金菊良，張浩宇，陳夢(mèng)璐，崔 毅，寧少尉

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所，安徽 合肥 230009; 3.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

干旱是指某一地理區(qū)域的降水、徑流或土壤含水量等水循環(huán)過程中天然水源持續(xù)低于長期平均值，導(dǎo)致河流、湖泊、土壤或地下含水層缺水的自然現(xiàn)象[1]。干旱發(fā)展到一定程度后造成供水水源匱乏，并對(duì)作物和植被正常生長、人類正常生活生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境正常功能造成不利影響的事件稱為干旱災(zāi)害(旱災(zāi))[2]。農(nóng)業(yè)是中國國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)，然而，因其自身的弱質(zhì)性、高風(fēng)險(xiǎn)性及應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害能力的有限性[3]，使其成為受干旱影響最為嚴(yán)重的一類承災(zāi)體。農(nóng)業(yè)旱災(zāi)是指在作物生長過程中，由于得不到適時(shí)或適量的水分供應(yīng)而造成作物水分虧缺，并最終導(dǎo)致作物減產(chǎn)甚至絕收的現(xiàn)象[4]。根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)理論，農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)是由孕災(zāi)環(huán)境差異性、致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力四個(gè)子系統(tǒng)相作用構(gòu)成的典型復(fù)雜系統(tǒng)[1,5]，其中農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)敏感于或易于遭受干旱威脅并形成損失的性質(zhì)和狀態(tài)[6]，可反映承災(zāi)體的承災(zāi)能力，脆弱性與承災(zāi)能力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。Wilhite[7]在《農(nóng)業(yè)旱災(zāi)影響與脆弱性評(píng)估指南》中指出，在整個(gè)干旱災(zāi)害周期中通過科學(xué)合理的手段降低承災(zāi)體脆弱性對(duì)減少災(zāi)損意義重大。因此，開展農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性研究對(duì)推動(dòng)區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估和調(diào)控具有重要意義。

1990年以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性展開了大量研究[8-10]。目前，農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性的評(píng)價(jià)方法主要有模糊綜合評(píng)價(jià)[11]、集對(duì)分析[12]、云相似度[13]、主成分分析[14]和信息擴(kuò)散[15]等。其中，在運(yùn)用集對(duì)分析進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，差異度系數(shù)I的計(jì)算方法是影響其處理不確定性問題的關(guān)鍵。李陶等[16]利用灰色系統(tǒng)理論中灰色關(guān)聯(lián)度的理念計(jì)算I，但是在實(shí)際計(jì)算過程[16-18]中發(fā)現(xiàn)用灰色關(guān)聯(lián)方法計(jì)算得到的I可能導(dǎo)致最終的評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)相反的情況，為此本文耦合灰色關(guān)聯(lián)度和聯(lián)系數(shù)進(jìn)一步研究改進(jìn)的差異度系數(shù)計(jì)算方法。此外，當(dāng)前農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性診斷取得了許多有價(jià)值的研究成果，代表性的研究包括：王靜愛等[19]構(gòu)建了農(nóng)業(yè)旱災(zāi)承災(zāi)體脆弱性診斷指標(biāo)體系，商彥蕊等[20]運(yùn)用農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)相結(jié)合的方法分析了影響農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性的主要因素、提供了一種脆弱性診斷的思路，阿拉騰圖婭等[21]采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、GIS空間疊加分析方法對(duì)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)類型與等級(jí)開展了診斷性評(píng)價(jià)。從當(dāng)前研究成果看，運(yùn)用單一評(píng)價(jià)方法對(duì)農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性的評(píng)價(jià)存在明顯不足，應(yīng)用多種智能方法對(duì)旱災(zāi)脆弱性進(jìn)行耦合評(píng)價(jià)已成為一種重要趨勢(shì)。同時(shí)，針對(duì)農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性開展診斷識(shí)別的定量研究方法仍不夠成熟，亟需深入探索。為此，本文基于灰色關(guān)聯(lián)度和聯(lián)系數(shù)耦合的方法，建立區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)模型，提出基于五元減法集對(duì)勢(shì)的脆弱性診斷模型，識(shí)別出對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性影響較大的指標(biāo)，并在安徽省蚌埠市進(jìn)行實(shí)證研究，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估與調(diào)控奠定基礎(chǔ)，為制定有效的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)和診斷模型的建立

1.1 評(píng)價(jià)與診斷指標(biāo)體系的建立及權(quán)重的計(jì)算

1.2 確定評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 構(gòu)建基于灰色關(guān)聯(lián)度和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性綜合評(píng)價(jià)方法

構(gòu)建基于灰色關(guān)聯(lián)度和聯(lián)系數(shù)耦合的評(píng)價(jià)方法，主要包括以下4個(gè)步驟。

u(i,1)=a(i,1)+b(i,1)I+c(i,1)J；

(1)

(2)

式中：同一度a定義為屬于此集對(duì)等級(jí)的所有指標(biāo)權(quán)重加和，差異度b定義為屬于此集對(duì)等級(jí)的相鄰等級(jí)的所有指標(biāo)權(quán)重加和，對(duì)立度c定義為屬于此集對(duì)等級(jí)的相隔等級(jí)的所有指標(biāo)權(quán)重加和[17]。I為差異度系數(shù)[26]，J為對(duì)立度系數(shù)，一般取J=-1[26]。

步驟2：計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度[27]rba、rbc。計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度首先要確定參考數(shù)列與比較數(shù)列，根據(jù)式(1)和式(2)得到一組同一度a、差異度b與對(duì)立度c。將差異度b作為參考數(shù)列Xb(i,g)，同一度a、對(duì)立度c分別作為比較數(shù)列Xa(i,g)、Xc(i,g),其中Xa(i,g)、Xb(i,g)、Xc(i,g)為評(píng)價(jià)年份i與等級(jí)g對(duì)應(yīng)聯(lián)系數(shù)的a、b、c值。記Xb(i,g)與Xa(i,g)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為ξba(i,g)、絕對(duì)差值為Δba(i,g)，其計(jì)算式為[16]：

(3)

表1 農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)、權(quán)重與等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

(4)

式中：rba為比較數(shù)列Xa(i,g)與參考數(shù)列Xb(i,g)之間的關(guān)聯(lián)度，是所有關(guān)聯(lián)度系數(shù)ξba(i,g)的算數(shù)平均值。同理，按照式(1)～式(4)可計(jì)算Xb(i,g)與Xc(i,g)之間的關(guān)聯(lián)度rbc。

(5)

步驟4：確定農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)。將式(5)計(jì)算的聯(lián)系度值按大小排序，評(píng)價(jià)等級(jí)判定為聯(lián)系度值最大的那個(gè)等級(jí)。為提高旱災(zāi)脆弱性評(píng)判結(jié)果的可靠性，可采用屬性識(shí)別理論[30]進(jìn)行評(píng)判。樣本i隸屬于模糊集“標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)g”的相對(duì)隸屬度v*(i,g)和評(píng)價(jià)樣本i的聯(lián)系數(shù)v(i,g)可分別表示為[31]：

表2 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

v*(i,g)=0.5+0.5u(i,g)。

(6)

(7)

按照置信度準(zhǔn)則識(shí)別和比較樣本i的評(píng)價(jià)等級(jí)[30]：

(8)

式中：λ為置信度，一般在[0.5,0.7]內(nèi)取值，λ越大則評(píng)價(jià)結(jié)果越趨于穩(wěn)妥[30]。

同時(shí)，這里引入級(jí)別特征值[32]Hi對(duì)式(7)從另一個(gè)角度評(píng)判樣本i與評(píng)價(jià)等級(jí)g之間的關(guān)系：

(9)

通過屬性識(shí)別理論、級(jí)別特征值兩種方法對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，可間接分析步驟3對(duì)于改進(jìn)的差異度系數(shù)I的取值方式是否合理。如果兩者計(jì)算的結(jié)果基本一致，即表明對(duì)于差異度系數(shù)I的取值方式合理；反之，則說明取值不合理。

1.4 基于n元減法集對(duì)勢(shì)的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性診斷方法

sf(u)=(a-c)(1+b1+b2+…+bn-2)。

(10)

根據(jù)“均分原則”[26]把n元減法集對(duì)勢(shì)sf(u)分為5個(gè)勢(shì)級(jí)[33]：反勢(shì)sf(u)∈[-1.0,-0.6)，偏反勢(shì)sf(u)∈[-0.6,-0.2)，均勢(shì)sf(u)∈[-0.2,0.2]，偏同勢(shì)sf(u)∈(0.2,0.6]，同勢(shì)sf(u)∈(0.6,1.0]。其中，處于反勢(shì)和偏反勢(shì)的指標(biāo)可被診斷為是引起區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)系統(tǒng)較為脆弱的主要因素[33-34]，也是農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性調(diào)控的主要方向。

1.5 區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)和診斷過程

根據(jù)“評(píng)價(jià)-診斷”的研究思路，用1.3節(jié)建立的綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)各年份的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本系列進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，用文獻(xiàn)[31]的方法計(jì)算區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性單個(gè)指標(biāo)的聯(lián)系數(shù)、用式(10)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)值聯(lián)系數(shù)的五元減法集對(duì)勢(shì)，識(shí)別診斷導(dǎo)致區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性增強(qiáng)(減弱)的主要指標(biāo)，然后針對(duì)這些指標(biāo)提出相應(yīng)的調(diào)控措施。

2 在蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)和診斷中的應(yīng)用分析

蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重，如表1所示[13,25]。

搜集整理蚌埠市2001-2010年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[35]，為便于說明、以偶數(shù)年為例進(jìn)行部分結(jié)果展示，由式(1)～式(3)計(jì)算ξba、ξbc，結(jié)果如表2所示。

表3 各年份評(píng)價(jià)樣本與等級(jí)間的聯(lián)系數(shù)值

將表3與式(6)～式(7)結(jié)合計(jì)算歸一化后的各年份評(píng)價(jià)樣本與脆弱性等級(jí)間的聯(lián)系數(shù)，如表4所示。

表4 歸一化后各年份評(píng)價(jià)樣本與等級(jí)間的聯(lián)系數(shù)值

由表5的計(jì)算結(jié)果可看出：基于灰色關(guān)聯(lián)度和聯(lián)系數(shù)耦合的屬性識(shí)別評(píng)價(jià)方法計(jì)算2001-2003年蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性的級(jí)別為4級(jí)，2004-2010年的級(jí)別為3級(jí)，總體趨于平穩(wěn)狀態(tài)；用級(jí)別特征值法計(jì)算得到的蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性等級(jí)與用屬性識(shí)別法計(jì)算得到的結(jié)果基本一致，2001-2003年評(píng)價(jià)級(jí)別明顯超過3級(jí)，2004-2010年評(píng)價(jià)級(jí)別在3級(jí)左右輕微波動(dòng)。同時(shí)，模糊綜合評(píng)價(jià)與云相似度法計(jì)算2001-2010年蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性的結(jié)果與本文兩種方法計(jì)算結(jié)果差別較小。

表5 4種評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果

為進(jìn)一步診斷蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性程度變?nèi)醯闹饕?，?duì)2001-2010年的具體指標(biāo)進(jìn)行分析，診斷識(shí)別出影響蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性變?nèi)醯闹饕笜?biāo)。由文獻(xiàn)[31]、式(10)計(jì)算2001-2010年各指標(biāo)聯(lián)系數(shù)的五元減法集對(duì)勢(shì)，通過五元減法集對(duì)勢(shì)診斷識(shí)別出影響蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性的主要指標(biāo)，選取聯(lián)系數(shù)的五元減法集對(duì)勢(shì)2001-2010年中變化較大的指標(biāo)，具體結(jié)果如圖1所示，而聯(lián)系數(shù)的五元減法集對(duì)勢(shì)在2001-2010年中都在一個(gè)較小范圍內(nèi)波動(dòng)的指標(biāo)，因其參考價(jià)值不大，未被一一列出。

從圖1可看出：這4項(xiàng)指標(biāo)的整體趨勢(shì)都是往減法集對(duì)勢(shì)增加的方向、也就是降低脆弱性的方向發(fā)展，這與蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)的區(qū)域整體改善結(jié)果是一致的，說明這4項(xiàng)指標(biāo)與蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性有較強(qiáng)的相關(guān)性。A1指標(biāo)“農(nóng)民人均GDP”在2001-2003年處于反勢(shì)，2004年之后逐漸變?yōu)槠磩?shì)最終處在均勢(shì)的狀態(tài)，其診斷結(jié)果呈逐年向好趨勢(shì)，在時(shí)間尺度上，農(nóng)民人均GDP向著有利于降低蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性的方向發(fā)展；V2指標(biāo)“農(nóng)業(yè)萬元GDP用水量”在2001-2003年處于均勢(shì)，之后在偏同勢(shì)與均勢(shì)之間波動(dòng)，說明該指標(biāo)同時(shí)受節(jié)水水平和天然來水的影響，對(duì)于蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性的影響具有波動(dòng)性；V5指標(biāo)“單位農(nóng)業(yè)增加值耗水量”在2001-2003年處于反勢(shì)，2003年之后逐漸處于均勢(shì)，并有往偏同勢(shì)發(fā)展的趨勢(shì)，評(píng)價(jià)等級(jí)由2001-2003年的超3級(jí)狀態(tài)變?yōu)?004年的3級(jí)，且評(píng)價(jià)等級(jí)呈逐年緩慢改善的趨勢(shì)，說明此指標(biāo)是引起蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果向好的主要因素；A7指標(biāo)“單位耕地面積農(nóng)機(jī)動(dòng)力”在2004年之前都是均勢(shì)，2008年之后逐漸變?yōu)橥瑒?shì)，與蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果變化趨勢(shì)有較好的一致性。

圖1 2001-2010年4項(xiàng)指標(biāo)動(dòng)態(tài)診斷分析結(jié)果

根據(jù)上述診斷識(shí)別出主要的影響指標(biāo)，提出相應(yīng)的蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性調(diào)控措施有：①提高“農(nóng)民人均GDP”可以采取增加就業(yè)、擴(kuò)大農(nóng)民收入渠道的措施，增強(qiáng)農(nóng)民抵御農(nóng)業(yè)旱災(zāi)的能力，進(jìn)而減輕旱災(zāi)的影響程度。②提高“單位耕地面積農(nóng)機(jī)動(dòng)力”可以采取提高農(nóng)業(yè)大型機(jī)械的使用頻率、增加田間勞作效率的措施，加快農(nóng)民對(duì)于干旱的應(yīng)對(duì)速度，快速實(shí)施減災(zāi)措施，盡可能地降低旱災(zāi)的影響范圍與程度。③降低“單位農(nóng)業(yè)增加值耗水量”可以采取推廣大范圍節(jié)水灌溉措施、進(jìn)行田間噴灌與滴灌，取代傳統(tǒng)大水漫灌方式。④降低“農(nóng)業(yè)萬元GDP用水量”可以采取種植耗水較少的高產(chǎn)值經(jīng)濟(jì)作物的方式，改變傳統(tǒng)的種植方式與農(nóng)作物品種，提高農(nóng)業(yè)用水經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

本文采用“評(píng)價(jià)-診斷”的研究思路構(gòu)建了基于灰色關(guān)聯(lián)度和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)和診斷模型，并在蚌埠市開展實(shí)證研究，分析出蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，識(shí)別出導(dǎo)致蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性程度較強(qiáng)的主要指標(biāo)。結(jié)果表明：①屬性識(shí)別理論與級(jí)別特征值兩種方法計(jì)算的評(píng)價(jià)結(jié)果相一致，與實(shí)際情況也比較吻合，基于灰色關(guān)聯(lián)度和聯(lián)系數(shù)耦合的方法對(duì)于改進(jìn)差異度系數(shù)I的取值方式合理可靠。②將灰色關(guān)聯(lián)度和聯(lián)系數(shù)耦合的方法運(yùn)用到蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)中是可行有效的，得到評(píng)價(jià)結(jié)果為蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性2001-2003年的評(píng)價(jià)級(jí)別介于3級(jí)與4級(jí)之間，評(píng)價(jià)結(jié)果表明旱災(zāi)脆弱性程度較強(qiáng)；2004-2010年評(píng)價(jià)級(jí)別在3級(jí)左右輕微波動(dòng)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明旱災(zāi)脆弱性程度中等，旱災(zāi)脆弱性程度趨于平穩(wěn)，總體來說2001-2010年旱災(zāi)脆弱性的程度沒有很大變化，在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)。③基于評(píng)價(jià)指標(biāo)聯(lián)系數(shù)的五元減法集對(duì)勢(shì)診斷分析結(jié)果說明，影響蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性的指標(biāo)主要包括農(nóng)民人均GDP、單位耕地面積農(nóng)機(jī)動(dòng)力、農(nóng)業(yè)萬元GDP用水量和單位農(nóng)業(yè)增加值耗水量，這4項(xiàng)指標(biāo)中“單位農(nóng)業(yè)增加值耗水量”與蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性的相關(guān)性最大，單位農(nóng)業(yè)增加值耗水量的波動(dòng)性與不確定性是導(dǎo)致蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性程度在時(shí)間尺度上呈現(xiàn)一定波動(dòng)性與不確定性的最主要因素。④基于灰色關(guān)聯(lián)度與聯(lián)系數(shù)耦合的農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)和診斷方法合理可靠、適用性強(qiáng)，可為區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性定量評(píng)價(jià)和診斷提供重要的方法參考，為實(shí)施區(qū)域旱災(zāi)脆弱性調(diào)控提供技術(shù)支持。