济南市长清区暴雨洪涝灾害风险区划

张前东，史春彦

（山东省济南市长清区气象局，山东 济南 250399）

近年来，随着全球气候变暖，不仅季风变异引起的旱涝气候灾害在加剧[1]，暴雨洪涝灾害发生的频率和强度也呈现上升趋势，给工农业生产造成严重的经济损失。国内外一些学者对暴雨的形成机理及其风险评估进行了相关研究[2-7]，取得了一些研究成果。谢五三等[8]研究表明，运用FloodArea模型对大通河流域的强降水过程进行的洪水模拟，具有较好的淹没模拟效果，该模型适用于暴雨洪涝灾害评估和预警业务。李楠等[9]研究指出，山东省暴雨洪涝灾害发生的高风险区在鲁南及半岛东部部分地区。李喜仓等[10-16]利用GIS技术与自然灾害风险指数评估相结合，对内蒙古自治区、河南省、黑龙江省、南宁市、武威市、甘肃陇南市、潍坊市等地的洪涝灾害进行了评估与区划，为暴雨洪涝风险评估与区划的进一步研究打下了坚实的基础。

目前的暴雨洪涝灾害风险区划以省地级或流域为单位的较多，而小尺度的区、县级风险评价与区划研究相对较少。随着暴雨洪涝灾害发生的频繁持续上升，气象灾害风险评价与区划工作引起当地政府的高度重视，成为一项亟待解决的问题。鉴于此，笔者利用GIS空间分析技术，考虑当地自然资源状况、人口和经济状况、粮食种植面积及人均GDP等数据，开展以乡镇为单位的精细化暴雨洪涝风险评价与区划，旨在为当地政府和相关部门掌握本地区的暴雨洪涝灾害风险状况，为防灾减灾决策提供科学依据。

1　研究区概况

长清区是济南市的新区 （116°30′38″～117°4′14″E，36°14′37″～36°41′50″N），位于山东省的中部，东依泰山，西滨黄河[17]。地处于泰山西北与黄河之间，地势由东南向西北倾斜，海拔高度在1000 m以下，南部多为丘陵、山区，中部为山前平原，西北部多为黄河低洼区。长清区境内河流较多，主要有黄河、南北大沙河水系、玉符河及清水沟等河流。长清区属温带大陆性半湿润季风气候，四季分明[18]。长清区年平均气温为14.3℃，年降水量为654.7 mm。日降水量≥50.0 mm出现日数平均为2.7 d，≥100.0 mm出现日数平均为0.4 d，≥150.0 mm出现日数平均为0.2 d，历年最长连续降水日数为9 d，历年最大连续降水为256.0 mm/5 d。

2　资料和方法

2.1　资料来源

气象资料来源于长清区气象局（1981—2015年）逐日降水数据，乡镇气象资料为长清区15个乡镇区域自动气象站逐日降水数据（2006—2015年）；历史灾情数据（1981—2015年农业经济损失、受灾人口、受灾及成灾面积等）、农作物播种面积、人口密度及人均GDP等数据来源于长清区统计局；地理数据中的水系分布、河网密度、山势地形及海拔高度（DEM）等来源于中国国家数据中心网。

2.2　研究方法

2.2.1灾害风险评估原理

自然灾害风险是指未来若干年内可能达到的灾害程度及其发生的可能性[19]。自然灾害风险是由危险性（致灾因子）、敏感性（孕灾环境）、易损性（承灾体）和抗灾能力相互综合作用的结果[20]。张继权等还提出：自然灾害风险度=f（危险性、敏感性、易损性、防灾减灾能力）。

2.2.2加权综合评价法

加权综合评价法[21-22]是综合考虑各个因子对总体对象的影响程度，将各个影响因子的作用大小进行综合评价，然后用一个数量化指标进行集中，来实现评价总体的优劣。其表达式为：

其中，Cvj为评价因子的总得分值，Qvij为评价因子j的指标i项 （Qvij≥0），Wci是指标i的权重系数值（0≤Wci≤1），m则是评价指标的个数。

2.2.3层次分析法

层次分析法（简称AHP）[23]是对评价指标进行定性与定量分析相结合的一种决策分析法。它将影响对象的每个因子进行比较和计算，进而得出不同指标的权重。本研究将危险性、敏感性、易损性和防灾减灾能力四项指标作为暴雨洪涝灾害风险区划的评价因子。

2.2.4气象插值方法

本研究采用线性回归法和Kriging插值法。其中，气象数据中的缺省数据采用线性回归法进行插值；气象因子的GIS空间插值则采用Kriging插值法。本研究中所采用的栅格分辨率为90 m×90 m。

2.2.4.1线性回归法

是利用数理统计学中的回归分析，来描述两个要素之间相互关联的定量关系的分析方法，其表达式为：

其中x是自变量，^y为与x相对应依变数的点估计值，a、b分别为回归系数。

2.2.4.2Kriging插值法

Kriging插值法[24]是一种求最优、线性、无偏的空间插值方法，可以用来定量化描述地理空间分布格局。其表达式为：

式中，Z（x0）表示未知样点数值，Z（xi）表示未知样点周围的已知样点的数值，ωi表示第i个已知样点对未知样点的权重系数值，n表示已知样点的个数。

3　结果与分析

按照自然灾害风险评价的基本框架，通过征求专家意见和实地调查问卷的方式，获取权重因子，利用AHP法计算出其对应的权重系数。考虑各个指标对暴雨洪涝风险的影响程度不同，利用加权综合评价法，借助GIS空间分析、制图技术，完成暴雨洪涝灾害风险区划。

3.1　暴雨洪涝风险评价指标与权重分配（表1）

表1　长清区暴雨洪涝灾害风险评价指标及权重分配

3.2　长清暴雨洪涝灾害风险各因子评价与区划

利用加权综合评价法，构建暴雨洪涝灾害的评估模型，借助GIS的空间分析技术，对四项因子逐一评价，获取各个因子的矢量图，将各因子划分成四个风险等级，得出暴雨洪涝灾害的危险性（致灾因子）、敏感性（孕灾环境）、易损性（承灾体）和防灾减灾能力分布图。

3.2.1致灾因子危险性评价与区划

暴雨洪涝灾害由于其雨强大、来势猛，给农田水利设施造成损害，造成民房倒塌；或因降水持续时间长、频率高，造成地势低洼地带累积水量大，致使积水难以排除，形成内涝。本研究用不同等级（强度）的降水量和频率来反映洪涝致灾因子的暴雨部分，长清区暴雨灾害危险性等级划分标准（表2）。

表2　长清区暴雨洪涝灾害危险性等级划分标准

从灾害危险性上来看（图1a），其平均分布特征呈由东南向西北递减。高危险性区域分布在万德镇局部地区，占全区总面积的1.51%；中危险性区域主要分布在万德镇，约占全区总面积的8.43%；低危险性区域占全区总面积的24.44%，分布在万德镇西北部，双泉乡、马山镇和五峰山街道办事处的东南部及张夏镇的西部、南部；轻风险性分布面积最广，占全区总面积的65.62%，主要分布在西部和北部地区。

3.2.2孕灾环境敏感性评价与区划

孕灾环境是指造成气象灾害的自然环境，由自然和社会的诸多因素相互作用而形成。本文孕灾环境的敏感性主要考虑了地区的地形和水系的综合影响。借助GIS的空间分析技术，通过栅格计算出各格点孕灾环境的敏感性指数，将其划分为4个等级（见表3）。

表3　长清区暴雨洪涝灾害敏感性等级划分标准

从灾害敏感性上看（图1b），呈现由西南向东北和东南递减，分布空间性较强，且没有明显的界限。高孕灾体敏感性分布在西南部地区，主要分布在孝里镇、双泉乡南部和归德镇西南部，占全区的18.74%；中敏感性分布在马山镇、归德镇、双泉乡北部及万德镇西部，占全区的34.02%；低敏感性分布在万德镇和张夏镇的中部、五峰街道办事处、崮云湖街道办事处和平安街道办事处的局部地区，占全区的16.40%；轻敏感性分布在万德镇西南部、张夏镇北部、崮云湖街道办事处西南和五峰山街道办事处、平安街道办事处的局部地区，占全区的30.85%。

3.2.3承灾体易损性评价与区划

承载体易损性是反映一定条件下承载体的脆弱性，也反映了对灾害的承受力。其危害程度与承载体关系密切，造成损失的大小与洪涝发生地的人口密度、城镇土地面积等成正相关。利用GIS采用加权综合评价法计算得出承载体易损性指数，划分为4个等级（表4），并绘制长清区暴雨洪涝承载体易损性区划图。

从承受体易损性上来看（图1c），呈现为西部高、东部次之、中部最低的特点，高易损性主要分布在文昌街道办事处和归德镇，占全区总面积的20.3%；中易损性分布在万德镇、孝里镇、张夏镇和平安街道办事处，占全区总面积的48.95%；低易损性分布在马山镇，占全区总面积的7.11%；轻易损性分布在崮云湖街道办事处、五峰山街道办事处和双泉乡，占全区总面积的23.63%。

3.2.4防灾减灾能力评价与区划

防灾减灾能力是体现受灾区域对自然灾害的抗御和恢复能力，与受灾区域的人口和财产总量呈对应关系。本研究中的防灾减灾能力评价指标主要考虑GDP总量值和乡村劳动力资源总数。将得出的防灾减灾能力指数划分为四个等级（表5），并绘制出长清区暴雨洪涝防灾减灾能力区划图。

表5　长清区暴雨洪涝灾害防灾减灾能力等级划分标准

从防灾减灾能力上看（图1d），其空间分布不规则、差异比较大且面积相当。其中高防灾减灾能力区域占全区总面积的29.38%，分布在文昌街道办事处、平安街道办事处和万德镇；中防灾减灾能力区域分布在归德镇、孝里镇和马山镇，占全区总面积的32.63%；低防灾减灾能力区域分布在张夏镇、双泉乡和崮云湖街道办事处，占全区总面积的29.79%；弱防灾减灾能力区域分布在五峰山街道办事处，全区总面积的8.18%。五峰街道办事处因地域低洼、河流水系多、地域承载力差，加之水土流失严重，造成该区域的防洪、泄洪能力较差。

3.3　长清区暴雨洪涝灾害综合风险评价与区划

图1　长清区暴雨洪涝灾害空间分布

暴雨洪涝灾害综合风险是危险性（致灾因子）、敏感性（孕灾环境）、易损性（承灾体）和防灾减灾能力4个因子综合作用的结果。各因子的权重系数越大，对暴雨洪涝灾害的影响程度则越大。根据各个评价因子的影响指数及权重系数，借助GIS空间分析技术，采用加权综合评价法计算出长清地区各乡镇暴雨洪涝灾害综合风险指数，并将其划分为4个等级（表6），得到长清区暴雨洪涝灾害综合风险区划图。

表6　长清区暴雨洪涝灾害综合风险等级划分标准

从综合风险区划上看（图2），其分布空间性强，无明显的地域分布界限，以低、中等级为主，并且东部高于其它地区。暴雨灾害高综合风险区分布面积较分散且最小，占全区的14.60%；中综合风险区主要分布在高综合风险区的外围，占全区的30.31%；轻、低综合风险区分别占全区的20.72%和34.37%。

4　结论与讨论

（1）综上所述分析，长清区暴雨灾害综合风险性分布空间性强，以低、中等级为主，且东部高于其它地区。暴雨灾害高综合风险区分布面积较分散且最小，占全区总面积的14.60%；中综合风险区主要分布在高综合风险区的外围，占全区总面积的30.31%；轻、低综合风险区分别占全区总面积的20.72%和34.37%。

图2　长清区暴雨洪涝灾害综合风险区划

（2）通过与本地区近10 a暴雨洪涝灾情数据的对比，得知暴雨洪涝灾情发生的区域和高风险区具有较好的对应关系，能客观地反映出长清区暴雨洪涝灾害风险的现状。

（3）由于暴雨洪涝灾害形成的机理非常复杂，影响因子也比较多，要精确地进行风险评价存在较大的难度。在今后的研究中还应考虑更多相关的指标因子，在建立优化的评价模型、指标定量化确定、等级标准划分等方面，还需更为深入地研究。