基于区域灾害系统和ArcGIS的山洪灾害风险评价

朱恒糠　李虎星　袁灿

摘要：山洪灾害具有极强的突发性和破坏性，是防洪减灾工作的重点和难点，而山洪灾害风险性评价是开展其防治工作的重要依据。以河南省山洪灾害防治区为例，基于区域灾害系统理论，将山洪灾害系统划分为自然灾害系统、环境灾害系统和人为灾害系统，选取多年平均降雨量、年最大10 min降雨量、年最大6h降雨量、年最大24 h降雨量、地形起伏度、地形指数、河网密度、人均国民生产总值、人口密度和土地利用类型共10个指标构建山洪灾害风险评价指标体系。首先运用层次分析法计算各指标权重，然后借助ArcCIS软件对各个指标进行提取和叠加计算，最终得到风险评价值，结果表明：防治区91%的范围处于山洪灾害中等或更高风险级别区域。收集历史山洪灾害数据对评价结果进行验证，结果显示超过90%的山洪灾害发生点处在中等一较高一很高风险区域，证明了评价结果的可靠性。

关键词：区域灾害系统：指标体系;风险评价;山洪灾害防治区;河南省

中图分类号：X43;TV122+.1

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.06.005

山洪是指山丘区溪沟间由降雨和下垫面因素共同引发的暴涨暴落的地表径流[1]，具有流速大、冲刷破坏力强等特点，容易引发滑坡、泥石流等次生灾害[2]。山洪灾害难以预测和预防，常造成人员伤亡，对国民经济和人身安全带来巨大威胁[3]。山洪灾害的形成主要取决于山丘区的降雨和下垫面环境，一般比降较大、土壤质地不利于水分吸收的小流域较可能引发山洪，反之可能性较小。山洪灾害风险评价是指通过分析山洪灾害的驱动因子，对山洪灾害发生的可能性进行评估。

通过对灾害的成因分析，史培军教授把区域灾害系统分解为自然灾害系统、环境灾害系统和人为灾害系统[4-5]。区域灾害系统的研究是开展可持续发展研究的一项重要内容，也是建立区域综合风险管理体系的科学依据[6]。

近年来，随着地理信息系统（ GIS）技术的迅速发展，与GIS相结合的山洪灾害风险评价成为研究的热点[7-11]。罗日洪等[12]以曹江上游小流域为例，建立了小流域的山洪灾害风险评估模型，得到曹江上游小流域的山洪灾害风险区划图。靳梦等[13]从危险度和易损度两个方面选取指标因子，借助GIS软件进行叠置分析，最终得到河南省山洪灾害风险区划图。山洪灾害一般发生在山丘区，因此山洪灾害风险评价的范围应集中在山洪灾害防治区范围内。此外，山洪灾害形成原因具有多样性，之前研究的指标不够系统和全面。本文以河南省山洪灾害防治区为例，基于区域灾害系统理论，分别从自然灾害系统、环境灾害系统、人为灾害系统共选取10个指标因子，构建山洪灾害风险评价指标体系，并且运用层次分析法（ AHP）对各个因子权重进行分配，借助GIS手段得到山洪灾害风险分级图。1研究区概况

河南省属于北温带大陆性季风气候区，跨长江、黄河、淮河、海河四大流域，年均降水量为600 -1 300mm，降雨集中在夏季，易引发山洪灾害。河南省山洪灾害防治区见图1，涉及13个市79个县（市或区）715个乡镇。山洪灾害一直是河南省山丘区经济、社会发展的重要制约因素。1950-2017年的68 a中，发生泥石流灾害485次，滑坡灾害160处，累计受灾面积11.49万km，受灾人口2 669.9万人次，累计经济损失高达226.76亿元[14]。

2 研究方法及数据来源

2.1 山洪灾害风险评价指标体系构建

山洪灾害是一种典型的区域性自然灾害。区域灾害系统理论认为，山洪灾害风险是由自然灾害风险、环境灾害风险和人为灾害风险叠加的结果，本研究据此确定山洪灾害风险评价的指标体系。

自然灾害风险性主要是指山洪灾害致灾因子的风险性，考虑到河南省山丘区地域差异明显，山洪灾害主要是由短历时、高强度的暴雨所引发的，为了突出暴雨致灾因子的空间差异性，选取多年平均降雨量、年最大10 min降雨量、年最大6h降雨量、年最大24 h降雨量作为自然灾害系统的4个指标：环境灾害风险性主要是指山洪灾害下垫面环境的稳定性，考虑到山洪灾害与地形、降雨汇水的密切联系，选取地形起伏度、地形指数、河网密度作为环境灾害系统的3个指标;人为灾害风险性主要是指山洪灾害承灾体的脆弱性，往往人口密集、经济发展水平高的地区更应受到重视，因此选取人均国内生产总值（ GDP）、人口分布密度和土地利用类型作为人为灾害系统的3个指标。

由此构建的山洪灾害风险评价指标体系，包括目标层、准则层和指标层3个层次10个指标。可以认为各指标因子的数值大小和山洪灾害风险性高低成正相关关系，根据自然间断法进行1-5级的风险分级，等级越高代表山洪灾害风险性越大，具体指标体系见表1。

2.2 数据源及处理

本研究所需数据来源如下：多年平均降雨量及年最大10 min、6h、24 h降雨量由《河南省中小流域暴雨图集》中的线矢量插值得到;数字高程模型（ DEM）是下载于地理空间数据云平台的SRTM3数据[15]，分辨率为90 m;中小河流线矢量和土地利用栅格数据由全国山洪灾害项目组下發，其中土地利用分辨率为30m;人均GDP和人口密度数据下载于中国科学院资源环境科学数据中心[16]。地形起伏度、地形指数和河网密度可以通过相关公式计算得到。地形起伏度是指单位邻域内最大高差所构成的栅格文件，描述了制定邻域内高程的起伏程度，该指标以DEM为数据源借助

2.3 评价指标权重确定

山洪灾害风险评价指标的权重由层次分析法确定，首先构造山洪灾害评价指标体系的层次结构[22]，分为目标层、准则层和指标层;然后针对各层次两两指标间的相对重要程度请专家进行打分，形成判断矩阵[23]：最后进行权向量计算，并进行一致性检验[24（CI= 0.017 6）。最终得到的评价指标权重见表2。山洪灾害往往是由短历时、强度大的暴雨引发的，并且容易发生在地面起伏较大的区域，严重威胁居民的生命安全，因此年最大6h降雨量、地形起伏度、人口密度权重较大。

2.4 评价指标提取、计算过程及风险评价结果

借助ArcGIS对10个指标逐个提取并进行栅格化处理：接着对各个评价指标进行分类，运用自然间断法分为1-5级，各指标分级结果见图2～图4：最后进行叠加计算，得到山洪灾害风险评价值。

山洪灾害风险级别的阈值采用正态分布取值的方法进行确定，将风险级别依次分为很低、较低、中等、较高和很高5个风险等级，各等级区间依次取最终风险评价值的0% - 15%、15% - 40%、40% - 60%、60% -85%和85% - 100%，具体见图5。由图5可知，河南省山洪灾害防治区中等一较高一很高风险区域的面积占比高达91%，说明整个区域山洪灾害风险值较高，防洪形势严峻：区域上显示出南阳市北部、三门峡市南部、洛阳市南部、平顶山市西南部、驻马店市、信阳市西南部和鹤壁市、新乡市、安阳市三市交汇处的山洪灾害风险级别较高，这些区域大多是地势较高、暴雨强度较大的地区，需要在山洪灾害防治工作中予以重视。

3 结果验证与分析

收集河南省历史山洪灾害点有关数据作为本研究的验证数据，并用ArcGIS软件标注到风险分级图上（见图6），利用Arctoolbox工具箱中的值提取至点工具，统计历史山洪灾害点的数量和占比，见表3。

从表3可以看出，约有91.33%的历史山洪灾害发生在中等一较高一很高风险级别的区域，这说明本次山洪灾害风险评价的结果准确率较高，可以为今后的山洪灾害防治工作的展开提供可靠和有效的建议。

4 结论

（1）基于灾害系统理论构建全新的山洪灾害风险评价指标体系，并运用层次分析法进行指标权重计算，借助ArcGIS软件进行指标信息提取，得到河南省山洪灾害防治区的风险分级图。研究结果揭示了河南省山洪灾害防治区超过90%的区域处在中等一较高一很高风险区域，空间上展示出该区域不同地区间山洪灾害风险的差异性。

（2）结合历史山洪灾害点对山洪灾害风险评价成果进行验证，超过90%的历史山洪灾害发生在中等一较高一很高风险区域，说明山洪灾害实际发生状况与评价结果较为一致，证明所选用的研究方法能够较为真实地反映山洪灾害的分布规律，可为山洪灾害的防治工作提供参考。

（3）山洪灾害的形成是一个复杂的突发过程，每个驱动因子从不同角度、以不同程度影响山洪灾害的发生，要全面、无差错地评估山洪灾害的风险仍有一定的难度，今后工作中要继续优化和完善评价模型和指标体系，使得评价结果更有针对性和参考价值。

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