基于区域灾害系统论的中国农业旱灾风险评估.pdf
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1、2015年8月水 利 学 报SHUILI XUEBA0 第46卷第8期文章编号:05599350(2015)08090810基于区域灾害系统论的中国农业旱灾风险评估屈艳萍“2高辉h 2,吕娟L 2,苏志诚】2程晓陶1,孙洪泉1。(1中国水利水电科学研究院,北京100038;2水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心,北京 100038)摘要:作为旱灾风险管理的核心内容和关键环节,旱灾风险评估理论与技术逐渐成为旱灾研究的热点问题。为推进旱灾管理的科技化进程,本文首先阐释了基于区域灾害系统论的旱灾风险评估原理,并采用基于区域灾害系统论的模糊综合评估方法对全国层面的农业旱灾风险进行了定量计算和定性评估。研
2、究结果表明,农业旱灾危险性区域分布规律较明显,大致表现为:西北地区黄淮海地区东北地区长江中下游地区西南地区华南地区;农业旱灾暴露性区域分布规律较明显,黄淮海地区、长江中下游地区、东北地区暴露性较大,大致排序为:黄淮海地区长江中下游地区东北地区华南地区西南地区西北地区;全国有一半左右的地区处于高脆弱等级和较高脆弱等级,主要分布在第二阶梯的东北地区、西北地区东部、西南地区;北方地区农业旱灾综合风险高于南方,中东部高于西部,其中东北地区、黄淮海地区、西北东部地区、长江中下游北部地区风险相对较高,是自然环境系统和社会经济系统耦合的结果。关键词:区域灾害系统论;农业旱灾;风险评估中图分类号:S423 文
3、献标识码:A doi:1013243,jcnkislxb201500491研究背景作为我国的主要自然灾害之一,旱灾具有发生频率高、影响范围广、持续时间长和造成损失大的特点,对我国的粮食安全、城乡居民用水安全乃至生态安全均构成严重威胁。据中国水旱灾害公报2013)统计,自20世纪90年代以来,我国因旱年均粮食损失高达260亿公斤,因旱年均工业损失超过2000亿元,因早年均饮水困难人121超过2700万拉1。此外,干旱还可能导致河道断流、湖泊萎缩以及土壤沙漠化等生态环境问题。需要特别强调的是,近年来在全球气候变化的大背景下,我国的年平均气温升高,降水年际年内变异增大,山地冰川加速退缩,极端天气气候
4、事件增多,区域降水和河川径流变化波动明显增大。气候变化直接导致干旱发生的频率升高,不同地域、不同季节发生严重或特大干旱的年份增多,如2006年川渝特大干旱、2010年西南五省大旱、2011年长江中下游五省大旱等。在当代社会人口剧增、工业化与城镇化进程快速推进的冲击下,粮食安全保障与生态环境安全保障将面临更大的压力和挑战H。面对严峻的旱灾形势,以美国、澳大利亚为代表的发达国家于20世纪八九十年代提出了旱灾风险管理理念,我国也于2003年提出了防汛抗旱“两个转变”的新思路,在继续加强旱灾危机管理的同时,积极推进旱灾风险管理。而对于旱灾风险管理而言,旱灾风险评估又是其核心内容和关键环节。目前,旱灾风
5、险评估方法主要有3大类:(1)基于随机理论的概率统计方法。即利用数理统计方法,对以往的灾害数据进行分析、提炼,找出灾害发展演化的规律,计算得到风险概率,以达到预测评估未来灾害风险的目的1。根据灾害数据类型的不同,该方法又可分为基于气象指标的概率统计收稿13期:20150112;网络出版时间:20150505网络出版地址:http:wwwcnkinetkcmsdetail111882TV201505051736004html基金项目:中国水科院专项(防集1225、减基本科研1503);国家自然科学基金青年科学基金项目(51109211)作者简介:屈艳萍(1981-),女,湖南茶陵人,高级工程师,
6、主要从事旱灾及对策研究。E-mail:quypiwhrCOIll-908-万方数据方法”1和基于旱灾损失指标的概率统计方法4。这类方法计算原理简单,但存在基本假设不尽合理的问题:基于气象指标的概率统计方法假设气象干旱风险就是旱灾风险,而实际上干旱与旱灾是两个既相互联系又彼此区别的概念;基于旱灾损失指标的概率统计方法假设旱灾损失数据是随机变量,而实际上旱灾损失往往是人类主观干预的结果,不符合随机特性。此外,该类方法还存在长系列灾害损失数据难以获得、无法反映造成旱灾风险的不同因素影响程度等问题。(2)基于区域灾害系统论的模糊综合评估方法1“。即从致灾因子的危险性、承灾体的暴露性和脆弱性等方面着手建
7、立评价指标体系,采用模糊数学方法计算得到灾害风险,进而实现旱灾风险的等级评价。这类方法建立在区域灾害系统论之上,能够反映造成旱灾风险的各因素的影响程度大小,利于成因分析,但存在指标遴选、权重确定等方面易受人为主观因素影响的问题。(3)基于干旱事件过程的旱灾风险评估方法“2。“。该方法的基本思路是,通过水文气象要素识别出所有的干旱事件,进而建立干旱频率一潜在损失一抗旱能力之间的定量关系,以此描述旱灾风险。这类方法建立在旱灾风险形成的物理过程之上,能够反映风险构成要素之间的内在联系和演化过程,但存在数据时空分辨率要求过高、可操作性较差的问题。考虑到评估方法的理论基础、成熟性以及数据的时空分辨率,本
8、文针对全国开展基于区域灾害系统论的农业旱灾风险评估研究,旨在促进抗旱管理的科学化、高效化进程,更好地适应当前抗旱减灾工作。2研究区域与数据资料21研究区域本研究以地级市为评估单元,采取基于区域灾害系统论的旱灾风险评估方法,对全国341个统计单元(其中332个地级市、4个直辖市、5个省(自治区)进行分析。同时,针对东北地区、黄淮海地区、长江中下游地区、华南地区、西南地区和西北地区等六大区域开展农业旱灾风险研究,如图1。其中,东北地区指辽宁、吉林、黑龙江3省;黄淮海地区指北京、天津、河北、山西、山东和河南6省(直辖市);长江中下游地区指上海、江苏、浙江、安徽、江西、湖北和湖南7省(直辖市);华南地
9、区指福建、广东、广西和海南4省(自治区);西南地区指重庆、四川、贵州、云南和西藏5省(自治区、直辖市);西北地区指内蒙古、陕西、甘肃、青海、宁夏和新疆6省(自治区)。22数据来源本研究中气象数据来自中国气象科学数据共享服务网,主要包括全国730个站点的降水数据,数据序列长度为1956-2010年;水文水资源数据来自全国水资源综合规划“,数据序列长度为1956-2000年;其他社会经济数据来自全国抗旱规划u,主要包括耕地面积、粮食产量、工程供水量、有效灌溉面积、节水灌溉面积、农民人均收入、抗旱专职人员和抗旱服务组织等数据,数据序列长度为1990-2007年。3研究原理与方法31基于区域灾害系统论
10、的旱灾风险评估原理 区域灾害系统论指出,灾害是由致灾因子、承灾体及孕灾环境所组成的灾害系统综合作用的产物。1“,致灾因子是灾害产生的必要条件,承灾体是放大或缩小灾害的必要条件,孕灾环境是影响致灾因子和承灾体的背景条件。从区域灾害系统论的视角而言,旱灾系统亦是由致灾因子、承灾体和孕灾环境三部分组成,三者缺一不可。其中,致灾因子是指直接引起人类经济社会、生态环境遭受损害的气象、水文等自然水循环要素异常偏少的不利事件。承灾体是在一定孕灾环境下干旱事件作用的客体,即可能遭受损害的人类经济社会和生态环境。孕灾环境指旱灾孕育与产生的外部环境条件,有狭义和广义之分。狭义的孕灾环境主要指大气、水文、下垫面等自
11、然环境。本研究中旱灾环境是指广义的孕灾环境,既包括自然环境,又包括社会环境,其中社会环境主要反映人类预防、调控、应对、减轻或加剧旱灾的活动。在整个灾害发生发展过程中,孕灾环境处于关键地位,一方面充当着孕育灾害的角色,一方面又充当着致灾媒介-909-万方数据的角色,它决定了灾害事件的类型与规模以及应对风险可能受到的制约。在灾害风险管理领域,对于由致灾因子、承灾体及孕灾环境构成的区域灾害系统,常采用由危险性、暴露性和脆弱性3要素构成的风险三角形方法进行灾害风险度量和评估,该方法同样适用于旱灾风险评估。作为旱灾风险的构成要素,危险性是指一定孕灾环境下,给人类经济社会、生态环境带来损害的干旱事件发生的
12、可能性,体现为干旱的时空规模、强度和变异性等。暴露性是指一定孕灾环境下,受干旱事件威胁地区承灾体的分布特征,体现为承灾体种类、数量、密度、价值等。脆弱性是指一定孕灾环境下,承灾体受干旱事件影响的敏感程度,体现为承灾体自身抵御干旱事件影响的能力以及人类主动减轻干旱事件影响的能力。综合以上,基于区域灾害系统论的旱灾风险评估原理可表述为:对于由致灾因子、承灾体和孕灾环境构成的区域旱灾系统,可通过对由危险性、暴露性和脆弱性3大旱灾风险构成要素的分析,实现旱灾风险综合评估,如图I所示。需要指出的是,旱灾风险并不等同于旱灾,只有当因干旱造成的影响和危害的可能性变为现实,风险才转化为灾害。因此,旱灾风险可用
13、如下范式予以表达:尺=,(H,E,y) (1)式中:R为旱灾风险值(Risk);H为危险性(Hazard);E为暴露性(Exposure);V为脆弱性(Vulnerability)。图1 基于区域灾害系统论的旱灾风险评估原理u任蚓 一910万方数据链降水量矩降水量变差系数农业旱灾风险亩均水资源量水资源量变差系数暴露性 脆弱性生产规模II生产水平耕地面积占总面积的比倒单位面积粮食产量单位耕地面积工程供水量耕地有效灌溉蛊水资源开发利用蛊农民人均纯收入节水灌溉盅专职抗里人员数量抗里服务组织覆盖塞图2全国农业旱灾风险评估指标体系式中:u为判断矩阵;Uii为比例标度,表示第i个因素相对于第J个因素的比较
14、结果,采用九标度打分,Ui取ui瑚倒数。对于每一个判断矩阵,计算最大特征根及对应特征向量,特征向量为各评价因素重要性排序,即权值。判断矩阵最大特征根所对应的特征向量埘:W=(Wl,1132,一,加。) (3)“医窆“瓜J珥M一蚤、H一 (4)满足Xw;=1 (5)_一用如下公式检验判断矩阵的一致性:CR=(A一一n)l(n一1)IRI (6)A一=丢砉半 式中:埘为权重向量,训i为第i指标的权重;CR为检验系数;A一为判断矩阵的最大特征根;UW为矩阵U与向量W相乘所得向量,(UW)为向量u形的第i个元素;n为指标个数;RI为判断矩阵的随机一致性指标。323 构建旱灾风险评估模型 根据区域灾害系
15、统论,旱灾风险是危险性、暴露性、脆弱性共同作用的结果。但具体是何种作用机制,目前并没有统一的模式。就已有研究来说,采取相乘模式和相加模式较为普遍心“。然后,利用加权综合评分法和层次分析法,计算风险度。本研究中,采取相乘模式进行旱灾风险评估。评估模型如下:R=HEV (8)其中,危险性值采用下式计算:日=hi (9)式中:H为危险性值;hi为第i个危险性指标归一化数值;(-Oh为第i个危险性指标的权重。,其中,暴露性值采用下式计算:E=ej (10)一911一靠一气万方数据式中:E为暴露性值;e,为第歹个暴露性指标归一化数值;。为第歹个暴露性指标的权重。其中,脆弱性值采用下式计算:y=f秽。 (
16、1 1)_。 t=l式中:y为脆弱性值;”。为为第k个脆弱性指标归一化数值;。为第k个脆弱性指标的权重。324确定旱灾风险构成要素等级本研究采用美国控制论专家LAZadeh提出的模糊综合评判法,分别对危险性、暴露性、脆弱性等三个旱灾风险构成要素进行等级划分。基本步骤如下:(1)进行单个指标等级划分心2“。将指标等级设定为5级,假设15级区间出现的概率分别为15、20、30、20和15,采用正态分布求得等级划分阈值。对于个别指标,由于各地区数据相差极大,造成样本偏离平均值的程度大,标准差较大,这时采用排频法确定等级划分阈值。(2)构造隶属度函数。采用三角形隶属度函数计算求得7ii值,即确定第i个
17、指标值隶属于第歹个评判等级的可能性。(3)进行模糊综合评判。对模糊指标进行量化,通过综合各评价层上各个单指标的模糊评判,得到总目标层在评判集上的评判,即评价对象隶属于5个等级的隶属度值。4哆=yu=1,2,3,4,5 (12)i=15式中:q为评价对象隶属于第个评价等级的可能性,哆=1;y口表示该对象第i个指标值隶属于第,=li个评判等级的可能性;为指标i的权重,采用层次分析法确定得到。(4)确定旱灾风险构成要素等级。通常情况下,采用最大隶属度准则确定旱灾风险构成要素等级,即选取Hi中隶属度最大值对应的等级为危险性、暴露性或脆弱性的等级。但是,当Max(Hj)黄淮海地区东北地区长江中下游地区西
18、南地区华南地区。西北地区发生农业干旱的可能性最大,高危险等级一912万方数据和较高危险等级地级市分别占该地区地级市总数的22和50;黄淮海地区和东北地区发生农业干旱的可能性也较大,较高危险等级以上的地级市分别占所在地区地级市总数的94和72;长江中下游地区、西南地区、华南地区发生农业干旱的可能性相对较低,这些地区降水量较充足,年际年内变化小,河流水系密布,水资源量相对丰沛。一。蝴湖渊,嗽黼自趣脯混 广西瀚拯自治蛀r珏霭小命潦省硒瞄蟠寄f!孽啦往政斟:黼。稽,一图3全国农业旱灾危险性等级分布危险性无数据低较低一般I较高高42全国农业旱灾暴露性分析农业旱灾暴露性是指一定孕灾环境下,受干旱事件威胁地
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