基于GIS技术区域山洪灾害定量评估研究

张 巍

(辽宁省水利事务服务中心，辽宁 沈阳 110003)

近些年来，区域山洪灾害呈现频发多发态势，山洪灾害具有突发性强、破坏力大的特点，是辽宁省乃至全国防汛的薄弱环节之一。从2013年开始，国家防汛指挥部开展实施全国山洪灾害防治项目[1]，项目实施方案中对区域山洪沟进行了详细调查，包括影响区域内人口、影响的行政区域面积以及区域内的社会经济数据，并制作了相关的空间数据图层[2]。当发生山洪灾情时，防汛部门需要对发生灾情的损失进行统计并对灾害的等级评估，传统灾情损失统计方法主要依靠地方层层上报，灾情损失和灾害等级评估方法存在一定的主观性[3]。从21世纪开始，随着地理信息和计算机技术的蓬勃发展，地理信息技术已经逐步应用到洪水灾害风险调查中[4- 9]，通过将洪水淹没范围同区域人口、行政区域以及社会经济数据图层进行空间叠加，确定洪水灾情损失。考虑到近些年山洪灾害发生的频次和程度有所加剧，需要通过现代化手段对区域山洪灾害灾情和等级定量统计。本文结合GIS技术，以辽宁某山洪灾害区域为研究实例，对该区域山洪灾情损失和等级定量评估。

1 灾情损失等级评估方法

1.1 洪灾影响分析方法

洪水影响主要分析淹没范围内不同淹没水深下受到洪灾影响的区域面积、影响居民人数、受洪水淹没的耕地面积、受洪灾影响的交通等基础设施、受洪灾影响的GDP和行政村落等指标。

(1)洪水影响人口指标

人口数据通常以行政单元统计，对不同频率下洪水淹没范围的影响人口分析，需要结合区域人口统计数据对其洪水影响人口的空间分布特征，受影响人口的统计方程为：

Pe=P×Af/A

(1)

式中，P—区域总人口；Af—某一行政区域的受淹面积；A—行政区域总面积。在对受洪水影响人口统计后，可进一步推求与人口相关的财产损失指标。

(2)受洪水影响的GDP指标

对于受洪水影响的GDP值，主要结合不同洪水频率下确定的洪水淹没面积与其单位面积的GDP值的乘积确定受洪水影响下的GDP指标。

(3)受洪水影响的耕地及居民地面积指标

将淹没范围、行政区划、耕地分布以及居民地分布四个图层，应用地理信息的叠加功能进行图层叠加，确定不同洪水淹没范围下区域受影响的耕地面积以及居民地面积指标。

(4)受洪水影响的交通道路指标

结合地理信息技术，将道路矢量图层和淹没范围图层进行线面叠加分析，确定不同洪水淹没范围影响下的交通道路指标，指标主要为受洪水影响的交通道路的长度。

1.2 洪灾损失分析方法

洪灾损失通常指受灾地区各种财产或耕作物的损失值与受灾前值或正常值之比，主要包括直接经济损失、间接经济损失和非经济损失3类。

(1)通过实地查勘以及水动力数学模拟的方式对不同频率下洪水淹没范围、深度、以及洪水淹没历时等指标确定；

(2)结合面积加权以及线性回归方法对社会经济及地理信息空间数据进行空间属性分析，建立具有空间信息的社会经济地理数据库；

(3)结合不同频率下洪水淹没范围，构建社会经济地理空间分布特征的拓扑关系，空间叠加分析，对不同淹没范围下的社会经济损失进行空间分析。

(4)在不同的淹没水深条件下，对受灾典型地区、典型单元、典型部门等分类，并作受灾损失统计，计算出各类财产损失率或绘制关系曲线。

(5)结合以下公式计算不同淹没范围下的洪水影响财产损失：

(2)

式中，Wij—评估单元在第j级水深的第i类财产的价值；η(i，j)—第i类财产在第j级水深条件下的损失率。

2 研究实例

2.1 研究区域概况

本文以辽宁东部某山洪区域为研究实例，该区域的降水量主要集中在夏季，多年平均降水量为1100mm，汛期降水量占总降水量的80%以上，汛期时山洪灾害发生的主要时期，近些年来，受台风气候影响，辽宁东部的山洪灾害呈现多发频发的态势，为对可能发生的山洪灾害带来的人员和财产损失进行定量评估，结合GIS技术，在区域洪水淹没范围的基础上，叠加人口以、用地面积以及社会经济等数据，定量评估不同等级洪水灾害的损失。

2.2 网格剖分

采用非结构不规则网格对建模区域进行网格划分，网格设计成大小不等的三角形，使网格的大小随地形地势和阻水建筑物的分布灵活确定，而且尽可能地将影响水流的阻水建筑物作为网格边界，充分反映计算域的特征。必要时对区域内的一些典型的线性阻水建筑物，如堤防、公路等，经合理概化，并对网格适当加密，最大网格面积不超过3km2，共剖分网格7612个。

2.3 洪水淹没范围分析

结合水动力学模型对区域不同等级洪水淹没范围进行评估，各等级洪水淹没范围评估结果如图2所示。

从图中可看出，流域淹没范围和区域山洪灾害发生等级总体影响程度不高，这主要是和流域地形有关，地形较高的区域，受洪水淹没影响程度较小，而区域属于地形的南高北低现象，因此北部区域淹没范围要高于南部区域，从各等级山洪淹没范围可看出，流域发生50年一遇的最大淹没面积在20.38km2，各等级洪水淹没的最大水深为3.5m，当淹没水深达到最大水深时，区域的淹没面积达到最大，从图中还可看出发生5年一遇洪水淹没范围也较大，这主要和区域主要的地形较为低洼有关，当发生5年一遇洪水时，即发生淹没区，但5年一遇淹没影响的范围和深度较小。

2.4 洪水损失影响分析结果

结合不同频率淹没范围计算结果，对不同频率下淹没范围内的影响指标进行统计，依次统计了研究流域不同淹没区人口、受淹面积、受淹耕地面积、受洪灾影响交通道路长度、受洪灾影响的GDP。

(1)淹没区人口

通过GIS技术，将淹没范围图层(图1)与研究区域的行政区图层、居民地图层进行相互的空间叠加分析，结合区域乡村人口和城镇人口数量的统计数据，即可得到区域不同等级山洪灾害下淹没范围内的影响人口数量，结果见表1。

表1 研究区域不同频率淹没区人口数统计表 单位：人

图1 不同重现期区域山洪淹没范围图

从表中可以看出，随着洪水频率的递增，其影响人口呈现明显的递增变化，对于研究区域而言，随着洪水频率的递增，其影响人口的递增率平均为15%，而当发生不同频率洪水时，对于0.5m以下范围内山洪灾害主要是对人员的出行产生一定的影响，而当高于0.5m时，其淹没范围内的人员安全将产生一定程度的影响，当淹没范围在3.5以上时，其影响人口的数量将达到最大。

(2)淹没面积

通过GIS技术，将淹没范围图层与研究区域行政区图层、区域耕地分布图层进行空间叠加分析，即可得到对应不同频率洪水方案不同淹没水深等级下的受淹面积及耕地面积等，结果见表2—3。

从表2—3中可看出，不同洪水等级下区域淹没面积和耕地面积的比例变化较小，这主要是受到区域地形有关，区域周边高，而中部区域的地势较低，使得不同洪水等级下其淹没范围内的受淹面积和耕地面积的变化比例较小，由于区域耕地面积所占比例较高，因此区域内主要受影响的为耕地面积，而居民用地及其他用地面积影响比例较小。

表2 研究区域不同频率山洪淹没面积统计表 单位:km2

表3 研究区域不同频率山洪耕地淹没面积统计表 单位:km2

(3)淹没区交通道路统计

道路在地理信息系统的矢量图层上呈线状分布，道路图层内包含道路名称、长度、等级等属性信息。将道路线图层与区域不同频率洪水的淹没图层进行空间叠加计算，可获取不同频率方案下的受淹道路长度信息。详细数据见表4。

表4 区域不同频率山洪影响交通道路统计表 单位:m

不同等级下山洪灾害影响的交通道路统计结果，从表中可看出，随着洪水等级的递增，区域洪水淹没的道路长度呈现较为明显的递增变幅，不同淹没水深下的淹没道路长度的递增率均值在10%以上，可见，洪水对交通道路的影响较大。当区域淹没水深在3.5m以上，区域淹没的道路长度达到最大。

(4)淹没区资产统计

结合区域不同行政单元内的淹没面积与区域内单位面积的GDP值进行相乘来评估受山洪灾害影响的区域GDP值，其分析结果见表5。按照不同行政单元受淹面积与该流域内单位面积上的GDP值相乘来计算受洪灾影响GDP。故受影响GDP与流域内受淹面积直接相关。

表5 区域不同频率山洪淹没区资产统计 单位：万元

从表中可以看出，当研究区域发生大以及特大洪水时，区域受山洪灾害影响的GDP总值呈现较为明显的递增变化，其递增幅度要高于5年和10年一遇的洪水影响GDP总值，从表中可看出，当区域发生不同等级的山洪灾害下，区域3.5m范围内的GDP总值影响程度较小，而在3.5m以上区域其GDP总值影响程度达到最大，这主要和区域GDP总值的分布相关，在3.5m以上区域属于GDP的高产值区域，而3.5m以下范围内属于GDP的低产值区域，因此在3.5m以上区域其受不同等级洪水GDP总值影响程度达到最大。

2.5 洪水淹没损失分析结果

在区域不同水深下的损失率确定的基础上，对区域不同频率洪水下不同等级水深下的洪水损失情况进行了估算，评估计算结果见表6—8。

表6 研究区域5年一遇洪水淹没损失 单位：万元

表7 研究区域10年一遇洪水淹没损失 单位：万元

表8 研究区域20年一遇洪水淹没损失 单位：万元

表9 研究区域50年一遇洪水淹没损失 单位：万元

从不同等级的洪水淹没财产损失可以看出，区域受山洪灾害影响的财产损失具有较为一致的变化规律，各洪水频率下区域的农牧业和第三产业受到洪水影响的程度最高，这主要是和区域的产业结构有关，区域内主要以农牧业和第三产业为主，因此区域这两个产业的财产损失影响程度最高，在发生20年和50年一遇较大洪水后，农牧业和第三产业受影响变幅最大，相比于5年和10年一遇，其增加的变幅达到20%以上，当淹没范围达到3.5m以上，其各项淹没的财产损失将达到最大，最大值将达到1818.58万元。从图中还可看出，不同淹没范围内的财产损失不同，这主要和区域不同淹没范围内的产业结构分布有关，各淹没范围主产业结构损失影响程度最大。

3 研究结论

(1)该评估方法体系可实现区域内灾害损失的定量评估，解决当前灾情统计主要依靠地方上报，存在较大主观性的局限，实现灾情损失的多途径评估。

(2)该评估方法体系可实现不同洪水情景下的山洪影响程度评估，可为区域山洪防汛决策提供重要的依据，也可为山洪影响范围内的产业结构优化布局、人口安置提供重要的规划依据。

(3)本文主要考虑不同洪水频率下的灾害损失影响，未能考虑山洪灾害不同洪水历时其洪水淹没范围的灾害损失情况，在以后的研究中还应重点考虑洪水历时对区域灾情损失的影响。