屈艷萍，呂 娟 ，蘇志誠 ，王亞許，孫洪泉

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038）

1 研究背景

干旱災(zāi)害是影響人類生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要自然災(zāi)害之一。相比而言，干旱災(zāi)害發(fā)生的頻率比其他災(zāi)害要低，但其波及范圍較大、持續(xù)時(shí)間較長、影響人口較多。為了在全球范圍內(nèi)降低干旱災(zāi)害威脅，越來越多的國家、地區(qū)和國際組織開始采取行動(dòng)，例如應(yīng)聯(lián)合國機(jī)構(gòu)間減災(zāi)工作隊(duì)的要求，2003年國際減災(zāi)戰(zhàn)略秘書處促成了干旱災(zāi)害特別討論小組的成立，以期一起探討各種全球減輕干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的新模式和行動(dòng)，努力構(gòu)建干旱災(zāi)害面前更有抵御能力的社會(huì)［1］。而要減輕干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，其核心內(nèi)容和關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是要科學(xué)地評估旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估不僅是控制風(fēng)險(xiǎn)和減輕損失的必要途徑，也是制定防旱抗旱減災(zāi)規(guī)劃、計(jì)劃及對策的有效依據(jù)［2］。

20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外在開展自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析研究方面已經(jīng)取得了一定成果［3］。2000以后，隨著全球范圍干旱問題的進(jìn)一步凸顯，有關(guān)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估的研究也取得了一定的進(jìn)展［4］。目前，已提出的農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估方法主要有三大類［5］：（1）基于概率統(tǒng)計(jì)理論的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估方法［6-9］。（2）基于區(qū)域?yàn)?zāi)害系統(tǒng)理論的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估方法［10-12］。（3）基于干旱事件過程的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估方法［13-15］。前兩種方法應(yīng)用較多，但都不是建立在旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)形成的物理過程之上，難以反映風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成要素之間的內(nèi)在聯(lián)系和演化過程，無法體現(xiàn)復(fù)雜旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的不確定性與動(dòng)態(tài)性，且難以定量評估。第三種方法具有較好的物理意義，且評估總體框架已經(jīng)初步建立［13］，但對于其評估原理、數(shù)學(xué)模型等涉及尚少，其評估方法技術(shù)流程尚未形成，與廣泛應(yīng)用尚有一定距離。為此，本文從旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的定義和物理形成過程出發(fā)，提出了基于干旱事件過程的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估原理、概念模型，形成了一整套旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)流程，并以位于我國東北旱災(zāi)頻發(fā)、重發(fā)中心的遼西北地區(qū)為例開展了應(yīng)用研究。

2 研究區(qū)域

遼西北地區(qū)位于遼寧省西北部，主要包括朝陽、阜新、錦州、葫蘆島、鐵嶺五個(gè)地級市和沈陽的康平、法庫縣。依據(jù)其自然地理、行政區(qū)劃、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展基礎(chǔ)，可分為遼西走廊沿海平原區(qū)、遼西低山丘陵區(qū)和遼北平原低山區(qū)等3個(gè)單元。遼西北土地面積6.8萬km2，占全省的47%，區(qū)域內(nèi)農(nóng)村居民301.4萬戶，農(nóng)村人口1 011萬，占全省農(nóng)村人口的67%。遼西北地區(qū)處于亞干旱氣候區(qū)，屬典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫7.2～8.3℃，≥10℃積溫3 321～3 532℃，無霜期144～200 d，年日照時(shí)數(shù)2 823～2 944 h，年太陽輻射量5 719～6 050 MJ/m2，多年平均降水量450～700 mm左右，由于季風(fēng)氣候的影響，降水中的60% ～65%集中在夏季。整個(gè)區(qū)域除了南部的葫蘆島和東部的鐵嶺較為濕潤外，其他大部分地區(qū)都很干旱。

圖1 研究區(qū)及國家基本氣象站點(diǎn)分布

3 評估原理及方法

3.1評估原理根據(jù)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的概念剖析，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是不利事件的可能性與其產(chǎn)生不利影響的程度的綜合度量［16］，旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)是指干旱事件發(fā)生的可能性及可能產(chǎn)生的不利影響的綜合度量［13］。從旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的定義和物理形成過程出發(fā)，旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)可表達(dá)為：

式中：R為旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；P為干旱發(fā)生的可能性，表征的是致災(zāi)因子危險(xiǎn)性的大小，可用干旱頻率來表達(dá)；w為因干旱導(dǎo)致的水分虧缺量；C為某一抗旱能力條件下可能的不利影響，理論上包括直接損失、間接損失等可定量化的不利影響，以及不可定量化的不利影響包括社會(huì)結(jié)構(gòu)體系、受災(zāi)人員心理等，在實(shí)際應(yīng)用中，可用一定抗旱能力下可能引起的損失來反映；RE為抗旱能力，即人類主動(dòng)減輕干旱事件影響的能力。

其中，因干旱導(dǎo)致的水分虧缺量W，主要取決于生態(tài)水文循環(huán)全過程中的水分虧缺狀況，其影響因素包括水循環(huán)過程中各要素、以太陽輻射為主的能量傳輸、地表的地形、土壤和植被情況等。水分虧缺可以用以下公式來表示：

式中：P為降水量，Rs為地表水，S為土壤水，Rg為地下水，Rn為凈輻射，LAI為植被指數(shù)，β為地形坡度。

圖2 基于干旱事件過程的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估原理

根據(jù)上述對旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)概念表達(dá)式的闡述，進(jìn)一步提出基于干旱事件過程的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估原理，如圖2所示。作者等曾提出干旱是“某地理范圍內(nèi)因降水在一定時(shí)期持續(xù)少于正常狀態(tài)，導(dǎo)致河流、湖泊水量和土壤或者下水含水層中水分虧缺的自然現(xiàn)象”［13］，即水循環(huán)中任一過程的水分虧缺都可能造成干旱，干旱的本質(zhì)即因旱導(dǎo)致的水分虧缺。對于某一固定地理范圍來說，干旱的嚴(yán)重程度及潛在影響，不僅跟因旱導(dǎo)致的水分虧缺強(qiáng)度有關(guān)，還與持續(xù)的時(shí)間長短有關(guān)，即與因旱導(dǎo)致的水分虧缺量直接相關(guān)。因此，對于某一次干旱事件來說，因旱導(dǎo)致的水分虧缺量是確定的，對應(yīng)于某一干旱頻率或重現(xiàn)期，可以建立“干旱頻率～因旱導(dǎo)致的水分虧缺量”之間的定量關(guān)系；與此同時(shí)，在一定抗旱能力條件下，一定程度的因旱導(dǎo)致的水分虧缺量，對應(yīng)于某一潛在損失，可以建立“因旱導(dǎo)致的水分虧缺量～某一抗旱能力條件下的潛在損失”之間的定量關(guān)系；進(jìn)而，利用體現(xiàn)干旱本質(zhì)特征的因旱水分虧缺，可以建立“干旱頻率～某一抗旱能力條件下的潛在損失”之間的定量關(guān)系，即旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2評估方法將旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)定義為干旱發(fā)生的可能性P及可能產(chǎn)生的不利影響C的綜合度量，由此提出基于干旱事件過程的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估方法。該方法的基本思路是：通過水文氣象要素，識(shí)別出所有的干旱事件，提取干旱特征變量，推求其對應(yīng)的干旱頻率或重現(xiàn)期；采用統(tǒng)計(jì)模型或機(jī)理模型，確定一定抗旱能力作用下所識(shí)別的每一個(gè)干旱事件可能造成的旱災(zāi)損失；基于所有干旱事件，建立干旱頻率～潛在損失～抗旱能力之間的定量關(guān)系，以此描述旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。該方法是建立在“在一定抗旱能力條件下，一定規(guī)模的干旱會(huì)產(chǎn)生一定規(guī)模的旱災(zāi)損失”這一相對確定規(guī)律之上的，即在一定抗旱能力下，隨著干旱頻率的下降（或干旱重現(xiàn)期的上升），相應(yīng)的可能損失理論上應(yīng)呈現(xiàn)上升的趨勢。評估流程如圖3所示，關(guān)鍵步驟如下：

圖3 基于干旱事件過程的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估流程

（1）干旱頻率計(jì)算。通過選擇合適的干旱指標(biāo)進(jìn)行干旱過程識(shí)別，提取干旱歷時(shí)、強(qiáng)度和范圍等干旱特征變量，并進(jìn)行概率描述，揭示干旱事件的發(fā)生頻次及其時(shí)空分布特征。目前，采用游程理論進(jìn)行干旱事件識(shí)別，并采用Copula多維聯(lián)合分布理論進(jìn)行干旱頻率分析的方法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和驗(yàn)證［17-20］。本研究中，考慮到降水是影響遼西北地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱的主要因素，而考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性，選擇降水距平百分率作為干旱事件識(shí)別的指標(biāo)。遼西北地區(qū)或周邊共有彰武、阜新、開原、清原、朝陽、葉柏壽、新民、黑山、章黨、綏中、興城、四平、寶國圖等13個(gè)國家基本氣象站點(diǎn)，逐日降水?dāng)?shù)據(jù)序列長度為1957—2015年，均來自中國氣象局氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。對于區(qū)域內(nèi)沒有國家基本氣象站點(diǎn)的區(qū)縣，包括凌源、建昌、康平、義縣、凌海、北鎮(zhèn)、喀左、法庫、調(diào)兵山等，逐日氣象數(shù)據(jù)序列由反距離插值（IDW）方法獲得。

圖4 干旱事件識(shí)別

在采用游程理論進(jìn)行干旱事件識(shí)別的過程中，首先需要確定干旱閾值水平，包括干旱發(fā)生閾值（R1）、小干旱剔除閾值（R2）和相鄰干旱合并閾值（R0），且滿足R0≤R1≤R2的關(guān)系（指數(shù)值越小越干旱的情況）。當(dāng)指標(biāo)值小于R1時(shí)，則初步判斷此單位時(shí)段為干旱，則圖4中共有a、b、c、d、e共5個(gè)干旱過程。對于歷時(shí)只有1個(gè)單位時(shí)段的干旱事件（如b，c），若其干旱指標(biāo)值大于R2（如b），則視其為小干旱事件，在本研究中忽略不計(jì)。對于間隔為1個(gè)單位時(shí)段的兩次相鄰干旱過程（如c和d，d和e），若間隔期（如f）的干旱指標(biāo)值小于R0，則這兩次干旱被視為從屬干旱，可合并成一次干旱過程，如b、c可合并成b-f-c；若間隔期（如g）的干旱指標(biāo)值大于R0，則這兩次干旱被視為獨(dú)立干旱事件（如d、e）。本研究中，采用的干旱識(shí)別指標(biāo)為降水距平百分率，在水利部頒布的水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《旱情等級標(biāo)準(zhǔn)》中，月尺度降水距平百分率偏少40%即視為干旱，結(jié)合遼西北歷史干旱情況，干旱指標(biāo)閾值R0、R1和R2分別取為0、-0.35、-0.45。

（2）農(nóng)業(yè)因旱損失計(jì)算。本研究中，將農(nóng)業(yè)因旱損失定義為作物在正常氣候條件下的產(chǎn)量與干旱情形下的產(chǎn)量之間的差值，其計(jì)算公式為：

式中：ΔY為評估區(qū)域干旱造成的單位面積作物減產(chǎn)量，Ynormal為評估區(qū)域正常氣候條件下模擬的單位面積作物產(chǎn)量，Ydrought為評估區(qū)域干旱情形下模擬的單位面積作物產(chǎn)量。

由于本研究中農(nóng)業(yè)因旱損失對應(yīng)于每一個(gè)干旱事件，需要采用能夠定量和動(dòng)態(tài)地描述作物生長、發(fā)育和產(chǎn)量形成過程的作物生長模型，模擬得到不同情景下的作物產(chǎn)量，進(jìn)而計(jì)算因旱損失。本研究選用澳大利亞的APSIM模型，相關(guān)研究證明該模型在東北地區(qū)具有較好的適應(yīng)性［21］。該模型由氣象參數(shù)、土壤參數(shù)、作物參數(shù)和管理參數(shù)等4類參數(shù)驅(qū)動(dòng)，對于正常氣候條件下的作物產(chǎn)量，采用多年平均氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)APSIM模型；對于干旱情形下的作物產(chǎn)量，保持土壤參數(shù)、作物參數(shù)和管理參數(shù)不變，而對干旱歷時(shí)內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)采用實(shí)際氣象數(shù)據(jù)，非干旱歷時(shí)采用多年平均氣象數(shù)據(jù)，以此構(gòu)建出特定干旱事件條件下的氣象參數(shù)輸入，如圖5所示。需要說明的是，作物生長模型中主要通過不同水平灌溉水量的設(shè)置來體現(xiàn)抗旱能力，其他非工程抗旱能力尚無法考慮，而研究區(qū)域遼西北地區(qū)為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，故不考慮灌溉等工程抗旱能力。

圖5 基于作物生長模型APSIM的農(nóng)業(yè)因旱損失模型示意

（3）建立干旱頻率與一定抗旱能力下可能損失的定量關(guān)系?；诖罅康慕y(tǒng)計(jì)規(guī)律，假設(shè)干旱頻率與旱災(zāi)損失率之間滿足對數(shù)函數(shù)關(guān)系，如下式：

式中：P為干旱頻率，0≤P≤1；C為對應(yīng)旱災(zāi)損失率，0≤C≤1；a，b為待定系數(shù)，a＞0，b≥0。

4 結(jié)果與分析

4.1干旱頻率～旱災(zāi)損失率關(guān)系根據(jù)干旱頻率計(jì)算方法，識(shí)別出某一縣市所有干旱事件，將干旱事件劃分為生長季內(nèi)干旱事件（5—9月）和非生長季內(nèi)干旱事件（10月—次年4月），并計(jì)算得到其干旱頻率。對于生長季干旱事件，采用作物生長模型APSIM計(jì)算每一個(gè)干旱事件對應(yīng)的農(nóng)業(yè)因旱損失，進(jìn)而建立所有干旱事件干旱頻率和因旱損失率間的定量關(guān)系曲線，如圖6所示。由干旱頻率～旱災(zāi)損失率關(guān)系曲線（R圖）擬合結(jié)果可以看出：遼西北地區(qū)各縣市生長季內(nèi)的干旱頻率與玉米因旱損失率之間，基本呈對數(shù)函數(shù)的變化趨勢，決定系數(shù)R2基本在0.6～0.7，相關(guān)性較好。

圖6-1 遼西北地區(qū)各縣市干旱頻率～旱災(zāi)損失率關(guān)系曲線

4.2干旱頻率空間分布根據(jù)建立的干旱頻率～旱災(zāi)損失率關(guān)系擬合公式，推求不同旱災(zāi)損失率對應(yīng)的干旱重現(xiàn)期，即得干旱頻率（或重現(xiàn)期）空間分布圖。干旱頻率空間分布圖的主要目的在于直觀表現(xiàn)干旱程度在空間上的分布情況，便于區(qū)域間的宏觀比較?？衫L制各區(qū)域最大干旱重現(xiàn)期的空間分布圖，以及一定抗旱能力水平下，不同地區(qū)給定損失（率）（如15%、30%等）對應(yīng)的干旱嚴(yán)重程度（以重現(xiàn)期或頻率表示）的空間分布圖等。本研究中，在空間分布圖中，將干旱重現(xiàn)期分為小于1年一遇、小于5年一遇、5～10年一遇、10～20年一遇、20～50年一遇、50～100年一遇、100～200年一遇和大于200年一遇共8個(gè)區(qū)間，如圖7所示。

4.3旱災(zāi)損失空間分布根據(jù)建立的干旱頻率～旱災(zāi)損失率關(guān)系擬合公式，推求不同干旱重現(xiàn)期對應(yīng)的旱災(zāi)損失率，即得旱災(zāi)損失空間分布圖。旱災(zāi)損失空間分布圖，主要用于刻畫不同條件下的旱災(zāi)損失分布情況，如一定抗旱能力水平下，不同地區(qū)發(fā)生某種程度干旱（如5年、10年、20年、50年、100年一遇等）時(shí)，對應(yīng)的因旱損失空間分布圖，以便于宏觀比較區(qū)域間的易損情況，如確定區(qū)域內(nèi)損失高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)及低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等，如圖8所示。利用旱災(zāi)損失空間分布圖可快速評估某干旱事件導(dǎo)致的損失情況，為制定抗旱應(yīng)急對策提供有益參考。

圖6-2 遼西北地區(qū)各縣市干旱頻率～旱災(zāi)損失率關(guān)系曲線

圖7 遼西北地區(qū)不同糧食因旱損失率對應(yīng)干旱重現(xiàn)期分布

圖8 遼西北地區(qū)不同干旱重現(xiàn)期對應(yīng)糧食因旱損失率分布

5 結(jié)論

旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)圖是旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果以圖表形式的直觀表示，反映旱災(zāi)的自然屬性和社會(huì)屬性，體現(xiàn)旱災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)特征，是防災(zāi)減災(zāi)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，也是旱災(zāi)防災(zāi)減災(zāi)管理決策的重要依據(jù)，因此繪制旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)圖是防災(zāi)減災(zāi)管理的一項(xiàng)重要的非工程措施。干旱風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)踐中，本研究中提出的基于干旱事件過程的農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估研究主要有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：

（1）可用以預(yù)估某區(qū)域在某一抗旱能力條件（或某一灌溉條件）下，發(fā)生不同頻率干旱可能造成的損失。當(dāng)某區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重干旱時(shí)，首先確定干旱事件發(fā)生頻率，通過查旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)機(jī)理關(guān)系圖曲線圖的方法，可迅速、及時(shí)地預(yù)估出可能產(chǎn)生的因旱損失，從而有助于抗旱主管部門做出科學(xué)決策、及時(shí)響應(yīng)，并制定出適宜和有效的應(yīng)對措施。

（2）可用于評估某區(qū)域在發(fā)生相同頻率干旱，具備不同抗旱能力條件（或不同灌溉條件）可能造成的不同損失情況。有了旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)機(jī)理關(guān)系曲線圖，通過對比不同抗旱能力條件下的因旱損失，可以在很大程度上反映抗旱措施，特別是水利工程的抗旱效益，同時(shí)還可以為包括水源工程、灌溉工程、抗旱應(yīng)急備用水源工程等抗旱水利工程建設(shè)的必要性論證、工程規(guī)模確定等提供科學(xué)依據(jù)。

（3）利用這一類關(guān)系曲線圖，可幫助研究區(qū)域確定合理的抗旱能力區(qū)間。自1949年以來，我國已初步建成以蓄、引、提、調(diào)為主的水利工程體系，同時(shí)開展了一系列非工程體系建設(shè)，抗旱能力大大提高，為保障我國的糧食安全、飲水安全做出了貢獻(xiàn)。但是，這些抗旱措施產(chǎn)生了多大的效益卻一直不清楚，一方面導(dǎo)致一些地區(qū)抗旱工作原動(dòng)力不足，限制了抗旱能力的進(jìn)一步提高，另一方面也可能導(dǎo)致一些地區(qū)抗旱標(biāo)準(zhǔn)過高，抗旱投入產(chǎn)出比嚴(yán)重失衡，甚至造成過度抗旱的問題。利用該機(jī)理關(guān)系圖，可在抗旱不足和過度抗旱之間找到平衡，從而確定合理的抗旱能力區(qū)間。

（4）可為抗旱指揮系統(tǒng)的科學(xué)調(diào)度、抗旱管理決策的科學(xué)化和規(guī)范化提供技術(shù)服務(wù)。

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