基于 GIS的乡镇干旱灾害风险评估与区划——以河北省唐山市滦县为例

王慧彦，耿贵珍，帅 红，薛 辉

(1.防灾科技学院，河北 三河 065201;2.湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081)

0 引言

干旱是我国主要自然灾害之一，约占我国气象灾害的50%左右。特别是近些年来，旱灾出现频率增高、范围扩大、区域性明显、持续时间长，灾害损失不断增大的趋势，对国民经济特别是对乡镇的农业造成巨大影响［1－2］。目前，国外对干旱的研究较为成熟，多侧重于对农业和气象方面进行风险管理、风险损失评估研究，但对区域综合旱灾的相关研究不多。旱灾风险评估是进行旱灾检测及预报的研究重点，也是制定区域旱灾风险管理的有利依据，目前已经得到广泛关注。风险区划是风险管理技术的有效方法之一，近年来得到广泛应用并取得很多科研成果，黄崇福等利用模糊数学和信息扩散理论对农业干旱灾害风险进行研究，并提出自然灾害风险区划的研究方向［3］;赵静等基于网格GIS技术对豫北地区干旱灾害风险进行区划［4］;杨丰政等利用 GIS技术建立气象数据库对河北保定徐水县进行灾害风险评估，完成干旱灾害风险区划［5］。

本文以滦县为例，依据灾害系统理论，从孕灾环境、致灾因子的自然属性和承灾体的社会属性两个方面入手，基于多年滦县统计局正式公布的社会经济统计数据、《滦县水资源综合规划报告》等相关资料，分別统计12个乡镇的自然环境(孕灾环境、致灾因子)、社会经济(承灾体)等系列资料，作为综合评价水旱灾害风险的基础数据;从干旱灾害形成的机理出发建立表征干旱灾害危险性和易损性评价指标体系，利用GIS技术建立干旱灾害风险评估模型，得到滦县旱灾综合风险评价等级区划图，在此基础上对评价结果进行分析，找岀导致滦县水旱灾害风险的主导因素，为水旱灾害防御工程布局与配置提供科学依据。

1 研究区概况

滦县位于河北省东部，燕山南麓，滦河西岸，行政区划隶属于唐山(118°16'～118°49'E，39°35'～39°58'N)。总面积1 028 km2，辖 12 个镇 504个行政村，总人口约56万人。属于暖温带半湿润的季风型大陆性气候区。主要的气象灾害有旱涝、大风、冰雹、霜冻、雷电、暴雪等，其中旱灾和风雹灾危害最大，滦县每年因气象灾害引起的损失可达国民生产总值的2%。旱灾多属秋冬连旱或冬春连旱灾害，其中秋冬连旱灾害约占总旱灾次数的55%，而冬春连旱灾害约占总旱灾次数的45%，甚至有些年份如1976年、2006年发生了四季连旱的异常现象。重旱灾多发生在古马镇、雷庄镇、响嘡镇、油榨镇等乡镇，轻旱灾和小旱灾一般发生在西部及西北部的山丘地区，如杨柳庄镇、九百户等乡镇。

2 研究方法及数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 灾害风险评估原理

有关灾害风险的概念有很多，目前，很多研究者偏向于联合国 ISDR的风险表达［6］，即风险主要由危险性(H)与脆弱性(V)共同构成。其表达式为:

式中，D为灾害风险;H为致灾因子危险性;V为承载体易损性。

据此，本文将依据滦县地区旱灾风险评价指标体系构建旱灾风险评价模型。

2.1.2 加权综合评价法(WCA)

旱灾主要评价因子(致灾因子危险性指数、承载体易损性指数)的计算采用加权综合评价法［7］:

式中，Vj为评价因子指数，j为评价因子个数，Dij为对于因子j的指标i的归一化处理值;n为评价指标个数;Wi为指标i的权重，它是综合考虑各指标对评价因子的影响程度，其求解方法很多，本文采用AHP法结合当地实际情况确定。

2.1.3 层次分析法(AHP)

层次分析法(AHP)主要是对一些较为模糊、复杂问题做出决策的简单易用方法，当问题难于完全做定量分析时往往考虑用此方法。AHP层次结构模型分为目标层、准则层和指标层。本研究将目标层定义为干旱灾害风险指数，准则层选取危险性、脆弱性2个指标为干旱灾害风险评价因子，指标层选取多年平均干旱指数、缺水率、降水量、人口密度、GDP密度等指标为子因子［8］。

2.1.4 GIS空间分析方法

为了对滦县地区干旱灾害风险评估及区划进行空间格局的分析，需要对滦县的干旱特征、地理地貌及社会经济等采用空间属性进行描述，因此，采用GIS技术可以为滦县干旱灾害风险研究提供空间分析的平台。本文主要采用ArcGIS空间分析模块中的插值法、栅格运算、自然断点分级等方法［9］，对滦县旱灾致灾因子危险性及脆弱性进行分析，完成滦县旱灾风险区划，并绘制干旱灾害风险等级区划图。

2.2 数据来源

本文的乡镇气象数据来源于滦县气象局提供的1959—2011年气象资料、《滦县水资源综合规划报告》等相关资料;社会经济数据来源于滦县统计局提供的《1999—2011年滦县统计年鉴》;部分数据来自滦县遥感图。

3 干旱灾害风险综合评价

3.1 旱灾危险性综合评价

3.1.1 评价指标体系的建立

旱灾危险性包括了致灾因子和孕灾环境的影响因素，根据滦县特定的自然环境及基础数据的可取性，选取如下3项指标度量旱灾危险性。指标数据来源于滦县下辖的滦州镇、东安各庄镇、响嘡镇、榛子镇、油榨镇、雷庄镇、古马镇、小马庄镇、王店子镇、九百户镇、茨榆坨镇和杨柳庄镇，共计12个乡镇。

(1)多年平均干旱指数:该指数是气象学中用来反映气候干旱程度及用作气候分区的指标;干旱指数(γ)=年蒸发能力(E)/年降水量(P)。

(2)缺水率:缺水率 =(需水量 －供水量)/需水量。

(3)降水量(2000～2010年多年降水量的平均值)。

3.1.2 各评价因子对旱灾危险性的影响度分析

首先将表征滦县各乡镇旱灾危险性数据录入ArcGIS，以自然间隔法为基础并根据实际情况，确定多年平均干旱指数、缺水率、降水量对旱灾的影响度标准，如表1。

3.1.3 旱灾危险性综合评价及区划

根据多年平均干旱指数越大、缺水率越高对干旱灾害形成所作的贡献越大，以及降水量越多对干旱灾害形成所作的贡献越小的原则，对上述各个影响因子赋予相应的权重即运用AHP与相关专家打分相结合的方法，确定各评价因子的权重为W1=0.4，W2=0.4，W3=0.2，并进行叠加，由加权综合评价法可得旱灾危险性综合评价的模型为:

旱灾危险性 =多年平均干旱指数 ×W1+缺水率 ×W2－降水量 ×W3

表1 旱灾危险性影响因子影响度标准Table 1 Effect Size Criterion of Drought Disaster Risk Effect Factor

利用ArcMap综合多年平均干旱指数、缺水率、降水量3个图层，得到滦县的旱灾危险性综合评价等级分布图(图1)。

图1 滦县旱灾危险性评价等级分布图Fig.1 Risk Assessment Grades Distribution of Drought Disaster in Luan Couty

从滦县旱灾危险性评价等级分布图可知，古马镇的旱灾危险性最高;响嘡镇、雷庄镇和东安各庄镇的旱灾危险性较高;滦州镇的旱灾危险性中等;油榨镇、小马庄镇、王店子镇、榛子镇、杨柳庄镇的旱灾危险性较低;茨榆坨镇和九百户镇的旱灾危险性最低。

3.2 旱灾易损性综合评价

3.2.1 评价指标体系的建立

旱灾易损性，或脆弱度的评价，主要取决于承载体的社会经济属性，同等级的旱灾在不同的地方造成的损失程度不同。一般认为在经济发达地区，由于人口城镇密集，财富集中，国内生产总值高等所造成的损失要远远大于经济落后地区。于是选取如下四项指标表征滦县旱灾的易损性:

(1)人口密度:人口密度=人口(人)/国土面积(km2)。

(2)GDP密度:GDP密度=GDP(万元)/国土面积(km2)。

(3)单位面积年粮食产量:单位面积年粮食产量=年粮食产量(吨)/播种面积(km2)。

(4)水资源量:它反映了一个时期内，人类在当时技术经济条件下对水资源开发利用的水平。水资源量(108m3)=多年平均地表水资源可利用量+浅层地下水资源可开采量－地表地下重复计算量。鉴于目前技术条件的限制，故将深层地下水资源可开采量排除在外。

数据选取滦县下辖滦州镇、东安各庄镇、响嘡镇、榛子镇、油榨镇、雷庄镇、古马镇、小马庄镇、王店子镇、九百户镇、茨榆坨镇和杨柳庄镇，共计12个乡镇的旱灾易损性指标值。

3.2.2 各评价因子对旱灾易损性的影响度分析

首先将表征滦县各乡镇旱灾易损性数据录入ArcGIS，以自然间隔法为基础，并根据实际情况，分别确定人口密度、GDP密度、单位面积年粮食产量和水资源对旱灾易损性的影响程度，如表2。

3.2.3 旱灾易损性综合评价及区划

根据人口密度越大、GDP密度越大、单位面积年粮食产量越大对干旱灾害形成所作的贡献越大，水资源越多对干旱灾害形成所作的贡献越小的原则，对上述影响因子赋予相应的权重，并进行叠加。由加权综合评价法可得旱灾易损性综合评价的模型为:

旱灾易损性综合评价 =人口密度 ×W1+GDP密度×W2+粮食产量×W3－水资源×W4

对上述各个影响因子赋予相应的权重即运用AHP与相关专家打分相结合的方法，确定各评价因子的权重为 W1=0.35，W2=0.25，W3=0.25，W4=0.15。

据此，利用 ArcMap综合人口密度、GDP密度、单位面积粮食产量和水资源四个图层，将各权重值带入旱灾易损性综合评价模型，利用ArcGIS的栅格计算功能并分级［10－11］，可获得滦县的旱灾易损性综合风险评价等级分布图(图2)。

表2 旱灾易损性影响因子影响度标准Table 2 Effect Size Criterion of Drought Disaster Vulnerability Effect Factor

图2 滦县旱灾易损性评价等级分布图Fig.2 Vulnerability Assessment Grades Distribution of Drought Disaster in Luan Couty

根据叠置分析得出的旱灾易损性评价结果可知:王店子镇、油榨镇、古马镇以及响嘡镇为易损性风险最高区域;滦州镇为易损性风险较高区域;榛子镇、东安各庄镇、雷庄镇为易损性风险中等区域;茨榆坨镇、杨柳庄镇和小马庄镇为易损性风险较低区域;九百户镇为易损性风险最低区域。

4 滦县旱灾风险综合评估及区划

采用上述灾害风险评估原理，采用加权综合评价法，依据旱灾风险指标体系建立滦县旱灾风险模型:

旱灾风险度 =危险度(H)×易损度(V)(3)对滦县进行干旱灾害风险评价，依据公式(3)计算得到滦县各个乡镇的旱灾风险指数，利用GIS中自然断点分级法将旱灾风险指数按5等级划分(高风险区、较高风险区、中等风险区、较低风险区、低风险区)，并基于GIS绘制干旱灾害风险等级区划图(图3)。

图3 滦县旱灾综合风险评价等级图Fig.3 Integrated Risk Assessment Grades of Drought Disaster in Luan Couty

根据图3分析得出的旱灾综合风险评价结果可知:滦县整体上属旱灾较高风险地区。其中:(1)东安各庄镇、古马镇为旱灾高风险区;(2)响嘡镇为旱灾较高风险区;(3)滦州镇、油榨镇、雷庄镇、王店子镇、榛子镇、杨柳庄镇为旱灾中等风险区;(4)小马庄镇为旱灾较低风险区;(5)九百户镇和茨榆坨镇为旱灾低风险区。

5 结束语

本文选取唐山市滦县12个乡镇为研究对象，依据自然灾害风险形成原理，采用加权综合评价法，结合旱灾风险指标体系，借助GIS技术建立滦县干旱灾害风险模型，将基础地理数据、气象观测数据、社会经济数据等有机集成，绘制出滦县干旱灾害风险区划图，并对滦县干旱灾害风险进行了科学有效的评估，这不仅为滦县综合防灾减灾规划、科学预测与预防等提供了技术支撑，更为其他乡镇气象灾害风险区划研究提供参考。

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