基于土地利用分析的山洪灾害危险等级划分研究

许小华，何 雯

（1.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029；2.西安科技大学高新学院，陕西 西安710109）

0 引言

山洪灾害是指山丘小流域由降雨引发的洪水及由山洪诱发的泥石流、崩塌、滑坡等对人民生命财产造成损失的灾害[1]。山洪灾害风险区划是指根据研究区山洪危险性特征，并参考区域承灾能力及社会经济状况，把山洪灾害划分为不同风险等级的区域[2]。目前有关山洪灾害危险区划常用的方法有：根据DEM数据以及部分统计年鉴数据，选取降雨、地形、河网分布等影响因子，确定权重，最后利用ArcGIS地图代数工具叠加得到区域的风险区划图。这种方法简单可行并具有一定精度，随着研究的深入，对区划精度有了进一步的要求。

江西省地处东亚季风区，地形地质条件复杂，特殊气候条件和降水时空分布不均，极易形成局部强降雨，导致山洪灾害频发。本研究以江西省境内为研究区域，在前期研究成果（即基于DEM的山洪灾害风险区的划分研究）的基础上，利用TM遥感图像及相关辅助数据提取山洪灾害诱发因子信息。在地形因子基础上，充分考虑了影响行洪过程的土地使用类型、植被情况、土壤利用率等山洪灾害诱发因子信息，利用GIS空间分析方法得到山洪灾害风险区的划分。其结果更加合理、可靠，更能满足山洪灾害防治规划与建设要求。

1 风险因子分析

本研究收集了江西省境内的1：50 000DEM地形数据、30 m空间分辨率TM遥感影像及相关的辅助数据。通过GIS空间分析方法和遥感解译方法分析提取了山洪灾害风险相关因子，并对因子信息作了空间统计分析。

1.1 地形因子分析

地形地貌为山洪灾害的形成与发生提供基本的下垫面条件[3]。本研究的山洪灾害分析中，地形因子主要涉及到高程和坡度信息，采用高程及坡度作为地形因子指标来反映其对山洪灾害的影响程度。高程较低、地势平坦的地方由于积水难以排出而易致灾，即地形高程越低、坡度越缓、越容易发生山洪灾害[4]。

本研究采用的DEM数据是1985年国家高程基准高程，根据江西省境内地形特征，将海拔在50 m以下且平坦开阔的定义为平原地形、50～600 m之间且起伏不大的定义为丘陵地形、600～1 000 m之间且峰峦起伏的定义为山地地形、1 000 m以上且地面坦荡的定义为高原的地形分类体系来划分研究区地类。在地形高程的基础上，将地形坡度0°～0.5°、0.5°～15°、15°～35°、35°以上分别定义为平原、斜坡、陡坡、峭壁来对研究区坡度进行重分类，其结果见表1。

图1 江西省高程分布图

图2 江西省坡度分布图

表1 高程、坡度分级范围与所占比例

1.2 河网因子分析

河网密度反映一定地域内水系分布的稠密程度。河网密度与山洪灾害发生几率存在密切的关系，一定面积区域内河网密度越大，一旦发生洪灾，流经该地区的过境水流所造成山洪灾害的几率也就越大。依据目前普遍被接受的Chebotarev提出的河网密度为单位面积内河道总长度理论[5]，利用GIS的空间统计分析与叠加分析方法得到江西省河网密度图3。

1.3 土地利用分析

江西省生态环境总体良好，森林植被覆盖率位居全国前列，分析土地利用情况，可进一步提高山洪灾害风险区划的精度与可靠性。本研究在探讨土地利用这一因子时主要考虑地表植被类型、植被覆盖率以及人类活动这3个方面。地表植被的存在可以降低土地遭受山洪灾害的程度，主要考虑以下3个方面：（1）树冠、枝叶的截留和遮挡，缓冲了雨水对地面的冲击。此外，植被的存在增加了地表粗糙度，降低了洪水流速，减缓了汇流时间[6]；（2）植被增加了土壤的孔隙率，提高了雨水向土层深处渗透的速度与程度。从而增加了土壤吸收雨水的能力，达到涵养水源的效果[7]；（3）植被通过呼吸和蒸腾作用调节土壤内部水分，降低土体的孔隙水压力，达到提高土体抗剪强度的目的[8]。此外，植被的根系在多方向上形成一系列具有抗拉能力的钢筋网，在其延伸到的土层间起到了锚固作用[9]。因此，相同降雨情况下，自然植被遭到破坏的山区受到山洪灾害的程度更加严重。伴随国民经济的迅速发展，城镇规模迅速扩大，人类活动给原有生态环境带来巨大改变。滥砍滥伐、过度采矿、削坡建房等活动破坏地表植被，甚至破坏了原有山体的稳定性，山洪灾害发生的几率相对增加。在考虑土地利用时，选择城镇用地、农村居民点用地以及其他建设用地来反应人类活动对区域原有地质地貌的改变。

在只考虑土地利用因子的假设下，将区域发生山洪灾害的可能性，从小到大分为I、II、III、IV级。 具体分级办法为：根据区域土体上植被的类型与密度将区域分为I、II、III级，主要认为植被类型对山洪灾害的降低程度为林地＞草地＞旱地，密度主要以郁闭度（林地）以及覆盖度（草地）这两个指标来判断；考虑人类活动对原有地质地貌的改变将城镇、农村以及其他建设用地划分到IV级；部分区域如水田、坑塘、裸岩、石砾地等由于自有丰富水分或完全不具备下渗能力也划分到IV级。具体的基本划分办法如表2，应用ArcGIS空间叠加

分析方法得到江西省土地利用类型分级图如图4。

表2 土地利用类型、定义以及对山洪灾害影响的级别

图3 江西省河网密度

图4 江西省土地利用类型分级图

2 AHP权重分析

层次分析法（AHP）是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂(T.L.Saaty)为美国国防部研究“根据各个工业部门对国家福利的贡献大小而进行电力分配”时，应用网络系统理论和多目标综合评价方法，提出的一种层次权重决策分析方法。这种方法其特点是在对复杂决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析，利用较少的定量信息使决策思维的过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性复杂的决策问题提供简便决策方法，是对难于完全定量的复杂系统作出决策的模型和方法。

本研究应用AHP方法计算各指标的权重系数，采用如下矩阵模型计算权重。影响因子设计原则为：坡度＞高程＞河网密度＞土地利用。目前关于山洪灾害危险区研究的影响因子选取以及权重分析并没有统一的标准，本文赋值主要参考文献[2-4]以及影响因子设计原则。结果见表3。

表3 山洪灾害危险性指标重要性判断矩阵及权重

表4 各因子危险程度划分与赋值

由于山洪灾害的影响因子较多，各影响因子的计量单位不同，取值范围变幅大，因此需要对数据进行标准化处理[9]。利用ArcGIS空间分析方法对各影响因子图层栅格化再进行重分类（分4类），并将每一类别根据较安全、较危险、危险、极度危险分别赋值4、3、2、1。 具体各因子危险程度划分与赋值如表4，土地利用的具体分级办法见表2。

基于上述各个因素的分析，根据其对山洪灾害危险性的权重(表3)，利用ArcGIS空间分析方法，将各因子图赋予权重进行叠加分析，即各影响因子与其相应的权重相乘得出每个栅格单元的危险程度X。

上式中，H1～H4分别为高程、坡度、河网密度和土地利用。根据山洪灾害的危险程度X，应用GIS软件将山洪灾害风险区划分为4个等级 (X取值范围分别为：＜2.0，2.0～2.5，2.5～3.0，＞3.0)：危险性程度由低向高依次分别为安全区、少发区、较易发区、易发区。具体划分结果如图5。

3 山洪灾害风险等级区划

承灾体的承受能力即社会经济易损性的大小，对山洪灾害造成的损失和危害具有重大影响[4]。本研究选择人口因子作为山洪灾害易损性的分析因子，主要考虑在山洪灾害中人的伤亡是最严重的一类，选择人口为易损性因子也是秉着保人的原则。此外，人口分布在一定程度上反映了地区政治、文化经济发展情况。根据各区县的人口统计年鉴数据对人口密度进行插值，得到人口分布图(见图6)。根据GIS软件成图将易损程度（＜350、350～450、450～550、＞550）分为4个等级，各县人口统计年鉴数据见表5。

在山洪灾害风险分析中危险性占主导因素，一般情况下，危险性占的比重约为75%～80%。本研究将危险性与易损性的比例定为4：1，符合一致性原则，不用修正。各指标权重计算结果为山洪灾害危险性指标权重为0.8，易损性指标权重为0.2。将山洪灾害危险性分布与易损性分布叠加得到山洪灾害的风险分布图，其计算公式如公式（2）。

表5 江西省各县人口统计年鉴数据

续表5江西省各县人口统计年鉴数据

上式中R为山洪灾害的风险指数，X为山洪灾害的危险性指数，V为山洪灾害的易损性指数。根据山洪灾害的风险指数结合GIS软件成图将山洪灾害风险区划分为4个等级，每个风险等级的数值范围及含义如表6，具体划分结果如图7。

图5 江西省山洪灾害风险程度图

图6 江西省人口密度图

4 成果分析与检验

对比图5与图8发现，江西省部分丘陵地带虽然发生山洪灾害的可能性普遍偏高，但是由于人口密度较低以及土地开发利用率也低，其遭受山洪灾害造成的损失相对较低，故风险程度也相对降低。

对比图8与图7发现，考虑了土地利用情况后，在平原地区增加了山洪灾害风险程度，例如鄱阳湖地区的山洪灾害风险程度较不考虑土地利用情况偏高，其主要原因为鄱阳湖地区水资源丰富，河网密度大，土地开发利用率高，人口分布密集，与实际相比存在微小的偏差。但在山区和丘陵地区，考虑了土地利用情况后的山洪灾害风险区划结果比不考虑土地利用情况的区划更为精细。

对比历史山洪灾害记录显示，本研究的山洪灾害风险区划结果具有一定的精度。江西省东西南部三面环山地带及部分中部丘陵地带发生山洪灾害的风险普遍较高。其中高风险区比例不高，主要集中在江西西北部的五指山山区、西部的罗霄山和九岭山区以及江西东部武夷山区。历史山洪灾害记录显示的山洪灾害频发且损失严重的龙虎山区，九岭山南麓，鄱阳县莲花村、清溪村，芦溪县等均在风险区划图中高风险区。山洪灾害频发的上栗县，峡江县，资溪县等也在风险区划图中的中高或中低风险区范围。

表6 山洪灾害风险等级划分及代表灾害含义

图7 不考虑土地利用的山洪灾害风险区划

图8 考虑土地利用的山洪灾害风险区划

5 结论

在传统的风险区划研究的基础上，通过增加对土地利用情况的分析，提高了风险区划的精度与可靠性。但目前针对土地利用情况对山洪灾害风险程度影响的研究还不够成熟完善，未来还有进一步细化、完善的可能。山洪灾害危险区划图显示：江西省山洪灾害高风险区主要集中在江西西北部的五指山山区、西部的罗霄山和九岭山区以及江西东部武夷山区。据此可以有针对性的对山区的土地利用进行规划并设置一些主动避灾的防洪减灾非工程措施，这对完善江西省的防洪减灾体系有着十分重要的意义。

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