三亚育才生态区山洪灾害风险评估模型的建立与运用

江昊洋，王 雷，2

（1.海南省地球观测重点实验室 中国科学院空天信息研究院海南研究院，海南 三亚 572029；2.中国科学院空天信息创新研究院，北京 100101）

随着近年全球气候变暖，各类极端天气频发，及时预防各类灾害，减少经济损失尤为重要［1～3］。 2021年7月20日在河南多地发生特大暴雨， 此次灾害造成河南全省89个县（市、区）560个乡镇120多万人受灾，紧急避险转移16325人，紧急转移安置164710人；其中农作物受灾面积7.5万hm2，成灾面积2.52万hm2，绝收面积4700hm2；洪水导致多条高速道路封闭，大量列车停运，其他各类经济损失相当严重［4］。 随着洪涝灾害发生的频率提高，灾害产生的损失不断增加，提前制定各项防洪减灾措施，减少洪灾带来的损失，已成为学者研究的焦点。

结合遥感影像、 地理信息系统和数字高程数据（DEM），可以开展洪水淹没模拟预测，从而进行洪水灾害分析评估。 张栋［5］通过对温州市的山洪地质灾害分析，划分出不同等级的风险区；刘媛媛等［6］基于AHP熵权法对孟印缅地区的洪水灾害风险进行评估；湛南渝［7］针对台风暴雨产生的洪涝灾害开展快速灾情研究与分析；姜波等［8］以高分影像提取分析山东寿光台风后的灾情评估；徐奎［9］针对热带风暴产生的暴雨对沿海城市的洪涝灾害进行了研究。 目前对于洪水淹没灾害风险的评估已经十分成熟，但是传统遥感监测受制于影像分辨率等问题， 研究区域往往选择大范围地区作为研究对象， 以宏观角度对洪水灾害进行分析， 本文采用了国产高分辨率卫星影像，结合数字高程数据，选取三亚市育才生态区作为研究对象，以微观角度建立洪水风险评估模型，风险区划精细到村落，更有利于支持政府防洪决策，精准科学布置防洪力量。

1 研究区域和数据源

1.1 研究区域

育才生态区位于三亚市西北部山区， 地形以山地和丘陵为主，森林覆盖率超84.2%，是三亚重要的核心生态区。 生态区拥有三亚市规模最大的水库——大隆水库， 是海南省南部水资源调配的重点工程，水库总库容4.68亿m3，是三亚最重要的生态屏障和水源涵养地。由于育才生态区地处海南省南部，为热带海洋性季风气候，年均气温27.1℃，年均降水量达973.3mm， 尤其是夏季秋季热带气旋活动频繁，加上山势地形的阻挡作用， 水汽凝结导致山区极易产生暴雨大暴雨，导致洪涝灾害。在2017年海南先后遭受“海葵”“卡努”“杜苏芮”“桑卡”“塔拉斯”等多个台风及热带风暴的影响，其中“杜苏芮”对海南影响最为严重，为强台风级，中心最大风力达13～14级，台风中心从三亚南部海面掠过，据海南省民政厅报告，三亚及周边几个市县21.6万人受灾， 农作物受灾达2600万m2，超100万m2绝收，海南省直接经济损失达5900万元。2017年的年降水量达2057.8mm，且降水集中在7—9月份，极易导致洪涝灾害的发生。对育才生态区开展山区洪水灾害风险研究， 对于生态区开展防洪抗洪工作、 减少洪灾带来的各类经济损失有着重要意义。

1.2 数据来源

采用国产高分二号卫星影像， 这是我国目前分辨率最高的民用陆地观测卫星， 具有亚米级的空间分辨率，有蓝、绿、红、近红外4个波段，经过处理后的高分二号卫星影像能够较好地提取识别出研究区域内的水体、耕地、道路及居民区范围，利于下一步对于研究区域内的易损性分析和洪灾风险区划。

气象数据来自中央气象台， 通过历史降水数据和气象预报推测可能的降水范围和降水量， 对于重点降水地区，结合降水量进行淹没分析，利用软件提取洪灾中、高风险区，提前预警。人口、经济等数据来源为三亚市统计局三亚统计年鉴（2020年）。

2 研究方法

2.1 技术路线

技术路线主要分为3个部分，分别是影像数据处理、建立模型、出图与分析。 详细的技术路线如图1。

图1 育才生态区山洪灾害风险评估技术路线

2.2 影像数据处理

首先选取研究区无云影像， 由于遥感卫星影像会受到空间、波谱及辐射分辨率的限制，导致影像数据产生误差，因此需要先对影像数据进行预处理，预处理包括辐射定标、大气校正、几何校正和影像融合几个步骤。预处理消除了大气、地形等因素导致的光谱失真问题， 融合后的影像分辨率高能够清晰地呈现出地物特征，利于下一步进行地物的特征提取、分类识别工作。然后对影像裁剪及拼接，得到研究区的完整无云影像。经过实地考察，发现研究区内主要用地类型有林地、耕地、道路、居民区及水库，如图2～图5。

图3 研究区居民区及主要道路分布图

图4 耕地分布图

图5 育才生态区地区划分图

结合实地考察提取耕地、 道路、 居民区主要特征，结合目视解译方法，最终完成对研究区内水库、耕地、道路及居民区范围的提取，便于后期对耕地、居民区和道路开展淹没分析， 并计算和划分不同地区易损性和风险度等级。

根据地形和村落分布，将研究区域分为立才、龙密、马脚、雅亮、雅林、青法、明善、抱安、那会、那受总计10个地区， 便于后期计算不同地区的风险性及易损性。

2.3 淹没分析模型

洪水淹没的过程较复杂，受到地形、降水分布、水动力学等多种因素的影响， 经过一段时间的发展最终形成淹没区域。 通常采用无源淹没和有源淹没两种形式研究洪水淹没区域和范围， 无源淹没指的是给定洪水水位高度， 凡是低于给定高程的区域都属于淹没区域，类似于研究区域内均匀降水，地势低的地区都将被淹没，常见的如暴雨导致的洪水，适用于较小的研究区域； 有源淹没则是考虑到洪水从某一高处流向低处直至静止淹没的过程， 常见于上游洪水导致堤坝漫堤决口等情况， 适用于较大的研究区域。考虑到研究区域面积较小，且主要研究对象为夏秋两季由台风暴雨导致的洪水， 所以将采用无源淹没的方式对研究区域进行淹没分析。

利用研究区的数字高程数据，应用GIS软件通过数学方法对影像进行高程内插和曲面拟合， 得到带高程的影像，并建立三维模型，根据三亚市近年降水规模，给定洪水水位高度，对研究区域进行模拟淹没分析，统计耕地淹没的面积、受灾居民区面积及受灾道路长度，最终建立洪水淹没模型，如图6～图10。（三维模型图中蓝色部分为淹没区域， 绿色部分为耕地区域，紫色部分为居民区，黄色线条为道路）。

图6 研究区三维模型

图7 淹没范围分布

图8 道路淹没风险分布

图9 居住区淹没风险区分布

图10 耕地淹没风险分布

3 结果与分析

3.1 洪灾危险性分析

（1）立才地区面积约52km2，处于淹没危险性的地区在卡把附近， 其中处于高淹没危险性的耕地面积0.58hm2，道路长度568.0m；处于中淹没危险性的耕地面积3.58hm2，道路长度805.2m；处于低淹没危险性的居民区面积为34007.80m2， 耕地面积48.37hm2，道路长度4543.3m。 处于淹没风险高、中、低的区域分别占地区总面积的4.31%，5.80%，11.55%。

（2）龙密区面积约26km2，该地区地势较高，没有处于淹没风险区的居民区、耕地和道路，处于淹没风险低的区域占地区总面积0.02%。

（3）马脚区面积约41km2，处于淹没危险性的区域为该地区的西部和南部，其中处于高、中、低淹没危险性的道路长度分别为659.0，883.9，4114m； 处于低淹没危险性的耕地4.37hm2。 马脚地区没有处于淹没风险范围内的居民区和处于中淹没危险性及以上的耕地。 处于淹没风险高、中、低的区域分别占地区总面积的15.80%，19.67%，27.83%， 考虑到马脚地区水域面积占地区总面积的11.61%。

（4）雅亮区面积约15km2，处于淹没危险性的区域为该地区的东部， 其中处于高淹没危险性的居民区 面 积6390.4m2， 耕 地 面 积3.24hm2， 道 路 长 度1440.7m； 处于中淹没危险性的居民区淹没面积7665.5m2，耕地面积6.38hm2，道路长度2910.3m；处于低淹没危险性的居民区面积8217.5m2， 耕地面积26.49hm2，道路长度6070.2m。处于淹没风险高、中、低的区域分别占地区总面积的21.50%，27.88%，40.91%，雅亮地区水域面积占地区总面积的16.28%。

（5）雅林区面积约45km2，该地区地势较高，由于东部有雅林岭的阻隔， 没有处于淹没风险区的居民区、耕地和道路，主要淹没区在该地区南部，处于淹没风险高、中、低的区域分别占地区总面积的2.34%，3.07%，5.01%。

（6）青法区面积约20km2，主要淹没区域分布于该地区东部和南部， 其中处于高淹没危险性的居民区 面 积6078.9m2， 耕 地 面 积6.22hm2， 道 路 长 度861.5m； 处于中淹没危险性的居民区淹没面积15247.4m2，耕地面积24.15hm2，道路长度2420.1m；处于低淹没危险性的居民区面积31073.2m2， 耕地面积39.74hm2，道路长度5621.0m。处于淹没风险高、中、低的区域分别占地区总面积的15.17%，24.47%，37.70%，青法地区水域面积占地区总面积的9.79%。

（7）明善区面积约23km2，主要淹没区在该地区东部，处于中淹没危险性的耕地面积1.14hm2；处于低淹没危险性的耕地面积8.17hm2。 该地区没有区域淹没风险区的居民区和道路，处于淹没风险中、低的区域分别占地区总面积的0.50%和3.85%。

（8）抱安区面积约48km2，处于淹没危险性的区域集中在抱安村一队和志安一带， 其中处于高淹没危险性的居民区面积22441.60m2， 耕地面积11.62hm2，道路长度618.7m；处于中淹没危险性的居民区淹没面积37666.60m2，耕地面积13.24hm2，道路长度1012.2m； 处于低淹没危险性的居民区面积41238.74m2，耕地面积13.38hm2，道路长度1178.2m。处于淹没风险高、中、低的区域分别占地区总面积的4.28%，6.14%，9.64%。

（9）那会区面积约处于淹没危险性的区域集中在那会村一带， 其中处于高淹没危险性的居民区面积38265.03m2，耕地面积7.15hm2，道路长度843.1m；处于中淹没危险性的居民区面积38504.84m2，道路长度1119.2m；处于低淹没危险性的居民区淹没面积和耕地淹没面积没有变化，道路淹没长度1269.4m。 处于淹没风险高、 中、 低的区域分别占地区总面积的22.96%，30.44%，41.17%。

（10）那受区处于淹没危险性的区域集中在南塔附近，其中处于高淹没危险性的道路长度651.1m；处于中淹没危险性的道路长度871.4m； 处于低淹没危险性的道路长度1094.2m。 那会地区没有处于淹没风险范围内的耕地和居民区。 处于淹没风险高、中、低的区域分别占地区总面积的1.73%，2.75%，3.96%。

通过对淹没分析中得到的不同地区洪灾的风险区面积占比进行排序，并根据研究区实际情况，将育才生态区山洪综合危险性划分为3个等级： 高危险性、中危险性、低危险性，不同地区山洪综合危险性区域分类如表1。

表1 研究区山洪综合危险性

3.2 洪灾易损性分析

目前对于区域洪灾易损性的大小没有统一标准，考虑到实际情况，选取了研究区的居民区密度（1000m2/km2）、道 路 密 度（100m/km2）及 耕 地 密 度（hm2/km2）作为评价研究区易损性的指标，并构造育才生态区易损性AHP判断矩阵如表2。

表2 育才生态区易损性AHP判断矩阵

育才生态区易损性AHP判断矩阵的特征值λ=3.0536，居民区密度、道路密度和耕地密度洪灾风险性权重分别占比0.3216，0.5105，0.1679。 偏离一致性指标CI为0.027，一致性比例CR为0.046，小于0.1，满足一致性检验要求。经过统计和测算，立才、龙密、马脚、那受、那会、抱安、青法、雅林、雅亮、明善总计10个地区分别统计居民区、道路及耕地密度，如表3。

表3 研究区居民区、道路、耕地密度

根据实际情况，对育才生态区的居民区密度、道路密度、耕地密度的影响度等级进行划分，每个评价单位划分为不同的影响度等级，按照影响力由小到大分为5～9影响度等级并综合评价不同地区的易损性。因此将育才生态区各地区综合易损性划分为3级：高易损性、中易损性、低易损性，如表4。

表4 研究区综合易损度

3.3 洪灾风险区划

通过洪灾危险性和易损性分析， 根据联合国环境规划署对于自然灾害风险给出的公式风险度（R）=危险度（H）×易损度（v），对每个地区分别计算风险度。为便于计算各地区洪灾的风险度，将洪灾综合危险性和易损性低、中、高分别赋值为2，4，6，得到各地区的危险度和易损度，并计算各地区的风险度。风险度4～8为低风险度，风险度8～16为中风险度，风险度16～36为高风险度，如表5。

表5 研究区风险度统计

3.4 洪灾预警

近年来气象预报的精确度和时效性大幅提升，能够快速准确地预测预报降水量和降水强度， 尤其是台风监测， 能够提前发现台风并预测台风的运行轨迹及对周边影响，在台风生成后，即可根据预测降水量，设定淹没高度，利用现有模型，对研究区域开展洪灾淹没分析，同时结合现有的研究区居民区、耕地、道路分布情况，划分不同等级的淹没风险区，针对处于淹没中、 高风险的及风险度较高的地区提前布置防洪力量，及时疏散人员，能够科学快速的做出洪灾预警，减少洪灾损失。

4 结语

通过建立三亚育才生态区洪水灾害风险模型，能够快速有效地模拟洪水对研究区域内的居民区、道路、耕地的影响范围，进而根据研究区域地形和村落分布，将研究区划分为10个区域，通过建立研究区洪灾风险性的评估模型，快速、准确、科学地评估研究区内不同地区的洪灾危险度、易损度及风险等级，划分洪灾危险区并提前预警，为预防洪水灾害，减少洪水损失提供了科学依据。

目前洪水淹没风险模型的建立仅考虑了耕地、道路、居民区3个因素，今后将更多因素如人口、经济等，纳入洪灾风险评估中，并采用更加精细的数字高程数据，建立更加详尽的洪灾风险评估模型，进一步增加灾情评估的准确性， 为预防洪水灾害提供更精细更科学的判断依据。