基于GIS的四川省暴雨洪涝灾害风险评估

宋怡轩，何永青，陈 晋

(四川省气象服务中心，四川 成都 610072)

1 引言

全球变暖背景下，世界各地气象灾害越发频繁，其中暴雨洪涝灾害尤为明显，其发生频率高、影响范围广、危害程度大，在灾前进行科学、合理的风险评估对有效防御灾害具有重要意义。国内外诸多学者对此进行研究，主要方法分为基于历史灾情数据[1～3]、遥感数据和GIS[4，5]、情景模拟分析[6，7]以及多指标体系对暴雨洪涝灾害进行风险评估。Benito等基于长时间尺度的历史极端降水数据，整合了地质、历史、水力和统计方法改进了暴雨洪涝灾害风险评估方法[8]；Lai等选取了10个指标，运用博弈论中主观和客观权重相结合的方法，并基于模糊综合评价模型对东江流域暴雨洪涝灾害风险进行评估[9]；Zou等选取了13个指标，基于集对分析和可变模糊集对湖北荆江进行暴雨洪涝灾害风险评估[10]；Yashon等选取多个指标基于层次分析法和GIS绘制了肯尼亚埃尔多雷特市暴雨洪涝灾害风险区划图[11]。

四川省位于我国西南地区，属亚热带季风气候和高原山地气候，地势西高东低，以龙门山-大凉山一线为界，东部为四川盆地及盆缘山地，西部为川西北高山高原及川西南山地。四川省多年平均降水量大部分在400～1200 mm之间，暖区多雨，冷区少雨，降水资源的时空分布不均，常形成旱、涝灾害，历史统计平均每4年发生一次洪涝灾害，对居民生命财产安全造成严重的威胁。卿清涛等使用统计和小波分析发现四川省暴雨洪涝灾害损失基本变化呈线性增加趋势[12]；朱雅文等基于可拓理论建立了四川省暴雨灾害风险等级评估模型[13]；张菡等从农业经济角度对四川省暴雨洪涝灾害进行了风险区划研究[14]；潘昱杉等基于累计降水天数、最大降水量等降水指标对四川省暴雨洪涝灾害进行了评估与区划[15]。

本文将考虑四川各地气候差异导致的不同暴雨实施标准，从致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性、防灾减灾能力四因子对四川省暴雨洪涝灾害风险进行评估，以期为四川省暴雨洪涝灾害风险管理措施提供理论基础。

2 资料和方法

2.1 数据来源

气象数据为四川省1981～2020年153个国家气象观测站的逐日降水数据，数据来源于智能网格预报应用分析平台。基础地理信息数据来源于中国科学院资源环境数据中心，包括四川省市级行政边界、土地利用类型等。社会经济数据来源于2020年四川省统计年鉴，包括各地区的人口密度、GDP密度、人均GDP、排水管网密度等。

2.2 暴雨洪涝灾害风险评估模型

本文基于自然灾害风险评估理论[16]，综合考虑致灾因子危险性(H)、孕灾环境敏感性(E)、承灾体脆弱性(V)、防灾减灾能力(R)4因子，选取12个指标构建评估指标体系，最后建立评估模型计算暴雨洪涝灾害综合风险指标(D)。

D=f(H,E,V,R)

(1)

2.2.1 致灾因子危险性

致灾因子危险性通常取决于灾害的强度和频次，本文选取1981～2020年四川省153个气象站点日降水量达到暴雨、大暴雨、特大暴雨强度的频次。四川省各地区气候差异较大，各地暴雨级别实施的标准不同，如表1所示。

表1 四川省暴雨级别标准 mm

2.2.2 孕灾环境敏感性

孕灾环境敏感性主要指影响致灾因子的环境条件，它们在一定程度上能加强或减弱致灾强度及其衍生灾害。本文选取地面高程(DEM)、坡度、河网密度、径流系数(RC)等指标。径流系数由土地利用类型确定[17]，土地利用类型分为林地、草地、园地、耕地、未利用地、建设用地和水体，径流系数分别为0.30、0.35、0.40、0.60、0.70、0.92和1.00，径流系数越大，暴雨洪涝灾害越严重。

2.2.3 承灾体脆弱性

承灾体脆弱性是指受到灾害造成的损害程度，损害程度取决于社会属性，同程度的洪涝灾害对人口密度大、GDP发达地区造成的损失更严重。本文主要考虑人口密度、GDP密度。

2.2.4 防灾减灾能力

防灾减灾能力是指用于抵御灾害的能力，本文主要考虑人均GDP和排水管网密度。

2.3 规范化处理

在建立暴雨洪涝灾害风险评估模型的过程中，各指标单位、量纲不同，因此需要进行规范化处理[18]以便计算：

对于正向指标：

(2)

对于负向指标：

(3)

式(2)、式(3)中，X'i为第i个指标的规范化值，Xi为第i个指标的值，Xmax,i为第i个指标的最大值，Xmin,i为第i个指标的最小值。

2.4 加权综合评价法

本文采用加权综合评价法建立四川省暴雨洪涝灾害风险评估模型，该方法综合考虑了各个指标作用大小[19,20]：

(4)

式(4)中，f为评价因子的值，m为评价指标个数，wi为第i个指标的权重，由层次分析法(AHP)[21]确定(表2)，X'i为第i个指标的规范化值。

表2 四川省暴雨洪涝灾害风险评估因子及权重系数

3 暴雨洪涝灾害风险评估

3.1 致灾因子危险性评估

暴雨强度越大、频次越高，其致灾的可能性越大，致灾因子危险性越高。本文基于不同强度的暴雨频次，绘制四川省暴雨洪涝灾害危险性分布图(图1)，如图所示，高危险区主要分布在盆地内，分布呈集中连片特征的高危险性地区有盆地西北部的北川县、江油市、安县、绵竹市、三台县、都江堰，盆地西南部的峨眉山市、洪雅县、雨城区，盆地东北部的旺苍县、南江县、通江县，此外单点危险性较高的地区有广安邻水县、武胜县、资阳隆昌县、宜宾高县、凉山州普格县。

图1 致灾因子危险性分布

3.2 孕灾环境敏感性评估

孕灾环境敏感性与环境条件密切相关，地势低洼、地形闭塞的地区不利于雨水及时排泄，当发生强降水时，更容易导致农田积水、道路、房屋淹没，甚至引发山洪爆发、江河泛滥、堤坝决口等灾害。由图2所示，四川省敏感性呈现东高西低的特征，即盆地敏感性高于川西高原和攀西地区，盆地西北部的成都、德阳等地区敏感性最高，因其地势较低、坡度平坦，同时河网密集、径流系数较高，更易发生暴雨洪涝灾害。

图2 孕灾环境敏感性分布

3.3 承灾体脆弱性评估

一般来说同级别的暴雨洪涝灾害对人口密集、经济发达的地区造成的损失更大，承灾体脆弱性更高。由图3所示，四川省脆弱性总体呈现东高西低的特征，盆地内成都、绵阳、德阳、眉山等地区脆弱性较高，这些地区经济较发达、人口偏多，若发生暴雨灾害，会造成更严重的人员伤亡和财产损失，川西高原和攀西地区脆弱性较低，受灾程度相对较低。

图3 承灾体脆弱性分布

3.4 防灾减灾能力评估

人均GDP越大、排水管网越密则认为该地区的防灾减灾能力就越强。由图4所示，成都、德阳北部、汶川、雅安石棉县、攀枝花、凉山州西昌、绵阳江油、宜宾翠屏等地防灾减灾能力较高，抵御暴雨洪涝灾害的能力更强。

图4 防灾减灾能力分布

3.5 暴雨洪涝灾害综合风险评估

综合考虑上述暴雨洪涝灾害风险四因子，绘制综合风险评估分布图(图5)。评估结果表明：盆地暴雨洪涝灾害风险最高，攀西地区次之，川西高原最低。全省高风险区主要分布在盆地西部沿山地带和盆地北部，具体包括绵阳北部的北川县、江油市、游仙区、安县、三台县；德阳西北部的绵竹市、什邡市；眉山的洪雅县、仁寿县、丹棱县；乐山的夹江县、市中区、峨眉山市、五通桥；雅安的雨城区、名山县；内江的隆昌县；宜宾的高县；广安的武胜县、邻水县；巴中的通江县、南江县；广元的旺苍县，以上地区高风险主导因素为高危险性和高敏感性，即暴雨强度大且频次高、坡度和地面高程较低、径流系数和河网密度较大。此外高风险区还包括成都市的中心城区、郫县、温江区、蒲江县，其高风险主导因素为高敏感性和高脆弱性，即坡度和地面高程较低、径流系数和河网密度较大、人口密度和GDP密度较大。

图5 暴雨洪涝灾害综合风险分布

4 结论与讨论

4.1 结论

本研究基于四川省气象数据、基础地理信息和社会经济等数据，构建暴雨洪涝灾害风险评估模型，采用GIS技术对四川省暴雨洪涝灾害风险进行评估，主要结论如下：

(1)四川省暴雨洪涝灾害风险分布不均，盆地风险最高，攀西地区次之，川西高原最低。高风险区主要分布在盆地西北部沿山地带的绵阳、德阳西部、成都，盆地西南部青衣江流域的雅安、乐山、眉山，以及盆地东北部大巴山南边的广元东北部、巴中北部等地区。

(2)四川省暴雨洪涝灾害风险高值区分布集中连片，不同地区的高风险主导因素不同，绵阳、德阳、雅安、乐山、眉山、广元和巴中等主要是由高危险性、高敏感性主导，成都地区主要是由高敏感性、高脆弱性主导。

4.2 讨论

暴雨洪涝灾害是一个复杂的系统，影响风险评估的因素很多，本文仅基于有限的指标对四川省暴雨洪涝灾害风险进行评估，今后将进一步优化完善评估方法和评估指标，通过实际验证建立更合理的风险评估模型。