基于多情景的巫山县山洪灾害危险评价

林孝松, 崔梦瑞, 牟凤云, 余 情, 徐 州

(1.重庆交通大学 建筑与城市规划学院, 重庆 400074; 2.重庆交通大学 土木工程学院, 重庆 400074)

山洪灾害是山丘区经济社会发展面临的突出问题，每年均会造成重大人员伤亡和巨大财产损失。由于我国山丘区山洪孕灾、致灾因子复杂多变，空间异质性强，山洪形成机理不确定性显著，人类活动不利影响加剧，山丘区建设与发展将长期面临紧迫的山洪灾害防灾减灾重任。当前国内外科技工作者在山洪灾害孕灾致灾、风险评估以及灾害预警等方面取得了较丰硕成果。Garambois等[1]基于面向过程水文模型对降雨触发山洪进行了深入研究；杜俊等[2]分析基本因子和一般因子对不同类型山洪灾害的影响程度；蔡维英等[3]基于分布式中小流域山洪灾害模拟模型分析了各因素对山洪形成影响；Azmeri等[4]对印度尼西亚典型山区小流域山洪灾害进行危险区识别研究；林孝松等[5]对跳石镇山洪灾害危险进行了综合分区；Zhang等[6]对中国霞浦流域进行山洪风险制图研究；黄国如等[7]对瑶安小流域山洪灾害进行风险评估；岳琦等[8]完成了闽江上游山洪灾害风险区划；赵瑜等[9]对黑龙江省各区县山洪灾害风险进行等级区划；刘少军等[10]应用DEA模型对海南岛山洪灾害危险性大小进行排序，根据成灾效率进行山洪灾害危险性的等级划分；叶金印等[11]提出采用降雨径流相关法进行产流计算，采用Nash汇流模型进行汇流计算的山洪预警方法。当前以及将来全球气候变化将使高强度降雨发生频率、强度和区域分布变得更加复杂，所造成的山洪灾害也将更为严重。

以重庆市巫山县山洪灾害为研究对象，针对山区县域山洪灾害形成特点及尺度差异，构建由微地貌类型、地形坡位、地形指数、土地利用综合程度和地表汇流累积量等组成的山洪灾害静态、动态危险评价指标；在GIS软件支持下，获取研究区各危险评价静态指标30 m分辨率数据，同时按照48 h降雨量为50，100，150，200，250 mm这5种强度值，考虑不同土地利用和土壤类型的下渗和产水特性，模拟获取研究区地表汇流累积量；采用综合指数法计算得到各网格单元山洪灾害危险综合指数并进行综合分区；利用GIS区域汇总功能，将网格评价结果平均汇总到巫山县各乡镇区和行政村，以利于各行政管理部门应急响应和实际应用。

1 研究区及数据

1.1 研究区概况

巫山县位于重庆市东北部，地处三峡库区腹心，位于东经109°33′—110°11′，北纬30°45′—23°28′，幅员面积2 958 km2，全县辖25个乡镇和9个林、农场，2016年末常住人口45.55万人，地区生产总值101.79亿元。地形以深谷、中山和低山为主，海拔高度为75～2 690 m(图1)。气候属亚热带季风性湿润气候，常年降水量1 041～1 600 mm，最大月降雨量达300 mm。2014年8月30日—9月2日，巫山县普降暴雨，最大降雨量达384.6 mm，高强度降雨导致山洪暴发，95 616人受灾，793间房屋倒塌，6 187 hm2农作物受灾，36处道路中断，直接经济损失超过2.4亿元。1978—2016年巫山县历史山洪灾害点共770处(图2)。

图1 巫山县数字高程模型

1.2 研究数据

研究所采用的数据主要包括巫山县2015年土地利用类型图、巫山县1∶5万30 m分辨率数字高程模型数据、巫山县土壤类型图、包含有乡镇(街道)和行政村(居委会)的2015年行政区划图、巫山县历史山洪灾害点数据、2017年巫山县统计年鉴等。

2 评价指标与数据获取

2.1 评价指标选取

国内外相关研究者针对不同的研究尺度，选用不同的评价指标开展山洪灾害危险评价。在大尺度方面，岳琦等[8]选用多年降水均值、高程、坡度、土壤类型、糙率、稳定下渗率、最长汇流路径长度、最长汇流路径比降、植被覆盖度9个指标，进行了闽江上游山洪灾害风险区划；刘少军等[10]选用地形因子、水系因子、暴雨日指数、滑坡和泥石流密度、综合灾度作为海南岛山洪灾害危险性评价指标；唐川等[12]采用地形坡度、暴雨天数、河网缓冲区、标准面积洪峰流量、泥石流分布密度和综合灾度6个指标，完成了红河流域山洪灾害危险评价图；杜俊等[13]选用暴雨综合指标、地形起伏度、土地利用产汇流能力、岩性软硬程度4个指标对长江流域山洪灾害危险进行评估。在小尺度方面，黄国如等[7]选用最大3 d降雨、高程、坡度、土壤类型等危险指标对瑶安小流域山洪灾害进行风险评估；高展等[14]采用不同等级降水量及频次、高程、高程标准差等指标对黄山风景区暴雨山洪灾害进行风险区划研究；左倩云等[15]采用年均降雨量、地形坡度、起伏度、植被覆盖度、路网密度、居民点密度、历史灾害点密度、汇流累积量、暴雨强度、河网密度10个指标对接龙镇山洪灾害危险进行综合评价。

图2 巫山县山洪灾害点分布

综合上述研究来看，基本上是从气象、地形地貌、水文、人类活动、历史灾害情况等方面遴选相关指标进行山洪灾害的危险评价，不足之处在于所有指标均是静态的历史性数据，未考虑降雨尤其是暴雨这一指标的动态性对山洪灾害形成的影响。论文根据巫山县山地丘陵地形特点以及研究区尺度差异特征，从地形地貌、水动力条件、人类活动强度等方面选用微地貌类型、地形坡位、地形指数、土地利用综合程度等作为山洪危险评价的静态指标，从不同降雨强度下洪水汇集差异角度选用地表汇流累积量作为山洪危险评价的动态指标。

2.2 微地貌类型与地形坡位

利用研究区30 m分辨率DEM数据，采用地形坡位指数(Topographic Position Index，TPI)法[16]可获取巫山县微地貌类型和地形坡位类型数据。首先，利用巫山县30 m×30 m栅格DEM数据，采用90 m×90 m尺度矩形邻域计算得到巫山县TPI指数；然后，按照Weiss划分标准，采用90 m×90 m和330 m×330 m尺度矩形邻域提取到巫山县10种微地貌类型(图3)；最后，采用标准偏差(SD)方法对TPI值进行分等，并结合坡度值大小(表1)划分得到巫山县地形坡位类型(图4)。

图3 巫山县微地貌类型分布局部示意图

图4 巫山县地形坡位分布局部示意图

地形坡位山谷谷地山坡下部平缓坡地陡峻坡地山坡上部山脊TPI标准偏差值≤-1(-1,-0.5](-0.5,0.5](-0.5,0.5](0.5,1]>1坡度——≤5°>5°——

2.3 地形指数

地形指数(Topographic Index，TI)是综合考虑区域地形坡度和流域水文特性的一个综合指标。其空间分布可用于确定土壤饱和缺水量的空间分布情况以及产流区空间位置和范围。计算公式为：

TI=ln(α/tanβ)

(1)

式中：TI为地形指数；α为汇流面积；β为坡度。

地形指数TI值越大，则表征土壤越容易达到饱和而产流，从而有利于发生山洪灾害。故可利用该值作为暴雨后地表产流并由此引发山洪的综合评价指标。首先利用巫山县DEM数据得到其坡度图；然后利用GIS水文分析功能得到巫山县各网格坡面汇流面积；最后基于公式(1)利用栅格计算器可得到巫山县地形指数分布数据。

2.4 土地利用综合程度

不同强度的人类活动直接或间接影响山洪灾害的形成或强度大小。人类活动对地表形态造成一定的破坏作用，减弱对雨水的渗透和截留作用，土地利用程度不同其对地表破坏程度也会有所差异。由此可用土地利用综合程度来表征人类活动强度大小以及其对山洪灾害形成的影响。按照人类利用程度的大小差异，将城镇村及工矿用地、交通用地等界定为高度利用等级，耕地、园地为中度利用等级，林地、草地、水域及水利设施用地为低度利用等级，其他用地为未利用等级。将巫山县土地利用类型矢量数据按照利用等级标准进行栅格转化即可得到研究区土地利用综合程度栅格数据。

2.5 地表汇流累积量

结合巫山县夏半年多年平均降雨情况，按照48 h降雨量50，100，150，200，250 mm这5种降雨强度模拟计算地表汇流累积量。首先基于研究区DEM数据，利用ArcGIS水文分析功能进行洼地填充、水流方向计算、汇流累积量(栅格数)模拟；然后根据巫山县2015年各土地利用类型(图5)和土壤类型(图6)的下渗与产水特性，按照表2中系数赋予各土地利用类型和土壤类型相应的径流系数值，并将两个图层进行相乘叠加得到巫山县各栅格单元径流系数；最后按照5种降雨强度值，基于以网格数量为单位的汇流累积量图层，通过单位换算得到以m3为单位的地表汇流累积量，并以巫山县径流系数分布栅格数据为权重进行修正，最终得到不同降雨强度下巫山县地表汇流累积量模拟分布数据。从模拟结果来看，随着降雨量的增大，研究区各个网格单元地表汇流累积量均有不同程度增多。

图5 巫山县土地利用类型

图6 巫山县土壤类型

土地利用类型径流系数值土地利用类型径流系数值土地利用类型径流系数值土壤类型径流系数值建制镇1果园0.60坑塘水面1紫色土0.88村庄0.99茶园0.65水工建筑用地1黄棕壤0.90采矿用地0.99其他园地0.70水库水面1黄壤0.91风景名胜及特殊用地0.96有林地0.45河流水面1潮土0.92公路用地1灌木林地0.55裸地0.90石灰岩土0.94水田0.95其他林地0.60设施农用地0.95裸岩0.95灌溉水田0.90其他草地0.70沙地0.65水稻土0.96旱地0.75内陆滩涂0.95

3 结果与分析

巫山县山洪灾害危险评价5个指标中，微地貌类型、地形坡位、土地利用综合程度为定性指标，地形指数和地表汇流累积量为定量指标。为进行综合量化评价，将研究区山洪灾害危险等级划分为高、中、低危险和基本安全4个级别，并依据表3标准对各指标进行分等级标准化赋值处理。

表3 巫山县山洪灾害危险评价指标量化表

采用层次分析法对评价指标权重进行计算，得到微地貌类型、地形坡位、地形指数、土地利用综合程度和地表汇流累积量的权重值依次为0.178 5，0.111 0，0.290 7，0.075 1，0.344 7。

基于评价指标标准量化栅格数据，利用栅格计算器功能计算得到不同降雨强度下巫山县山洪灾害危险指数综合值(表4)，并按照阈值1.2，1.8，2.4进行等级划分(图7—8)；最后利用区域汇总功能可得到不同降雨强度下巫山县各乡镇和各行政村的平均危险评价值，其中巫山县48 h降雨量为250 mm时各乡镇和各行政村的危险评价结果如图9—10所示。

表4 不同降雨强度下巫山县山洪灾害危险评价

由表4可知，巫山县山洪灾害以低危险和中危险为主，分别占总面积的43.4%和31.0%，而中危险和高危险面积占总面积的39%。在48 h内，降雨量由50 mm增加到250 mm的情况下，基本安全区面积基本不变，仅减少0.412 0 km2；低危险区面积稍有降低，降低了2.890 3 km2；中危险区面积变化较明显，减少了10.425 1 km2；而高危险区面积增加较显著，面积增加了13.727 5 km2。由此可预见，在降雨量不断增加的情况下，巫山县山洪灾害高危险区的面积在不断增加，防治任务加剧。

从巫山县各乡镇山洪灾害危险评价结果来看(图9)，34个乡镇(林、农场)各危险等级面积占各自面积的比重分别为10.91%～27.87%(基本安全)，27.87%～52.64%(低危险)，25.47%～35.25%(中危险)和5.38%～10.32%(高危险)；中、高危险两者总和比例超过40%的乡镇有邓家、抱龙、金坪、龙溪、平河、竹贤、庙堂、当阳、巫峡和官阳10个乡镇。此外，按照自然断点分类法将各乡镇危险综合值分为4个等级，危险指数最高的第四等级乡镇主要集中在研究区的南部和西部，共11个；而危险等级较低的第一和第二等级主要为研究区内植被相对较好的林农场。

图7 巫山县山洪灾害危险评价局部示意图(降雨量50 mm)

从巫山县各行政村山洪灾害危险分布来看(图10)，巫山县316个行政村(居委会)中，危险指数值大于1.80的有23个，1.71～1.80的有148个，1.61～1.70的有140个，小于1.60的有5个，同时各行政村山洪灾害危险评价结果与历史灾害分布情况吻合相对较好。

图9 巫山县各乡镇山洪灾害危险评价

图10 巫山县各行政村山洪灾害危险评价

4 讨论与结论

(1) 在对各评价指标进行分级赋值量化的基础上，采用多因素综合指数法计算得到各评价单元山洪灾害危险综合指数值并据此将山洪灾害危险划分为高危险、中危险、低危险和基本安全4个等级；从总体来看，巫山县山洪灾害以低、中危险为主，占比分别为43.4%和31.0%，而中、高危险面积占比为39%。

(2) 在研究区48 h降雨量由50 mm增加到250 mm的情况下，基本安全区面积基本不变，低危险区面积稍有降低，中危险区面积变化较明显，面积减少10.425 1 km2，而高危险区面积则增加较显著，面积增加13.727 5 km2。由此可见，采用动态的地表汇流累积量既可进行动态评价，也可进一步开展不同降雨强度下的山洪灾害空间预警研究。

(3) 从各乡镇山洪评价结果来看，中、高危险两者总和比例超过40%的乡镇达10个，且危险指数值相对较高的乡镇主要集中在研究区的南部和西部；从各行政村山洪危险分布来看，危险指数值大于1.7的行政村占总数的54.11%，且评价结果与历史灾害分布情况吻合相对较好，可为研究区山洪灾害防治提供借鉴。

论文研究成果可为巫山县山洪灾害防灾减灾提供科学依据，但也存在以下需要进一步研究之处。

首先，地表汇流累积量指标的赋值量化问题。将地表汇流累积量由通常的网格数或面积变为具体汇水量，可以模拟不同降雨条件下的地表汇流情况，并由此进行山洪灾害危险的动态评价。但在对该指标进行分级赋值时是按照研究区河流整体特征确定的固定数额，未充分考虑河流上下游间河道宽度的差异，故按照此分级标准会使得对上游的评价结果偏轻，而对下游地区的评价会相应偏重，使得评价结果与实际情况存在一定偏差。

其次，地表汇流累积量的精确性问题。在进行不同降雨强度下地表汇流累积量的模拟时，充分考虑了不同地表下垫面尤其是不同土地利用类型和土壤类型对洪水形成的差异影响，但在确定各土地和土壤类型的径流系数时主要借鉴专家经验和少量试验参数确定，其结果也会与实际情况存在一定误差。

再次，山洪灾害形成关键指标作用的均化问题。山洪灾害的形成受各种因素的综合影响，是一个复杂的综合过程。虽然在进行危险评价时尽量选择综合性和关键性指标，但采用综合指数方法通过线性组合计算山洪灾害危险指数值，在一定程度上平滑了部分关键性指标所起的主要作用。