基于GIS的石楼县小流域山洪灾害风险区划.pdf
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1、吴 博,张 森(松辽水利委员会流域规划与政策研究中心,吉林 长春 130021)摘 要山洪灾害风险评价对于有效预防山洪灾害及减少灾后损失具有重要意义。文中以山西省石楼县为研究区域,从山洪灾害的形成条件出发,选取了降雨、地形、河流水系和历史洪水作为危险性评价指标,人口密度、耕地面积百分比和单位面积生产总值作为易损性评价指标,利用层次分析法(AHP)确定各指标权重、各等级风险区的位置及分布范围,并划分等级。其分析结果可作为有关建设部门进行防洪工程措施建设及地区开发建设时的依据,也可作为防汛部门进行工作安排部署时的参考。关键词山洪灾害;AHP;风险区划;GIS;小流域;石楼县中图分类号 X321文献
2、标识码B文章编号 10020624(2023)08004704基于GIS的石楼县小流域山洪灾害风险区划0 引 言山洪是山区小流域由降水引发的具有突发性、暴涨暴落的地表径流1-3。山西省作为黄河中游地区的重要组成部分,地形复杂,山区、丘陵占总面积的2/3以上,几乎所有的山地都有过山洪爆发的记录4。近年来,随着社会经济的快速发展和城镇化建设步伐的加快,人类对山丘区开发利用范围不断扩大,造成大量山体破坏、水土流失,使得山丘区山洪灾害频发,威胁居民的生命财产安全。统计显示,每年由山洪灾害引发的平均死亡人数占全部洪涝灾害死亡人数的 78%以上,严重制约着我国山丘区经济的健康发展5,6。因此,山洪灾害的防
3、治任务十分迫切。山洪灾害风险区划是根据山洪的危险性因素,结合区域的承灾能力和社会经济情况,将研究区划分为不同等级的风险区域。目前,针对山区小流域山洪风险区划分的研究工作开展较少,而已开展的洪水风险区划分大多是针对大江大河。本文利用层次分析法(AHP)选取相关因子并确定权重,构建山西省石楼县小流域山洪灾害风险评价模型,最终得到石楼县山洪灾害风险区划图,并划分为轻度、中度、高度和重度4个等级。结果可为相关部门的防汛、规划、建设等提供依据,对保持经济社会平稳较快发展具有重要意义7,8。1 研究区概况石楼县位于吕梁山西麓,黄河东岸,平均海拔1 410 m,属温带大陆性季风气候,年均气温为9.2,多年平
4、均降雨量为570 mm,降雨多集中在79月,占全年降水量的73%。地势东高西低,地表覆盖有深厚的黄土,因受地表径流侵蚀、冲刷,沟壑纵横,地形破碎。县内主要河流屈产河发源于石楼县西部,从东南向西北流入黄河,属于黄河的一级季节性支流。流域内洪水主要由暴雨形成,汛期水流较大,历史上大洪水时有发生,尤以1977年陈家崾山洪最为严重,冲毁大坝3条、中坝4 条、小坝 14 条,冲毁农田 10 多 hm2,造成经济损失1 000多万元。2 研究数据与方法2.1 研究数据文中采用的数据包括石楼县 2015 年社会人口、经济数据,来源于石楼县社会经济统计年鉴;石楼县最大24 h降雨资料来源于 山西水文计算手册;
5、石楼县历史洪水资料来源于 山西历史洪水调查报告;石楼县DEM数字高程数据来源于地理空间数据云。2.2 研究方法依托GIS平台,对石楼县小流域进行山洪灾害风险评价。首先,根据山洪的形成原因及特点,结2023年第8期防汛抗旱东北水利水电 47合研究区的实际情况选取相应的影响因子作为山洪灾害的评价指标,建立风险评价体系;然后,利用 Arcgis 软件的加权综合评价法和层次分析法(AHP)根据各评价指标的影响程度确定其权重系数,分别对研究区的危险性和易损性进行分析;最后,将所得到的研究区危险性和易损性分析结果利用Arcgis软件的空间分析功能进行叠加,得到研究区山洪灾害分析评价结果。具体技术路线如图1
6、所示。图1 技术路线图技术流程组成:1)选取降雨、水系、地形和历史洪水作为引发山洪灾害的自然属性评价指标;选取人口密度、耕地面积百分比和单位面积生产总值作为引发山洪灾害的社会属性评价指标。然后依次对各评价指标进行分析,建立石楼县山洪灾害风险评价体系数据库。2)将所选取研究区的降雨、水系、地形和历史洪水4个危险性评价指标与人口密度、耕地面积百分比和单位面积生产总值3个易损性评价指标根据层次分析法(AHP)得到权重系数,利用Arcgis空间分析中的栅格计算器将各指标按相应的权重系数进行叠加,得到石楼县山洪危险性和山洪易损性分布情况。3)利用Arcgis 的空间叠加分析功能将石楼县的山洪灾害危险性分
7、布图和山洪灾害易损性分布图进行叠加,得到石楼县山洪灾害风险评价图,并将其重分类,最后根据自然间距分类法将其划分为4个等级。3 石楼县小流域山洪灾害评价3.1 指标体系及权重确定采用层次分析法确定指标权重。1)确定评价体系的层次结构。2)根据研究区实际情况并结合专家建议,针对目标层对评价因素层各个元素的重要性进行两两比较,根据9标度法构建出判断矩阵。3)检验判断矩阵的满意一致性:CR=CI/RI(1)式中:CR为判断矩阵的随机一致性比率;CI为一般一致性比率;RI为平均随机一致性指标。文中CI=0.003 2,CR=0.006 40.1,判断矩阵具有一致性。评价指标体系权重结果见表1。表1 山洪
8、灾害评价指标体系及权重3.2 山洪灾害危险性评价指标分析处理将降雨、历史洪水、水系和地形4个危险性评价指标H,在 Arcgis 空间分析中的地图代数功能中,利用栅格计算器编辑公式:H=0.56X1+0.26X2+0.11X3+0.07X4(2)式中:X1为降雨因子;X2为历史洪水因子;X3为水系因子;X4为地形因子。将各指标进行空间叠加分析并进行重分类,最后依据自然间断法将研究区按危险性系数的大小重新分区,得到石楼县山洪灾害危险性分布情况。根据叠加结果可知,石楼县山洪灾害危险性系数在0.0370.666之间,平均值为0.385,标准差为0.170,危险性系数越大的地方越容易受到山洪灾害的威胁。
9、石楼县的危险性基本呈东西分布,东部地区危险性较高,西部地区危险性较低。统计结果显示,石楼县境内低危险区面积占全县总面积的23.31%,主要分布在小蒜镇、义牒镇、前山乡及和合乡;中低危险区的面积比例较小,为19.93%,主降雨、历史山洪、人口、土地面积、社会经济河流水系、辖区边界数据Arcais10.2软件技术平台原始资料收集山洪灾害风险评价数据库山洪灾害危险性评价指标山洪灾害易损性评价指标降雨历史洪水水系地形人口密度单位面积生产总值耕地面积百分比山洪危险性分析山洪易损性分析山洪灾害风险评价中低风险区中等风险区低风险区高风险区地形数据目标层山洪灾害风险评价准则层危险性易损性指标层降雨历史洪水水系
10、地形人口密度耕地面积百分比单位面积生产总值指标层权重0.50.5变量层权重0.560.260.110.070.630.260.11东北水利水电防汛抗旱2023年第8期 48要分布在曹家垣乡、小蒜镇和义牒镇;中等危险区的面积比例是24.61%,主要分布在石楼县中东部边缘地带,将高危险区包围;高危险区的面积比例是32.15%,所占比例较大,主要集中分布在石楼县东部,包括灵泉镇、罗村镇、龙交乡和裴沟乡。石楼县的地形高程特点是东高西低,高程较大的地区暴发山洪灾害的危险性较小,但从对降雨指标的分析中可知石楼县的降雨分布特点是东多西少,降雨指标在危险性分析中的比重远大于地形指标,所以对危险性进行综合评价时
11、出现了东部比西部危险等级高的结果;前山乡大部分地区都处于低或中低危险区,其中确有一小部分为中等危险区,源于前山乡在历史山洪的评价中为山洪易发区。总体来说,降雨量越大、与河流距离越小、地表高程越低、地势起伏变化越小、发生历史山洪越多的地方,发生山洪灾害的危险性越大。3.3 山洪灾害易损性评价指标分析处理将人口密度、耕地面积百分比与单位面积生产总值3个易损性评价指标W在Arcgis空间分析中的地图代数功能中,利用栅格计算器编辑公式:W=0.63X1+0.26X2+0.11X3(3)式中:X1为人口密度因子;X2为耕地面积百分比因子;X3为单位面积生产总值因子。将各指标进行空间叠加分析并进行重分类,
12、最后依据自然间断法将研究区按危险性系数的大小重新分区,得到石楼县山洪灾害易损性分布情况。统计结果显示,石楼县山洪灾害易损性系数最大值为 0.901,最小值为 0.008,平均值为 0.514,标准差为0.222,易损性系数越大的地方受到山洪灾害时的损失程度越大。石楼县境内低易损区所占面积比例为14.42%,中低易损区的面积比例为12.73%,中等易损区的面积比例为40.50%,高易损区所占面积比例为32.35%。从石楼县山洪灾害易损性分布情况可以看出,当有山洪灾害发生时,全县大部分地区的受损程度都比较大。低易损区及中低易损区主要分布在石楼县东部地区的罗村镇和龙交乡,这些地区的人口密度、耕地面积
13、和单位面积生产总值都比较小;中等易损区分布在石楼县中部,包括曹家垣乡和裴沟乡全镜、小蒜镇和灵泉镇大部分地区及义牒镇东北部;高易损区集中分布在和合乡、义牒镇、前山乡三乡,这些地区是石楼县人口集中、工农业较发展的地区,经济相对发达。易损性高的地区人口密度比较大,耕地比较多,生产总值比较高,当山洪灾害发生时其损失较大。3.4 山洪风险区划石楼县山洪灾害风险区划,是危险性综合分析结果与易损性综合分析结果相结合得到的,并根据自然间断法将研究区按山洪灾害发生的风险大小分为低风险区、中低风险区、中等风险区、高风险区,见表2。风险()K=危险性()易损性()。表2 石楼县山洪灾害分区表由统计结果可知,石楼县山
14、洪灾害风险系数最小值为 0.002,最大值为 0.568,平均值为 0.230,标准差为 0.169。低风险区面积占全县总面积的18.21%,中低风险区的面积比例为26.33%,中等风险区的面积比例为26.08%,高风险区的面积比例为29.38%。该地区山洪灾害风险等级的高低是该地区风险性与易损性共同作用的结果,且河流附近的风险性都比较大。低风险区主要分布在石楼县中西部,主要包括曹家垣乡的大部分地区、小蒜镇的中部及义牒镇与和合乡的部分地区,这些地区属于山地地貌,在县境内来说高程处于中等,但这些地区降水量偏少且易损性相对较小。中低风险区分布在石楼县东部,包括罗村镇、龙交乡的大部分地区及灵泉镇的东
15、部与龙交乡和罗村镇交界地带,这些地区属于高原地貌,地表高程较高,但降雨量很大,在危险性分析中这部分地区多属于高危险区,但由于海拔较高、人口密度较小、可耕种的土地面积较少、农业生产落后,经济不发达,所以该区域的易损性偏低,综合各因素后,该区域的风险等级结果为中低。中等风险区分布在石楼县的西部,包括和合乡与前山乡的大部分地区、义牒镇的西部、小蒜镇的小部分地区及东部地区的河流附近,这些地区的地貌类型多为山地,少部分为丘陵,地表高程在区域等级划分低风险区中低风险区中等风险区高风险区风险系数范围0.384山洪灾害含义山洪灾害发生的几率很低,即使有降雨发生,也不会造成影响山洪灾害发生的几率较低,对人口、耕
16、地、经济生产的影响较小山洪灾害发生的几率较高,人口、耕地、经济生产受到一定程度的影响山洪灾害发生的几率很高,人口、耕地、经济生产遭到破坏2023年第8期防汛抗旱东北水利水电,49境内相对降低且降雨量偏少,但该区域内曾发生过较大的山洪灾害,河流水系发达,增加了山洪灾害的危险性,同时,该区域内人口密度大、耕地较多、工农业发达,所以该区域易损性等级较大,综合分析结果为中等风险区。高风险区集中分布在石楼县的中东部,所占面积比例较大,包括裴沟乡全境、灵泉镇的大部分地区、小蒜镇的东部和县境内西部地区的大部分河流附近,这部分区域多为山地和高原,地表高程在县境内为中等偏高且降雨丰富。历史上多次发生山洪灾害,区
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