劉曉冉, 康 俊, 王 穎, 李永華

(重慶市氣候中心, 重慶 401147)

山洪是山區(qū)小流域由降水引發(fā)的突發(fā)性、暴漲暴落的地表徑流，山洪災(zāi)害多為短歷時強降雨造成，具有來勢猛、成災(zāi)快、破壞力強等特點[1-3]。重慶市山丘廣布，類型復(fù)雜，地形崎嶇，高差懸殊，河流縱橫，切割強烈，這種地貌有利于山洪災(zāi)害的發(fā)展和形成[4]，尤其是夏季受南亞夏季風和東亞夏季風的共同影響，雨量充沛，暴雨頻繁，暴雨區(qū)域范圍廣、強度大、發(fā)生頻率高[5-6]，暴雨是造成山洪災(zāi)害的根源[4]。近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，山丘區(qū)開發(fā)建設(shè)活動日益頻繁，森林破壞，土地退化，水土流失嚴重，縮短了雨水產(chǎn)生徑流的時間，河道、水庫、塘、堰等因泥沙淤積降低了蓄洪滯洪功能，加劇了山洪災(zāi)害[4]。重慶市特殊的氣候條件、地理環(huán)境和人為因素，使之成為山洪災(zāi)害的頻發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)。重慶市山洪災(zāi)害幾乎年年發(fā)生，因山洪誘發(fā)的各種災(zāi)害較多，造成的直接經(jīng)濟損失和人員傷亡較重[7]。全市范圍均屬于山洪災(zāi)害防治區(qū)，重點防治區(qū)所占比例高達40%，是制約當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展的重要因素之一[8]。山洪災(zāi)害風險區(qū)劃是根據(jù)研究區(qū)域山洪危險性特征，并參考區(qū)域災(zāi)害承受能力及社會經(jīng)濟狀況，把研究區(qū)域劃分為不同風險等級的區(qū)域，對于防災(zāi)減災(zāi)決策和管理具有重要意義[9-10]。根據(jù)自然災(zāi)害風險評估理論，一般從致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境脆弱性、承災(zāi)體暴露性和防災(zāi)減災(zāi)能力等方法進行量化分析[11]。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，近年來不少學(xué)者將山洪災(zāi)害風險評估與GIS技術(shù)相結(jié)合，從危險性評價和易損性評價兩個方面選擇因子，開展了福建閩江上游、清遠市瑤安小流域、呂梁地區(qū)小流域、曹江上游小流域等小流域區(qū)域[12-15]，以及黃山風景區(qū)、海南島、河南省、遼寧省等大范圍地區(qū)[16-19]的山洪災(zāi)害風險評估與區(qū)劃研究。另一方面，不少工作將GIS與水動力模型相結(jié)合應(yīng)用于洪水淹沒模擬研究，F(xiàn)loodArea模型是由德國Geomer公司開發(fā)的洪水淹沒模型，主要基于水動力原理模擬洪水淹沒范圍和淹沒深度[20]。Gemmer[21]通過FloodArea水動力淹沒模型發(fā)展編制流域風險圖技術(shù)，國內(nèi)一些學(xué)者[22-27]利用FloodArea模型通過模擬大通河流域、淠河流域以及云南、西藏東南部、新疆尼勒克縣等不同地區(qū)山洪個例來推算致災(zāi)臨界面雨量，這成為確定山洪致災(zāi)臨界面雨量的新方法。FloodArea模型的優(yōu)勢在于既考慮水動力原理又不需要歷史觀測水文資料，很好地解決了以往水文數(shù)據(jù)缺乏的問題。由于重慶市大部山洪溝沒有水文站，缺乏逐時的淹沒水深數(shù)據(jù)，利用FloodArea模型來確定山洪致災(zāi)臨界面雨量較為適宜。周杰等[28]利用FloodArea模型模擬了重慶市清江河流域山洪致災(zāi)臨界面雨量，取得比較好的效果。本文結(jié)合自然災(zāi)害風險評估理論和FloodArea水動力模型淹沒模擬，綜合考慮影響山洪災(zāi)害風險的主要因子和具體指標，建立重慶市山洪災(zāi)害風險評估模型，開展山洪災(zāi)害風險評估與區(qū)劃，這對于政府部門山洪災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)具有一定的科學(xué)指導(dǎo)意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

(1) 氣象數(shù)據(jù)為重慶市氣象信息與技術(shù)保障中心提供重慶市范圍內(nèi)34個國家氣象站1981—2015年氣象資料年報表數(shù)據(jù)及2005—2015年逐小時降水資料。

(2) 地理信息數(shù)據(jù)包括美國NASA網(wǎng)站(https:∥www.nasa.gov/)下載的STRM1∶5萬的DEM數(shù)據(jù)和1∶25萬植被指數(shù)NDVI，以及清華大學(xué)2010年土地利用矢量數(shù)據(jù)中1∶25萬土地覆蓋類型數(shù)據(jù)。

(3) 社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)包括分辨率為1 km×1 km的重慶市各區(qū)縣人口、GDP等經(jīng)濟社會資料，來源于國家綜合地球觀測數(shù)據(jù)共享平臺(http:∥www.chinageoss.org/dsp/home/index.jsp)。

(4) 地形坡度、河網(wǎng)密度和臨河距離通過DEM數(shù)據(jù)處理得到。

(5) 山洪災(zāi)害資料來自重慶市氣象臺災(zāi)情直報系統(tǒng)1981—2018年災(zāi)情數(shù)據(jù)。

1.2 重現(xiàn)期計算和雨型分析

基于重慶市34個國家氣象站1981—2015年24 h最大降水量資料，采用廣義極值分布函數(shù)進行擬合，計算不同重現(xiàn)期降水的空間分布?；?005—2015年逐小時降水資料，滑動選取最大4場不重合的降水，記錄每場降水逐小時降水量，計算每小時降水占該場總降水的百分率，最后對多場降水進行平均，得到1～24 h逐時的降水平均雨型分布。

1.3 FloodArea模型

FloodArea模型是由德國Geomer公司開發(fā)的基于GIS柵格數(shù)據(jù)構(gòu)建的二維非恒定流的水文動力學(xué)模型，被廣泛應(yīng)用于洪水演進淹沒模擬、洪水動態(tài)風險評估等，國內(nèi)的應(yīng)用表明了其在不同地區(qū)山洪淹沒模擬具有比較好的適用性[22-28]。FloodArea模型用Manning-Stricker公式計算每個柵格單元與周圍8個單元間的洪水流量，相鄰單元的水流寬度被認為是相等的，位于對角線的單元以不同的長度算法來計算，坡度由單元最低水位和最高高程差異決定，水流方向由柵格間坡度決定，水流的淹沒深度為淹沒水位高程和地面高程間的差值[20]。

1.4 災(zāi)害風險評估方法

1.4.1 災(zāi)害風險評估原理 災(zāi)害風險評估是基于定量的角度對災(zāi)害發(fā)生的形式和強度予以評估，一般考慮致災(zāi)因子危險性(D)、孕災(zāi)環(huán)境脆弱性(V)、承災(zāi)體暴露性(E)和防災(zāi)減災(zāi)能力(P)4個主要評估因子，每個因子包含一系列指標。

1.4.2 指標歸一化 自然災(zāi)害風險評估及區(qū)劃評估參數(shù)不同，每個評估因子包含了若干指標，由于各個指標具有不同的量綱和不同的數(shù)量級，無法直接進行比較。為了使得各個指標間具有可比性，必須對每個具體指標做歸一化處理，從而使每個指標數(shù)值分布在[0,1]區(qū)間范圍內(nèi)。

(1)

式中：Dij——第j個因子第i個指標值的歸一化值；Aij——第j個因子第i個指標值； mini——第i個指標值中的最小值； maxi——第i個指標值中的最大值。

1.4.3 加權(quán)綜合評價法 加權(quán)綜合評價法是災(zāi)害風險綜合評估的常用方法，主要是依據(jù)每個評估因子對總目標的影響程度，預(yù)先分配一個相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，然后再與該評估因子相應(yīng)各指標的量化值相乘后再相加。具體公式為：

(2)

式中：Vj——第j個因子的總值；Wi——第i個指標的權(quán)重；n——評價指標個數(shù)。

1.4.4 自然斷點分級法 自然斷點分級法是用統(tǒng)計公式來確定屬性值的自然聚類，其功能是減少同一級中的差異、增加級間的差異。計算公式為：

(3)

式中：A——一個數(shù)組長度為k的數(shù)組，meani-j——每個等級中的平均值。

1.4.5 專家打分法 專家打分法，也稱德爾菲法(Delphi)，是通過匿名方式征詢有關(guān)專家的意見，對專家意見進行統(tǒng)計、處理和歸納，綜合多數(shù)專家經(jīng)驗與主觀判斷，對大量難以采用技術(shù)方法進行定量分析的因子做出合理估算，經(jīng)過多輪意見征詢、反饋和調(diào)整后，來確定各因子的權(quán)重系數(shù)。該方法與層次分析法(AHP)、聚類及組合權(quán)重法等傳統(tǒng)的指標權(quán)重確定方法相比，雖存在一定的主觀因素，但能較好地反映實際情況下各致災(zāi)因子在災(zāi)害形成過程的作用。

2 山洪災(zāi)害風險分析

2.1 指標體系構(gòu)建

根據(jù)自然災(zāi)害風險評估理論和指標體系的構(gòu)建原則，結(jié)合影響重慶市發(fā)生山洪災(zāi)害的因素，從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體和防災(zāi)減災(zāi)能力4個方面考慮評估因子，在各指標選取上參考了前人的研究工作，致災(zāi)因子危險性指標主要考慮反映山洪頻次的災(zāi)害頻次和反映山洪強度的模擬淹沒水深，孕災(zāi)環(huán)境脆弱性主要考慮地形坡度、河網(wǎng)密度和臨河距離，承災(zāi)體暴露性主要考慮人口密度、經(jīng)濟密度和耕地比例，防災(zāi)減災(zāi)能力主要考慮人均GDP和植被指數(shù)，選取了10個指標進行山洪災(zāi)害風險分析，并通過專家打分法確定各評價因子及其指標的權(quán)重系數(shù)，構(gòu)建重慶市山洪災(zāi)害風險評估指標體系(圖1)。最后利用加權(quán)綜合評價法得到綜合山洪災(zāi)害風險指數(shù)，對山洪災(zāi)害風險進行評估。

圖1 山洪災(zāi)害風險評估指標體系及指標權(quán)重

2.2 致災(zāi)因子危險性

致災(zāi)因子危險性指形成山洪災(zāi)害的自然變異因素及其異常程度。一般來說，山洪致災(zāi)因子危險性越高，山洪災(zāi)害的風險也就越大。這里山洪災(zāi)害致災(zāi)因子主要考慮山洪災(zāi)害頻次和FloodArea模型模擬100 a重現(xiàn)期24 h最大降水量的淹沒水深。

2.2.1 山洪災(zāi)害頻次 重慶市山洪災(zāi)害頻次分布圖(圖2)表明，重慶東北部的巫溪、西南部的江津、東南部的酉陽和西北部的合川為高發(fā)區(qū)，頻次每年在2.2次以上，重慶西部的銅梁、璧山及主城沙坪壩山洪災(zāi)害發(fā)生頻次較低，每年在1.1次以下。

圖2 重慶市1981-2014年山洪災(zāi)害頻次分布

2.2.2 FloodArea模擬淹沒水深 圖3為采用廣義極值分布函數(shù)擬合的重慶市100 a重現(xiàn)期最大降水量的空間分布，重慶市有3個高值中心，分別位于東北部的梁平和開州、西部的銅梁和璧山以及東南部的彭水，均在300 mm以上，最大值位于開州，達339.9 mm。低值區(qū)位于在西南部的巴南、涪陵、南川、綦江地區(qū)，均在150 mm以下。

圖3 廣義極值分布函數(shù)擬合的重慶市100 a重現(xiàn)期24 h最大降水量分布

根據(jù)24 h雨型分布和100 a重現(xiàn)期最大降水量計算得到24 h逐時降水量，將其作為FloodArea水動力模型的輸入?yún)?shù)，模擬計算降水在地面產(chǎn)生的匯流情況，輸出逐小時的淹沒水深和范圍，并提取最大淹沒范圍和深度(圖4)，可以看出即使是100 a重現(xiàn)期的降水量，淹沒水深在河流山谷比較深。

圖4 FloodArea模擬重慶市100 a重現(xiàn)期24 h最大降水雨型的淹沒范圍和深度

2.2.3 致災(zāi)因子危險性區(qū)劃 山洪頻率越高、模擬流域淹沒水深越深，山洪災(zāi)害致災(zāi)因子的危險性越高，山洪災(zāi)害的風險也就越大。運用自然斷點分級法將致災(zāi)因子危險性指數(shù)D劃分為低、次低、中等、次高、高5個危險區(qū)，對應(yīng)的D值依次為0.50～0.52，0.52～0.54，0.54～0.57，0.57～0.86，0.86～0.96，得出重慶市山洪災(zāi)害致災(zāi)因子危險性區(qū)劃圖(附圖6)，次高和高危險區(qū)主要分布在重慶東北部的巫溪、萬州、忠縣地區(qū)，西南部的江津、永川、綦江，東南部的酉陽、彭水，西北部的合川以及中部的涪陵，其中合川和江津大部地區(qū)為高危險區(qū)。

2.3 孕災(zāi)環(huán)境脆弱性

孕災(zāi)環(huán)境脆弱性是指衡量自然環(huán)境發(fā)生災(zāi)害可能性大小的因子，是地貌、水文等各種自然因素和社會經(jīng)濟因素對山洪災(zāi)害影響的敏感度和適應(yīng)能力的綜合反映。在同等致災(zāi)強度下，孕災(zāi)環(huán)境脆弱性高低具有放大或者縮小災(zāi)情的作用。因此，孕災(zāi)環(huán)境脆弱性越高，山洪災(zāi)害風險也越大。根據(jù)自然環(huán)境對山洪災(zāi)害的影響能力，并結(jié)合重慶市的孕災(zāi)環(huán)境，主要選取地形坡度、河網(wǎng)密度和臨河距離作為孕災(zāi)環(huán)境脆弱性評價指標。在地心引力作用下，地表徑流向低洼地區(qū)匯聚，因此地形坡度越大，越容易發(fā)生山洪。河網(wǎng)密度是流域結(jié)構(gòu)性特征的重要指標，反映了流域地形切割程度，決定了該流域承受山洪能力的強弱。河網(wǎng)密度越高，臨河距離越近，產(chǎn)生山洪災(zāi)害的危險性越大。運用GIS空間分析功能，并利用自然斷點分級法將孕災(zāi)環(huán)境脆弱性指數(shù)V劃分為5個脆弱區(qū)，依次為低、次低、中等、次高、高5個脆弱區(qū)，對應(yīng)的V值依次為0.25～0.40，0.40～0.44，0.44～0.47，0.47～0.50，0.50～0.67，得到重慶市山洪災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境脆弱性區(qū)劃圖(附圖7)，可以明顯看出，長江、嘉陵江沿江河谷地帶的環(huán)境脆弱性高，重慶中西部其余廣大地區(qū)環(huán)境脆弱性次高，而東北部城口、巫溪的環(huán)境脆弱性較低。

2.4 承災(zāi)體暴露性

承災(zāi)體暴露性是指可能受到山洪威脅的社會經(jīng)濟和自然環(huán)境系統(tǒng)主體。一個地區(qū)暴露于山洪災(zāi)害危險因素的價值密度越高，可能遭受的潛在損失也就越大，風險也越高。根據(jù)重慶市社會經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)條件，選取人口密度、經(jīng)濟密度和耕地比例作為承災(zāi)體暴露性評估指標。人口密度、經(jīng)濟密度和耕地比例分別為區(qū)域內(nèi)人口總數(shù)、國內(nèi)生產(chǎn)總值和耕地面積與區(qū)域總面積之比，人口密度、經(jīng)濟密度和耕地比例越高的地區(qū)，可能遭受的損失越大，暴露性越高。運用GIS空間分析功能，承災(zāi)體暴露性E依據(jù)自然斷點分級法劃分為5個脆弱性等級，依次為低、次低、中等、次高、高5個暴露區(qū)，對應(yīng)的E值依次為0.50～0.52，0.52～0.57，0.57～0.63，0.63～0.74，0.74～0.92，得出重慶市山洪災(zāi)害承災(zāi)體暴露性區(qū)劃圖(附圖8)。重慶主城區(qū)、西南部的綦江、南川、武隆、涪陵地區(qū)，以及東北部的石柱、萬州、奉節(jié)、巫溪和城口的大部地區(qū)暴露性較高，為次高和高暴露區(qū)，尤其是重慶主城區(qū)、南川、武隆、涪陵、城口為高暴露區(qū)。重慶東南部的彭水、黔江、酉陽和秀山大部地區(qū)暴露性較低。

2.5 防災(zāi)減災(zāi)能力

防災(zāi)減災(zāi)能力是指受災(zāi)風險區(qū)對山洪災(zāi)害的抵御和恢復(fù)能力，是通過采取工程和非工程性措施來抵御和應(yīng)對山洪災(zāi)害所造成損失和破壞的能力，與地方經(jīng)濟發(fā)展水平呈正相關(guān)。這里主要考慮人均GDP和植被指數(shù)作為防災(zāi)減災(zāi)能力的體現(xiàn)。人均GDP越高經(jīng)濟越發(fā)達地區(qū)，防災(zāi)減災(zāi)的工程和非工程性措數(shù)量相對越多，山洪抗災(zāi)能力相對較強。植被指數(shù)越高，覆蓋越高越廣，涵養(yǎng)水源的能效越強。

基于GIS空間分析功能，利用自然斷點分級法防災(zāi)減災(zāi)能力P劃分為5個能力區(qū)，分別為低、次低、中等、次高、高5個防災(zāi)減災(zāi)能力區(qū)，對應(yīng)的P值依次為0.50～0.63，0.63～0.67，0.67～0.70，0.70～0.75，0.75～0.94，得到重慶市山洪災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)能力區(qū)劃圖(附圖9)。重慶主城區(qū)周邊大部地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)能力為次高和高能力區(qū)，而重慶東北部和東南部大部地區(qū)為低防災(zāi)減災(zāi)能力區(qū)。

3 山洪災(zāi)害風險綜合評估

在定量分析致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境脆弱性、承災(zāi)體暴露性和防災(zāi)減災(zāi)能力的基礎(chǔ)上，根據(jù)山洪災(zāi)害風險評估模型綜合風險C值，運用GIS軟件并結(jié)合自然斷點分級法將山洪災(zāi)害風險區(qū)劃分為低、次低、中等、次高、高5個風險等級區(qū)，依次為0.39～0.47，0.47～0.48，0.48～0.49，0.49～0.50，0.50～0.61，得出重慶市山洪災(zāi)害綜合風險等級區(qū)劃圖(附圖10)。重慶東南部、東北部和西南部大部地區(qū)的山洪災(zāi)害風險性較高，為次高和高風險區(qū)，尤其是重慶東北部的巫溪、東南部酉陽和彭水、西南部的江津以及西北部的合川為山洪災(zāi)害高風險區(qū)。而重慶西部的潼南、銅梁、榮昌、璧山，中部偏北的墊江、梁平大部分地區(qū)為低風險性區(qū)。

利用重慶市氣象臺災(zāi)情直報系統(tǒng)2015—2018年汛期期間的災(zāi)情信息，對山洪發(fā)生情況進行統(tǒng)計(表1)，近4 a來的山洪災(zāi)害發(fā)生的地點包括巫溪(2次)、城口、忠縣(2次)、豐都及武隆，主要分布于重慶的東北部和東南部，與山洪災(zāi)害綜合風險評估結(jié)果的高風險區(qū)較為一致，印證了山洪風險區(qū)劃的合理性。

表1 重慶市2015-2018年災(zāi)情直報系統(tǒng)山洪災(zāi)害統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 重慶市山洪災(zāi)害致災(zāi)因子危險性在合川和江津大部地區(qū)為高危險區(qū)。

(2) 山洪災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境脆弱性的高脆弱區(qū)主要位于長江、嘉陵江沿江河谷地帶，而重慶東北部城口、巫溪的環(huán)境脆弱性較低。

(3) 山洪災(zāi)害承災(zāi)體暴露性在重慶主城區(qū)、南川、武隆、涪陵、城口為高暴露區(qū)，東南部的彭水、黔江、酉陽和秀山大部地區(qū)暴露性較低。

(4) 山洪災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)能力在重慶主城區(qū)及涪陵、萬州城區(qū)周邊為次高和高能力區(qū)，而東北部和東南部大部地區(qū)為低防災(zāi)減災(zāi)能力區(qū)。

(5) 總體評估而言，重慶市山洪災(zāi)害風險高風險區(qū)主要位于重慶東北部的巫溪、東南部的酉陽和彭水、西南部的江津以及西北部的合川。而重慶西部的潼南、銅梁、榮昌、璧山，中部偏北的墊江、梁平大部分地區(qū)為低風險性區(qū)。