中小河流洪涝风险评估及研究：以哈尔滨地区为例

崔 巍，陈文学，白音包力皋，陈兴茹

（中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，100038，北京）

与大江大河的防洪建设相比，中小河流是我国防洪的薄弱环节。我国已将中小河流治理列入 “十二五”时期水利工作的重点。开展洪涝风险评估工作，将灾害管理提高到风险管理的水平，是防灾减灾的简单而有效的方法。

中小河流数量多、分布广，许多地处偏远地区，基础资料普遍缺乏，国家和地方可投入的人力物力有限。针对中小河流的特点，相比较而言，当前采用基于洪灾形成机制的系统分析方法更为适合。本研究以哈尔滨地区中小河流治理为例，基于RS、GIS技术，运用洪涝风险指数模型、层次分析、聚类分析等方法，对中小河流的洪涝风险进行评估，在此基础上进行风险分区和河流分类，确定防治的优先序。

一、研究区域概况

哈尔滨市是黑龙江省的省会，辖8区7县和3个县级市，行政区划面积5.31万km2。哈尔滨市河流以中小河流为主，183条中小河流流域面积占75%以上，均属松花江水系。由于哈尔滨市所处地理地貌极易受到内陆和海上天气系统的影响，成为局部暴雨和大面积暴雨多发地区。全市中小河流区域内，发生连续降雨或局部大面积暴雨时，都能产生洪涝灾害。流域内量级大、范围广、持续时间长的大暴雨发生时间多集中在7—8月，出现的次数占大暴雨总数的84%～88%，尤其7月中旬至8月上旬为大暴雨集中期。经查161个历史年份资料，发生洪涝灾害55年，约占34%，其中发生较大洪涝灾害34年，占21.1%，发生大洪灾15年，占9%。暴雨洪涝灾害已经严重影响了哈尔滨地区的经济社会可持续发展，成为中小河流治理的重要问题。

二、风险评估模型和数据来源

1.评估模型

根据自然灾害风险的形成机理，国内外学者提出了多种自然灾害风险度评估模型。

参照既有分析，本研究认为哈尔滨市中小河流洪涝灾害风险是致灾因子、孕灾环境、承灾体和防灾减灾能力综合作用的结果，用综合风险指数表示，评估模型如式 （1）所示：

式中 FDRI（Flood/waterlogging Disaster Risk Index）为暴雨洪涝灾害风险指数，其值越大，则灾害风险度越高。Xh、Xe、Xv和Wv的值分别表示致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性和防灾减灾能力因子的指数。Xh、Xe、Xv分别为危险性、敏感性、脆弱性因子的权重，采用层次分析法确定。α为常数（0≤α≤1），用来描述防洪减灾能力对减少总的FDRI所起的作用。考虑到当前阶段哈尔滨市中小流域防洪减灾能力对风险大小的影响作用不大，将α确定为0.75。

Xh、Xe、Xv和 Xr的计算采用加权综合评价法，该方法特别适合于对技术、决策或方案进行综合分析评价和优选，是目前最为常用的计算方法之一。加权综合评价法可由式（2）表示：

式中 Xj是评价因子（指 Xh、Xe、Xv和 Xr中的某个变量）的总值，Dij是对应因子 j的归一化后的指标 i（Dij≥0），Wi是指标 i的权重值（0≤Wi≤1），采用层次分析法确定，m是评价指标个数。为消除不同指标数据量纲不同及数量差异影响，在计算指标前均进行归一化处理，公式如式（3）所示：

式中Di为评价指标i归一化处理后的值，xi为待处理的评价指标i中某个原始值，ximax为评价指标i原始值中的最大值，ximin为评价指标i原始值中的最小值。

2.数据来源

采用的数据包括30 m精度DEM数据，哈尔滨市土地利用数据（2010年），人口、GDP分布1km网格数据（2010年），哈尔滨市多年气象水文统计数据（1956—2010年），水利工程统计数据（2010年）等。其中电子数据源自NASA的ASTER G-Dem数据和中国科学院地理科学与资源研究所，统计数据来自黑龙江省水文图集、哈尔滨市统计年鉴、哈尔滨市水资源公报等。

三、风险评估指标体系

1.评估指标与权重

根据哈尔滨市洪涝灾害形成的机理，建立如图1所示的评估指标体系。根据专家意见，结合哈尔滨市实际情况，采用层次分析法确定的各指标的权重，结果见图1括号内数值。由于防灾减灾能力是作为一项可能的减少因子来考虑的，因此，并未对其赋予重值。

2.致灾因子危险性指标

洪涝常见的致灾因子有暴雨、台风、海啸等，对于哈尔滨地区的中小河流而言，暴雨是主要致灾因子。根据相关资料，哈尔滨地区中小河流洪水多为3日左右集中暴雨所形成，因而本研究选取年均最大3日降水量和暴雨频率作为致灾因子危险性评价指标。将年均最大3日降水量和年均大于50 mm频率两个指标归一化后叠置并分级 （见表1），并根据其所属级别赋予不同的影响因子，制作成降雨因素对洪水可能形成的影响分级图，见图2。

图2 哈尔滨市暴雨洪水致灾因子危险性指数分布

3.孕灾环境敏感性指标

①地形。洪水危险性与地形特征紧密相关，“水往低处流”体现了地势较低的地方洪水危险性较大；另外，地势平坦的地方积水不易排出，洪水危险性较大。综合叠加地形高程和地形相对高程标准差的栅格图层，按表2的划分标准进行赋值，得到地形因素对洪水危险性的影响度图层。

②河网分布。河网的分布在很大程度上决定了研究区遭受洪水侵袭的难易程度，距离河流、湖泊、水库等越近，洪水的危险程度越高。参照相关研究成果，将距河5 km范围划为重点影响范围，利用ArcGIS的Buffer功能分别得到河流、湖泊（水库）的缓冲区后，叠加得到综合缓冲区分布图。

③植被覆盖。洪涝灾害的形成与植被有着一定的联系。植被有一定的蓄养水分的能力，而且在保持水土方面起着重要作用。一个地区植被覆盖度越大，洪涝灾害形成的风险越小。本研究根据哈尔滨市的土地利用状况，以林地草地的覆盖率反映植被覆盖状况。

利用ArcGIS的栅格计算器工具和图层加权叠加工具，将哈尔滨市河流、湖泊、水库、坑塘分布栅格图和植被覆盖分布栅格图进行归一化处理后，与综合地形因子影响度图一起，按照层次分析法确定的权重，使用加权综合评价法，叠加得到哈尔滨市暴雨洪涝灾害孕灾环境敏感性指数分布图，如图3所示。

4.承灾体易损性指标

暴雨洪涝灾害造成的损失一般取决于洪灾发生地的经济、人口密度程度等。社会经济比较发达的区域，人口密集，经济活动频繁，承灾体密度大、价值高，遭受洪水灾害时人员伤亡和经济损失比较大。同样等级的洪水，发生在经济发达、人口密集的地区往往比发生在经济落后、人烟稀少的地区要大得多。

利用ArcGIS的图层加权叠加工具，将归一化处理后的地均人口因子影响度栅格图层、地均GDP因子影响度栅格图层，按照层次分析法确定的权重，使用加权综合评价法，叠加得到哈尔滨市暴雨洪涝灾害承灾体易损性指数分布图，见图4。

5.防灾减灾能力指标

防灾减灾能力是指受灾区对灾害的抵御和恢复能力，包括应对暴雨洪涝灾害所造成的损害而进行的工程和非工程措施。考虑到这些工程建设离不开当地政府的经济支持及当地的经济发展水平的支持，本研究选用人均GDP、青壮年劳动力比例（大于18岁与小于65岁人口所占比例）、堤防达标率三个指标来进行研究区防灾减灾能力分析。人均GDP能够反映灾害发生后生产自救能力的高低。青壮年劳动力的比例可以反映紧急转移安置居民的难度和防灾减灾能力。

表1 暴雨致灾因子危险性指标分级

表2 地形高程及高程标准差的综合影响度关系表

将归一化处理后的人均GDP因子影响度、劳动力因子影响度和堤防达标率栅格数据，按照层次分析法确定的权重，使用加权综合评价法，得到哈尔滨市暴雨洪涝灾害防灾减灾能力指数分布图，如图5所示。

四、洪涝风险评估与分区

根据上述得到的致灾因子危险性指数图层、孕灾环境敏感性指数图层、承灾体易损性指数图层和防灾减灾能力图层，按照层次分析法确定的权重，使用ArcGIS的Map Algebra工具，按照式（1）计算得到哈尔滨市暴雨洪涝灾害风险指数分布图。利用ArcGIS中的自然断点分级法，将风险指数划分为4级。自然断点分级法用统计公式来确定属性值的自然聚类，是减少同一级中的差异，增加级间差异的一种聚类分级方法。得到的哈尔滨市暴雨洪涝灾害风险指数区划表如表3所示，风险指数区划图如图6所示。

哈尔滨市暴雨洪涝灾害风险分布整体上呈现自西北向东南降低的特点。高风险区主要分布在哈尔滨市及所辖区县的城镇区；较高洪灾风险主要分布在哈尔滨市中西部，范围包括宾县中部、五常市西北部、哈尔滨市区中西部、尚志市中东部、阿城市中西部、巴彦县东南部等区域；中等风险区范围包括依兰县中部、方正中部局部、尚志市东北区等。低风险区主要分布在东部、东南部的山区。

表3 哈尔滨市暴雨洪灾风险指数分区表

五、中小河流洪涝风险分类

使用ArcHydro工具，为哈尔滨市属于松花江一级支流的中小河流划分流域，明确其风险发生的范围，如图7所示。使用ArcGIS中的Intersect工具，将哈尔滨市中小河流洪涝风险区划成果（图6）与中小河流流域划分结果（图7）叠置分析，并以流域为单元进行统计，得到58条中小河流的平均洪涝风险指数。

为区分各中小河流洪涝风险的差异，采用聚类分析法将它们分类。聚类分析（cluster analysis）是一种将研究对象分为相对同质群组（clusters）的统计分析技术。为使各样本具有同等的重要性，各样本在分类前进行了Z scores标准化法处理。得到的哈尔滨市松花江一级支流洪涝风险5等级评估结果见表4（限于篇幅，仅列出了部分结果）。

分析可知：①何家沟、马家沟流域的平均暴雨洪涝风险最高，评定为Ⅰ级，其风险明显高于其他区域，应重点优先治理。②海里浑河、五岳河、运粮河等7个流域的洪涝风险较高，评定为Ⅱ级，需优先治理。③统计的58条中小河流中，评定为Ⅰ级、Ⅱ级风险的约占总数的15%，评定为Ⅲ级～Ⅴ级风险的约占总数的85%，相关部门在制定整治计划时，可相应分配资源，做到突出重点、有的放矢。

六、讨论与结论

1.讨论

本文需进一步讨论的内容有：①本研究中给定的河流洪涝风险指数是该流域面积上的平均值，反映的是流域综合水平。对于面积较大的流域（如蚂蚁河流域），内部可能存在较大的差异，更准确详细的信息可参考暴雨洪涝风险区划。②本研究的部分数据来自统计年鉴，以区县为统计单元，如劳动力比例、堤防达标，如能获取以村镇甚至以流域等更精细单元的统计数据，成果的精度将进一步提高。③洪涝风险的分区及分类结果是否合理，应与历史洪涝灾害记录进行核对，如有差异，应分析其原因，通过调整风险评价指标和权重，使风险评估结果更为科学。

表4 哈尔滨市松花江一级支流洪涝风险分类（局部）

2.结论

①我国中小河流数量众多，基础资料缺乏，可投入人力物力有限，进行洪涝风险评估时宜采用基于洪灾形成机制的系统分析方法。②基于洪灾形成机制，本研究绘制了致灾因子危险性指数分布图、孕灾敏感性指数分布图、承灾体因子易损性指数分布图和防灾减灾能力指数分布图。这些成果可辅助相关部门科学分析防灾减灾各环节存在的问题，有针对性地加强防灾减灾工作。③基于哈尔滨市中小河流洪涝风险的评估结果，将哈尔滨地区划分为4级洪涝风险区，将众多中小河流划分为5类，从而确定了洪涝风险防治的重点地区和重点河流，科学指导相关工作的开展。本研究采用的技术方法可推广用于其它地区中小河流洪涝风险评估。

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