基于GIS的汉江上游安康市洪水灾害风险评价

石晓静++查小春++郭永强++石彬楠

摘要：位于汉江上游秦巴山区的安康市，历来洪水灾害频发且洪灾损失严重。本研究根据洪水灾害系统理论，基于GIS和层次分析法（AHP），从形成洪水灾害的危险性和易损性两方面出发，对安康市的洪水灾害风险进行了评价。在洪灾评价过程中，选取安康市近50年降水量、降水变率以及地形高程、坡度、水系等自然因素指标进行洪灾危险性评价，选取安康市人口密度、GDP密度、单位面积年粮食产量等经济因素指标进行洪灾易损性评价。首先通过层次分析法确定各评价指标权重，然后运用ArcGIS的地图代数功能对安康市洪水灾害危险性和易损性进行叠加分析，得到了安康市洪水灾害风险评价结果。结果表明：安康市洪水灾害风险主要集中在汉江沿岸，且以河流干流为中心逐渐向两边支流递减。该评价结果与安康市2010年“7.18”洪水受灾情况基本一致，说明该评价方法可行。本研究结果可为安康市制定合理的防洪减灾规划，减轻洪灾损失，提供重要的科学依据。

关键词：安康市；汉江上游；洪水灾害；风险评价；GIS；层次分析法

中图分类号：S422文献标识号：A文章编号：1001-4942（2017）06-0088-07

AbstractThe flood disaster has occurred frequently with serious losses in Ankang City， which locates in Qinba mountain areas in the upper reaches of Hanjiang River. According to the theory of flood disaster system， based on GIS and AHP， the flood disaster risk assessment on Ankang City was studied from the hazard and vulnerability of flood disaster. The natural factor indexes， including annual rainfall and precipitation variability in nearly 50 years， terrain elevation， slope and water system of Ankang City， were considered to analyze the flood hazard. The economic indicators， such as population density， GDP density and annual grain output per unit area， were selected to analyze the flood vulnerability. Then the AHP method was used to compute the weights of evaluation indexes，and the grid of ArcGIS was used to overlay the hazard and vulnerability of flood disaster. The results of flood disaster risk assessment for Ankang City was obtained. The results showed that the flood disaster risk of Ankang City concentrated mainly along the Hanjiang River， and decreased generally from the main stream to the branches. The results were in consistent with the “7.18” flood events in 2010， which showed the feasibility of the evaluation method. Meanwhile， the results could provide an important scientific basis for the reasonable flood control and disaster mitigation planning for Ankang City.

KeywordsAnkang city； Upper reaches of Hanjiang River； Flood disaster； Risk assessment；GIS； AHP

洪水災害是全球许多国家共同面临的问题[1]。我国是世界上洪水灾害发生频繁且损失十分严重的国家之一。频繁发生的洪水灾害不仅造成严重的经济损失，而且带给人们巨大的精神恐慌，严重影响社会的健康稳定发展[2]。面对如此严重的洪水灾害，修建水库等工程措施与洪灾风险评价为主的非工程措施相结合成为防洪减灾行之有效的主要手段，但是由于人类活动的加剧，洪水灾害造成的风险依然存在，其造成的损失呈上升趋势，所以开展非工程措施的洪水灾害风险评价显得尤为重要。它可以指导防洪工程的建设，以更加有效地防洪减灾，从而最大限度地降低洪灾损失，已逐渐成为国内外学者关注的焦点[3，4]。目前，国内外学者对洪灾风险的评价已做了许多研究。例如何报寅[5，6]、陈华丽[7]等采用因子叠加分析得出湖北省洪水灾害综合风险评价图；王建华[8]采用模糊综合评判法构建洪水灾害风险评价模型；Anselmo等[9]通过建立水文水动力学模型对洪水灾害进行了风险评价；刘家福等[10]将GIS与AHP集成方法相结合，得到了洪水灾害综合风险评价图；张会等[11]利用GIS技术评估了辽河中下游的洪灾风险，并绘制了洪水灾害风险区划图。其中，借助GIS方法，从洪水灾害危险性和易损性两方面选取评价指标建立指标体系的评价方法比较成熟，并广泛应用于洪灾风险评价之中，而且与实际情况相比，具有较高的参考价值。

位于秦巴山区汉江上游的安康市，每年汛期期间，由于太平洋副热带高压发展强盛，加上西南低涡及强台风影响，在其特殊的地形地貌条件下，很容易引起暴雨等强降雨过程，为洪水的发生提供了充足的水源。河流水量增加，水位升高，使河流两岸地势平坦的区域面临淹没的困境，从而形成洪水灾害[12]。例如1983年7月、2005年10月和2010年7月等出现的大洪水，均给安康市带来巨大的人员伤亡和经济损失[13-15]。而且根据曹丽娟等[16]开展的未来气候变化对黄河和长江流域极端径流影响的预估研究发现，未来汉江流域发生洪水的可能性将增大。因此随着全球气候异常多变引起的极端降水事件增多，以及近些年来城市化进程的加快，对汉江上游安康市进行洪水灾害风险评价，有助于安康市科学制定防洪减灾规划，最大限度地减轻洪灾损失，促进社会的健康稳定可持续发展和水资源合理规划利用。

本文基于洪水灾害系统理论，遵循科学性、合理性、可操作性的原则，从洪灾形成的致灾因子、孕灾环境和承载体等三个方面选取评价指标，运用层次分析法（AHP）和ArcGIS相结合的方法，对安康市进行洪水灾害风险评价，以期为安康市防洪减灾提供决策依据。

1研究区域概况

安康市位于陕西省最南部，下辖汉滨区及旬阳、石泉、平利、紫阳、岚皋、宁陕、镇坪、汉阴、白河县等1区9县（图1）。地处秦岭和大巴山的中间位置，汉江上游由西向东由石泉入境，经过白河后流入湖北省。地势中间低，南北两侧高，构成“两山夹一江”的自然地貌景观。地形以山地、丘陵为主，地势起伏较大。气候受大巴山和秦岭制约明显，属于亚热带大陆性季风气候，同时位于秦岭以南，处于南北气候的过渡地带，具有北亚热带和暖温带的气候特征。降水主要集中在夏季，雨量充沛，而且受特殊的环流形势影响，多连续性降水或暴雨，降水时空分布不均且降水变率大[12，17，18]。安康市境内河流均属汉江水系，主要河流有汉江、月河、旬河、任河、岚河、黄洋河、蜀河等，河网密布，水系发达。复杂的地形地貌特征、大气环流状况及网状水系，使得安康市易出现暴雨洪水。

据历史文献记载[19]，从公元180年以来，安康共发生较大洪水51次，其中特大洪水13次，属于洪灾多发区。例如1983年安康大洪水，使全省48个县不同程度地受灾，受灾农田117.5万公顷，受灾人口764.3万人，倒塌房屋283 490间，全年经济损失达151 278万元，使安康老城区基本被毁，严重影响安康市经济社会的发展和人们生活的稳定[13]。

当前安康市是国内重要的交通枢纽之一，优越的地理位置促进了安康经济的快速发展。近些年来，安康市正在利用其资源和区位优势发展多种产业。因此，对安康市进行洪水风险评价对其可持续发展具有重要的意义。

2数据来源与研究方法

2.1數据来源

安康市1960—2009年降水数据由安康市气象局提供，高程和坡度数据取自SRTM-3 DEM，人口密度、GDP密度、单位面积粮食产量、耕地面积等数据来自《陕西省2010年区域统计年鉴》[20]。

2.2研究方法

2.2.1评价指标体系的建立洪水灾害系统是致灾因子、孕灾环境和承载体三者相互联系、相互作用构成的复杂系统，它构成了洪水灾害风险评价的理论基础[21，22]。本研究即依据洪水灾害系统理论，从致灾因子、孕灾环境和承载体三方面出发，将安康市洪水灾害风险评价分为洪水灾害危险性评价和洪水灾害易损性评价两部分。洪灾危险性评价主要从致灾因子和孕灾环境两方面分析，致灾因子选取降水量和降水变率作为评价指标，孕灾环境主要选取地形和水系指标；洪灾易损性评价主要从社会因素分析洪水灾害造成的承载体的受灾情况，采用与人类生活密切相关的人口密度、GDP密度、单位面积年粮食产量等指标。据此，根据安康市近几年洪水灾害情况，遵循数据的客观性、可获取性等原则，建立了安康市洪水灾害风险评价的指标体系。

2.2.2层次分析法确定权重层次分析法（AHP）是一种通过对评价指标进行两两比较，构造判断矩阵，并对判断矩阵进行一致性检验，进而对评价指标实现定性和定量分析的方法[8]。通过具体的数学计算，可确定各评价指标对洪水灾害风险影响的重要程度，即权重。这种方法计算简单且有数学依据，适用于区域洪水灾害风险评价中指标权重的计算，具有较大的合理性。本研究参照相关文献[8， 23，24]，结合1983、2005、2010年安康市洪水灾害情况，并请相关专家对评价指标赋值，建立了判断矩阵，然后求解判断矩阵的最大特征值和对应的特征向量，最后通过一致性检验（CR<0.1），得到评价指标降水、地形和水系的权重分别为：W1=0.2199，W2=0.2721，W3=0.5080。

2.2.3因子叠加ArcGIS具有强大的空间分析功能，本研究利用这一优势，在ArcGIS 10.0软件中，运用空间分析工具的地图代数功能，根据指标权重值对安康市洪水灾害危险性和易损性进行叠加，得到安康市洪水灾害风险综合评价结果。对安康市洪水灾害风险评价运用如下公式[ 25]：

3洪水灾害风险评价

3.1洪水灾害危险性评价

洪水灾害危险性评价主要分析致灾因子和孕灾环境各因素对造成洪灾危险性概率的大小，主要包括降水量、地形、水系等自然因素。

3.1.1降水量对洪水灾害危险性的影响安康市降水量具有年际变化大、空间分布不均的明显变化特征，这是造成安康市洪水灾害的重要原因之一。本研究综合分析了安康市1960年至2009年近50年的降水量和降水变率，并根据降水量越大、降水变率越大对洪灾危险性影响度越高的原则[25，26]，赋予综合降水因子对洪灾危险性的影响度（表1）。在ArcGIS 10.0软件中，利用ArcMap的反距离权重插值法（简称为IDW）对降水量及降水变率数值进行空间插值，得到安康市10个站点近50年降水量和降水变率两个插值图层，再利用Combine函数叠加这两个图层，并根据表1赋予其所属级别的影响度，得到综合降水影响因子图（图 2）。

由图2 知，降水因子影响度在紫阳县和镇坪县出现高值，其次为石泉县、岚皋县，其原因在于这些地区处于西南暖湿气流的迎风区，加上地形的影响，出现多个暴雨中心；而旬阳县由于暖湿气流的移动，降水量减少，影响度出现低值。

3.1.2地形对洪水灾害危险性的影响地形高程和坡度影响洪水淹没范围。安康市南北秦岭和大巴山区地势高，而中部汉江沿岸谷地地势较低，洪灾威胁性大。即地势越低，地势起伏越小，发生洪水灾害的可能性越大。地形高程采用SRTM-3 DEM 数据，坡度采用相对标准差来反映。根据绝对高程越低、相对高程标准差越小对洪灾危险性影响度越高的原则[25，26]，赋予综合地形因子对洪灾危险性的影响度（表2）。利用ArcMap软件叠加DEM和高程标准差栅格图，得到综合地形影响因子图（图3）。由图3 知，地形因子影响度高值主要分布在汉滨区中部盆地，其次为汉阴、旬阳、白河等地，这是由于这些地区位于汉江两岸河谷地区，地形平坦且地势起伏度小。

3.1.3水系对洪水灾害危险性的影响水系的分布在很大程度上决定了安康市受洪灾影响的危险程度。安康市各支流呈网状分布在汉江南北两岸的山地和丘陵地带，组成了安康市的河流水系网[27]。在汛期暴雨时节，支流水量快速地向干流汇集，导致水位迅速升高，再加上低洼地区排水不畅，易造成洪灾。根据河流等级越高、水量越大影响范围越广的原则，把研究区划定为一、二级缓冲区。地形平坦的干流及一级支流河段，缓冲区宽；二级及其他支流等地势陡的河段，缓冲区窄，并赋予各级河流合理的缓冲区宽度[26，28]。在ArcGIS 10.0软件中，运用Buffer功能将提取的河流矢量图按不同的干支流、不同的地形高程做出不同级别的缓冲区（表3）；然后依据距河流越近对洪灾的危险性影响度越高的原则[25，26]，赋予河流各级缓冲区影响度：一级缓冲区为0.9，二级缓冲区为0.8，非缓冲区为0.5，进而得到综合水系影响因子图（图4）。结合图4 知，缓冲区宽度在地势较低的汉江干流及一级支流处最宽，并依次向两边递减，水系因子的危险性影响度以河流干流为中心逐渐向两边递减。

3.1.4洪水灾害危险性综合评价在ArcGIS 10.0软件中利用地图代数功能的栅格计算器，将综合降水影响因子插值图层、综合地形影响因子栅格图层和综合水系影响因子图层根据各指标权重进行叠加，得到洪灾危险性影响的综合评价结果。各影响因子对洪水灾害危险性影响的叠加公式如下：

式中，H为洪灾危险性影响度，P为综合降水因子影响度，M为综合地形因子影响度，N为综合水系因子影响度。

安康市洪水灾害危险性评价结果 （图5） 表明，洪灾危险性等级整体上按照河流沿线分布，以干流为中心向两边递减，即离干流越近，危险性越高。由于汉江干流沿岸地势平坦，处于河流的一级缓冲区内，随着城市化水平的提高，人类活动逐渐加剧，改变了下垫面等孕灾环境，不透水面积增加，在降水量多的情况下，地势平坦的地区容易积水且难以排出，因此洪灾危险性最高。汉江干流及其支流的二级缓冲区洪水灾害危险等级次之；安康市西北部和东南部由于山地多，地势起伏较大，孕灾环境较稳定，洪水灾害危险性比较低。

3.2 洪水灾害易损性评价

易损性评价主要是分析洪水灾害对人民生命安全、经济、农业等的影响程度，包括受灾人口数、经济损失、农作物减产等情况。随着人类社会的发展，人类将从自然环境中获取越来越多以创造更多的物质财富作为构成经济效益的主体；而与此同时，自然也不同程度地反馈给了人类，如洪灾造成的损失逐年增加。在同一洪水灾害影响下，不同地区由于经济发展等情况不同，遭受的损失也有差异。安康市经济发展对农业依赖性高，同时安康市的石泉县、紫阳县、汉滨区、旬阳县等几个县区均位于汉江及其支流边上，洪灾发生时不仅对当地粮食产量影响很大，而且也严重威胁当地的经济发展和居民生命安全。根据安康市1983、2005、2010年洪灾受损情况以及各县区经济发展状况的差异性，选取了代表性的人口密度、GDP密度、单位面积年粮食产量等作为易损性的主要衡量指标。根据人口密度、GDP密度、单位面积年粮食产量越高，洪水灾害易损性越高的原则，将其划分为5个等级，并赋予相应的影响度（表4），在ArcGIS 10.0中得到各指标的影响度分布图。为综合评价安康市各县区承载体的易损性，参照相关文献[25，26]，运用ArcGIS 10.0的Grid模块，将三项指标的影响度分布图进行等权重叠加，得到洪水灾害易损性综合影响度分布图（图6）。由图6知，汉滨区、汉阴、石泉等县区人口密度、GDP密度、单位面积年粮食产量均高，易损性也高；紫阳县、白河县次之；岚皋县、平利县处于中等易损性；旬阳县、宁陕县处于较低易损性；而镇坪县由于山地多，人口多分布在狭长的河流两岸谷地区域，密度小，经济较落后，处于低易损性。

3.3洪水灾害风险综合评价

洪水灾害风险综合评价是致灾因子、孕灾环境的危险性和承灾体的易损性的叠加。由公式（1）得到安康市洪水灾害風险评价等级图（图7）。

由图7可知，安康市洪水灾害高风险和较高风险主要集中在汉江干流，且逐渐向两边支流递减，其原因是汉江干流沿岸地区，各支流汇聚，水量较大，尤其是汛期受副热带高压和西南暖湿气流影响，降水量较多且多暴雨，使水位较高；此外，该区域地势低平，人口城镇聚集，人类活动显著，改变了下垫面环境，使河水汇集速度快且排水不畅，加剧了洪灾的危险性；汉滨区经济基础雄厚，人口密度大，耕地面积广，洪灾造成的绝对经济损失巨大，承灾体的易损性高，因此洪灾风险性高。汉江干流及其支流的二级缓冲区洪灾风险等级次之，由于此处有河流流经，地势较低，汛期降水量较多，为洪灾提供了孕灾环境和致灾因子。安康市西北部和东南部由于山地多，地势起伏大，孕灾环境较稳定，洪灾危险性低；居住的人口较少，经济发展较落后，易损性较低，因此洪灾风险等级比较低。因此，汉江干流沿岸等洪灾风险比较高的区域，政府等相关部门应进一步增加投入，完善洪灾预警系统，提高堤防等防洪工程的建设标准，加强洪水灾害风险管理工作，提高灾后恢复能力。

4验证

2010年7月汉江上游发生严重的洪水灾害事件，使安康市遭受了1983年洪灾之后最严重的一次特大洪灾。据统计，这次洪灾主要分布在汉江干流沿岸的汉滨区及汉阴、紫阳、旬阳、平利、岚皋等县区；受灾人口65.31万人，损坏房屋2.47万间，作物受灾面积达2.181万公顷，造成直接经济损失达17.7亿元 [15]。将2010年安康洪水实际受灾情况与安康市洪灾风险综合评价结果对比验证，可以得出两者具有较高的吻合度，说明基于GIS和AHP的评价方法可行性较高，可为安康市防洪减灾部门制定宏观决策提供科学依据。

5结论

本研究依据洪水灾害系统理论，从引发洪水的致灾因子、孕灾环境和承载体三方面出发，分危险性和易损性两部分评价了安康市的洪水灾害风险。危险性评价结果表明，安康市洪水灾害危险性等级高的地区主要分布在汉江干流沿线。该区域地势平坦，人类活动显著；处于河流一级缓冲区内，遇到暴雨时节河流汇集速度快，造成水位迅速升高，导致河流两岸农田、建筑物等被淹没。易损性评价结果表明，随着经济的发展，汉江沿岸地区人类活动增加，城镇越来越密集，洪灾造成的绝对经济损失将越来越大，因此，承灾体的易损性高。从洪水灾害综合风险评价结果来看，洪水灾害高风险和较高风险区域主要集中在汉江上游干流两岸，其洪水灾害危险性和社会经济易损性均高。而安康市西北部和东南部由于山地多，平地少，地势起伏大，且不在河流缓冲区内，危险性低；而且经济相对落后，易损性低，因此洪灾风险等级也比较低。本研究结果与2010年安康市洪水受灾情况基本吻合，说明该研究结果可为安康市制定合理的防洪减灾预案、建设防洪工程等以减轻洪灾损失提供科学依据。

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