基于GIS的湖南省旱災農業(yè)風險綜合評估研究

高霞霞 ，蘇 偉 ，黃晚華 ， ，陸魁東 ，高 曙

（1.中國農業(yè)大學，北京 100083；2.湖南省氣象科學研究所，湖南 長沙 410007）

旱災是對農業(yè)影響最大的災害，湖南是我國遭受旱災較嚴重省份之一[1]。湖南省大部分地區(qū)位于北緯25°～30°，夏秋季多受副熱帶高壓的控制，高溫少雨，易發(fā)生旱災[1-2]，旱災是湖南省發(fā)生最頻繁且影響面積廣的氣象災害[3]。近年來，在全球氣候變化背景下，極端天氣氣候事件頻繁出現，干旱的發(fā)生頻率和強度也明顯增加。2000年以來，湖南省旱災更是頻繁發(fā)生。旱災的發(fā)生給湖南省農業(yè)生產造成了嚴重影響，使糧食作物大幅度減產，從而對糧食安全構成威脅。因此，必須對旱災的發(fā)生、受災的風險性、災情的時空分布特點等進行認真的分析與研究，以防御和減輕旱災對農業(yè)生產的危害，這對認識旱災發(fā)生規(guī)律、建立旱災防御體系和保障糧食安全都有重要意義。

風險評估最早出現在20世紀30年代末，興起于20世紀60年代，近50年來得到了迅速發(fā)展，并已廣泛應用于自然災害評估、生物、醫(yī)學、技術應用、環(huán)境和工程等方面。20世紀90年代以來，不少學者對風險評估在地質災害、保險、農業(yè)氣象災害等方面的應用進行了許多開創(chuàng)性的研究[4-6]。在農業(yè)氣象災害評估上，貴州、山東、浙江、廣東等省份的學者做了較多的研究[7-11]。此外，部分專家還對作物災害風險進行了分析[12-13]。農業(yè)氣象災害風險評估的主要工具為概率統(tǒng)計方法，資料主要來源于兩個方面：一是利用氣象要素（致災因子）作為災害指標，如降水要素可作為洪澇、干旱等災害的指標；二是利用災情資料作為災害指標，如農作物枯萎面積或絕收面積是干旱的重要指標，糧食的減產量可作為綜合災害的指標等。隨著計算機技術的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（GIS）技術被廣泛應用到干旱等災害的風險評估[14-15]。在前人的研究中，多以氣象要素作為災害指標，本文使用災情資料作為災害指標來研究旱災風險，對湖南旱災進行多因子評估，為防旱抗災提供決策參考。

1 材料與方法

1.1 資料來源

根據《湖南農村統(tǒng)計年鑒》，依據最近21 a（1987～2007年），各縣（市、區(qū)）農作物的干旱發(fā)生（受災）面積（Sfs）、干旱成災面積（Scz）、農作物播種面積（Sb）等災情資料建立災情數據庫。

1.2 風險評估方法

利用歷史災情數據進行旱災風險分析，主要評估指標有受災率和成災率、變異系數、脆弱度等，然后綜合各評估指標，得到綜合旱災評估指標。

1.2.1 受災率和成災率 干旱的受災率（Psz）為旱災受災面積占農作物播種面積的比率，見公式（1）。

1.2.2 受災變異系數 從概率的角度來說，多年平均受災率可視為期望，該指標無法衡量年際間災害發(fā)生的差別。為此，本文引用變異系數（v），即

式中，V為某區(qū)域的變異系數；xj為第j年的受災率；x軃為平均受災率，n為年數。我們用V來表達年際之間災害發(fā)生偏離平均值的離散程度，體現災害發(fā)生的年際變異性及其對農業(yè)生產等造成損失的不穩(wěn)定性。

1.2.3 災害脆弱度 某區(qū)域多年平均災害脆弱度的定義見式（4）。

式中，C（i）為某區(qū)域的平均脆弱度，SCZ、SSZ分別指成災面積和受災面積。受資料限制，本文通過受災面積、成災面積來表達脆弱度。如果資料充分則可考慮水利設施、地形地質狀況、排水條件、森林覆蓋率等因素，對脆弱度進行更好的反映。

1.2.4 相當受災率 在不同地區(qū)、不同程度受災面積中，對單位受災面積造成的實際損害結果是不同的。文中相當受災率的定義見式（5）。

1.2.5 綜合旱災風險指數 對前面各災害風險因素所占的權重進行分析，經多次模擬，我們對綜合旱災風險指數（K）進行定義，見式（6）。

2 結果與分析

2.1 干旱背景分析

如圖1所示，1987～2007年，我省平均受災（旱災發(fā)生）面積82.8萬hm2，約占我省耕地面積的21%，占播種面積的10.4%。從時間序列上看，從80年代末到90年代初，干旱較嚴重，1992年之后，干旱的受災面積相對減少，自2001年始，干旱再次嚴重。在受災面積大于100萬hm2的大旱年份中，有1988、1990～1992、2001、2003、2005、2007 年等 8 a，全省各年干旱受災面積占到耕地面積的三分之一以上。其中，2003、2007年干旱受災面積達到或超過150萬hm2，2003年干旱面積占耕地面積的48%以上，占作物播種面積的24%，是近21 a來干旱最嚴重一年。另外，受災面積在65～100萬hm2的中旱年有 1987、1989、1995、1998、2000、2004、2006年等7 a。其他年份干旱發(fā)生面積相對較少。以1992年和2001年為時間分界段，1992年之前和2001年以后旱災發(fā)生嚴重，多大旱和中旱；1993～2000年一般只發(fā)生中旱和小旱?？梢钥闯?，自2001年以來，旱災明顯加重。因此，對旱災風險進行科學評估對今后防治旱災有著更加重要意義。

圖1 湖南省21年來旱災受災和成災面積（1987～2007）

2.2 各干旱風險因子分析

2.2.1 干旱平均受災率 根據式（1）、式（2），求得我省各縣市的多年平均受災率，并按表1進行分級。

表1 旱災風險區(qū)分級標準

依表1標準，利用ArcGis地理信息系統(tǒng)分級，并生成我省干旱的受災率風險分級圖，見圖2。圖2表明，旱災微風險、輕風險區(qū)集中分布在湘東的湘江中下游和和洞庭湖區(qū)等水利條件好的地區(qū)，主要包括岳陽、益陽、常德東部、長沙、湘潭、株洲中北部和衡陽西部的大部分縣（市）。其中，旱災微風險區(qū)僅長沙市郊（區(qū)）、株洲縣、益陽資陽區(qū)等少數縣。旱災重風險、危險區(qū)主要分布在湘西北、湘南等地，包括湘西自治州、張家界、懷化北部和南部、邵陽南部以及郴州、永州大部分，湘中的邵陽中部、婁底等地也有零星分布。其中，永興、通道、冷水江市、古丈、新田、花垣受災率最高，為旱災危險區(qū)，其它大部分縣為旱災中風險區(qū)。

2.2.2 受災變異系數 分析結果表明，干旱受災率較高，即旱災重風險區(qū)和旱災危險區(qū)的波動一般較小，如湘南、湘西等地；受災率較低的區(qū)域，即旱災微風險區(qū)和旱災輕風險區(qū)的波動較大，一般干旱年旱災發(fā)生面積較小，但重旱年也易發(fā)生較大面積旱災，如湘東北等地。這說明我省是旱災多發(fā)地區(qū)，幾乎每年有較大旱災發(fā)生，應高度重視防旱工作。

2.2.3 成災脆弱度 經分析，脆弱度抗災較強、次強區(qū)主要分布于湘東北、湘西南以及湘東南的部分區(qū)域；抗災較弱區(qū)主要分布于湘南、湘西北等地。一般來說，平原低丘陵地帶對旱災的抗災反應較強，而山區(qū)及高丘陵地帶對旱災的抗災反應較弱，其主要原因是山區(qū)地形復雜，較高海拔的丘陵土壤水分保持較差，以及水利設施普及率低，灌溉效率較低等。

2.2.4 不同程度旱災受災率的年次概率分布 由于我省每年干旱受災面積不同，災害造成的損失也不同，受災面積越大，對農業(yè)生產造成的損失也越大。因此，以不同程度受災率對旱災發(fā)生頻率進行分析。（1）旱災受災率≥5%的出現頻率。出現旱災受災率≥5%且年次概率≤10%的縣只有長沙市郊，近21 a來，僅2003、2007年的受災率在5%以上。旱災受災率≥5%且年次概率10%～20%的有資陽區(qū)和株洲縣，僅3年的受災率在5%以上（資陽區(qū)分別為 1987、1988、2003 年，株洲縣為 1988、2003、2007年）。旱災受災率≥5%且年次概率20%～33%的，主要分布在常德、益陽和長株潭等地，有漢壽、沅江、湘陰、平江、株洲市（郊）、湘潭市（郊）、湘潭縣、韶山、常寧等9個縣。以上低于3 a一遇的區(qū)域主要是經濟較發(fā)達、水利條件較好的地區(qū)（圖3）。旱災受災率≥5%且年次概率33%～50%的，主要分布在湘東北等地，有岳陽、益陽、常德大部、長株潭地區(qū)、衡陽北部和南部、懷化以及邵陽局部，共32個縣。湘中、湘南、湘西等其它大部分區(qū)域的年次概率>50%，共59個縣。（2）旱災受災率≥10%出現頻率。出現旱災受災率≥10%且年次概率≤10%的縣為3個，即長沙市郊、資陽區(qū)和株洲縣，21 a來僅有1～2 a發(fā)生受災率在10%以上旱災。年次概率10%～20%的有平江、湘陰、漢壽、湘潭縣、韶山、醴陵、常寧、洞口等8個縣。年次概率20%～33%的區(qū)域分布在湘江流域中下流和洞庭湖區(qū)等水利條件較好的地方，包括岳陽、益陽、長株潭和常德東部、衡陽中北部等20個縣。年次概率33%～50%的區(qū)域主要在湘南和湘西，湘中亦有零星分布，共23個縣。湖南中西部等49個縣市的年次概率>50%。（3）旱災受災率≥20%出現頻率。出現旱災受災率≥20%且年次概率≤10%的縣有23個，主要分布在湘東北區(qū)域，包括岳陽、常德等的部分縣，湘中的株洲北部以及邵陽、婁底、懷化、衡陽等地也有零星分布。其中，株洲縣、醴陵、常德市（郊）等3縣沒有出現過旱災受災率≥20%的年份。受災率≥20%且年次概率10%～20%的區(qū)域分布在洞庭湖區(qū)、湘江、資水等的中下游區(qū)以及懷化中部、邵陽中西部的部分區(qū)域，共28個縣。旱災受災率≥20%且年次概率>33%的區(qū)域主要在湘西北、湘南和其他零星分布地區(qū)，共20個縣。其中，永興和通道兩縣的年次概率>50%。旱災受災率≥20%且年次概率20%～33%的區(qū)域分布在湖南西部和南部的廣大地區(qū)，有32個縣。（4）旱災受災率≥30%出現頻率。全省有接近一半的縣（48個）的旱災受災率≥30%。年次概率≤5%的區(qū)域主要分布在湘東北和湘中等地。其中，沒有出現過受災率≥30%的縣有26個，分散分布在以上地方。年次概率≤10%的區(qū)域主要分布湘中一帶以及湘北等地，共有21個縣?？傮w上，旱災受災率≥30%且年次概率≤10%的縣約占全省7成左右。年次概率≥10%的區(qū)域主要分布在湘南、湘西北地區(qū)，有33個縣。其中，張家界市郊、桑植、龍山、花垣、古丈、通道、冷水江、新寧、雙牌、新田、永興、臨武等縣的年次概率≥20%，近21年來，發(fā)生過受災率≥30%旱災的有5～7年（圖4）。（5）旱災受災率≥40%出現頻率。全省有7成以上的縣（73個）旱災受災率≥40%。年次概率≤5%的區(qū)域主要分布除湘南和湘西北以外的廣大地區(qū)。其中，沒有出現受災率≥40%的縣有53個，占全省的一半有余。年次概率=10%的區(qū)域主要分布湘南一帶，湘西北靠省境的邊緣地區(qū)有分布，共有21個縣。年次概率≥10%的區(qū)域主要分布在湘西北和湘南部分地區(qū)，即有吉首市、龍山、花垣、古丈、張家界市郊、桑植、冷水江、蘇仙區(qū)、永興縣等地9個縣。其中古丈、永興兩縣最高，年次概率達20%。（6）旱災受災率≥50%出現頻率。全省出現過受災率≥50%的僅29個縣，主要分布在湘西北、湘南的旱災重風險、危險區(qū)的縣市。年次概率≤5%的有22個縣，年次概率≤10%的區(qū)域有6個縣，年次概率≥10%的僅1縣。

2.3 湖南省旱災風險綜合評估

對各因素進行綜合來評估干旱風險。從以上分析知道，旱災對農業(yè)生產造成的災害風險受干旱受災率、變異系數、不同程度受災面積的發(fā)生年次概率、脆弱度等因素影響。根據公式（6），求得各縣市的綜合旱災風險指數，并依表2進行分級。

表2 旱災綜合風險指數分級標準

我們利用地理信息系統(tǒng)A rcGis生成湖南省旱災綜合風險圖，見圖5。

由圖5可知，我省的旱災綜合風險指數（K）介于0.103～0.885，全省平均為0.496。位于洞庭湖周邊的益陽資陽區(qū)的旱災風險指數為0.103，為全省最低，該地區(qū)的旱災發(fā)生和受損面積都很小，成災的面積也不大，是我省典型的旱災低風險區(qū)。我省旱災風險I級區(qū)（災害微風險區(qū)）還有湘陰、平江、株洲市（郊）、株洲縣、醴陵市、洞口等7個縣。這些地區(qū)的受旱面積很少，而且抗災能力較強，風險較小，不易受旱。旱災風險II級區(qū)（輕風險區(qū)）主要分布在湘東北的洞庭湖區(qū)、湘江中下游區(qū)及周圍縣市，湘中的懷化和邵陽也有零散分布，共計27縣。這些地區(qū)的受旱較少，或是成災面積較少、只是變異系數稍高，因此旱災的風險指數較低。

旱災風險Ⅳ級和V級區(qū)主要分布在湘南和湘西北，包括永州、郴州、湘西自治州、張家界、懷化北部等地區(qū)，共34個縣，是受旱面積大，損失面積廣，成災率較高的地區(qū)。其中新田、雙牌、郴州、蘇仙區(qū)、永興、冷水江、吉首市達到V級，為旱災危險區(qū)。其他地區(qū)為旱災風險III級區(qū)（圖5）。

3 結果與討論

我們充分考慮影響旱災的風險的各個因素，分析旱災受災率、變異系數、相當受災率、脆弱度等要素值在我省的分布情況，最后得出我省旱災綜合風險指數。（1）湖南省洞庭湖區(qū)、湘江下游的平原、低丘陵地區(qū)的旱災風險低，這些地區(qū)受災的面積小或抗災能力強。湘南、湘西北的山地，湘中少雨地區(qū)的旱災風險高，這些地區(qū)受災的面積大或抗災能力弱。（2）湖南省大部分縣市的旱災年際變化不大，為波動中值區(qū)。旱災的多發(fā)地區(qū)，多數年份有較大面積旱災發(fā)生，是防旱重點地區(qū)；旱災少發(fā)地區(qū)，一般干旱年旱災發(fā)生面積較少，較大旱災只是偶而發(fā)生。就旱災脆弱度而言，平原、低丘陵地帶對旱災的抗災反應較強，在山區(qū)、高丘陵地帶對旱災的抗災反應較弱。（3）旱災較低風險指數的縣市，一般發(fā)生面積較小，而風險指數高的縣市，發(fā)生面積都較大。

本文應用的分析結果與前人分析的結果有所不同，這是因為旱災的受災情況既與降水等氣象要素有較大的相關，也受土壤、地形地質狀況、抗旱的水利條件和當地經濟水平等諸多因素影響。本文從災情的各因素來分析旱災的綜合風險性，能較好體現我省旱災風險的實際情況。不足的是，本文所分析的各風險要素中，受資料來源的限制，一些情況作了簡化處理，有待進一步完善。

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