基于GIS的洪水灾害风险区划研究

基于GIS的洪水灾害风险区划研究

第55卷第1期

2000年1月地　理　学　报ACTAGEOGRAPHICASINICAVol.55,No.1Jan.,2000　　文章编号:037525444(2000)01200015210

基于GIS周成虎,万　庆(,100101)

摘要,本文在分析洪灾形成的各主要因子的,并结合辽河流域具体情况,以降雨、,得出辽河流域洪灾风险综合区划。

关　键　词:地理信息系统;洪水灾害;风险区划

中图分类号:X91515　　文献标识码:A

1　洪水灾害风险估算与风险区划

111　洪水灾害风险估算

洪水灾害风险研究涉及到自然与社会经济系统诸多方面,如洪水的形成与发展、下垫面的土地利用状况等。洪水灾害风险估算是分析不同强度的洪水发生的概率及其可能造成的损失,主要包括危险性分析、易损性分析和洪灾损失评估等3方面。洪水危险性分析研究受洪水威胁地区可能遭受洪水影响的强度和频度,强度可用淹没范围、深度等指标来表示,而频度可用洪水的重现期来表达。洪灾易损性是指承灾体遭受不同强度洪水可能损失程度,常采用损失率来表示。洪灾易损性分析是研究区域承灾体易于受到洪水的破坏、伤害损伤的特征。洪灾损失评估是指在不同的危险性和易损性条件下,洪水可能造成的损失大小的计算。

112　洪灾风险区划

在实际分析应用中,洪水灾害风险分析主要是确定洪灾风险的相对大小,多是定性、半定量化,其中风险区划是一种常用的分析方法。洪灾风险区划指根据研究区洪水危险性特征,参考区域承灾能力及社会经济状况,把研究区划分为不同风险等级的区域。

对洪水灾害区划的研究已有很多工作,并提出了许多方法。李吉顺等根据历史暴雨洪涝灾害分省灾情资料,通过构建“综合危险度”和“相对危险度”两种无量纲量,对全国暴雨洪涝灾害的危险性进行评估,并进行了全国暴雨洪涝灾害区划,这是一种基于历史灾情数据的区划方法[1];赵士鹏根据综合分析的原则(考虑孕灾环境、致灾因子、承灾体)、发　　收稿日期:1999210207;修订日期:1999211220

基金项目:国家“九五”攻关项目(962B02202202)[FoundationItem:ThekeyprojdctofNationalNinthFiveYear

Plan,No.962B02202202]

作者简介:周成虎(19642),男,江苏海安人,博士,研究员。主要从事地理信息系统的基础与应用示范研究,负

责和参加国家九五攻关课题:重大自然灾害遥感监测与评估业务运行系统、国家863海洋领域项目:海

洋渔业服务地理信息系统研究、国家863航天领域项目:香港城市环境遥感综合研究、中日国际合作:

土地利用 土地覆盖全球系统建设——青藏高原示范区研究等7项项目。出版学术专著7卷(册),发表

论文60多篇。E2mail:zhouch@lreis1ac1cn

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16地　　　理　　　学　　　报　　　　　　　　　　　　　55卷生学原则(区分山洪的类型,如暴雨山洪与冰雪融水山洪等)和为减灾服务的原则,将全国划分为6个山洪灾害特征一致区域,即西北区、内蒙区、青藏区、中部区、东部平原区、东南区,该区划方法是一种宏观、定性的区划方法①;汤奇成根据洪灾形成的自然因素(主要采用标准面积最大洪峰流量)和社会因素(分层国民经济总产值),(市)为单位的中国洪灾危险程度图,并根据危险程度,3:地区、,2]。

113(如地形、坡度、土地利用)、洪水特征(如流量、水位(如人口、工农业产值等)[3,4]。其中土地利用类型分布、历时、范围以及防御措施应作为估算损失的重要因子[5],而这些因子均具有较强区域差异性,表现为空间数据,而地理信息系统作为空间数据管理与分析的重要技术方法,对洪水灾害评估有着极大的支持与辅助作用。

(1)集成化的空间数据。地理信息系统为洪水灾害评估提供了各种可利用的基础数据。陈丙咸在曹娥江流域利用了11个专题要素分析小流域的洪水[6];Sorensen给出7大类流域背景数据的框架和各自的空间数据结构及表达方式[7];周成虎在设计的黄河下游洪灾数据集中包括了数字地形方程、土地利用等11个专题要素,并采用分层、分区的管理方式[8]。

另一方面,地理信息系统提供了对数据层内部及相互间的操作能力,如根据数字高程

[8]模型生成坡度、坡向、水系等[7]。Badji将SAR淹没信息与土壤信息复合,分析排水性质;

Sorensen通过比较河流水面与洪泛平原的地面高程,再与其它图层复合进行洪水影响评价[7];Chen等通过本底水体与洪水期体复合获取淹没范围,以及洪水淹没的时空演变[9]。

(2)构造分析单元的工具。地理信息系统的空间拓扑叠加方法为构造性质均一的分析单元提供了强有力的工具。Jonge等考虑到邮政编码分区对保险公司财产损失评估的重要性,采用地形、土地利用和邮政编码分区构造分区单元[10];Profeting认为土壤信息,对评价农业损失很重要,则利用洪水范围图、土壤图和土地利用图构建单元。尽管有GIS支持,允许评估模型有多个空间输入变量,但将所有专题信息都叠加在一起构成分析单元有一定困难,因此需要将部分信息作为分析单元的属性单独存贮与管理[10]。

(3)构建集成系统的基础。目前有很多有关洪水灾害管理与评估系统是以GIS为基础而集成起来的。如英国河流管理部建立的海岸带管理系统(SMS)的防洪子系统则以MGE为集成平台[11];加拿大紧急事务管理部门建立的洪水应急遥感信息系统(FERSIT)则以

预警系统也把GIS集成作为今后发展方向。ArcView为集成环境。其它方面,如洪水预报、

2　洪水灾害风险评估的指标模型

211　洪灾风险评估指标的选择与表达

洪水灾害的形成与发展受约于多种自然与社会经济因素,并因洪水类型的不同而不同。根据其作用机理与变化速度,可将影响洪灾风险评估的因子归结分为以下3类:

①赵士鹏.山洪灾情评估的系统集成方法研究.中国科学院地理研究所博士论文,1995.

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1期　　　　　　　　　　周成虎等:基于GIS的洪水灾害风险区划研究17

(1)触发因子,为引起洪灾的动力因子。对于不同的类型的洪灾,其因子不同。在复杂的情况下,可能是多种因子的组成。对于暴雨洪灾,则持续的暴雨是主导因子;而对于风暴潮灾而言,则是强风暴。一般而言,触发因子多可以用定量指标对其空间特征和时间过程进行描述。

(2)下垫面自然条件,性。用各种专题要素图进行描述,(3),反映区域承灾能力和损失率。,并具有极大的区域差异性,在时间过程上具有波动性212洪水灾害风险区划分析的方法有很多种,指标模型是其中一种,着重从洪灾形成的背景与机理,通过对影响洪水形成的各种因子的分析,赋予每种指标一定权重,借助指标模型进行综合,以求得综合分区,因此属于一种确定性模型。

P(洪水灾害)=f(触发因子,下垫面因子,社会经济发展水平因子)

在这个方程中,所有右边独立因子可通过一定方法赋于一定分类码。各因子间组合关系可以是线性的,也可以是非线性。考虑到P的空间特征和地理信息系统的能力,可以将各种因子在统一的空间框架中,借助于空间叠加分析功能,综合各影响因子,从而可得到综合影响因子图。在常规的计算中多采用均匀格网作为空间框架,从而达到对每一格网点(象元点)进行分析,其空间综合则转化为多维矩阵的地图代数运算。

3　辽河流域洪灾风险评价分析

311　研究区概况

(1)自然概况。辽河发源于河北省七老图山脉之光头山,流经河北、内蒙、吉林和辽宁四省(区)。西侧的东辽河、西辽河汇合流入辽河,后再汇入饶阳河,经双台子河至盘锦入海,流域面积19123×104km2,河长1345km;东侧的浑河、太子河汇流,经大辽河在营口市入海,流域面积2173×104km2,河长521km。流域多年平均降水量300～950mm。在空间分布上,东部山区年降水量达800～950mm,西辽河干流地区仅300～350mm;在年内分配上,降水多集中于7、8两月,约占全年降水的50%,又多以暴雨形式出现。降水的年际变化也较大,最大与最小年降水量之比有的达3倍以上。

(2)社会经济概况。辽河流域覆盖河北、内蒙、吉林、辽宁四省(区)19个市(地、盟)的65个县(旗)。据1990年统计,总人口为3396178万人,其中农业人口为203114万人。工农业总产值为558亿元,其中工业产值47312亿元,占工农业总产值的8418%。辽河流域是我国工业基地、能源基地,也是重要的商品粮基地。流域内工业比较发达,特别是浑河、太子河水系工业极为集中,如沈阳的机械工业、国防工业、冶金工业等,抚顺的煤炭工业、鞍山的钢铁工业、本溪的钢铁和煤炭工业、辽阳的化纤工业、营口的纺织、轻工业等。辽河流域还是重要的商品粮基地。辽河流域现有耕地45319hm2(1990年),约占总土地面积20%左右。其农业以种植业为主,主要是粮食作物,其它是油料作物。西辽河

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18地　　　理　　　学　　　报　　　　　　　　　　　　　55卷地区是内蒙古自治区的粮食、油料和甜菜的主要产区,蓄牧业占有较大比重,科尔沁草原是国家肉牛生产基地。东辽河流域属半湿润地区,土壤肥沃,适合农作物生长,是吉林省主要产粮区。粮食以玉米为主,占75%,其次是高粱和谷子。辽河中下游地区绝大部分属半湿润地区,土质较好,是辽宁省的主要产粮区。

(3)历史灾情。辽河流域的洪涝灾害频繁,,,共发生洪灾50多次,平均2～3年就有一次312(1)7～8月份,一次暴雨持续约为3～4,200mm,且空间分异明显:浑、太河上游地区多年130mm,而西辽河上游仅50mm。根据历史洪灾资料分析,最大三,故选多年平均最大三日降雨作为反映对洪灾影响的降水指标。为了定量地反映其关系,采用以下线性公式将最大三日暴雨量分布转换为洪水危险程度的影响度:

当最大三日暴雨量P≤30mm

(200-300)　　当30mm<P<200mmP(洪水危险程度)=P

1当P≥200mm

图1　辽河流域降雨因子影响度分布图

Fig11　InfluenceindexofrainfallonfloodinginLiaohebasin

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1期　　　　　　　　　　周成虎等:基于GIS的洪水灾害风险区划研究19　　在空间上,根据最大3日平均暴雨量分布,利用250×250m格网,以Arc Info软件为平台,进行空间内插离散化[11],通过指标转换,得到辽河流域降水因子影响度分布(图1)。

表1　综合地形因子影响度关系表　　(2)地形与洪水危险程度。地形与洪水危险程

度密切相关。一般认为,地形对形成洪水的影响主Tab11　Relationshipic

settingf要表现在两个方面:地形高程及地形变化程度,形高程越低,地形变化越小,GIS,5×5

邻域内25(包括其自身)高程的标准差作为m一级二级三级四级(≤100)(100～300)(300～700)(≥700)二级三级019018017016018017016015017016015014表征该处地形变化程度的定量指标。并把高程标准差分成三级

:高程标准差0～1为第一级,1～10为第二级,大于10为第三级。

根据地形因子中,绝对高程越高、相对高程标准差越小,洪水危险程度越高的原则,确定如表1所描述的综合地形因子与洪水危险程度关系。通过空间叠加分析,进行属性项合并,从而计算出每一格网点地形综合影响因子(图2)。

图2　辽河流域地形因子影响度分布图

Fig12　InfluenceindexoftopographyonfloodinginLiaoheBasin

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20地　　　理　　　学　　　报　　　　　　　　　　　　　55卷　　(3)社会经济易损性指标。基于洪灾损失率的易损性分析主要有以下几方面的困难:①调查承灾体的分布及估算其价值极其困难而且耗资巨大;②不同类别的承灾体易损性特征难以得到,目前仅对农作物、房屋等很少几类承灾体的易损性特征研究较为成熟;③难以定量分析社会承灾能力。

达的地区,人口、城镇密集,产业活动频繁,,,,遭受洪。,,区域承灾能力相对较强,,。同样。社会经济易损性分析一般以一定行政单元为基础,从而可直接。关于采用何种社会经济指标来反映区域社会经济易损性大小,目前尚无统一标准,并因区域的不同而不同。根据辽河区域特点,我们选取流域内各市、县、旗单位面积人口数和耕地占总土地面积的百分比作为特征指标[12],并通过各县的标识码建立与统计数据的关联,从而将统计数据空间化,并得出相应的空间分布图。

问题的核心是如何将人口密度图和耕地百分比图转换成各自对洪灾的影响度分布图。这里从统计特征分析出发,选取均值和标准差作为指标,分别将基础要素图分为5类,并赋予相应的影响度(表2,表3)。再通过组合计算,并得到如图3所示的社会经济易损性影响度分布图。该图反映出:辽河流域中部是洪灾危险程度最高的地区

。

图3　辽河流域社会经济易损性影响度

Fig13　VulnerabilityofSocio2economicpropertistofloodinginLiaoheBasin

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1期　　　　　　　　　　周成虎等:基于GIS的洪水灾害风险区划研究21

表2　人口密度分类表

Tab12　Populationdensityandinfluenceindex分类号

1

2

3

4

5表3　耕地百分比分类表Tab13　Cultivatedlandratioandinfluenceindex分类号125分类范围 (万人 km2)0～148157148157～438182438182～729108729108～101913310191331影响度01501601701801分类范围 %0～319118116～4612946129～60142影响度015016017018019

Ξ::Ξ　均值:18104,标准差:14113。

313根据各因子影响度的分析,利用Arc Info系统的地图代数功能,将各因子图进行叠加分析,得到综合区划图。这里我们分两步进行,首先综合考虑暴雨和地形因子,形成洪水危险性区划(图4);其次将危险性区划图再与社会经济易损性分布图叠加,从而得到如图所示的辽河洪灾风险区划图。

从洪水危险性分区图中可以发现辽河流域东部地区洪水危险性明显较西部为高,这与东部地区降雨量大、地势相对较为低平,而西部地区(西辽河)降雨量少,地势相对较高

图4　辽河流域洪水危险性分区图

Fig14　ZonationoffloodriskinLiaoheBasin

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22地　　　理　　　学　　　报　　　　　　　　　　　　　55卷密切相关。对于东部地区,浑河和太子河的上游等,由于地势高、坡度大,遭受洪水的危险程度相对较低;对于西部地区,洪水危险程度较高的地区主要分布在河流两侧,尤其是西辽河干流及新开河附近。

在洪水灾害风险区划图上,辽河中下游平原地区由于洪水危险性高大,故洪灾风险较高,,社会经济较不发达,洪灾风险相对较低。下游,降雨量较高,,,,但本文没有考虑区域承灾能力,

,5为低。

图5　辽河流域洪水灾害风险区划图

Fig15　ZonationofflooddisaterriskinLiaoheBasin

4　讨论

(1)由于洪水灾害形成的复杂性,影响因子众多,要完全定量地分析洪灾风险有一定困难,本文所提出的指标模型法只是这方面作了一定探索。

(2)指标模型是一种确定性模型,其实现可与地理信息系统有机结合,本文利用Arc Info的Grid子系统的地图代数功能,实现各种指标的定量描述和综合。

(3)为了便于规划使用,指标模型需进一步改进,以便对每一种发生的概率进行描述,从而达到时空分析评价的目的。

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1期　　　　　　　　　　周成虎等:基于GIS的洪水灾害风险区划研究23

感谢陈述彭先生十多年来的教诲与指导。早在1986年先生就领导一研究组开展江河洪水险情预报与对策信息系统研究,并系统地论述了研究框架与技术路线。十余载,经“八五”和“九五”国家攻关等大型项目研究,在关键技术、分析模型和系统建设等方面都取得重大研究成果,洪水灾害评估信息系统也已投入试运行。

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24地　　　理　　　学　　　报　　　　　　　　　　　　　55卷

AGIS-basedApproachtoFloodRiskZonation

ZHOUCheng2hu,WANQing,HUANGShi2feng,CHENDe2(StatekeyLaboratoryofResourcesandEironmInfor,

ChinaAcademyofSciences,ingAbstract:Floodriskcan,ters,asprobabilitytimeconsequence.Itconsistsofvuanalysisanddamageevaluation.Avarietyofmedandapplied.Amongthem,QuantitativeRiskAnalysis(QRA)aethodofquantifyingriskthroughsystematicexaminationofthefactorscontributingtothefloodhazardandaffectingtheseverityoffloodconsequence,theirinteractionandrelativecontributiontotheoccurrenceoftheflood.TheQRAtechniqueiswellestablishedinmanyfieldssuchaschemicalengineeringandhazardousmaterialsprocessing.TheapplicationofQRAtofloodriskisrelativelynewandstillunderdevelopment.Whilethebasicriskassessmentconceptsandtoolscanbeused,themethodologiesneedtobeadapted.Category-basedmodelforfloodriskanalysisisusedtoassignavaluetoeachdriven-factorsuchastriggeringfactorofrainfall,dambreak,groundsurfaceconditionsoftopography,landcover,andothers.Thekeystothemodelaretosynthesisthespatial-referenceddataandcreatetheriskzone.

ThediffusionofGeographicalInformationSystems(GIS)technologyopensuparangeofnewpossibilitiesforhazardmitigationanddisastermanagement.MicrozonationisgreatlyfacilitatedbythekindofautomationthatGISoffers,especiallyasitinvolvescomparison,indicesandoverlaysinmuchthesamewaythatGISdoes.Inthisarticle,ArcInfoGIShasbeenchosentoquantitativelyrepresenttheinfluencingfactors,spatializethedataintotheuniformgridsystem,andtransferallthedataitemintotheeffectdegreesontheprobabilityofflooding.Atlast,withthesupportofArc InfoGRIDmodel,acategoricalmodelforfloodriskzonationhasbeenputforward.TheapproachhasbeenappliedtotheLiaoheriverbasin,thenorth-easternofChina,flooddisasterriskzonation.TheresultsshowthatthefloodriskofthelowerreachesoftheLiaoheriverismoreseriousthanotherplaces,whichaccordwiththefact.ThecasestudyshowesthattheGIS-basedcategorymodeliseffectiveinfloodriskzonation.

Keywords:GeographicalInformationSystem;Floodhazard;Riskzonation

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ij04.html