庐山风景区山洪灾害风险区划研究

刘卫林，陈 祥，刘丽娜，朱圣男

(南昌工程学院江西省水文水资源与水环境重点实验室，南昌 330099)

近年来，随着我国经济快速的发展，旅游业日益成为我国经济发展的重要产业[1]。其中山岳型风景区旅游是游客旅游的热门选择。据统计，在我国已公布的255处国家级风景名胜区中，山岳风景区占一半以上[2]。然而由于山岳型旅游地独特的地形地貌及气候条件，山洪灾害一直是其最大的安全隐患[3,4]。庐山作为山岳型风景区，受特殊的气候、地理条件影响，暴雨诱发的山洪灾害频繁，尤其是在我国东南沿海存在有台风天气或热带低气压系统时，庐山常出现强降雨，继而引发突发性强、强度大、时间短的山洪或山洪引发的泥石流[5]，加之庐山风景区地势险要，道路狭窄且防洪能力薄弱，往往会对风景区的居民和游客造成重大的生命财产损失。因此开展山岳型风景区山洪灾害风险区划研究可为防洪减灾工作提供科学依据，为政府和旅游安全管理部门构建安全保护措施提供理论指导，有效减少山洪灾害带来的生命财产损失。

山洪灾害风险区划一直是洪灾研究中的重要内容，很多学者从不同角度对山洪灾害风险进行了研究[6-9]：一种是将GIS与水文模型、水动力模型(如MIKE、Flood Area等)结合进行洪水淹没模拟，继而得到山洪灾害风险结果。然而，由于山洪突发性强、空间尺度小、分布数量多、成灾迅速，其水文和动力参数难以进行观测而取得[9]，因此，相关文献报道较少。另一种是根据自然灾害系统理论，从致灾因子危险性、孕灾环境敏感性及承灾体易损性等方法对山洪灾害风险进行量化分析[9-14]。如许晓华等[10]认为各地受洪灾程度与地形地貌有很大的联系，将地形、坡度及河网密度作为危险性因子，以人口指标作为易损性因子，通过ArcGIS叠加分析得到了江西省山洪灾害风险区划图；方秀琴等[11]基于洪灾系统理论，从触发因子、孕灾环境和承灾体3个方面构建指标体系，采用层次分析法赋予各指标因子权重，获得了洪灾风险区划图；高展等[14]基于自然灾害风险评价理论，通过对暴雨强度和频率的危险性，高程和地形变化的孕灾环境敏感性及旅游经济易损性的综合分析，开展了黄山风景区暴雨山洪灾害风险区划研究。以往研究对平原区、较大范围山区的洪水灾害研究较多，而对山岳型风景区山洪灾害研究的较少。鉴于此，本文以庐山风景区为研究对象，结合庐山风景区山洪灾害的特点，从山洪灾害的危险性和易损性2方面构建山洪灾害评价指标体系，基于GIS空间分析采用层次分析法开展山岳型景区暴雨山洪灾害风险区划研究。

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况

庐山风景区位于江西省东北部九江市境内，东溯鄱阳湖，西接瑞昌丘陵，北临长江，向南展至星子县境内，总占地面积500 km2。景区位于东经115°52′-116°8′，北纬29°26′-29°41′。东偎婺源、鄱阳湖，南靠滕王阁，西邻京九铁路大通脉，北枕滔滔长江。长约25 km，宽约10 km，主峰汉阳峰，海拔1 474 m，庐山风景区地形见图1。庐山气候属亚热带东部季风气候区，具有鲜明的季风和山地气候特点，多年平均降雨量为2 068.2 mm，多雨年份可达3 000 mm以上；区内共有山溪、河流40余条，分别注入长江和鄱阳湖，其中18条主要河流上均有人类活动，或为游客游览的景区或为常住人口居住地。春夏季节水流较大，遇暴雨时暴涨暴落，常易引发山洪灾害，威胁人员安全。因此，自古以来，区内山洪、泥石流一直较为活跃，同时山塘水库年老失修，很多土石坝体出现严重的漫坝现象，给当地人民生活带来安全隐患。近年来，由于景区内人类活动频繁，山洪泥石流对景区的危害加剧。而散布在景区的城镇和居民点多位于平川谷地，基本处于无设防状态，缺乏有效的工程手段，防洪能力薄弱。因此，庐山风景区面临的山洪灾害威胁十分严重，已成为山洪灾害的重点防范区。

1.2 数据来源及处理

文中所用的年最大1 h暴雨均值、年最大6 h暴雨均值、年最大24 h暴雨均值数据来自《江西省暴雨洪水查算手册》(2010年版)[15]；30 m精度数字高程模型DEM数据来自地理空间数据云；人口密度来自国家地球系统科学数据共享服务平台的中国1 km格网人口数据集；道路数据来自Google地图，并通过ArcGIS数字化后进行缓冲区分析而来。研究数据来源见表1。

表1 研究数据来源Tab.1 Research data sources

1.3 研究方法

1.3.1 山洪灾害风险评价模型

依据联合国人道主义事务部对风险的定义：在一定区域和给定时段内，由于特定的自然灾害而引起的人民生命、财产和经济活动的期望损失值，且其表达式为“风险(R)=危险度(H)×易损度(V)”[9,10]。本文山洪灾害风险主要从以下2个方面进行评估。

(1)危险性分析。危险性分析是对研究区内山洪灾害致灾因子和孕灾环境的综合评价。引起山洪灾害的因素很多，各个因素也互相联系。其中降雨是引发山洪灾害的主导因素[10-14]，暴雨强度越大，越容易形成洪水灾害；山岳型地形地貌又为洪水灾害的发生提供了孕灾环境，通常海拔低、地表越陡峭，山洪发生几率较高，反之则发生几率较低；河网密度反映了流域对地形的切割程度，也是影响山洪的重要因素。单位面积内的河流越多，一旦发生洪灾，流经该地区的过境水流所造成山洪灾害的几率也就越大。因此本文选取降雨和地形作为引发山洪灾害的危险性评价指标。

(2)易损性分析。易损性分析是从山洪造成的损失和危害角度进行分析。当洪水灾害来临时，受灾地区越发达山洪造成的损失就越大。反映洪灾易损性的指标有很多，如人口密度、道路缓冲区、耕地百分比及GDP等指标。综合多方因素考虑，本文选择人口密度和道路缓冲区作为山洪灾害易损性分析指标，主要基于如下考虑：①由于信息有限，在进行庐山风景区易损性分析时有些资料难以获取，而人口和道路统计数据可以通过统计年鉴较易获得；②风景区人员伤亡是山洪灾害中最为严重的一类，选取人口密度作为评价指标也是秉承着以人为本的理念；山洪发生时，越靠近道路中心山洪造成的损失就越大，反之越低；③人口密度和道路缓冲区也在一定程度上体现了庐山风景区的社会经济发展水平。基于以上考虑，本文将人口密度和道路缓冲区作为山洪灾害的易损性评价指标。

山洪灾害是山洪危险性和社会经济易损性综合作用的结果，本研究按式(2)、(3)分别计算每个栅格单元的危险性、易损性并利用ArcGIS软件的空间分析功能进行加权叠加，按照ArcGIS中的自然间断分级法进行聚类分析，得到山洪灾害风险区划图。其计算公式为：

R=whH+wvV

(1)

式中：R为山洪灾害风险指数；H、V分别为山洪灾害危险性和易损性指数；wh、wv分别为危险性和易损性指数权重。

最后，利用GIS中自然断点分级法将景区山洪灾害风险划分为5个等级，即低风险、较低风险、中等风险、较高风险和高风险。

危险性和易损性的计算公式为：

(2)

(3)

式中：wi是指标i的权重；Xi是第i个危险性因子；CVi是第i个易损性因子。

在进行山洪灾害风险评估时，由于各评价指标量纲不同，且各个指标取值范围相差较大，所以在进行风险评估之前应该对各指标进行标准化处理，目的是消除量纲不同对山洪灾害风险评估结果的影响。标准化计算公式如下[16]：

(4)

式中:xi为标准化前指标值;ximin为第i个指标数据中的最小值;ximax为第i个指标数据中的最大值;xis为标准化后的指标值，取值范围为1～10。

1.3.2 层次分析法

本文采用层次分析法确定山洪灾害风险评价各个指标的权重。层次分析法是将各指标因子结合专家打分并两两比较进而得到各因子权重的定量化多目标决策方法[16]。应用层次分析法计算各指标的权重，首先建立层次结构模型，目标层为山洪灾害，准则层为危险性因子和易损性因子，指标层为选取的8个具体评价指标；然后，通过比较分析庐山风景区山洪灾害风险评估各评价指标，结合相关文献及专家意见，建立各层次的判断矩阵；最后，通过判断矩阵计算出影响山洪灾害风险的各因子权重。庐山风景区山洪灾害评价各指标权重计算结果见表2。由表2可知，影响山洪灾害发生的危险性因子中，降雨的影响最大，其次是坡度，高程影响最小；而影响山洪灾害发生的易损性因子中，人口指标是最重要的指标。

2 山洪灾害风险分析

2.1 危险性分析

2.1.1 危险性因子分析

(1)降雨因子。降雨是引发山洪灾害的主导因素。山洪灾害的形成与降雨强度、降雨历时和降雨量密切相关。区域短时间高强度的暴雨容易形成强大的地表径流从而引发山洪。因此，本文选取时段年最大暴雨均值作为诱发山洪的主导因素。根据《江西省暴雨查算手册》(2010版)分别求得年最大1、6和24 h暴雨均值，并利用ArcGIS软件空间插值功能获得研究区年最大1、6和24 h暴雨均值分布图[见图2(a)、(b)、(c)]。由图2(a)、(b)、(c)可知，研究区中西部如庐山莲花台北部和仙人洞区等地降雨强度较大，而研究区东部降雨则相对较小。

表2 山洪灾害风险评价指标及权重Tab.2 Mountain torrent disaster risk evaluation and weights

(2)地形地貌因子。地形地貌通过产汇流作用影响降水空间分布，通常海拔低、地表较陡峭的地方发生洪水的几率更大。因此，本文选取高程和坡度作为地形地貌对山洪灾害的影响因子。根据国际地理学联合会地貌调查与地貌制图委员会关于地貌详图应用的坡地分类，本研究将坡度分为4个等级(研究区坡度范围为0°～73°)；同时，研究区地面高程范围为28～1 445 m，将高程也分为4个等级。利用ArcGIS软件的统计功能得到高程、坡度分级及所占比例见表3。

表3 高程、坡度分级及所占比例Tab.3 Elevation, grade gradient and the proportion

利用ArcGIS软件提取出研究区的高程和坡度[见图2(d)、(e)]：研究区总体上中西部高，东部低；陡坡和峭壁居多，其中峭壁主要分布在西北、东南较外围一带。

(3)河网密度。定义为单位面积内河流数量的多少[17]。河网密度反映了流域对地形的切割程度，是反应流域结构特征的重要指标，也是影响山洪的重要因素。定义流域面积为A，面积A内河流或河段条数为n，总长度为L，则有L=nl，A=na，那么该区域的河网密度可表示为：

(5)

利用ArcGIS软件提取研究区流域面积及相应河长，按公式(5)计算河网密度，通过空间统计分析得到河网密度空间分布图[见图2(f)]：河网密度较大的地区位于北部的庐山牯岭街心公园以及五教祈福文化园等，其他地方河网密度则较为稀疏。

图2 危险性因子空间分布Fig.2 Spatial distribution of risk factors

2.1.2 危险指数分析

利用ArcGIS的空间分析功能对指标因子进行加权叠加分析，即各影响指标因子与其相应的权重相乘得出每个栅格单元的危险指数H。研究区山洪灾害危险指数分布见图3。

H=0.383 4X1+0.251 4X2+0.101 7X3+

0.064 8X4+0.153 5X5+0.045 2X6

(6)

式中：X1～X6分别为年最大1 h暴雨均值、年最大6 h暴雨均值、年最大24 h暴雨均值、河网密度、坡度和高程。

图3 山洪灾害危险指数分布Fig.3 Hazard index distribution of mountain torrent disaster

由图3可知，山洪灾害危险指数的分布格局为景区西北部危险指数较高而景区东部的危险指数较低。危险指数大的地区位于景区西北部石门涧景点所在区域，危险指数范围为6.76～10.00，最大值为9.27，这是由该区域时段年降雨量较大且海拔高度低、地表较为陡峭等原因所致；仙人洞、星龙索道、庐山牯岭街心公园及庐山会议旧址等景区危险指数较大，危险指数范围为5.52～7.76；危险指数较小的地区为五教祈福文化园、玉川门和三叠泉等地，危险指数范围为3.58～4.61，以五教祈福文化园为例，虽然该地的河网密度较大但是时段年降雨量较小且地表相对其他地区较为平缓，因此危险性程度比较低；危险性指数最小的区域为景区东北部，危险指数范围为1.00～3.58，最小值为1.56，这是由于景区东北部降雨量总体比其他地区少、坡度平缓且河网密度低，因此该区域的危险指数最小。

进一步研究庐山风景区山洪灾害危险指数分布特征，将危险性指数划分为5个等级(见图4)，可以看出研究区山洪灾害危险性等级主要集中在2～4。研究区山洪灾害较高危险指数区域(等级≥4)占研究区总面积的32.70%；山洪灾害高危险指数区域(等级≥5)占研究区总面积的5.65%。

图4 山洪灾害危险性指数等级分布Fig.4 Torrential flood hazard level distribution

2.2 易损性分析

2.2.1 易损性因子分析

(1)人口密度。根据中国1km格网人口数据集与庐山风景区近几年游客数量统计，对庐山风景区人口数量进行空间插值并生成人口密度分布图，分析其人口空间分布规律，见图5(a)。人口密度越大的地方，山洪灾害的易损性就越高。从图5(a)中可以看出庐山牯岭街心公园区的人口密集程度最大，而三叠泉区域的人口较为稀少。因此，从人口密度方面来看，庐山牯岭街心公园所在的区域在山洪灾害发生时的人员伤亡相对于其他区域会更高。

(2)道路缓冲区。道路等级不同其影响程度也不同。由于庐山风景区的道路网主要包括省道、主干道和小路等3种道路类型，因此本文利用ArcGIS的缓冲区分析功能分别按照100、200、300、400和500 m的距离生成道路缓冲区，划分道路等级，道路等级区划图见图5(b)。离路中心越近其遭到洪灾后所造成的损失越高，越远遭受到的损失则越低。

图5 易损性因子空间分布Fig.5 Vulnerability factor spatial distribution

2.2.2 易损指数分析

根据专家打分并结合庐山风景区实际情况，采用层次分析法得到人口密度和道路缓冲区的权重见表4。

表4 易损性因子权重Tab.4 Vulnerability factor weights

利用ArcGIS的空间分析功能对易损性指标进行加权叠加分析得出每个栅格单元的易损指数V。研究区山洪灾害易损指数见图6。

图6 山洪灾害易损指数分布Fig.6 Vulnerability index distribution of mountain torrent disaster

由图6可见，景区易损指数空间分布格局为北部较大，由西至东易损指数总体较小。景区大部分易损指数都比较小，易损指数大的区域集中在庐山牯岭街心公园,易损指数范围为7.76～10.00，最大值为10.00，主要原因是庐山牯岭街心公园人口和道路密集程度最大，因此当发生洪灾时该区域受损害程度也最高；庐山风会议旧址、星龙索道、庐山博物馆等景点易损指数较大，易损指数为6.09～7.76；易损指数较小的地区位于玉川门和三叠泉等地，易损指数为2.73～4.41；易损指数最小的区域为景区东北部，这些地区人烟稀少即便发生山洪灾害其造成的损失也很低，因此该区域易损指数最小。

2.3 风险指数分析

利用前文已构建的山洪灾害风险度模型进行庐山风景区山洪灾害风险指数分析。由于山洪危险性是山洪灾害最主要的诱发因素，因此本文结合庐山风景区实际情况将山洪灾害危险性H权重取为0.8，易损性V取为0.2。故有山洪灾害风险指数公式：

R=0.8H+0.2V

(7)

根据公式(7)，利用ArcGIS软件，将各指标进行空间插值后形成栅格图层，然后通过栅格计算器计算出每个栅格的风险指数R。庐山风景区山洪灾害风险指数见图7。由图7可知，西北部如石门涧、星龙索道、仙人洞及庐山牯岭街心公园等地风险指数最大，风险指数范围为6.10～10.00，最大值为8.46；东南部如五教祈福文化园、玉川门、三叠泉等地的风险指数则较小，风险指数范围为3.44～4.32；风险指数最小的区域为景区东北部，风险指数范围为1.00～3.44，最小值为1.69。从总体上来看景区东北部降雨量少坡度较为平缓河网密度也不大，发生山洪灾害的几率较低。另外该区域路少人稀，山洪灾害造成的损失也很低。故景区东北部山洪灾害风险指数最低。

图7 庐山风景区山洪灾害风险指数Fig.7 Mountain flood disaster risk index in Mount Lu Scenic Area

3 山洪灾害风险区划

利用ArcGIS自然间断点分级法将已生成的山洪灾害风险指数进行重分类并划分为5个等级，即低风险、较低风险、中等风险、较高风险和高风险，每个风险等级范围和含义见表5。具体划分结果见图8。

表5 山洪灾害风险等级范围及其含义Tab.5 Mountain torrent disaster risk level range and its meaning

图8 山洪灾害风险区划Fig.8 Mountain torrent disaster risk zoning map

在庐山风景区山洪灾害风险区划的基础上，利用ArcGIS的空间统计分析功能计算出不同风险等级面积(见表6)。

表6 各风险等级面积Tab.6 The area of each risk level

由表6及图7可知，研究区山洪灾害高风险区面积约5.93 km2，占全区面积的11.86%；较高风险区面积约13.94 km2，占全区总面积的27.88% ；中等危险区面积10.78 km2，占全面积21.55%；较低风险区面积11.01 km2，占全区总面积的22.01%；低风险区面积8.35 km2,占全面积的16.70%。高风险区主要分布在星龙索道、石门涧、仙人洞和庐山牯岭街心公园等地，其他风险等级相对较低的地区如五教祈福文化园、三叠泉等地。景区西部山洪风险性明显高于东部，这与这些地区暴雨强度高、坡度大以及游客比较集中有关，而东部地区暴雨强度较低，人口密度较小。

以庐山牯岭街心公园为例，一方面该区域时段年最大降雨量在整个研究区范围内都处于较高水平，如年最大1 h暴雨均值为79.43～84.26 mm，年最大6 h暴雨均值为145.00～149.91 mm，年最大24 h暴雨均值为230.28～234.82 mm。加之该区域地形陡峭、河网也较为密集，山洪发生时水流湍急容易形成强大的冲击力；另一方面该区域为庐山风景区旅游接待中心，宾馆、饭店及居民点星罗棋布，居民和游客人流也最为集中加之该区域道路网纵横交错，山洪灾害一旦在此地形成将会对该区域造成较为严重的人口伤亡及财产经济损失。综上所述，该区域为山洪灾害高风险区，发生山洪灾害的概率极大，山洪灾害发生时对该区域造成的威胁也较其他区域更为严重，旅游安全管理部门应当予以高度警惕。

据庐山历史山洪灾害情况调查结果表明：庐山牯岭街心公园所在区域为庐山风景区旅游接待中心，该区域多处地方最近10 a多发生过多次山洪灾害，这与区划结果较为吻合。因此该方法具有较好的适用性，可为庐山风景区旅游气象灾害防治提供一定的科学依据和参考价值。

4 结 论

(1)针对山岳型风景区山洪灾害问题，以庐山风景区为例，利用GIS技术和层次分析法开展了山岳型景区暴雨山洪灾害风险区划研究，基于自然间断点分级法得到庐山风景区山洪灾害危险性、易损性及风险区划图。

(2)研究区山洪灾害高风险区面积约5.93 km2，占全区面积的11.86%；较高风险区面积约13.94 km2，占全区总面积的27.88%；中等危险区面积10.78 km2，占全面积21.55%；较低风险区面积11.01 km2，占全区总面积的22.01%；低风险区面积8.35 km2,占全面积的16.70%。高风险区主要分布在星龙索道、石门涧、仙人洞和庐山牯岭街心公园等地，其他风险等级相对较低的地区如五教祈福文化园、三叠泉等地。景区西部山洪风险性明显高于东部，这些地区暴雨较为集中且强度大、山坡陡峭因此形成的山洪冲击力大。此外这些地区的人口分布密集经济较为发达，遭受山洪灾害的损失也较其他地区严重。而东部地区暴雨强度较低，人口密度较小。

(3)受限于降雨资料不足，使得山洪灾害危险性指标准确度可能偏低。今后应加强景区雨量站布设，加强降雨资料收集，同时应利用遥感图像结合山洪灾害普查信息，充分考虑游客流动性，使得区划结果更加合理、可靠。

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