基于GIS的气象灾害风险区划分析——以河南省为例

于照堃，李忠涛，丰玉涣，郭榕刚，逯跃锋,3

(1.山东理工大学 建筑工程学院, 山东 淄博 255049；2.中国交通通信信息中心，北京 100011；3.中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101)

中国位于亚欧大陆的东部，处在最大的季风气候区，由于季风气候的不稳定性，导致气象多变、灾害频发，加之温室气体含量增加，全球温度升高，各地区气象系统的不稳定性增加，灾害发生频率升高。河南省属于大陆性季风气候，气象复杂多变，灾害多、频率高、范围广，危害性大[1]。

由于季风气候气候相对复杂，且随着环境差异易发生改变，因此，气象灾害的发生频次高，灾害的发生势必会造成各方面的损失，严重时会威胁到人的生命安全，因此日常的预防工作显得尤为重要。对于变幻莫测的天气情况，盲目的进行预防只会造成资源浪费。

目前中国针对气象灾害的风险评估与等级划分已经进行多方面的研究，陈楠[2]对菏泽市7县2区的历史气象资料进行分析，建立风险区划。彭九慧等[3]针对冰雹灾害对承德市各地区展开详细分析，进行危险区划分。张晓宇等[4]对广东省台风风险性进行分析。李军玲等[5]根据降水空间分布对河南省进行了洪涝风险区划分。虽说此类研究已中有针对河南省的研究，但较为片面并未发现对河南省气象灾害进行一个全面的风险区域划分，因此，有必要对河南省进行一个较为全面的风险评估，为气象灾害的防治提供重要依据。

1 资料来源和研究方法

1.1 资料来源

本文气象灾害资料数据来源于国家科技基础条件平台——国家地球系统科学数据中心(http：//www.geodata.cn)，采用河南省近50年气象灾害数据集(1960—2010);属性数据来源于河南省地方志、河南气象灾害大典(河南卷)等文献；空间数据来源于河南大学黄河中下游数字地理技术实验室2009年全国电子地图。河南省人口、GDP、耕地面积等数据来自河南省统计局(http://www.ha.stats.gov.cn)。

1.2 研究方法

通过对河南省近50年气象灾害数据的整理与分析得出发生频率较高的三种气象灾害为暴雨洪涝、干旱和雹灾。本文主要针对上述三类气象灾害的致灾因子、承灾体脆弱程度、孕灾环境和防减灾能力进行分析，并结合灾害数据构建河南省气象灾害风险区划模型，利用SuperMap软件绘制出风险区划图。

进行数据分析时会涉及到不同种类的数据，针对不同种类、不同含义的数据，将采用归一化公式进行处理，消除数据种类不同的影响[6]。

1.2.1 数据归一化处理

将不同种类的数据进行处理，使各类指标数值位于区间[0,1]上，消除不同量纲的影响。利用式(1)进行转换：

(1)

式中：Xi表示各类气象灾害数据及其他数据的原始值；Xmax表示各类气象灾害数据及其他数据最大值；X'表示数据量化之后的值。

1.2.2 综合风险评估模型构建

气象灾害风险综合评估模型的构建需要对多种因素进行考虑，对不同的影响因素赋予不同的权重，运用公式(2)计算得出综合风险指数F，根据风险指数进行风险区域划分。

F=a∑Riki+bP+cA+dG，

(2)

式中：a、b、c、d为比例系数；F为各地区综合风险指数；Ri为各地区气象灾害i的风险指数；ki为气象灾害i在各地区所占的比重；P、A、G为灾害风险影响因素，其中P代表人口密度，A代表耕地面积，G代表人均GDP。人口密度越大、耕地面积越多，危险性越高，所以人口密度和耕地面积与综合风险指数成正比，权值为正。人均GDP越高，防灾减灾能力越强，危险性越低，所以人均GDP与综合风险指数成反比，权值为负。

本文根据资料和数据对三种气象灾害的致灾因子危险性以及三种灾害风险影响因素进行分析，结合专家打分的方式赋予各影响因子和影响因素相应的权重系数，运用式(2)计算得到各个地市的综合风险指数。

2 气象灾害风险分析

综合考量影响气象灾害风险的多方面因素，首先明确研究方向、探析研究方法并建立风险评估模型；其次分析各影响因子、影响因素的作用范围并确定各自权重[7]。本文从气象灾害的致灾因子、承灾体的脆弱程度、河南省的孕灾环境以及防减灾能力等方面进行分析。一方面针对干旱、洪涝、雹灾三种自然灾害进行致灾因子危险性分析，另一方面从河南省承灾体、孕灾环境以及灾害防治能力三个灾害影响因子进行分析。分析后根据影响程度大小确定各因子的权重，构建综合风险区划模型。

2.1 致灾因子危险性分析

2.1.1 干旱致灾因子危险性分析

干旱是制约河南省农业发展的自然灾害之一，干旱导致土壤板结且不能满足农作物生长生存所需的环境，给人们造成巨大经济损失。由《气象干旱等级》 (GB/T 20481-2017)可知，根据干旱程度的不同可将干旱分为无旱、轻旱、中旱、重旱和特旱五种。综合对河南省1960—2010年间的干旱原因进行分析总结，得出河南省干旱主要为季节性干旱，以春旱和秋旱最为显著。其中对河南省干旱灾害起主要影响作用的是季节降水量和降水频次以及季节高温天气及频次。根据河南省1960—2010年的气温资料，对各地市季节温度高于35 ℃的频次和年份进行统计。根据河南省1960年至2010年的气象资料，对各地市季节降水量分别低于200 mm的频次和年份进行统计。将统计数据进行归一化处理，计算出各个地市的干旱灾害风险指数。利用SuperMap软件绘制河南省干旱致灾因子风险区划图(图1)。由图1可知，鹤壁市等5个地级市位于低风险区，开封市等3个地级市位于较低风险区，三门峡市等4个地级市位于中风险区，焦作市等5个地级市位于较高风险区，洛阳市位于高风险区。总体看来，中部地区风险系数较低，西部、南部风险较高。

图1 河南省干旱致灾因子风险区划图

2.1.2 洪涝致灾因子危险性分析

洪涝是指某一时间段内降水量突增且增量超过增长正常值段，亦或是连续性降水导致地势偏低的地区出现淹没，渍水现象的自然灾害。暴雨是导致洪涝的主要原因，也是城市发生内涝的源头[8]。河南省大部分地区为平原，海拔相对较低，总体地势西高东低。因此，对河南省洪涝灾害影响起主要作用是暴雨的降雨强度和暴雨的发生频次。根据1960—2010年河南省各地市暴雨情况资料，统计出各地市暴雨频次和年份。将统计数据进行归一化处理，计算出各个地市的洪涝灾害风险指数。全省洪涝致灾因子风险区划图如图2所示。由图2可知，三门峡市等3个地级市位于高风险区，驻马店市和濮阳市位于较高风险区，鹤壁市等3个地级市位于中风险区，新乡市等6个地级市位于较低风险区，济源市等4个地级市位于低风险区。

图2 河南省洪涝致灾因子风险区划图

2.1.3 雹灾致灾因子危险性分析

冰雹灾害是一种相对剧烈的气象灾害，雹灾受灾地域有限，时间短、强度大、来势猛、破坏性强。根据冰雹强度可将其分为轻、中、重三类。随着冰雹分类等级的上升，危害性增大。对河南省冰雹灾害起主要作用的致灾因子是冰雹强度和冰雹频次，但是随着冰雹频次的增加，强度的影响减弱，鉴于研究时代相对久远，资料记载不全，可不考虑冰雹的强度，仅考虑冰雹频次的影响，根据1960—2010年河南省各地市冰雹情况资料，对冰雹发生频次进行统计，将统计数据进行归一化处理，计算出各个地市的雹灾风险指数。全省雹灾致灾因子风险区划图如图3所示。由图3可知，郑州市等7个地级市位于低风险区，开封市等4个地级市位于较低风险区，许昌市等3个地级市位于中风险区，焦作市和濮阳市位于较高风险区，三门峡市和洛阳市位于高风险区。整体来看，西部地区风险性高，中东部地区风险性较低。

图3 河南省雹灾致灾因子风险区划图

2.2 孕灾环境分析

孕灾环境主要指由自然环境和社会环境共同组成的地球表层区域环境，所以孕灾环境的区域差异和发展趋势是由众多因素交叉作用导致的。

2.2.1 气候条件

河南省位于我国湿润与半湿润地区，季风气候盛行，虽然季风气候意味着充沛的降水，但同时季风气候的不稳定性也决定了河南地区季节性、年际性降水差异过大，导致该地区遭受干旱、洪涝等灾害的频率不断提高。

2.2.2 地形海拔

河南省内地势的高低起伏较大，地形多样，地貌类型丰富。其西北部和西部以山地为主，地形坡度较大，土壤滞水、保水能力较差，受干旱威胁较为严重；同时海拔较高，容易造成强对流天气，致使西部地区遭受雹灾侵害。东部多为平原，受气候因素交叉影响，旱涝灾害发生较为频繁。

2.2.3 社会因素

河南省内河网稠密，东部地区地形平缓，适于农作物生长，引水灌溉需求量较大，加之土壤质量下降，保水保湿性较差，孕灾环境敏感度较高，易遭受干旱、洪涝灾害迫害。近年来受人类行为影响，环境质量遭到破坏，水土流失情况严重，气候灾害影响愈来愈大。

2.3 承灾体易损性分析

承灾体易损性是指事物受到气候灾害影响的损伤程度，与地区人口密度、经济水平、耕地面积等因素有密切关系，人口密度越集中、经济水平越高、耕地面积越广，相对来说遭受气候灾害影响的潜在风险就越大。

分析河南省地区情况可知，干旱、洪涝、雹灾主要受灾对象为东部平原地区种植的农作物、西部山地的经济林作物和主要城市的建筑及车辆。从区域情况分析，气候灾害的产生和存在是绝对的，承载体易损程度与地区差异有着很大的关系。因此分析易损性需要从地区信息特征点入手，主要考虑人口密集程度、经济水平发展情况、耕地面积及作物情况三个影响因子进行分析，将数据通过归一化处理过后得到不同参数指标，再根据加权综合评价法分析河南省各承灾体易损情况。河南省耕地面积图和人口密度图分别如图4、图5所示。

图4 河南省耕地面积图

图5 河南省人口密度图

由图4可知，河南省东部和南部耕地面积较大，恶劣天气对其影响较大；由图5可知，河南省中东部人口密度大，受灾时易损性高，损失大。

2.4 防灾减灾能力分析

防灾减灾能力是人们临时进行工程作业以减轻灾害造成更大损失的一种能力，主要影响因素是人均GDP[9]，通常政府决策能起到主导性作用，在时间、空间维度上实现水资源调整、规划作物播种时间、人工影响冰雹云作业等方法直接提高防灾减灾能力。一般来说，减灾资源投入越多、经济水平越高、管理计划越先进，防灾减灾能力则越高，由气候灾害造成的潜在损失就越小。

充分考虑到经济水平是防灾能力提高重要标准，本文主要研究地区GDP在当地防灾减灾过程中发挥的作用，河南省各地市人均GDP水平指数图如图6所示。

图6 河南省人均GDP水平指数图

由图6可知，河南省人均GDP水平由东部向西部基本呈递增态势，其中郑州市、济原市人均GDP水平高。随着经济水平的提高，防灾减灾能力提升，河南省西部防灾减灾水平高于东部。

3 气象灾害风险区划划分

灾害综合风险指数的高低通常代表某种灾害发生频率及其造成的危害程度大小[10]，在对干旱、洪涝、雹灾三种气象灾害的致灾因子危险性、承灾体脆弱程度、孕灾环境和河南省防减灾能力进行分析之后，考虑各个因素对风险区划划分的影响程度，确定各影响因子及影响因素的权值。经专家分析，本文将干旱、洪涝、雹灾三种气象灾害的综合影响权重系数定为0.7，人口密度和耕地面积两种影响因素权重系数分别为0.1，由于人均GDP水平和风险指数成反比，人均GDP水平越高，防灾减灾能力越强，风险指数越低，所以将此影响因素权重设为-0.1。代入模型得式(3)：

F=0.7∑YiKi+0.1P+0.1A-0.1G。

(3)

根据综合评估风险模型公式计算出河南省各个地市气象灾害风险指数，河南省气象灾害综合风险指数表和河南省气象灾害综合风险区划图分别如表1和图7所示。

表1 河南省气象灾害综合风险指数表

图7 河南省气象灾害综合风险区划图

由图7可知，三门峡市等3个地级市位于高风险区，平顶山市等5个地级市位于较高风险区，鹤壁市等4个地级市位于中风险区，安阳市等4个地级市位于较低风险区，郑州市和漯河市位于低风险区。

4 结论

1)本文对河南省各类灾害的致灾因子、承灾体脆弱程度、孕灾环境和防减灾能力四个方面进行分析，并结合对河南省18个地市近50年来的气象灾害历史资料的统计和相关数据的分析，构建出该省的气象风险综合评估模型，以GIS为基础进行气象灾害风险区域的划分。研究表明：河南省风险系数较高的地区主要分布在东部和西部，中部地区风险系数较低，其中三门峡市和洛阳市风险等级最高。

2)考虑河南省各地市人口密度、经济发展水平情况，中部人口密度大，经济发展水平高，受灾易损的同时又有较好的防灾减灾能力。

3)考虑河南省东部和南部耕地面积较大，恶劣天气对其影响较大，易损性高。

4)本文建立的河南省气象灾害风险区划，可为河南省在进行气象灾害防治资源分配时提供一定的参考，减少不必要的资源浪费。

5)气象灾害风险影响因素多样，加之天气系统本身具有复杂性，且本文使用的数据数量有限、涉及范围窄且时间较为久远，要进行准确的风险区域划分有一定难度。因此，在此基础上，需要进行更深层次的数据收集与参数分析，进而完善模型并实现风险区划分析。