基于GIS的承德市精细化山洪灾害风险区划

孟旭芹，童 俊，彭九慧

（承德市气象局，河北 承德 067000）

山洪灾害是指由于降雨在山丘区引发的洪水及由山洪诱发的泥石流、滑坡等对国民经济和人民生命财产造成损失的灾害[1]。山洪灾害具有暴雨强度大、短历时、难预测、难预防、危害大的特点[2]，常给社会经济和人民生命造成巨大损失。近些年，我国学者对山洪开展了多方面的研究。宋云天等[3]认为泥沙输移显著影响最高洪水位、最大流速等洪水特征值的空间分布，大幅提升了局部河段山洪危险。狄潇泓等[4]研究了引发山洪的强对流天气成因和形成过程。包红军等[5-6]建立了山洪预报的指标和模型，并对预警指标进行检验。崔鹏等[7]研究了基于动力过程的山洪泥石流风险评估方法和承灾体易损性评估方法。田丰等[8-12]基于自然灾害风险理论，确定了山洪灾害风险评估模型，基于GIS和FloodArea开展了山洪灾害风险评估与区划。叶超凡等[13-15]基于地形、灾情等资料，利用信息量模型等方法把山洪灾害划分为不同风险等级的区域，并提出了相应的防御对策。吕新生等[16]运用比值权重法和无量纲化线性求和方法构建山洪灾损指数，从而得到山洪灾损时空分布特征。这些研究对山洪灾害防御起到了重要作用，但这些研究中的降雨数据大部分使用的是国家气象站数据，对山洪灾害风险等级的划分不够精细。近年来，随着气象站网的飞速发展，区域气象观测站网的空间分辨率大大提高，为开展精细化山洪研究提供了条件。承德市地处河北省东北部燕山腹地，地势落差大，境内高原、山地、丘陵交错，属于温带大陆季风型、半干旱半湿润山地气候，夏季雨水集中。复杂的地形地质条件和夏季强降水多发的气候特征，导致山洪频发，具有来势迅猛、成灾快等特点，一旦发生山洪就会造成巨大损失，而针对承德地区山洪研究相对较少。山洪灾害风险区划是通过对山洪灾害影响因子的综合分析，评估其在指定区域的详细分布情况[17]，从而有针对性地开展防御工作，本文利用承德市1995—2019年361个区域气象站和9个国家气象站小时降雨量、山洪灾情个例和地形等资料，研究山洪灾害精细化分布特征，构建精细到乡镇的山洪灾害风险评价模型，按照高、中高、中、中低、低5个风险等级进行区划，旨在为当地政府和相关部门掌握本地区的山洪灾害风险状况，做好山洪灾害防御工作提供科学依据。

1 研究资料与方法

1.1 数据来源

承德市民政局提供的1995—2019年精确到乡镇的山洪灾情资料，基准年为2016年精细到乡镇的承德市耕地面积资料、人口和GDP资料；承德市361个区域气象观测站和9个国家气象观测站1995—2019年逐小时雨量资料；分辨率为1∶50 000的承德市DEM资料。

1.2 山洪灾害评价因子选择

基于史培军[18]灾害系统理论的“三元”风险评估模型，本文的山洪灾害评价指标由致灾因子危险性、孕灾环境敏感性和承灾体脆弱性组成。致灾因子危险性指标为山洪灾害发生频次、1 h最小致灾雨量阈值和3 h最小致灾雨量阈值；孕灾环境敏感性指标选取坡度和高程作为影响因子；承灾体脆弱性评价指标为乡镇人口密度、GDP和耕地面积。

1.3 数据处理和研究方法

山洪灾害发生频次以乡（镇）次为单位，即乡镇在一天内发生多处山洪灾害，只算一次。将致灾雨量阈值时段定为1和3 h，致灾雨量阈值运用实例反查法确定，即通过已发生的山洪灾害个例，反查当日当地气象区域站逐小时降雨量，取当日1 h降雨量最大值、3 h降雨量最大值作为该乡镇的一次致灾雨量阈值。对该乡镇历年来发生的所有山洪灾情1与3 h致灾雨量阈值分别进行统计，选出其中的1 h最小值为该乡镇1 h最小致灾雨量阈值，其中的3 h最小值为该乡镇3 h最小致灾雨量阈值。

单站最小致灾雨量阈值的计算方法：

式中，n为该站山洪灾害发生的次数，Ri为该站当日当地的1或3 h降水量。

因为各个评价指标量纲不同，为了对不同量纲的评价指标进行比较计算。利用公式（2）将各评价因子进行归一化处理。

通过层次分析法和专家打分法，得到各指标的权重。在GIS中计算每个格点的山洪灾害风险指数，得到承德市山洪灾害风险区划图。本文详细研究流程见图1。

图1 工作流程

2 山洪灾害风险区划

2.1 致灾因子危险性评价指标及评估

承德复杂的地形地貌和强降水多发的气候特征，导致了夏季山洪灾害频发。山洪灾害的出灾频次多说明该地区山洪灾害的危险性大；1或3 h降雨量越大，出现山洪灾害的可能性就越高；某地发生山洪灾害1、3 h最小致灾雨量阈值越小，则该地山洪灾害的危险性越大。分析1995—2019年山洪灾情数据发现，承德市山洪发生频次最高的是隆化县（84次），每年大约发生4次山洪灾害。丰宁和围场次之，约每年2次，市辖区和承德县最少，每年不足1次。大致趋势为隆化县到丰宁坝上的带状区域山洪灾害频次较高，其他地区的频次相对较低。主要是因为该区域地形起伏明显，坡度较大，一旦发生短时强降雨，极易发生山洪灾害。

根据310个山洪灾害个例，得到各乡镇的1 h最小致灾雨量阈值、3 h最小致灾雨量阈值，将山洪灾害频次P、1 h最小致灾雨量阈值R1和3 h最小致灾雨量阈值R3作为山洪灾害的危险性评价指标。因为致灾雨量阈值越小的地区，山洪灾害的危险性越大，因此在计算中，将1、3 h致灾雨量阈值取倒数，并做归一化处理。采用层次分析法，构建3阶判断矩阵（表1），确定各评价指标的权重值，并通过一致性检验。根据公式（3）计算山洪灾害危险性指数DI。

表1 危险性判断矩阵及权重计算

利用GIS格点栅格计算功能得到承德市山洪灾害危险性分布（图2）。

由图2可知，1与3 h致灾雨量阈值风险较高的地区为承德市西北和中部部分地区，遭受山洪灾害频次最多的地区位于隆化县到丰宁坝上的带状区域，根据危险性综合风险图得出中高风险区主要分布在丰宁、隆化大部和围场小部，山洪危险性大致趋势为丰宁和隆化较高，向南北两侧递减，且北部略高于南部。

图2 承德市山洪灾害危险性指标分级

2.2 孕灾环境敏感性评价指标及评估

孕灾环境包括地形地貌、海拔高度、山川水系分布等，是风险源变异强度另一决定因素。地形对形成山洪的影响主要表现为2个方面：地形高程和地形变化程度[19]。承德境内高原、山地、丘陵交错、地势起伏大，因此主要考虑地形为孕灾环境影响因子。本文选用坡度和高程来评价山洪灾害的孕灾环境，高程低，坡度数值小，则地势趋于平坦，水流流速慢，则较难发生山洪灾害；反之，高程高、坡度大，地形起伏明显，一旦发生降雨，则水流湍急，冲击力强，则易发生山洪灾害。

采用专家打分法确定坡度S和高程A的权重，对坡度S和高程A归一化处理后，根据公式（4）计算山洪灾害孕灾环境敏感性指数E，从而得到承德山洪灾害孕灾环境敏感性风险区划。

兴隆燕山山脉地区坡度风险较高，丰宁、围场坝上及接坝地区高程风险较高，根据孕灾环境综合风险图得到承德孕灾环境高风险地区主要分布在丰宁、围场接坝和坝上地区以及兴隆燕山山脉。孕灾环境危险程度大致趋势为由北向南递减，其中兴隆燕山山脉地区例外，危险程度比南部其他地区高。

2.3 承灾体脆弱性评价指标及评估

山洪灾害常常对农田和基础设施造成灾害，甚至威胁人的生命财产安全，且同样等级的洪水发生在不同的地区，造成的后果往往不一样[20]。同样强度的山洪如果发生在人口密度大、经济发达和耕地面积较大的地区，造成的损失会更高。本文选择精确到乡镇的GDP（G）、人口密度ρ和耕地面积A（图3a～3c），计算山洪灾害脆弱性指数VI。根据专家对脆弱性指标之间相对重要性进行判断打分，通过层次分析法构建判断矩阵得到脆弱性各评价因子的权重（表2）。归一化处理后，根据公式（5）计算得到承德山洪灾害脆弱性图（图3d）。

表2 承灾体判断矩阵及权重计算

乡镇GDP与人口密度风险等级由北向南递增，市区最高。承德耕地面积风险等级的大值区主要分布在东南部和西北部，丰宁县和平泉市风险相对较高。脆弱性风险较高的地区主要分布在丰宁县、滦平县、承德县、市区、平泉市与宽城县耕地面积较大或经济相对发达的地区，其他地区脆弱性风险相对较低（图3）。

图3 承德市山洪灾害脆弱性指标分级

2.4 山洪灾害风险评估和区划

山洪灾害风险是山洪致灾因子危险性、孕灾环境敏感性和承灾体脆弱性的综合体现。利用层次分析法将致灾因子DI、孕灾环境E、脆弱性VI构建3阶判断矩阵，得到山洪灾害各评价因子的权重（表3），根据公式（6）计算山洪灾害风险指数M。

表3 风险三系统判断矩阵及权重计算

在GIS中将归一化取值后的危险性指数、敏感性指数和脆弱性指数图层按公式（6）进行叠加计算，从而得到承德市山洪灾害风险区划（图4）和山洪灾害评价指标归一化划分标准（表4）。

图4 承德市山洪灾害风险区划

表4 山洪灾害评价指标归一化划分标准

承德山洪灾害的高风险和次高风险区面积约为11 573.14 km2，占承德总面积的29.3%，主要包括丰宁、隆化大部分地区、围场北部和市区小部分地区。中风险等级面积约为10 616.23 km2，约占承德总面积的26.9%，其余均为中风险等级以下（图4）。丰宁和隆化山洪灾害风险较高，是因为这2个地区发生山洪灾害的频次较多、小时致灾雨量阈值较小，地势较高且起伏明显，较容易出现灾害。围场北部高风险区主要是由于该地区地势最高，小时致灾雨量阈值相对较小。市区的高风险区，则因为市区经济较发达，人口密度较大，即便发生较轻的山洪灾害，也极易造成较大的损失。因此在这些山洪风险较高的地区，应及时做好山区生态防护林建设和山体防护工程建设，并加强河道整治，建立健全防洪监测体系，有效调控山洪灾害风险。

3 结论和讨论

根据承德山洪灾害发生的特征，选取小时致灾雨量阈值、山洪灾情频次、地形、人口、GDP和耕地面积作为山洪灾害的评价因子，基于GIS空间分析技术计算得到承德市精细化山洪灾害风险区划，得出以下结论：

（1）山洪灾害发生频次最高的是隆化，市辖区和承德县最少。大致特点为隆化县到丰宁坝上的带状区域山洪灾害频次较高，其他地区的频次相对较低。

（2）危险性高风险区主要分布在丰宁、隆化大部和围场部分地区。孕灾环境危险程度大致趋势为由北向南递减，其中兴隆燕山山脉地区除外，危险程度比南部其他地区高。脆弱性风险较高的地区主要分布在丰宁县、滦平县、承德县、市区、平泉市与宽城县耕地面积较大或经济相对发达地区。

（3）承德山洪灾害的高风险和次高风险区面积约为11 573.14 km2，约占承德总面积的29.3%，主要包括丰宁、隆化大部分地区、围场北部和市区小部分地区。中风险等级面积约为10 616.23 km2，约占承德总面积的26.9%。其余均为中风险等级以下。

山洪灾害的形成机理较为复杂，影响因子较多，将山洪灾害风险完全定量化研究存在一定的困难。本文鉴于资料收集情况，选取了与山洪灾害最为密切相关的山洪灾情、降雨量、地形和人口经济等数据，忽略了一些相对次要的影响因子，如山洪灾害的致灾雨量阈值还应考虑下垫面的土地利用类型和土壤前期含水量，承灾体脆弱性还应考虑交通路网和防洪减灾工程设施的布设等因素。通过层次分析法和专家打分法得到的山洪灾害评价因子权重是可行的，但由于不同研究者对评价指标的重要性判断有一定的主观性，不能很好地反映各评价因子对山洪灾害的影响情况。在未来的山洪灾害研究中，仍需研究山洪灾害形成机理和评价因子的选择及权重的计算，进一步提高山洪灾害风险区划的准确性。