苑梓晗，劉 瑩

(黑龍江大學 水利電力學院，哈爾濱 150080)

0 前 言

自然災害會使得人類社會面臨著極大的生命威脅和經(jīng)濟財產(chǎn)損失，而洪澇災害是全世界發(fā)生頻次最多、嚴重影響中國經(jīng)濟發(fā)展的自然災害之一[1]。近年來，隨著全球氣候變化以及城鎮(zhèn)化進程加快，洪澇災害發(fā)生概率不斷加大，它對人類活動以及經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)構(gòu)成嚴重威脅。洪澇災害風險評估與區(qū)劃作為防洪減災的基礎(chǔ)，顯得日益重要與迫切，具有一定的研究意義[2]。據(jù)歷史統(tǒng)計資料顯示，暴雨洪澇是東北地區(qū)的主要自然災害，而黑龍江省洪澇災害的發(fā)生位于全國前列[3]，暴雨洪災已經(jīng)嚴重制約了我省的經(jīng)濟社會發(fā)展。文章從自然災害風險理論概念出發(fā)，結(jié)合Arc-GIS 的空間分析功能，綜合考慮暴雨洪澇災害的發(fā)生機制以及應(yīng)急管理的需要，通過構(gòu)建全面的層次分析模型，對黑龍江省洪澇災害進行綜合性的風險評估與區(qū)劃，為該區(qū)域暴雨洪澇災害防災減災工作提供了科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

1.1 研究區(qū)域地理概況

黑龍江省地處中國最東北部的邊疆地區(qū)，其東部以烏蘇里江為界、北部以黑龍江作為界河，并與俄羅斯相鄰；西部緊鄰內(nèi)蒙古自治區(qū)，南部與吉林省相連。該省介于E121°11′~135°05′、N43°26′~53°33′之間，南北長度約為1120km，東西寬度約為930km，占中國國土面積約為47.3 萬km2。黑龍江省包括12 個地級市以及1 個地區(qū)行署，分別是哈爾濱市、齊齊哈爾市、牡丹江市、佳木斯市、大慶市、雞西市、雙鴨山市、鶴崗市、綏化市、七臺河市、伊春市、黑河市以及大興安嶺地區(qū)行署，黑龍江省分區(qū)圖，如圖1 所示。黑龍江省是中國的重工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，以機械、石油、煤炭、木材和食品工業(yè)作為主要工業(yè)門類，因此在保障國家糧食安全、生態(tài)安全、能源安全、工業(yè)安全等方面有著舉足輕重的作用。黑龍江省分區(qū)圖，如圖1 所示。

圖1 黑龍江省分區(qū)圖

1.2 研究區(qū)域自然地理與洪水災害概況

黑龍江省位于歐亞大陸東部、太平洋西岸以及中國最東北部地區(qū)，其地理位置的獨特性，使其常年經(jīng)受溫帶大陸性季風氣候的影響，區(qū)域性降水差異較大。省內(nèi)江河湖泊水系眾多，主要包括黑龍江、烏蘇里江、松花江、嫩江、綏芬河五大水系，現(xiàn)有湖泊水庫6000 余個，面積高達80 萬hm2[4]。其中黑龍江、松花江、烏蘇里江組成三江平原，松花江與嫩江流域水系組成松嫩平原。歷史數(shù)據(jù)表明，黑龍江省的洪澇災害是重大高發(fā)自然災害之一。1998 年黑龍江省發(fā)生歷史特大洪水，農(nóng)田受災面積多達483 萬hm2，全省經(jīng)濟損失高達296 億元；2004 年東北部地區(qū)發(fā)生特大暴雨災害，農(nóng)田土壤受澇面積接近10a 的最大值；2006 年黑河市發(fā)生大暴雨，導致直接經(jīng)濟損失達2.8 億元；2008 年嫩江、訥河等地遭受強降雨襲擊，本次襲擊致使農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失達5563 萬元[5]；2013 年歷史特大洪水造成我省受災人口數(shù)達526.6 萬人，農(nóng)田受損面積265.4 萬hm2，直接經(jīng)濟損失高達327.47 億元[6]。

近些年，在全球氣候變暖及快速城鎮(zhèn)化的加持下，“人水爭地”的現(xiàn)象愈發(fā)明顯，黑龍江省也不例外。尤其是暴雨洪澇災害的頻繁發(fā)生不僅造成農(nóng)業(yè)的減產(chǎn)，嚴重威脅黑龍江省糧食安全[7]；而且也給人民群眾生命財產(chǎn)安全以及經(jīng)濟社會穩(wěn)定造成了嚴重的威脅并帶來了極大的損失[8]，制約社會經(jīng)濟發(fā)展。洪澇災害風險區(qū)劃屬于自然災害風險理論的一個重要應(yīng)用，采用風險理論概念來管理洪澇災害可以最大程度的降低災害帶來的損失[9]。因此，及時有效的對黑龍江省開展暴雨洪澇災害評估以及風險區(qū)劃工作，在暴雨洪水發(fā)生之前制定出科學、合理、可行的減災對策，降低洪澇災害帶來的各方面損失，對黑龍江省暴雨洪澇災害的管理與救濟具有重要的意義。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源與處理

目前大多數(shù)災害風險評估管理工作都是通過Arc-GIS 為基礎(chǔ)集成的，暴雨洪澇災害風險區(qū)劃是洪災評估與管理的重要內(nèi)容，文章借助Arc-GIS平臺強大的空間數(shù)據(jù)分析與管理功能，對黑龍江省暴雨洪澇災害進行風險區(qū)劃，準確合理可行的暴雨洪澇災害風險區(qū)劃結(jié)果對防災減災應(yīng)急管理與應(yīng)用以及經(jīng)濟社會的穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[10]。

2.1 地理信息系統(tǒng)（Arc-GIS）空間分析

地理信息系統(tǒng)（簡稱Arc-GIS）是以地理空間數(shù)據(jù)云為基礎(chǔ)，采用地理模型的分析方法，進行區(qū)域空間分析，利用其對數(shù)據(jù)層的空間集成功能，獲取多因素綜合作用的地理信息[11]。

暴雨洪澇災害生成機理十分復雜，并不是單一因子作用而產(chǎn)生的。洪澇災害風險區(qū)劃是研究區(qū)的危險性評價和易損性評價集成作用的結(jié)果，與之評價相關(guān)的因素包括研究區(qū)域洪水特征、地形因子以及社會經(jīng)濟發(fā)展情況等，這些影響因子都具有很強的區(qū)域差異性，因此利用空間數(shù)據(jù)表達進行歸一化是最合適的。對洪災產(chǎn)生原因分析與預測需要多因子集成復合，且空間位置疊加復合尤為重要，而地理信息系統(tǒng)有很強大的空間數(shù)據(jù)分析與管理功能，對洪澇災害風險區(qū)劃有著極大的支持與輔助作用[12]。

Arc-GIS 技術(shù)能夠滿足洪災風險評估與區(qū)劃這一集成疊加要求，其具有二維空間拓撲關(guān)系分析功能，可以對不同空間分布Overlay（疊加組合），重新生成空間拓撲關(guān)系，明確其空間直觀的邏輯分析與地理位置關(guān)系[13]。同時Arc-GIS 的屬性數(shù)據(jù)庫具有分析與統(tǒng)計查詢功能，進而表征各因子之間的定量聯(lián)系。

2.2 暴雨洪澇災害風險評價

隨著國內(nèi)外災害風險理論研究的不斷深入，災害風險理論也日趨完整，不同學者以及研究機構(gòu)對災害風險的概念定義不同，定義災害風險的表達式也不同。風險評估的方法包括歷史災情數(shù)據(jù)評估法、指標體系評估法、層次分析法（AHP）和情景模擬評估法等[14]。歷史災情數(shù)據(jù)評估法對歷史數(shù)據(jù)的依賴性很強，需要不斷更新和完善以獲取準確地歷史災情數(shù)據(jù)；情景模擬評估法對數(shù)據(jù)的時間尺度和仿真模型要求較高；指標體系法是較為普遍的方法，但不能明確各指標所起作用的差異性[15]。

文章綜合國內(nèi)外災害風險要素相關(guān)理論，采用層次分析法（AHP）建立洪澇災害風險評估模型，從致災因子與孕災環(huán)境的危險性、承災體的易損性、以及防災減災能力展開研究，選取降水量、地形因子、河網(wǎng)密度作為危險性3 個指標；地均人口、地均GDP、耕地比重作為易損性3 個評價指標；采用人均GDP、醫(yī)院距離兩個指標來表征防災減災能力。在評價層次指標選取以后，采用層次分析法（AHP）建立洪澇災害風險層次結(jié)構(gòu)模型。

2.3 數(shù)據(jù)來源與歸一化處理

2.3.1 數(shù)據(jù)來源

降水量來源于國家統(tǒng)計局近5a 黑龍江省各市（縣）的降雨資料；地形因子：地表高程以及地表坡度數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云獲取得到DEM數(shù)據(jù)；河網(wǎng)密度以及黑龍江省省界數(shù)據(jù)通過利用Arc-GIS 來提?。桓魇猩鐣?jīng)濟發(fā)展統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于2021 年黑龍江省統(tǒng)計年鑒。

2.3.2 數(shù)據(jù)歸一化處理

由于數(shù)據(jù)應(yīng)用了大量的空間數(shù)據(jù)，因此利用Arc-GIS 進行數(shù)據(jù)處理就成了關(guān)鍵。經(jīng)過處理后得到的文章數(shù)據(jù)，受到指標量綱的干擾，由于數(shù)據(jù)量綱不一致，因此需要對數(shù)據(jù)進行最大程度的歸一化處理。歸一化計算公式如下：

3 暴雨洪澇災害風險評價指標權(quán)重的確定

層次分析法由美國運籌學家T.L.Saaty 最早提出的理論方法，主要是通過對兩兩因子之間進行重要性比較并通過賦值來表達兩因子之間的重要程度，進而構(gòu)造多因子比較判斷矩陣，并進行一致性檢驗[16]。文章采用層次分析法（簡稱AHP）建立洪澇災害風險評價層次結(jié)構(gòu)模型，確定目標層、準則層以及方案層，并建立4 個判斷矩陣，分別是致災因子與孕災環(huán)境危險性-承災體易損性-防災減災能力、降水量-地形因子-河網(wǎng)密度、地均人口-地均GDP-耕地比重以及人均GDP-醫(yī)院距離矩陣。經(jīng)過一致性檢驗后，可知4 個矩陣的一致性比例分別為，其均滿足，認為判斷矩陣通過一致性檢驗。計算出各個層次判斷矩陣的單層權(quán)重后，需要計算同一層次所有因素對最高層次的相對重要性。暴雨洪澇災害風險評價指標權(quán)重值，如表1 所示，計算出所得權(quán)重表示各指標在總評價過程中的重要性，得出暴雨洪澇災害風險評價指標權(quán)重值。

表1 暴雨洪澇災害風險評價指標權(quán)重值

文章采用層次分析法集成暴雨洪澇災害風險評估相關(guān)指標評價體系，根據(jù)暴雨洪澇災害風險評估框架，文中FDRI 是由致災因子與孕災環(huán)境的危險性、承災體的易損性以及防災減災能力三者共同發(fā)揮作用構(gòu)成的，利用加權(quán)平均法計算洪澇災害風險指數(shù)FDRI[10]，進而直觀的表達洪澇災害風險程度。

式中：FRDI為暴雨洪澇災害風險指數(shù)，用來表征洪澇災害風險程度，其值越大，表明洪澇風險災害越嚴重；H為洪澇災害風險的危險性；S為洪澇災害風險的易損性；R為洪澇災害風險的防洪減災能力；而WH表示危險性權(quán)重，WS表示易損性權(quán)重，變量a是常數(shù)(0≤a≤)1，用來表征防災減災能力對降低FDRI的作用。危險性H、易損性S、防災減災能力R的計算分別如公式（2）（3）（4）所示：

式中：Hi代表第i個危險性指標準則（i=1,2,3），Si代表第i個易損性指標準則（i=1,2,3），Ri代表第i個防災減災能力指標準則（i=1,2）；而WHi代表第i個危險性指標準則權(quán)重值，WSi代表第i個易損性指標準則權(quán)重值，WRi代表第i個防災減災能力指標準則權(quán)重值。

4 黑龍江省暴雨洪澇災害風險區(qū)劃

應(yīng)用層次分析法（AHP），借助自然災害風險評價理論與方法，對黑龍江省暴雨洪澇災害風險性指標進行計算后，借助Arc-GIS 地理信息系統(tǒng)平臺構(gòu)建暴雨洪澇災害風險區(qū)劃模型，最終得到洪災風險區(qū)劃圖。采用柵格法確定評價單元，這種方法使得評價的運算速度更快，即用一定大小的網(wǎng)格作為等分單元。在柵格化數(shù)據(jù)疊加時，文章采用常用固定柵格單元500m×500m 的柵格大小作為評價單元進行黑龍江省暴雨洪澇災害風險區(qū)劃。具體步驟如下：

1）沿黑龍江省行政邊界將黑龍江省地區(qū)劃分為約5.1 萬個方形網(wǎng)格，對與洪澇災害風險性相關(guān)的影響因子進行極大值標準化，形成500m×500m的柵格數(shù)據(jù)。

2）采用分位數(shù)法將危險性、易損性和防災減災能力劃分等級，形成相應(yīng)等級柵格數(shù)據(jù)。

3）對地形因子、河網(wǎng)密度、耕地比重進行克里克插值處理，得到歸一化的柵格數(shù)據(jù)；對于地均人口、人均GDP、地均GDP等因子運用“要素轉(zhuǎn)柵格”工具轉(zhuǎn)換成500m×500m 的柵格數(shù)據(jù)。

4）將經(jīng)過處理后的每個柵格內(nèi)的8 個影響因子的相應(yīng)權(quán)重代入公式（1）-（4），進而得出黑龍江省各500m×500m 柵格內(nèi)的致災因子與孕災環(huán)境危險性、承災體易損性以及防災減災能力指數(shù)。再采用Arc-GIS 中的Kriging 功能將各指數(shù)插值成全省范圍內(nèi)的面狀柵格數(shù)據(jù)[5]。

5）最后采用Arc-GIS 的空間疊加分析功能得到黑龍江省暴雨洪澇災害風險區(qū)劃圖。

4.1 致災因子與孕災環(huán)境的危險性分析

在暴雨洪澇災害中，致災因子是指自然環(huán)境中可能造成災害的危險源，孕災環(huán)境是指發(fā)生自然災害的環(huán)境背景，而致災因子也正是來源于孕災環(huán)境的各種異動而產(chǎn)生。暴雨洪澇災害與降水量是極大的正相關(guān)的關(guān)系，降水量對洪災的外在明顯表現(xiàn)主要是強降雨量導致農(nóng)田水利設(shè)施損毀、造成房屋倒塌、威脅人民生命財產(chǎn)安全、影響社會經(jīng)濟發(fā)展等；雨量積累過多產(chǎn)生難排也會導致內(nèi)澇現(xiàn)象。根據(jù)洪澇災害的形成機制分析可知孕災環(huán)境形成的主要影響因子是地形因子和河網(wǎng)密度。其中，地形因子通過高程和坡度兩個主要影響因子制約著洪澇災害，而河網(wǎng)密度是我省水系情況的側(cè)面映射。高程越低、坡度越小越容易產(chǎn)生洪災；河網(wǎng)密度越大，發(fā)生洪災的危險程度越高。利用Arc-GIS 對危險性相關(guān)因子進行標準化，利用空間疊加技術(shù)得到500m×500m 的黑龍江省暴雨洪澇災害危險性柵格數(shù)據(jù)，危險性范圍劃分標準，如表2 所示，黑龍江省暴雨洪澇災害危險性區(qū)劃，如圖2 所示。

表2 黑龍江省洪澇災害危險性、易損性等級劃分

圖2 黑龍江省暴雨洪澇災害危險性區(qū)劃圖

4.2 承災體的易損性分析

暴雨洪澇災害危害程度不僅由致災因子與孕災環(huán)境的危險性來反映，也與承災體的易損性有關(guān)。承災體的情況反應(yīng)著洪澇災害實際造成危害的程度，這與研究區(qū)域承災體的經(jīng)濟情況、人口密集程度有著極大正相關(guān)[6]。即同等強度的暴雨，若發(fā)生在人口密度大、經(jīng)濟發(fā)達、土地利用率較高的地區(qū)而導致的直接經(jīng)濟損失往往比發(fā)生在人口稀少、經(jīng)濟狀況相對落后、耕地比重小的地區(qū)要多得多。所以借助黑龍江省歷年的地均人口、地均GDP 以及耕地比重3 個因子來反映承災體的易損性，將這3 個指標經(jīng)過歸一化處理后得到指標權(quán)重分別為0.0478、0.1517 和0.0301，運用易損性指數(shù)計算公式（3）分析后得到黑龍江省承災體易損性指數(shù)。黑龍江省洪澇災害危險性、易損性等級劃分，如表2 所示。黑龍江省暴雨洪澇災害易損性區(qū)劃，如圖3 所示。

圖3 黑龍江省暴雨洪澇災害易損性區(qū)劃圖

4.3 防災減災能力分析

根據(jù)自然災害風險理論概念，將洪澇災害風險視為是危險性與易損性的綜合作用，而文章在綜合危險性與易損性相結(jié)合的基礎(chǔ)上，考慮了黑龍江省防災減災能力。黑龍江省政府對暴雨洪澇災害的應(yīng)急處理能力是防災減災的重要體現(xiàn)，同時政府的財政水平又是災害應(yīng)急管理處置的必要條件，故選取人均GDP 作為評價指標的首選因子；洪澇災害發(fā)生時，醫(yī)院與受災區(qū)距離的遠近直接制約著防汛搶險的效率，也制約著受災群眾的生命健康，故選取醫(yī)院距離作為防洪減災能力的第2個評價因子。由此得出黑龍江省暴雨洪澇災害防災減災能力區(qū)劃，如圖4 所示。

圖4 黑龍江省暴雨洪澇災害防災減災能力區(qū)劃圖

4.4 暴雨洪澇災害綜合風險區(qū)劃

暴雨洪澇災害是危險性、易損性和防災減災能力共同作用的結(jié)果，根據(jù)上文公式（1）對黑龍江省暴雨洪澇災害危險性、易損性和防災減災能力的柵格數(shù)據(jù)利用Arc-GIS 進行空間加權(quán)疊加得到綜合風險指數(shù)，黑龍江省洪澇災害綜合風險等級劃分，如表3 所示，得到黑龍江省暴雨洪澇災害綜合風險區(qū)劃，如圖5 所示。

表3 黑龍江省洪澇災害綜合風險等級劃分

圖5 黑龍江省暴雨洪澇災害綜合風險區(qū)劃圖

5 結(jié) 論

綜上所述，由于黑龍江省各市、區(qū)的水文降雨、地形地貌、耕地比重、經(jīng)濟水平等因子的差異性，其洪澇災害風險區(qū)劃程度差別較大。從致災因子與孕災環(huán)境的危險性考慮，哈爾濱市、綏化市、齊齊哈爾市的危險性范圍等級從屬于高危險性，是洪澇災害的高頻發(fā)生區(qū)；從承災體的易損性考慮，齊齊哈爾市、大慶市、綏化市、哈爾濱市的承災體易損性較高，這多與區(qū)域內(nèi)人口密度大、經(jīng)濟發(fā)達有關(guān)，而大興安嶺地區(qū)、黑河市、伊春市等市的易損性多分布在中、低易損性層級內(nèi)；黑龍江省除西南部各市的防災減災能力較強以外，多數(shù)地區(qū)的防災減災能力處于中、低層級，這表明我省抗災能力仍有很大的提升空間。結(jié)合Arc-GIS 平臺的空間疊加分析技術(shù)，可知黑龍江省洪澇災害綜合風險性呈現(xiàn)出西南部與東北部地區(qū)風險高于東南部與西北部地區(qū)，中、高風險市占所有市的1/2 以上。通過洪澇災害風險評估與區(qū)劃，可為黑龍江省因地制宜的制定防洪減災對策，為完善應(yīng)急管理制度提供參考。