GIS支持下的小流域山洪灾害风险区划分方法研究

葛 星，骆建雄

(河海大学地理信息科学与工程研究所，南京 211100)

1 研究背景

风险(Risk)概念最早在19世纪末的西方经济学领域提出，现在已经广泛应用于经济学、社会学、自然灾害、环境科学等领域[1]。联合国人道主义事务部(Department of Humainitarian UN)在1991年对风险作出定义：风险是指在一定区域和给定的时间内，由于特定的自然灾害引起的人们生命财产和经济活动的期望损失值，可用公式R=H×V来表示，其中R代表风险度；H代表危险度；V代表易损度[2]。

国外有关洪水风险评估的研究主要成果有，Joy Sanyal等(2005)结合GIS与RS技术利用Landsat及ERS卫星数据对山洪灾害的易损性进行了研究[3, 4]；Gunter BloschI等(2008)采用分布式水文模型研究了该模型在山洪灾害预测中的应用[5]；Mohammed E1 Bastawesy等(2009)利用GIS与RS技术，通过计算地表径流及降雨量模拟出该地区山洪的影响范围及受灾程度[6]。我国学者在山洪灾害风险划分方面最高开始于20世纪90年代，1996年赵士鹏对我国山洪灾害的危险区划做了定性的分析，将全国划分为西北区、内蒙区、青藏区、中部区、东部平原和东南区等6个区域[7]；同年史培军对灾害的致灾因子、孕灾环境和承灾体作出评述，形成了灾害研究的理论体系[8]；2004年孙厚才等人对我国山洪灾害的特征、危害、成因、风险评估等进行了概括、分析和总结，为我国山洪灾害防治规划的制定工作提供了参考[9]；2007年张平仓等对山洪灾害的特征和防治对策做了全面的分析，为我国各地区山洪灾害防治对策提供了参考[10]。

从我国山洪灾害风险评估的研究现状来看，大部分学者都是对大尺度的区域进行山洪灾害风险划分，很少有人在县/区级层面上进行研究。本研究选择江西省婺源县乐安河上游流域为研究区，对其进行危险性划分和易损性划分模型构建，探索适用于小尺度的流域山洪灾害风险划分方法。

2 研究区及数据准备

2.1 研究区概况

本研究选取江西省婺源县乐安河上游流域作为研究区，该区域为山洪多发区域，已经作为江西省智慧流域建设的试点之一，数据较为齐全。

乐安河(又称玉溪河)，为饶河支流，正源段莘水发源于婺源县北部大庾山、五龙山南麓，南流经段莘水库至武口与古坦水汇合始名乐安河，整个乐安河流域全长279 km，流域面积8 989 km2。本研究选取的是乐安河上游流域，位于江西省婺源县境内(如图1)，流域面积约为1 416 km2，为亚热带季风性湿润气候，雨量充沛、四季分明；历年平均气温为16.8 ℃，多年平均降雨量为1 810 mm，流域境内雨量分布不均，总体趋势是东北多，西南少。

图1 乐安河上游地理位置图Fig.1 Le'an River upstream location map

2.2 数据准备

2.2.1 流域基础地理数据

为了更好了解乐安河流域下垫面情况，本研究收集了乐安河流域的遥感影像、土地利用数据、土壤类型和质地数据和数字高程模型。具体的数据情况见表1。

表1 流域基础数据情况表Tab.1 Basic data situation of the basin

2.2.2 流域社会经济数据

流域的社会经济数据，主要包括乐安河上游流域的行政区划、道路、人口和GDP等数据，本研究收集到的数据如表2所示。

表2 流域社会经济数据Tab.2 Social-economic data of the basin

2.2.3 流域水文站网数据

乐安河上游流域内主要有水文站有2个(汪口、三都)，水位站有6个，雨量站有19个，其地理位置分布见图2。本研究收集了流域内各类水文数据包括流域出口点、流域内水系、流域最长汇流路径、流域面、流域边界、监测站点(包括水文站、水位站和雨量站)和降雨数据，如表3所示。

表3 流域水文站网数据Tab.3 Hydrological station network data of the basin

图2 乐安河上游流域水系站网分布Fig.2 Distribution of Water System Network

在所收集的水文数据中，乐安河上游流域被细化分为103个小流域(见图3)，每个小流域的都带有已经处理好的流域属性(见表4)，包括流域的基本属性如：流域面积、周长、形状系数、中心点经纬度；流域水文信息如：流域最长汇流路径及比降、流域糙率和下渗率、洪峰模数等。

表4 小流域属性数据Tab.4 The attribution of the small watershed

图3 乐安河上游流域小流域划分Fig.3 Classification of small watershed

2.2.4 历史山洪调查数据

乐安河上游流域位于江西省4个暴雨中心之一，地形以中低山、丘陵为主，山区性河流坡降大，汇流速度快，非常容易受到山洪灾害的影响，根据江西省2015完成的山洪灾害调查评价项目中，得到婺源县乐安河上游流域历史山洪灾害点(见图4)和山洪灾害调查评价项目中划分的危险区(见图5)。

表5 历史山洪灾害发生情况Fig.5 The situation of the historical floods

图4 历史山洪灾害点分布图Fig.4 The distribution of the historical flood disaster

图5 山洪灾害防治单元(危险区)分布Fig.5 The distribution of the risk flood area

3 研究方法

3.1 危险性划分

本文从风险的定义公式R=H×V出发，其中R代表风险度，H代表危险度，V代表易损度来展开研究。

3.1.1 危险性因子选择

根据查阅资料及相关规定，自然灾害的危险性是指可能导致灾害的自然过程发生的规模频率集总，是描述潜在的致灾过程易发程度的指标。促使山洪灾害发生的原因主要有暴雨、流域特性、地形地貌、土地利用、土壤质地特性等自然因素有关，其中暴雨是诱发山洪灾害最重要的外力因素，地形地貌、土地利用、土壤等是山洪灾害形成的最基本的下垫面因子。基于对山洪灾害发生危险性的理解和文献的总结，本研究选取以下8个指标作为乐安河上游山洪灾害危险性评估指标(见图6)。

表6 危险性因子指标量化Tab.6 The quantification of the risk factor indicator

图6 危险性因子指标选取Fig.6 The choice of the risk factor indicator

3.1.2 逻辑回归模型构建

本文研究乐安河上游发生山洪灾害和未发生山洪灾害2个变量，因此采用二值化回归模型(Binary Logistics)。在本研究的逻辑回归分析中，因变量Y是一个二分类变量，其值取0或1，Y=1代表发生山洪灾害；Y=0代表未发生山洪灾害。影响Y取值的n个自变量分别为X1，X2，X3，…，Xn，在n个自变量的作用下山洪灾害发生的条件概率为P=P(Y=1|X1，X2，…，Xn)，逻辑回归模型可表示为：

zi=a0+a1Xi1+a2Xi2+anXin

(2)

式中：zi代表中间变量参数；a0代表回归常数；ai代表第j个变量的回归系数(i，j=1，2，…，n)；Xij代表第i个单元中第j个变量的取值，发生山洪灾害取1，否则取0；Pi代表第i号单元内发生山洪灾害概率的回归预测(i=1，2，…，n)。

以已知的历史山洪灾害发生点的位置及随机生成的72个样本点共144个样本格网作为模型输入数据，整个模型的构建和求解都是基于SPSS分析软件中实现，最终在8个危险性指标中选择了3个(坡度、高程、和河网缓冲指标)具有显著性指标为最佳模型组合，具体结果见表7，可以得出3个指标不同权重的系数，其中每一类指标分级的最后一级作为参考级，系数均为0。

表7 逻辑回归危险性指标各级系数Tab.7 The coefficients of logistic regression model

根据逻辑回归结果的各级指标系数，求解可得整个乐安河上游流域山洪灾害危险性划分结果(如图7所示)，将山洪灾害发生的概率P(0～1)的值在0～0.2之间定为山洪灾害危险性很低区域；在0.2～0.4之间定义为山洪灾害危险性低区域；在0.4～0.6之间定义为山洪灾害危险性中等区域；在0.6～0.8之间定义为山洪灾害危险性高区域；在0.8～1之间定义为山洪灾害危险性很高区域。

图7 山洪灾害危险性逻辑回归结果Fig.7 The results of the logistic regression model

3.2 易损性划分

山洪灾害易损性是指发生山洪灾害后，暴露于危险的人口财产以及人口财产对危险的抵御能力。本研究根据文献查阅及数据收集的情况，引用刘希林教授提出的灾害易损性指标，并对其模型进行了简化。由于研究区为婺源县乐安河上游流域，在小尺度的研究中对于地区的固定资产投资可以忽略，所有本研究中去除了物质易损性指标，保留了乐安河上游三类易损度指标，分别为人口易损度指标(V1)、经济易损度指标(V2)和环境易损度指标(V3)。具体的模型公式如下：

V=[(FV1+FV2+FV3)/3]0.5

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：V代表山洪灾害易损程度；V1代表人口易损度指标；V2代表经济易损度指标；V3代表环境易损度指标；Bi代表各类土地资源基价，元/m2；Ai代表各类土地利用类型面积，km2；FV1，FV2，FV3代表各类指标定量赋值；m,n,l代表指定的常数项。

在最终的山洪灾害易损度划分结果中，易损度的取值是0～1之间的值，为了使最终的结果能与危险性结果相匹配，本研究将山洪灾害易损性分为五个等级：易损性值在0～0.2之间定为山洪灾害易损性很低区域；在0.2～0.4之间定义为山洪灾害易损性低区域；在0.4～0.6之间定义为山洪灾害易损性中等区域；在0.6～0.8之间定义为山洪灾害易损性高区域；在0.8～1之间定义为山洪灾害易损性很高区域(见图9)。

4 山洪灾害风险区划分

4.1 风险区划分

通过前面对危险性和易损性模型的构建，已经分别得到乐安河上游流域山洪灾害危险性和易损性划分结果，根据联合国人道主义提出的灾害风险的定义，本研究对乐安河流域上游山洪灾害风险定义为山洪灾害危险性与易损性的乘积。由于之前对危险性和易损性结果都分为5级，分级范围都是0～0.2；0.2～0.4；0.4～0.6；0.6～0.8；0.8～1，将危险性与易损性相乘之后，可得到山洪灾害风险性的5个等级划分(见图10)，分别为：0～0.04表示山洪灾害风险很低；0.04～0.16表示山洪灾害风险低；0.16～0.36表示山洪灾害风险中等；0.36～0.64表示山洪灾害风险高；0.64～1表示山洪灾害风险很高。

图8 易损性因子指标选取Fig.8 The choice of Vulnerability factor indicator

图9 山洪灾害易损性转换赋值函数结果Fig.9 The result of the transformation assignment function

图10 山洪灾害风险划分结果Fig.10 Flash flood risk classification results

4.2 精度验证

在2015年完成的江西省山洪灾害调查评价项目中，可以提取婺源县乐安河上游流域范围内居民点的防治类型，其中居民点防治类型分为低、中、高三个等级。本研究采用防治类型中和高两个等级的防治点(共134个)对上述风险划分的结果进行检验(见图11)，从表8的统计结果来看，在流域面积33.18%的中等、高和很高的山洪灾害风险区域中，有79.11%的已划分的山洪灾害防治类型点(中和高)被验证，说明乐安河山洪灾害划分的结果具有合理性，本研究的方法适合较小尺度的山丘区流域山洪灾害风险划分。

表8 山洪灾害风险划分结果验证表Tab.8 The verification table of classification result

图11 山洪灾害风险划分结果验证Fig.11 The verification of classification result

5 结 论

本研究根据联合国人道主义事务部对风险的定义，将乐安河上游流域山洪灾害风险定为流域内山洪灾害的危险性与易损性的乘积，主要研究了逻辑回归模型对山洪灾害危险性的划分，转换赋值函数对山洪灾害易损性的划分，并对最终的山洪灾害风险划分进行了合理性验证。具体研究结果如下：

(1)对山洪灾害的危险性采用二分类的逻辑回归模型进行模拟求解，以历史山洪灾害发生的实际位置点结合流域内随机生成的等量随机点作为模型样本，将山洪灾害发的概率作为因变量，选取流域8个危险性指标作为自变量，经模型回归后最终选取流域坡度、高程和河网缓冲作为最优模型的自变量，得出流域内山洪灾害风险划分结果。

(2)对山洪灾害易损性采用转换赋值函数法，将流域山洪灾害易损性定义为人口易损度指标、经济易损度指标和环境易损度指标的综合评价结果，得出流域山洪灾害易损性结果。

(3)通过山洪灾害危险性和易损性的乘积得到最终乐安河上游流域山洪灾害风险划分结果，并利用山洪灾害调查评价项目中的防治点对最终结果进行验证，结果表明乐安河上游小流域山洪灾害风险划分结果较为合理，证明了该方法对小流域山洪灾害风险区划分是可行的。

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