基于GIS技术的洪灾损失快速评估方法在中小河流中的应用实践

王 蕾，杨 洋

（1.陕西水环境工程勘测设计研究院,陕西 西安 710018; 2.西安迪飞科技有限责任公司,陕西 西安 710018；3.陕西省引汉济渭工程建设有限公司,陕西 西安 710010）

1 引言

洪灾损失评估是对洪水灾害给人类生存和发展所造成的破坏或影响大小作定量评估[1]。依据评估工作时间一般分为灾前评估、灾中评估和灾后评估。随着科学技术的发展,大江大河及重要河流洪涝灾害损失评估发展较快,灾前评估、灾中评估手段较为先进,但由于多数中小河流全面规划资料缺乏、管理难度大、资金投入不到位、人员居住分散等客观因素,各类高新模型方法因输入资料受限而应用困难,灾前评估、灾中评估及应急措施研究亦难以开展,一旦洪水来临,很难对洪灾的影响面积和损失做出快速、准确的判断,致使防汛管理人员应对能力较弱,不利于救灾计划的制定和实施。

本文以延安市中小河流西川河宝塔区段为例,说明在中小河流有限的资料条件下评估不同频率洪水影响范围和可能造成损失的方法。同时,建立灾损曲线,为后期快速评估和防汛应急管理提供有效手段。评估的内容包括：原始资料收集、洪水影响分析、评估指标体系确定、洪灾损失计算和灾损曲线确定。

2 研究区概况

2.1 河流概况

西川河是延河右岸支流,位于陕西省北部,发源地为陕西省志丹县曹新庄,东南流经志丹县南部,至延安市杨家岭入延河,行经延安市志丹县、安塞区、宝塔区,全长65.3 km,流域面积809 km2。多年平均径流量0.29 亿m3。其中,西川河宝塔区段上起枣园水文站,下至延河口段,河道长约11 km,主要洪涝威胁来源于西川河干流洪水、延河干流洪水、干支流洪水遭遇等。

2.2 社会经济

宝塔区是延安市的政治、经济、文化中心。西川河流经宝塔区宝塔山街道、枣园街道、凤凰山街道三个下辖街道。2019 年,宝塔街道常驻人口50001人,枣园街道常驻人口16313 人,凤凰山街道常驻人口50043人,全区总人口475003人,生产总值363.91亿元,人均生产总值74135元,城镇居民人均可支配收入36088元,农业总产值29.66亿元,规模以上工业总产值173.04亿元。

3 损失评估方案

3.1 技术路线

由于中小河流可利用资料有限,为实现现有资料快速评估,结合西川河的现状设防标准、当地现有洪水调度方案、洪水分析计算方案确定计算洪灾影响的洪水量级和不同频率沿河断面洪水水位计算结果；利用Arcgis空间处理工具,将不同频率断面的洪水水位处理为带水位的空间网格；通过空间地理关系,拓扑叠加空间网格与DEM高程数据,获得研究区不同频率洪水发生时每个空间网格的水深,通过分析获取洪水影响的范围；根据实际,结合现有资料,确定研究区重点关注的评估指标,开展不同频率洪水灾害损失计算。建立典型断面或控制点断面洪水设计值与损失的灾损曲线,便于救灾计划的制定和灾情的快速应对。

3.2 原始资料收集

1）基础地理资料：覆盖研究区洪水计算范围区域的地理信息资料,用于洪水影响分析和损失计算中相关空间叠加计算,至少包含线划地形图（DLG）、数字高程模型（DEM）、河流水系图、行政区划图、土地利用图。地图比例尺依据研究区面积确定,如针对西川河延安市宝塔区段,比例尺应小于1∶10000,最小行政区划至少到乡镇,有条件的区域应到行政村。

2）水文及设计洪水资料：用于洪水影响分析计算,至少包含一维或二维水力学模型生成的不同频率各断面洪水计算成果表、断面位置、不同频率设计洪水位数据。

3）社会经济资料：用于评估指标体系确定和洪灾损失计算,主要包括人口、耕地面积、地区生产总值、重要基础设施、重点防洪保护对象等。资料详细程度应与行政区划图匹配。

4）历史洪水及洪水灾害资料：研究区内典型年份洪水造成的灾害影响和损失资料,用于评估指标体系确定,重点收集洪水溃口位置、长度等溃口情况,淹没范围、淹没水深、淹没历时等淹没特征,以及农作物损失、人员伤亡等。

3.3 洪水影响分析

1）洪水量级方案和影响分析指标

根据西川河周边防护实际情况,结合前期收集的水文及设计洪水资料,综合确定用于计算洪灾影响的洪水量级分别为10年、20年、30年、50年和100年。

2）水文及设计洪水资料矢量化

矢量化洪水计算成果表中的断面,形成断面shp线要素图层,给图层中各断面要素添加不同频率设计洪水位值属性,制成断面洪水位要素图层。根据防洪预案,初步划定可能的最大淹没范围为计算范围。以计算范围为边界,利用Arcgis Toolbox工具集中TIN Management 工具,将断面洪水位要素图转为TIN不规则三角网,形成DEM数据（具体方法参考等高点、等高线转DEM）后,通过Conversion Tools工具最终形成设计洪水网格面要素。

3）叠加分析

处理研究区数字高程模型（DEM）为地面高程网格,通过空间地理关系与设计洪水网格面要素进行拓扑叠加,以相同面域的设计洪水位与地面高程差值为淹没水深,形成研究区不同洪水量级淹没水深网格面。

4）洪灾影响范围

考虑西川河历史洪水受灾情况,提取各频率淹没水深大于0.5 cm网格面域,作为不同洪水量级的淹没影响范围。由于生成设计洪水网格面要素过程要对图层数据进行概化,可能出现淹没范围不连续的情况,可根据河道堤防、护岸情况进行人工修正。

图1 西川河不同洪水量级淹没影响范围

5）影响指标计算

西川河宝塔区段位于延安市城区,是民族圣地、中国革命圣地,现存全国革命根据地城市中旧址保存规模最大、数量最多、布局最为完整的城市。因此,洪水影响分析主要考虑淹没总面积、淹没居民地面积、淹没重点单位（主要包含革命地遗址、商业区等）数量、影响人口等指标。

将收集的宝塔区乡镇行政区划、居民地、重点单位等矢量图层,通过空间地理关系与不同洪水量级的淹没影响范围网格面要素进行拓扑叠加,图层相交部分即为受影响的行政区、居民地和重点单位。为提高影响人口测算的准确度,利用西川河周边行政村点图层与不同洪水量级的淹没影响范围网格面要素叠加,获得受影响的具体村落后进行汇总统计。

表1 西川河不同洪水量级主要影响指标

3.4 评估指标体系

评估指标包括灾损指标、损失率和资产单价三部分。

1）灾损指标

结合研究区的重点关注因素,确定损失评估指标为居民房屋损失、家庭财产损失、工业资产损失、商业资产损失。

2）损失率

洪灾损失通常是指某一频率洪水不同淹没水深所划分区域内各类财产的损失额,与同期拥有的各类财产额的比值[2]。由于洪水的随机性,洪灾损失率逐年逐次都不同。因此,可挑选近期多场具有代表性的典型洪水过程,从中求得多年平均值,来推断和估算未来的洪灾损失率,也可通过类比相似流域的方法估算洪灾损失率,以提高对未来洪水损失预测的可靠性。

西川河洪灾损失率主要采用类比法,参考《渭河下游南北两岸防洪保护区洪水风险图编制报告》《东庄水库防洪保护区范围泾、渭河下游洪灾损失率调查表》,经过现场调查修正后确定。

表2 西川河损失率统计表

3）资产单价

根据延安市宝塔区国民经济与社会发展统计资料和陕西省延安市2021 年第三季度价格水平,明确宝塔区下辖乡镇或行政村家庭人均收入、家庭财产情况、房屋建筑单价、工业及商业固定资产、流动资产和主营收入,作为洪灾损失计算的输入。

3.5 洪灾损失计算

采取加权平均法,分别对各类损失等进行估算,如城乡居民家庭财产、住房损失计算方法如下[3]：

式中：R家直损为城乡居民家庭财产洪涝灾直接损失值,元；R家损i为各类家庭财产洪灾直接损失值,元；W家产ijk为第k级淹没水深下,第i类第j种家庭财产灾前价值,元；ηijk为第k级淹没水深下,第i类第j种财产洪灾损失率,%；n为财产类别数；m为各类财产种类数；l为淹没水深等级数。

考虑到城乡居民家庭财产种类的差别,可按城市（镇）与乡村分别计算居民家庭财产损失值,然后累加获得[3]。

各类财产损失值的计算方法类似,各行政区的总损失包括居民房屋损失、家庭财产损失、工业和商业资产,各行政区损失累加即可得出受影响区域的经济总损失,如下式[3]：

式中：Ri为第i个行政分区的各类损失总值,元；Rij为第i个行政分区内,第j类损失值；n为行政分区数；m为损失种类数。

3.6 灾损曲线确定

选取西川河延安市宝塔区段上游枣园水文站为洪灾损失评估控制站,分别建立枣园水文站流量与淹没总面积、受影响人口和洪灾总损失等不同评估指标的关系曲线,利于防汛管理人员实际应用。控制站可根据实际情况选择研究区河段上游具有观测条件的站点或设施,若控制站资料齐全,针对暴雨为主要洪水来源的区域,可同时绘制雨量与不同评估指标的关系曲线,便于与山洪灾害防治区河流建立水旱灾害联动预警机制,强化灾害损失评估在山洪预警中的深入应用。

图2 控制站流量—淹没面积关系曲线图

4 结语

本文在现有资料有限的情况下,为中小河流防汛管理人员提供了可行的洪灾损失快速评估方法,建立灾损曲线,便于灾前快速预测可能的受灾区域,灾中迅速制定救灾计划,同时灾后能够有针对性的核实受灾情况,以弥补应急措施缺乏的状况,提高救灾管理水平。