基于GIS的海口市暴雨洪涝风险评价

[15]。④水文学与水动力学手段：这种方法运用流域产流与汇流的数学模型来仿真洪水状况，以估算可能的洪水边界、深度和持续时间，从而分析洪水灾害的风险。MukhopadhyayB利用水动力学原理构建了雨量时空分布模型，专门针对山脚平原地带的洪水威胁进行了评估。另一方面，TawatchaiT通过自行设计的模型对孟加拉国西南部的洪水风险进行了评定。姚长青则采用了嵌入式融合技术，将DHSVM模型与GIS完美结合，构建了一套无隙对接系统，以此对洛河卢氏流域的水文学过程进行模拟研究。孙阿丽REF_Ref27091\r\hREF_Ref27091\r\h[16]运用SWMM模型，基于情景模拟与指标体系的耦合，初步探讨了小尺度区域内城市暴雨内涝灾害风险评估的方法。由于水文水力学方法在获取参数方面存在显著的挑战，这种方法通常局限于小规模的应用场景，难以扩展到广阔的地理尺度上。1.4技术路线本研究技术路线如下图所示。第一步通过收集各种研究所需数据，如降水数据，基础地理数据，社会经济数据等。再通过降水数据对海口市暴雨情况进行时空分析。然后利用基础地理数据和社会经济数据为孕灾环境敏感性因素、承灾体脆弱性因素以及灾害应对能力因素的筛选提供基石，进而构建起海口市针对暴雨洪涝灾害的风险评估指标框架，并利用层次分析法确定指标权重，最后就行加权分析，完成对开封市暴雨洪涝灾害风险的模糊综合评价。图1-1技术路线2研究区概况2.1地理位置与地形地貌海口市，别名“椰城”，海南省省会，位于北纬19°32′－20°05′，东经110°10′－110°41′之间，面积为2304.84平方公里REF_Ref28750\r\h[17]。地处海南岛北部，东邻文昌，西接澄迈，南毗定安，北濒琼州海峡，是海南省政治、经济、科技、文化中心和最大的交通枢纽。其下辖地区有秀英区、龙华区、琼山区、美兰区四个区。图2-1海口市行政区划图海口市地形绝大部分为海拔100米以下的台地和平原，该区域的地表特征主要由第四纪的基性火山岩和广泛的第四系松散沉积物构成。地理景观显著，沿海地带展现出广阔的滨海阶地地形，而西部地区则以独特的火山地貌为特点。依据地貌分布，全市大致可划分为四个区域：北部的滨海平原，中部的沿江阶地，以及东部和南部的台地，还有西部的熔岩台地。2.2气象与水文海口位于地球较低纬度的热带边缘区域，其气候特征表现为热带海洋性季风气候。夏季时，这里温度高且降雨频繁，同时常常面临台风的威胁。全年的日照时间显著，太阳辐射能量十分充沛。海口地区年均日照时间超过2000小时，太阳辐射量高达11至12万卡路里。年平均温度稳定在24.2℃，夏季平均高温约28℃，冬季平均低温约为18℃。每年的降雨量平均为1664毫米，其中有超过150天的日降雨量不低于0.1毫米。该地区的自产水资源总量估计为19.07亿立方米，相当于地表径流深度的830毫米。海口市内共有17条主要河流，其中著名的南渡江横贯市中心，最终流入大海，它是海南岛上最长的河流。南渡江主流在市区长75公里，流域面积1300平方公里，年径流量60.99亿立方米REF_Ref28819\r\h[18]。2.3社会经济状况近年来，受海南建设自由贸易港，海口市经济社会发展速度较快，经济实力大大提高。截至2022年底，海口市常住人口数有294万人。2023年，海口市的GDP总额达到了2358.44亿元。在这一经济总量中，第一产业贡献了103.48亿元，占比为4.38%；第二产业的GDP贡献为432.93亿元，占据了18.35%的份额；第三产业尤为突出，其GDP高达1822.03亿元，占全市GDP的77.25%，远超半数。按常住人口计算，人均GDP达到8万元。3海口市暴雨洪涝灾害风险模糊综合评价参考既往的学术贡献REF_Ref19518\r\h[5]，本项研究选择了灾因的危险性、孕育环境的脆弱性、受灾体的敏感度和灾害防御能力等四个主要领域中的12项具体指标作为基础评估参数。通过应用层次分析法来设定权重矩阵，随后借助Arcgis软件对海口市遭遇暴雨洪水灾害的风险在各个层次的评估指标进行了综合的加权分析，获取到海口市遭受暴雨洪水灾害的风险因素分级地图、洪水与暴雨灾害的环境脆弱性评估分级图、暴雨洪涝灾害承灾体易损性等级图、暴雨洪涝灾害防灾减灾能力等级图，最后进行模糊综合评价，得到海口市暴雨洪涝灾害综合风险等级图，并得出结论。3.1海口市暴雨洪涝灾害风险评价指标体系的建立3.1.1评价指标的选取（1）指标选取的原则首先，选取的指标都应该具有科学性，要符合事物的客观规律。并且能够准确的反应出所研究事物的本质特征。其次还需要考虑所选指标的可获得性，以及实际操作的难易程度，不能盲目的随便选取。再就是要保证选取指标能够清晰的体现其系统性和结构性。最后就是要根据当地的自然环境，社会环境等方面，能够因地制宜的选取指标。（2）评价指标的层次结构暴雨洪涝灾害风险系统呈现出多层次、多要素的结构特征。该研究以海口市的暴雨洪水风险评估为顶层目标，设定致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性以及防灾减灾能力为次级标准。这些次级标准进一步细分为年度平均降雨量、人均可支配收入、河流网络密度、地均国内生产总值、海拔高程等多个评估参数。对于暴雨洪水灾害，致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性通常与之存在正向关联，而灾害防御能力则呈现反向关联。3.1.2评价指标体系的建立综上所述，本研究基于评价指标的选取原则和层次结构，确定出海口市暴雨洪涝灾害风险评价因素集，并建立起海口市暴雨洪涝灾害风险评价指标体系，由下表所示。表3-1海口市暴雨洪涝灾害风险评价指标体系3.1.3指标数据的处理（1）孕灾环境的敏感性指标处理当暴雨发生时，根据当地自然环境的不同，同等暴雨造成灾害的可能也会有差异。本研究从暴雨洪涝灾害的形成机理出发，选取海拔高程、地形坡度、河网密度三个指标作为孕灾环境的敏感性指标，用以评价海口市暴雨洪涝灾害风险状况。①地形坡度地形坡度是衡量灾害孕育环境的关键参数，它反映了地面高低变化的程度。在地形坡度较小的区域，孕灾环境越敏感，越容易发生暴雨洪涝灾害，是一个负向指标。图3-1海口市地形坡度②海拔高程海拔高程同样为一个负向指标，低海拔地区往往对灾害环境表现出更高的敏感性，发生暴雨洪涝灾害的可能性也越大，反之越小。图3-2海口市海拔高程③河网密度水网稠密的区域在遭受暴雨时，常常面临排水困难的问题，易于积水成灾，导致严重的洪涝现象；而河网密度越小，暴雨洪涝灾害发生的风险就越小。图3-3海口市河网密度（2）致灾因子的危险性指标处理海口市的暴雨多发生于夏秋季节，由于海南省地处热带，易受台风影响，具有降水强度大，较为集中等特点。由此产生的暴雨洪涝灾害易造成基础设施损坏，农业生产受损等，给当地人日常生活当来许多不便和危险。本次研究将采用两个指标进行研究：年均降水量，年均暴雨日数。统计海口市近20年的平均降水量和年均暴雨日数，在ArcGIS的环境中，我们运用了反距离权重插值法进行空间分析。这种方法的核心理念是临近的物体往往具有相似的特性——即距离越接近的点，它们的属性值越趋于一致，反之则差异增大。在计算过程中，每个插值点的值是根据其与各样本点的距离来确定的，距离更近的样本点在加权平均中会被赋予更高的权重。最后得到海口市年均暴雨日数和年均降水量的空间分布图。图3-4海口市2001~2020年年均暴雨日数从上图中可以看出，琼山区东北部，以及琼山区和龙华区，秀英区南部边境年均暴雨日数最多，并由西北方向和东南方向逐渐向外递减。当暴雨来临时，更应该注意这些地区的暴雨预警和防护工作。图3-5海口市1990~2020年平均降水量从上图中可以看出，海口市平均降水量是一种由沿海向内陆逐渐递减的趋势。当暴雨来临时，应更注意沿海地区的灾害防护工作。（3）承灾体的易损性指标处理承灾体指的是自然灾害作用的对象，是人类活动及其所在社会环境中各种资源的集合REF_Ref31229\r\h[19]。承灾体的易损性是指可能受到气象灾害威胁的所有人员和财产的伤害或损失程度，如人员、牲畜、房屋、农作物、生命线等REF_Ref30540\r\h[20]。通常情况下，在同等暴雨强度下，如果某一地区的经济越发达，人口越密集，其损失的程度就越大REF_Ref31460\r\h[21]。因而，本研究选择了人口密度、地均GDP、耕地面积占比、老年人口比重这四个维度来建立承灾体易损性指标体系。①人口密度人口密度数据通过2022年年末常住人口数除以行政区面积得到，后以自然间断点分级法对数据进行分级，得到最终的分级结果。图3-6海口市人口密度由上图可知，海口市中，龙华区的人口密度居首，紧随其后的是美兰区，接着是秀英区和琼山区。②地均GDP区域的经济发展程度和集聚效应往往通过地均GDP来体现，这一指标更能准确揭示地区的生产力密集度和经济进步状况。当发生同等强度暴雨时，地均GDP越高的地区，受到的损失往往越高。下图是海口市地均GDP指标分级图。图3-7海口市地均GDP由上图可知，海口市地均GDP最高的地区为龙华区，其次是秀英区，再到琼山区，美兰区最低。③耕地面积占比在土地用途分类中，农田比例越高，土壤保持水分的能力往往越弱，因此遭遇暴雨时发生洪水的可能性也相应增加。图3-8海口市耕地面积占比由上图可知，海口市的耕地面积占比普遍较低，其中琼山区耕地面积占比最大，为25.8%，美兰区次之，到龙华区，秀英区最低。耕地面积占比越大，涵养水源的能力也就越差，在暴雨来临时损失也会越大。④老年人口比重老年人口比重是指65岁及以上人口占总人口的比重。当发生同等强度的暴雨时，老年人口所占比重越大的地区，其易损性也就越大。图3-9海口市老年人口比重由上图可知，海口市老年人口比重最大的是美兰区，达到10.5%，琼山区次之，再到龙华区，秀英区最低。（4）防灾减灾能力指标处理防灾减灾能力是指一个地区在灾前的防范准备以及灾后的复原能力，本研究主要是指海口市应对暴雨洪涝灾害造成的损失所采取的抵御其风险的能力。当发生同等强度暴雨时，拥有强大的防灾减灾能力意味着能承受的损失更大，从而显著降低暴雨和洪水灾害带来的风险。防灾减灾能力主要受当地社会经济发展情况，政府的支持防护工作和当地居民的安全防范意识和自救能力。因此，本研究决定采用人均支配收入、每万人床位数量和路网密度作为衡量防灾减灾能力的三个关键指标。①万人均床位数万人均床位数主要用来表示在暴雨洪涝灾害中出现的伤亡情况的救助能力以及灾后疫情的处理能力。图3-10海口市万人均床位数由上图可知，秀英区的万人均床位数最高，龙华区次之，再到美兰区，琼山区最低。万人均床位数越高的地区，发生同等强度暴雨时，对伤员的救助能力越强，损失也就越小。②人均可支配收入人均可支配收入主要用来表示人民群众利用已有资源进行灾后自救以及灾后重建的经济能力。当发生同等强度暴雨时，当地居民人均可支配收入水平越高，防灾减灾能力越强，暴雨洪涝灾害的风险性就越小。图3-11海口市人均可支配收入由上图可知，海口市龙华区的人均可支配收入最高，美兰区次之，再到琼山区，秀英区最低。③路网密度路网密度是指单位面积内的道路长度，主要用来表征某一地区的交通便捷情况。在发生同等强度暴雨时，路网密度越大，人员、财产的疏散能力以及救灾物资的运输能力就会越强，防灾减灾能力就越强。图3-12海口市路网密度由上图可知，海口市路网密度最大的地区主要集中在海口市市区，秀英区北部路网密度较为密集，其余地区路网密度较为稀疏。3.2海口市暴雨洪涝灾害风险评价指标权重的确定3.2.1指标权重及一致性检验计算方法进行指标权重的确定，首要步骤是建立判断矩阵，以此创建主观评估矩阵。接下来，第二步查看各指标权重，并采用和法或方根法求特征向量，通过运用和法或方根法来实现，此研究选择采用方根法来计算特征向量。最后一步是执行一致性检验，以检测构建的判断矩阵是否逻辑无误。如果未通过检验，则必须重新构建整个判断矩阵。计算公式如下所示：w运用方根法来确定各项指标的权重。首先计算每一列指标的乘积，接着对每列得出的连乘积取m次方根，m代表矩阵的阶数。第二步将求出的m次方根相加求和，再使用每一行的乘积与相加求和得到的值相除。即可得到权重。计算公式如下：wi通过上述操作，求得权重矩阵后，可以计算最大特征根，其公式为：λ其中n为各指标，例如构建的判断矩阵为：海拔高程、地形坡度、河网密度时，n=3；AW为：判断矩阵标准化后的权重，然后按行的累加值。最后进行一致性检验，根据C.I、RI值求解CR值，判断其一致性是否通过。CI值求取公式如下：CRI值可通过查表得知：表3-2RI检索表RI检索表n12345678910RI000.520.891.121.261.361.411.461.49构建的矩阵为几阶，从上表对应后即可代入公式：C如果C.R.≥0.1,说明我们在构建判断矩阵时出现了逻辑错误，则一致性检验不通过，应该对矩阵进行修正。3.2.2各层次指标权重判断矩阵及一致性检验（1）准则层准则层面主要包括孕灾环境敏感性，承灾体易损性，防灾减灾能力，致灾因子危险性这四个关键要素，对其相对重要性进行两两比较，得出的判断矩阵如下所示。表3-3海口市暴雨洪涝灾害风险评价准则层判断矩阵指标危险性敏感性防灾减灾能力易损性危险性43敏感性5111防灾减灾能力5111易损性7111对准则层判断矩阵进行计算，得出结论：危险性的权重为5.65%，敏感性的权重为30.524%，防灾减灾能力的权重为30.524%，易损性的权重为33.302%。其中，最大特征根为4.014，CI=0.005，RI=0.882，因此CR=CI/RI=0.005<0.1，通过一次性检验。（2）敏感性指标层孕灾环境的敏感性指标包括海拔高程、地形坡度、河网密度，对其相对重要性进行两两比较，得出的判断矩阵如下表所示。表3-4孕灾环境的敏感性指标判断矩阵指标海拔高程地形坡度河网密度海拔高程10.3330.2地形坡度311河网密度511对孕灾环境的敏感性指标判断矩阵进行计算，结论指出：海拔高程的权重占11.496%，地形坡度的权重为40.548%，而河网密度权重则达到了47.956%。其中，最大特征根为3.029，CI=0.015，RI=0.525，因此CR=CI/RI=0.028<0.01，通过一次性检验。（3）易损性指标层承灾体的易损性指标包括人口密度、地均GDP、耕地面积占比、老年人口比重，对其相对重要性进行两两比较，得出的判断矩阵如下表所示。表3-5承灾体的易损性指标判断矩阵指标人口密度地均GDP耕地面积占比老年人口比重人口密度33地均GDP5111耕地面积占比5111老年人口比重3111对承灾体的易损性指标判断矩阵进行计算，得出结论：人口密度的权重为7.411%，地均GDP的权重为32.054%，耕地面积占比的权重为32.054%，老年人口比重的权重为28.482%。其中，最大特征根为4.033，CI=0.011，RI=0.882，因此CR=CI/RI=0.012<0.01，通过一次性检验。（4）防灾减灾能力指标层防灾减灾能力指标包括万人均床位数、人均可支配收入、路网密度，对其相对重要性进行两两比较，得出的判断矩阵如下表所示。表3-6防灾减灾能力指标判断矩阵指标万人均床位数人均可支配收入路网密度万人均床位数10.3330.143人均可支配收入311路网密度711对防灾减灾能力指标判断矩阵进行计算，得出结论：万人均床位数的权重为10.014%，人均可支配收入的权重为38.932%，路网密度的权重则为51.053%。人均可支配收入的权重为38.932%，路网密度的权重为51.053%。其中，最大特征根为3.08，CI=0.04，RI=0.525，因此CR=CI/RI=0.076<0.01，通过一次性检验。（5）危险性指标层致灾因子的危险性指标本文主要选取二个指标进行研究：年均降水量、年均暴雨日数，得出下表：表3-7致灾因子的危险性指标判断矩阵节点项危险性敏感性易损性防灾减灾能力CR值一致性检验年均暴雨日数0.0560.3060.3320.3060.005通过年均降水量0.0560.3060.3320.3060.005通过年均降水量权重为83.333%，年均暴雨日数权重为16.667%。3.3海口市暴雨洪涝灾害风险模糊综合评价结果分析3.3.1致灾因子危险性评价结果分析依据暴雨洪涝灾害的致灾因子权重数据，通过叠加分析方法，我们得出了海口市的暴雨洪涝灾害致灾因子危险性的危险性评价结果，如下图所示。图3-13海口市暴雨洪涝灾害致灾因子危险性等级图从图中可以看出，海口市暴雨洪涝灾害致灾因子危险性等级呈现出西南和东北部地区较高、西北和东南部地区较低的特点。其中，高危险区在海口市琼山区集中分布，小部分高危险区分布在秀英区和龙华区南部交界线处；中高危险性区域分布在高危险性区域外围，将高风险区环绕在内部；中危险性等级主要在海口市琼山区和龙华区呈大面积分布，在秀英区和美兰区有小范围分布；中低危险性区域主要集中在海口市东部以及西北部；低危险性等级集中分布在海口市西北角，在美兰区和琼山区的南部边境有小范围分布。3.3.2孕灾环境敏感性评价结果分析根据孕灾环境敏感性指标权重，叠加分析后得到海口市暴雨洪涝灾害孕灾环境的敏感性评价结果，如下图所示。图3-14海口市暴雨洪涝灾害孕灾环境敏感性等级图从图中可以看出，海口市暴雨洪涝灾害孕灾环境敏感性等级没有明显的地域差别，整体呈现出较低的敏感性。高敏感区集中在琼山区西南部，龙华区南部边境和秀英区西部有小范围分布。这些地区由于坡度较小，河网较为密集，发生暴雨时，很容易排水不畅，造成暴雨洪涝灾害。3.3.3承灾体易损性评价结果分析根据承灾体易损性指标权重，叠加分析后得到海口市暴雨洪涝灾害承灾体的易损性评价结果，如下图所示。图3-15海口市暴雨洪涝灾害承灾体易损性等级图从图中可以看出，海口市暴雨洪涝灾害承灾体易损性最高的区域是琼山区，中等级的易损性区域为龙华区，美兰区为中低等级的易损性区域，秀英区为低易损性区域，这些是地均GDP、人口密度和老年人口比重，耕地面积占比综合作用的结果，这些指标的值越大，区域易损性就越大。3.3.4防灾减灾能力评价结果分析根据防灾减灾能力指标权重，叠加分析后得到海口市暴雨洪涝灾害防灾减灾能力评价结果，如下图所示。图3-16海口市暴雨洪涝灾害防灾减灾能力等级图从图中可以看出，具备高防灾减灾能力和中高防灾减灾能力的区域主要集中在海口市市区以及龙华区，这些区域防灾减灾能力高的主要原因是因为跟海口市其他地区相比，市区的经济更发达、路网更密集、资源更集中，所以防灾减灾能力强。而具备中等防灾减灾能力的区域主要分布在海口市秀英区和美兰区北部，具备中低等防灾减灾能力的区域主要分布在海口市美兰区南部，小部分零星分布于琼山区和秀英区。具备低等防灾减灾能力的区域主要集中在海口市琼山区的大部分地区以及秀英区南部。3.3.5海口市暴雨洪涝灾害风险综合评价结果分析根据海口市暴雨洪涝灾害风险准则层指标权重，根据公式：R=(危险性×敏感性×易损性×防灾减灾能力)叠加分析后得到海口市暴雨洪涝灾害风险模糊综合评价结果，如下图所示。图3-17海口市暴雨洪涝灾害综合风险等级图从图中可以看出，海口市暴雨洪涝灾害综合风险等级较高的区域主要分布在海口市的龙华区以及琼山区西南部，这些地区河网较为密集，又是中高易损区，在台风多发季节更要注意这些区域的灾害预警和防护工作。中等风险区域主要集中在海口市琼山区大部分地区，美兰区南部有小范围分布。中低等级的风险区域和低等级的风险区域主要集中在海口市秀英区和美兰区。4结论4.1海口市暴雨特点本次研究主要选取两个指标对海口市暴雨进行分析：年均降水量，年均暴雨日数。暴雨日数方面，琼山区东北部，以及琼山区和龙华区，秀英区南部边境年均暴雨日数最多，并由西北方向和东南方向逐渐向外递减。当暴雨来临时，更应该注意这些地区的暴雨预警和防护工作。而海口市平均降水量是一种由沿海向内陆逐渐递减的趋势。当暴雨来临时，也应注意沿海地区的灾害防护工作。4.2海口市暴雨洪涝灾害综合风险等级海口市暴雨洪涝灾害综合风险等级较高的区域主要集中龙华区以及琼山区西南部，这些地区河网较为密集，又是中高易损区。在台风多发季节更要注意这些区域的灾害预警和防护工作。中等风险区域主要集中在海口市琼山区大部分地区，美兰区南部有小范围分布。中低等级的风险区域和低等级的风险区域主要集中在海口市秀英区和美兰区。其中海口市中心区域和一些低洼地带存在较高的暴雨洪涝风险，这与城市的地形特征和土地利用状况密切相关。通过对不同区域的风险分析，可以为海口市政府和相关部门提供科学依据，制定针对性的防洪减灾措施，减少暴雨洪涝灾害对城市和居民的影响。5不足与展望暴雨时空分布规律的研究以及暴雨洪涝灾害风险的精准评价都具有较高的复杂性，现有的研究手段也存在一定局限，本研究在开展相关工作时，由于受到研究资料、研究时间以及本人现有能力的限制，虽取得一定研究成果，但仍存在一些不足，具有改善空间。所以对以下几个方面进行展望研究：(1)由于高精度的降雨、地形和社会经济资料收集较为困难,因此所采用的数据和选用的指标具有一定的局限性,对城市暴雨内涝风险评估的评估结果有一定的影响。如果能够获得更精确的数据,,就能更加深入地对研究区域暴雨洪涝灾害风险进行评估。(2)由于海口市是典型的沿海城市，非常容易受到台风影响，在后续研究中可以结合其影响从风力，暴雨，潮汐三方面进行研究，更加全面立体的研究海口市暴雨洪涝风险，并对其进行评价。参考文献肖静.城市排洪（涝）河道设计洪水研究[D].天津大学,2017.张弛,潘少华,吴颖晖,等.基于GIS的台州临海暴雨内涝模型研究[J].科技资讯,2017,15(04):122-124.DOI:10.16661/ki.1672-3791.2017.04.122.邱新法,汪朋,金有杰,等.基于GIS潍坊市暴雨洪涝灾害损失评估方法研究[J].气象科学,2015,35(02):189-194.MahmoodS,RahmanAU,ShawR.Spatialappraisaloffloodriskassessmentandevaluationusingintegratedhydro-probabilisticapproachinPanjkoraRiverBasin,Pakistan[J].EnvironmentalMonitoringandAssessment,2019,191(9):1-15.燕芬.开封市暴雨时空分布