蔡道明,肖 翔， 孫金偉

(1.長江科學院 水土保持研究所，武漢 430010;2.長江水利委員會 水土保持局，武漢 430010)

區(qū)域山洪災害預警難度評價
——以長江流域為例

蔡道明1,肖 翔2， 孫金偉1

(1.長江科學院 水土保持研究所，武漢 430010;2.長江水利委員會 水土保持局，武漢 430010)

災害預警難易程度評價是我國山洪災害防治研究的一項基礎性課題?；跉v史災害、地理背景、社會經(jīng)濟等數(shù)據(jù)資料，利用地統(tǒng)計分析方法，從設備投入使用維護環(huán)境、致災過程類型和下墊面復雜性3個方面，初步構(gòu)建山洪災害預警難度評價指標體系；并采用層次分析法對各項指標進行打分定權(quán)，建立評價模型；最后以長江流域為例，對其山洪災害預警難度進行評價。結(jié)果顯示：預警難度較大的區(qū)域主要集中在甘肅南部、四川中部、云南北部、貴州東北、湖北西北以及重慶大部分地區(qū)，這些地區(qū)為滑坡、泥石流多發(fā)區(qū)，山高坡陡可達性差，設備布設、使用和維護成本高或難以執(zhí)行，以及經(jīng)濟建設相對比較落后、地區(qū)財政壓力較大；青海、四川盆地、長江中下游山洪災害預警難度相對較小，評價結(jié)果與典型區(qū)實地調(diào)研情況有較高一致性。研究結(jié)果可為我國山洪災害防治宏觀決策提供新的分析視角和依據(jù)。

長江流域；山洪災害；預警難度；層次分析；防洪減災

山洪災害是指由于降雨在山丘區(qū)引發(fā)的洪水災害及由山洪誘發(fā)的泥石流、滑坡等對國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)造成損失的災害[1]。長江流域山丘區(qū)面積大，暴雨頻發(fā)，山洪災害嚴重。山洪及其誘發(fā)的泥石流、滑坡分布范圍廣，突發(fā)性強，預測預報難度大，常導致人員傷亡、財產(chǎn)損失和生態(tài)環(huán)境的破壞。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，山丘區(qū)人口、財產(chǎn)和資產(chǎn)密度將進一步增長，山洪災害的風險程度和損失也將顯著增加[2]。因此，開展山洪災害的防治是一項迫在眉睫、刻不容緩的任務[3]。山洪災害的防治一般分為工程措施和非工程措施，其中預警系統(tǒng)是防治山洪災害的一項重要的非工程性措施。

山洪災害預警一直是國內(nèi)外防災減災領域研究的熱點問題[4-7]。從山洪災害預警難易程度角度研究山洪災害區(qū)劃，目前只在山洪災害預警準確度與及時度方面有相關研究[8]。而山洪災害預警難度分析是防治山洪災害研究中的重要環(huán)節(jié)，對制定區(qū)域經(jīng)濟中長期規(guī)劃具有參考價值。本文擬通過篩選山洪災害預警難度的影響因素，初步構(gòu)建山洪災害預警難度評價指標體系，建立山洪災害預警難度評價模型，并以長江流域為分析對象進行預警難度分析，為我國山洪災害防治宏觀決策提供新的分析視角和依據(jù)。

1 指標選取和數(shù)據(jù)來源

1.1 指標選取

山洪災害預警難度是相對于一定資金投入和技術(shù)水平而言的，目前全國山洪災害防治項目縣級非工程措施已初步落實，全國絕大部分防治縣都布設了主要基于雨情監(jiān)控的監(jiān)測預警系統(tǒng)。在這種背景下，目前任何一種由降雨引發(fā)的山洪理論上都可以預警，只是預報的精度有所差異，如果以預報精度作為預警難易程度的判別標準，則剔除具體技術(shù)層面的作用，影響預警難易程度的宏觀因素至少有以下3個方面。

1.1.1 設備投入使用維護環(huán)境復雜性

(1) 經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)由于較好的經(jīng)濟條件，在監(jiān)測預警站網(wǎng)建設及設備使用維護方面的投入往往超過全國平均水平，反之經(jīng)濟欠發(fā)達的地區(qū)由于資金配套的限制，除去國家投資以外用于監(jiān)測預警站網(wǎng)建設以及設備使用維護的資源有限，理論上山洪災害預警困難更大。

(2) 平原地區(qū)監(jiān)測預警系統(tǒng)布設難度小，投資少，而山區(qū)則相反，開展山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)建設的縣大多地處偏僻、地廣人稀、氣候條件惡劣，監(jiān)測預警設備投資大、維修難、損壞老化快，直接或間接地影響山洪災害預警效果。由此從預警設施設備投入使用維護角度考慮，區(qū)域經(jīng)濟和自然條件是影響山洪災害預警難度的2個重要因素。研究選取人均GDP和地勢起伏度2個指標反映設備投入使用維護環(huán)境的復雜性。人均GDP反映地區(qū)經(jīng)濟條件，數(shù)值越小，監(jiān)測預警系統(tǒng)建設能力也差；地勢起伏度反映區(qū)域地勢高差，數(shù)值越大，區(qū)域可達性越差，設備使用維護條件越惡劣。

1.1.2 致災過程類型

山洪災害是由山洪暴發(fā)帶來的危害，包括溪河洪水及其引發(fā)的滑坡和泥石流。其中溪河洪水是山洪最為常見的表現(xiàn)形式，具有突發(fā)性強、水量集中、破壞力大等特點；山洪引發(fā)的滑坡是土體、巖塊或斜坡積物在流水及重力作用下沿滑坡面滑動，規(guī)模大的滑坡一般是緩慢的、長期的滑動過程，能夠做到很好的監(jiān)測，但山洪引發(fā)的滑坡一般速度很快，很難預判；山洪引發(fā)的泥石流具有暴發(fā)突然、來勢兇猛、破壞性強等特點，并兼有滑坡和洪水破壞的雙重作用，其危害程度往往比單一的洪水和滑坡的危害更為嚴重，一次災害可能造成一個村莊或城鎮(zhèn)被掩埋。就預警難度來看，溪河洪水過程較為單一，預警難度偏??；以災害鏈形式出現(xiàn)的滑坡、泥石流由于過程復雜，特別是泥石流，其預警難度相對其他2類更難。

1.1.3 下墊面條件復雜性

下墊面條件為山洪災害的形成提供基本的環(huán)境條件，影響著山洪災害的類型及規(guī)模。山洪災害易發(fā)地區(qū)的地形往往山高、坡陡、谷深，切割深度大，侵蝕溝谷發(fā)育，其地質(zhì)大部分是滲透強度不大的土壤，一遇到較強的地表徑流沖擊時，容易形成山洪災害。山丘地區(qū)過度開發(fā)土地，或者陡坡開荒，或工程建設對山體造成破壞，改變地形、地貌、破壞天然植被，亂砍濫伐森林，失去水源涵養(yǎng)作用，均易發(fā)生山洪。由此，在下墊面條件復雜性高的地區(qū)，引發(fā)山洪過程的機制可能更為復雜，預警難度更大。下墊面條件復雜性影響因素較多，主要有地形、巖性、土地利用(植被)、土壤等4個方面，地形因素在設備投入使用維護環(huán)境方面已考慮，這里不再重復。

根據(jù)上述分析，得到山洪災害預警難度評價指標體系，如表1所示。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究的資料主要來源于：①研究區(qū)的數(shù)字高程數(shù)據(jù)是修正以后的SRTM 90 m；②流域縣域人均GDP來自于2011年統(tǒng)計數(shù)據(jù)；③長江流域山洪歷史災害資料來自“全國山洪災害防治規(guī)劃”山洪災害調(diào)查數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)資料年限截至2002年，部分省份數(shù)據(jù)更新到2010年；④巖性和斷裂帶基礎資料來自中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的1∶2 500 000中國數(shù)字地質(zhì)圖；⑤土地利用數(shù)據(jù)來自土地利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品WESTDC_Land_Cover_Products1.0；⑥基礎土壤數(shù)據(jù)來自中國科學院南京土壤研究所發(fā)布的1∶1 000 000中國土壤屬性數(shù)據(jù)庫。

表1 山洪災害預警難度評價指標Table 1 Indexes of assessing the difficulty of warningmountain torrent disasters

2 評價指標圖層提取和量化

2.1 設備投入使用維護環(huán)境

根據(jù)地勢起伏度的定義，地勢起伏度的計算關鍵是確定最佳統(tǒng)計單元[9]。首先利用鄰域統(tǒng)計分析法，在不同大小網(wǎng)格窗口下對長江流域地勢起伏度進行提取，得到不同網(wǎng)格窗口與地勢起伏度的關系(見表2)。然后對S-Si數(shù)據(jù)序列按照均值變點分析法進行計算得到差值變化曲線(圖1)，結(jié)果顯示在第11個點時曲線由陡變緩，S與Si的差值達到最大，即11×11網(wǎng)格大小為曲線變化的拐點(圖2)。從而得出基于SRTM DEM數(shù)據(jù)的長江流域地勢起伏度提取的最佳網(wǎng)格單元為11×11，最佳分析統(tǒng)計窗口面積0.98 km2，經(jīng)標準化處理之后長江流域地勢起伏度見圖3。長江流域縣域人均GDP圖利用行政區(qū)劃編碼這個具有唯一屬性的關聯(lián)字段，將屬性數(shù)據(jù)與縣域行政區(qū)劃圖進行關聯(lián)，并通過柵格轉(zhuǎn)換和極差標準化，見圖4。

表2 研究區(qū)網(wǎng)格單元與地勢起伏度關系Table 2 Grid units and relief amplitudes inthe study region

圖1 網(wǎng)格單元面積與平均地勢起伏度對應關系擬合曲線

Fig.1 Relationship between grid unit area and mean relief amplitude

圖2S和Si差值的變化曲線

Fig.2 Variation in discrepancy between S and Siwith different points

圖3 長江流域地勢起伏度標準化圖Fig.3 Standardized relief amplitude of the Yangtze river basin

圖4 長江流域縣域人均GDP標準化圖Fig.4 Standardized GDP per capita at county level in the Yangtze river basin

2.2 致災過程類型

圖5 長江流域山洪災害點分布Fig.5 Regional distribution of mountain torrent disaster points in the Yangtze river basin

長江流域溪河洪水、滑坡、泥石流3種山洪災害的歷史災害位置、規(guī)模和頻率來自“全國山洪災害防治規(guī)劃”相關調(diào)查數(shù)據(jù)(圖5)。就預警難度來看，溪河洪水過程較為單一，預警難度較?。灰詾暮︽溞问匠霈F(xiàn)的(山洪引發(fā)的)滑坡、泥石流，由于過程復雜，預警難度相對更大。由此，致災過程類型復雜性指標量化方法為：先根據(jù)災害類型復雜性，將溪河洪水災害設為1，滑坡災害設為2，泥石流災害設為3，然后統(tǒng)計縣域單元內(nèi)不同災害類型對應數(shù)值之和；最后統(tǒng)計縣域單元內(nèi)災害量值。災害量值數(shù)值越大，說明該單元內(nèi)災害過程越復雜，預警難度相應越大。整個操作通過ArcGIS的“空間關聯(lián)”功能，將縣域與相應的災害點圖層聯(lián)立，統(tǒng)計相應的災害點并賦值，最后進行柵格轉(zhuǎn)換和極差標準化，得到致災過程類型復雜性指標，見圖6。

圖6 長江流域致災過程類型復雜性標準化圖Fig.6 Standardized complexity of the process of mountain torrent disasters in the Yangtze river basin

2.3 下墊面條件

下墊面條件復雜性的每個指標都有特別的類別，可計算各類別在縣域單元內(nèi)的多樣性值來量化各指標，即計算各指標類別占縣域單元最大一類的比例值，以此值作為該指標在縣域內(nèi)多樣性的指標，比例值越大，表示區(qū)內(nèi)該要素細類在分布上比較均質(zhì)和單一，下墊面條件復雜程度越??；數(shù)值越小，表明區(qū)內(nèi)該要素細類分布多樣性越高，下墊面條件復雜程度越高。具體操作過程在ArcGIS完成。柵格和標準化之后的下墊面條件復雜性指標見圖7。

圖7 長江流域下墊面條件復雜性標準化圖Fig.7 Standardized underlying surface complexity in the Yangtze river basin

3 結(jié)果與討論

3.1 指標權(quán)重確定

根據(jù)層次分析評價的基本原則和方法[10]，結(jié)合山洪災害預警難度自身的特點，構(gòu)建評價指標體系。依前文所述，山洪災害預警難度的影響因素包括設備投入使用維護環(huán)境、致災過程類型和下墊面條件復雜性等3個一級指標，其中設備投入使用維護環(huán)境和下墊面條件復雜性又包括5個二級指標。經(jīng)過分析整理將影響山洪災害預警難度評價指標體系分為3層：目標層A、準則層B(設備投入使用維護環(huán)境復雜性B1、致災過程類型復雜性B2、下墊面條件復雜性B3)和指標層C(地勢起伏度C1、人均GDP C2、巖性分布異質(zhì)性C3、土地利用異質(zhì)性C4、土壤類型異質(zhì)性C5)。將A，B，C 3個層次建立層次結(jié)構(gòu)模型。

按照1至9數(shù)字標度法逐個對任意2個評價指標進行比較，最終確定它們的相對重要性，并賦予相應的分值。對于準則層分析，可根據(jù)設備投入使用維護環(huán)境復雜性、致災過程類型復雜性、下墊面條件復雜性3個一級指標對預警難度的影響程度，建立判斷矩陣，鑒于現(xiàn)有技術(shù)水平對滑坡泥石流的預判能力較低，給予致災過程類型復雜性(B2)最高權(quán)重；而設備投人使用維護環(huán)境復雜性(B1)相對于下墊面條件復雜性(B3)更具現(xiàn)實意義，后者僅存在理論上的影響，因此設定B1權(quán)重高于B3，具體準則層判斷矩陣及權(quán)重，見表3。

表3 準則層判斷矩陣Table 3 Matrix of criterion layer

經(jīng)計算判定矩陣的最大特征值λmax=3.02，一致性指標CI=0.02，查三階矩陣平均一致性指標RI=0.58，一致性比率CR=0.01<0.1，則判斷矩陣具有完全一致性。

依上述操作，對二級指標構(gòu)建判斷矩陣，設定權(quán)重，具體見表4、表5。

表4 指標層判斷矩陣Table 4 Matrix of index layer

表5 山洪災害預警難度評價指標權(quán)重分配Table 5 Distribution of index weights which reflectthe difficulty of warning mountain torrent disasters

圖8 長江流域山洪災害預警難度分布和預警難度分級Fig.8 Regional distribution and levels of the difficulty of warning mountain torrent disasters in the Yangtze river basin

3.2 山洪災害預警難度的分布和分級

各指標圖層根據(jù)上述設定的權(quán)重疊加運算及標準化后，獲得長江流域山洪災害預警難度分布圖(圖8(a))。為了進行研究區(qū)山洪預警難度的等級劃分，運用Natural Breaks方法，將預警難度分為極高、高、中、低4個等級，得到長江流域山洪災害預警難度分級圖(圖8(b))。依據(jù)圖示，長江流域山洪災害難預警區(qū)主要集中在甘肅南部、四川中部盆周山地、云南北部、貴州東北、湖北西北以及重慶大部分地區(qū)，這些地區(qū)為滑坡、泥石流多發(fā)區(qū)，山高坡陡可達性差，設備布設、使用和維護成本高或難以執(zhí)行，以及經(jīng)濟建設相對比較落后、地區(qū)財政壓力較大。青海、四川盆地、長江中下游山洪災害預警難度相對較小，這些區(qū)域地勢起伏較小，多發(fā)生預警難度較低的溪河洪水等災害類型，而且除青海外，區(qū)域經(jīng)濟較發(fā)達，監(jiān)測預警系統(tǒng)使用范圍廣，維護較好，山洪災害抗震救災能力強，因此山洪災害預警難度相對較小。結(jié)合作者所在的課題組2014年4月赴四川、重慶和陜西調(diào)研典型山洪溝情況，認為該預警難度分布與相關調(diào)研結(jié)果具有較高的一致性。

4 結(jié)論與展望

(1) 山洪災害預警難度分析是在山洪災害綜合災情分析結(jié)果(或相當工作)的基礎上，對不同災情程度地區(qū)提出的一種衡量區(qū)域災害預警難易程度的評價分級工作。選擇長江流域縣域作為預警難度分析評價單元，利用地統(tǒng)計分析方法，從設備投入使用維護環(huán)境、致災過程類型和下墊面復雜性3個方面，初步構(gòu)建山洪災害預警難度評價指標體系，并采用層次分析法對各項指標權(quán)重打分，建立山洪災害預警難度評價模型。結(jié)合實地調(diào)查情況，認為評價結(jié)果能在一定程度上反映山洪災害預警難度在空間上的差異，為我國山洪災害防治宏觀決策提供新的分析視角。

(2) 山洪災害預警難度分析涉及環(huán)境、經(jīng)濟、社會等諸多方面，反應這些方面的因素多而煩雜，建立既要全面亦不重復的指標體系并非易事，本研究受限于資料與方法，考慮的方面有一定局限性，同時本研究的指標權(quán)重采用主觀定權(quán)法，雖有部分實地調(diào)查結(jié)果作為依據(jù)，但客觀性仍顯不足，這些都需要在接下來的工作中進一步深化。

[1] 國家防汛抗旱總指揮部辦公室.全國山洪災害防治規(guī)劃[R].北京：國家防汛抗旱總指揮部，2009.(State Flood Control and Drought Relief Headquarters.National Planning of Mountain Torrent Control[R].Beijing: State Flood Control and Drought Relief Headquarters,2009.(in Chinese))

[2] 李昌志,郭 良,劉昌軍,等.芻議山洪災害分析評價[J].中國水利,2014,18(4): 14-17.(LI Chang-zhi,GUO Liang,LIU Chang-jun,etal.Preliminary Studies on Mountain Flood Disaster Evaluation[J].China Water Resources,2014,18(4): 14-17.(in Chinese))

[3] 陳桂亞,袁雅鳴.山洪災害臨界雨量分析計算方法研究[J].人民長江,2005,36(12): 40-43.(CHEN Gui-ya,YUAN Ya-ming.Research on Critical Precipitation Amount Computation Method of Mountain Torrential Flood Disaster[J].Yangtze River,2005,36(12): 40-43.(in Chinese))

[4] 李昌志,孫東亞.山洪災害預警指標確定方法[J].中國水利,2012,(9): 54-56.(LI Chang-zhi,SUN Dong-ya.Determination of Flood Warning Index for Mountain Flood[J].China Water Resources,2012,(9): 54-56.(in Chinese))

[5] 程衛(wèi)帥.山洪災害臨界雨量研究綜述[J].水科學進展,2013,24(6): 902-908.(CHENG Wei-shuai.A Review of Rainfall Thresholds for Triggering Flash Floods[J].Advances in Water Science,2013,24(6):902-908.(in Chinese))

[6] 張平倉,任洪玉,胡維忠,等.中國山洪災害區(qū)域特征及防治對策[J].長江科學院院報,2007,24(2):9-12.(ZHANG Ping-cang,REN Hong-yu,HU Wei-zhong,etal.Zone Characteristics of Chinese Mountain Torrent Disasters and Countermeasures[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2007,24(2):9-12.(in Chinese))

[7] 孫厚才,沙 耘,黃志鵬.山洪災害研究現(xiàn)狀綜述[J].長江科學院院報,2004,21(6): 77-80.(SUN Hou-cai,SHA Yun,HUANG Zhi-peng.Review of Present Situation in Studying Mountain Torrent Disaster[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2004,21(6): 77-80.(in Chinese))

[8] 孫志東.山洪災害預警準確度與及時度研究[J].湖南水利水電,2006,(2):63-64.(SUN Zhi-dong.Mountain Torrent Disaster Warning Accuracy and Timeliness of Research[J].Hunan Hydro &Power,2006,(2):63-64.(in Chinese))

[9] 陳學兄,常慶瑞,郭碧云,等.基于SRTMDEM數(shù)據(jù)的中國地形起伏度分析研究[J].應用基礎與工程科學報,2013,21(4):670-678.(CHEN Xue-xiong,CHANG Qing-rui,GUO bi-yun,etal.Analytical Study of the Relief Amplitude in China Based on SRTM DEM Data[J].Journal of Basic Science and Engineering,2013,21(4):670-678.(in Chinese))

[10]楊海紅,李紅英.層次分析法在黃土邊坡治理方案優(yōu)選中的應用[J].長江科學院院報,2006,23(3):55-58.(YANG Hai-hong,LI Hong-ying.Application of Analytic Hierarchy Process in Regulating Loess Slope[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2006,23 (3): 55-58.(in Chinese))

(編輯：曾小漢)

Assessment of the Difficulty of Warning Mountain TorrentDisasters: Case Study of the Yangtze River Basin

CAI Dao-ming1,XIAO Xiang2,SUN jin-wei1

(1.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China;2.Bureau of Water and Soil Conservation,Changjiang Water Resources Commission,Wuhan 430010,China)

Assessing the difficulty of early-warning mountain torrent flood disaster is a basic research in the study of mountain flood disaster prevention in China.In this study,we built the assessment index system by using geostatistics method based on historical disasters,geographical background,and socio-economic data.The assessment index system includes the types of the torrent flood processes,underlying surface complexity and maintainability and performability of equipment.Analytic Hierarchy Process was employed to give weights to various indicators and the assessment model was obtained.The model was applied to assess the difficulty of early-warning torrent flood disaster in the Yangtze river basin.Results showed that areas difficult to warning are mainly concentrated in the south of Gansu Province,middle Sichuan province,the north of Yunnan,northeast of Guizhou,Northwest of Hubei,and large parts of Chongqing.These areas are frequently subjected to landslides and debris flows with high mountains and steep slopes unaccessible and high costs of installing and maintaining equipment as well as fiscal difficulty.Qinghai,Sichuan basin,and the middle and lower reaches of Yangtze river are less difficult to warn.The assessment results are consistent with field investigation of typical regions.The research results may provide new perspective and basis for policy-making on the control of torrent flood disasters in China.

Yangtze river basin;mountain torrent disaster;warning difficulty;analytical hierarchy process；flood prevention and disaster mitigation

2015-01-09；

2015-01-14

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAK10B04)；水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助項目(201301058，201301059)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費資助項目(CKSF2015010/TB)

蔡道明(1983-)，男，湖北石首人，工程師，碩士，主要從事水土保持、自然災害理論與分析方法研究，(電話)027-82926205(電子信箱)cdm1528@126.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.017

P426.616 ；TP79

A

1001-5485(2015)03-0084-05

2015,32(03):84-88,94