摘 要

为对杭州市区防御暴雨洪涝灾害提供科学的理论参考依据，提高对暴雨洪涝灾害的防御能力，本文主要研究杭州市区暴雨洪涝灾害风险区的划分以及对模拟灾害信息的提取。

本文借助地理信息系统软件ArcGIS,将暴雨洪涝灾害风险评价指标和GIS技术相结合，基于杭州市区GDEMV2 30M 分辨率数字高程数据和SRTMTPI 90M 分辨率坡位数据和杭州市2016至2018年统计年鉴资料以及历史降水规律，结合杭州市的自然地理要素和经济人文，以致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性、防灾减灾能力四项指标作为主要研究对象，绘制杭州市区洪涝灾害风险区划图。结果表明，滨江区处于暴雨洪涝高风险区；上城区、西湖区、拱墅区和下城区的西部地区属于较高风险区；较低风险区和低风险区分布在余杭区、江干区和萧山区。通过暴雨洪涝风险区划分，提取不同风险区内街道及村庄信息并统计数量，提取不同风险区内道路信息并统计长度，在暴雨洪涝灾害还未到来之前，提前对有可能发生的危险做出相应措施。

本文的创新点是利用AHP法借助ArcGIS软件对杭州市历史气象规律资料、社会资料、自然环境资料进行详细分析，构建了杭州市区暴雨洪涝灾害模型。本文的研究成果为城市暴雨洪涝灾害防御提供一定的科学依据，具有重要的社会效益和应用前景。

关键词：暴雨洪涝；ArcGIS；灾害风险区划分

Abstract

In order to provide a scientific theoretical basis for the prevention of rainstorm and flood disasters in Hangzhou City and improve the ability to prevent rainstorm and flood disasters, this paper mainly studies the division of risk areas of rainstorm and flood disasters in Hangzhou City and the extraction of simulated disaster information.

With the help of ArcGIS software, this paper combines the risk assessment index of rainstorm flood disaster with GIS technology, based on the data of GDEMV2 30M resolution digital elevation and SRTMTPI 90M resolution slope location in Hangzhou city, the statistical yearbook data of Hangzhou from 2016 to 2018 and the historical precipitation law, and combines the natural geographical factors and economic and humanistic factors of Hangzhou city, so as to make the disaster factors dangerous. Four main indicators, environmental sensitivity of disaster pregnancies, vulnerability of disaster-bearing bodies and capacity of disaster prevention and mitigation, were taken as the main research objects to draw the risk zoning map of flood and waterlogging disasters in Hangzhou. The results show that the riverside area is in the high risk area of rainstorm and flood; the upper urban area, the West Lake area, Gongshu area and the western area of the lower urban area belong to the high risk area; the lower risk area and the low risk area are distributed in Yuhang area, Jianggan area and Xiaoshan area. By dividing the risk areas of rainstorm and flood, the information of streets and villages in different risk areas is extracted and counted, and the road information in different risk areas is extracted and the length is counted. Before the rainstorm and flood disaster arrives, corresponding measures are taken in advance for the possible risks.

The innovation of this paper is to use AHP method and ArcGIS software to analyze the historical meteorological data, social data and natural environment data in Hangzhou in detail, and to construct the model of rainstorm and flood disaster in Hangzhou. The research results of this paper provide a scientific basis for the prevention of urban rainstorm and flood disasters, and have important social benefits and application prospects.

Key Words：Torrential rains and floods；ArcGIS； Disaster Risk Zoning

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究区域概况 2

1.3.1 研究区域地理位置 2

1.3.2 研究区域历史降水规律 2

1.4 资料来源 4

第2章 相关知识与研究方法 5

2.1 GIS 5

2.1.1 ArcGIS与GIS常用软件比较 5

2.2 主要研究方法 6

2.2.1 层次分析法 6

2.2.2 加权综合评价法 6

2.2.3 克里金插值法 7

2.2.4 领域分析法 7

2.2.5 自然断点法 7

第3章 城市暴雨洪涝灾害风险区划分 8

3.1 评价因子指标及权重确定 8

3.2 致灾因子危险性区划 8

3.3承灾体易损性区划 9

3.3.1 人口密度 10

3.3.2 GDP密度 11

3.3.3 建筑密度图 12

3.4孕灾环境敏感性区划 14

3.4.1 地势起伏度 15

3.4.2 森林覆盖率 16

3.4.3 河流湖泊水系密度 17

3.5防灾减灾能力区划 19

3.6暴雨洪涝气象灾害综合风险区划 21

第4章 城市暴雨洪涝灾害防御体系 24

4.1 城市暴雨洪涝风险区提取及面积统计 24

4.2 街道及村庄风险区的提取与指数统计 26

4.2 风险区城市道路的提取与统计 27

第5章 全文总结与研究展望 30

5.1 总结 30

5.2 展望 30

参考文献 32

致谢 34

绪论

研究的目的和意义

气象灾害是一种由于大气活动，对人民的生命和财产、国民经济的建设和国防建设造成的直接或间接的损失的自然灾害^[1]。有各种各样的气象灾害，其主要表现形式为暴雨、干旱、热带气旋、霜冻和低温、风暴、雾和沙尘暴等共20余种。长期以来，专家学者们对我国的气象灾害的成因、特征和影响进行了大量的研究，然而不断发生的气象灾害表明，想要完全准确地预测气象灾害的形成和阻止气象灾害的蔓延发展是不现实的，但若提前采取合理的气象灾害管理体系，则可尽可能的避免和降低由气象灾害带来的人口和经济损失。因此，通过对气象灾害的发生、发展机制和致灾后果相关数据的分析，分析区域内气象灾害风险状况并对风险区域划分，在高风险区提前做出防御措施，这对城市的居民和固有建筑的保护以及城市未来的可持续经济发展具有重要现实意义，也是城市在应对灾害时，提升自身抗灾减灾能力的一种保障。

洪涝是城市的主要气象灾难之一。洪是一种自然现象，因降水峰值高，水位急剧上升，而涝也是一种自然现象，因为长期的降雨或暴雨不能及时排放，形成地表积水，从而发展成为涝。当洪和涝对人类造成伤害时，它就变成了一场灾难。历史上的洪涝主要对农业造成了损害。在过去的几十年里，随着社会经济的发展，大部分的洪涝灾害损失被转移到城市，洪涝的特征也发生了很大的变化。许多城市沿着河流、湖泊、海洋或山脉，有些位于低洼平原，经常受到洪水的威胁。与人口和资源相对稀疏的农村地区相比，城市人口密度，经济发展指数相对较高，灾害的破坏要大得多。中国有668个城市，其中639个有防洪任务，占96%。

2018年4月，中国中部和东部、江南北部、湖北和四川盆地等地出现暴雨或大暴雨，共有68个县(市)日雨量突破了当地4月历史降水量气象记录。5月入汛以来，广西、山东、贵州、云南和新疆等地都发生不同程度的暴雨洪涝灾害。城市洪涝的主要原因有以下几类：1）全球变暖和城市雨岛效应；2）城市建设改变天然降水汇流过程；3）填湖造地，城市扩展侵占河湖；4）城市排水设施能力不足。虽然多年来中国一直在努力解决城市洪涝灾害问题，但是在多种因素的交互作用下治理效果并不明显，且随着城市的快速扩展，城市洪涝发生的频率和造成的经济损失呈逐年上升趋势。城市内暴雨洪涝灾害短时间内很难解决。

本文借助地理信息系统软件ArcGIS,将洪涝灾害风险性评价指标和GIS技术相结合，通过加权综合分析法和层次分析法对杭州市区暴雨洪涝灾害进行模拟和风险区等级划分，绘制出杭州市区暴雨洪涝灾害风险区划图，从而为城市暴雨洪涝灾害防御提供一定的科学依据。

1.2 国内外研究现状

国内外许多专家学者对气象灾害风险区域的分类和评价因素进行了研究，然而各国目前仍未有成熟的经验和成果。20世纪30年代，美国率先开展了气象灾害风险评估，对大西洋沿岸和墨西哥湾飓风和最大可能飓风灾害风险区进行了划分。中国的气象灾害风险评估自20世纪90年代以来，将洪水，干旱和台风等气象灾害列为了重点评估对象，但也仅限于具体地区和单一指标。随着气象灾害发生频率的不断提高，人们认识到了气象灾害评估的重要性，学者们不断研究希望能系统地得出一套气象灾害风险区评估体系。胡波在第33届中国气象学会年会上提出的宁波地区基于模糊综合评价的洪涝灾害风险区划^[2],在第34届中国气象学会年会上，四川省泸州市纳溪区气象局采用自然断点法和加权综合评价法结合GIS技术，对纳溪区暴雨洪涝和干旱灾害进行了分析和区划^[3]。根据目前研究，灾害风险评价主要多以行政区域为研究对象，从致灾因子、孕灾环境和承灾体三个方面^[4]进行全面分析，本文将防灾减灾能力从承灾体因子中提出，单一列为影响风险区划分的评价指标。

1.3 研究区域概况

1.3.1 研究区域地理位置

杭州位于中国东南沿海、杭州湾西端、钱塘江下游和京杭大运河南端，是长江三角洲中心城市之一。杭州的地理坐标为坐标为东经118°21′-120°30′，北纬29°11′-30°33′，市区面积16853.57平方公里。 城市零公里标记位于上城区紫薇园坐标的起源处。杭州市区的建筑物、道路和供水系统，都可根据紫薇园坐标原点标出其所在的方位和与原点的距离。杭州市共有10个市直辖区、2个县和1个县级市，本文主要研究靠近杭州市区中心的上城区、下城区、江干区、拱墅区、西湖区、滨江区、萧山区和余杭区，杭州的地形复杂多样，西部多为山地丘陵。东部属于浙江北部平原地区，有低洼平原和密集的河流网络，具有典型的“江南水乡”特征。杭州是一个亚热带季风地区，四季变化明显，降水量充足。

1.3.2 研究区域历史降水规律

平均降雨量和雨天:杭州的年平均降雨量在1000到1600毫米之间，每年的降雨日在130到160天之间。然而,因环流和土地数量的影响,降水和日常降雨区域之间的差别很大,降水模式一般从西南向东北平原减少, 从山谷平原和新安江水库区向丘陵山地增加。在该市的西北部、中部和西南部，年平均降雨量超过1500毫米，而雨天超过160天，这是一个多雨的地区。特别是天目山两侧的市岭和双石，白际山东侧的陈家村和樟村，以及昱岭东北部的马山，千里岗的白马、西岭和建德的李家镇等地，年平均降水量超过1800毫升，雨天超过165天。在临安和富阳以南的河滨流域，到寿昌盆地、梅城盆地和新安江水库，年平均降雨量为1350 - 1500毫米，雨天为145 - 155天。东北部平原的年平均降雨量不足1400毫米，雨天不足150天，是该市降雨量最少的地区。萧山、余杭海岸和水网平原，年平均降雨量小于1200毫米，降雨日不到140天。

季节性降雨量分布:杭州有两个雨季和一段多雨时期。第一个雨季从5月初开始，到6月底结束，直到7月初。在此期间，降雨集中，降水多以暴雨，平均降雨量为350 - 550毫米，占年降雨量的25%至31%。降雨主要分布在西南和西北山区，平均超过500毫米。第二个雨季发生在8月底到9月底之间，因为台风或机峰前线向南移动的影响。降雨量主要分布在西北山脉和东北平原。天目山的东侧是台风暴雨的高频中心，平均超过200毫米。此外，3月至4月是雨季，即春雨期，平均降雨量为200至300毫米，约为每年总降雨量的13 - 23%。7月、8月和10月到第2年2月是两个相对干燥的季节。夏季干旱期间,城市受副热带高压控制,夏天炎热干燥,西北山区和昱岭山中部的平均降雨量超过350毫米,平均降雨量为250至300毫米,东北沿钱塘江河谷平原到新安江水库的大部分地区降水量很少,平均在250毫米以下。在干燥的冬季之后，受到蒙古寒冷干燥的极地大陆干冷气团影响，杭州平均降雨量在300到400毫米之间，占全年降水量的20到27%之间。

降水的年际变化和年降水量的相对变化:杭州降水的年际变化比较大,年降水量的相对变化(各年降水量与多年平均降水量的差的绝对值的平均数对多年平均降水量的百分比)为12 - 17%。其中，临安、淳安、建德西、萧山东在15%以上，其他地区在12%到15%之间。从3月到6月的几个月的相对变化最小，在25到35%期间，这表明春雨和梅雨降雨的数量相对稳定。7月和8月的降雨量较低，与前一时期相比，相对变化(35 - 50%)增加，导致出现干旱。在接下来的10月到2月之间，降雨量有很大的不同，相对变化最大(50- 80%)，通常出现“干燥的冬天”或“烂冬”。

暴雨分配:除冬季外，杭州市各地都可能出现降水日降水量≥50毫米的情况,平均每年2 - 5天。暴雨最多的主要在6月和9月。暴雨日的地理分布为，东北低地和沿海平原的面积尽可能少，平均每年约为两天;中南部河谷和新安江水库地区平均每年3至4天;大多数山区平均降水为4天，一些暴雨中心已经达到或超过5天。降雨量为大暴雨≥100毫升，每年少于2天。其中，东北平原地区和新安江水库地区不到0.5天。在雨季，西部山区可达200毫米;在秋季风暴中，有300到400毫米的暴雨，这些大暴雨经常出现在天目山的东部和东部平原。

1.4 资料来源

气象资料为杭州市区及周边四个市（区）12个国家气象观测站近50年来的降水规律数据；地理信息数据为杭州市区GDEMV2 30M 分辨率数字高程数据和SRTMTPI 90M 分辨率坡位数据、中国河流湖泊1：50000数据；社会经济数据来自《2016年杭州市统计年鉴》和《2017年杭州市统计年鉴》，包括杭州市行政区划、森林覆盖面积、各区人口数、各区GDP、医疗卫生单位数量和公安派出所数量等数据。

第2章 相关知识与研究方法

2.1 GIS

GIS，地理信息系统。目前地理信息系统广泛应用于测绘、交通和环境等方面，它能对某一块特定研究区域的数据信息进行收集、演算、分析和可视化的一套信息系统，能极为方便地将研究问题与研究区域联合在一起。

GIS作为目前先进的一种应用工具，能系统地解决空间问题 ^[4];下面从三个角度分析GIS:从系统的角度来看，首先它一定是一款信息系统，它具有一定的结构和功能，能让用户与信息资源之间有交流的过程；从学科的角度来看，GIS融合了地理、测绘和计算机科学等学科，它也具有独立的学科体系，同时GIS学科的前景良好，今后的研究中各学科的交融必不可免;从功能的角度来看，GIS具有收集和存储地理信息、编辑和处理空间数据、可视化输出结果以便于分析的功能。

综上所述，GIS的本质还是一款数据库管理系统，在此基础上升级的一款地理数据管理信息系统，而地理数据对象的空间分析和可视化功能使得GIS在其他的信息系统中显得与众不同。

2.1.1 ArcGIS与GIS常用软件比较

ArcGIS是一款常用的GIS软件，本文的研究采用的是ArcGIS10.2版本，它与其他同类GIS软件的比较见下表，可以发现，ArcGIS是一款更为优秀且全面的地理信息系统。它空间分析能力强大，数据格式好，可视性强，且二次开发更容易。

ArcGIS与GIS常用软件比较表

2.2 主要研究方法

2.2.1 层次分析法

AHP，Analytic Hierarchy Process，层次分析方法，将定性分析和定量分析相结合，一层一层地剖析问题，再将各层结果统一分析^[5]。层次分析法将问题分成不同的层次,根据层次中的各因素之间相互关系和结合联系不同层次的协同作用,形成一个多层次的结构分析模型,使问题的最低水平(决定选择方案),与相对较高水平(总目标)相比，决定或相对优先考虑。在这个阶段，分析层次的过程已成为研究暴雨洪涝灾害风险的常用办法。

2.2.2 加权综合评价法

加权综合评价法是综合考虑多指标的使用来评估多个参与单位的定量指标的方法，其计算公式如下：

式中，f 代表评价单位的值；Xi代表第i个指标的规范化值；Wi代表第i个指标的权重；n为评价指标个数。

2.2.3 克里金插值法

克里金方法（Kriging）又称空间局部插值法，它将变差函数理论和结构分析作为研究因素，是一种求解有限区域中区域化变量的无偏最优解的方法。本文降水模拟采用的是普通克里金插值法，其计算公式如下：

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