農田洪災淹沒損失評估模型研究

賈艾晨,王 營,楊 茜

(1.大連理工大學建設工程學部,遼寧 大連 116024;2.重慶能源職業(yè)學院土木工程系,重慶 400041)

遼寧作為中國東北糧食基地的重要組成部分,地處溫帶季風氣候區(qū),四季分明,自然災害頻繁,是我國農業(yè)氣候災害影響嚴重的省份之一。1985年、1998年、2005年發(fā)生特大洪水,對全省經濟造成嚴重損失。1985年全省僅洪澇災害造成的經濟損失就達47億元[1]。因此研究該地區(qū)農作物的易損性及洪災風險評估是極其有必要的。目前,隨著信息技術的發(fā)展,能夠準確的預測、預報、模擬洪水演進,清晰的顯示洪水淹沒范圍、村莊、農田等信息[2]。水稻、玉米是遼寧省主要糧食作物,它們的生產穩(wěn)定與否影響著全省的糧食產量。洪災、干旱的頻繁發(fā)生會阻滯農作物的正常生長,大大減少其產量。如何準確、定量地評估農業(yè)氣象災害風險,對國家的農業(yè)結構調整,特別是農業(yè)可持續(xù)發(fā)展、農業(yè)防災減災對策和措施的制定意義重大[3]。

1 易損性模型建立及損失率曲線繪制

洪澇災害不是單一因素所致,而是眾多因素共同作用的結果,因此洪災損失率的計算較為困難。國內外,對洪災損失率的研究中考慮淹沒水深或淹沒歷時單項因素的文獻較多,考慮其他因素的文獻較少。周激流[4]等在其論文中應用遺傳算法進行洪災易損性分析建模;王寶華[5]等對國內外洪水災害經濟損失評估方法做了詳細的綜述,提到目前在計算洪災損失率方面,國內外比較通用的是參數統計模型;丁志雄[6]在其博士論文中,選取普遍適用的非線性多因素統計回歸計算模型計算洪災損失率。

1.1 水稻易損性模型建立及損失率曲線繪制

水稻是遼寧省典型農作物,在遭遇洪災時,較其它農作物耐淹能力強。水稻一般可以忍受3 d～5 d的水淹而無明顯損失,但是當稻田被淹沒7 d以上時水稻就會瀕臨絕產。在淹沒水深、淹沒歷時相同情況下,災損因洪災發(fā)生時農作物所處生長期不同而不同。試驗表明,對水稻而言,一般苗期和分蘗期洪災損失較小,孕穗期和抽穗期洪災損失較大。洪災易損性模型作為承載體對致災因子、孕災環(huán)境的響應函數,模型建立的好壞對洪災評估結果至關重要。由于它的非線性、動態(tài)性和多維性,使其構造較為困難。本文采用多因素參數統計模型。相關資料研究證明,農作物淹沒損失的大小與淹沒水深、淹沒歷時、生長期、品種等因素有關,也可以歸結為淹沒洪水特性、承載體特性兩類因素。當研究具體某種農作物時,由于洪水一般發(fā)生在農作物的某一個具體生長期內,因此易損性模型建立只考慮淹沒洪水特性因素是合理的。本文采用的數學模型基本方程[7]為

式中:Y為承載體損失率;H為淹沒水深;T為淹沒歷時;A,b,c為待求參數。β為修正系數。

孕穗期以及抽穗期的在不同淹沒水深下7 d以內的損失率,繪制出3個時期的損失率曲線。水稻品種不同、生長期不同,模型中參數選取也不同。遼寧洪災大多發(fā)生在7～9月份,水稻正處于抽穗期,以抽穗期的模型計算為例,繪制水稻抽穗期損失率曲線,如圖1、圖2所示。

圖1 水稻淹沒水深與損失率關系曲線

圖2 水稻淹沒歷時與損失率關系曲線

1.2 玉米易損性模型對比分析及損失率曲線選擇

玉米是遼寧省第一大種植作物,但玉米也是遼寧省洪災損失風險最大的農作物,其次是大豆和稻米[8]。旱地作物耐淹能力一般較差,在淹沒水深10cm時,淹沒歷時1 d～2 d就會引起減產,受淹6 d～7 d就會死亡。通過研究分析金衛(wèi)斌[9]等在其論文中提供的資料,將不同淹沒水深、不同淹沒歷時下的玉米損失率擬合得到損失率曲線(如圖3);根據前人關于農業(yè)方面不同農作物損失率的研究(Dushmanta[10],2003),繪制旱作物在不同淹沒水深和不同淹沒歷時下的脆弱性曲線(如圖4);同時,結合李香顏[11]玉米實驗數據,得到玉米拔節(jié)期(圖5)、抽雄期(圖6)損失率曲線。經三者比較分析,且考慮到玉米在8月份處于抽雄期,選取李香顏實驗數據擬合的抽雄期損失率曲線作為研究區(qū)域玉米損失計算依據。

圖3 玉米淹沒歷時與損失率關系曲線

圖4 玉米淹沒歷時與損失率關系曲線(Dushmanta)

圖5 玉米淹沒歷時與損失率關系曲線(拔節(jié)期)

圖6 玉米淹沒歷時與損失率關系曲線(抽雄期)

2 洪災損失評估模型建立

2.1 洪災損失評估模型建立

洪災損失分為直接經濟損失和間接經濟損失,目前對直接經濟損失的研究較多,但洪災直接經濟損失評估仍處于以統計為基礎的半定性半定量階段,很難對經濟損失作出精確的定量判斷。洪災直接經濟損失是指承載體受洪水沖擊和淹沒所造成的損失。直接經濟損失估算公式[7]

式中:R農直為洪災農作物直接經濟損失;ηij為j級水深下,第i種作物的損失率大小;Wij為j級水深淹沒范圍內,第i種作物正常年產值;n為農作物種類;m為淹沒水深等級。

論文中針對水稻一種作物進行經濟損失評估,具體可簡化為以下計算公式[6]

綜合以上計算模型,其中,本文選取如下計算公式計算Wj

2.2 淹沒水深計算原理

洪水淹沒范圍的模擬是十分復雜的,人工繪制網格精度較低,由于GIS在制圖、網格劃分方面的突出優(yōu)勢,本文采用的是基于GIS的“體積法”洪水淹沒范圍模擬模型。

式中:(x,y)為淹沒區(qū)單元位置;H(x,y)為淹沒單元位置處水深(H(x,y)＞0)(m);Hw(x,y)為淹沒區(qū)單元位置處洪水水面高程(m);Hg(x,y)為淹沒區(qū)單元位置處地面高程(m)。

對洪水淹沒區(qū)A,洪水容積計算公式如下:

理論上,洪水水面可能為水平面、斜面甚至是復雜的曲面,但對于湖泊、水庫、蓄滯洪區(qū)或局部低洼地等,水面可近似簡化為水平平面,洪水水面高程可由一個或幾個水面高程的均值決定[12]。同時,式(6)作如下簡化:

取一Hw1使F(Hw)＜0,另取一Hw2,使F(Hw)＜0,在(Hw1,Hw2)區(qū)域內試算,找到 F(Hw)趨近于0的Hw,求得相應的淹沒水深,Q為計算區(qū)的洪量(m3)。

3 損失評估實例分析

遼河是東北地區(qū)南部最大的河流,是中國七大河流之一。遼河流域暴雨多集中在6～9月份,大暴雨多在7、8月份。若發(fā)生特大洪水,會對當地帶來嚴重的財產損失。因此對農作物的洪災損失進行評估,是非常重要的一項任務。利用ArcGIS軟件網絡分析功能,建立淹沒網格模型、得知三面船、前三面船、四臺子以及蘭旗遭洪水淹沒,因此在計算農田淹沒損失時,選取這四個村鎮(zhèn)的農作物進行評估。損失評估的步驟如下:

(1)由《遼寧省縣區(qū)基本情況年報》獲取農作物統計數據,如表1所示。

表1 淹沒區(qū)損失統計指標匯總表

表2 不同水深淹沒面積

(2)利用ArcGIS軟件進行淹沒水深分層,不同水深的淹沒面積計算,得淹沒水深如圖7所示,同時參照淹沒區(qū)損失統計指標匯總表(表1),得出受災區(qū)相應農作物不同水深下的淹沒面積,以蘭旗水稻、玉米淹沒為例說明,如表2所示。

(3)根據前面繪制的易損性曲線查詢農作物在不同水深相應的損失率,如表3及表4所示。

(4)以上數據代入損失評估計算公式,計算得到各農作物的相應直接經濟損失值,以蘭旗的損失為例,如表3及表4所示。

圖7 淹沒范圍和淹沒水深

表3 水稻受淹1 d～7 d損失率及蘭旗地區(qū)損失值

表4 玉米受淹損失率及蘭旗地區(qū)損失值(水深為0.3m)

4 結 語

(1)本文對遼寧省代表性農作物水稻和玉米的洪災易損性進行了研究,繪制了這兩種農作物的易損性曲線,并結合利用GIS計算的淹沒范圍和淹沒水深,得出淹沒區(qū)農作物的經濟損失值。該方法可直接用在洪災損失評估中,具有實際應用意義。

(2)由水稻和玉米的損失曲線得出結論:相同淹沒水深(0.3 m)時,玉米的損失率遠大于水稻的損失率,因此在確定蓄滯洪區(qū)范圍時可利用本文的方法對區(qū)域內的農作物損失進行評價,以使蓄滯洪區(qū)內的損失最小。

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