基于GIS的石楼县小流域山洪灾害风险区划.pdf

吴 博，张 森（松辽水利委员会流域规划与政策研究中心，吉林 长春 130021）摘 要山洪灾害风险评价对于有效预防山洪灾害及减少灾后损失具有重要意义。文中以山西省石楼县为研究区域，从山洪灾害的形成条件出发，选取了降雨、地形、河流水系和历史洪水作为危险性评价指标，人口密度、耕地面积百分比和单位面积生产总值作为易损性评价指标，利用层次分析法（AHP）确定各指标权重、各等级风险区的位置及分布范围，并划分等级。其分析结果可作为有关建设部门进行防洪工程措施建设及地区开发建设时的依据，也可作为防汛部门进行工作安排部署时的参考。关键词山洪灾害；AHP；风险区划；GIS；小流域；石楼县中图分类号 X321文献标识码B文章编号 10020624（2023）08004704基于GIS的石楼县小流域山洪灾害风险区划0 引 言山洪是山区小流域由降水引发的具有突发性、暴涨暴落的地表径流1-3。山西省作为黄河中游地区的重要组成部分，地形复杂，山区、丘陵占总面积的2/3以上，几乎所有的山地都有过山洪爆发的记录4。近年来，随着社会经济的快速发展和城镇化建设步伐的加快，人类对山丘区开发利用范围不断扩大，造成大量山体破坏、水土流失，使得山丘区山洪灾害频发，威胁居民的生命财产安全。统计显示，每年由山洪灾害引发的平均死亡人数占全部洪涝灾害死亡人数的 78%以上，严重制约着我国山丘区经济的健康发展5，6。因此，山洪灾害的防治任务十分迫切。山洪灾害风险区划是根据山洪的危险性因素，结合区域的承灾能力和社会经济情况，将研究区划分为不同等级的风险区域。目前，针对山区小流域山洪风险区划分的研究工作开展较少，而已开展的洪水风险区划分大多是针对大江大河。本文利用层次分析法（AHP）选取相关因子并确定权重，构建山西省石楼县小流域山洪灾害风险评价模型，最终得到石楼县山洪灾害风险区划图，并划分为轻度、中度、高度和重度4个等级。结果可为相关部门的防汛、规划、建设等提供依据，对保持经济社会平稳较快发展具有重要意义7，8。1 研究区概况石楼县位于吕梁山西麓，黄河东岸，平均海拔1 410 m，属温带大陆性季风气候，年均气温为9.2，多年平均降雨量为570 mm，降雨多集中在79月，占全年降水量的73%。地势东高西低，地表覆盖有深厚的黄土，因受地表径流侵蚀、冲刷，沟壑纵横，地形破碎。县内主要河流屈产河发源于石楼县西部，从东南向西北流入黄河，属于黄河的一级季节性支流。流域内洪水主要由暴雨形成，汛期水流较大，历史上大洪水时有发生，尤以1977年陈家崾山洪最为严重，冲毁大坝3条、中坝4 条、小坝 14 条，冲毁农田 10 多 hm2，造成经济损失1 000多万元。2 研究数据与方法2.1 研究数据文中采用的数据包括石楼县 2015 年社会人口、经济数据，来源于石楼县社会经济统计年鉴；石楼县最大24 h降雨资料来源于 山西水文计算手册；石楼县历史洪水资料来源于 山西历史洪水调查报告；石楼县DEM数字高程数据来源于地理空间数据云。2.2 研究方法依托GIS平台，对石楼县小流域进行山洪灾害风险评价。首先，根据山洪的形成原因及特点，结2023年第8期防汛抗旱东北水利水电 47合研究区的实际情况选取相应的影响因子作为山洪灾害的评价指标，建立风险评价体系；然后，利用 Arcgis 软件的加权综合评价法和层次分析法（AHP）根据各评价指标的影响程度确定其权重系数，分别对研究区的危险性和易损性进行分析；最后，将所得到的研究区危险性和易损性分析结果利用Arcgis软件的空间分析功能进行叠加，得到研究区山洪灾害分析评价结果。具体技术路线如图1所示。图1 技术路线图技术流程组成：1）选取降雨、水系、地形和历史洪水作为引发山洪灾害的自然属性评价指标；选取人口密度、耕地面积百分比和单位面积生产总值作为引发山洪灾害的社会属性评价指标。然后依次对各评价指标进行分析，建立石楼县山洪灾害风险评价体系数据库。2）将所选取研究区的降雨、水系、地形和历史洪水4个危险性评价指标与人口密度、耕地面积百分比和单位面积生产总值3个易损性评价指标根据层次分析法（AHP）得到权重系数，利用Arcgis空间分析中的栅格计算器将各指标按相应的权重系数进行叠加，得到石楼县山洪危险性和山洪易损性分布情况。3）利用Arcgis 的空间叠加分析功能将石楼县的山洪灾害危险性分布图和山洪灾害易损性分布图进行叠加，得到石楼县山洪灾害风险评价图，并将其重分类，最后根据自然间距分类法将其划分为4个等级。3 石楼县小流域山洪灾害评价3.1 指标体系及权重确定采用层次分析法确定指标权重。1）确定评价体系的层次结构。2）根据研究区实际情况并结合专家建议，针对目标层对评价因素层各个元素的重要性进行两两比较，根据9标度法构建出判断矩阵。3）检验判断矩阵的满意一致性：CR=CI/RI（1）式中：CR为判断矩阵的随机一致性比率；CI为一般一致性比率；RI为平均随机一致性指标。文中CI=0.003 2，CR=0.006 40.1，判断矩阵具有一致性。评价指标体系权重结果见表1。表1 山洪灾害评价指标体系及权重3.2 山洪灾害危险性评价指标分析处理将降雨、历史洪水、水系和地形4个危险性评价指标H，在 Arcgis 空间分析中的地图代数功能中，利用栅格计算器编辑公式：H=0.56X1+0.26X2+0.11X3+0.07X4（2）式中：X1为降雨因子；X2为历史洪水因子；X3为水系因子；X4为地形因子。将各指标进行空间叠加分析并进行重分类，最后依据自然间断法将研究区按危险性系数的大小重新分区，得到石楼县山洪灾害危险性分布情况。根据叠加结果可知，石楼县山洪灾害危险性系数在0.0370.666之间，平均值为0.385，标准差为0.170，危险性系数越大的地方越容易受到山洪灾害的威胁。石楼县的危险性基本呈东西分布，东部地区危险性较高，西部地区危险性较低。统计结果显示，石楼县境内低危险区面积占全县总面积的23.31%，主要分布在小蒜镇、义牒镇、前山乡及和合乡；中低危险区的面积比例较小，为19.93%，主降雨、历史山洪、人口、土地面积、社会经济河流水系、辖区边界数据Arcais10.2软件技术平台原始资料收集山洪灾害风险评价数据库山洪灾害危险性评价指标山洪灾害易损性评价指标降雨历史洪水水系地形人口密度单位面积生产总值耕地面积百分比山洪危险性分析山洪易损性分析山洪灾害风险评价中低风险区中等风险区低风险区高风险区地形数据目标层山洪灾害风险评价准则层危险性易损性指标层降雨历史洪水水系地形人口密度耕地面积百分比单位面积生产总值指标层权重0.50.5变量层权重0.560.260.110.070.630.260.11东北水利水电防汛抗旱2023年第8期 48要分布在曹家垣乡、小蒜镇和义牒镇；中等危险区的面积比例是24.61%，主要分布在石楼县中东部边缘地带，将高危险区包围；高危险区的面积比例是32.15%，所占比例较大，主要集中分布在石楼县东部，包括灵泉镇、罗村镇、龙交乡和裴沟乡。石楼县的地形高程特点是东高西低，高程较大的地区暴发山洪灾害的危险性较小，但从对降雨指标的分析中可知石楼县的降雨分布特点是东多西少，降雨指标在危险性分析中的比重远大于地形指标，所以对危险性进行综合评价时出现了东部比西部危险等级高的结果；前山乡大部分地区都处于低或中低危险区，其中确有一小部分为中等危险区，源于前山乡在历史山洪的评价中为山洪易发区。总体来说，降雨量越大、与河流距离越小、地表高程越低、地势起伏变化越小、发生历史山洪越多的地方，发生山洪灾害的危险性越大。3.3 山洪灾害易损性评价指标分析处理将人口密度、耕地面积百分比与单位面积生产总值3个易损性评价指标W在Arcgis空间分析中的地图代数功能中，利用栅格计算器编辑公式：W=0.63X1+0.26X2+0.11X3（3）式中：X1为人口密度因子；X2为耕地面积百分比因子；X3为单位面积生产总值因子。将各指标进行空间叠加分析并进行重分类，最后依据自然间断法将研究区按危险性系数的大小重新分区，得到石楼县山洪灾害易损性分布情况。统计结果显示，石楼县山洪灾害易损性系数最大值为 0.901，最小值为 0.008，平均值为 0.514，标准差为0.222，易损性系数越大的地方受到山洪灾害时的损失程度越大。石楼县境内低易损区所占面积比例为14.42%，中低易损区的面积比例为12.73%，中等易损区的面积比例为40.50%，高易损区所占面积比例为32.35%。从石楼县山洪灾害易损性分布情况可以看出，当有山洪灾害发生时，全县大部分地区的受损程度都比较大。低易损区及中低易损区主要分布在石楼县东部地区的罗村镇和龙交乡，这些地区的人口密度、耕地面积和单位面积生产总值都比较小；中等易损区分布在石楼县中部，包括曹家垣乡和裴沟乡全镜、小蒜镇和灵泉镇大部分地区及义牒镇东北部；高易损区集中分布在和合乡、义牒镇、前山乡三乡，这些地区是石楼县人口集中、工农业较发展的地区，经济相对发达。易损性高的地区人口密度比较大，耕地比较多，生产总值比较高，当山洪灾害发生时其损失较大。3.4 山洪风险区划石楼县山洪灾害风险区划，是危险性综合分析结果与易损性综合分析结果相结合得到的，并根据自然间断法将研究区按山洪灾害发生的风险大小分为低风险区、中低风险区、中等风险区、高风险区，见表2。风险()K=危险性()易损性()。表2 石楼县山洪灾害分区表由统计结果可知，石楼县山洪灾害风险系数最小值为 0.002，最大值为 0.568，平均值为 0.230，标准差为 0.169。低风险区面积占全县总面积的18.21%，中低风险区的面积比例为26.33%，中等风险区的面积比例为26.08%，高风险区的面积比例为29.38%。该地区山洪灾害风险等级的高低是该地区风险性与易损性共同作用的结果，且河流附近的风险性都比较大。低风险区主要分布在石楼县中西部，主要包括曹家垣乡的大部分地区、小蒜镇的中部及义牒镇与和合乡的部分地区，这些地区属于山地地貌，在县境内来说高程处于中等，但这些地区降水量偏少且易损性相对较小。中低风险区分布在石楼县东部，包括罗村镇、龙交乡的大部分地区及灵泉镇的东部与龙交乡和罗村镇交界地带，这些地区属于高原地貌，地表高程较高，但降雨量很大，在危险性分析中这部分地区多属于高危险区，但由于海拔较高、人口密度较小、可耕种的土地面积较少、农业生产落后，经济不发达，所以该区域的易损性偏低，综合各因素后，该区域的风险等级结果为中低。中等风险区分布在石楼县的西部，包括和合乡与前山乡的大部分地区、义牒镇的西部、小蒜镇的小部分地区及东部地区的河流附近，这些地区的地貌类型多为山地，少部分为丘陵，地表高程在区域等级划分低风险区中低风险区中等风险区高风险区风险系数范围0.384山洪灾害含义山洪灾害发生的几率很低，即使有降雨发生，也不会造成影响山洪灾害发生的几率较低，对人口、耕地、经济生产的影响较小山洪灾害发生的几率较高，人口、耕地、经济生产受到一定程度的影响山洪灾害发生的几率很高，人口、耕地、经济生产遭到破坏2023年第8期防汛抗旱东北水利水电，49境内相对降低且降雨量偏少，但该区域内曾发生过较大的山洪灾害，河流水系发达，增加了山洪灾害的危险性，同时，该区域内人口密度大、耕地较多、工农业发达，所以该区域易损性等级较大，综合分析结果为中等风险区。高风险区集中分布在石楼县的中东部，所占面积比例较大，包括裴沟乡全境、灵泉镇的大部分地区、小蒜镇的东部和县境内西部地区的大部分河流附近，这部分区域多为山地和高原，地表高程在县境内为中等偏高且降雨丰富。历史上多次发生山洪灾害，区域内人口密度较大、耕地面积较多、经济发展较好且多为中等易损区，综合各因素后，该区域的风险等级为山洪灾害的高风险区。4 结 语由文中分析结果可知，石楼县有 26.33%的地区处在山洪灾害的高风险区，有44.54%的地区处于中等风险以上，所占比例非常大。因此，进行山洪灾害防治工作是至关重要的，应对石楼县受山洪影响的河道进行暴雨洪水特征分析，确定其沿河村落的现状防洪能力，采取相应的工程措施提高其防洪标准；根据各乡镇的实际情况，增加雨量站密度，加强雨水气象观测，建立水情监测系统，当有灾情发生时可以及时发布信息；充分考虑山洪灾害发生的频率、损失等因素进行土地利用规划、旅游业发展、城镇化建设等项目，权衡利弊，合理发展。参 考 文 献1黄国如，冼卓雁，成国栋，陈真莲，周小明.基于GIS的清远市瑶安小流域山洪灾害风险评价 J.水电能源科学，2015（6）：43-47.2林孝松，林庆，王梅力，赵燕，李溢龙.山区镇域山洪灾害危险性分区研究以跳石镇为例 J.自然灾害学报，2015（3）：90-96.3Dugwon Seo，Tarendra Lakhankar，Juan Mejia，BrianCosgrove，Reza Khanbilvardi.Evaluation of OperationalNational Weather Service Gridded Flash Flood Guidanceover the A rkansas R ed R iver B asin J.J Am WaterResour Assoc，2013，496.4陈真莲.小流域山洪灾害成因及防治技术研究 D.广州：华南理工大学，2014.5Katharina Liechti，Massimiliano Zappa，Felix Fundel，UrsGermann.Probabilistic evaluation of ensemble dischargenowcasts in two nested Alpine basins prone to flash floodsJ.Hydrol.Process.，2013，271.6喻莎莎.山区镇域山洪灾害危险性评价 D.重庆：重庆交通大学，2014.7孙欣，林孝松，何锦峰，韩赜.基于GIS的山区镇域山洪灾害危险性分区及评价 J.重庆工商大学学报（自然科学版），2014（9）：82-88.8张骞.基于GIS的北京地区山洪灾害风险区划研究 D.北京：首都师范大学，2014.收稿日期 2023-02-08收稿日期 2023-04-12（上接第7页）能掌握尼尔基水库以上流域干、支流的降雨情势。经过站网布设、预报方案的配置，有利于抓准流域暴雨中心和准确地计算流域面雨量，提高水库水文预报精度，为水库调度决策提供科学依据，更好地发挥水库的经济效益和社会效益。5 结 语通过上述论证分析，提出的新建相关遥测雨量站点的方案是合理的，方案的实施将进一步完善尼尔基水库坝址以上水文监测站站网布局，提高区域降水监测能力，提升信息捕捉及感知能力和信息服务时效性，为嫩江流域防洪减灾及水资源管理和调度决策提供基础支撑。同时，随着经济社会的发展对水资源需求的不断增加，水库调度对水文监测范围和数据精度的要求将更高，因此，水文站网要围绕这一变化，适应经济的发展，满足社会的需求，就必须及时开展论证与分析，不断完善布局，优化结构。参 考 文 献1水利部水文局.水文站网规划技术导则：SL 342013S.北京：中国水利水电出版社，2013.2朱晓原，张留柱，姚永熙.水文测验实用手册 M.北京：中国水利水电出版社，2013.3芮孝芳.水文学原理 M.北京：高等教育出版社，2013.表4 流域面平均雨量误差统计表区域尼尔基以上流域暴雨场次/场10现有站网大于5%的场数0最大误差/（%)3.0增设后遥测站网大于5%的场数0最大误差/（%)1.7东北水利水电防汛抗旱2023年第8期 50Study on extreme temperature difference between upper andlower pouring layers of RCC gravity dam in cold areaYANG Jing-weiAbstractIn the northern cold region,temperature control and crack prevention are very important for theconstruction of RCC dam.Based on the background of specific projects,the study explores the permissibletemperature difference limits of the upper and lower pouring layers in different confined areas of different concretetypes in the area of large temperature difference,providing necessary support and reference for the construction ofrelated similar projects.Key wordsRCC；temperature control and crack prevention；temperature difference in layersInfluence of synchronous grouting layer stiffnesson seismic performance of shield tunnelLI GenAbstractIn the process of tunnel shield construction,using synchronous grouting layer as damping layer canspeed up construction progress and reduce project investment,which has important economic significance andtechnical value.In this study,the influence of the stiffness of synchronous grouting layer on the seismic resistanceof the tunnel under shield construction is discussed by numerical simulation.The results show that reducing thestiffness of the damping layer can effectively improve the seismic resistance of the tunnel during the design andconstruction of shield engineering.Key wordswater conveyance tunnel；synchronous grouting layer；damping layer；seismic resistanceRisk regionalization of mountain flood in small watershedof Shilou County based on GISWU Bo，ZHANG SenAbstractMountain flood disaster risk assessment is of great significance to effectively prevent mountain flooddisaster and reduce post-disaster loss.Taking Shilou County of Shanxi Province as the study area,starting fromthe formation conditions of mountain flood disaster,rainfall,terrain,river system and historical flood were selectedas risk assessment indicators,and population density,cultivated land area percentage and gross product per unit areawere selected as vulnerability assessment indicators.The Analytic Hierarchy Process(AHP)was used to determinethe weight of each index,the location and distribution range of each level of risk area,and then divided intogrades.The analysis results can be used as the basis for the relevant construction departments in the constructionof flood control engineering measures and regional development and construction,and can also be used as a referencefor the work arrangement and deployment of flood control departments.Key wordsmountain flood disaster；AHP；risk regionalization；GIS；small watershed；Shilou CountyApplication of blasting vibration wireless monitoring systemon reconstruction foundation excavation near to Fengman DamLUO An，LIU Zhen-yu，LI DaAbstractInternet of Things technology has been widely used in the construction of water conservancy andhydropower projects.In the dam foundation blasting excavation construction of Fengman Dam reconstructionproject,the blasting vibration monitoring adopts YBJ-III remote micro dynamic recorder connected with othersensors,which is transmitted in real time through 3G network to form a wireless sensor network of Internet ofThings.The collected signal is transmitted wirelessly to the computer data center to realize the monitoring andcontrol of blasting operations.The wireless blasting vibration monitoring system based on the Internet of Thingstechnology has a high degree of security and network flexibility,and the overall cost is low.It can be widely usedin the blasting vibration monitoring of hydraulic dam foundation excavation.Key wordsFengman Dam；blasting；Internet of Things；vibration monitoringWater Resources&Hydropower of NortheastN0.8 2023（Total No.469）72