些山間谷底及河流入海處零星分布有平原低地，海蝕地貌和喀斯特地貌比較發(fā)育且?guī)r溶地形隨處可見。

研究區(qū)具有溫暖帶大陸性季風氣候，近鄰海洋海岸線較長且氣候適宜，年均氣溫10.5℃，年均降水量550-950mm，夏季多暴雨且集中全年60%-70%的降水，日照時數(shù)2500-2800h。黃海和渤海為該地區(qū)的主要水系，贊子河、大沙河、清水河、莊河、英那河及碧流河等為注入黃海了的主要河流，且以碧流河最大；三十里堡河、李官村河及復州河等為注入渤海的較大河流，其它小河近200余條。統(tǒng)計資料顯示，大連市淡水、地下水和地表水分別為37.86億m3、8.84億m3、34.2億m3，其中重復水為5.8億m3。近年來，特殊的地形條件、復雜的地質(zhì)構(gòu)造及降水環(huán)境使得大連山洪災害頻發(fā)，對當?shù)亟煌ā⑼ㄓ嵑蜕a(chǎn)生活產(chǎn)生嚴重的影響，為進一步提升區(qū)域山洪災害科學管理水平，有必要采取科學的方法評估山洪災害風險狀況。

2 研究方法

2.1 山洪災害風險評價體系

山洪屬于一種自然災害對山丘地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和生命安全產(chǎn)生巨大威脅，區(qū)域災害系統(tǒng)理論認為環(huán)境、自然、人為災害風險的疊加即為山洪災害風險，因此考慮從此方面構(gòu)造評估體系。

致災因子的風險性即為自然災害的風險性，由于大連市具有明顯的山丘區(qū)域差異，高強度、短歷時暴雨為造成山洪災害的關(guān)鍵因子，選取年最大24h、年最大6h、年最大10min和多年平均降雨量4個指標突出暴雨致災因子的空間差異性；區(qū)域下墊面環(huán)境的穩(wěn)定性即為環(huán)境致災風險性，由于降雨匯水。地形與山洪災害之間的聯(lián)系較為密切，選擇的環(huán)境災害系統(tǒng)指標包括河網(wǎng)密度、地形指數(shù)和地形坡度；承載體的脆弱性即為人為災害風險性，經(jīng)濟發(fā)展水平較高和人口密集區(qū)的脆弱性較低，選取人為災害系統(tǒng)指標包括土地利用類型、人口分布密度和人均GDP。

根據(jù)選取的10項指標構(gòu)建包括指標層、準則層、目標層的山洪災害風險評估體系如表1所示，且山洪災害風險性高低與各指標因子的數(shù)值大小呈正相關(guān)性。依據(jù)相關(guān)研究資料和自然間斷法，將山洪災害風險等級劃分為1-5級，風險程度隨等級的增大而增加，各風險因子分界值如表2所示。

表1 大連市山洪災害風險評估體系

表2 山洪災害風險評估等級

2.2 數(shù)據(jù)的處理

根據(jù)遼寧省中小流域暴雨圖集中的線矢量插值獲取年最大24h、6h、10min和多年平均降雨量數(shù)據(jù)，由地理空間數(shù)據(jù)云平臺下載精度為90m的數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)；全國山洪災害項目組下發(fā)獲取土地利用格柵數(shù)據(jù)和中小河流線矢量，精度為30m；中科院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心提供人口密度和人均GDP數(shù)據(jù)，通過相關(guān)公式計算獲取河網(wǎng)密度、地形指數(shù)和地形起伏度。其中，地形起伏度V利用Arc GIS格柵計算器和DEM數(shù)據(jù)源獲取，用于描述單位相鄰格柵高程的起伏程度，數(shù)學表達式為：

V=Hmax-Hmin

(1)

式中：Hmin、Hmax為鄰域內(nèi)高程最小、最大值；

地形指數(shù)TI體現(xiàn)了在空間分布上的流域飽和缺水量，用于描述地表產(chǎn)流受地形的影響作用，利用Arc GIS格柵處理工具和DEM數(shù)據(jù)源獲取，其計算式為：

TI=lnA/S

(2)

式中：S、A為任一點i的坡度及其在徑流坡面上的單寬集水面積。

單位相鄰面積a上的平均河長l即為河網(wǎng)密度D，若劃分為n個河段或河流的流域面積為A、總長度為L，則l=L/n、a=A/n。運用Arc GIS線密度分析工具和以中小河流矢量數(shù)據(jù)源獲取河網(wǎng)密度D，其表達式為：

(3)

確保各項參評因子的分辨率和投影坐標系的統(tǒng)一為疊置分析的基本條件，將所有數(shù)據(jù)利用Arc GIS中的重采樣工具和投影格柵投影值分辨率為1km的WGS_1984_UTM_ Zone_50N。依據(jù)以上處理方法和數(shù)據(jù)來源，提取大連市各區(qū)縣山洪災害風險各因子初始值，如表3所示。

表3 研究區(qū)山洪災害風險評判因子值

2.3 確定指標權(quán)重

根據(jù)AHP層次分析法獲取各參評因子權(quán)重，依據(jù)區(qū)域山洪災害實際情況選擇評價因子構(gòu)建多要素、多目標層次結(jié)構(gòu)；然后采用專家打分法對兩兩要素的重要度評分，經(jīng)適當調(diào)整構(gòu)造判斷矩陣，經(jīng)一致性檢驗確定各評價指標權(quán)重見表1，其中CI值為0.0185滿足<0.1的要求。強度大、短歷時暴雨為驅(qū)動山洪災害的主要因子，且較大地面起伏區(qū)很容易產(chǎn)生洪澇，對居民生命安全和經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生嚴重威脅，所以權(quán)重較大的指標有人口密度、地形起伏度和年最大6h降雨量。

2.4 風險評價結(jié)果

將10項指標數(shù)據(jù)利用Arc GIS軟件提取，經(jīng)柵格化處理后分類各個評價指標，然后對山洪災害風險等級運用自然間斷法分為1-5級，各區(qū)域風險等級如表4所示，最后，經(jīng)疊加計算最終確定風險評價值。

表4 自然、環(huán)境和人工災害系統(tǒng)風險評價

續(xù)表4 自然、環(huán)境和人工災害系統(tǒng)風險評價

采用正態(tài)分布取值的方法獲取山洪災害風險級別的閾值，將風險級別劃分為很高、較高、中等、較低、很低5個等級，所對應的風險評價最終值為100%-85%、85%-60%、60%-40%、40%-15%、15%-0%，最終的評價結(jié)果見表5。結(jié)果顯示，大連市山洪災害風險以中等-較高-很高為主，由于大連市防洪災害防治的財力、物力和人力有限，為進一步提升山洪災害管理效率應優(yōu)先考慮較高和很高風險區(qū)，同時兼顧中等和較低風險區(qū)域。

表5 大連市山洪災害風險分級及面積占比

2.5 驗證分析

驗證分析數(shù)據(jù)來源于大連市歷史山洪災害點相關(guān)數(shù)據(jù)，在風險等級和點工具上利用Arc GIS軟件、Arc toolbox工具箱標注提取，歷史山洪災害點統(tǒng)計占比與數(shù)量如表6所示。根據(jù)表6可知，歷史上發(fā)生很高-較高-中等山洪災害風險級別的區(qū)域占比達到91.26%，由此表明評價結(jié)果具有較高的準確率，分析結(jié)果與區(qū)域歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)保持良好的一致性，可為未來開展區(qū)域山洪災害防治提供科學的依據(jù)和指導。

表6 各個風險級別歷史災害點占比

3 結(jié) 論

1)從人為、自然和環(huán)境3大子系統(tǒng)選擇山洪災害風險評價因子，結(jié)合災害系統(tǒng)理論構(gòu)建綜合評價體系，并對各指標權(quán)重利用AHP法求解，選取指標信息提取空間為Arc GIS系統(tǒng)軟件，從而獲取大連市各區(qū)域山洪風險等級。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，達到很高-較高-中等山洪風險等級的區(qū)域占比超過90%，在空間分布上揭示了各區(qū)域山洪風險的差異性特征。

2)根據(jù)歷史統(tǒng)計資料驗證評價結(jié)果，結(jié)果顯示評價結(jié)果具有較高的準確度，風險分果與區(qū)域歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)保持良好的一致性，較為客觀、準確的揭示區(qū)域山洪災害分布規(guī)律，可為未來開展區(qū)域山洪災害防治提供科學的依據(jù)和指導。

3)山洪災害的發(fā)生受多個驅(qū)動因素的影響，且各因子影響程度和作用角度存在較大差異，較為準確、系統(tǒng)的分析山洪災害風險還存在相應的難度，為提高評價結(jié)果的參考價值和針對性，未來應繼續(xù)完善評價模型和優(yōu)化評價體系。