塔里木河流域干旱風(fēng)險評估與區(qū)劃*

孫 鵬，張 強(qiáng)，鄧曉宇，白云崗，張江輝

(1.中山大學(xué)水資源與環(huán)境系//廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510275;2.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊 830049）

干旱災(zāi)害是最復(fù)雜且又是被人們了解得最少的自然災(zāi)害，是造成經(jīng)濟(jì)損失最為嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，由于干旱災(zāi)害具有發(fā)生頻率高、持續(xù)時間長和影響范圍廣特點(diǎn)、對環(huán)境及農(nóng)業(yè)的危害非常大［1－2］。塔里木河流域 (下文簡稱塔河流域)地處歐亞大陸腹地，是世界上少數(shù)極端干旱氣候區(qū)之一，干旱對塔河流域的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、人民生活特別是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害極大。據(jù)統(tǒng)計［3－4］，旱災(zāi)影響范圍和旱災(zāi)成災(zāi)面積呈逐年增加趨勢。塔河流域是中國重要的植棉基地、甜菜基地、重要特種果品生產(chǎn)基地、商品糧基地和能源基地［5］。因此，正確客觀地評估干旱對塔河農(nóng)業(yè)的影響，準(zhǔn)確有效的區(qū)劃塔河流域農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險，具有十分重要的實(shí)踐意義，為制定防災(zāi)減災(zāi)對策提供科學(xué)依據(jù)。

旱災(zāi)風(fēng)險評價及其風(fēng)險管理研究是水資源管理和災(zāi)害學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一［6－8］，國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)主要對旱災(zāi)風(fēng)險特別是農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行量化和評估，但是針對塔河流域干旱指標(biāo)和干旱風(fēng)險的研究甚少。以往的研究大多數(shù)比較重視致災(zāi)因子的風(fēng)險度分析，對于承災(zāi)體易損性 (即脆弱性)評價因子的分析過于薄弱，人類活動的抗災(zāi)減災(zāi)作用對干旱風(fēng)險的影響并沒有得到充分的考慮。基于此，本文選取標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)作為干旱危險度指標(biāo)和人口密度、灌溉面積比重、糧食單產(chǎn)等9個干旱易損度指標(biāo)建立塔河流域的干旱風(fēng)險評估。該研究為塔河地區(qū)抗災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃和進(jìn)行科學(xué)決策提供有價值的依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)

本文所分析數(shù)據(jù)為塔河流域21個氣象站1960－2008年的月降水量 (圖1)，數(shù)據(jù)由國家氣象中心提供;另外還搜集42個縣市2010年的人口、男性人口、女性人口、農(nóng)業(yè)人口、文盲人口占15歲及以上人口比例、0－14歲人口、15－59歲人口、60歲以上人口、耕地面積、有效灌溉面積、受旱面積、糧食產(chǎn)量、干旱造成農(nóng)業(yè)直接經(jīng)濟(jì)損失、地區(qū)生產(chǎn)總值資料，此資料由塔木流域管理局和統(tǒng)計年鑒提供［9－10］。降水量的部分?jǐn)?shù)據(jù)缺測，缺測資料不超過樣本的1%，具有較好代表性，本文選取該數(shù)據(jù)的前后天的數(shù)據(jù)平均值作為該天的數(shù)據(jù)［11］。

2 方法

風(fēng)險是某一災(zāi)害發(fā)生的概率和期望損失的乘積，根據(jù)定義可以將風(fēng)險評估分為危險度和易損性的乘積［12］。與其他自然災(zāi)害風(fēng)險相同，干旱風(fēng)險主要受到實(shí)際干旱程度和承災(zāi)體容易受到干旱影響的程度共同決定的。因此，本文主要從干旱危險度和承災(zāi)體的易損度進(jìn)行分析。

圖1 塔里木河流域氣象站點(diǎn)位置示意圖Fig.1 Location of the meteorological stations in the Tarim River Basin

2.1 干旱危險度評價

本文運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)來分析塔河流域干旱等級和干旱時空分布，標(biāo)準(zhǔn)降水指標(biāo)由Mckee等在1993年提出［13］，由于標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)具有資料獲取容易，計算簡單，能夠在不同地方進(jìn)行干旱程度對比等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用［14］。標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)基于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，因此不同等級標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的干旱具有對應(yīng)的理論發(fā)生概率，其等于特定干旱等級中標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)上下限值的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布累積概率之差。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)值對應(yīng)的干旱等級以及發(fā)生概率見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)降水指標(biāo)干旱等級Table 1 Classification scales for SPI

由于前期降水對干旱有較大的影響，因而標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)考慮不同時間尺度的值，將不同時間尺度的前期降水納入計算，考慮它們對水資源盈缺狀況的影響。不同時間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)具有不同的物理意義。時間尺度較短的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)能一定程度反映短期土壤水分的變化，這對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是有重要意義的。短期干旱對于農(nóng)業(yè)耕作具有很大的負(fù)面影響，能很好的揭示春旱、夏旱和秋旱對于塔河地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。時間尺度較長的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)能反映較長時間的徑流量變化情況，對于水庫管理有重要作用［15］，為了全面反映塔河流域的干旱，本文選擇時間尺度為3月和12月的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù) (簡稱為SPI3和SPI12)對塔河流域的干旱危險度進(jìn)行分析。

根據(jù)表1中標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，計算3個月尺度和12個月尺度的干旱等級實(shí)際發(fā)生的概率，同時賦予不同干旱等級權(quán)重系數(shù)，根據(jù)各個干旱等級的實(shí)際發(fā)生干旱的概率再細(xì)分為四個等級，具體見表2。定義干旱危險度指數(shù)(Drought Hazard Index)為:

其中，Lr表示輕度干旱的等級，Lw表示輕度干旱的權(quán)重;Mr表示中度干旱的等級，Mw表示中度干旱的權(quán)重;Sr表示重度干旱的等級，Sw表示重度干旱的權(quán)重;Er表示極端干旱的等級，Ew表示極端干旱的權(quán)重。

表2 干旱程度的權(quán)重和等級的劃分Table 2 Weights and ratings assigned to drought severity themes and features of the themes

2.2 干旱易損度評價

本文根據(jù)搜集的資料選取了9個易損度指標(biāo)，運(yùn)用Natural breaks方法分別將9個干旱易損度指標(biāo)分為4個等級，Natural breaks方法是按照數(shù)據(jù)固有的自然組別分類，使得類內(nèi)差異最小，類間的差異最大，并得到廣泛的應(yīng)用［15］。9個干旱易損性指標(biāo)中，糧食單產(chǎn)和灌溉面積比重數(shù)值越大，代表地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力高，抗旱能力強(qiáng)，其干旱易損性的等級越低;其他7個指標(biāo)的干旱易損性等級隨著指標(biāo)數(shù)值的增大而增大。在本文計算中為了保持一致性，將糧食產(chǎn)量和灌溉面積比重等級與指標(biāo)數(shù)值反向排列，其他指標(biāo)的等級與指標(biāo)數(shù)值成正向排列。塔河流域綜合干旱易損性的指標(biāo) (DVI)的公式如下:

其中，Gr表示因旱農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失占GDP比重的干旱易損性等級;Fr表示女性與男性比的易損性等級;Pr表示人口密度的易損性等級;Ir表示文盲率的易損性等級;Dr表示撫養(yǎng)比的易損性等級;Ar表示農(nóng)業(yè)人口比重的易損性等級;Lr表示灌溉面積比重的干旱易損性等級;Pr表示糧食產(chǎn)量，即每hm2耕地全年所生產(chǎn)的糧食數(shù)量的干旱易損性等級;Br表示干旱受災(zāi)率的易損性等級。

根據(jù)聯(lián)合國1991年［16］提出的風(fēng)險表達(dá)式，塔河流域干旱風(fēng)險評估 (DRI)的表達(dá)式為:

其中，DHI表示各縣市干旱危險度，DVI表示各縣市的干旱的易損度，如果某一地區(qū)沒有干旱發(fā)生或者易損性極低，那該地區(qū)的干旱風(fēng)險為0。比如塔河流域的沙漠和高山地區(qū)，特別是沙漠地區(qū)的干旱發(fā)生概率極高，但是該地區(qū)人類活動非常少，其易損性極低，這些地區(qū)的干旱風(fēng)險為0。因?yàn)椴⒉皇橇饔虻拿總€縣市都有相應(yīng)的干旱危險度，縣市沒有干旱危險度的情況下，本文我們采用相近的氣象站的干旱危險度為該縣的干旱危險度。

3 結(jié)果與討論

3.1 干旱危險度分析

由圖2a知，塔河流域的西南部地區(qū)的輕度干旱發(fā)生的頻率大于其他地區(qū)，干旱發(fā)生概率最高的地區(qū)集中在西南部地區(qū);中度干旱發(fā)生頻率高的地區(qū)主要分布在塔河流域的東北部，其他地區(qū)重度干旱發(fā)生頻率低 (圖2b)。重度干旱發(fā)生頻率高的地區(qū)主要分布在塔河流域的中部地區(qū)和西北部小部分地區(qū) (圖2c);極端干旱發(fā)生頻率較高的區(qū)域則分布在塔河流域的北部地區(qū)，其他地區(qū)重度干旱發(fā)生頻率低 (圖2d)。隨著時間尺度的增大，SPI的不同干旱等級發(fā)生干旱頻率較高的區(qū)域面積也隨著增大，塔河流域東部地區(qū)的SPI12輕度干旱發(fā)生頻率高，塔河流域南部和西部輕度干旱發(fā)生頻率低(圖3a);與SPI12輕度干旱相比，SPI12中度干旱發(fā)生頻率高的地區(qū)則進(jìn)一步擴(kuò)大，主要分布在塔河流域東部、北部、西北部 (圖3b);SPI12重度干旱發(fā)生頻率高的區(qū)域由東部往西部轉(zhuǎn)移，主要集中在北部和西部，干旱發(fā)生概率小的地區(qū)分布在南部地區(qū)，但是面積進(jìn)一步縮小 (圖3c);SPI12極端干旱發(fā)生概率最高的空間分布與SPI12其他等級干旱的空間分布相似，主要分布在南部、西部地區(qū)和東北的部分地區(qū) (圖3d)。

圖2 SPI3的干旱等級時空分布圖Fig.2 Spatial extent of SPI at 3 months times

圖3 SPI12的干旱等級時空分布圖Fig.3 Spatial extent of SPI at 12 months times

根據(jù)公式 (2)計算不同時間尺度的干旱危險度指數(shù)，根據(jù)Natural breaks方法和反距離權(quán)重法對不同時間尺度的干旱危險度指數(shù)進(jìn)行分級和空間插值，結(jié)果見圖4。圖4 a顯示SPI3干旱發(fā)生頻率最高和較高的區(qū)域主要分布北部 (天山南坡)和西北部地區(qū)的，南部和東部干旱發(fā)生的頻率較低，該結(jié)果與張強(qiáng)等研究南疆地區(qū)南部干旱歷時和干旱強(qiáng)度輕微上升相一致［17］。SPI12干旱發(fā)生頻率最高和較高的區(qū)域主要分布在中部和西南部地區(qū)，東南部地區(qū)干旱發(fā)生頻率較低 (圖4b)。

圖4 SPI3和SPI12的干旱危險度區(qū)劃圖Fig.4 District level drought hazard maps at 3 months and 12 months times

3.2 干旱易損度分析

圖5是社會經(jīng)濟(jì)易損度的空間分布圖，塔河西北部地區(qū)因旱農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失百分比指標(biāo)反映地區(qū)農(nóng)業(yè)損失占整個地區(qū)GDP總量的百分比高，東部和西南部地區(qū)較低 (圖5a)。從人的個體來看，性別對易損度有一定影響。如婦女由于生理和心理上的原因，在遭受自然災(zāi)害時比男子更容易受到傷害［19］。西部地區(qū)和南部地區(qū)女性與男性的比率最高，中西部地區(qū)其他縣市的比率也較高 (圖5b)。人口密度高的區(qū)域主要集中在西北部和西南部地區(qū)，東南部地區(qū)和南部地區(qū)人口密度較低。人口密度較高的地區(qū)主要集中在西北部地區(qū)和西南部地區(qū)(圖5c)。文盲率是指:文盲人口占15歲及以上人口百分比，西北部地區(qū)和西南部地區(qū)的文盲率較高，東北部的巴州地區(qū)文盲率最低 (圖5d)。撫養(yǎng)率越低，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展創(chuàng)造了有利的人口條件，整個國家的經(jīng)濟(jì)呈高儲蓄、高投資和高增長的局面。當(dāng)撫養(yǎng)比下降時，由于全社會用來撫養(yǎng)的壓力減輕，抵御災(zāi)害的能力大大提高。西南部的撫養(yǎng)比較高，塔河?xùn)|部的撫養(yǎng)比是最低的 (圖5e)。整體上，塔河流域農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诘陌俜直容^高，塔河流域西部和東北部地區(qū)農(nóng)業(yè)人口比重相對較低，中西部地區(qū)和南部地區(qū)的各縣市農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诘陌俜直榷驾^高，這也說明該地區(qū)主要以農(nóng)業(yè)為主。農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诘陌俜直容^高的地區(qū)主要分布中部和西南部地區(qū) (圖5f)。

圖5 社會經(jīng)濟(jì)干旱易損度區(qū)劃圖Fig.5 District level maps of socio-economic drought vulnerability indicators

圖6 物質(zhì)干旱易損度區(qū)劃圖Fig.6 District level maps of physical/structural drought vulnerability indicators

圖7 各縣市綜合干旱易損度圖Fig.7 Composite drought vulnerability map of Tarim River Basin

圖6a顯示塔河南部和西南部的各縣市的灌溉面積比是最高的，塔河北部地區(qū)灌溉面積比較低。有效灌溉面積對保障干旱區(qū)綠洲糧食生產(chǎn)與安全具有重要的意義［20］，有效灌溉面積比重越高，該地區(qū)的抗旱能力越強(qiáng)。同樣，單位面積糧食產(chǎn)量也反應(yīng)了該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平，北部地區(qū)的單位面積的糧食產(chǎn)量最高，其次是中部地區(qū)的各縣市，塔河?xùn)|部地區(qū)糧食產(chǎn)量較低 (圖6b)。塔河西部和中南部地區(qū)的干旱受災(zāi)率是最高的，北部和西南部地區(qū)的干旱受災(zāi)率較低 (圖6c)。

塔河流域區(qū)別去其他區(qū)域的一個最重要的特點(diǎn)是塔里木河流域的縣級行政區(qū)劃中包括山區(qū)、戈壁灘和沙漠等無人區(qū)，無經(jīng)濟(jì)活動的區(qū)域則不存在旱災(zāi)易發(fā)問題，因此塔河流域干旱易損度區(qū)劃圖應(yīng)該按照縣級行政區(qū)劃中的綠洲范圍進(jìn)行繪制。由圖7知:干旱易損度特重的區(qū)域主要分布在塔河流域南部和西北部地區(qū);干旱易損度重度的區(qū)域主要分布在西南地區(qū)和中北部地區(qū);塔河流域中東部地區(qū)干旱易損度較低。圖8是根據(jù)公式 (4)計算的干旱風(fēng)險圖，西北部的SPI3干旱風(fēng)險等級主要重度和特重的，塔河流域南部和東北地區(qū)的各縣市的SPI3干旱等級在輕度和中度之間 (圖8a)。隨著時間尺度的增大，輕度干旱風(fēng)險和重度干旱風(fēng)險的縣市減少，但是特重干旱風(fēng)險的縣市明顯增加 (圖8b)，特重干旱風(fēng)險的縣市主要分布在塔河流域的西南部，重度干旱風(fēng)險主要分布在塔河流域的中部的縣市，塔河流域的東部和東北部地區(qū)主要是輕度干旱風(fēng)險。

圖8 3個月和12個月尺度干旱風(fēng)險圖Fig.8 Risk maps of droughts at 3 months and 12 months times

4 討論和結(jié)論

綜合分析不同時間尺度的干旱風(fēng)險圖可知，塔河流域西部的各縣市的干旱風(fēng)險等級是最高的，其次塔河南部西北部干旱風(fēng)險等級較高，塔河?xùn)|北地區(qū)和東南地區(qū)的縣市干旱風(fēng)險度較低。干旱風(fēng)險度與干旱危險度、干旱易損度分布具有一致性，干旱風(fēng)險度主要受干旱危險度的影響，特別是干旱危險度最高的塔河流域西部和北部區(qū)域也是風(fēng)險度高值區(qū)。通過分析各干旱易損度指標(biāo)與干旱易損度的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)人口比重、總撫養(yǎng)比和因旱農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失占GDP比重標(biāo)與干旱易損度的相關(guān)性高，女性與男性比、文盲率次之，該指標(biāo)的高值區(qū)也是干旱風(fēng)險度高的區(qū)域 (圖4e，f)。人口密度與干旱易損度的相關(guān)性最低，糧食產(chǎn)量與灌溉面積比重與干旱易損度成負(fù)相關(guān)性。因?yàn)樾陆貐^(qū)人口密度過低、人口過度分散，南疆2010年的人口密度是9.4人/km2，各地區(qū)人口密度過低造成相關(guān)性最低。盡管塔河流域西部和南部各縣市的灌溉面積比重較高，但是塔河流域西部和南部地區(qū)有效灌溉面積因工程設(shè)施損壞報廢、建設(shè)占地、機(jī)井報廢而減少［20］，該地區(qū)的糧食產(chǎn)量低于塔河流域其他地區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力低于塔河流域其他地區(qū)，西部和南部地區(qū)的干旱易損度高于其他地區(qū)，塔河流域西部地區(qū)的不同尺度干旱危險度高于塔河流域南部地區(qū)的干旱危險度，因此塔河流域西部干旱風(fēng)險等級高于塔河南部地區(qū)。

本文選取不同尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)為危險度指標(biāo)和人口密度等9個干旱易損度指標(biāo)建立塔河流域的干旱風(fēng)險評估，并分析了塔河流域干旱危險度、干旱易損性及干旱風(fēng)險度的空間變化特征，得到以下有意義的結(jié)論:

1)塔河流域北部和西部地區(qū)的SPI3的干旱危險度高，南部和東部地區(qū)干旱危險度低;塔河流域中部和西北部地區(qū)SPI12的干旱危險度高。塔河流域西北和西南地區(qū)的干旱易損度高于其他地區(qū)，其中西南部地區(qū)的干旱易損度最高。農(nóng)業(yè)人口比重、總撫養(yǎng)比和因旱農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失占GDP比重與干旱易損度的相關(guān)性最高。

2)塔河流域中部地區(qū)和西部地區(qū)的女性與男性比率、人口密度、文盲率、撫養(yǎng)比、農(nóng)業(yè)人口比重、灌溉面積比重大于其他地區(qū);中部地區(qū)和西部地區(qū)的面積糧食產(chǎn)量低于塔河流域其他地區(qū)。

3)塔河流域西部的干旱風(fēng)險等級是最高的，其次塔河南部和西北部地區(qū)的干旱風(fēng)險等級較高，東北地區(qū)和東南地區(qū)的干旱風(fēng)險度較低。

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