农业旱灾风险定量分析

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1材料与方法

1.1数据来源该研究选用湖南省有连续气象资料记录的19个气象站点1960~2002年的月降雨资料,气象站点分布如图1所示,气象数据来自中国气象科学数据共享网。

1.2农业旱灾风险分析原理与方法风险的最基本理解是“可能存在的一个或多个后果”[13],虽然不同学科对于风险有不同的定义,但风险总是与“损失或破坏、不利后果或人们(即风险承担者)不希望出现、不愿意接受的事物”的潜在威胁相联系,且潜在威胁的出现具有不确定性。在灾害学中,通常认为自然灾害风险是由致灾因子的危害性(Haz-ard)、承灾体的暴露性(Exposure)和脆弱性(Vulnerability)3个要素以及由此导致的灾情共同组成的宏观结构[14-16]。西部干旱协调委员会(WesternDroughtCoordinationCounci,lWDCC)将旱灾风险定义(droughtrisk)为干旱危害强度、频度及承灾体脆弱性综合作用产生的潜在负面影响[17]。即旱灾的风险是某一地区一段时间降水短缺和该地区脆弱性和暴露性共同作用的产物[2],可用公式表示如下:DRI=DHI×DVI(1)式中,DRI为干旱灾害风险指数;DHI为干旱危害度指数;DVI为干旱脆弱度指数。该研究将根据上述公式,在对湖南省干旱灾害危害性和脆弱性分析的基础上进行农业干旱灾害风险的综合分析及定量评价。

1.2.1农业旱灾危害性评价。在自然灾害学研究中,危害性是指致灾因子对人类和财产构成的潜在威胁[18]。因此,可将农业旱灾的危害性理解为干旱对农业生产造成的潜在威胁。旱灾的强度取决于水分的亏缺度、持续时间及其影响的空间范围[19]。旱灾致灾因子危害性分析是对干旱进行识别,对其强度、频度进行分析,并确定区域内各种强度干旱发生的概率。该研究用标准降雨指数SPI分析旱灾的时空格局及强度。SPI由McKee提出,用来确定有降雨量记录的任何地区特定时间尺度的降雨异常事件[20]。在众多干旱指数中,标准降雨指数SPI是一种基于多种时间尺度降水概率的干旱指数,由于其使用简单、可靠性高而被广泛用于干旱识别和旱情监测[21-22]。SPI通过求算给定时间尺度的累积概率,使其能够在多个时间尺度上进行计算,从而使SPI不仅可用于监测短时期内的水分变化,如对农业生产有重要影响的土壤水分变化,而且还可以监测长时期的水分动态,如地下水供给、径流量等[23]。由于短时期内的水分变化对农业生产具有重要影响,该研究将以3个月尺度的SPI对湖南省农业旱灾的危害性进行分析计算。SPI的计算方法是用Γ概率分布函数拟合每一台站的历史降雨时间序列,即:g(x)=1βαΓ(α)χα-1e-x/β(2)式中,x>0为降雨量;α>0为形状参数;β>0为尺度参数;Γ(α)为gamma函数。α、β用极大似然估计法求得:α=14A(1+1+4A3)(3)β=xα(4)A=ln(x)-∑ln(x)n(5)式中,n为降雨序列的长度。于是,给定时间尺度的累积概率可计算如下:G(x)=∫x0g(x)dx=1βαΓ(α)∫x0xα-1e-x/βdx(6)由于gamma函数不包含=0的情况,而实际降水量可以为0,所以累积概率表示为:H(x)=q+(1-q)G(x)(7)式中,q是降水量为0的概率。然后将累积概率函数H(x)转换成均值为0、标准差为1的标准正态分布函数,得出SPI。根据SPI值的大小可将干旱状况划分为4个等级(表1)。旱灾危害性同时取决于旱灾强度大小和发生频率高低,旱灾强度越大,频率越高,危害性越大。该研究将不同强度等级的干旱赋予不同的权重(表1),同时将每一强度干旱等级发生频率划分为4个等级(权重的确定及等级的划分参照文献[24]),构建干旱危害性模型如下:DHI=(MDr×MDw)+(SDr×SDw)+(VDr×VDw)(8)式中,DHI为干旱危害性指数;MDr为中等干旱发生率等级;MDw为中等干旱权重;SDr为严重干旱发生率等级;SDw为严重干旱权重;VDr为极端干旱发生率等级;VDw为极端干旱权重。(由于轻度干旱对农业生产的影响较小,因而该研究未作考虑)。利用Kringing插值方法对湖南省气象站3个月尺度的SPI及每一等级干旱强度的发生率进行空间插值,插值过程在ArcGIS软件中实现。根据研究需要,将插值得到的栅格结果按县市进行区域统计,得到不同等级干旱发生率县域分布图。最后根据公式(8)将不同等级干旱发生率分布图叠加,进行空间计算,并用自然断点法(naturalbreak)将计算得的值从低到高划分为4个等级,得到湖南省农业旱灾危害度分布图。

1.2.2农业旱灾脆弱性评价。承灾体的脆弱性水平是影响灾害风险大小的基本因素之一。通常,风险载体相对于某风险源的脆弱性愈低,该风险载体遭受损失的可能性愈小,相应地其所载荷的来自该风险源的灾害风险就可能愈小;反之愈大。依据国内外灾害理论可将农业旱灾脆弱性定义为:农业易于或敏感于遭受干旱威胁和损失的程度[11]。脆弱性的影响因素众多,包括社会、经济和环境等各个方面,脆弱性的定量评估通常通过选取一些社会、经济和环境脆弱性因子来进行。刘兰芳等对湖南省农业脆弱性进行了综合分析和定量评价[11],其评价指标体系的建立、评分标准的界定以及指标权重的确定是当前旱灾脆弱性研究的范式,具有很高的科学性,因此,该研究将直接采用其计算给出的湖南省88个县市的农业旱灾脆弱度,利用ArcGIS技术将脆弱度指数按行政区划空间化,然后用自然断点法(naturalbreak)重新划分为4个等级,得到湖南省农业旱灾脆弱度分布图。

1.2.3农业旱灾风险评价。根据公式(1),利用ArcGIS将湖南省干旱危害度分布图和农业干旱脆弱度分布图叠加,进行空间计算,得到湖南省农业旱灾综合风险分布图,并按风险度高低用自然断点法划分成4级。

2结果与分析

2.1湖南省农业旱灾危害性分析由图2可知,中等干旱(a)、严重干旱(b)和极端干旱(c)在空间上表现出截然不同的格局。中等干旱主要发生在湖南省的东北部、南部和西南部,中部和西北部地区较少发生;严重干旱主要集中在湖南省的北部和西部少数地区,南部地区发生频率较低;极端干旱则主要分布在湖南省西部和南部,而东北地区很少发生。从湖南省降雨地域分布来看,澧水上游区、雪峰山区、五岭山区和湘东北山地丘陵区属降雨高值区,洞庭湖平原、衡阳丘陵、沅水上中游山间盆地属降雨低值区[7],结合干旱事件可知,湖南省干旱的发生与降雨分布无明显联系,降水量大的地区也可能是干旱易发区,而干旱易发区不一定是降水量小的地区。图2(d)是利用公式(8)对中等干旱、严重干旱和极端干旱进行空间计算得到的湖南农业干旱危害度分布图。图中显示,湖南省农业干旱危害度在空间上表现出显著的东西分异。高危害度地区主要分布于西部和南部的少数地区,从西向东,危害度不断降低,低危害度区主要分布于东部和中部。袁华斌等的研究指出,邵阳、衡阳、永州、郴州、娄底、怀化、湘西土家族苗族自治州、张家界市所属的山区县市是湖南省农业旱灾易发区域[10],可见,湖南省干旱危害性高的地区也是旱灾易发地区。

2.2湖南省农业旱灾脆弱性分析刘兰芳等对影响湖南省农业干旱脆弱性的自然环境系统和社会经济系统进行了细致的分析[11],并在此基础上选择降水量、蒸发量、水利化程度等9个涵盖自然环境和社会经济在内的指标,采用赋予指标权重和分级打分的方法对湖南省88个县市的农业旱灾脆弱性进行了综合评价,并利用GIS技术进行旱灾脆弱性区划。结果表明,湘中衡邵盆地和湘西北山地是农业旱灾严重脆弱带,湘南山地为强度旱灾脆弱带,沅麻盆地为中度旱灾脆弱带,洞庭湖平原和湘东北山地旱灾脆弱性较小。在此基础上,笔者根据其计算结果将各县市农业旱灾脆弱度重新划分为4级(图3),其中无值区域为省辖市的城市分区[11]。从行政区划上看,湖南省农业脆弱度高的地区主要分布于张家界、湘西土家族苗族自治州、邵阳、永州、衡阳及郴州境内。

2.3湖南省农业旱灾综合风险分析由图4可知,湖南省农业干旱风险分布表现出明显的东西分异,高风险地区主要分布在西部、西南和南部,中东部是低风险区域,山区通常是高风险区。从行政区划上来看,高、较高风险区主要分布于张家界、湘西土家自治州、怀化、邵阳、永州、衡阳和郴州境内。其中横邵盆地和湘西北山地既是旱灾高危害区,也是旱灾高脆弱区。经济落后,人口密度较大,人地矛盾和人水矛盾突出,灌溉能力低,水土流失严重,以及旱灾的频繁发生使这些地区成为旱灾高风险区。调整作物种植结构、实施节水灌溉是减轻这些地区干旱影响的有效途径。图4湖南省农业旱灾风险度分布Fig.4DistributionofagriculturaldroughtriskdegreeinHunanProvince2007年4~10月湖南省遭受了罕见特大高温干旱灾害,其持续时间之长、强度之大、受旱范围之广、损失程度之重均为历史罕见。2008年1月初,北京师范大学减灾与应急管理研究院的工作人员深入湖南省旱灾重灾区,对干旱发生原因、灾情及抗旱减灾情况进行了实地调研。获取了2006、2007年湖南省旱灾灾情资料。资料显示,2006年湖南省湘西自治州、怀化、常德市、益阳、张家界、岳阳遭受旱灾,其中湘西自治州受灾最为严重,农业经济损失达3.8亿元。2007年湖南省全省有13个市75个县市区受旱,受旱面积达12万km2,永州、岳阳、邵阳、衡阳是受灾最严重的地区,农业经济损失分别为47.9亿、23.1亿、21.1亿和15.7亿元。湖南省近2年的旱灾受灾地区主要分布于高风险区,该研究结果将有助于制定更具针对性和实效性的干旱管理策略。

3结论

基于气象站点降雨数据的干旱危害性模型对湖南省的农业干旱危害性分析结果表明,湖南省干旱危害度从西向东呈递减趋势,高、较高危害度区主要分布于西部和南部,中东部地区为低危害度区。该研究根据自然灾害风险分析的基本原理,在对湖南省农业旱灾危害性及脆弱性综合分析及定量评价的基础上,确定了湖南省农业旱灾风险的时空分布。结果表明,高、较高风险区主要分布于张家界、湘西土家自治州、怀化、邵阳、永州、衡阳和郴州境内。高度的干旱危害性和干旱的脆弱性决定了高度的干旱风险,提高防范意识、调整作物种植结构、实施节水灌溉、制定合理的干旱风险管理策略将有助于降低农业干旱的脆弱性,从而规避和减轻干旱对农业造成的影响。