基于GIS技术的河南省洪灾风险评估与分析

2022-05-20冯凌彤

人民黄河 2022年5期

冯凌彤

（郑州大学水利科学与工程学院，河南郑州 450001）

在众多自然灾害中，暴雨洪涝灾害是最常发生、影响范围大的一种气象灾害［1］。为了对洪涝灾害进行有效的管理，降低洪涝灾害的影响范围，有必要对洪灾风险进行评估和分析。

目前对于洪灾风险评估与分析，国内外相关专家和学者提出了很多解决方案，如基于熵权法的洪灾风险评估方法、基于因子分析法的洪灾风险评估方法和基于模糊综合评价的评估方法。以上3种方法的地理位置信息精度不够，评估准确性并不高［2］。针对上述情况，本研究以河南省为例，提出一种基于GIS技术的河南省洪灾风险评估与分析方法，对河南省洪灾风险进行评估和分析，从而为预防措施的提出和实施提供依据。

该方法将GIS空间分析和灾害风险评估方法相结合，对河南省洪灾风险进行评估与分析。具体包括3个步骤：①收集资料并选取评价指标，分别计算河南省各地洪水灾害危险性程度和洪水灾害易损性程度，利用GIS工具进行因子叠加，分别得到河南省洪灾危险性分布图和易损性分布图；②将洪灾危险性和易损性进行叠加分析，获取洪灾的整体风险区划图，实现基于GIS技术的河南省洪灾风险评估与分析；③为测试评估结果的准确性，对几种评估方法进行仿真试验分析［3-4］。

1 研究区概况及评估与分析流程

河南省位于中国中东部，东接安徽、山东，北接河北、山西，西连陕西，南临湖北，其地理与气候特征见表1。

表1 河南省地理与气候特征

本文基于GIS技术的河南省洪灾风险评估与分析流程见图1。

图1 基于GIS技术的河南省洪灾风险评估与分析流程

洪灾风险评估首先需要收集空间数据资料与属性数据资料，并对上述数据进行处理，通过计算洪灾危险性指数与洪灾易损性指数获得洪灾危险性分布图与易损性分布图，通过GIS因子叠加，获得洪灾风险分布图。

2 洪灾危险性和易损性指数计算

根据所收集的数据资料并参考同类地区的洪灾风险指标体系［5-7］，分别计算洪灾危险性和易损性指数。计算公式为

式中：X为洪灾危险性（易损性）指数；w1，w2，…，wn为危险性（易损性）指标权重；n为指标个数；x1，x2，…，xn为危险性（易损性）评估指标值［8-9］。

2.1 洪灾危险性（易损性）指标权重计算

目前指标权重计算方法主要有3种：因子分析法、熵权法和层次分析法。这里选用层次分析法进行权重计算，具体步骤如下。

步骤1：构建层次分析结构。

步骤2：构造判断矩阵。将同一层次中的两两指标进行对比，得出每个指标的相对重要程度，并引用合适的标度方法（见表2），完成判断矩阵的构建，记为A=（aij），其中aij表示第i个指标相对于第j个指标的比较结果。

表2 标度方法

步骤3：指标权重计算。利用方根法求每个因素的权值，首先求出每一行元素的乘积，然后对每一行的乘积求n次方根，最后进行归一化处理，得到权重向量和特征值［10-13］。

步骤4：对判断矩阵进行一致性检验。

步骤5：层次单排序和层次总排序。

2.2 洪灾危险性（易损性）指标值计算

下面以危险性指标中的多年平均最大3 d降水量为例，说明指标值的计算方法。选取河南省各地观测点的多年平均（2016—2018年）最大3 d降水量，制作等值线图［14-15］。在ArcGIS下转换成栅格点数据，将多年平均最大3 d降水量转换为其对洪水危险程度的影响度。

获取河南省各地观测点连续3 a内最大3 d降水量，通过ArcGIS将以上数据进行转换，得到最大3 d降水量与洪水危险程度关系式为

式中：f（x）为多年平均最大3 d降水量对洪灾危险的影响度；x为观测点的多年平均最大3 d降水量，mm。

当最大3 d降水量≤30 mm时，基本不能引发洪灾；当30 mm＜最大3 d降水量≤200 mm时，会引发一定程度的洪灾；当最大3 d降水量＞200 mm时，通常会引发较大灾害，影响度为最大值1。

3 洪灾风险评估隶属度函数构建

采用模糊分布构建河南省洪涝灾害风险评估隶属函数，具体过程如下。

（1）建立因素集。假设河南省洪涝灾害风险评估的指标有n个，由这些指标构成评价因素集R：R=｛R1，R2，…，Rn｝。

（2）建立评价集。分析河南省洪涝灾害风险评估因素指标，结合目前相关研究成果可将河南省洪涝灾害风险评估各因素指标评价等级划分为3级，即L=｛L1，L2，L3｝。L1、L2、L3为指标的等级，分别对应低风险、中等风险、高风险。

（3）构建洪灾风险评价等级矩阵Q。针对任意等级建立对应隶属度，并将上述计算的洪灾危险性和易损性指数计算结果代入，由此获得隶属度函数：

式中：c为评价指标值；f（x）、f（x-1）分别为相邻的两个风险等级临界指标值。

通过隶属函数计算每个指标对不同等级的隶属度，uij表示第i个指标对第j等级的隶属度，3个等级所对应的隶属度分别为ui1、ui2，ui3，3个等级的隶属函数表达式如下：

式中：xi为第i个指标的指标值；l1、l2、l3分别为低、中、高风险等级的临界指标值。

根据以上过程完成洪灾风险评估隶属度函数构建，本文中目标层是河南省洪涝灾害风险评价，准则层包括洪灾危险性、易损性，指标层包括最大3 d降水量、地形坡度、河网密度、人口密度、人均GDP。

4 采用GIS技术获取洪灾风险分布图

根据上述过程得到的相关数据计算河南省洪灾风险整体指数，计算公式为

式中：Y为洪灾风险指数；w、X分别为洪灾危险性总体权重和指数；w′、X′分别为洪灾易损性总体权重和指数。

对比洪灾风险等级表（见表3），确定风险等级。

表3 洪灾风险等级

利用GIS技术中ArcInfo的GRID模块进行因子叠加，得到河南省洪灾危险性（易损性）分布图，然后再次利用ArcInfo的GRID模块将河南省洪灾危险性（易损性）分布图进行叠加，得到河南省洪水灾害的总体风险分布图。

5 评估结果及分析

5.1 评估程序开发环境

整个评估分析过程需要将其编制成一个软件程序进行，人工计算不仅耗费大量的时间和精力，计算的结果也可能有较大误差。软件程序编制需要的环境见表4。

表4 程序开发环境

5.2 洪灾危险性和易损性指数计算结果

根据上文所述的方法，该次洪灾危险性和易损性指标权重计算结果见表5。

表5 洪灾危险性和易损性指标权重计算结果

根据权重和指标值，得到观测点风险洪灾危险性和易损性指数。

根据以上结果，利用GIS划分河南省风险等级分布，见图2。

图2 河南省洪灾风险等级分布

分析图2可知，不同地域洪灾风险不同，其中周口市大部分地区属于低洪灾风险，小部分地区存在中等洪灾风险，驻马店市、信阳市、商丘市大部分地区存在中等洪灾风险，而洛阳市、平顶山市、漯河市以及许昌市部分地区存在较高洪灾风险。

5.3 基于不同评估方法的河南省各个风险等级面积对比

对各个风险等级进行面积统计计算，通过实地考察获得河南省实际风险等级面积结果，并将实际结果与3种传统方法（基于熵权法的洪灾风险评估方法、基于因子分析法的洪灾风险评估方法和基于模糊综合评价的评估方法）计算的结果进行对比分析，判断本文方法的有效性。表6为不同方法所得的河南省各个风险等级面积对比。

表6 河南省各风险等级面积对比万km2

由表6可知，与熵权法、因子分析法和模糊综合评价法等3种传统洪灾风险评估方法相比，利用本文基于GIS技术统计出来的风险等级面积与实际结果更为接近。由此证明本文风险评估方法精度更高，评估出来的结果更为准确，这为洪灾风险预防提供了可靠的决策依据。

为了进一步验证不同洪灾风险评估效果，对不同评估面积下各评估方法的准确率进行统计，结果见图3。

分析图3可知，评估面积由小到大，洪灾风险评估准确率不断发生变化。当评估面积为2万km2时，模糊综合评价法的洪灾风险评估准确率为67%，因子分析法的洪灾风险评估准确率为76%，熵权法的洪灾风险评估准确率为43%，本文方法的洪灾风险评估准确率为89%。当评估面积为16万km2时，模糊综合评价法的洪灾风险评估准确率为75%，因子分析法的洪灾风险评估准确率为54%，熵权法的洪灾风险评估准确率为66%，本文方法的洪灾风险评估准确率为94%。本文方法的洪灾风险评估准确率高于其他方法。