基于GIS的渠江流域暴雨洪涝灾害风险评估与区划.pdf
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1、文章编号:1674 2184(2023)02 0067 05基于 GIS 的渠江流域暴雨洪涝灾害风险评估与区划宋怡轩1,2,郭洁1,2*,何永青1,2,蒲秀姝1,2,陈蕾1,2(1.四川省气象服务中心,成都610072;2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室,成都610072)摘要:基于自然灾害风险四因子理论,选取 19702021 年渠江流域内 16 个气象观测站逐日降水资料,结合当地的基础地理信息和社会经济数据,构建由 12 个指标组成的渠江流域暴雨洪涝灾害风险评估体系,利用 GIS 技术对其进行定量评估与区划。结果表明:(1)渠江流域北部暴雨强度大、频次高,危险性总体呈“北高南低”的
2、特征。(2)渠江流域南部地势低洼、河网密布、人口密集、经济发达,暴露性和脆弱性总体呈“南高北低”的特征。(3)南江、巴中北部、平昌西北部、渠县、广安、大竹和邻水西侧暴雨洪涝灾害综合风险最高,不同地区高风险的主导因素存在差异。关键词:暴雨洪涝灾害;GIS;风险区划;渠江流域中图分类号:P429文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1674-2184.2023.02.009 引言引言渠江为嘉陵江左岸最大一级支流,流经四川盆地东北部,其水系发达,河网密布,汛期内流域受西太平洋副高、青藏高原低值系统以及北方冷空气等天气系统的影响1,加之上游处于盆地东北部边缘山区2,极易形成强降水,强降水
3、一旦落在中小河流且无法及时排泄,则极有可能形成洪涝灾害。21 世纪以来渠江流域发生了多起特大洪涝灾害,2011 年“9.18”洪灾的经济损失更是高达 141 亿元,该流域暴雨洪涝灾害加重加密的变化趋势已经引起了广泛的重点关注。符艳红等3研究指出渠江流域为嘉陵江流域降水日数最多的地区;曾小凡等4研究发现嘉陵江流域整体降水量呈下降趋势,而支流渠江流域呈上升趋势;段文明等5研究得到渠江流域夏季降水量呈显著增加趋势;袁梦等6也发现渠江流域汛期降水量呈增加趋势、暴雨频率增加;张菡等7研究指出四川盆地东北部暴雨洪涝灾害风险较高;潘昱杉8等也得到川东北地区,尤其是巴中、达州、南充和广安等地,暴雨洪涝灾害风险
4、高。在灾前进行风险评估对有效防御灾害具有重要意义。近年来,四川及周边地区气象灾害风险评估与区划的研究成果颇多912,但专门针对渠江流域的研究却并不多见。本文综合考虑暴雨洪涝灾害致灾因子危险性、孕灾环境暴露性、承灾体脆弱性和防灾减灾能力四因子1316,选取渠江流域气象观测资料,结合当地的基础地理信息和社会经济数据,构建多个指标组成的暴雨洪涝灾害风险评估体系,利用 GIS 空间分析工具对渠江流域暴雨洪涝灾害风险进行定量评估与区划,以期为渠江流域防洪减灾工作提供理论基础和科学依据。11资料与方法资料与方法1.1资料来源气象资料来源于 19702021 年渠江流域 16 个国家气象观测站的逐日降水资料
5、,渠江流域地形、水系及气象站点分布如图 1 所示。基础地理信息数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心,包括渠江流域县级行政边界、土地利用类型数据等。地面高程数据(SRTM DEM)来自地理空间数据云,空间分辨率为 90 m。社会经济类数据来源于 2021 年渠江流域各区县的统计年鉴,包括各区县的人口密度、GDP 密度、人均 GDP、医疗机构数量等。1.2研究方法1.2.1构建风险评估模型基于自然灾害风险形成理论17,综合考虑致灾因子危险性(XH)、孕灾环境暴露性(XE)、承灾体脆弱性(XV)、防灾减灾能力(XR)四因子,共选取 12 个指标组成渠江流域暴雨灾害风险评估指标集(表 1),构建
6、风险评估模型来计算暴雨洪涝灾害综合风险指标值(FDRI)。收稿日期:2022 06 23资助项目:中国气象局西南区域气象中心创新团队基金项目(XNQYCXTD-202203);四川省气象服务中心课题(SCQF202201)作者简介:宋怡轩,工程师,主要从事综合气象服务工作。E-mail:通讯作者:郭洁,正研级高级工程师,主要从事气象预报预警技术研究。E-mail: 第 43 卷 第 2 期高原山地气象研究Vol.43 No.22023 年 6 月Plateau and Mountain Meteorology ResearchJun.2023FDRI=(XH)wh(XE)we(XV)wv(10
7、XR)wr(1)式中:wh、we、wv、wr 分别表示对应因子权重,由层次分析法18确定。1.2.2归一化方法由于各个评价指标量纲和数量级不同,为消除差异得到统一的量纲便于计算,需要对各个指标进行规范化处理1921,具体计算公式如下:Aij=0.5+0.5DijDiminDimaxDimin(2)式中:Aij表示第 j 个因子第 i 个指标的规范化值,Dij表示第 j 个因子第 i 个指标值,Dimax和 Dimin分别表示该指标的最大值和最小值,经规范化处理后的指标范围为 0.5,1。1.2.3加权综合评价法加权综合评价法是通过赋予权重来表示各评价指标对总体评价因子的影响程度,再用一个数量化
8、指标集中22,具体计算公式如下:X=mi=1wiAi(3)式中:X 表示评价因子总值,m 为评价指标个数,wi表示第 i 个指标的权重,Ai表示第 i 个指标的规范化值。1.2.4自然间断点分级法自然间断点分级法(Jenks)是通过迭代法对数据分类结果进行计算,从而减少组内差异、增加组间差异的聚类算法2324。算法流程为:(1)计算某一类数组的总偏差平方和(SDAM);(2)计算每个分组所有类的偏差平方和(SDCM);(3)通过方差拟合度(gvf)对分类结果进行验证,其取值范围是 0,1,值越大分级结果越理想。本文先利用该方法对各风险评估因子进行等级划分,再通过 ArcGIS10.5 进行分类
9、处理。22暴雨洪涝灾害风险评估与区划暴雨洪涝灾害风险评估与区划2.1致灾因子危险性评估与区划致灾因子危险性与暴雨强度、持续时间及暴雨频次密切相关。根据四川省气象暴雨定义,本文将一个站点至少有 1 d 降水量50 mm 视为一次单站暴雨过程,且 无 降 水 发 生 时 则 认 为 该 过 程 结 束。基 于19702021 年渠江流域内 16 个气象观测站逐日降水资料,统计每个站点 17 d 暴雨过程的累计降水量,并建立不同时间长度累计降水量的升序序列,运用百分位法计算出不同时间序列的临界致灾雨量25,即第60、80、90、95、98 百分位数的降水量值,将暴雨致灾强度划分为 5 个等级2021
10、(表 2),统计各个站点不同暴雨强度等级的发生频次,对其进行规范化处理并加权相加后,再运用 GIS 克里金插值法和自然间断点分级法绘制致灾因子危险性区划分布(图 2)。由图 2 可知,渠江流域暴雨洪涝灾害危险性分布总体呈“北高南低”的特征。南江、通江西北部、巴中东北部危险性最高,万源、通江东南部、平昌北部、巴中中部危险性较高,以上地区位于米仓山南麓,属于大巴山暴雨区。渠县南部、广安北部危险性也较高,该地区位于华蓥山西侧,巴河、州河在渠县三汇镇汇入渠江,暴雨强度大、频次高、致灾性较强。开江、宣汉、达州、大竹、邻水、华蓥、岳池、仪陇、营山危险性较低,暴雨强度较小、频次较低。2.2孕灾环境暴露性评估
11、与区划孕灾环境暴露性主要考虑下垫面属性、地形、河 3240N32003120304030001060010640107201080010840E气象站点地面高程(m)高:2480低:1890 510 20 30 40MilesN 图 1 渠江流域地形、水系及气象站点分布 表 1 渠江流域暴雨洪涝灾害风险评估指标集及权重 目标层评价层权重指标层权重渠江流域暴雨洪涝灾害风险评估危险性0.5一级暴雨频次0.07二级暴雨频次0.13三级暴雨频次0.2四级暴雨频次0.28五级暴雨频次0.32暴露性0.3地面高程0.45坡度0.35河网密度0.13径流系数0.07脆弱性0.1人口密度0.65GDP密度0.
12、35防灾减灾能力0.1人均GDP0.35避难所数量0.37路网密度0.2868高原山地气象研究第 43 卷流水系等因素,因此选取河网密度、地面高程(DEM)、径流系数(RC)、坡度等指标,其中径流系数由土地利用类型确定26。地势低洼、坡度平坦、河网密布、径流系数越大的地区更易发生洪涝灾害。由图 3 可知,渠江流域孕灾环境暴露性分布总体呈“南高北低”的特征。位于北部的南江、通江、万源、宣汉等地暴露性较低,主要因为该地区地势较高、坡度陡峭、河网稀疏,强降雨不易在此汇集形成洪涝灾害。位于南部的渠县、广安、岳池、华蓥、邻水、大竹、营山、达州等地暴露性最高,主要是因为该区域位于川中丘陵和川东平行岭谷之间
13、,地势低洼且沟谷纵横,同时华蓥山、铜锣山、明月山三山之间为狭长宽缓的槽谷,河网密集、坡度平缓、土地利用类型较少,当发生暴雨灾害时,雨水易汇集,排泄若不及时,极易导致农田积水、城市内涝,甚至引发山洪爆发、江河泛滥、堤坝决口。2.3承灾体脆弱性评估与区划承灾体脆弱性指受到暴雨洪涝灾害造成的损害或损失程度,损害程度取决于社会属性,一般来说同级别的暴雨洪涝灾害对经济越发达、人口越密集地区造成的损失更严重。由图 4 可知,渠江流域承灾体脆弱性大体呈“南高北低”的特征。北部的通江、万源、南江、平昌脆弱性较低,受灾程度也相对较低。南部的渠县、岳池、华蓥、达州脆弱性最高,广安、大竹、邻水脆弱性也较高,这些地区
14、经济较发达且人口偏多,若发生暴雨灾害,会造成更严重的人员伤亡和财产损失。2.4防灾减灾能力评估与区划防灾减灾能力通常指在灾前、灾中、灾后能有效抵御灾害的能力,主要考虑人均 GDP、避难所数量、路网密度等指标(避难所数量为 2021 年各个区县的医疗机构数量)。由图 5 可知,达州、广安、岳池、华蓥、巴中等地防灾减灾能力较高,抵御暴雨洪涝灾害的能力更强,而仪陇、营山、开江、南江、通江、万源、邻水、平昌、渠县等地防灾减灾能力较低,经济发展水平和医疗水平较低,抵御暴雨洪涝灾害的能力较弱。2.5暴雨洪涝灾害综合风险评估与区划综合上述四因子区划结果,根据表 1 分别赋予权重并带入风险评估模型计算综合风险
15、指数,再利用GIS 自然间断点分级法将综合风险指数划分为 5 个表 2 不同时间序列下的暴雨强度等级划分 等级百分位累计降水量(mm)1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d1级(60%80%)6070851001251401601801952002102202352452级(80%90%)70801001151401601801902002052202302452503级(90%95%)80951151351601701901952052102302352502554级(95%98%)951101351401701801952002102152352402552605级(98%)11014
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