基于arcgis的重慶市山洪災害區(qū)劃研究

基于arcgis的重慶市山洪災害區(qū)劃研究

洪水災害形成的影響因子山間溪流災害是指由山區(qū)突然洪水和快速上升的地表徑流造成的災害。一些科學家將伴隨饑餓水域洪水的泥石流和滑坡稱為山區(qū)洪水災害。本文采用第一種定義。國內(nèi)外的研究表明,山洪災害是地形地貌、地質(zhì)特征、強降水等多種因素綜合作用的結果,其中降水是山洪災害形成的外部動力關鍵因素。降水達到一定的量級或強度后,就會引發(fā)山洪災害,此時的降水稱為臨界雨量,一般按區(qū)間進行描述,區(qū)間最小值為臨界雨量的最小值,區(qū)間最大值為臨界雨量的平均值。地形、地質(zhì)、地貌條件是影響山洪災害形成的基礎因素,相對海拔高、地形坡度大、地質(zhì)結構疏松、下墊面情況不利于水分附著的地區(qū),山洪發(fā)生幾率較高,反之則發(fā)生幾率較低。山洪災害區(qū)劃是通過對山洪災害影響因子的綜合分析,評估其在指定區(qū)域的詳細分布情況。本文以GIS技術為基礎,通過對地形、降水量、大雨日數(shù)等影響因子的綜合分析,構建區(qū)劃模型,按照高發(fā)、易發(fā)、一般、低發(fā)4個等級對重慶市山洪災害進行區(qū)劃。1此類型和處理方法1.1數(shù)據(jù)類型(1)流量數(shù)據(jù)重慶市34個區(qū)縣年降水量和1961—2008年重慶市34個區(qū)縣日雨量。(2)洪水災害信息1983—2008年重慶市34個區(qū)縣山洪災害記錄。(3)高度模擬數(shù)據(jù)分辨率為1∶25萬的重慶市DEM數(shù)據(jù)。1.2觀測數(shù)據(jù)標準化山洪災害次數(shù)以縣次為單位,即在一個區(qū)縣范圍內(nèi)一天內(nèi)發(fā)生多處山洪災害,只算1次。氣象要素的空間插值方法主要有反距離權重法(IDW)、克里格法(Kriging)和樣條插值法(Spline)等。本文采用反距離權重法。為了消除各影響因子的量綱差異,并考慮離散特征,需采用距平除以標準差的方法將數(shù)據(jù)進行標準化處理。具體計算方法是:設影響因子為變量,共m個,每個變量對應n個區(qū)縣的觀測值,得到觀測數(shù)據(jù)矩陣:X=[xij]n×m=[x11x12?x1mx21x22?x2m????xn1xn2?xnm]X=[xij]n×m=??????x11x21?xn1x12x22?xn2????x1mx2m?xnm??????標準化后的觀測數(shù)據(jù)?xij=xij-ˉxjSjx?ij=xij?xˉjSj,(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m),其中,ˉxj=1nn∑i=1xijxˉj=1n∑i=1nxij是第j個影響因子的樣本均值,Sj=√1nn∑i=1(xij-ˉxj)2Sj=1n∑i=1n(xij?xˉj)2?????????????√是第j個影響因子的樣本標準差。2山地區(qū)劃模型的建立(1)確定影響因子。從山洪災害形成的機理出發(fā),選擇山洪災害臨界雨量、年降水量、年大雨日數(shù)、地表起伏形態(tài)、坡度等作為影響因子。(2)采用反距離權重插值法將各影響因子進行空間插值,插值分辨率為100m×100m。(3)采用主成分分析法建立山洪災害的區(qū)劃模型。(4)利用ArcGis軟件進行柵格圖層的計算、分割等操作,開展山洪災害區(qū)劃。3洪水災害分類3.1設計臨界降雨根據(jù)觀測資料的類型,臨界雨量可采用10min、30min、60min、3h、6h、12h、24h雨量等降雨實況進行描述。本文以現(xiàn)有的觀測資料為基礎,將臨界雨量時段定為24h,應用實例反查法確定臨界雨量。即先查找山洪的個例,再通過反查當日當?shù)貧庀笥^測站的24h降水量,來確定臨界雨量。單站臨界雨量的計算方法如下:最小臨界雨量:Rmin=min(Ri)(i=1,2,…,n)平均臨界雨量:Ravg=n∑i=1Rin∑i=1nRin(i=1,2,…,n)其中,n為山洪災害發(fā)生的次數(shù),Ri為當日當?shù)氐?4h降水量。重慶市34區(qū)縣的山洪災害臨界雨量如表1。從表中看出:(1)大雨以上的降水量級就有可能引發(fā)山洪災害。(2)24h臨界雨量的空間分布規(guī)律是東高西低、區(qū)域性明顯。按照從大到小的順序,依次為:渝東北最高為35~85mm;渝中和渝東南其次,為35~75mm;渝西最低,大部為25~60mm,但合川、北碚、銅梁等地為38~66mm。根據(jù)臨界雨量值對發(fā)生頻次進行推算,結果表明:渝東、渝中和渝西局部地區(qū)一般為1年8次以上,渝西大部地區(qū)一般為1年6次以下,其中綦江、潼南等地低于2次。3.2地表起伏形態(tài)的權重根據(jù)全國山洪災害防治規(guī)劃技術大綱要求,按照4個等級對重慶市地貌進行坡度分區(qū):Ⅰ為小于10°,Ⅱ為10°~25°,Ⅲ為25°~45°,Ⅳ為大于45°,敏感度由低到高依次為低、一般、高、極高。坡度Ⅰ區(qū)主要為渝西的大部分地區(qū)以及渝中的西北部,包括合川、銅梁、潼南、江津、永川、長壽、墊江等地;坡度Ⅱ以及坡度Ⅲ區(qū)為渝西南、渝中長江以南地區(qū),渝東北長江兩岸起伏的中、低山區(qū)以及渝東南包括酉陽、秀山、黔江和彭水的中、低山丘陵區(qū);坡度Ⅳ區(qū)主要分布在渝東北的大巴山區(qū),以及渝東南的七曜山區(qū)。坡度敏感度的計算方法如下:以氣象站所在行政區(qū)域為依據(jù),將重慶市分為34個地貌大區(qū),并基于上述坡度分區(qū)把各地貌大區(qū)相應地分成4類次級小地貌;用專家打分法分別為每一類次級小地貌對山洪災害的影響程度賦以權重,權重之和為1,采用專家權重反饋算法計算權重Gt=1nn∑i=1CiΚi,其中Κi=1-|1n-Ci/n∑i=1Ci|n∑i=1(1-|1n-Ci/n∑i=1Ci|),t為第t類次級小地貌,n為打分專家人數(shù),Ci為第i個專家的評分值,Ki為第i個專家對評價項目的權值,應用該打分模型能夠使專家在評價時可以有不同的權重,專家打分與平均值差得越遠則權值越小,經(jīng)過計算最終得到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級坡度對山洪災害的權重;將每一類次級小地貌與地貌大區(qū)總面積之比作為敏感系數(shù),每一個地貌大區(qū)的敏感度即為每一類次級小地貌的敏感度系數(shù)乘以權重后的總和。敏感度計算模型如下:Sj=n∑t=1GtQt其中,Gt是每一類次級小地貌的權重系數(shù),Qt=AtAj是每一類次級小地貌的敏感系數(shù),At是第j個地貌大區(qū)內(nèi)每一類次級小地貌的面積,Aj是第j個地貌大區(qū)的總體面積。經(jīng)過計算,敏感度Sj最大值為0.612,最小值為0.221。坡度權重如表2,坡度敏感度如表3。根據(jù)重慶市地形的高程、起伏特征和地質(zhì)學的劃分方法,將地表起伏形態(tài)劃分成平地、丘陵、低山、中山4種類型,海拔200m以下為平地,200~500m為丘陵,500~1000m且相對高程差200m以上的為低山,海拔1000~3500m且相對高程差200m以上的為中山。平地主要在長江及支流的河谷地區(qū),丘陵分布于渝西及渝中的長江以北地區(qū),低山主要在渝東南,中山則主要位于大巴山山脈和武陵山地區(qū)。地表起伏形態(tài)敏感度Zj計算方法與坡度敏感度一樣,最大值為0.517,最小值為0.164。地表起伏形態(tài)權重如表4,地表起伏形態(tài)敏感度如表5。降水背景分析采用反距離權重方法,對年降水量、年大雨日數(shù)進行空間插值計算。二者的分布特點均呈現(xiàn)東多西少的特點。大致情況為:渝東北高值區(qū)年降水量為1250~1300mm,年大雨日數(shù)11~14天;渝東南高值區(qū)年降水量為1200~1350mm,年大雨日數(shù)12~15天;渝西低值區(qū)年降水量950~1200mm,年大雨日數(shù)9~11天。4洪水災害分類4.1洪水災害分類模型4.1.1新綜合變量的主成分計算影響因子為年降水量、年大雨日數(shù)、最小臨界雨量、平均臨界雨量、地表起伏形態(tài)(用其敏感度表示)、坡度(用其敏感度表示),分別用變量x1、x2、x3、x4、x5、x6表示,并構建它們的新變量綜合指標z1、z2、z3、z4、z5、z6,分別為原變量指標的第1、第2、第3、第4、第5、第6主成分。從z1到z6,方差依次減小,即z1方差最大,z6方差最小。{z1=l11x1+l12x2+?+l16x6z2=l21x1+l22x2+?+l26x6????z6=l61x1+l62x2+?+l66x6用SPSS軟件進行主成分計算,計算結果見表6和表7。從表6看出:z1、z2、z33個主成分的方差貢獻率分別是40.226%、32.285%、16.970%,累計貢獻率89.473%,超過80%,故新綜合變量是z1、z2、z3。從表7看出:第1主成分主要反映平均臨界雨量、最小臨界雨量和坡度,第2主成分主要反映年降水量、年大雨日數(shù),第3主成分主要反映地表起伏形態(tài)。由表6、表7,得到新構建的主成分變量為:{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區(qū)劃指數(shù)主成分方差分析用主成分變量構建山洪災害區(qū)劃模型為:E=n∑k=1μkzk其中,E為區(qū)劃指數(shù),zk是主成分變量,μk是主成分的權重系數(shù),即各主成分的方差貢獻率。將主成分變量及權重系數(shù)代入公式,得到山洪災害的區(qū)劃模型為:E=0.40226z1+0.32285z2+0.16970z34.2高發(fā)區(qū)、適地區(qū)、低發(fā)區(qū)等級劃分及劃分標準運用ArcGis軟件,將各指標進行空間插值后的數(shù)據(jù)形成柵格圖層,然后通過計算、分割,得到每個柵格的區(qū)劃指數(shù)。最后采用自然斷點分級方法,將計算結果分成4個等級,即高發(fā)區(qū)、易發(fā)區(qū)、一般區(qū)、低發(fā)區(qū)4個等級,分級標準如表8。根據(jù)對這4個等級的劃分,重慶市山洪災害的區(qū)劃結果如圖1(見文后彩圖)。山洪災害在重慶市比較普遍,全市大部地區(qū)均有發(fā)生。高發(fā)區(qū)主要分布在渝東北的大部分地區(qū),其中城口、開縣、巫溪等地發(fā)生頻率最高;易發(fā)區(qū)主要分布在渝中、渝東南的大部分地區(qū);一般區(qū)分布在于渝中局部和渝西的大部分地區(qū);低發(fā)區(qū)分布在渝西偏西的部分地區(qū)。5重慶市洪水災害概況(1)本文從動力條件、孕災環(huán)境、降水背景的角度出發(fā),確定了影響重慶市山洪災害發(fā)生的主要因子,按照影響程度的高低排序,依次是24h臨界雨量、坡度和年降水量、年大雨日數(shù)以及地表起伏形態(tài)。(2)山洪災害臨界雨量的空間分布規(guī)律是東高西低,且區(qū)域性明顯。渝東北最高,為35~85mm;渝中和渝東南其次,為35~75mm;渝西大部較低,為25~60mm,但合川、北碚、銅梁等地為38~66mm。(3)從全市范圍看,重慶市多山洪災害,渝東北為高發(fā)區(qū),年發(fā)生