高牧寒，秦 昆，王少東，劉東海，沈瑞雄

（1. 武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079；2. 湖北省隨州市曾都區(qū)何店鎮(zhèn)人民政府，湖北 隨州 441332）

目前，遙感、地理信息系統(tǒng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，但多應(yīng)用于流域、區(qū)域、城市等大尺度范圍內(nèi)[1-2]，針對(duì)社區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等小尺度范圍的研究較少[3-6]。因此，本文以2021 年8 月12 日洪澇受災(zāi)區(qū)域，湖北省隨州市何店鎮(zhèn)為研究區(qū)，研究RS與GIS技術(shù)支持的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及避險(xiǎn)安置分析方法，為何店鎮(zhèn)在遭遇區(qū)域內(nèi)強(qiáng)降雨時(shí)，做好及時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、避險(xiǎn)安置等提供技術(shù)支持與參考數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

何店鎮(zhèn)位于湖北省隨州市曾都區(qū)南部，地理位置113°18′E，31°35′N(xiāo)，東西寬15 km，南北長(zhǎng)24 km。地區(qū)南部為海拔200 m 左右的低山丘陵，中部為海拔百米以下的陂陀崗地，東北一隅及鎮(zhèn)區(qū)為海拔60 m左右的平川。境內(nèi)有白果河水庫(kù)等，共計(jì)21處水庫(kù)，主要河流6條，全長(zhǎng)80多km。

2 研究方法

2.1 洪水演進(jìn)及淹沒(méi)區(qū)分析

根據(jù)《湖北暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集》、何店鎮(zhèn)歷史雨情等資料，進(jìn)行不同重現(xiàn)期的降雨量模擬。針對(duì)模擬降雨量，考慮土壤滲水與水庫(kù)滯洪的影響，采用SCS模型以及ArcGIS“水文分析”工具進(jìn)行積水量的計(jì)算。根據(jù)預(yù)估的洪澇積水量，結(jié)合DEM 數(shù)據(jù)，通過(guò)式（1）與式（2）分析不同洪水量的淹沒(méi)范圍及對(duì)應(yīng)水深，本文利用ArcGIS“表面體積”以及“柵格計(jì)算器”工具進(jìn)行分析計(jì)算。

式中，V為流域內(nèi)總積水量；hi為水深；Si為對(duì)應(yīng)水深為hi的柵格單元總面積。

式中，hi為柵格單元i對(duì)應(yīng)的水深；con（x，y）是一種條件計(jì)算函數(shù)；H為水淹高度值；Hi為柵格單元i對(duì)應(yīng)的地表高程值。

2.2 洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

本文參考自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)制及其制約因素[7]，選取致災(zāi)危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力為評(píng)價(jià)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)，根據(jù)專(zhuān)家打分的結(jié)果，結(jié)合層次分析法、加權(quán)綜合指標(biāo)法進(jìn)行洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

根據(jù)層次分析法理論選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，參考專(zhuān)家確定的各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值，構(gòu)建層次分析法判斷矩陣，確認(rèn)各層次權(quán)重，采用加權(quán)綜合指標(biāo)法（式3）進(jìn)行指標(biāo)疊加，最終通過(guò)自然斷點(diǎn)法將風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分為高風(fēng)險(xiǎn)、次高風(fēng)險(xiǎn)、中度風(fēng)險(xiǎn)、次低風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)5個(gè)等級(jí)。

式中，F(xiàn)為洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；H為致災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)值；E為孕災(zāi)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)值；V為承災(zāi)體脆弱性評(píng)價(jià)值；R為防災(zāi)減災(zāi)能力評(píng)價(jià)值；WH、WE、WV、WR為各指標(biāo)對(duì)應(yīng)權(quán)重。

3 洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

3.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)

本文基于前期收集整理的相關(guān)數(shù)據(jù)與實(shí)地調(diào)查，建立鄉(xiāng)鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)層次結(jié)構(gòu)（圖1）。以鄉(xiāng)鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為目標(biāo)層，鄉(xiāng)鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害的致災(zāi)危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力4個(gè)因子為準(zhǔn)則層，水淹易發(fā)程度、水淹深度等10個(gè)因子為指標(biāo)層。

圖1 何店鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)

洪澇災(zāi)害的危險(xiǎn)性主要由洪澇危險(xiǎn)因子的強(qiáng)度、頻次等決定[8-9]。除此之外，降雨多、降雨強(qiáng)的區(qū)域通常比其他區(qū)域更可能遇到洪澇災(zāi)害。因此，致災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括水淹易發(fā)程度、水淹深度、降雨嚴(yán)重程度以及降雨可能性。

承災(zāi)體脆弱性綜合反映了洪澇災(zāi)害的損失程度。本文主要考慮受災(zāi)害直接影響的人類(lèi)社會(huì)主體，包括受災(zāi)地區(qū)的人口密度以及承災(zāi)體的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

孕災(zāi)環(huán)境是指承災(zāi)體所處的外部環(huán)境，對(duì)災(zāi)害的強(qiáng)度與群發(fā)特征等起著決定性的作用[9]。本文主要考慮自然環(huán)境，包括地面高程、坡度、水系、下墊面情況。

防災(zāi)減災(zāi)能力表示受災(zāi)區(qū)在短期和長(zhǎng)期內(nèi)能夠從洪澇災(zāi)害中恢復(fù)的程度，文中考慮了受災(zāi)地區(qū)的植被情況及道路密度。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)量化

本文綜合專(zhuān)家打分法與層次分析法，得到洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重如表1所示。

表1 何店鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重表

各指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下，采用閾值或自然斷點(diǎn)法進(jìn)行指標(biāo)評(píng)分量化。

1）水淹易發(fā)程度。主要考慮暴雨期間水淹的時(shí)序情況，越易淹沒(méi)的區(qū)域越應(yīng)當(dāng)引起重視。本文以100年為重現(xiàn)期，按歷時(shí)3 h、6 h、12 h、24 h模擬水淹情況。其中，3 h水淹區(qū)域的危險(xiǎn)等級(jí)最高，24 h才被淹沒(méi)的區(qū)域危險(xiǎn)等級(jí)最低，共分5個(gè)等級(jí)。

2）淹沒(méi)深度。淹沒(méi)深度直觀反映了災(zāi)害的危險(xiǎn)程度。可通過(guò)模擬總統(tǒng)計(jì)時(shí)長(zhǎng)的水淹情況，本文根據(jù)100年一遇洪澇水淹情況進(jìn)行分級(jí)，由淺到深劃分4個(gè)等級(jí)。

3）降雨嚴(yán)重程度。根據(jù)地方提供的水庫(kù)降雨數(shù)據(jù)，綜合考慮降雨概率與降雨峰值，通過(guò)式（4）計(jì)算獲得水庫(kù)點(diǎn)位置處的降雨嚴(yán)重程度，并采用反距離權(quán)重法（IDW）計(jì)算全鎮(zhèn)范圍內(nèi)的降雨嚴(yán)重程度，由小到大劃分為5個(gè)等級(jí)。

式中，A3為降雨嚴(yán)重程度；w為該水庫(kù)降雨天數(shù)占總統(tǒng)計(jì)天數(shù)的百分比；Pmax為該水庫(kù)在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的降雨最大值。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)即地方提供的何店鎮(zhèn)水庫(kù)近5 a降雨數(shù)據(jù)。

4）降雨可能性。根據(jù)地方提供的水庫(kù)降雨數(shù)據(jù)，綜合考慮降雨概率與降雨均值，評(píng)估降雨的一般情況。本文通過(guò)式（5）計(jì)算獲得水庫(kù)點(diǎn)位置處的降雨可能性，并采用反距離權(quán)重法計(jì)算全鎮(zhèn)范圍內(nèi)的降雨可能性，由小到大劃分為5個(gè)等級(jí)。

式中，A4為降雨可能性；w為該水庫(kù)降雨天數(shù)占總統(tǒng)計(jì)天數(shù)的百分比；Pavg為該水庫(kù)在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的降雨均值；Psum為該水庫(kù)在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的降雨總值；d為該水庫(kù)在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的降雨天數(shù)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)即地方提供的何店鎮(zhèn)水庫(kù)近5 a降雨數(shù)據(jù)。

5）人口密度。人口密度一定程度上決定了受災(zāi)轉(zhuǎn)移的優(yōu)先性。本文依據(jù)WorldPop數(shù)據(jù)集，將人口密度數(shù)據(jù)由小到大進(jìn)行等級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)。

6）經(jīng)濟(jì)價(jià)值受災(zāi)導(dǎo)致可能損失的經(jīng)濟(jì)價(jià)值反映了該區(qū)域的重要程度，本文通過(guò)ENVI 軟件對(duì)高分遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，并根據(jù)地物類(lèi)型進(jìn)行分級(jí)（其他＜林地＜道路＜耕地＜建筑）。

7）地形因素。高程作為影響洪澇的因素之一，區(qū)域發(fā)生內(nèi)澇頻率一般隨著高程的降低而增加。坡度則反映高程的變化程度、地表傾斜程度，坡度越緩且地勢(shì)越低的區(qū)域越有可能發(fā)生積水[10-11]。因此，本文綜合考慮高程與坡度，并假設(shè)兩者重要程度相同。根據(jù)DEM數(shù)據(jù)計(jì)算高程與坡度，歸一化后進(jìn)行加權(quán)，并劃分為5個(gè)等級(jí)。

8）水系距離。水系作為排水系統(tǒng)的一部分，受流域內(nèi)部降雨以及外部高水位頂托的作用，調(diào)蓄空間不足時(shí)，更易發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害[11]。距離河道等水系越近，洪澇危險(xiǎn)程度越高，但是水系的影響有一定邊界性，可采取緩沖區(qū)分析。本文依據(jù)地方提供的水系分布數(shù)據(jù)，將緩沖區(qū)的寬度確定為125 m、250 m、375 m、500 m，并由遠(yuǎn)到近劃分為5個(gè)等級(jí)。

9）植被覆蓋度。植被覆蓋度可用于衡量地表植被狀況，是描述研究區(qū)生態(tài)變化與環(huán)境情況的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文選用Landsat8 遙感數(shù)據(jù)，根據(jù)式（6）計(jì)算植被覆蓋度（VFC）指數(shù)，由大到小劃分為5 個(gè)等級(jí)，以反映區(qū)域植被生態(tài)情況。

式中，NDVIsoil為純裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；NDVIveg為純植被像元的NDVI 值。

10）道路密度。道路是避險(xiǎn)安置的基礎(chǔ)條件?？赏ㄟ^(guò)道路線的核密度分析來(lái)計(jì)算道路密度，離道路越近的區(qū)域則越易于逃離，即風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越低。本文依據(jù)OpenStreetMap道路數(shù)據(jù)，分析道路核密度，并由大到小劃分為5個(gè)等級(jí)。

11）植被指數(shù)。下墊面情況主要考慮植被覆蓋，綠地可以起滲水、滯水等作用，有利于緩解內(nèi)澇。本文選用Landsat8 遙感數(shù)據(jù)，計(jì)算歸一化植被指數(shù)（NDVI），由大到小劃分為5個(gè)等級(jí)，以反映區(qū)域植被的相對(duì)豐度。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

何店鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域約9.03 km2，占全域總面積的4.26%，多位于河道兩側(cè)及低地勢(shì)地區(qū)，多為居民地；其中，何店鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)（鎮(zhèn)域中部）為人口集中區(qū)又處于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)當(dāng)引起高度重視。較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域約14.39 km2，占全域總面積的6.79%，大部分與高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域相鄰，同樣屬于人類(lèi)活動(dòng)頻繁地區(qū)，需與高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域一同考慮避險(xiǎn)安置。中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域集中于鎮(zhèn)域南部，約67.12 km2，占全域總面積的31.7%，多為山地，人煙稀少，地勢(shì)高，但需注意防范泥石流等次生災(zāi)害。較低風(fēng)險(xiǎn)及低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域共占121.23 km2，占全域總面積的57.25%，分布廣，多為耕地、林地；部分區(qū)域地勢(shì)較高，且相對(duì)平緩，遠(yuǎn)離河道，可供應(yīng)急避險(xiǎn)。

4 總結(jié)與討論

1）參考自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因子，選取致災(zāi)危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力為評(píng)價(jià)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)，綜合專(zhuān)家打分法、層次分析法等進(jìn)行洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，對(duì)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行相對(duì)客觀的評(píng)價(jià)。

2）綜合考慮開(kāi)源數(shù)據(jù)與地方提供數(shù)據(jù)，選取水淹易發(fā)程度、降雨可能性等10個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。在處理數(shù)據(jù)過(guò)程中，發(fā)揮GIS 與RS 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，模擬洪澇水淹情況，定性、定量分析各評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3） 何店鎮(zhèn)內(nèi)，高風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域共占11.05%，且大部分為人口集中區(qū)，應(yīng)高度重視；中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域占31.7%，集中于鎮(zhèn)域南部，需注意泥石流等次生災(zāi)害；較低風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域共占57.25%，可供避險(xiǎn)安置選擇。

4）基于GIS 與RS 的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以反映洪澇災(zāi)害的強(qiáng)度與復(fù)雜性等，不僅適用于城市等大尺度區(qū)域，還適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)等小尺度區(qū)域，可為鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供技術(shù)支持，為避險(xiǎn)安置提供科學(xué)依據(jù)。