基于GIS的广安市洪涝灾害风险评估

0基于 GIS 的广安市洪涝灾害风险评估摘 要洪涝灾害风险评估与区划是洪灾评估与管理的重要内容，精准而直观的洪涝灾害风险评估能够为洪灾预测和防灾救灾工作提供相应科学依据。通过合理、全面地分析洪涝灾害的形成和致灾因子，构建洪涝灾害危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力评价体系，利用 AHP 层次分析法赋予各目标层因子权重，结合加权综合评价法建立各指标评价数学模型，借助 ArcGIS 空间分析功能实现洪涝风险区划分析。并利用 2000-2014 年 15 年间的数据基于构建的评价模型实现洪涝灾害综合风险时空动态分析。结果表明：高危险区主要分布在渠江、嘉陵江流域以及领水县“ 三山两槽 ”地形之间。极高暴露性主要是岳池县、武胜县和邻水县。极高脆弱性主要是岳池县和邻水县。中防灾减灾能力主要是邻水县。极高综合风险主要呈现的是岳池县西北部及中部偏下地区和领水县华蓥山、铜罗山和明月山三山之间。结合时空动态分析，岳池县和邻水县洪涝灾害风险呈逐年上升趋势，而广安区、武胜县和华蓥市的洪灾综合风险逐年下降，但风险指数波动幅度较大。洪涝灾害预警及防灾减灾能力的提升是广安市面临的重要问题。关键词：目 录论文总页数：*页1.绪论 .11.1 研究背景及意义 .12.资料与方法 .32.1 研究区概况 .32.2 数据源 .42.2.1 基础数据 .42.2.2 数据预处理 .52.3 研究方法 .62.3.1 AHP 决策分析方法 .62.3.2 灾害风险评估原理 .82.3.3 加权综合评价法 .83.洪涝灾害风险评估模型 .93.1 洪涝灾害风险评估模型的建立 .103.1.1 洪涝灾害判断矩阵的建立 .103.1.2 各因子权重计算及一致性验证 .113.1.3 洪涝灾害评估模型 .123.2 洪涝灾害综合评估 .124.洪涝灾害风险评估与区划 .144.1 洪涝灾害危险性评估 .144.2 洪涝灾害暴露性评估 .174.3 洪涝灾害脆弱性评估 .184.4 洪涝灾害防灾减灾能力评估 .184.5 洪涝灾害综合风险评估与区划 .205.洪涝灾害风险的时空动态特征 .215.1 洪涝灾害风险的空间格局分析 .215.2 洪涝灾害风险的时间动态分析 .226.结论与展望 .236.1 结论与分析 .236.2 展望 .2311.绪论1.1 研究背景及意义21 世纪以来，由于全球气候变暖，气象灾害和极端天气的现象发生频率大大提升。洪涝灾害以其发生频繁、难以防护、受灾情况严重、灾后恢复难度大成为全球重大灾害之一。多个国家将洪涝灾害的防护和灾后评估列为重点研究项目，为预测和灾后重建提供决策支持。据统计，目前全球各种自然灾害所造成的损失洪涝占比 40%，它对人类社会的严重影响，已经构成制约社会和经济可持续发展的重要因素。因此，洪涝灾害的风险评估就变得日益重要和迫切。广安市地处中亚热带湿润季风气候区，受太阳辐射、大气环流和地形的综合影响，具有四季分明、冬暖夏热、无霜期长、降水丰富、风力小、空气湿度大等特点，同时又伴有夏旱、伏旱、洪涝、绵雨等灾害。危害最大的是干旱和洪涝。形成这些独特的气候现象与气象灾害，是因为其处在封闭型的四川盆地中，四周高山重重，中纬度、低海拔，加之境内又有三条山脉平行分布，使自北而来的西伯利亚和蒙古寒流减弱，就形成冬暖的特点，气温略高于同纬度的长江中下游地区，积雪少见。入春以后，北方极地大气团势力逐渐减弱，南方暖流北上，升温较快。但北方寒流南移时，大约每隔 7 天左右有一次降雨过程，出现寒潮天气，谓之“倒春寒” 。夏季，西太平洋副热带高压和孟加拉湾潮湿气流乘虚而入，带来大量的暖流空气，降水丰富而集中。如果冷暖空气在长江流域上空处于均衡静止状态时，则造成初夏雨季和“梅雨”天气。此后，当太平洋副热带高压或东移的青藏副热带高压久控不退时，则会出现连晴高温天气，几十天滴雨不降。秋季，副热带高压减弱，西风环流加强，北方冷空气随之南侵，在“白露”节前后，则易出现绵绵秋雨，农民谓之“烂白露” 。广安市多年平均降水量 1014 毫米1282 毫米，最多年为 1485 毫米，最少年为 836.6毫米。一年之中，各季节的降水量不同。春季为 209 毫米275 毫米，夏季为 401 毫米405 毫米，秋季为 278 毫米320 毫米，冬季为 37 毫米58 毫米，气温与降水趋于一致，这种雨热同季的气候，十分有利于农作物生长。干旱有春旱、夏旱、伏旱、秋旱、冬旱，伏旱发生的机率最大，危害也最严重。据1959 年1998 年的气象资料分析，伏旱变化的趋势是：60 年代、70 年代严重，1978年后趋于缓和，90 年代又开始严重。伏旱在不同的地区、不同的海拔高度上有一定差异，植被稀疏的丘陵、平坝地区受旱严重，森林密布的山区受旱较轻。海拔 900 米以上的山区，气温相对较低，降水量相对增大，蒸发量减少，云雾多，伏旱程度较轻。暴雨平均每年发生 4 次，最多年份有 10 次。全年以 6 月-7 月暴雨最多，占全年暴雨日数的一半以上。日降水量大于 100 毫米的大暴雨一般始于 5 月中旬，止于 8 月上旬。一小时内最大降雨量为 80 毫米，一日内最大降雨量为 228.5 毫米。暴雨极易导致洪涝发生，洪涝的出现与降雨强度、地形、植被密切相关。陡峭的山坡、植被稀疏的山区，常因降水强度大而出现滑坡、泥石流。平坝地区，常因江河上游洪峰推进而发生洪涝。洪涝发生时，山洪暴发，河水猛涨，对人民的生命财产危害极大。1989 年 7 月 8 日至 10 日，3 天内降雨量高达 400 毫米，造成华蓥市溪口镇马鞍山西侧山体大滑坡和邻水境内多处泥石流，死亡400 余人，损失惨重。2.资料与方法2.1 研究区概况广安市地处中亚热带湿润季风气候区，受太阳辐射、大气环流和地形的综合影响，具有四季分明、冬暖夏热、无霜期长、降水丰富、风力小、空气湿度大等特点，同时又伴有夏旱、伏旱、洪涝、绵雨等灾害，其中危害最大的是干旱和洪涝。广安市年平均降水量（多年降雨量总和与年数得到的比值）1014 毫米1282 毫米。最多年为 1585 毫米，最少年为 836.6 毫米。一年之中，各季节的降水量不同。春季为 209 毫米275 毫米，夏季为 401 毫米405 毫米，秋季为 278 毫米320 毫米，冬季为 37 毫米58 毫米。气象灾害暴雨平均每年发生 4 次，最多年份有 10 次。全年以 6 月-7 月暴雨最多，占全年暴雨日数的一半以上。日降水量大于 100 毫米的大暴雨一般始于 5 月中旬，止于 8 月上旬。一小时内最大降雨量为 80 毫米，一日内最大降雨量为 228.5 毫米。暴雨极易导致洪涝发生，洪涝的出现与降雨强度、地形、植被密切相关。陡峭的山坡、植被稀疏的山区，常因降水强度大而出现滑坡、泥石流。平坝地区，常因江河上游洪峰推进而发生洪涝。广安是气象灾害多发区、重灾区，每年因气象灾害及其引发的多种次生自然灾害给广安市经济、社会和人民生命财产造成了重大危害。广安市最近一次的重大洪涝灾害是发生在 2014 年 9 月 13 日至 9 月 14 日，期间出现区域性大暴雨，邻水县、广安区降特大暴雨，加之受上游巴中、达州等地强降雨影响，渠江干流发生超警戒水位洪水，全市遭受了严重的暴雨洪涝灾害。截至 9 月 14 日 16 时，全市 6 区市县、107 个乡镇（街道） 、99.8 万人不同程度受灾，直接经济损失高达 8.89 亿元。广安市年平均降水量行政区划如图1 所示。图 1 广安市年平均降水量及行政区划2.2 数据源2.2.1 基础数据表 1 社会经济数据名称 时间段 来源 单位行政区面积2000-2014年/kns55/navi/NaviSearch.aspx?v=年鉴检索中文名&n=广安市统计年鉴&t=T平方千米总人口数 2000-2014年/kns55/navi/NaviSearch.aspx?v=年鉴检索中文名&n=广安市统计年鉴&t=T万人工业总产值2000-2014年/kns55/navi/NaviSearch.aspx?v=年鉴检索中文名&n=广安市统计年鉴&t=T亿元农业总产值2000-2014年/kns55/navi/NaviSearch.aspx?v=年鉴检索中文名&n=广安市统计年鉴&t=T万元耕地面积 2000-2014年/kns55/navi/NaviSearch.aspx?v=年鉴检索中文名&n=广安市统计年鉴&t=T公顷小学在校人数2000-2014年/kns55/navi/NaviSearch.aspx?v=年鉴检索中文名&n=广安市统计年鉴&t=T人粮食总产量2000-2014年/kns55/navi/NaviSearch.aspx?v=年鉴检索中文名&n=广安市统计年鉴&t=T吨私营单位就业人数2000-2014年/kns55/Dig/dig.aspx 人GDP 2000-2014年/kns55/navi/NaviSearch.aspx?v=年鉴检索中文名&n=广安市统计年鉴&t=T亿元地方财政收入2000-2014年/kns55/navi/NaviSearch.aspx?v=年鉴检索中文名&n=广安市统计年鉴&t=T万元农民人均收入2000-2014年/kns55/navi/NaviSearch.aspx?v=年鉴检索中文名&n=广安市统计年鉴&t=T元表 2 遥感数据名称 时间 来源四川省 DEM 数据 2004 年 /DataProduct/Detail/20082030广安市矢量文件 中国 1：400 万广安市年降水量数据2000-2014年/kns55/Dig/dig.aspx中国土地利用分类2.2.2 数据预处理在获取到 DEM 数据和矢量文件之后，由于获取途径的不同，往往需要统一所有数据的坐标系。本文所有数据的地理坐标系为 GCS_WGS_1984，投影坐标系为 WGS_1984_UTM_Zone_48N。调整好空间坐标系后，将四川省 DEM 数据按广安市矢量文件作为掩膜裁剪出来得到广安市 DEM 数据。再利用广安市 DEM 数据进行水文分析，提取河网和流域，并利用公式（2.2）计算得到河网密度图，如图 3 所示。(2.2)=其中 L 为河流长度，单位：km。A 为流域面积，单位： km2。V 为河网密度，单位：1/km 3。图 3 河网密度图在经济数据中，由于各个数据的经济意义、表现形式以及量纲异同，而输出的是它们之间加权的结果。因此就需要对各类数据进行无量纲化。对于总人口数、工业总产值等数据利用公式 2.3 进行极大值标准化。广安市 DEM 数据利用公式 2.4 进行极差标准化，如图 5 所示。极大值标准化公式：(2.3)= 其中 表示无量纲化后的指数， 表示该类数据中第 i 个数据的值， 表示这列数据中的最大值。经过这种标准化所得的新数据，各要素的极大值为 1，其余各数值小于 1。极差标准化公式：(2.4)x=-其中 表示无量纲化后的指数， 表示该类数据中第 i 个数据的值， 表示这列数据中的最大值， 表示这列数据中的最小值。经过 这种标准化所得的新数据，各要素的极大值为 1，极小值为 0，其余的数值均在0-1 之间。图 5 DEM 无量纲化2.3 研究方法2.3.1 AHP 决策分析方法AHP（Analytic Hierarchy Process）层次分析法是美国运筹学家 T. L. Saaty教授于二十世纪 70 年代提出的一种定性与定量相结合的决策分析方法。它是一种将决策者对复杂系统分解为若干层次和若干因素，在各因素之间进行简单的比较和计算，就可以得出不同因素的重要性程度权重，为决策者的选择提供依据。AHP 决策分析方法的基本原理是：在复杂决策问题研究中，对于一些无法度量的因素，只要引入合理的度量标度，通过构造判断矩阵，就可以用这种方法来度量各因素之间的相对重要性。这种方法的特点是：思路简单明了，它将决策者的思维过程条理化、数量化，便于计算，容易被人们所接受；所需要的定量化数据较少，但对问题的本质，问题所涉及的因素及其内在关系分析得比较透彻、清楚。其基本步骤是：构造层次结构模型；构造判断矩阵；得出各个因子相对权重；一致性验证。 建立层次结构模型在这一个步骤中，要求将问题所含的要素进行分组，把每一组作为一个层次，按照最高层（目标层） 、若干中间层（准则层）以及最底层（影响因子的基础指标层）的形式排列起来。这种层次结构模型常用如图 8 来表示，图中要辨明上下层之间的关系。图 8 AHP 决策分析法层次结构模型示意图 构