基于GIS的洪涝灾害风险评估及区划----以浙江省为例

吴舒祺，赵文吉，王志恒，曹诗颂，屈新原，王 颖，李善飞

(1.首都师范大学 资源与旅游学院，北京 100048；2．首都师范大学 三维信息获取与应用教育部重点实验室，北京 100048；3．天津城建大学 地质与测绘学院，天津300384；4．北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195；5．中国电建集团北京勘测设计研究院)

0 引 言

洪涝灾害是我国最严重的自然灾害之一[1]，从生命财产损失和发生频率来看，洪涝灾害也成为浙江省最严重的自然灾害之一。鉴于洪涝灾害对人类生活造成的巨大影响，需要采取相应措施来减轻洪涝灾害造成的损失，而洪涝灾害评估及区划作为风险管理和减灾的基础，其成果可以为救灾减灾提供科学依据。

自然灾害风险一直是国际社会关注的重点领域，我国洪涝灾害风险评估始于20世纪50年代，目前对洪涝灾害的研究方法主要包括：基于遥感技术对洪涝灾害进行监测和评估[2,3]，采用历史灾情数据进行洪涝灾害风险评估[4,5]，基于水文动力学模型进行情景模拟[6,7]，通过构建指标体系实现对洪涝灾害的综合性评价[8-10]。其中，基于遥感技术对分类精度以及数据匹配度要求较高；历史灾情法由于其历史资料的可得性与详略程度，使其具有一定局限性；基于水文动力学模型的情景模拟法因缺乏潜在地表及社会经济因素，不能提供洪涝灾害的综合风险评估。虽然指标构建法对指标的选择尚未形成体系，相较而言指标构建法能够更加全面地反映研究区灾情，因此广泛用于针对区域[11]、城市[12,13]或农业[14]等的专题研究。

洪涝灾害风险指某一地区在某一时间内洪涝发生的可能性、活动程度、破坏损失及其对经济、社会和自然环境系统造成的影响和危害有多大。本文在自然灾害风险评估理论和方法的基础上，结合浙江省自然环境和社会经济特征，综合考虑影响洪涝灾害形成的主要影响因子和具体参评指标，基于县域尺度构建浙江省洪涝灾害风险评估模型。借助GIS空间分析的方法对浙江省洪涝灾害进行综合评价与分析，以期为当地洪涝灾害综合管理提供一定的参考。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

浙江省位于东经118°00′～123°00′，北纬27°12′～31°31′，地处中国东南沿海长江三角洲南翼,陆域面积104 万km2。地形自西南向东呈阶梯状倾斜，西南部以山地为主，中部以平原为主，平原集中在东北部[15]，如图1所示。浙江省处于亚热带季风湿润气候区，降水充沛，年均降水量为1 600 mm左右，年内降雨分配不均，降雨量分布由西南地区向东北沿海地区递减[16]。近年来，浙江省受洪涝灾害影响严重，仅2012年夏季，浙江省多处受灾，温岭市、建德市、江山市等被淹。倒塌房屋1 728 间，受灾人口162.50万人，造成直接经济损失256 268.80 万元。农作物受灾面积110 948.84 hm2，绝收面积8 066.27 hm2。

图1 研究区概况图Fig.1 Overview of the study area

1.2 数据来源和预处理

浙江省1980-2018年63个气象站点降水数据，来源于中国气象数据共享网；90 m分辨率的DEM数据来自SRTM；市级、县级行政区划矢量数据、河湖矢量数据来自全国1∶25万矢量图；土壤湿度资料来源于美国国家环境预报中心；1 km×1 km格网GDP和人口数据量数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心；土地利用数据来源于中国西部环境与生态科学数据中心；社会经济统计数据来源于《2018浙江统计年鉴》[17]；各县市的洪涝灾害数据来源于《中国气象灾害大典(浙江卷)》[18]。

由于数据源不同、格式不统一，在指标计算之前需对所有的空间数据进行投影变换。离散数据采用克里金插值进行空间化处理，并与矢量数据进行配准；从数据源于评价精度出发，对栅格数据进行投影转换、重采样等，并与矢量数据进行配准[19]。

2 研究方法

综合考虑浙浙江省自然环境和社会经济特征，本文采用GIS空间分析和灾害风险评估模型，对浙江省洪涝灾害在县域尺度上进行分析和区划。图2展示了本文洪涝灾害风险评估的技术路线，主要包括：①指标体系构建及权重确定；②指标计算；③指标标准化处理；④洪涝灾害风险评估模型构建。

图2 洪涝灾害风险评估技术路线图Fig.2 Process of the flood risk assessment

2.1 指标体系构建

自然灾害是指自然变异超过一定限度，对人类和社会经济造成损失的事件[20]。早期学者认为，自然灾情是由孕灾环境、致灾因子、承灾体共同决定的[21]。张继权、张会等认为区域自然灾情是孕灾环境、致灾因子、承灾体、防灾减灾能力相互作用的结果[22,23]。基于此，本文根据浙江省实际情况，从洪涝灾害形成机制角度出发，参照前人研究成果，确定将孕灾环境敏感性、致灾因子危险性、承灾体暴露性和防灾减灾能力作为洪涝灾害风险评估指标体系的4大指标。

浙江省洪涝灾害风险评估在指标选择上既要考虑各指标数据的客观性、可获取性，更要考虑所选各指标必须能够反映该地区的洪涝灾害风险的实际情况[24]。孕灾环境敏感性主要取决于外部环境，本研究从高程、地形起伏度、河湖网络指数以及土壤类型来确定孕灾环境敏感性指数；致灾因子危险性主要取决于气象因素以及下垫面因素，本文选取洪涝频率、偏涝频率(致灾降雨频率)、极端日最大降雨量以及土壤湿度这4个指标作为致灾因子危险性评估因子。承灾体暴露性主要取决于人口、经济等社会经济要素，本文选取人口密度、地均GDP、老少人口比例以及耕地面积占比来对暴露性进行评估；防灾减灾能力主要取决于灾前防护以及灾后应对，本研究采用人均GDP，医院数目以及植被覆盖度，对研究区域的防灾减灾能力进行评估。

2.2 权重确定

层次分析法(analysis hierarchy process，AHP)常用于对各指标、因子进行赋值，进而对模糊、复杂的问题进行决策。其主要步骤为：①构造判断矩阵；②指标权重计算；③一致性检验。请9位专家，对因子两两打分比较重要性构造判断矩阵，计算最大特征根与对应特征向量，确保每位专家所判权重全部通过一致性检验(CR<0.1)，最终权重取9位专家权重均值。洪涝频率对浙江省洪涝灾害致灾因子影响最大；水系对孕灾环境敏感性影响最大；人口对承灾体暴露性影响最大；人均国民生产总值对防灾减灾能力贡献最大。表1展示了各指标权重计算结果。

表1 洪涝灾害风险评估指标体系及权重Tab.1 Evaluation index system and corresponding weight values of flood risk

2.3 指标计算

2.3.1 气象数据及土壤湿度数据计算

根据《中国近五百年旱涝分布图集》及其再续补[25]的旱涝标准，得到浙江省洪涝灾害分级标准。表2展示了浙江省旱涝灾害评价指标等级计算结果。表中Ri为5-9月降水距平，为标准差，降水距平指该地降水量与多年平均降水量的差值，反映了某一时段降水与同期平均状态的偏离程度。

本文通过浙江省1980-2018年63个气象站点的5-9月逐年降雨量计算得到洪涝、偏涝频率，并利用Kriging插值模型进行分析，得到洪涝、偏涝频率等值线图，利用等值线数据生成TIN(Triangular Irregular Network)，处理得到100 m×100 m分辨率的暴雨频率栅格图。对极端日最大降雨量进行相似处理得到相应栅格图层。考虑数据处理方法的一致性，将土壤湿度高斯格点数据插值至站点(与降水站点相同)后进行Kriging插值处理得到土壤湿度栅格图层。

表2 浙江省旱涝灾害评价指标Tab.2 Evaluation indices of flood disaster in Zhejiang Province

2.3.2 地形指数计算

地形对洪水的再分配有着重要的影响，海拔高程以及地形起伏均对涝灾形成产生不同程度的影响。本文通过海拔高程以及地形标准差来实现。

(1)海拔高程影响度计算公式为：

(1)

式中：H1为海拔高程对洪涝灾害的影响度；H为海拔高程。

(2)地形标准差影响度计算公式为：

(2)

式中：S1为地形标准差对洪涝灾害的影响度；S为地形标准差。

2.3.3 河湖网络指数计算

洪涝发生的概率很大程度上取决于区域内距离河流、湖泊的远近；距离河湖越近，则洪水危险系数越高；河流级别越高，水域面积越大，其影响范围越大。因此，本文对河流按四级、五级建立二级缓冲区，表3所示为面状河流缓冲区距离表；湖泊、水库按水域面积划分为4个等级，表4所示为湖泊缓冲区距离表。对一、二级缓冲区分别赋值0.8、0.6，其他赋值0.1。根据自然断点法，对线状河流的河网密度值重分类为5个等级，从低到高依次赋予0.1～0.5的影响值。利用GIS空间分析方法，对河湖缓冲区图层与河网密度图层进行叠置分析的基础上，提取出较大的影响值作为河湖网络指数。对河湖网络指数进行100 m×100 m格网重采样，再进行叠加分析统计得到县级尺度的河湖网络指数。

表3 面状河流缓冲区距离表Tab.3 Buffer distance of planar rivers

表4 湖泊缓冲区距离表Tab.4 Buffer distance of lakes

2.3.4 其他指标计算

结合人口和GDP格网数据，将格网数据统计到县市尺度来计算人均GDP，从而得到格网尺度下的人口密度、地均GDP以及人均GDP。依据《2018浙江统计年鉴》及相关资料，计算行政单元内老少人口比例及耕地面积占比，统计各县市医院数目，进行栅格化处理。利用ArcGIS空间分析功能，将林地和草地合并为植被覆盖类型，基于县级尺度统计面积占比。为保证数据处理的完整性，在对土壤数据进行缺失值处理的基础上，根据沙质壤、壤土、黏质壤持水性，分别赋予0.8、0.6、0.4，基于GIS叠置分析，最后得到土壤指数栅格。

2.4 指标标准化处理

灾害评估中，为消除各个指标量纲及数据级的差异，需要对每个指标值进行规范化处理[26]。

各个评估因子影响度为增加的正向指标规范化公式为：

(3)

式中：Fij为j个点第i个指标的规范化值；Dij为j个点第i个指标值。

各个评估因子影响度为减弱的负向指标规范化公式为：

(4)

式中：Nij为j个点第i个指标的规范化值；Dij为j个点第i个指标值。

对研究区进行综合分析，构建相应指标体系，对各指标进行计算及标准化处理后的部分结果如图3所示。

2.5 灾害风险评估模型

洪涝灾害风险是敏感性、危险性、暴露性、防灾减灾能力综合作用的结果，且防灾减灾能力与灾害风险成反比，本文洪涝灾害综合风险指数计算表达式为：

图3 指标归一化图Fig.3 Normalization of Indicator

FDRI=EWE+HWH+VWV-RWR

(5)

式中：FDRI(Flood disaster risk index)为洪涝灾害综合风险指数；E，H，V，R分别表示敏感性、危险性、暴露性、防灾减灾能力；WE，WH，WV，WR分别表示各自权重。

GIS的空间分析应用模块为数学模型中涉及的空间问题提供了重要的解决方案，同时也为洪涝灾害评估模型的构建提供了强大支持，本文基于ArcMap中的ModelBuilder图形化构建模型。

3 结果分析

3.1 孕灾环境敏感性评估

图4为浙江省洪涝灾害敏感性区划图。浙江省中等敏感区域面积为22 766 km2，占浙江省省域面积的22.5%；较高敏感性区域面积为26 255 km2，占浙江省省域面积的26.0%，高敏感性区域面积为3 146 km2，占浙江省省域面积的3.1%。浙江省孕灾环境敏感性整体上呈现从东北部往西南方向逐渐减弱的态势。孕灾环境敏感性低、较低区域主要分布在西南地区，主要包括庆元县、景宁自治县、龙泉市等地，其原因主要该地区河网密度小，海拔和坡度较大，土壤蓄水能力较弱；对于河网密度较大，海拔和坡度较低，土壤蓄水能力较强的东北部以及西部部分地区，如、嘉兴市区、海盐县、淳安县等地，孕灾环境敏感性较强。

图4 孕灾环境敏感性区划图Fig.4 Risk zoning map of flood disaster sensitivity

3.2 致灾因子危险性评估

图5为浙江省洪涝灾害致灾因子危险性区划图。高危险性区域面积占浙江省省域面积的12.2%；较高危险性区域面积占省域面积的22.7%；中等危险性区域面积占省域面积的22.5%。浙江省洪涝灾害危险性整体呈现沿西南向东北逐渐较弱的态势。危险性低、较低区域主要分布在浙江省中部以及北部地区，如长兴县、安吉县、湖州市区等，主要原因是该地区降雨频次较低，降雨量较少;由于浙江省独特的气候与地理位置，中等及以上洪涝灾害危险性区域主要分布在降雨量较大，且降雨较频繁的东部沿海地区以及西部地区，包括开化县、常山县、苍南县等。

图5 洪涝灾害致灾因子危险性区划图Fig.5 Risk zoning map of flood hazard

3.3 承灾体暴露性评估

如图6为浙江省洪涝灾害暴露性区划结果。浙江省洪涝灾害暴露性分险等级较低，其中低暴露性和较低暴露性区域分布面积分别占浙江省省域面积的20.6%和30.2%。浙江省洪涝灾害暴露性整体上东北部高于西南部。低、较轻暴露性主要分布在人口密度较小、耕地占比较小且经济较不发达的北部以及西南地区，如长兴县、安吉县、庆元县等；对于人口较集中，经济较发达的东部沿海及东北部地区洪涝灾害暴露性较高，如义乌市、杭州市、温州市等。

图6 承灾体暴露性区划图Fig.6 Risk zoning map of flood disaster explosure

3.4 防灾减灾能力评估

图7为浙江省洪涝灾害防灾减灾能力区划结果。由于浙江省社会经济发展水平高，总体上看，浙江省的防灾减灾能力较强，中等及以上防灾减灾能力区域面积占省面积的52.1%。防灾减灾能力是衡量一个地区应对自然灾害的能力，浙江省防灾减灾能力整体上呈现从北部往南部逐渐减弱的态势。较高防灾减灾能力的区域主要分布在经济发展较发达且植被覆盖度较高的东南以北地区，如杭州市区、诸暨市、临安区等；对于经济发展相对较慢、植被覆盖相对较少的西南部、部分中部地区，防灾减灾能力较弱，如仙居县、天台县、庆元县等。

图7 洪涝灾害防灾减灾能力区划图Fig.7 Risk zoning map of flood disaster prevention and mitigation capacity

3.5 洪涝灾害综合风险评估

图8为浙江省洪涝灾害综合风险区划结果。浙江省发生洪涝灾害的综合风险较高，中等以上洪涝灾害分布面积占省域面积的30.6%。综合考虑降雨频率、降雨量、地形、水系等对洪涝灾害的影响，浙江省洪涝灾害综合风险较高的区域主要分布在东部沿海以及西部地区，东北部分也有片状分布，如温州市、台州市、淳安县等；综合风险较低的区域主要分布在浙江省西北以及东北地区，如临安县、安吉县、长兴县等。

图8 洪涝灾害综合风险区划图Fig.8 Comprehensive risk zoning map of flood disaster

3.6 区划研究结果验证

基于1980-2010年浙江省气象灾害大典以及洪涝灾情普查数据，统计洪涝受灾人口、经济损失，采用相关分析法将灾情损失的空间分布与洪涝灾害风险分布结果进行对比验证，计算公式[14]如下：

(10)

并采用T检验法对各相关系数进行显著性检验，显著水平的临界值可以通过查询T分布表获得，若t>ta，则表明相关性显著；若t

浙江省洪涝灾害风险结果与人口、经济灾情损失的相关系分别为0.546 9,0.498 5，且相关程度显著，这表明浙江省洪涝灾害风险分布结果与实际洪涝灾情分布区基本吻合。另外，通过与1949年以来浙江省洪涝灾害的分布规律的统计结果进行比对[27]，发现该评估结果的空间格局与之具有高度一致性。

4 结果与讨论

本文通过收集整理浙江省1980-2018年气象资料以及社会经济数据，基于对指标的精细化、归一化处理，结合GIS技术综合分析洪涝灾害危险性、敏感性、暴露性、防灾减灾能力，根据自然灾害风险指数法，对洪涝灾害综合风险进行区划。得出结论如下：浙江省洪涝灾害风险中危险性较强的地区主要分布在东南部沿海地区，敏感性较强的地区主要分布在河流密度较大且地形较平缓的西部和北部地区，暴露性较强的地区主要分布在人口与经济较集中的县(市)，防灾减灾能力较强的地区主要集中在全省经济发展较快的县(市)。洪涝灾害综合风险指数较高的地区有台州市、温岭市、温州市区、瑞安市等地，而综合风险指数较低的区域主要集中在中部地区。

对于综合风险较高的地区，应该加强防洪工程措施的建设以及监测站点上建设和重点区域的土地利用规划和管理。在加强暴雨天气预报的同时，必须加强河道的整治和管理，合理使用耕地，避免人为因素加重洪涝灾害损失；另外需提高公民水患意识、植树造林，及时做好防护措施。对于洪涝灾害风险较低的地区，并不说明该地区没有发生洪涝灾害的可能性，由于这些地区河流分布较为密集，在面对洪涝灾害风险时候同样不能放松警惕，要加强该地区的防洪工程建设，制定防洪预案及应急计划，鼓励公民购买洪水保险等[28,29]。另外，由于 浙江省位于东部沿海地带，受热带气旋影响，大部地区洪涝集中在5-9月，包括梅汛期和台汛期，受涝次数占全年的80%左右[30]。因此在暴雨多发季节，需加强雨量监测，通过对汛期暴雨进行及时预报监测，并加固防洪设施来应对有可能发生的洪涝灾害；通过改进土壤条件，提高土壤的持水能力来有效降低孕灾环境敏感性；通过对土地的合理利用来改变承灾体的暴露性；通过提高政府及社会对洪涝的重视程度，以及植树造林来增强防灾减灾能力。

本文研究结果具有一定的现实意义，但是洪涝灾害是一个十分复杂的系统，影响因子涉及自然与社会的诸多方面，本文虽借鉴相关研究建立了浙江省洪涝灾害评价指标体系，但涉及洪涝灾害形成过程中的下垫面因素，如地表径流量等未考虑在内。未来的工作重点是深入了解洪涝灾害形成机理，结合自然、社会等多种因素，以期构建更加精细化的评估模型，更加符合现实情况。

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