基于gis的南水北调东线山东段区域洪灾风险区划

南水北调与水利科技

South-to-North Water Transfers and Water Science Technology

Vol.17 No. 6 Dec. 2019

DOI ： 10.13476/j. cnki. nsbdqk. 2019.0134

王复生，李传奇，张焱炜，等•基于GIS的南水北调东线山东段区域洪灾风险区划[J].南水北调与水利科技，2019,17(6):45-

53. WANG F S, LI C Q, ZHANG Y W, et al. Regional flood disaster risk zoning in Shandong reach of Eastern route of South-to-North Water Transfer Project based on GIS[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science Technology, 2019,17(6) :45-53. (in Chinese)

基于GIS的南水北调东线山东段区域洪灾风险区划

王复生，李传奇，张焱炜，李继政

(山东大学土建与水利学院，济南250061)

摘要:针对南水北调东线山东段区域的防汛需求，主要从洪水灾害的危险性、敏感性和易损性3方面建立洪水灾害 风险区划模型，综合考虑研究区域的汛期暴雨日数、暴雨强度、高程、高程标准差、河网密度、湖区缓冲区、GDP、人口 密度、土地利用类型等9项影响指标，用蒙特卡罗法辅助层次分析法分析确定指标权重值，通过ArcGIS的地图代数 功能对各个指标图层归一化处理，计算得到研究区域的洪水灾害风险区划图。区划结果显示:鲁南片的高风险区位 于南四湖周边区域、枣庄市局部地区;鲁北片的高风险区位于聊城城区、黄河以北沿线;胶东片的高风险区位于济南 市周边以及半岛东部局部地区。通过与历史洪涝灾情资料进行比对，发现上述区划结果符合灾害发生的实际情况， 区划结果对南水北调东线山东段洪水防治和决策管理具有重要的参考价值。关键词:南水北调东线工程;风险区划;GIS技术;蒙特卡罗法;层次分析法中图分类号:TV91

文献标志码:A

开放科学(资源服务)标识码(OSID)

Regional flood disaster risk zoning in Shandong reach of Eastern route of

South-to-North Water Transfer Project based on GIS

WANG Fusheng，LI Chuanqi，ZHANG Yanwei，LI Jizheng

(School of Civil Engineering，Shandong University，Ji’nan 25QQ61，China)

Abstract:In view of the flood control demand of the East Route of South-to-North Water Diversion Project in Shandong area，the flood risk zoning model was established based on the fundamental principles of hazard, sensitivity and vulnerability of flood disasters. Nine influencing indices such as rainstorm days in the flocxl season, rainstorm intensity, elevation, standard deviation of elevation, river network density, and buffer zone of lakes, gross domestic product, population density, and land use type were comprehensively considered 丁he weights of indices were determined by means of the analytic hierarchy process (AHP) with the auxiliary of Monte Carlo method The cartographic algebra function in ArcGIS was adopted to perform the normalization processing of the various indicator layers. After calculating and mapping process, the risk zoning map of flood disasters of the study area was obtained The results showed that the high-risk areas of south, north and east Shandong were located in the surrounding r^ions of Nansi Lake and some local areas in Zaozhuang City, Liaocheng City and the north side of the Yellow River, the vicinity of Jinan City and part of regions of the east peninsula. Compared with the historical data of flood disasters, the above zoning results proved to accord with the actual situation of the study area, which showed that the results have important referencing values for flood prevention and decision management in Shandong section of the East Route of South-to-North Water Transfer Project

Key words： East Route of South-to-North Water Transfer Project； risk zoning； GIS technique； Monte Carlo method； analytic

收稿日期：2019~01-20 修回日期：2019~05-20 网络出版时间：2019~06-26

网络出版地址：http://kns. cnki. net/kcmsAietail/13. 1334. TV. 20190625. 1137. 012. html基金项目：国家科技支撑计划课题(2015BAB07B00);山东省自然科学基金(ZR2017MEE006)Funds： National Key Technology Support Program (2015BAB07B00)； Natural Science Foundation of Shandong(ZR2017MEE006)作者简介:王复生（1997-)，男，安徽六安人，主要从事城市防洪减灾研究。E-mail:201734684@mail. sdu. edu. cn通讯作者:李传奇（1963-)，男，河南沈丘人，教授，博士生导师，主要从事城市雨洪模拟及预报研究。E-mail:liChuanqi@ sdu. edu. cn

水文水资进45 •

第17卷总第105期•南水北调与水利科技• 2019年12月

hierarchy process

洪水灾害是世界上最常发生的自然灾害之一， 分析。本文引入蒙特卡罗辅助层次分析法(MC-AHP) 近年来越来越频繁发生。南水北调东线山东段工程 来降低不确定性，这种方法已经在滑坡敏感性绘图、 属暖温带亚湿润气候区，受季风气候的影响，降雨多 土壤侵蚀危害等方向得到了应用[14]。该方法将指 以暴雨的形式出现，汛期降雨量占全年的60%〜 标重要性判断矩阵中的非对角元素视为具有不确定

80%，极易引发洪水灾害[1]。工程的供水范围包括 性的随机变量，利用beta-PERT分布描述模型指 黄淮海冲积平原东部和胶东地区，地势较平坦，是我 标，结合蒙特卡罗法估计指标权重值。

国人口集中、经济文化较发达的地区，一旦发生洪 本文综合考虑南水北调东线山东段区域的降 水，将会影响工程运行安全，导致供水中断，对供水 雨、地形、水系、土地利用、经济和人口密度等指标， 区域社会、经济的稳定发展造成严重威胁。因此对 用蒙特卡罗法辅助层次分析法建立洪水灾害风险区 南水北调东线山东段区域展开洪灾风险区划研究十 划模型，使群体决策过程中出现的不确定性达到最 分有必要。

小化，再赋予各个影响因子相应权重，并在GIS平 洪水灾害风险区划是防洪的重要工具，在洪水

台上进行归一化处理，得到南水北调东线山东段区 风险管理和防洪减灾方面具有重要的实际应用价 域的洪水灾害风险区划空间分布情况，以期为南水 值[2]。洪水灾害风险区划对洪水灾害的自然属性和 北调工程的防洪减灾决策提供支持。

社会属性进行综合评价，旨在提高洪水风险评估的 准确性[3]。将层次分析法（AHP)™与GIS平台相 1研究区域与方法

结合是一种常见的多准则风险评估方法[5]，可以将 1.1 区域概况

复杂决策问题层次化分析，定性、半定量化地确定风 南水北调东线工程在山东境内分为南北、东西 险的空间变异性[6]，在洪水灾害风险区划研究上得 两条输水干线，全长1 191 km,南北干线长487 km， 到广泛应用[7_9]。然而层次分析法受到决策者的主 东西干线长704 km，其中半岛东部利用引黄济青工 观认知，具有一定的不确定性，往往会使权重计 程供水。工程在山东省内形成“T”字型输水大动脉 算出现偏差，对结果产生重大影响[1°]。对此，兰继 和现代水网大骨架，实现长江水、黄河水和当地水的 斌等[11]利用基于模糊一致矩阵的模糊层次分析法 联合调度、优化配置，为保障全省经济社会可持续发 提高权重计算的合理性。Gigovic L等[12]在洪水灾 展提供水资源支撑。供水范围包括鲁南、鲁北和胶东 害制图中引用粗糙区间数改进传统的层次分析法， 半岛三大片，涉及济南、青岛、烟台、威海、潍坊、淄博、 客观考虑了不确定性影响。徐镇凯等[13]将层次分 东营、滨州、聊城、德州、穿庄、济宁和菏泽共13个地 析与灰色聚类法相结合，对洪灾风险进行定量评价与

市，61个县(市、区）。研究区域的地理概况见图1。

图1南水北调东线山东段区域概况

Fig. 1 General situation of Shandong reach of the East Route of the South-to-North Water Transfer Project

• 46 •

水文水资进

王复生，李传奇，张焱炜，等•基于GIS的南水北调东线山东段区域洪灾风险区划

南水北调东线山东段区域多年平均降水量从南 “min 1 A^nxjdf I ^max

向北逐步递减，受季风气候影响，雨量集中，汛期降 A + 2

(4)

雨量占全年的60%〜80%，汛期暴雨是造成本区域 式

中

:、amo^分别是变量a d的最小值、最大

洪水的最主要原因。山东段工程输水跨度较大，沿 值和最可能值；比例参数用于缩放分布的髙度，默认线交叉建筑物众多，在运行期间承担着输水、泄洪、 值为4[18]。

航运等多重任务，部分渠段长期保持高水位运行，工 然后计算分布的形状参数

程安全极易受到暴雨洪水的影响。Sk

,)(2an1.2研究方法(“mod? V) (“n (5)

1.2. 1

数据标准化

■ \"(“max

ifl — L

(6)

由于影响洪水灾害风险的指标之间存在量级和 已知最大值和最小值以及形状参数，就可以从

量纲上的差异，为了使不同的数据层能够计算和比 beta-PERT分布中大量取样并生成矩阵元素，此过较，需要将数据标准化处理[15]。本文采用极差标准 程可以通过betarnd函数实现。

化方法将栅格单元数据转换至[〇，1]范围内的值。 a,> =atjin+betarncKo,cv) X (a,^—a^) (7)

设研究区域有m个评价指标，有》个评价单元，则 (4)指标的权重值W,计算公式如下，其中6,>为

有原始评价矩阵

过渡矩阵：

R=

Uij)mXn

(1)

用极差标准化方法进行如下换算：

t>ij =aij

j %

xaii (8)

/ — x,7—min,.{x,.,}B max, {x^ } — min, {x{j}

%— “j = l，2,3,…，;7

(9)

i = l，2，.\"，m;j = l，2，〜

，?j

(2)

i=lj 2 T= l

,bi}

式中是第i个指标第j个单元对应的原始数据； (5)对判断矩阵进行一致性检验。一致性比率 max^A }和miq {x,;}分别是第i个指标下所有单元 (CR)可以反映判断矩阵的一致性程度和决策质量， 数据中的最大值和最小值;< 是标准化的单元数据。 〇?<0. 1表示矩阵满足一致性无需修正，CJ?>0. 1 1.2.2蒙特卡罗辅助层次分析法

表示矩阵需要重新构造[19]。

传统层次分析法虽然简单实用，但是受到专家 CJ=Amax~W

主观经验认知的。通过蒙特卡罗模拟可以有效 n — 1

(10)降低层次分析法的不确定性，提高洪水灾害风险指 CR=^y

(11)

标权重计算的准确性。蒙特卡罗辅助层次分析法的 基本步骤如下。

式中:为判断矩阵的最大特征值;CJ为一致性指

(1)

根据洪水灾害的自然特征和研究区域的典

数;为n阶矩阵一致性指标。

型性构建一个递阶层次结构，将复杂问题归结为准 2洪水灾害风险区划模型

则层、指标层相对于高层即目标层的权重次序的总 排序问题M。

洪水灾害风险区划模型由风险区划指标体系及

(2)

决策者依据经验意见对同一层次所列指标

其对应的指标权重值组成。

的重要性进行两两比较并评判，然后逐层构建指标

2.1 指标体系及选取

重要性判断矩阵

洪水灾害的形成受降雨、产流、汇流等多个过程 P=LaijlnX„ (3)的影响，具有自然因素和人类活动因素双重属 式中:％表示第；个指标和第J/个指标的重要性比 性[2°]。本文采用成因分析方法建立洪水灾害风险 例，因此有〜=1且& =l/a;;。

区划指标体系，包括目标层、准则层和指标层3个层 (3)

用beta-PERT分布拟合来自不同决策者的

次。其中准则层从致灾因子危险性、孕灾因子敏感 指标重要性判断矩阵中的非对角元素值。beta-

性和承灾因子易损性3个方面展开分析。下面从这 PERT分布可以在已知变量的最小值、最大值和最 3个方面阐述其对洪水灾害的影响，选择具有代表 可能值的情况下对其概率分布进行估计，并且能较 性且可以量化的影响因子作为风险区划指标。

好的拟合正态分布、对数正态分布等[17]。首先计算

(1)致灾因子危险性。大范围的连续暴雨或雨 beta-PERT分布中的平均值\"：

量集中的特大暴雨是形成洪涝灾害的重要因素。本

水文水资緣

• 47 •

第17卷总第105期•南水北调与水利科技• 2019年12月

文综合暴雨连续性和高强度的特征，定义了汛期多 年平均暴雨日数和暴雨强度两个危险性指标。暴雨 日数为汛期(6月一9月）日降雨量>50 mm的天数 的累积值;暴雨强度为暴雨量/暴雨日数。

(2)

展开分析，每一准则层又可以细分为若干个影响指 标。针对本研究区域建立一个洪水风险指标重要性 比例标度，用于量化指标的相对重要性，见表2。

表2

Tab. 2

洪水风险指标重要性比例标度

important scale for flocxl risk index

孕灾因子敏感性。洪水的汇流过程与研究

区域的地貌地形、水系分布等因素都密切相关。地 形越平缓的地区越容易发生洪水，因此本文采用高 程和高程相对标准差两个指标，根据“绝对高程越 低,高程相对标准差越小，洪水危险程度越高”的原 则来衡量研究区域地形地貌对洪水灾害危险性的影 响[21]。南水北调东线山东段区域内包含沂沭泗水、 黄河、小清河等诸多水系，还有南四湖、东平湖等蓄 水系统，其分布在很大程度上决定了研究区域遭受 洪水侵袭的难易程度[22]。以河网密度和湖区缓冲 区作为指标，河网密度越高，距离蓄滞洪区越近，危 险性越高。其中，河网密度是指单位面积内河流的 长度，湖区缓冲区是指研究区域与湖区的距离等级， 本研究划定三级缓冲区(3 km、7 km、12 km)。

(3)

承灾因子易损性。发生洪水灾害造成的损

失程度与人口的集中度和地区经济水平有关[23]。

选择人口密度和GDP作为评估承灾因子易损性的 指标，根据易损性与人口密度、GDP成正比的原则 确定各个因素对洪水灾害的影响程度。同时，不同 土地利用类型抵抗洪水侵袭的能力也有差异，将其 作为本研究区域承灾因子易损性的一项指标。研究 采用陈萍等[24]定义的土地利用敏感性指数，将土地 利用类型分为五类(林地，耕地，城镇建设用地，一般 调节用地和生态容纳用地）来表征其对洪水灾害的 影响性。据此建立的风险区划指标体系见表1。

表1

洪水灾害风险区划指标体系

Tab. 1 Flood disaster risk zoning indicator system

目标层准则层

指标层

致灾因子危险性C1

讯期平均暴丽膨lAmm-d1) 汛期平均暴雨日数72/d南水北调东 高程Z3/m

线山东段区 孕灾因子敏感性C2

高程标准差J4 域洪灾风险 河

网

密

度

km2)

区划

湖区缓冲区J6/km

GDP J7/(元• knr2)

承灾因子易损性C3人口密度J8/(人• knv2) 土地利用类型/9

2. 2指标权重分析

由建立的风险区划指标体系可知，本研究的目

标是对南水北调东线山东段区域进行洪灾风险区 划，为实现此目标，研究从致灾因子危险性C1、孕灾 因子敏感性C2和承灾因子易损性C3三个准则层

• 48 •

水文水资源

标度

含义

1两个指标具有相等的重要度

2两个指标相比，前者比后者稍微重要3两个指标相比，前者比后者明显重要4两个指标相比，前者比后者绝对重要5

两个指标相比，前者比后者极端重要1.5,2. 5,3. 5,4. J;

两个指标相比，重要度介于相邻标度之间

依据重要性比例标度逐层构建4个重要性判断 矩阵如下：

「1

C1/C2

CI/C3-1

Pi =C2/C1

1C2/C3

C3/C1C3/C2

P _

-1/l/72nJ2/I11 __ 113/14：…J3/J6- P3 =

/4/I31…

I4/J6

/6/J3/6//4…

1

-1

17/1877/79nP,=

18/17118/19

_I9/I7

19/18

1

用beta-PERT分布估计重要性判断矩阵中每个非对角元素的概率分布。对每组数据用蒙特卡 罗法抽样1 〇〇〇次，最终分析得到各个指标权重的 概率密度分布。综上，南水北调东线山东段区域 风险区划指标体系的权重计算结果见表3。二阶 判断矩阵巧具备完全一致性无需检验，对抽样生成 的判断矩阵P,、P3、A分别进行一致性检验，由图2 检验结果可以看出，一致性比率CR均小于0. 1，可 以接受。

3洪水灾害风险区划

3.1数据来源与处理方法

本研究收集并采用的气象数据来源于国家气象 信息中心的1961 —2012年6月一9月份山东省内 气象站点的逐日降雨资料，地形数据来源于地理空 间数据云30 m分辨率DEM数字高程，社会经济数 据以及土地利用数据来源于中国科学院地理科学与 资源研究所的公里网格人口、GDP、土地利用类型分

王复生，李传奇，张焱炜，等•基于GIS的南水北调东线山东段区域洪灾风险区划

表3

洪水灾害风险区划指标权重计算结果

Tab. 3 Index weights for flood disaster risk zoning

致灾因子危险性C1

0. 4042

孕灾因子敏感性C2

0. 3442

承灾因子易损性C3

0. 2516

综合权重

0. 18480. 2194

汛期平均暴雨强度汛期平均暴雨日数J2高程13高程标准差/4河网密度J5湖区缓冲区76

GDP 17

0. 45720. 28

0. 19700. 23390. 32330. 2459

0. 27810. 34960. 3723

0. 06780. 08050. 11130. 08460. 07000. 08800. 0937

人口密度78土地利用类型J9

布数据集。本研究利用ArcGIS中的栅格内插、栅 格计算、数据重分类、数据提取与统计分析等技术， 将众多指标数据归一化处理，采用的最小计算单元

为50 mX50 m的GRID网格，具有高精度的特点。

一 〇〇4〇

200

400

600

蒙特卡罗抽样次数

3.2 区划过程3.2. 1

危险性区划

对汛期暴雨

根据1961—2012年汛期山东省内气象站点的 降雨数据，利用反距离权重法(IDW)

蒙特卡罗抽样次数

0.06

日数和暴雨强度进行空间内插离散化处理，得到研 究区域汛期年平均暴雨日数和暴雨强度的空间分布 情况，通过ArcGIS的地图代数功能标准化处理并 叠加，得到洪水灾害危险性区划图。由图3可以看

200

400

600

800

出，南水北调东线山东段的洪水灾害危险性区划与 山东省降水量分布特征有很大相似性，均呈由西北 向东南逐渐增加的分布趋势，其中鲁南、胶东半岛东 部地区的危险性相对较高。

蒙特卡罗抽样次数

图2

重要性判断矩阵一致性检验

Fig. 2 Consistency test of importance comparison matrix

济讀’

图例危险性区划

高：0.99

■

低：0.05

图3南水北调东线山东段区域洪灾危险性区划

Fig. 3 Flood hazard zoning of research area

水文水资渌 • 49 •

第17卷总第105期•南水北调与水利科技• 2019年12月

3.2.2敏感性区划

南水北调东线山东段区域水系众多，地形变化 明显，洪水灾害的敏感性受这些因素的影响。用极 差标准化方法对研究区域的高程、高程标准差、河网

密度以及湖区缓冲区4个孕灾因子的数据集进行处

理，赋予相应的权重值后叠加得到研究区域的洪水 灾害敏感性区划图。由图4可以看出，鲁南片、鲁北 片由于地形平坦，河网密集，并且有南四湖、东平湖 等蓄水系统的存在，因此对洪水的敏感性较高;而胶 东半岛河网密度较小，敏感性相对较低。

图4南水北调东线山东段区域洪灾敏感性区划

Flood sensitivity zoning of research area

Fig. 4

3.2.3易损性区划

洪水灾害易损性考虑研究区域的GDP、人口 密度和土地利用类型3个因素。将中国公里网格 人口分布数据集、山东省GDP空间分布数据集、 山东省土地利用空间数据集进行掩膜处理和数据

标准化处理，再乘以各自的权重值，叠加得到研究 区域的洪水灾害易损性区划图。由图5可以看 出，易损性较大的区域大多位于人口集中、GDP高 的城市地区，易损性较小的区域为林地、山区等生 态调节用地。

图5南水北调东线山东段区域洪灾易损性区划

Fig. 5 Flood vulnerability zoning of research area

3.3 区划结果分析

根据洪水灾害风险区划模型，将危险性区划、敏 感性区划和易损性区划结果在ArcGIS上归一化处

• 50 •

水文水资源

理，采用自然断点分级法[26]将洪灾危害程度划分为高风险性(>〇.465)、较高风险性（0.390〜0.465)、中等风险性(0• 330〜0. 390)、较低风险性(0. 2〜

王复生，李传奇，张焱炜，等•基于GIS的南水北调东线山东段区域洪灾风险区划

0. 330)和低风险性(<0. 2)5个等级，得到南水北 调东线山东段区域洪灾风险区划图。本文将区划结 果分成鲁南片、鲁北片和胶东片3个区域进行分析， 见图6—图8。

南片的防汛重点。

图6南水北调东线鲁南片洪灾风险区划

图7

南水北调东线鲁北片洪灾风险区划

Fig. 6 Risk zoning of flood disaster in south Shandong

由鲁南片风险区划图可知，高风险区集中在南 四湖周边区域以及枣庄市薛城区、峄城区、台儿庄 区。这片区域地势平坦，处于多个河流的中下游地 带，并且汛期暴雨强度大，极易受上游暴雨洪水影 响。济宁城区位于南阳湖调水出口地带，且紧靠梁 济运河，也属于高风险区。韩庄运河段渠道、梁济运 河段渠道以及沿线的梯级泵站是南水北调工程在鲁

Fig. 7 Risk zoning of flood disaster in north Shandong

由鲁北片风险区划结果可知，高风险区主要分 布在聊城市城区、黄河北沿线的齐河县、济阳区一 带。低风险区位于聊城西部、德州东北部。聊城市 城区地处徒骇河以北马颊河以南，又有小运河贯穿 南北，发生强降雨时周边区域极易形成洪涝灾害，因 此该段工程是鲁北片的防汛重点。

图8

胶东片区划成果

■低风险

图例

■■较低风险

工程节点 a中等风险 •南水北调路线 »较髙风险 湖泊水库■高风险

南水北调东线胶东片洪灾风险区划

Fig. 8 Risk zoning of flood disaster in east Shandong

由胶东片风险区划结果可知，胶东片的高风险 区主要位于济南市周边以及半岛东部局部地区。由 于胶东供水干线借助引黄济青工程输水，因此南水 北调工程在该区域的防汛重点为济平干渠。济平干 渠输水线路以北为黄河，以南为丘陵区，汛期极易形 成山前洪水，应加强防洪力度。胶东片中部地区由

于历史降雨量普遍较低，因此导致洪灾风险性低。

本文根据《中国气象灾害大典山东卷》中记载 的1971—2000年山东洪涝灾情普查数据，分析得到 研究区域的洪水灾害灾情统计见表4,表明区划结 果可以较好地反映研究区域洪水灾害发生的真实情 况。进一步比较李楠等[27]就同一区域的洪灾风险

水文水资源

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第17卷总第105期•南水北调与水利科技• 2019年12月

区划研究结果，发现与本文图6—图8的风险分布 assessment based on an integrated k-means cluster 情况基本相符。

algorithm and improved entropy weight method in the 表4

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