潍坊市强降雨洪涝灾害风险评估与区划研究

赵 华，李树军，肖清华，杨可栋，王思扬

（潍坊市气象局，山东 潍坊261011）

世界经济和城镇化发展日益增速，灾害性天气和极端天气气候事件频繁出现[1-6]，由于气象造成的损失越来越大，其中由于暴雨造成的洪涝灾害尤为突出[7]。暴雨洪涝灾害是潍坊市的主要气象灾害之一[8]。使用风险区划来管理和认识灾害是灾害风险管理的重要手段[9-10]。自然灾害的风险区划不仅可以为领导决策提供依据，而且是当地防灾减灾设施建设、土地利用及农产品结构的重要参考指标，受到越来越多人的重视[11]。近年来，国内外的专家学者们已经从各种角度在暴雨洪涝灾害风险评估方面做出了有益的尝试，并取得了一系列的成果。俞布等[12]对杭州市的台风暴雨灾害进行了风险评估和区划。罗培等[13]对重庆地区的暴雨洪涝灾害进行了风险区划。曹罗丹等[14]构建了浙江省洪涝灾害的风险评估模型。梁冬坡等[15]利用RS 技术提取了天津市津南区的高精度土地利用类型分类，并基于GIS 技术对其进行了风险区划。

目前，虽针对洪涝的风险区划研究多方展开，但各专家学者对洪涝灾害的危险性、敏感性、易损性和防灾减灾能力中的评价指标把握不尽相同，且对于洪涝灾害的关键性影响因素——致灾因子危险性，各学者多从过程降雨总量展开，对于短时强降雨造成城市内涝灾害的研究较少。为此，本文欲在前人已经取得的气象灾害评估成就的基础上，借鉴目前已经比较成熟的灾害风险评估方法，综合考虑洪涝灾害的致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性和城市防灾减灾能力4 个评价指标，同时考虑短时强降雨对潍坊市城市内涝造成的影响，对潍坊市强降雨洪涝灾害风险进行评价，采用层次分析法、专家打分法、加权综合评价法对潍坊市的强降雨洪涝灾害风险进行评价分析，基于GIS 技术制作潍坊市强降雨洪涝灾害风险区划，为潍坊市防灾减灾建设和生产生活规划提供决策依据。

1 材料与方法

潍坊市位于山东半岛的中部，北部为渤海，南部与临沂市隔山相望，地处济青线路中心，为济南和青岛两大经济中心的连接通道。市内地形主要为南部多山，中部北部较为平坦，市内河流众多，南部易发山洪，北部易发洪水漫溢。

1.1 研究资料及来源

本文所使用的数据资料主要包括潍坊市9 个国家气象观测站2008—2017 年逐小时降雨的气象数据，来源于潍坊市气象局常规气象观测资料。行政区界、气象站网、河流流域、DEM（数字高程模型）等地理空间数据，行政区域土地面积、总人口、耕地面积、生产总值GDP 等社会经济数据，由山东省气象局提供。潍坊市1984—2016 年历史灾情数据，来源于市民政局和各县市区民政局统计资料。

1.2 研究方法

1.2.1 评价指标的量化

由于所选指标的单位不同，为了消除指标之间由于量纲不同带来的影响，需要对数据规范化处理，把各指标量化成0≤X≤1 的数值来表示所有因子，解决因子之间的比较性问题。本文选用下列公式[16-18]：

式中，Xi是第i 个指标的规范化值，xi是第i 个指标值，mini和maxi分别是第i 个指标的最小值和最大值。

1.2.2 强降雨洪涝灾害风险评价模型的建立

强降雨洪涝灾害的各个评价指标及其各自的影响因子，构成了灾害风险评估体系[19]。根据灾害风险区划的概念[20-21]，综合考虑强降雨洪涝灾害的致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性和城市防灾减灾能力4 个评价指标，构建了潍坊市强降雨洪涝灾害风险的概念框架，而强降雨洪涝灾害的风险指数是由这4 个评价指标综合作用的结果。首先考虑各个评价指标对强降雨洪涝灾害风险的影响程度不同，确定其各自影响权重，然后以ArcGIS10.2为平台，采用加权综合评价法，利用GIS 分析和制图的优势进行风险区划。

其中，Xi为各因子规范化后的值，Wi为各因子的权重。

各因子权重的确定采用层次分析法理念和专家打分的主观方法，将评价指标分解为若干层次，以上一层要素为准则，将同一层次的各个要素进行判断比较，通过计算及专家打分得出各个要素的影响权重，最终得出综合权重，进行风险指标计算（表1）。

2 强降雨洪涝灾害风险区划及分析

2.1 致灾因子危险性指标分析

洪涝灾害的致灾因子是指洪涝灾害形成的诱发因素[22-23]。通常致灾因子强度越大、频次越高，所造成的损失也就越大，灾害风险也越高。降雨致灾主要是由于雨强大，形成强烈的地表径流，造成房屋和农田设施被毁、倒塌；或因降雨持续时间长，地势低洼地带雨水囤积，并且土壤墒情饱和难以下渗，从而形成内涝。因此，短时强降雨和长时间的较大累积雨量都有可能导致洪涝灾害。传统致灾因子的确定常以日降雨量达到暴雨为临界值，会忽略部分未达暴雨强度的短时强降雨过程。本文在以暴雨过程确定临界致灾雨量的基础上，引入短时强降雨因子，综合考虑短时强降雨和暴雨对城市洪涝的影响。通常，致灾因子的强度和频次与可能造成的灾情成正相关。洪涝灾害的致灾因子危险性主要体现在降雨的强度Hs和频次Hf上。

表1 潍坊市强降雨洪涝灾害风险区划指标体系及权重分配

本文采用百分位方法计算[24]，分析2008—2017年潍坊市9 个国家气象观测站点的小时降雨量，得到各站点降雨过程的频次Hf和强度Hs。具体实现步骤如下：

（1）从历史的各站的小时雨量中，统计出潍坊市各气象站点3、6、12 和24 h 的过程降雨量。

（2）根据潍坊市的地形特点和管网排水能力，以1 h 降雨量≥20 mm、3 h 降雨量≥30 mm、6 h 降雨量≥40 mm、12 h 降雨量≥50 mm、24 h 降雨量≥60 mm为标准，对各个气象站点的降雨数据进行筛选。

（3）将各个气象站点每个时段的雨量序列从小到大进行排序，按照50%、70%、85%、95%分别确定5 个不同时段分别对应的雨量阈值，分为5 个级别的降雨强度，根据降雨强度等级越高，对洪涝形成所起作用越大的原则，分别给予降雨强度5 个等级权重，即1/15、2/15、3/15、4/15、5/15。

（4）采用加权综合评价法，计算各气象站点不同等级降雨强度的发生频次与相应等级权重的乘积之和，便可得到导致洪涝灾害的强降雨频次因子Hf。

式中，Hf为强降雨频次，Vij为i 时段内j 级降雨强度的降雨次数，Wj为j 级降雨强度的权重。

（5）取各站点小时雨量的最大值作为该站点导致洪涝灾害的降雨强度因子Hs。

各个站点强降雨频次Hf和降雨强度Hs计算结果如表2。

表2 潍坊市各站点降雨强度和强降雨频次

（6）将强降雨频次Hf和降雨强度Hs规范化后，按表1 赋予其权重，采用加权综合评价法，计算可得各个站点的致灾因子危险性指标。在ArcGIS10.2 平台，采用自然断点分级法（ArcGIS 软件自动实现）将致灾因子危险性指标划分成5 个等级，并绘制其区划图（图1）。

图1 潍坊市致灾因子危险性分布

洪涝灾害的致灾因子危险性对潍坊市的影响程由东到西大致呈递减趋势。诸城东部、高密东部的大部分地区为高危险区；潍坊、昌乐、临朐大部、昌邑大部地区为低危险区；安丘、昌邑与高密、诸城交界地处于低危险区和高危险区之间，较高危险区、中等危险区、较低危险区呈带状分布；寿光大部地区、青州大部地区为较低危险区；青州中部地区为中度危险区。强降雨的不均衡分布是导致局部地区强降雨洪涝灾害发生的重要原因之一。

2.2 孕灾环境敏感性指标分析

潍坊市地势南高北低，地形地貌复杂多样，南部多山，中北部平坦。其独特的地形地貌特点，使得该地降雨受地形的影响较大，易由高地势向低地势汇聚。如遇大范围、长时间的降雨或短时强降雨，就会容易造成山区等低洼地带积水，有利于洪涝的形成和发展，进而造成严重的洪涝灾害。由于不同下垫面类型水土保持能力和对雨水的拦蓄能力不同，本文根据潍坊市的区域特点及洪涝形成的机理，选择地形、水系、下垫面类型等因素构建孕灾环境敏感性评价指标体系。其中，地形指标主要包括高程和地形变化，水系指标主要考虑河网密度，同时将潍坊市的下垫面类型分为耕地、林地、草地、水域、城乡居民用地和未利用土地6 类，结合地形及水系的影响，对孕灾环境敏感性作出评价。

2.2.1 地形

采用潍坊市1∶50 000 的DEM 高程数据，可以直接提取地形高程，地形变化程度可以用地形高程差来表示。对于某一格点，该点的地形高程差可通过计算其与周围8 个相邻格点的高程标准差来获得，这一步骤可以通过ArcGIS 软件中的邻域分析功能实现。高程越低，高程标准差越小，则该地越容易形成洪涝灾害，其影响值也越大。基于此，给出综合考虑高程和高程标准差的组合赋值（表3）。

表3 潍坊市高程及高程标准差组合赋值

2.2.2 水系

河流水系的分布情况影响了潍坊遭受洪涝灾害风险的高低，距离河流、湖泊水库越近，那么发生洪涝灾害的风险就越高[25]。尤其对于潍坊市内蓄水能力较弱的小型江河水库，短时强降雨容易导致河水泛滥、外泄，从而形成洪涝灾害。因此河网密度在洪涝灾害的敏感性评价中是一个不可忽视的因素。

河网密度可以基于ArcGIS 软件计算得到。根据山东省气象局提供的潍坊市河流水系分布图，将潍坊市分为1 km ×1 km 的网格计算单元，计算单位网格内河道的总长度，再将各单位网格内的河道总长度与网格面积做比值运算，即可得到该网格内的河网密度。

2.2.3 下垫面类型[26]

潍坊市下垫面类型分为耕地、林地、草地、水域、城乡居民用地和未利用土地6 类，数据由山东省气候中心提供。按其对潍坊市洪涝响应的敏感程度采用专家打分法对不同下垫面类型的敏感性指数进行赋值，值越大，敏感性越高（表4）。

表4 潍坊市下垫面类型敏感性指数

将地形、河网密度和下垫面类型敏感性指数规范化后，按表1 赋于其权重，采用加权综合评价法即可得到各台站孕灾环境敏感性指标。基于ArcGIS10.2 平台，利用自然断点分级法将其分为5个等级，并绘制孕灾环境敏感性区划图（图2）。

图2 潍坊市孕灾环境敏感性分布

结果表明，潍坊市洪涝灾害的孕灾环境敏感性为北高南低分布。地势低、河网密度大、下垫面较敏感是其孕灾环境脆弱的主要原因。寿光、潍坊、昌邑、高密、安丘西部、诸城北部属于高敏感区，主要为地势较低的平原地区，且河流水库相对集中。寿光北部、潍坊北部、昌邑北部有一条较高敏感区带，其他较高敏感区主要分布于高敏感区周边。青州西南部、临朐南部主要为低敏感区。临朐北部、昌乐大部、安丘西部主要为中等敏感区。较低敏感区主要分布于低敏感区周边。

2.3 承灾体易损性指标分析

洪涝造成的危害程度与受到灾害危险因素威胁的人员、牲畜、农作物、房屋等及其所在社会资源分布密不可分。受灾地区遭受的潜在损失及其灾害风险与该地区的财产价值和人口密度成正比。因此，本研究主要选取地均GDP、地均人口密度作为承灾体易损性评价指标。经规范化后，按表1 赋于各因子权重，采用加权综合评价法，计算得到各台站承灾体易损性指标。基于ArcGIS10.2 平台，绘制其承载体易损性区划图（图3）。

从图3 可以看出，潍坊市承受灾害能力较强，高易损性区域主要集中在人员密集的城区，潍坊大部分地区属于低易损性。潍坊市人员及GDP 较为集中，主要位于城区，也成为潍坊易受强降雨洪涝灾害影响的区域，寿光虽然GDP 较高，但由于主要为平原，GDP 来源主要为大棚农业，人员较为分散所以大部分地区为低易损性区域，只有北部沿海稍高，为较低易损性区域。

图3 潍坊市承灾体易损性分布

2.4 防灾减灾能力指标分析

洪涝灾害的防灾减灾能力一般包括灾害发生前的减灾投入资源准备情况和灾害发生后的应急管理能力等。防灾减灾能力的高低，决定了受灾地受损风险大小，防灾减灾能力越高，遭受洪涝灾害的风险则越小。防灾减灾能力受制约于地方政府的经济实力以及灾后救援速度。人均GDP 相对较高且路网密度较大的地区，防灾减灾的经济保障则相对越高，受灾人员及财产便于得到及时救援，因而其防灾减灾的能力也相对较高。故防灾减灾能力评价指标主要采用人均GDP 水平和路网密度。路网密度算法同河网密度。

将人均GDP 水平和路网密度因子规范化后，按表1 赋于其权重，采用加权综合评价法，计算得到各台站防灾减灾能力指标。在ArcGIS10.2 平台将其划分为5 个等级，绘制其区划图（图4）。

由图4 可知，潍坊市防灾减灾能力较高，强防灾减灾能力区域覆盖所有城区，与高易损性区域对应，可以看出潍坊市防灾减灾规划较好，对高易损性区域都做了较好的防灾减灾能力建设。

图4 潍坊市防灾减灾能力分布

2.5 洪涝灾害风险区划

洪涝灾害是致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性和防灾减灾能力4 个评价指标综合作用的结果。然而，考虑到各个评价指标对洪涝风险的构成所起作用不尽相同，按照表1 对各个指标赋予权重，并根据以上求得的各个评价指标的影响指数及其各自的权重系数，利用ArcGIS 软件，采用加权综合评价法计算出潍坊市强降雨洪涝灾害风险指数，将其按5 个等级进行区划，得到潍坊市强降雨洪涝灾害风险区划（图5）。

图5 潍坊市强降雨洪涝灾害风险区划

潍坊市强降雨洪涝灾害发生的高风险区和较高风险区主要集中在高密和诸城地区，青州中部有部分地区为较高风险区，临朐、昌乐、昌邑的大部地区、青州南部、安丘东部等地区为低风险区和较低风险区，其他为中等风险区。究其原因，潍坊市强降雨洪涝灾害风险区域差别较大，这主要是由于潍坊市的地形地貌、气候水位、GDP 分布、人口密度以及主要发展产业等特点决定的。西南山区地势相对较高，且强降雨发生的频率和强度相对较低，因而风险相对较小。而高密、诸城等地因地势低洼，强降雨频发，因此洪涝风险相对较高，需重点防护。

为检验本文给出的潍坊市强降雨洪涝灾害风险区划结果的准确性与客观性，将区划结果与潍坊市1984—2016 年的洪涝历史灾情数据进行了比对分析，将经济损失与受灾人口作为评价历史灾情严重程度的评价指标，反映该地区的受灾程度。结果显示，在33 a 的历史灾情实况中，诸城受灾程度最高，共发生洪涝灾害10 次、直接经济损失118 120 万元、受灾人口83 662 人，为高风险区，高密、安丘、青州次之，北部沿海地区受灾程度较低，其中昌邑仅受灾4 次，直接经济损失7 397.35 万元，受灾人口50 228人。区划结果与实际情况基本吻合，且较以往依靠经验、以行政辖区为单位把握风险区相比，本文给出的区划结果更加全面、精细，打破了行政辖区的限制，为潍坊市强降雨洪涝灾害的防治提供更准确更精细的决策依据。

3 结论与讨论

本文基于历史数据对潍坊市2008—2017 年资料进行了研究，在传统的以日降雨量确定临界致灾雨量的基础上，引入短时强降雨因子，综合考虑强降雨洪涝灾害的致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性和城市防灾减灾能力4 个评价指标，编制了潍坊市强降雨洪涝灾害风险区划。结果表明：

（1）洪涝灾害发生的高风险区主要位于高密、诸城等地区，地势低、强降雨频发是导致该地区强降雨洪涝灾害发生的主要因素，其洪涝灾害发生的风险较大。

（2）青州中部部分地区和高密诸城西部地区为较高风险区，较强的降雨强度和较大的人口密度是主要因素。

（3）临朐、昌乐、昌邑的大部地区、青州南部、安丘东部等地区为低风险区和较低风险区，其他为中等风险区。

经过与历史灾情资料进行对照检验，本文所得区划结果与实际情况基本吻合，为潍坊市的强降雨洪涝防灾减灾提供技术支持和决策依据。

强降雨洪涝的发生发展具有一定的突发性与年份、地区特殊性，虽然经检验，所得区划结果与历史洪涝灾害发生程度较为符合，但对未来的预测仍存在一定的不确定性。另外，西南山区虽强降雨洪涝风险较小，但其山地众多，地势复杂，一旦强降雨天气发生也会导致泥石流等次生灾害，对该地区的强降雨监测和灾害预防工作也不容忽视。洪涝灾害风险是一个十分复杂的系统，受到数据来源和精度的限制，本文仅选取了部分指标进行分析，难免会对指标考虑不够全面。鉴于以上多种因素的影响，模型和结果的精度还需要进一步完善和提高，未来可综合应用“3S”技术，选取更为全面的影响指标，利用数理模型优化算法，进一步改进和完善强降雨洪涝灾害风险评估与区划工作，对洪涝灾害进行精准区划。