区域山洪灾害预警难度评价——以长江流域为例

蔡道明,肖 翔， 孙金伟

(1.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010;2.长江水利委员会 水土保持局，武汉 430010)

区域山洪灾害预警难度评价
——以长江流域为例

蔡道明1,肖 翔2， 孙金伟1

(1.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010;2.长江水利委员会 水土保持局，武汉 430010)

灾害预警难易程度评价是我国山洪灾害防治研究的一项基础性课题。基于历史灾害、地理背景、社会经济等数据资料，利用地统计分析方法，从设备投入使用维护环境、致灾过程类型和下垫面复杂性3个方面，初步构建山洪灾害预警难度评价指标体系；并采用层次分析法对各项指标进行打分定权，建立评价模型；最后以长江流域为例，对其山洪灾害预警难度进行评价。结果显示：预警难度较大的区域主要集中在甘肃南部、四川中部、云南北部、贵州东北、湖北西北以及重庆大部分地区，这些地区为滑坡、泥石流多发区，山高坡陡可达性差，设备布设、使用和维护成本高或难以执行，以及经济建设相对比较落后、地区财政压力较大；青海、四川盆地、长江中下游山洪灾害预警难度相对较小，评价结果与典型区实地调研情况有较高一致性。研究结果可为我国山洪灾害防治宏观决策提供新的分析视角和依据。

长江流域；山洪灾害；预警难度；层次分析；防洪减灾

山洪灾害是指由于降雨在山丘区引发的洪水灾害及由山洪诱发的泥石流、滑坡等对国民经济和人民生命财产造成损失的灾害[1]。长江流域山丘区面积大，暴雨频发，山洪灾害严重。山洪及其诱发的泥石流、滑坡分布范围广，突发性强，预测预报难度大，常导致人员伤亡、财产损失和生态环境的破坏。随着经济社会的发展，山丘区人口、财产和资产密度将进一步增长，山洪灾害的风险程度和损失也将显著增加[2]。因此，开展山洪灾害的防治是一项迫在眉睫、刻不容缓的任务[3]。山洪灾害的防治一般分为工程措施和非工程措施，其中预警系统是防治山洪灾害的一项重要的非工程性措施。

山洪灾害预警一直是国内外防灾减灾领域研究的热点问题[4-7]。从山洪灾害预警难易程度角度研究山洪灾害区划，目前只在山洪灾害预警准确度与及时度方面有相关研究[8]。而山洪灾害预警难度分析是防治山洪灾害研究中的重要环节，对制定区域经济中长期规划具有参考价值。本文拟通过筛选山洪灾害预警难度的影响因素，初步构建山洪灾害预警难度评价指标体系，建立山洪灾害预警难度评价模型，并以长江流域为分析对象进行预警难度分析，为我国山洪灾害防治宏观决策提供新的分析视角和依据。

1 指标选取和数据来源

1.1 指标选取

山洪灾害预警难度是相对于一定资金投入和技术水平而言的，目前全国山洪灾害防治项目县级非工程措施已初步落实，全国绝大部分防治县都布设了主要基于雨情监控的监测预警系统。在这种背景下，目前任何一种由降雨引发的山洪理论上都可以预警，只是预报的精度有所差异，如果以预报精度作为预警难易程度的判别标准，则剔除具体技术层面的作用，影响预警难易程度的宏观因素至少有以下3个方面。

1.1.1 设备投入使用维护环境复杂性

(1) 经济发达地区由于较好的经济条件，在监测预警站网建设及设备使用维护方面的投入往往超过全国平均水平，反之经济欠发达的地区由于资金配套的限制，除去国家投资以外用于监测预警站网建设以及设备使用维护的资源有限，理论上山洪灾害预警困难更大。

(2) 平原地区监测预警系统布设难度小，投资少，而山区则相反，开展山洪灾害监测预警系统建设的县大多地处偏僻、地广人稀、气候条件恶劣，监测预警设备投资大、维修难、损坏老化快，直接或间接地影响山洪灾害预警效果。由此从预警设施设备投入使用维护角度考虑，区域经济和自然条件是影响山洪灾害预警难度的2个重要因素。研究选取人均GDP和地势起伏度2个指标反映设备投入使用维护环境的复杂性。人均GDP反映地区经济条件，数值越小，监测预警系统建设能力也差；地势起伏度反映区域地势高差，数值越大，区域可达性越差，设备使用维护条件越恶劣。

1.1.2 致灾过程类型

山洪灾害是由山洪暴发带来的危害，包括溪河洪水及其引发的滑坡和泥石流。其中溪河洪水是山洪最为常见的表现形式，具有突发性强、水量集中、破坏力大等特点；山洪引发的滑坡是土体、岩块或斜坡积物在流水及重力作用下沿滑坡面滑动，规模大的滑坡一般是缓慢的、长期的滑动过程，能够做到很好的监测，但山洪引发的滑坡一般速度很快，很难预判；山洪引发的泥石流具有暴发突然、来势凶猛、破坏性强等特点，并兼有滑坡和洪水破坏的双重作用，其危害程度往往比单一的洪水和滑坡的危害更为严重，一次灾害可能造成一个村庄或城镇被掩埋。就预警难度来看，溪河洪水过程较为单一，预警难度偏小；以灾害链形式出现的滑坡、泥石流由于过程复杂，特别是泥石流，其预警难度相对其他2类更难。

1.1.3 下垫面条件复杂性

下垫面条件为山洪灾害的形成提供基本的环境条件，影响着山洪灾害的类型及规模。山洪灾害易发地区的地形往往山高、坡陡、谷深，切割深度大，侵蚀沟谷发育，其地质大部分是渗透强度不大的土壤，一遇到较强的地表径流冲击时，容易形成山洪灾害。山丘地区过度开发土地，或者陡坡开荒，或工程建设对山体造成破坏，改变地形、地貌、破坏天然植被，乱砍滥伐森林，失去水源涵养作用，均易发生山洪。由此，在下垫面条件复杂性高的地区，引发山洪过程的机制可能更为复杂，预警难度更大。下垫面条件复杂性影响因素较多，主要有地形、岩性、土地利用(植被)、土壤等4个方面，地形因素在设备投入使用维护环境方面已考虑，这里不再重复。

根据上述分析，得到山洪灾害预警难度评价指标体系，如表1所示。

1.2 数据来源

研究的资料主要来源于：①研究区的数字高程数据是修正以后的SRTM 90 m；②流域县域人均GDP来自于2011年统计数据；③长江流域山洪历史灾害资料来自“全国山洪灾害防治规划”山洪灾害调查数据，该数据资料年限截至2002年，部分省份数据更新到2010年；④岩性和断裂带基础资料来自中国地质调查局发布的1∶2 500 000中国数字地质图；⑤土地利用数据来自土地利用数据产品WESTDC_Land_Cover_Products1.0；⑥基础土壤数据来自中国科学院南京土壤研究所发布的1∶1 000 000中国土壤属性数据库。

表1 山洪灾害预警难度评价指标Table 1 Indexes of assessing the difficulty of warningmountain torrent disasters

2 评价指标图层提取和量化

2.1 设备投入使用维护环境

根据地势起伏度的定义，地势起伏度的计算关键是确定最佳统计单元[9]。首先利用邻域统计分析法，在不同大小网格窗口下对长江流域地势起伏度进行提取，得到不同网格窗口与地势起伏度的关系(见表2)。然后对S-Si数据序列按照均值变点分析法进行计算得到差值变化曲线(图1)，结果显示在第11个点时曲线由陡变缓，S与Si的差值达到最大，即11×11网格大小为曲线变化的拐点(图2)。从而得出基于SRTM DEM数据的长江流域地势起伏度提取的最佳网格单元为11×11，最佳分析统计窗口面积0.98 km2，经标准化处理之后长江流域地势起伏度见图3。长江流域县域人均GDP图利用行政区划编码这个具有唯一属性的关联字段，将属性数据与县域行政区划图进行关联，并通过栅格转换和极差标准化，见图4。

表2 研究区网格单元与地势起伏度关系Table 2 Grid units and relief amplitudes inthe study region

图1 网格单元面积与平均地势起伏度对应关系拟合曲线

Fig.1 Relationship between grid unit area and mean relief amplitude

图2S和Si差值的变化曲线

Fig.2 Variation in discrepancy between S and Siwith different points

图3 长江流域地势起伏度标准化图Fig.3 Standardized relief amplitude of the Yangtze river basin

图4 长江流域县域人均GDP标准化图Fig.4 Standardized GDP per capita at county level in the Yangtze river basin

2.2 致灾过程类型

图5 长江流域山洪灾害点分布Fig.5 Regional distribution of mountain torrent disaster points in the Yangtze river basin

长江流域溪河洪水、滑坡、泥石流3种山洪灾害的历史灾害位置、规模和频率来自“全国山洪灾害防治规划”相关调查数据(图5)。就预警难度来看，溪河洪水过程较为单一，预警难度较小；以灾害链形式出现的(山洪引发的)滑坡、泥石流，由于过程复杂，预警难度相对更大。由此，致灾过程类型复杂性指标量化方法为：先根据灾害类型复杂性，将溪河洪水灾害设为1，滑坡灾害设为2，泥石流灾害设为3，然后统计县域单元内不同灾害类型对应数值之和；最后统计县域单元内灾害量值。灾害量值数值越大，说明该单元内灾害过程越复杂，预警难度相应越大。整个操作通过ArcGIS的“空间关联”功能，将县域与相应的灾害点图层联立，统计相应的灾害点并赋值，最后进行栅格转换和极差标准化，得到致灾过程类型复杂性指标，见图6。

图6 长江流域致灾过程类型复杂性标准化图Fig.6 Standardized complexity of the process of mountain torrent disasters in the Yangtze river basin

2.3 下垫面条件

下垫面条件复杂性的每个指标都有特别的类别，可计算各类别在县域单元内的多样性值来量化各指标，即计算各指标类别占县域单元最大一类的比例值，以此值作为该指标在县域内多样性的指标，比例值越大，表示区内该要素细类在分布上比较均质和单一，下垫面条件复杂程度越小；数值越小，表明区内该要素细类分布多样性越高，下垫面条件复杂程度越高。具体操作过程在ArcGIS完成。栅格和标准化之后的下垫面条件复杂性指标见图7。

图7 长江流域下垫面条件复杂性标准化图Fig.7 Standardized underlying surface complexity in the Yangtze river basin

3 结果与讨论

3.1 指标权重确定

根据层次分析评价的基本原则和方法[10]，结合山洪灾害预警难度自身的特点，构建评价指标体系。依前文所述，山洪灾害预警难度的影响因素包括设备投入使用维护环境、致灾过程类型和下垫面条件复杂性等3个一级指标，其中设备投入使用维护环境和下垫面条件复杂性又包括5个二级指标。经过分析整理将影响山洪灾害预警难度评价指标体系分为3层：目标层A、准则层B(设备投入使用维护环境复杂性B1、致灾过程类型复杂性B2、下垫面条件复杂性B3)和指标层C(地势起伏度C1、人均GDP C2、岩性分布异质性C3、土地利用异质性C4、土壤类型异质性C5)。将A，B，C 3个层次建立层次结构模型。

按照1至9数字标度法逐个对任意2个评价指标进行比较，最终确定它们的相对重要性，并赋予相应的分值。对于准则层分析，可根据设备投入使用维护环境复杂性、致灾过程类型复杂性、下垫面条件复杂性3个一级指标对预警难度的影响程度，建立判断矩阵，鉴于现有技术水平对滑坡泥石流的预判能力较低，给予致灾过程类型复杂性(B2)最高权重；而设备投人使用维护环境复杂性(B1)相对于下垫面条件复杂性(B3)更具现实意义，后者仅存在理论上的影响，因此设定B1权重高于B3，具体准则层判断矩阵及权重，见表3。

表3 准则层判断矩阵Table 3 Matrix of criterion layer

经计算判定矩阵的最大特征值λmax=3.02，一致性指标CI=0.02，查三阶矩阵平均一致性指标RI=0.58，一致性比率CR=0.01<0.1，则判断矩阵具有完全一致性。

依上述操作，对二级指标构建判断矩阵，设定权重，具体见表4、表5。

表4 指标层判断矩阵Table 4 Matrix of index layer

表5 山洪灾害预警难度评价指标权重分配Table 5 Distribution of index weights which reflectthe difficulty of warning mountain torrent disasters

图8 长江流域山洪灾害预警难度分布和预警难度分级Fig.8 Regional distribution and levels of the difficulty of warning mountain torrent disasters in the Yangtze river basin

3.2 山洪灾害预警难度的分布和分级

各指标图层根据上述设定的权重叠加运算及标准化后，获得长江流域山洪灾害预警难度分布图(图8(a))。为了进行研究区山洪预警难度的等级划分，运用Natural Breaks方法，将预警难度分为极高、高、中、低4个等级，得到长江流域山洪灾害预警难度分级图(图8(b))。依据图示，长江流域山洪灾害难预警区主要集中在甘肃南部、四川中部盆周山地、云南北部、贵州东北、湖北西北以及重庆大部分地区，这些地区为滑坡、泥石流多发区，山高坡陡可达性差，设备布设、使用和维护成本高或难以执行，以及经济建设相对比较落后、地区财政压力较大。青海、四川盆地、长江中下游山洪灾害预警难度相对较小，这些区域地势起伏较小，多发生预警难度较低的溪河洪水等灾害类型，而且除青海外，区域经济较发达，监测预警系统使用范围广，维护较好，山洪灾害抗震救灾能力强，因此山洪灾害预警难度相对较小。结合作者所在的课题组2014年4月赴四川、重庆和陕西调研典型山洪沟情况，认为该预警难度分布与相关调研结果具有较高的一致性。

4 结论与展望

(1) 山洪灾害预警难度分析是在山洪灾害综合灾情分析结果(或相当工作)的基础上，对不同灾情程度地区提出的一种衡量区域灾害预警难易程度的评价分级工作。选择长江流域县域作为预警难度分析评价单元，利用地统计分析方法，从设备投入使用维护环境、致灾过程类型和下垫面复杂性3个方面，初步构建山洪灾害预警难度评价指标体系，并采用层次分析法对各项指标权重打分，建立山洪灾害预警难度评价模型。结合实地调查情况，认为评价结果能在一定程度上反映山洪灾害预警难度在空间上的差异，为我国山洪灾害防治宏观决策提供新的分析视角。

(2) 山洪灾害预警难度分析涉及环境、经济、社会等诸多方面，反应这些方面的因素多而烦杂，建立既要全面亦不重复的指标体系并非易事，本研究受限于资料与方法，考虑的方面有一定局限性，同时本研究的指标权重采用主观定权法，虽有部分实地调查结果作为依据，但客观性仍显不足，这些都需要在接下来的工作中进一步深化。

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(编辑：曾小汉)

Assessment of the Difficulty of Warning Mountain TorrentDisasters: Case Study of the Yangtze River Basin

CAI Dao-ming1,XIAO Xiang2,SUN jin-wei1

(1.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China;2.Bureau of Water and Soil Conservation,Changjiang Water Resources Commission,Wuhan 430010,China)

Assessing the difficulty of early-warning mountain torrent flood disaster is a basic research in the study of mountain flood disaster prevention in China.In this study,we built the assessment index system by using geostatistics method based on historical disasters,geographical background,and socio-economic data.The assessment index system includes the types of the torrent flood processes,underlying surface complexity and maintainability and performability of equipment.Analytic Hierarchy Process was employed to give weights to various indicators and the assessment model was obtained.The model was applied to assess the difficulty of early-warning torrent flood disaster in the Yangtze river basin.Results showed that areas difficult to warning are mainly concentrated in the south of Gansu Province,middle Sichuan province,the north of Yunnan,northeast of Guizhou,Northwest of Hubei,and large parts of Chongqing.These areas are frequently subjected to landslides and debris flows with high mountains and steep slopes unaccessible and high costs of installing and maintaining equipment as well as fiscal difficulty.Qinghai,Sichuan basin,and the middle and lower reaches of Yangtze river are less difficult to warn.The assessment results are consistent with field investigation of typical regions.The research results may provide new perspective and basis for policy-making on the control of torrent flood disasters in China.

Yangtze river basin;mountain torrent disaster;warning difficulty;analytical hierarchy process；flood prevention and disaster mitigation

2015-01-09；

2015-01-14

国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAK10B04)；水利部公益性行业科研专项经费资助项目(201301058，201301059)；中央级公益性科研院所基本科研业务费资助项目(CKSF2015010/TB)

蔡道明(1983-)，男，湖北石首人，工程师，硕士，主要从事水土保持、自然灾害理论与分析方法研究，(电话)027-82926205(电子信箱)cdm1528@126.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.017

P426.616 ；TP79

A

1001-5485(2015)03-0084-05

2015,32(03):84-88,94