基于ArcGIS空间数据的洪水灾害风险评估

摘 要：通过建立洪水风险评估四维指标体系与评价模型，构建基于ArcGIS空间数据的城市群洪水风险评估体系。以环鄱阳湖城市群为研究区域开展洪水风险评估，结果表明：（1）洪灾高风险地区主要发生在研究区的中部和东南部地区等，且呈现北移的趋势；（2）与传统洪灾风险评估研究相比，结合土地利用因素的洪灾风险评估体系合理可行，能够较好地反映土地利用变化对洪灾风险的影响，为防洪减灾提供科学支撑。

关键词：土地利用变化；洪水风险；组合权重法；环鄱阳湖城市群

中图分类号：P208 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）10–0-03

人类活动深刻地改变了地表的土地利用与覆被，并且随着城镇化进程的深入，该变化被进一步放大。洪水灾害作为主要的自然灾害之一，其产生与土地利用变化密切相关，研究土地利用变化对洪水灾害风险的影响具有现实意义。

早在19世纪50年代，国外开始兴起洪水灾害风险的研究。1991年联合国提出了风险的表达式：风险=危险性×脆弱性[1-2]。之后有学者认为洪水灾害是由致灾因子、孕灾环境、承灾体三者构成的[3]，在此基础上，有学者考虑新增防灾减灾能力维度的指标并展开研究[4]。与此同时，国内外针对土地利用变化对洪水灾害风险的影响也展开了研究。姜丽等[5]以多年土地利用与资产数据为基础，结合多种未来极端洪水情景，开展杭州湾北岸承灾体与暴露时空演化模拟，评估上海市杭州湾北岸洪水风险。当前，在进行洪水风险评估时已经考虑了土地利用相关因素但不够全面，不足以体现出土地利用变化对洪水风险的影响，同时较少考虑其防洪减灾能力，因此其指标体系的构建有待完善。

1 研究区概况

环鄱阳湖城市群（图1）位于江西省北部、长江中下游，包括南昌市、景德镇市、抚州市等9个城市和吉安市的峡江县和新干县。研究区地处江西省北部，是长江中游城市群的重要组成部分。该城市群地处亚热带季风性湿润气候地带，降雨量丰沛，且内部湖泊众多，赣江、抚河等五大河流均注入鄱阳湖，形成以鄱阳湖为汇聚中心的辐聚水系，多年来持续遭受洪水灾害的影响。

2 基于ArcGIS的环鄱阳湖城市群洪水风险评估

2.1 土地利用变化对洪灾风险影响的关键指标选取

土地在地球生态系统中扮演着重要的角色，其自然属性或人类赋予的社会属性的变化会引起链式反应，从而影响洪水的发生与演变。选取了径流系数、地表曼宁系数、土地敏感性及土地稳定性指标，研究土地属性变化对洪水灾害造成的影响。

图1" 研究区空间栅格化处理

2.2 洪水风险评估指标体系构建

交互影响评价四维指标为致灾因子危险性（H）、孕灾环境敏感性（S）、承灾体脆弱性（V）和防洪减灾能力（P）。致灾因子危险性（H）由径流系数（H1）、雨季平均降雨量（H2）和地形湿度（H3）构成。孕灾环境敏感性（S）由地表曼宁系数（S1）、土地稳定性（S2）、DEM（S3）和距河流距离（S4）构成。承灾体脆弱性（V）由土地敏感性（V1）、人口密度（V2）和地均GDP（V3）构成。防洪减灾能力（P）由失业率（P1）、一产GDP比重（P2）、人均GDP（P3）、医院床位数量（P4）、医生数量（P5）、保费（P6）、人均教育支出费用（P7）、人均年末储蓄余额（P8）和人均绿地面积（P9）构成（图2）。

2.3 洪水风险评估模型构建

2.3.1 标准化处理

由于评价指标复杂多样，含义和量纲各不相同，各个指标之间不具有可比性。为了对各个指标数据进行综合运算，需要对数据进行无量纲标准化处理。将各指标数值标准化至0～1，标准化后的数值可反映指标对洪水灾害风险的影响大小，标准化计算公式如下：

正向指标：Yij=（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）（1）

负向指标：Yij=（Xmax-Xi）/（Xmax-Xmin）（2）

式（1）、式（2）中，Yij为第j个指标的第i个值；Xi是原始值；Xmax和Xmin分别为第j项指标的最大值和最小值。

图2" 洪水风险评估指标体系构建

2.3.2 洪水风险评估模型

自然灾害系统是由致灾因子、孕灾环境、承灾体和防洪减灾能力构成的一个具有结构特征的复杂体系。在土地利用指标定量化基础上，建立洪水风险评估模型，表达式如下：

致灾因子危险性指数：H（x）=[wj·Hji（x）]（3）

孕灾环境敏感性指数：S（x）=[wj·Sji（x）]（4）

承灾体脆弱性指数：V（x）=[wj·Vji（x）]（5）

防洪减灾能力指数：P（x）=[wj·Pji（x）]（6）

洪水风险评价指数：R（x）=wHH（x）+wSS（x）+wVV（x）-wPP（x）（7）

式（3）～式（6）中，H（x）、S（x）、V（x）、P（x）为各指标标准化后的值，H（x）表示致灾因子、S（x）代表孕灾环境、V（x）表示承灾体、P（x）表示防洪减灾能力。R（x）表示洪水风险指数，wj、wH、wS、wV、wP是各评价因子的权重。i表示某一维度指标的个数，j表示指标值。

2.3.3 指标权重的确定

层次分析法是一种多层次权重分析决策方法，是一种定性与定量相结合的系统分析方法，层次分析法（AHP）可以用来确定各指标的主观权重[6]。熵权法是客观赋权法的一种，近年来在国内外得到广泛应用[7]。两种权重结合避免了AHP法的主观性和熵权法因数据分异带来的误差，进一步提高了结果的精确性。通过综合权重计算获得各指标的最终权重值见表1。综合权重计算公式如下：

W=aW1+（1-a）W2（8）

式（8）中，W为综合权重；W1为AHP求得各指标权重值；W2为熵权法求得各指标权重值；a为比重指数，

本研究取0.5。

3 结果与分析

3.1 洪水风险评估结果

将各指标的空间分布结果和权重输入洪水风险评估模型，得到洪水灾害风险指数。以自然断点法（Natural Breaks）为依据，使用ArcGIS将洪水灾害风险的空间分布划分为5个等级（低、较低、中、中高和高）。根据2000、2010、2020年环鄱阳湖城市群洪水风险空间分布（图3），2000—2010年研究区域的中高风险区有所下降，主要集中在城市群的中部地区，城市群的东南方向中，高风险区则有所增加，其西侧较低风险区数量上升，西北侧的中等风险区向较低风险区转换明显；2010—2020年间高风险区发生转移，主要集中在城市群中部和东侧，城市群北侧低风险区数量明显减少，中等风险区则有所增加，同时城市群的南侧中高风险区及高风险区减少

明显。

图3" 2000（a）、2010（b）、2020年（c）研究区洪水风险的空间分布

表1" 洪水风险指标权重分析结果

风险构成 权重 指标构成 权重

AHP法 熵权法 综合权重 AHP法 熵权法 综合权重

致灾因子危险性（H） 0.429 0.038 0.234 径流系数 0.156 0.443 0.299

雨季平均降雨量 0.745 0.424 0.585

地形湿度 0.099 0.133 0.116

孕灾环境敏感性（S） 0.081 0.155 0.118 地表曼宁系数 0.118 0.769 0.444

土地稳定性 0.277 0.154 0.216

DEM 0.118 0.047 0.082

距河流距离 0.487 0.030 0.258

承灾体脆弱性（V） 0.255 0.260 0.257 土地敏感性 0.130 0.188 0.159

人口密度 0.732 0.317 0.525

地均GDP 0.138 0.495 0.316

防洪减灾能力（P） 0.235 0.547 0.391 失业率 0.053 0.056 0.055

一产GDP比重 0.260 0.096 0.178

人均GDP 0.065 0.158 0.112

医院床位数量 0.052 0.061 0.056

医生数量 0.124 0.140 0.132

保费 0.156 0.090 0.123

人均教育支出费用 0.113 0.098 0.106

人均年末储蓄余额 0.157 0.160 0.158

人均绿地面积 0.020 0.141 0.080

3.2 洪水风险分析

由2000—2020年研究区不同等级洪水风险区面积（图4）可知，面积最大的风险区由中风险区向中高风险区转变；洪水低风险区的面积先升后降，中风险区面积不断减少，高风险区呈现先降后升的趋势，中低风险区与中高风险区面积有所扩大，在2000—2020年面积最大的风险区由中风险区转变为中高风险区；高风险区面积在2000—2020年有所减少。

图4" 2000—2020年研究区不同等级洪水风险区面积

4 结论

2000—2020年，研究区域洪水低风险区、中风险区及高风险区面积均有明显减少，中低风险区和中高风险区面积均有明显扩大。空间上洪水高风险区向城市群中部地区有明显的转移，洪水风险的整体格局呈现东北高、西南低的分布状况。与传统洪水风险评估研究相比，将土地利用因素作为影响因子纳入四维洪水风险评估模型，利用ArcGIS空间数据进行洪水风险评估，可以准确细腻地反映土地利用变化对洪水风险的影响，对完善洪水风险评估的指标体系有一定的积极意义，并为土地利用与洪水风险变化分析提供依据。

参考文献

[1] 苏维词，朱文考.贵州喀斯特地区生态农业发展模式与对策[J].农业系统科学与综合研究，2000（1）：40-44.

[2] 聂超甲，叶回春，张世文，等.海南岛农业台风灾害风险评估与可持续发展对策[J].农业工程学报，2022，38（23）：237-246.

[3] 张宇.顾及空间分布特征的城镇暴雨洪涝灾害风险区划研究[D].南京：南京师范大学，2021.

[4] 黄国如，罗海婉，卢鑫祥，等.城市洪涝灾害风险分析与区划方法综述[J].水资源保护，2020，36（6）：1-6，17.

[5] 姜丽，於家，温家洪，等.土地利用变化情景下杭州湾北岸极端洪灾风险评估[J].地理科学进展，2021，40（8）：1355-1370.

[6] 安洋洋.基于多源数据的岳阳市洪涝灾害风险评估研究[D].北京：中国地质大学（北京），2021.

[7] 李帅，魏虹，倪细炉，等.基于层次分析法和熵权法的宁夏城市人居环境质量评价[J].应用生态学报，2014，25（9）：2700 -2708.

收稿日期：2024-07-11

作者简介：陈浩（1997—），男，河南焦作人，研究方向为城市安全与防灾规划。#通信作者：刘刚（1973—），男，讲师，研究方向为城市安全与防灾规划，E-mail：tomlgc@163.com。