基于GIS的丹江流域洪水灾害危险性评价

李晓刚，张海龙

（1.商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛 726000;2.印第安纳大学-普渡大学印第安纳波利斯联合分校地球科学系，印第安纳波利斯，印第安纳州 46202）

受全球气候变化影响暴雨洪水发生频率增加，洪水灾害已成为众多自然灾害中发生频率最大，累计损失最多的突发性灾害之一[1]。洪水灾害危险性评价是从自然环境因素出发，应用致灾因子和孕灾环境两方面分析评价，为区域防洪减灾和洪水管理提供重要的实践意义[2-3]。近十年来，国内外学者借助GIS（地理信息系统Geography Information System）技术对各级行政区，如国家级[4]、省级[5-8]、市级[9-10]、县级[11]和镇级[12]都开展洪水灾害评价研究，为当地防洪工程措施的制定提供科学支撑。流域是径流产、汇流的基本地貌单位，也是影响洪水量级大小的主要因子之一。目前针对流域尺度洪水危险性评价鲜见，虽然前人在湘江流域和渭河下游洪灾评价研究[13-14]，也是以县域作为基本的研究单元。丹江作为汉江最大的一级支流，其洪水的波及效应足以影响到汉江中下游和丹江口水库。丹江流域洪水研究集中在不同河段单次洪水水文特性和河流健康两个方面[15-19]。本文以国家南水北调中线水源地的丹江流域作为研究对象，选取降水量、地形高程和坡度、水系分布等因子，运用GIS叠加分析技术对洪水灾害进行危险性评价，为丹江流域防洪减灾决策提供参考依据。

1 研究区概况

丹江流域作为南水北调中线水源地备受关注。它发源于秦岭南麓，自西北向东南流去，全长433 km，流域面积16 812 km2。流域内近30年平均降水量785 mm，降水季节性明显，6～9月暴雨集中，是造成大洪水的主要原因。丹江流域历史大洪水都集中在夏季，荆紫关水文站记载最大洪水发生在2010年7月，洪峰流量10 000 m3·s－1；次大洪水发生在1876年7月，洪峰流量7360 m3·s－1；第三大和第四大洪水出现在1935年8月和1854年7月，洪峰流量分别是6426 m3·s－1和6350 m3·s－1。洪水给丹江流域人民生命财产造成了重大损失。2010年7月23～25日，丹江流域普降大到暴雨，竹林关水文站和武关水文站发生了建站以来第二大和第三大洪水，过风楼水文站出现有史以来最大洪水，属于两百年一遇大洪水。洪水造成28个乡镇、29.7万人不同程度受灾，因灾死亡12人，失踪31人，经济损失14.8亿[18]。丹江流域支流众多，流域面积超过200km2的有板桥河、油磨河、南秦河、会峪河、老君河、银花河、武关河、清油河、县河、冷水河、滔河、淇河、老灌河等。丹江流域地势东低西高，地貌起伏变化大，既有秦岭、流岭、鹘岭、新开岭、蟒岭等高大山脉，也有商丹盆地、西峡盆地和穿插其中的低山丘陵地貌。

2 研究方法与数据来源

2.1 评价指标

洪水灾害危险性评价是从灾害的自然属性出发，分为致灾因子和孕灾环境两方面。致灾因子指诱发洪水的因素，暴雨洪水是丹江流域的主要洪水类型，故选用多年平均降水量作为致灾因子的评价指标。孕灾环境指形成洪水灾害的环境，也就是下垫面因素，选用地形高程、坡度和水系分布作为孕灾环境的评价指标（图1）。

图1 丹江流域洪水灾害危险性评价指标体系

2.2 研究方法

运用GIS空间分析工具，对洪水灾害危险性评价的各项指标进行了重分类、属性提取、栅格代数计算、缓冲区分析、叠加分析。

2.3 数据来源

丹江流域降水量和水系数据来自中科院地理科学与资源研究所资源环境数据云平台。地形高程和坡度数据来自美国航空航天局（NASA）提供的90 m×90 m分辨率SRTM—DEM（Shuttle Radar Topography Mission -Digital Elevation Model）数据。

3 结果与分析

3.1 降水对洪水灾害危险性的影响

丹江流域地处北亚热带和暖温带过渡区，受东南季风和西南季风影响，降水具有季节性明显和年际变化大的特征。从图2可以看出，丹江流域年内降水集中在6～9月，近36年这4个月的平均降水量总和达到498 mm，占全年平均降水量的63.44%。水文站实测和历史文献记载，丹江流域大洪水都发生在夏季。降水年际变化可以通过降水变率的大小来衡量。依据中科院资源环境数据中心提供的1980—2015年全国降水量插值图，提取丹江流域范围内的商州区、丹凤县、商南县、西峡县和淅川县等五个国家级气象站的逐年降水量数值，计算其平均值和年际降水变率（图3）。从图3可知，近36年中，7年的降水变率超过15%，降水不稳定，易发生洪水灾害。

图2 丹江流域1980—2015年月平均降水量

图3 丹江流域1980—2015年降水变率

运用ArcGIS 10.2软件将36幅降水量逐年插值图按丹江流域界线分别裁剪后，使用栅格计算器工具计算其平均值。使用重分类工具和自然间断点分级法将丹江流域年平均降水量分为五级，并按从低到高的顺序为影响度赋值0.4～0.8（表1），即降水量越大，洪水灾害危险性越高。根据重分类结果和赋值得到丹江流域降水量因子影响分布图（图4），通过各级属性表和像元大小即可计算各影响度的相应面积和空间分布状况。

表1 丹江流域年均降水量影响度

从图4可以看出，丹江流域降水量呈现出东南高、西北低，山区多、盆地低地少的空间分布特征。年均降水量＜765.3 mm，对丹江流域洪水灾害影响度为0.4，危险程度低的区域占全流域9.3%，面积1560 km2，主要分布在商州以西北和商丹盆地。年均降水量介于765.3～801.4 mm，对洪水灾害影响度为0.5，危险程度较低的区域占全流域19.2%，面积3228 km2，主要分布在丹凤北部蟒岭、西峡盆地和商南地势较低的区域。年均降水量介于801.4～829.5 mm，对洪水灾害影响度为0.6，危险程度中等的区域占全流域35.5%，面积5968 km2，主要分布在丹凤南部和淅川地势较低的区域。年降水量介于829.5～862.5 mm，对洪水灾害影响度为0.7，危险程度较高的区域占全流域25.2%，面积4228 km2，主要分布在西峡北部和淅川西北部。年降水量＞862.5 mm，对洪水灾害影响度为0.8，危险程度高的区域占全流域10.9%，面积1828 km2，主要分布在流岭、鹘岭、新开岭、郧西大梁、老君山、伏牛山等山脉。

图4 丹江流域降水量影响因子分布图

3.2 地形对洪水灾害危险性的影响

洪水灾害的发生与研究区域的地形特征紧密相关，地形高程越低、地形变化程度越小，洪水灾害的危险性越高[9-11]。地形高程使用分辨率90 m×90 m DEM数据，丹江流域绝对高程介于124～2141 m，平均值 817.3 m，标准差 363.8 m。地形变化程度（即坡度）使用高程相对标准差衡量，高程标准差越小，地形变化程度越小。高程标准差计算方法是使用空间分析工具中邻域分析功能，邻域设置为3×3窗口，统计类型选择STD（Standard Deviation）。丹江流域高程标准差最大值115.8 m，最小值0 m，平均值23.1 m。使用自然间断点分级法将丹江流域DEM绝对高程分为五级，高程标准差分为三级，对洪水灾害的影响程度赋值0.3～0.9（表2）。运用空间分析工具中的地图代数，将五级绝对高程和三级高程标准差设定为条件分析函数，栅格计算后得到丹江流域综合地形因子分布图（图5）。

图5 丹江流域综合地形影响因子分布图

从图5中可以看出，丹江流域地形特征对洪水灾害影响程度的空间分布状况，通过栅格计算结果的属性表能够计算各影响度对应的面积。丹江流域地形因子造成洪灾危险性极低、很低和较低的区域面积分别占流域总面积的4.1%、12.7%和20.2%，主要分布在丹江及各支流的分水岭山脉，如秦岭、伏牛山、流岭等。丹江流域地形因子造成洪灾危险性较高、很高和极高的区域面积分别占流域总面积的17.3%、11.7%和12.7%，主要分布在商丹大断裂造成的商丹盆地、商南西峡低地，以及丹江出荆紫关河谷两侧和支流老灌河下游淅川低地。

表2 丹江流域综合地形影响度

3.3 水系对洪水灾害危险性的影响

水系对洪水灾害的影响主要体现在两个方面，一是河流级别，一是距河道远近。河流级别越高、距河道越近，洪水灾害的危险性就越高。综合考虑河流级别和同一河流在不同河段的高程差异，结合前人在汉江上游安康市[9]和汉中市[10]两级缓冲区的宽度，确定丹江流域干流、一级支流和二级及其他支流在不同高程区间的一级缓冲区和二级缓冲区宽度（表3）。运用空间分析工具中的叠加分析功能，将丹江流域主要水系矢量图与DEM栅格图叠加，按绝对高程的五级分类将丹江干流及各级水系分割为若干折线。丹江干流、流域面积大于200 km2的13条一级支流和53条二级支流及其他支流分别被分割成4条、42条和120条折线。使用空间分析工具中缓冲区功能，将上述折线矢量图按照表3所示缓冲区宽度分别建立多环缓冲区，而后进行合并和融合。根据前人研究结果，一级缓冲区赋值0.9，二级缓冲区赋值0.8，非缓冲区赋值0.5[9-11]，得到丹江流域综合水系影响因子分布图（图6）。从图6可以看出，丹江干流和位于下游的老灌河、淇河和滔河等三条一级支流的一级和二级缓冲区范围较大。这是由于丹江干支流的整体流向是从西北向东南，而降水量也呈现出由西北向东南增加的趋势，两个原因叠加造成丹江流域东南部（即丹江下游）的缓冲区范围大，洪水灾害的危险性高。根据丹江流域综合水系因子分布矢量图的属性表计算可知，一级缓冲区面积4879 km2，二级缓冲区面积3264 km2，分别占全流域面积的29.0%和19.4%。

表3 丹江流域各级河流缓冲区宽度值

3.4 洪水灾害危险性综合评价

据丹江流域洪水灾害危险性评价指标体系（图1），降水因子、地形因子和水系因子共同对洪水灾害造成影响。对于洪水灾害来说，致灾因子和孕灾环境都至关重要，没有降水因子的诱发，即使地形高程再低，高差再低平，也不会发生洪水灾害；反之亦然。所以降水因子、地形因子和水系因子三者同等重要，三者权重同为0.333。将三个因子按照式(1)，使用空间分析工具中的栅格计算器功能进行叠加分析，即得到丹江流域洪水灾害危险评价等级图（图7）。

图6 丹江流域综合水系影响因子分布图

图7 丹江流域洪水灾害危险性评价等级图

从图7可以看出，丹江干流下游和一级支流老灌河、淇河和滔河下游河谷两侧由于降水量较多、地势很低且位于一级缓冲区内，所以造成洪水灾害危险性等级最高。丹凤县以上的丹江流域范围，除商丹盆地以外，由于降水量少、地势较高且大多没有处于一级、二级缓冲区，造成洪水灾害的危险性等级最低。根据丹江流域洪水灾害危险性评价等级栅格图的属性表计算可知，低危险性和较低危险性的面积分别为935 km2和5122 km2，占全流域面积的5.6%和30.5%；中等危险性的面积为4710 km2，占全流域面积的28.0%；高危险性和较高危险性的面积分别为1447 km2和4598 km2，占全流域面积的8.6%和27.3%。

4 结论

1）降水量因子对丹江流域洪水灾害的影响呈现出东南高、西北低，山区多、盆地低地少的空间分布特征。综合地形因子造成洪灾危险性较高、很高和极高的区域主要分布在商丹大断裂造成的商丹盆地、商南西峡低地，以及丹江出荆紫关河谷两侧和支流老灌河下游淅川低地。水系因子在丹江干流和位于下游的老灌河、淇河和滔河等三条一级支流对洪灾危险性的影响最大。

2）将降水因子、地形因子和水系因子叠加分析，并将丹江流域洪水灾害危险性分为五个等级：低危险性935 km2，占全流域面积的5.6%；较低危险性5122 km2，占全流域的30.5%；中等危险性4710 km2，占全流域的28.0%；高危险性1447 km2，占全流域的8.6%；较高危险性4598 km2，占全流域的27.3%。

洪水灾害的危险性不仅与降水、地形和水系等组成的自然要素相关，而且还与聚落分布、经济发展水平等社会要素相关，也与河道两岸防洪工程建设、水库容量与泄洪能力、决策者和公众防洪意识相关，这些影响因素都为后续丹江流域洪水灾害评价提供研究思路。