魏澤彪，王秋良，孫 翔，嚴(yán)恒恒

(1.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518000；2.南方科技大學(xué)，廣東 深圳 518000；3.深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518000)

1 概述

山洪是常見(jiàn)的自然災(zāi)害之一，指暴雨、融雪等原因造成的突發(fā)性洪水，具有區(qū)域性明顯、易發(fā)性強(qiáng)、沖刷破壞力強(qiáng)、預(yù)測(cè)預(yù)防難度大等特點(diǎn)，嚴(yán)重制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展[1-3]。山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分是洪災(zāi)評(píng)估與預(yù)防管理工作重要的內(nèi)容[4-5]，山洪危險(xiǎn)性特征、承災(zāi)能力及社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、查詢(xún)、檢索、顯示，能科學(xué)、系統(tǒng)認(rèn)識(shí)其洪澇成因，為防洪工程規(guī)劃設(shè)計(jì)指明方向，為災(zāi)害預(yù)防及管理提供科學(xué)理論依據(jù)[6-9]。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)不同尺度區(qū)域的山洪風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)劃分以及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行了研究。劉家福、李京等結(jié)合自然災(zāi)害理論，綜合考慮降雨、土地利用、人均GDP等自然與社會(huì)兩方面的指標(biāo)，利用定性及定量綜合分析方法，對(duì)亞洲洪災(zāi)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)[10]。田國(guó)珍等[11]選擇降雨、河網(wǎng)密度、植被覆蓋率等指標(biāo)采用層次分析法、可變模糊集理論以及GIS對(duì)全國(guó)洪水災(zāi)害區(qū)域等級(jí)進(jìn)行了劃分，構(gòu)建了中國(guó)山洪災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，明晰了中國(guó)山洪災(zāi)害的分布特征[11-15]。王小笑等采用主成分分析及綜合指數(shù)法，考慮降雨、人口、耕地等指標(biāo)，研究了省級(jí)區(qū)域山洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分[16-18]。葛星等考慮洪峰流量、土壤類(lèi)型、坡度等指標(biāo)，采用邏輯回歸模型、轉(zhuǎn)換賦值函數(shù)分別對(duì)危險(xiǎn)性、易損性計(jì)算，對(duì)市、縣級(jí)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了討論[19]。

綜上所述，大部分學(xué)者均為大尺度開(kāi)展洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)研究，縣、區(qū)級(jí)層面上研究較少，龍華區(qū)作為深圳市產(chǎn)業(yè)大區(qū)，城市高密度建成，是粵港澳大灣區(qū)港深莞區(qū)域中軸重要?jiǎng)?chuàng)新節(jié)點(diǎn)，地理位置十分重要。本文基于GIS與層次分析法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以期對(duì)該區(qū)域城市規(guī)劃、防洪排澇治理以及管理提供科學(xué)依據(jù)[20-21]。

2 研究區(qū)概況

龍華區(qū)處于北回歸線(xiàn)以南，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，夏季盛行暖濕偏南氣流，冬季盛行干燥的偏北風(fēng)，位于深圳市中北部，地處北緯22°34′50″-22°46′30″，東經(jīng)113°58′-114°7′，南接福田中心區(qū)，西連寶安、光明，東鄰龍崗，北與東莞市交界，該區(qū)域轄區(qū)總面積為175.6 km2，均在觀瀾河流域范圍內(nèi)，觀瀾河是石馬河上游河段，自南向北流入東江，屬于東江水系。龍華轄區(qū)內(nèi)共有大小河流24條，河道總長(zhǎng)度為111.69 km，觀瀾河干流總長(zhǎng)為14.2 km，一級(jí)支流為13條，主要包括白花河、茜坑水、崗頭河、龍華河、油松河等，獨(dú)立支流為2條(君子布河、牛湖水)；水庫(kù)為16座，中型水庫(kù)茜坑水庫(kù)為全區(qū)唯一的飲用水供水，小型水庫(kù)為15座(水系及子流域劃分見(jiàn)圖1～圖2所示)?？傮w地勢(shì)南高北低，南部主要為低山丘陵地貌，北部地區(qū)為河灘沖積平原，地形平坦。全區(qū)降雨天數(shù)占全年38%，降雨南多北少、西北多東北少，時(shí)空分布不均，降雨年際變化較大，降雨年內(nèi)分配極不均勻，降雨主要集中在汛期(4—9月)，約占全年降雨量的80%，且降雨強(qiáng)度大，多以短時(shí)暴雨形式出現(xiàn)，導(dǎo)致洪澇災(zāi)害頻發(fā)。

圖1 龍華區(qū)水系示意

圖2 子流域劃分示意

3 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

山洪災(zāi)害受自然、經(jīng)濟(jì)因素綜合影響，本文以區(qū)域自然地理與社會(huì)經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面數(shù)據(jù)作為分析的基礎(chǔ)依據(jù)[10]，數(shù)據(jù)集為龍華區(qū)2012—2019年數(shù)據(jù)。自然地理數(shù)據(jù)包括1 h最大滑動(dòng)降雨量、年降雨量、地形起伏坡度、植被覆蓋率、河網(wǎng)密度、城區(qū)覆蓋率、河道比降，社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)包括GDP密度、人口密度等，數(shù)據(jù)指標(biāo)來(lái)源見(jiàn)表1。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源

3.2 研究方法

3.2.1數(shù)據(jù)處理

本次山洪風(fēng)險(xiǎn)研究分析將龍華區(qū)河流水系劃分為23個(gè)小流域，一共75個(gè)節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖3)。每個(gè)流域選擇相當(dāng)數(shù)量的點(diǎn)，這些點(diǎn)主要分布在河流上游山區(qū)、中游城區(qū)與山區(qū)交界處、下游城區(qū)等位置，根據(jù)等高線(xiàn)密集的程度與河流長(zhǎng)度進(jìn)行相應(yīng)加密處理。各小流域?qū)?yīng)的降雨量數(shù)據(jù)采用靠近雨量站的值，含多個(gè)雨量站的小流域采用雨量站均值；地形起伏坡度根據(jù)地形圖等提??；河網(wǎng)密度為河道長(zhǎng)度與流域面積比值；植被覆蓋率、城區(qū)覆蓋率地理空間數(shù)據(jù)云進(jìn)行提??；GDP密度、人口密度根據(jù)河道所在街道進(jìn)行取值，含多個(gè)街道的取均值。將各個(gè)流域的最大1 h滑動(dòng)雨量、年降雨量、地形起伏坡度、植被覆蓋率、城區(qū)覆蓋率、河網(wǎng)密度、地形起伏坡度、GDP密度、人口密度等因子數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱歸一化，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的存儲(chǔ)格式，再利用GIS進(jìn)行插值分析計(jì)算，得到全區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)圖，并對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等級(jí)進(jìn)行劃分。

圖3 流域計(jì)算節(jié)點(diǎn)示意

對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，定義無(wú)量綱計(jì)算公式：

(1)

式中：

Xij——指標(biāo)取值；

i——導(dǎo)致山洪災(zāi)害的9個(gè)因子，i=1,2…9;

j——?jiǎng)澐值牟煌×饔颍琷=1,2…23；

βij——?dú)w一化值。

3.2.2指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

層次分析法(AHP)原理簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，本次采用層次分析法計(jì)算山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，將降雨作為致災(zāi)因子，地形地貌、河網(wǎng)水系作為孕災(zāi)因子，人均GDP密度與人口密度作為承災(zāi)因子，根據(jù)以上指標(biāo)建立洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系(見(jiàn)表2)。

表2 洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

指標(biāo)選取以及權(quán)重確定參照參考文獻(xiàn)[5][10]，由經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)家對(duì)指標(biāo)的顯著程度進(jìn)行判斷，得到判斷矩陣確定山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，通過(guò)計(jì)算判斷矩陣致災(zāi)因子、孕災(zāi)因子、承災(zāi)因子的CR均滿(mǎn)足小于0.1要求，最終得到洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重(見(jiàn)表3)。

表3 洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

3.2.3模型構(gòu)建

危險(xiǎn)性指數(shù)是山洪災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的致災(zāi)體強(qiáng)度；穩(wěn)定性指數(shù)是孕災(zāi)體強(qiáng)度；易損性指數(shù)是承災(zāi)體強(qiáng)度，結(jié)合自然災(zāi)害表達(dá)式為：綜合風(fēng)險(xiǎn)=危險(xiǎn)性+易損性+穩(wěn)定性[10]。

定義危險(xiǎn)性指數(shù)為Dij,穩(wěn)定性值為Sij,易損性為Eij,綜合山洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值為Z，則有：

(2)

(3)

(4)

Z=D+S+E

(5)

4 分析與討論

4.1 單因子風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)圖4可知，最大1 h降雨量大值分布在茜坑水、高峰水流域上游、黃泥塘、崗頭河下游區(qū)域；年降雨量大值區(qū)主要分布在南部油松河、上芬水流域；地勢(shì)起伏坡度大值主要分布在牛咀水、龍華河上游區(qū)域；城市覆蓋率大值主要分布在龍華區(qū)中南部區(qū)域；河道比降大值區(qū)域?yàn)辇埲A河上游山區(qū)；河流密度大值的分布在崗頭河以及大布巷水河口區(qū)域；人口密度大值分布在油松河上游到黃泥塘河河口區(qū)域；人均GDP密度大值分布在白花河、樟坑徑、君子布河流域。

a 最大1 h滑動(dòng)雨量

4.2 綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

利用GIS空間分析功能，對(duì)危險(xiǎn)性、穩(wěn)定性、易損性以及綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行計(jì)算，并采用5級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，等級(jí)越高表示影響性越大，確定洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判等級(jí)U={低風(fēng)險(xiǎn)、較低風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)}[25-26](見(jiàn)表4)，將綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行劃分如圖5所示。

表4 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分表[25]

a 龍華區(qū)山洪危險(xiǎn)性分級(jí)示意

4.2.1危險(xiǎn)性分析

根據(jù)圖5a可知：龍華區(qū)危險(xiǎn)性最大的區(qū)域?yàn)楦叻逅笼埲A河流域及崗頭河，黃泥塘水流域?yàn)楹芨唢L(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其周邊片區(qū)為中等至較高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；民治、觀瀾街道部分片區(qū)為中等風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；茜坑水部分地區(qū)為低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，主要是茜坑水庫(kù)對(duì)小流域局部氣候起了調(diào)節(jié)作用。

4.2.2穩(wěn)定性分析

根據(jù)圖5b可知：穩(wěn)定性較差的為牛咀水上游山區(qū)、賴(lài)屋山水庫(kù)山區(qū)、大水坑水上游山區(qū)，主要是山區(qū)地形起伏坡度分布不均等因素造成穩(wěn)定性差，引誘山洪的發(fā)生；其次為龍華區(qū)其余山區(qū)各處穩(wěn)定性較差或中等。穩(wěn)定性較好的區(qū)域?yàn)辇埲A區(qū)城區(qū)內(nèi)，均為好或較好，主要是城區(qū)內(nèi)市政排水管網(wǎng)健全，以及海綿城市等措施對(duì)洪水削減起到了相當(dāng)作用。

4.2.3易損性分析

根據(jù)圖5c可知：易損性最大的黃泥塘水至崗頭河流域周邊以及觀瀾街道大部分片區(qū)以及君子布河區(qū)域，受災(zāi)后會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失，主要是黃泥塘水至崗頭河流域內(nèi)人口聚集，君子布河區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好，GDP密度大，同時(shí)表明山洪災(zāi)害發(fā)生時(shí)人員傷亡最嚴(yán)重，其次才為經(jīng)濟(jì)損失；山洪發(fā)生造成損失最小的區(qū)域?yàn)楦叻逅?、冷水坑、茜坑水、丹坑水流域，易損性小，受災(zāi)后幾乎不會(huì)造成較大損失。

4.2.4綜合風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)圖5d可知：綜合風(fēng)險(xiǎn)度依次取值[0,0.1]、[0.1,0.2]、[0.2,0.3]、[0.3,0.4]、[1.4,0.5]，綜合風(fēng)險(xiǎn)由南向北大致呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，牛咀水流域上游山區(qū)、油松河流域上游山區(qū)、茜坑水全流域、丹坑水全流域發(fā)生洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)程度較高。高峰水至龍華河流域山洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為很高；民治街道部分區(qū)域及觀瀾湖片區(qū)較高；龍華區(qū)中部大部分地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等；山洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低區(qū)域?yàn)檐缈铀饔?、觀湖街道大部分片區(qū)、白花河流域。

4.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證評(píng)價(jià)合理性，利用已有文獻(xiàn)[22-23]進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)龍華區(qū)發(fā)生洪澇災(zāi)害69次，受災(zāi)區(qū)域主要為南部茜坑水、高峰水、牛咀水、崗頭河流域等地區(qū)，北部為白花河、大水坑河、君子布河等流域地區(qū)，以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方法發(fā)現(xiàn)牛咀水流域上游山區(qū)、高峰水以及君子布河等區(qū)域確實(shí)發(fā)生過(guò)洪澇災(zāi)害或發(fā)生災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)很高，表明構(gòu)建的模型對(duì)該區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分評(píng)價(jià)是合理。

圖6 2019年高峰水庫(kù)陽(yáng)臺(tái)山公園示意

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)構(gòu)建龍華區(qū)山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)模型，對(duì)該區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)合歷史資料進(jìn)行驗(yàn)證了模型的可靠性。危險(xiǎn)性較大為高峰水至龍華河及崗頭河流域；穩(wěn)定性較差為牛咀水上游、大水坑水上游；易損性最大的為黃泥塘水至崗頭河以及君子布河等流域。茜坑水、牛咀水、大水坑水流域以及民治水庫(kù)、賴(lài)屋山水庫(kù)周邊山區(qū)山洪風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為很高；中部地區(qū)大部分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等；白花河流域、觀湖街道大部分區(qū)域?yàn)檩^低。