基于arcgis的重庆市山洪灾害区划研究

基于arcgis的重庆市山洪灾害区划研究

洪水灾害形成的影响因子山间溪流灾害是指由山区突然洪水和快速上升的地表径流造成的灾害。一些科学家将伴随饥饿水域洪水的泥石流和滑坡称为山区洪水灾害。本文采用第一种定义。国内外的研究表明,山洪灾害是地形地貌、地质特征、强降水等多种因素综合作用的结果,其中降水是山洪灾害形成的外部动力关键因素。降水达到一定的量级或强度后,就会引发山洪灾害,此时的降水称为临界雨量,一般按区间进行描述,区间最小值为临界雨量的最小值,区间最大值为临界雨量的平均值。地形、地质、地貌条件是影响山洪灾害形成的基础因素,相对海拔高、地形坡度大、地质结构疏松、下垫面情况不利于水分附着的地区,山洪发生几率较高,反之则发生几率较低。山洪灾害区划是通过对山洪灾害影响因子的综合分析,评估其在指定区域的详细分布情况。本文以GIS技术为基础,通过对地形、降水量、大雨日数等影响因子的综合分析,构建区划模型,按照高发、易发、一般、低发4个等级对重庆市山洪灾害进行区划。1此类型和处理方法1.1数据类型(1)流量数据重庆市34个区县年降水量和1961—2008年重庆市34个区县日雨量。(2)洪水灾害信息1983—2008年重庆市34个区县山洪灾害记录。(3)高度模拟数据分辨率为1∶25万的重庆市DEM数据。1.2观测数据标准化山洪灾害次数以县次为单位,即在一个区县范围内一天内发生多处山洪灾害,只算1次。气象要素的空间插值方法主要有反距离权重法(IDW)、克里格法(Kriging)和样条插值法(Spline)等。本文采用反距离权重法。为了消除各影响因子的量纲差异,并考虑离散特征,需采用距平除以标准差的方法将数据进行标准化处理。具体计算方法是:设影响因子为变量,共m个,每个变量对应n个区县的观测值,得到观测数据矩阵:X=[xij]n×m=[x11x12⋯x1mx21x22⋯x2m⋮⋮⋮⋮xn1xn2⋯xnm]X=[xij]n×m=⎡⎣⎢⎢⎢⎢x11x21⋮xn1x12x22⋮xn2⋯⋯⋮⋯x1mx2m⋮xnm⎤⎦⎥⎥⎥⎥标准化后的观测数据˜xij=xij-ˉxjSjx˜ij=xij−x¯jSj,(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m),其中,ˉxj=1nn∑i=1xijx¯j=1n∑i=1nxij是第j个影响因子的样本均值,Sj=√1nn∑i=1(xij-ˉxj)2Sj=1n∑i=1n(xij−x¯j)2−−−−−−−−−−−−−√是第j个影响因子的样本标准差。2山地区划模型的建立(1)确定影响因子。从山洪灾害形成的机理出发,选择山洪灾害临界雨量、年降水量、年大雨日数、地表起伏形态、坡度等作为影响因子。(2)采用反距离权重插值法将各影响因子进行空间插值,插值分辨率为100m×100m。(3)采用主成分分析法建立山洪灾害的区划模型。(4)利用ArcGis软件进行栅格图层的计算、分割等操作,开展山洪灾害区划。3洪水灾害分类3.1设计临界降雨根据观测资料的类型,临界雨量可采用10min、30min、60min、3h、6h、12h、24h雨量等降雨实况进行描述。本文以现有的观测资料为基础,将临界雨量时段定为24h,应用实例反查法确定临界雨量。即先查找山洪的个例,再通过反查当日当地气象观测站的24h降水量,来确定临界雨量。单站临界雨量的计算方法如下:最小临界雨量:Rmin=min(Ri)(i=1,2,…,n)平均临界雨量:Ravg=n∑i=1Rin∑i=1nRin(i=1,2,…,n)其中,n为山洪灾害发生的次数,Ri为当日当地的24h降水量。重庆市34区县的山洪灾害临界雨量如表1。从表中看出:(1)大雨以上的降水量级就有可能引发山洪灾害。(2)24h临界雨量的空间分布规律是东高西低、区域性明显。按照从大到小的顺序,依次为:渝东北最高为35~85mm;渝中和渝东南其次,为35~75mm;渝西最低,大部为25~60mm,但合川、北碚、铜梁等地为38~66mm。根据临界雨量值对发生频次进行推算,结果表明:渝东、渝中和渝西局部地区一般为1年8次以上,渝西大部地区一般为1年6次以下,其中綦江、潼南等地低于2次。3.2地表起伏形态的权重根据全国山洪灾害防治规划技术大纲要求,按照4个等级对重庆市地貌进行坡度分区:Ⅰ为小于10°,Ⅱ为10°~25°,Ⅲ为25°~45°,Ⅳ为大于45°,敏感度由低到高依次为低、一般、高、极高。坡度Ⅰ区主要为渝西的大部分地区以及渝中的西北部,包括合川、铜梁、潼南、江津、永川、长寿、垫江等地;坡度Ⅱ以及坡度Ⅲ区为渝西南、渝中长江以南地区,渝东北长江两岸起伏的中、低山区以及渝东南包括酉阳、秀山、黔江和彭水的中、低山丘陵区;坡度Ⅳ区主要分布在渝东北的大巴山区,以及渝东南的七曜山区。坡度敏感度的计算方法如下:以气象站所在行政区域为依据,将重庆市分为34个地貌大区,并基于上述坡度分区把各地貌大区相应地分成4类次级小地貌;用专家打分法分别为每一类次级小地貌对山洪灾害的影响程度赋以权重,权重之和为1,采用专家权重反馈算法计算权重Gt=1nn∑i=1CiΚi,其中Κi=1-|1n-Ci/n∑i=1Ci|n∑i=1(1-|1n-Ci/n∑i=1Ci|),t为第t类次级小地貌,n为打分专家人数,Ci为第i个专家的评分值,Ki为第i个专家对评价项目的权值,应用该打分模型能够使专家在评价时可以有不同的权重,专家打分与平均值差得越远则权值越小,经过计算最终得到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级坡度对山洪灾害的权重;将每一类次级小地貌与地貌大区总面积之比作为敏感系数,每一个地貌大区的敏感度即为每一类次级小地貌的敏感度系数乘以权重后的总和。敏感度计算模型如下:Sj=n∑t=1GtQt其中,Gt是每一类次级小地貌的权重系数,Qt=AtAj是每一类次级小地貌的敏感系数,At是第j个地貌大区内每一类次级小地貌的面积,Aj是第j个地貌大区的总体面积。经过计算,敏感度Sj最大值为0.612,最小值为0.221。坡度权重如表2,坡度敏感度如表3。根据重庆市地形的高程、起伏特征和地质学的划分方法,将地表起伏形态划分成平地、丘陵、低山、中山4种类型,海拔200m以下为平地,200~500m为丘陵,500~1000m且相对高程差200m以上的为低山,海拔1000~3500m且相对高程差200m以上的为中山。平地主要在长江及支流的河谷地区,丘陵分布于渝西及渝中的长江以北地区,低山主要在渝东南,中山则主要位于大巴山山脉和武陵山地区。地表起伏形态敏感度Zj计算方法与坡度敏感度一样,最大值为0.517,最小值为0.164。地表起伏形态权重如表4,地表起伏形态敏感度如表5。降水背景分析采用反距离权重方法,对年降水量、年大雨日数进行空间插值计算。二者的分布特点均呈现东多西少的特点。大致情况为:渝东北高值区年降水量为1250~1300mm,年大雨日数11~14天;渝东南高值区年降水量为1200~1350mm,年大雨日数12~15天;渝西低值区年降水量950~1200mm,年大雨日数9~11天。4洪水灾害分类4.1洪水灾害分类模型4.1.1新综合变量的主成分计算影响因子为年降水量、年大雨日数、最小临界雨量、平均临界雨量、地表起伏形态(用其敏感度表示)、坡度(用其敏感度表示),分别用变量x1、x2、x3、x4、x5、x6表示,并构建它们的新变量综合指标z1、z2、z3、z4、z5、z6,分别为原变量指标的第1、第2、第3、第4、第5、第6主成分。从z1到z6,方差依次减小,即z1方差最大,z6方差最小。{z1=l11x1+l12x2+⋯+l16x6z2=l21x1+l22x2+⋯+l26x6⋯⋯⋯⋯z6=l61x1+l62x2+⋯+l66x6用SPSS软件进行主成分计算,计算结果见表6和表7。从表6看出:z1、z2、z33个主成分的方差贡献率分别是40.226%、32.285%、16.970%,累计贡献率89.473%,超过80%,故新综合变量是z1、z2、z3。从表7看出:第1主成分主要反映平均临界雨量、最小临界雨量和坡度,第2主成分主要反映年降水量、年大雨日数,第3主成分主要反映地表起伏形态。由表6、表7,得到新构建的主成分变量为:{z1=0.151x1+0.099x2+0.857x3+0.884x4+0.363x5+0.857x6z2=0.952x1+0.969x2-0.170x3-0.209x4-0.049x5+0.127x6z3=-0.090x1+0.014x2-0.358x3-0.169x4+0.910x5+0.161x64.1.2区划指数主成分方差分析用主成分变量构建山洪灾害区划模型为:E=n∑k=1μkzk其中,E为区划指数,zk是主成分变量,μk是主成分的权重系数,即各主成分的方差贡献率。将主成分变量及权重系数代入公式,得到山洪灾害的区划模型为:E=0.40226z1+0.32285z2+0.16970z34.2高发区、适地区、低发区等级划分及划分标准运用ArcGis软件,将各指标进行空间插值后的数据形成栅格图层,然后通过计算、分割,得到每个栅格的区划指数。最后采用自然断点分级方法,将计算结果分成4个等级,即高发区、易发区、一般区、低发区4个等级,分级标准如表8。根据对这4个等级的划分,重庆市山洪灾害的区划结果如图1(见文后彩图)。山洪灾害在重庆市比较普遍,全市大部地区均有发生。高发区主要分布在渝东北的大部分地区,其中城口、开县、巫溪等地发生频率最高;易发区主要分布在渝中、渝东南的大部分地区;一般区分布在于渝中局部和渝西的大部分地区;低发区分布在渝西偏西的部分地区。5重庆市洪水灾害概况(1)本文从动力条件、孕灾环境、降水背景的角度出发,确定了影响重庆市山洪灾害发生的主要因子,按照影响程度的高低排序,依次是24h临界雨量、坡度和年降水量、年大雨日数以及地表起伏形态。(2)山洪灾害临界雨量的空间分布规律是东高西低,且区域性明显。渝东北最高,为35~85mm;渝中和渝东南其次,为35~75mm;渝西大部较低,为25~60mm,但合川、北碚、铜梁等地为38~66mm。(3)从全市范围看,重庆市多山洪灾害,渝东北为高发区,年发生