李曉剛，張海龍

（1.商洛學院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學院，陜西商洛 726000;2.印第安納大學-普渡大學印第安納波利斯聯(lián)合分校地球科學系，印第安納波利斯，印第安納州 46202）

受全球氣候變化影響暴雨洪水發(fā)生頻率增加，洪水災害已成為眾多自然災害中發(fā)生頻率最大，累計損失最多的突發(fā)性災害之一[1]。洪水災害危險性評價是從自然環(huán)境因素出發(fā)，應用致災因子和孕災環(huán)境兩方面分析評價，為區(qū)域防洪減災和洪水管理提供重要的實踐意義[2-3]。近十年來，國內(nèi)外學者借助GIS（地理信息系統(tǒng)Geography Information System）技術(shù)對各級行政區(qū)，如國家級[4]、省級[5-8]、市級[9-10]、縣級[11]和鎮(zhèn)級[12]都開展洪水災害評價研究，為當?shù)胤篮楣こ檀胧┑闹贫ㄌ峁┛茖W支撐。流域是徑流產(chǎn)、匯流的基本地貌單位，也是影響洪水量級大小的主要因子之一。目前針對流域尺度洪水危險性評價鮮見，雖然前人在湘江流域和渭河下游洪災評價研究[13-14]，也是以縣域作為基本的研究單元。丹江作為漢江最大的一級支流，其洪水的波及效應足以影響到漢江中下游和丹江口水庫。丹江流域洪水研究集中在不同河段單次洪水水文特性和河流健康兩個方面[15-19]。本文以國家南水北調(diào)中線水源地的丹江流域作為研究對象，選取降水量、地形高程和坡度、水系分布等因子，運用GIS疊加分析技術(shù)對洪水災害進行危險性評價，為丹江流域防洪減災決策提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

丹江流域作為南水北調(diào)中線水源地備受關(guān)注。它發(fā)源于秦嶺南麓，自西北向東南流去，全長433 km，流域面積16 812 km2。流域內(nèi)近30年平均降水量785 mm，降水季節(jié)性明顯，6～9月暴雨集中，是造成大洪水的主要原因。丹江流域歷史大洪水都集中在夏季，荊紫關(guān)水文站記載最大洪水發(fā)生在2010年7月，洪峰流量10 000 m3·s－1；次大洪水發(fā)生在1876年7月，洪峰流量7360 m3·s－1；第三大和第四大洪水出現(xiàn)在1935年8月和1854年7月，洪峰流量分別是6426 m3·s－1和6350 m3·s－1。洪水給丹江流域人民生命財產(chǎn)造成了重大損失。2010年7月23～25日，丹江流域普降大到暴雨，竹林關(guān)水文站和武關(guān)水文站發(fā)生了建站以來第二大和第三大洪水，過風樓水文站出現(xiàn)有史以來最大洪水，屬于兩百年一遇大洪水。洪水造成28個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、29.7萬人不同程度受災，因災死亡12人，失蹤31人，經(jīng)濟損失14.8億[18]。丹江流域支流眾多，流域面積超過200km2的有板橋河、油磨河、南秦河、會峪河、老君河、銀花河、武關(guān)河、清油河、縣河、冷水河、滔河、淇河、老灌河等。丹江流域地勢東低西高，地貌起伏變化大，既有秦嶺、流嶺、鶻嶺、新開嶺、蟒嶺等高大山脈，也有商丹盆地、西峽盆地和穿插其中的低山丘陵地貌。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 評價指標

洪水災害危險性評價是從災害的自然屬性出發(fā)，分為致災因子和孕災環(huán)境兩方面。致災因子指誘發(fā)洪水的因素，暴雨洪水是丹江流域的主要洪水類型，故選用多年平均降水量作為致災因子的評價指標。孕災環(huán)境指形成洪水災害的環(huán)境，也就是下墊面因素，選用地形高程、坡度和水系分布作為孕災環(huán)境的評價指標（圖1）。

圖1 丹江流域洪水災害危險性評價指標體系

2.2 研究方法

運用GIS空間分析工具，對洪水災害危險性評價的各項指標進行了重分類、屬性提取、柵格代數(shù)計算、緩沖區(qū)分析、疊加分析。

2.3 數(shù)據(jù)來源

丹江流域降水量和水系數(shù)據(jù)來自中科院地理科學與資源研究所資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺。地形高程和坡度數(shù)據(jù)來自美國航空航天局（NASA）提供的90 m×90 m分辨率SRTM—DEM（Shuttle Radar Topography Mission -Digital Elevation Model）數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水對洪水災害危險性的影響

丹江流域地處北亞熱帶和暖溫帶過渡區(qū)，受東南季風和西南季風影響，降水具有季節(jié)性明顯和年際變化大的特征。從圖2可以看出，丹江流域年內(nèi)降水集中在6～9月，近36年這4個月的平均降水量總和達到498 mm，占全年平均降水量的63.44%。水文站實測和歷史文獻記載，丹江流域大洪水都發(fā)生在夏季。降水年際變化可以通過降水變率的大小來衡量。依據(jù)中科院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心提供的1980—2015年全國降水量插值圖，提取丹江流域范圍內(nèi)的商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣、西峽縣和淅川縣等五個國家級氣象站的逐年降水量數(shù)值，計算其平均值和年際降水變率（圖3）。從圖3可知，近36年中，7年的降水變率超過15%，降水不穩(wěn)定，易發(fā)生洪水災害。

圖2 丹江流域1980—2015年月平均降水量

圖3 丹江流域1980—2015年降水變率

運用ArcGIS 10.2軟件將36幅降水量逐年插值圖按丹江流域界線分別裁剪后，使用柵格計算器工具計算其平均值。使用重分類工具和自然間斷點分級法將丹江流域年平均降水量分為五級，并按從低到高的順序為影響度賦值0.4～0.8（表1），即降水量越大，洪水災害危險性越高。根據(jù)重分類結(jié)果和賦值得到丹江流域降水量因子影響分布圖（圖4），通過各級屬性表和像元大小即可計算各影響度的相應面積和空間分布狀況。

表1 丹江流域年均降水量影響度

從圖4可以看出，丹江流域降水量呈現(xiàn)出東南高、西北低，山區(qū)多、盆地低地少的空間分布特征。年均降水量＜765.3 mm，對丹江流域洪水災害影響度為0.4，危險程度低的區(qū)域占全流域9.3%，面積1560 km2，主要分布在商州以西北和商丹盆地。年均降水量介于765.3～801.4 mm，對洪水災害影響度為0.5，危險程度較低的區(qū)域占全流域19.2%，面積3228 km2，主要分布在丹鳳北部蟒嶺、西峽盆地和商南地勢較低的區(qū)域。年均降水量介于801.4～829.5 mm，對洪水災害影響度為0.6，危險程度中等的區(qū)域占全流域35.5%，面積5968 km2，主要分布在丹鳳南部和淅川地勢較低的區(qū)域。年降水量介于829.5～862.5 mm，對洪水災害影響度為0.7，危險程度較高的區(qū)域占全流域25.2%，面積4228 km2，主要分布在西峽北部和淅川西北部。年降水量＞862.5 mm，對洪水災害影響度為0.8，危險程度高的區(qū)域占全流域10.9%，面積1828 km2，主要分布在流嶺、鶻嶺、新開嶺、鄖西大梁、老君山、伏牛山等山脈。

圖4 丹江流域降水量影響因子分布圖

3.2 地形對洪水災害危險性的影響

洪水災害的發(fā)生與研究區(qū)域的地形特征緊密相關(guān)，地形高程越低、地形變化程度越小，洪水災害的危險性越高[9-11]。地形高程使用分辨率90 m×90 m DEM數(shù)據(jù)，丹江流域絕對高程介于124～2141 m，平均值 817.3 m，標準差 363.8 m。地形變化程度（即坡度）使用高程相對標準差衡量，高程標準差越小，地形變化程度越小。高程標準差計算方法是使用空間分析工具中鄰域分析功能，鄰域設(shè)置為3×3窗口，統(tǒng)計類型選擇STD（Standard Deviation）。丹江流域高程標準差最大值115.8 m，最小值0 m，平均值23.1 m。使用自然間斷點分級法將丹江流域DEM絕對高程分為五級，高程標準差分為三級，對洪水災害的影響程度賦值0.3～0.9（表2）。運用空間分析工具中的地圖代數(shù)，將五級絕對高程和三級高程標準差設(shè)定為條件分析函數(shù)，柵格計算后得到丹江流域綜合地形因子分布圖（圖5）。

圖5 丹江流域綜合地形影響因子分布圖

從圖5中可以看出，丹江流域地形特征對洪水災害影響程度的空間分布狀況，通過柵格計算結(jié)果的屬性表能夠計算各影響度對應的面積。丹江流域地形因子造成洪災危險性極低、很低和較低的區(qū)域面積分別占流域總面積的4.1%、12.7%和20.2%，主要分布在丹江及各支流的分水嶺山脈，如秦嶺、伏牛山、流嶺等。丹江流域地形因子造成洪災危險性較高、很高和極高的區(qū)域面積分別占流域總面積的17.3%、11.7%和12.7%，主要分布在商丹大斷裂造成的商丹盆地、商南西峽低地，以及丹江出荊紫關(guān)河谷兩側(cè)和支流老灌河下游淅川低地。

表2 丹江流域綜合地形影響度

3.3 水系對洪水災害危險性的影響

水系對洪水災害的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，一是河流級別，一是距河道遠近。河流級別越高、距河道越近，洪水災害的危險性就越高。綜合考慮河流級別和同一河流在不同河段的高程差異，結(jié)合前人在漢江上游安康市[9]和漢中市[10]兩級緩沖區(qū)的寬度，確定丹江流域干流、一級支流和二級及其他支流在不同高程區(qū)間的一級緩沖區(qū)和二級緩沖區(qū)寬度（表3）。運用空間分析工具中的疊加分析功能，將丹江流域主要水系矢量圖與DEM柵格圖疊加，按絕對高程的五級分類將丹江干流及各級水系分割為若干折線。丹江干流、流域面積大于200 km2的13條一級支流和53條二級支流及其他支流分別被分割成4條、42條和120條折線。使用空間分析工具中緩沖區(qū)功能，將上述折線矢量圖按照表3所示緩沖區(qū)寬度分別建立多環(huán)緩沖區(qū)，而后進行合并和融合。根據(jù)前人研究結(jié)果，一級緩沖區(qū)賦值0.9，二級緩沖區(qū)賦值0.8，非緩沖區(qū)賦值0.5[9-11]，得到丹江流域綜合水系影響因子分布圖（圖6）。從圖6可以看出，丹江干流和位于下游的老灌河、淇河和滔河等三條一級支流的一級和二級緩沖區(qū)范圍較大。這是由于丹江干支流的整體流向是從西北向東南，而降水量也呈現(xiàn)出由西北向東南增加的趨勢，兩個原因疊加造成丹江流域東南部（即丹江下游）的緩沖區(qū)范圍大，洪水災害的危險性高。根據(jù)丹江流域綜合水系因子分布矢量圖的屬性表計算可知，一級緩沖區(qū)面積4879 km2，二級緩沖區(qū)面積3264 km2，分別占全流域面積的29.0%和19.4%。

表3 丹江流域各級河流緩沖區(qū)寬度值

3.4 洪水災害危險性綜合評價

據(jù)丹江流域洪水災害危險性評價指標體系（圖1），降水因子、地形因子和水系因子共同對洪水災害造成影響。對于洪水災害來說，致災因子和孕災環(huán)境都至關(guān)重要，沒有降水因子的誘發(fā)，即使地形高程再低，高差再低平，也不會發(fā)生洪水災害；反之亦然。所以降水因子、地形因子和水系因子三者同等重要，三者權(quán)重同為0.333。將三個因子按照式(1)，使用空間分析工具中的柵格計算器功能進行疊加分析，即得到丹江流域洪水災害危險評價等級圖（圖7）。

圖6 丹江流域綜合水系影響因子分布圖

圖7 丹江流域洪水災害危險性評價等級圖

從圖7可以看出，丹江干流下游和一級支流老灌河、淇河和滔河下游河谷兩側(cè)由于降水量較多、地勢很低且位于一級緩沖區(qū)內(nèi)，所以造成洪水災害危險性等級最高。丹鳳縣以上的丹江流域范圍，除商丹盆地以外，由于降水量少、地勢較高且大多沒有處于一級、二級緩沖區(qū)，造成洪水災害的危險性等級最低。根據(jù)丹江流域洪水災害危險性評價等級柵格圖的屬性表計算可知，低危險性和較低危險性的面積分別為935 km2和5122 km2，占全流域面積的5.6%和30.5%；中等危險性的面積為4710 km2，占全流域面積的28.0%；高危險性和較高危險性的面積分別為1447 km2和4598 km2，占全流域面積的8.6%和27.3%。

4 結(jié)論

1）降水量因子對丹江流域洪水災害的影響呈現(xiàn)出東南高、西北低，山區(qū)多、盆地低地少的空間分布特征。綜合地形因子造成洪災危險性較高、很高和極高的區(qū)域主要分布在商丹大斷裂造成的商丹盆地、商南西峽低地，以及丹江出荊紫關(guān)河谷兩側(cè)和支流老灌河下游淅川低地。水系因子在丹江干流和位于下游的老灌河、淇河和滔河等三條一級支流對洪災危險性的影響最大。

2）將降水因子、地形因子和水系因子疊加分析，并將丹江流域洪水災害危險性分為五個等級：低危險性935 km2，占全流域面積的5.6%；較低危險性5122 km2，占全流域的30.5%；中等危險性4710 km2，占全流域的28.0%；高危險性1447 km2，占全流域的8.6%；較高危險性4598 km2，占全流域的27.3%。

洪水災害的危險性不僅與降水、地形和水系等組成的自然要素相關(guān)，而且還與聚落分布、經(jīng)濟發(fā)展水平等社會要素相關(guān)，也與河道兩岸防洪工程建設(shè)、水庫容量與泄洪能力、決策者和公眾防洪意識相關(guān)，這些影響因素都為后續(xù)丹江流域洪水災害評價提供研究思路。