山区镇域山洪灾害孕灾环境分区研究*

韩 赜， 林孝松， 左倩云， 谭 睿， 赵 培

(重庆交通大学 河海学院，重庆 400074)

山洪灾害是指山区强降水引发的短时的、暴涨暴落的地表径流所造成的灾害[1]。山洪具有突发性，水量集中流速大，冲刷破坏力强等特点，常造成局部洪灾。我国复杂的地形地质、高强度降水以及人类不合理的土地利用导致山洪灾害频发。如2013年7月4日四川省雅安市境内因遭受强降雨袭击发生特大山洪泥石流灾害，2010年8月7日甘肃省舟曲县因强降雨引发特大山洪泥石流灾害，这些灾害造成了严重的人员伤亡和财产损失。国内外科技工作者在山洪灾害形成机制、分布规律、防治区划、危险评价以及风险评估等方面取得了较丰硕成果[2-8]。但由于山洪发生的复杂性与不确定性，尤其是当前极端气候气象条件增多，使得人类对于山洪灾害的防灾减灾还存在较大难度。

以重庆市巴南区接龙镇为研究范围，基于GIS技术采用空间模拟分析方法进行研究区各孕灾指标数据的精细模拟与获取，构建山洪灾害孕灾分区评价模型，得到各网格单元灾害孕灾综合值，并设定临界阈值划分山洪灾害孕灾环境。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

接龙镇位于重庆市巴南区东南部(图1)，全镇幅员面积为196.36 km2，平均高程为515 m，境内多低山丘陵，且地形起伏较大，整体地势东、南、西部偏高，向北逐渐平缓(图2)。接龙镇雨量充沛，全年平均降水量1 100 mm； 接龙镇是重庆市巴南区“一城五镇”发展战略的中心镇之一，人口众多，社会经济较发达。近年来，随着巴南区城镇建设规模的不断扩大，加之极端天气的日趋增多，造成了山洪灾害的频发。据山洪历史灾害数据显示：2001-2009年接龙镇共发生41次滑坡、泥石流等山洪灾害，累计经济损失达2 400万人民币，镇域范围山洪灾害防治工作任务艰巨。

图1 巴南区接龙镇位置示意图

1.2 孕灾因子分析

山洪灾害的发生存在一定的孕灾环境，镇域山洪灾害的孕灾环境影响因素很多，主要有降水因素(年均降水量)、下垫面因素(地形坡度、地形起伏度、植被覆盖率等)、人类活动影响、历史灾害状况等因素，且任何一个单独因素都不足以引发山洪灾害，山洪灾害的发生常是多种因素综合作用的结果。参考目前关于山洪灾害危险性评价所选取的指标[7-10]，并结合接龙镇镇域特点，选取降水、地形、植被、人类活动以及历史灾害等作为其主要孕灾因子。

降水既是山洪泥石流的组成部分又是激发因素[11]。溪河洪水的发生主要是由于前期持续大量的降水，使得土壤中的水分趋于饱和，地表逐渐松动，再遇短时暴雨之后，迅速汇聚成强大的地表径流而引发。综合而言，降水强度越大、历史越长、范围越广，则对山洪形成的作用也越大。

地形地貌是影响镇域山洪灾害形成和发生的下垫面因素。山洪灾害的形成的地形特征是中高山区，相对高差大，河谷坡度陡峻。在相同的降水影响下，坡度大且相对高差大的区域不仅易导致地表径流集中，同时较大高差所积累的势能也会使流水对地表的冲刷强度加大；此外，地形也是影响局部降水量变化的因子之一，山区小流域因面积小，降水时地表径流汇流时间短，坡降大，在极短时间内及汇集成溪河洪水[8]。

植被的存在可以很好的防护山洪灾害对地面的侵袭。植被通过树冠的截留和遮挡，缓冲了雨地对地面的直接打击，调节了地表径流，减缓汇流时间，减少汇流量；同时增加了地表粗糙度，减缓洪水流速；植被底部根部的生长稳定了土壤，增加了土壤的应力和强度；此外，植被还具有循环效应，通过自身调节土壤中水分的平衡。因此，在降水强度大，自然植被遭到破坏的山区受到山洪侵蚀的现象比较严重。

随着社会经济的快速发展，经济水平的不断提高，城镇规模逐步扩大，不少乡村滥伐林木、过度采矿、削坡建房、修建道路等，这些活动，有的破坏了植被，加大了水流的冲刷能力；有的破坏了原有的地质地貌和山体的整体稳定性，产生大量的松散物质，恶化环境，增加了山洪灾害发生的概率。

历史灾害活动对山洪灾害潜在危险性具有一定的影响。这种影响可能具有双向效应，有可能在灾害发生以后，能量得到释放，灾害的潜在危险性削弱或基本消失。但可能灾害发生后其活动并没有使不平衡状态得到根本解除，新的灾害又在孕育，在一定条件下将继续发生。

1.3 指标体系构建及数据获取

1.3.1 孕灾环境指标体系

影响镇域山洪灾害发生的因素较多，如何建立系统而全面的山洪孕灾环境危险性评价，乃是一项复杂而艰巨的任务。结合影响山洪灾害发生的各项因子，遵循系统性、灵活性和实用性的指标选取原则，构建了由年均降水量(mm，x1)，地形坡度(∘，x2)，地形起伏度(m，x3)，植被覆盖度(%，x4)，路网密度(km/km2，x5)，居民点密度(km2/km2，x6)，历史灾害点密度(个/km2，x7)共7个指标，4个分区等级标准组成接龙镇山洪灾害孕灾环境评价指标体系，见表1。

表1 接龙镇山洪灾害孕灾环境评价指标体系

1.3.2 指标量化及权重确定

孕灾环境分区指标的量化按照不同指标和不同分区等级的特性，并结合巴南区接龙镇的实际情况依据专家评分方法对所选取的7个指标进行量化，即按照极高易发区、高易发区、中易发区和低易发区4个级别划分7个指标，每个指标最高赋值为100，最低为0。各指标依据式(1)进行分级量化赋值。

(1)

式(1)中：Xi为各评价指标的量化赋值，Zmax和Zmin分别为各指标赋值范围的最大值和最小值，Xj为评价指标的实际值，Jmax和Jmin分别为各指标分级范围的最大值和最小值。其中指标的正负功效的判断，则是依据各指标对山洪孕灾环境的作用，若指标值越大越易引发山洪灾害则为正功效，反之为负功效。在所选取的7个孕灾环境指标中，植被覆盖率为负功效，其余为正功效。

多指标综合评价中指标权重分配会直接改变评价对象的优劣顺序，因而权重值的准确性、合理性将影响到评价结果的可靠性。采用AHP(层次分析法)，基于10位专家的意见构建判断矩阵，计算得到各孕灾环境指标x1-x7的权重值依次为0.158 8、0.349 8、0.103 5、0.043 5、0.067 5、0.030 6和0.246 3。

1.3.3 数据获取

在GIS技术支持下，以1∶1万大比例尺地形图数据为基础，建立包括研究区范围、等高线、水系、道路交通线以及居民点等背景数据。以评价指标为基础，收集并处理相关资料获取个评价指标数据，并将获取的分析数据细分为100 m×100 m的规则网格。此外，山洪是由局地山区溪流和小河流受到暴雨影响，产生的地表径流迅速汇集而成的[4]，因此山洪孕灾环境分区研究需要以小流域为单元进行。接龙镇小流域的划分是以DEM信息为基础，利用ArcGIS软件中水文分析工具经过提取地表水流模型的水流方向、汇流累积量、河网以及河网的结构信息，最后划分得到127个小流域(图3)，平均流域面积为1.078 km2。

(1) 年均降水量信息获取。根据已有的重庆市周边149个气象站点的年均降雨量数据，选用年均降雨量与其影响要素：经度、纬度、高程之间的多元回归方程，建立年均降水量的推算回归模型。利用SPSS软件结合气象站点数据，对年均降水量及其影响因素进行回归分析，得到重庆市年均降雨量与高程、经纬向坐标之间的回归方程如式2所示，通过相关检验确定重庆市年均降雨量回归方程。

y=1 224.774+0.000 667φ+0.000 120λ+0.127 690h

(2)

注：样本数n=149，λ，φ的单位为m，h的单位为m。R值为0.578，F值为24.235。F检验达0.01显著水平。

利用GIS提取接龙镇小流域100 m×100 m大小的网格的平均高程信息、网格中心点坐标信息；在栅格计算器中按照建立的线性关系模拟得到接龙镇年均降雨量模拟分布图(图4)，并进行标准化赋值最后得到各网格单元降水量分级量化信息。

图3 接龙镇小流域分布图

图4 接龙镇年均降雨量模拟分布图

(2) 地形信息获取。地形坡度和起伏度是地貌学中描述地貌变化的两个重要参数。所指地形坡度是坡面的高程差与水平距离的反正切值。地形起伏度则是反映地表起伏变化状况，通常以某一面积内最高点和最低点高程之差来表示。

① 坡度信息获取。坡度信息的获取以1∶1万研究区地形图为基础，采用ArcGIS软件的Spatial Analyst (空间分析)功能模块，由矢量等高线数据生成DEM栅格表；再由Slope 函数提取出坡度；并根据评价指标和分级标准对坡度进行分级量化，得到接龙镇100m×100m的网格单元的坡度量化分值图(图5)。

② 起伏度信息获取。地形起伏度的提取是在ArcGIS空间分析模块的支持下，通过移动窗口来实现。起伏度计算的关键在于移动窗口大小的选择。研究表明：随着窗口大小的增大，地形起伏度也随之增大，但增大到一定程度即区域稳定，选择最佳的窗口大小才能真实地反映地表的起伏变化情况[12]。利用接龙镇流域范围的DEM数据，采用0.5 km×0.5 km，0.7 km×0.7 km，1.1 km×1.1 km，1.3 km×1.3 km窗口大小统计地形起伏度，并通过计算最终选取1.1 km×1.1 km作为接龙镇地表起伏度统计的窗口大小，得到接龙镇流域范围内地形起伏度的分布，最后结合量化标准和方法进行分级量化，得到接龙镇地形起伏度量化分值图(图6)。

图5 接龙镇地形坡度分布图

图6 接龙镇地形起伏度量化分值图

(3) 植被覆盖信息获取。利用接龙镇土地利用现状图提取植被覆盖信息，参照实地调研和专家意见针对不同的土地利用类型所对应的植被覆盖度进行赋值，其中有林地、竹林、经济林、灌木林、草地、旱地、水田以及荒草地依次赋值为：90、75、55、50、45、30、25和10，并按照评价指标和分级标准依次对其进行分级和量化，得到接龙镇植被覆盖度量化分值图(图7)。

图8 接龙镇路网密度量化分值图

(4) 人类活动信息获取。路网密度和居民点密度是评价区域人类社会经济活动的重要指标。路网密度和居民点密度信息的获取，以1∶1万研究区地形图中所提取的道路交通线和居民点数据为基础，是利用GIS平台的空间叠加分析和统计分析工具，以小流域为统计单元，分别汇总各流域范围内的道路总长和居民点总面积，并根据评价指标和分级标准对路网密度和居民点密度进行分级量化，最后得到路网密度和居民点密度量化分值图(图8，图9)。

(5) 历史灾害信息获取。历史灾害点密度数据的获取是基于研究区2001-2009年山洪灾害历史数据，以水文分析所划分的小流域为统计单元，利用GIS空间叠加和统计分析工具，统计各流域范围内单位面积上所分布的灾害点数量，并根据评价指标和分级标准对灾害点的密度分布进行量化，最后得到接龙镇历史灾害密度量化分值图(图10)。

图9 接龙镇居民点密度量化值分布图

图10 接龙镇历史灾害密度量化分值图

2 孕灾环境分区

2.1 孕灾环境综合指数模型

接龙镇孕灾环境分区主要采用多因素综合指数法，计算所得的孕灾环境综合指数是孕灾环境分区评价的综合量化值，可用以评价孕灾环境的分级，并可对综合指数值设定阈值进行镇域山洪灾害孕灾环境的综合分区。镇域山洪灾害孕灾环境综合指数通过孕灾环境分指数的加权叠加计算获取，其计算模型为：

(3)

式(3)中：Z为孕灾环境综合指数；Wi为指标权重值；Fi为孕灾环境指标量化值。

2.2 孕灾环境分区

基于ArcGIS软件强大的空间分析和叠加功能，对研究区相关孕灾环境指标的基础数据进行处理和分析，并利用综合指数计算模型得到研究区100 m×100 m网格单元的孕灾环境综合值(图11)。

从图11中可知，接龙镇孕灾环境综合指数值在15～67之间，其中综合指数较高的区域分布于接龙镇的西南部、西部以及东部，中部和北部孕灾环境综合值相对偏低。同时按照各孕灾指标赋值及权重值得到孕灾环境4个等级分区的综合指数阈值：大于73为极高易发区，56～73为高易发区，32～56为中易发区，小于32为低易发区。由此可得到接龙镇山洪灾害孕灾环境分区图(图12)。

图11 接龙镇山洪孕灾环境综合指数图

图12 接龙镇山洪灾害孕灾环境分区图

从图12中可知，接龙镇山洪灾害孕灾环境划分共为3个区：高易发区、中易发区、低易发区。计算结果中显示，研究区内未出现极高易发区。

(1) 高易发区。分布范围很小，面积约为3.62 km2，占研究区总面积的1.98%。多分布于接龙镇的东、西部的边缘区域，区内地形变化复杂；历史灾害分布密度较高，平均密度>1.0个/km2；年均降雨量大部分在1 150 mm以上；人类活动较为密集。

(2) 中易发区。分布范围广，面积约为117.21 km2，占研究区总面积的64.21%。其总体上在东部、南部和西部的分布多于中部和北部。区内基本上是低山、丘陵地区，地形起伏度多在40～80 m；历史灾害分布密度较低，平均密度<1.0个/km2；年均降雨量多在1 150 mm以上；人类活动密集。

(3) 低易发区。分布范围不大，面积约为61.70 km2，占研究区总面积的33.81%。总体上多分布于接龙镇中部和北部地区，区内地形较为平缓，平均地形起伏度<40 m；历史灾害分布密度低，平均密度<0.5个/km2；年均降雨量大部分在1 150 mm以下；人类活动较密集。

3 结 论

(1) 山区城镇的迅速发展，城镇规模不断扩大，由于山区复杂的地理环境、不合理的规划建设加速了山洪灾害的形成。山洪灾害也给人类社会造成了生命财产的巨大损失，同时对区域社会经济发展的可持续发展有着重要影响，对山洪灾害孕灾环境进行合理分区，为山区城镇山洪灾害的防灾减灾提供科学依据。

(2) 以山区镇域山洪灾害为研究对象，构建了年均降水量、地形坡度、地形起伏度、植被覆盖度、路网密度、居民点密度和历史灾害点密度等共7个指标、4个分区等级组成的山区镇域山洪灾害孕灾环境评价指标体系。

(3) 在ArcGIS平台支持下，以100 m×100 m网格尺寸为单位精细获取各指标数据，计算得到个网格单元孕灾环境综合指数数值，在此基础上，对重庆市巴南区接龙镇山洪灾害孕灾环境进行等级划分。研究结果表明：接龙镇山洪灾害孕灾环境综合指数值在15～67之间，孕灾环境分区主要处于中易发区，其占研究区总面积的64.21%，接龙镇山洪灾害防治工作任务较艰巨。

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