辽宁暴雨诱发山洪灾害风险区划研究

耿世波 聂哲 王瀛 方缘 肖光梁 李鸿强纪永明 朱宪龙 周晓宇

（1.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166；2.辽宁省气象灾害监测预警中心，辽宁 沈阳 110166；3.营口市气象局，辽宁 营口 115000；4.中国气象局气象干部培训学院辽宁分院，辽宁 沈阳 110166；5.大连市金州区气象局，辽宁 大连 116600；6.沈阳区域气候中心，辽宁 沈阳 110166）

引言

山洪灾害是一种洪水灾害［1］。山洪由于爆发迅猛、影响因素众多以及精细山洪资料缺乏等原因，对山洪的预报预警难度很大［2-3］。受全球气候变暖影响，近年来辽宁省强降水的极端天气呈现多发频发趋势，如2017年8月4日鞍山市岫岩县石灰窑镇5 h降水达到481.7 mm，超过了辽宁24 h过程降水历史极值；2020年8月31日夜间，辽宁省庄河市突降特大暴雨，1 h雨强为133 mm，达到历史极值。局地的短时强降水极易造成山洪和地质灾害，严重威胁社会经济发展和人民财产安全。也做了一些工作。李吉顺等［7］根据历史灾害资料，编制了暴雨洪涝灾害区划指南；国内的一些学者也先后编写了自然灾害风险评估技术方法和气象风险预警业务技术指南［8-10］，同时也有学者开展了洪水淹没模型的模拟灾损评估［11-13］。

总的来说，山洪灾害风险区划是对山洪危险性、承灾体暴露度和易损性等进行综合评价［4］。国外有关学者对暴雨洪涝灾害评估做了大量研究。Ahmad和Simonovic［5］、Kim和Marcouiller［6］分析暴雨洪涝灾害的形成是承灾体脆弱性、致灾因子和暴露度等多方面因素综合作用的结果。

关于山洪灾害风险性区划，中国学者在近些年

近年来，针对辽宁地区暴雨灾害风险评估，韩秀君等［14］利用历史暴雨灾情资料，构建了暴雨致灾指标与灾害影响预评估的关系。刘元胜［15］利用降水数据，建立了辽宁省山洪灾害风险区划；陈殿强等［16］利用辽宁省的地质灾害数据，详细分析了辽宁省山洪地质灾害特点及空间分布规律；曹永强等［17］利用GIS技术，绘制了辽宁山洪灾害风险区划图。以上研究多关于辽宁山洪风险区划，仅针对降水或灾情空间变化进行统计，对于辽宁综合暴雨致灾风险性、承灾体暴露度和脆弱性的山洪灾害风险评估与区划研究较少。因此，本文利用多源灾害调查数据、高精度的降水数据等综合分析，尝试构建辽宁暴雨诱发山洪灾害风险区划模型，为辽宁山洪灾害精确防治提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

所使用的数据包括气象数据、地理信息数据、山洪沟数据和风险普查数据。气象数据为辽宁地区2005—2019年1639个区域自动气象站逐时降水数据（图1），来源于辽宁省气象信息中心。地理信息数据为30 m空间分辨率的DEM地形数据，来源于美国国家航空航天局（NASA）。山洪沟数据为来源于辽宁水利部门。风险普查数据为辽宁地区1951—2013年山洪灾情资料，来源于沈阳区域气候中心暴雨洪涝灾害精细化风险普查资料。

图1 辽宁地形及选取的自动观测气象站分布Fig.1 Topography of Liaoning province and distribution of selected automatic observation meteorological stations

1.2 暴雨洪涝灾害风险评估

基于风险评估理论［8-9］，以辽宁省山洪沟作为基本研究单元，先后从暴雨致灾因子危险性、山洪沟本身孕灾环境敏感性、山洪沟附近承灾体暴露度和承灾体灾损敏感性来选取指标，通过构建辽宁省暴雨诱发山洪灾害风险区划模型得到综合风险指数，进而表征山洪气象风险等级。

（1）致灾因子。选取6 h暴雨强度和频率的综合指标进行暴雨致灾危险性评估，选取6 h暴雨作为评估致灾危险性的依据将在致灾危险性计算中说明。

（2）孕灾环境敏感性。主要选择山洪沟沟口位置海拔高度、沟床比降、河网密度等指标。

（3）承灾体暴露度。由于承灾体年变化较大且准确评估其客观价值很困难，为了简便评估，选取了易评估且年变化比较小的耕地比例、人口密度两个物理暴露度指标。

2 结果分析

2.1 评估指标计算

2.1.1致灾危险性

为分析辽宁省山洪与暴雨的关系，以历史山洪灾害为样本进行统计。由于2010—2013年山洪灾情资料较为完整，因此在这4 a内随机选取抚顺县、清原县、新宾县、凤城市、盖州市5个县市共106次发生山洪灾害样本和20次无灾害样本，分别用山洪灾害发生前3 d的降水量（3d-rain）、前1 d的降水量（1 d-rain）、当日最大12 h的降水量（12 h-rain），当日最大6 h的降水量（6 h-rain）、当日最大3 h的降水量（3 h-rain）、当日最大1 h的降水量（1 hrain）分别与样本序列计算相关系数。

山洪灾害与不同时效的降水相关性见表1。由表1可以看出，发生山洪灾害的样本与当日最大6 h、12 h的降水量相关性较好，相关系数分别达到0.268和0.222，通过了置信度0.01的显著性检验。当日最大6 h暴雨量与发生山洪相关系数最大，这与文明章等［18］统计福建暴雨诱发山洪的强降水持续时间一般为4—6 h大体一致，因此本文选取6 h作为山洪致灾临界雨量的累计时间。

统计2005—2019年辽宁省自动气象站连续6 h降水量大于50 mm的资料，并将所有连续6 h降水量大于50 mm自动气象站排序，按照第98、第95、第90、第80、第60百分位数分别确定其对应的雨量阈值［19］，这样划分连续6 h暴雨量的分级强度见表2，1—5级 分 别 对 应6 h雨 强R≥147.4 mm、20.1 mm≤R＜147.4 mm、101.6 mm≤R＜120.1 mm、84.4 mm≤R＜101.6 mm、68.4 mm≤R＜84.4 mm，这样得到6 h雨量临界阈值要比刘鸣彦等［20］对清原“0816”洪水模拟2 h阈值明显偏大，与临界阈值的时效差别有关。采用加权综合评价法，应用乘积模型对暴雨致灾危险性指数（H）计算

式（1）中，ωi为分级权重系数，结合高展等［19］的研究，1—5级分别取5/15、4/15、3/15、2/15、1/15为权重系数；RtDi为标准化分级6 h暴雨，Rni为分级6 h暴雨频次，其中RtDi标准化计算公式如下

式（2）中，Rti、Rtmaxi、Rtmini分别为6 h平均暴雨量实际值、最大值和最小值，Rnmaxi、Rnmini分别为年均6 h分级暴雨频次的最大值、最小值。

表2 暴雨强度（R）的划分Table 2 Division of rainstorm intensity

利用GIS反距离插值方法，得到2005—2019年辽宁省6 h分级暴雨频次与暴雨量空间分布（图2）。由图2可看出，1—5级暴雨强度高频次均在辽宁省东南部山区（大连、丹东地区、岫岩县、盖州市），其次为辽宁省西南部山区（葫芦岛地区），再次零星分布在辽河流域和东部山区，辽宁省北部地区处于暴雨强度低频区，这种空间分布与陈传雷等［21］统计分析定义辽宁长历时降水空间分布大体一致，区别是通过此次方法分类，发现辽宁东南部的暴雨高频区更加突出。从分级来看，强度最大（1级）的暴雨位于辽宁南部和东部的庄河市、瓦房店市、普兰店市、岫岩县、盖州市、丹东市、东港市和葫芦岛市（图2b），1级暴雨强度最大频次为0.188—0.378次·a-1，2—4级暴雨强度发生频次分布与总体分布基本一致，5级暴雨强度最大频次出现在辽宁东部宽甸为1.334—2.746次·a-1。总体来看，辽宁最强暴雨基本发生在东南山区面临黄海的迎风坡上，随海拔的升高而增加。

图2 2005—2019年辽宁省6 h暴雨强度分级（a）、1级暴雨频次（b）、2级暴雨频次（c）、3级暴雨频次（d）、4级暴雨频次（e）、5级暴雨频次（d）空间分布Fig.2 6-hour rainstorm intensity classification（a），1st grade rainstorm frequency（b），2nd grade rainstorm frequency（c），3rd grade rainstorm frequency（d），4th grade rainstorm frequency（e），5th grade rainstorm frequency frequency（f）in Liaoning province from 2005 to 2019

2.1.2孕灾环境敏感性

依据水沿着斜坡最陡方向流动的原理［22］，将辽宁省流域面积≤200 km2划分为519个山洪沟。山洪的爆发与山洪沟的地形地貌有很大关系，地形地貌特征影响着区域内汇水与排水条件。山洪沟自然风险属性特征主要由沟口的高程、沟床比降、河网密度3个指标来表示汇水与排水的强弱。统计结果表明，辽宁省山洪沟沟口高程范围在18—742 m，沟床比降为0—115，如图3所示。参考文献［23］给出了沟口的高程和沟床比降地形因子赋值（表3），这样可得出辽宁省山洪沟地形地貌特征的风险区划。

根据许海军和陈守煜［24］定义，河网密度为单位面积内河流数量，如果在一个区域内的河流越多，汇水的概率增大，出现山洪灾害的风险也更大。依据张小峰等［26］河网密度与河道总长度关系，将流域面积记为A，在面积A内有河流或河段条数记为n，总长度记为L；则有

式（3）中，l为河流长度；a为河流面积。

那么该区域的河网密度方程可表示为

图3 辽宁省山洪沟沟口高程（a）、沟床比降（b）和河网密度（c）空间分布Fig.3 Spatial distribution ofmountain torrent gully mouth elevation（a），gully bed gradient（b），river network density（c）in Liaoning province

根据式（3）—式（4），计算出辽宁省山洪沟区域内的河网密度为0—6，最大河网密度的山洪沟为北崴子河，河网密度为6。按照自然断点法，将河网密度分别赋予相应等级指数，得到辽宁省山洪沟河网密度指数的风险区划，应用加权求和模型进行山洪沟孕灾环境敏感指数（S）估算

式（5）中，Te和Ri分别为地形因子和河网密度；ω1和ω2为其对应的权重系数。归一化计算公式如下［23］

式（6）中，D为经标准化后某个评价指标值；A、Amin、Amax分别为某评价指标在标准化前实际值、最小值和最大值［26］。文献［27］和本地专家打分确定各因子权重系数，得到地形因子、河网密度的权重ω1、ω2依次为0.6和0.4，因此将孕灾环境划分为5个等级敏感指数，依次为低敏感区、次低敏感区、中等敏感区、次高敏感区和高敏感区。

2.1.3承灾体暴露度

承灾体易损性指数V按照如下方法计算

式（7）—式（8）中，Ve为承灾体暴露度风险指数；Vd为承灾体灾损敏感系数；P、C分别为标准化后人口密度和耕地面积比例系数；ω1、ω2分别为相应指标的系数权重，对各因子标准化方法依据式（6）。而权重确定依据专家打分，确定人口密度和耕地比例系数的权重ω1、ω2分别为0.7和0.3。越容易发生山洪灾害的地方，越容易造成人员伤亡、农田冲毁和渍涝，根据统计的1951—2013年山洪灾害发生频率，构建灾损敏感系数Vd（表4）。最后根据式（7），建立辽宁省山洪灾害承灾体分析指标，同样采用自然断点的方法依次将山洪沟划分低风险区、次低风险区、中等风险区、次高风险区和高风险区5个等级。

2.1.4山洪灾害风险综合区划

根据文献［26］暴雨洪涝灾害风险指数（D）模型

式（9）中，H、S、V依次为标准化后的致灾危险性指数、孕灾环境敏感性指数和易损性指数；ω3、ω4、ω5依次为相应指标的系数权重。系数权重确定方法如下：根据本地专家打分，确定各项指标系数权重分别为0.6、0.2和0.2，从而得出了综合风险区划指数D。按照综合风险区划指数D计算结果，将辽宁山洪灾害风险划依次划分为低风险、次低风险、中等风险、次高风险和高风险5个等级。

表4 辽宁省暴雨诱发山洪承灾体灾损敏感系数Table 4 Assignment of sensitivity coefficient of disaster damage ofmountain floods induced by torrential rain

2.2 致灾、孕灾、易损性评估

2.2.1致灾危险性评估

根据辽宁暴雨致灾危险性区划（图5a），高危险和次高危险区主要位于辽宁南部地区的大连（庄河市、瓦房店市），辽宁中西部地区的葫芦岛市与朝阳县交界、锦州（北镇市、黑山县、义县）、营口市、岫岩县，辽宁北部和东部地区的铁岭大部（铁岭市、铁岭县、开原市、西丰县）、桓仁县、宽甸县。辽宁东部地区（丹东市、东港市）、辽宁中部地区（辽阳地区）、辽宁西部地区（阜新与朝阳交界）致灾危险性也较高；而辽宁东部地区（抚顺东部、本溪中西部）、辽宁西部地区（阜新、朝阳西北部、葫芦岛市南部）、辽宁南部地区的大连为暴雨致灾低危险性区，表明辽宁地区暴雨致灾危险性较为分散。

图5 辽宁省致灾暴雨危险性区划（a）、山洪沟孕灾环境敏感性区划（b）、承灾体易损性区划（c）Fig.5 Disaster-causing torrential rain hazard zoning（a），mountain torrent gully disaster-pregnant environment sensitivity zoning（b），and hazard-bearing body vulnerability zoning（c）in Liaoning province

2.2.2孕灾环境评估

由辽宁暴雨致洪孕灾环境因子沟口高程、沟床比降和河网密度可以看出（图3），低值区地势辽河流域（≤50 m）主要位于辽宁中部的沈阳、辽阳、盘锦等地。由于辽宁西、南、东北三面环山，山区的地势起伏大，在沟谷内山洪沟低洼地带比较容易出现山洪灾害，从山洪沟的沟口位置高程来看，辽宁东南部、西南部地区的山洪沟沟口位置海拔高度较低，辽宁东北部山洪沟沟床比降较高，具有发生山洪的较好孕灾环境。河网密集区（图3c）通常也多是山洪沟的汇水区，因此出现山洪的可能性较大［24］，辽宁东部的抚顺东部和营口盖州和鞍山的岫岩县河网密度较大，其中河网密度高值区（≥0.8 km·km-2）是辽宁重要河流如碧流河、英那河、大洋河、哨子河、大辽河、柴河、凡河、苏子河等汇集区。从辽宁省山洪沟的孕灾敏感性区划（图5b）来看，山洪沟孕灾环境高敏感区域主要位于辽宁东南部和锦州的黑山县一带，辽宁西部的葫芦岛、辽宁北部的铁岭山区处于次高敏感区，辽宁西部的朝阳地区、辽宁东部的抚顺地区东南部新宾县的山洪沟孕灾环境敏感性较低，其他地区山洪沟位于处于中等敏感区或次敏感区。

图6 辽宁省暴雨诱发山洪灾害风险区划（a）和1951—2013年山洪灾害次数分布（b）Fig.6 Risk division ofmountain torrent disasters induced by heavy rain（a）and statistical distribution map ofmountain torrent disasters from 1951 to 2013（b）in Liaoning province

2.2.3易损性评估

根据辽宁省承灾体风险暴露度分布可知（图4a），辽宁东南部（鞍山市、岫岩县、庄河市）、辽宁西部（葫芦岛、锦州北部）、辽宁北部（铁岭）部分地区的山洪沟有比较高的人口密度，铁岭大部分地区、阜新县、岫岩县的山洪沟有比较高耕地比例。由辽宁省承灾体的易损性风险区划（图5c）可知，高、中、低风险区非常分散，每个具有山洪沟的县、市，均有高、中、低不同等级易损性风险区域。

2.3 暴雨诱发山洪灾害综合风险区划

由辽宁暴雨诱发山洪灾害综合风险区划可以看出（图6a），辽宁东南部（大连北部、营口东部、鞍山南部、丹东中西部、本溪东部）和辽宁西部（锦州北部）为高风险区，辽宁西部（葫芦岛）、辽宁北部（铁岭）地区处于次高风险区，朝阳大部、抚顺东南部等地为低风险区，辽宁其他地区的山洪沟分别处于次低风险或中等风险区。

以山洪沟为单位计量的风险区划与1951—2013年发生的山洪灾害空间区域比较来看（图6b），1951—2013年辽宁省发生山洪灾害高频区大多位于辽宁东南部山区，这也是本次暴雨诱发洪灾害高风险或次高风险区，锦州北部、葫芦岛、铁岭等地山洪沟在历史上发生过1—2次山洪灾害，为本次风险区划次高风险或中等风险区。值得一提的是，本溪东部桓仁县发生过山洪灾害的山洪沟与本次评估为次高风险或中风险区域基本一致。因此，通过对比结果来看，本次风险区划为高风险区确实发生过山洪灾害灾害并且出现的频率相对较高，有的山洪沟出现山洪灾害次数较少或者未出现山洪灾害，但风险区划仍评估具有中风险或者次高风险的潜在风险，表明本次暴雨诱发山洪灾害综合风险的结果较为可信。

3 结论与讨论

（1）针对诱发山洪灾害从致灾因子危险性、孕灾环境敏感性和承灾体易损性状况，形成了一套基于GIS的辽宁省山洪灾害风险区划评估方法。通过统计分析，以6 h暴雨作为辽宁省山洪致灾因子更为合适，进一步构建了综合6 h分级暴雨强度的暴雨频次作为暴雨致灾危险性评价指标；通过暴雨致灾危险性指标与孕灾环境、承载体暴露度等有关的空间指标，进行辽宁省山洪灾害风险评估与区划。与已有辽宁山洪灾害风险区划研究成果相比，本次风险区划综合利用了暴雨致灾危险性、孕灾环境的敏感性和承灾体的易损性，且以山洪沟为单元，区划结果较为精细。

（2）辽宁省暴雨诱发山洪灾害综合风险的高风险区域主要位于3个地区，辽宁东南部（大连北部、营口东部、鞍山南部、丹东中西部、本溪东部）、辽宁西部（锦州北部，葫芦岛）和辽宁北部（铁岭）地区，与1951—2013年发生的山洪灾害高发区基本一致，本次风险区划反映了辽宁省暴雨诱发山洪灾害的潜在风险，区划结果可为辽宁省山洪灾害预报、预警及防治提供参考。

（3）本文应用山洪风险普查资料，已经对数据质量进行质控，但仍存在个别数据不完整现象，可能会对暴雨诱发山洪灾害风险区划的研究结果有影响。此外，山洪灾害风险影响因素较多［28-29］，风险区划模型权重选择存在一定的主观性，也可能影响山洪灾害危险性指标计算和评估准确度。以后将收集更加完善的承灾体暴露度资料和更合理的权重参数，进一步提高风险区划的准确率。