基于GIS的安徽省旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)空間演變研究

孫仲益，張繼權(quán)，嚴(yán)登華，王春乙，劉興朋，佟志軍

（1.東北師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院自然災(zāi)害研究所，吉林 長(zhǎng)春 130024；2.中國(guó)水資源和水利研究院，北京 100038；3.海南省氣象局，海南 海口 570100）

旱災(zāi)是我國(guó)主要的自然災(zāi)害之一，且發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、波及范圍廣，每年都給城鄉(xiāng)居民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成不同程度的影響，嚴(yán)重制約我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展.安徽省是我國(guó)旱災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū)之一，僅2009年因旱災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失就超過25億元，因此對(duì)于安徽省進(jìn)行旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是十分必要的，若能按照科學(xué)的方法并遵循自然規(guī)律正確評(píng)價(jià)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，并根據(jù)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)空間演變情況適時(shí)修訂抗旱規(guī)劃，就可以將旱災(zāi)造成的損失減小到最低限度并保障經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的持續(xù)發(fā)展.

目前，關(guān)于旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)空間變化規(guī)律的研究國(guó)內(nèi)外的報(bào)道不是很多，部分學(xué)者從旱災(zāi)致災(zāi)因子頻率計(jì)算上進(jìn)行了研究［1］；也有許多學(xué)者從干旱風(fēng)險(xiǎn)的角度進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［2－5］；還有學(xué)者對(duì)災(zāi)害區(qū)劃進(jìn)行了深入的研究，黃崇福等提出了自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖的潛在發(fā)展方向問題［6］，張峭等對(duì)我國(guó)的農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了區(qū)劃［7］，顧留婉、夏雪蓮、張琪等利用GIS方法結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃手段對(duì)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了區(qū)劃［8－15］.但對(duì)于災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃幾段時(shí)間的變化規(guī)律并沒有進(jìn)行深入的分析，也很少有學(xué)者對(duì)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)空間演變規(guī)律進(jìn)行研究.本文在旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的基礎(chǔ)上，分析了安徽省旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)空間演變的規(guī)律，旨在為高危險(xiǎn)地區(qū)適應(yīng)策略和相關(guān)政策的制定起一定的指導(dǎo)性作用.

1 研究區(qū)概況

安徽省屬華東地區(qū)跨江近海省份，位于長(zhǎng)江下游、淮河中游，以平原、丘陵和低山為主，面積13.96萬km2，人口5950萬，屬亞熱帶與暖溫帶交替的過渡地帶（見圖1）.年降水量700～1200mm，雨水充沛，但是降水極其不均，干旱事件頻繁發(fā)生，對(duì)當(dāng)?shù)氐膰?guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展都帶來了巨大的影響.

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)；地形數(shù)據(jù)來源于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)STRM系統(tǒng)，90m空間分辨率；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》.

圖1 研究區(qū)地理位置

2.2 研究方法

2.2.1 自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指未來一段時(shí)間內(nèi)可能達(dá)到的災(zāi)害程度及其發(fā)生的可能性.一般是由致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體暴露性和脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力綜合作用的結(jié)果.在自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成過程中，這4個(gè)因子缺一不可，自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)中文數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

2.2.2 單一風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度

單一風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度分析來源于單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度分析，是表達(dá)研究區(qū)一定的時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的變化情況，在此加以修改，用以表示一定時(shí)間內(nèi)各等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)換情況.具體表達(dá)式如下

式中：K為單一風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度指數(shù)；Ra，Rb為研究初期及研究末期某風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的網(wǎng)格數(shù)量；T為研究時(shí)間，當(dāng)T為1年時(shí)，K即代表該風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的年變化率.

2.2.3 綜合風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度

綜合風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度分析源于綜合土地利用動(dòng)態(tài)度分析，在此加以修改，用以表征一定時(shí)間內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)換的活躍程度.具體表達(dá)式如下

式中：Rc為綜合風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度；Ri為研究初期風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)i的網(wǎng)格數(shù)量；ΔRi－j為研究時(shí)間段內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)i轉(zhuǎn)為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)j的網(wǎng)格數(shù)量絕對(duì)值；T為研究時(shí)間，當(dāng)T為1年時(shí)，Rc的值就是該研究區(qū)風(fēng)險(xiǎn)的年變化率.

2.2.4 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)置換系數(shù)

為了揭示旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)空間演化過程，可采用各狀態(tài)間相互“可置換－不可置換”的連通率衡量各狀態(tài)在演化過程中的活躍性或穩(wěn)定性.即利用動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)根據(jù)轉(zhuǎn)移概率矩陣進(jìn)行狀態(tài)間的可置換性分析，稱為“置換分析”.兩個(gè)狀態(tài)的置換性相似，說明兩者具有相似的演化趨勢(shì)，置換系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是相似系數(shù).置換矩陣通過計(jì)算一階轉(zhuǎn)移矩陣的行向量之間的相似系數(shù)獲得.公式為

式中：Lij為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)i與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)j之間的置換系數(shù)；Pik，Pjk分別表示由風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)i和j轉(zhuǎn)移到風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)k的概率.0≤Lij≤1，Lij越接近1，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)i和j在序列中地位的相似性愈高；Lij愈接近于0，表明這兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的動(dòng)態(tài)變化極不相似.據(jù)此，Lij可認(rèn)為是風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)i和j動(dòng)態(tài)變化相似性程度的判定指標(biāo).

3 指標(biāo)選取、模型建立與旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

3.1 指標(biāo)選取與格網(wǎng)化

根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論和旱災(zāi)形成機(jī)制，某區(qū)域旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的大小是由干旱致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承載體的暴露性和脆弱性、該區(qū)域抗旱減災(zāi)能力這4個(gè)因子綜合作用的結(jié)果.因此選取表1中列出的4個(gè)因子18個(gè)指標(biāo)，建立了安徽省旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系.整個(gè)指標(biāo)體系包含主因子層、副因子層和指標(biāo)層，利用熵組合權(quán)重法計(jì)算各因子層和指標(biāo)層的權(quán)重，并利用ArcGIS10.0軟件中的統(tǒng)計(jì)功能，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行空間格網(wǎng)化展布.

表1 旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重

3.2 區(qū)域旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)模型建立

分別根據(jù)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)制，綜合考慮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成的4個(gè)因子，以及其相應(yīng)指標(biāo)，建立如下旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型

式中：RADRI為旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，表示旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)程度，值越大，旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)程度越大；H（h），E（e），V（v），C（c）表示相應(yīng)的危險(xiǎn)性、暴露性、脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力因子指數(shù)；W 為指標(biāo)權(quán)重值，表示各指標(biāo)對(duì)于形成災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因子的相對(duì)重要性；X為各評(píng)價(jià)指標(biāo)量化值，i表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo).

3.3 安徽省旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

利用GIS技術(shù)求算安徽省旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RADRI，利用自然斷裂點(diǎn)對(duì)所有樣本進(jìn)行等級(jí)劃分，將安徽省旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)確定為低風(fēng)險(xiǎn)（＜0.498）、中風(fēng)險(xiǎn)（0.489～0.603）、高風(fēng)險(xiǎn)（＞0.603）3個(gè)等級(jí).安徽省2000—2009年旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃圖如圖2所示.從圖2可以看出，安徽省北部地區(qū)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)整體高于中部地區(qū)和南部地區(qū)，南部地區(qū)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)整體低于中部與北部地區(qū)，總體上由東北向西南方向旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)呈降低趨勢(shì).

圖2 安徽省歷年旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖

4 安徽省旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)空間演變分析

通過表2可以看出，安徽省旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)綜合動(dòng)態(tài)度多年變化不大，維持在20%左右，單一風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度變化較大，說明安徽省2000—2009年各年間單一風(fēng)險(xiǎn)變化速率較大，旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)升高和降低的頻率都較快.這與安徽省地理位置處于南北過渡帶、氣象條件變化明顯、下墊面情況復(fù)雜等有關(guān).高風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度和低風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度的變化比中風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度要明顯.根據(jù)各等級(jí)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移概率矩陣進(jìn)行的狀態(tài)間的可置換分析可以看出，高、低等級(jí)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)之間的動(dòng)態(tài)變化特征不明顯，高、中旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，低、中旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)之間的動(dòng)態(tài)變化相似性較高，這一點(diǎn)比較符合實(shí)際情況，安徽省的旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)跨級(jí)的轉(zhuǎn)換相對(duì)困難，其中高、中風(fēng)險(xiǎn)置換系數(shù)近幾年下降趨勢(shì)明顯，而中、低風(fēng)險(xiǎn)置換系數(shù)逐漸降低但近年來又有上升趨勢(shì)，可見安徽省2006年來旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)整體呈升高趨勢(shì).

表2 安徽省旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)空間演變指數(shù)

5 結(jié)論

（1）安徽省2000—2009年旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度較高，高旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度、中旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度和低旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度近10年變化均較大，說明近10年單一等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)變化比較活躍；綜合風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度比較穩(wěn)定，為20%左右，說明安徽省2000—2009年間，風(fēng)險(xiǎn)綜合變化程度每年都很平均，維持在20%左右.

（2）通過各等級(jí)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)間的置換系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，高旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和中旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)之間轉(zhuǎn)換相似性最大，其次是低旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和中旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)之間的轉(zhuǎn)換相似性，高旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和低旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)之間轉(zhuǎn)換相似性最低.

本文嘗試使用土地利用動(dòng)態(tài)度研究的手段和方法進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度的分析，利用景觀學(xué)指數(shù)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)度進(jìn)行了量算，結(jié)果與客觀事實(shí)比較符合，將該方法引用到風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分析領(lǐng)域具有很好的適用性.

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