农田洪灾淹没损失评估模型研究

2011-06-05贾艾晨

水利与建筑工程学报 2011年6期

贾艾晨,王营,杨茜

(1.大连理工大学建设工程学部,辽宁大连 116024;2.重庆能源职业学院土木工程系,重庆 400041)

辽宁作为中国东北粮食基地的重要组成部分,地处温带季风气候区,四季分明,自然灾害频繁,是我国农业气候灾害影响严重的省份之一。1985年、1998年、2005年发生特大洪水,对全省经济造成严重损失。1985年全省仅洪涝灾害造成的经济损失就达47亿元[1]。因此研究该地区农作物的易损性及洪灾风险评估是极其有必要的。目前,随着信息技术的发展,能够准确的预测、预报、模拟洪水演进,清晰的显示洪水淹没范围、村庄、农田等信息[2]。水稻、玉米是辽宁省主要粮食作物,它们的生产稳定与否影响着全省的粮食产量。洪灾、干旱的频繁发生会阻滞农作物的正常生长,大大减少其产量。如何准确、定量地评估农业气象灾害风险,对国家的农业结构调整,特别是农业可持续发展、农业防灾减灾对策和措施的制定意义重大[3]。

1 易损性模型建立及损失率曲线绘制

洪涝灾害不是单一因素所致,而是众多因素共同作用的结果,因此洪灾损失率的计算较为困难。国内外,对洪灾损失率的研究中考虑淹没水深或淹没历时单项因素的文献较多,考虑其他因素的文献较少。周激流[4]等在其论文中应用遗传算法进行洪灾易损性分析建模;王宝华[5]等对国内外洪水灾害经济损失评估方法做了详细的综述,提到目前在计算洪灾损失率方面,国内外比较通用的是参数统计模型;丁志雄[6]在其博士论文中,选取普遍适用的非线性多因素统计回归计算模型计算洪灾损失率。

1.1 水稻易损性模型建立及损失率曲线绘制

水稻是辽宁省典型农作物,在遭遇洪灾时,较其它农作物耐淹能力强。水稻一般可以忍受3 d～5 d的水淹而无明显损失,但是当稻田被淹没7 d以上时水稻就会濒临绝产。在淹没水深、淹没历时相同情况下,灾损因洪灾发生时农作物所处生长期不同而不同。试验表明,对水稻而言,一般苗期和分蘖期洪灾损失较小,孕穗期和抽穗期洪灾损失较大。洪灾易损性模型作为承载体对致灾因子、孕灾环境的响应函数,模型建立的好坏对洪灾评估结果至关重要。由于它的非线性、动态性和多维性,使其构造较为困难。本文采用多因素参数统计模型。相关资料研究证明,农作物淹没损失的大小与淹没水深、淹没历时、生长期、品种等因素有关,也可以归结为淹没洪水特性、承载体特性两类因素。当研究具体某种农作物时,由于洪水一般发生在农作物的某一个具体生长期内,因此易损性模型建立只考虑淹没洪水特性因素是合理的。本文采用的数学模型基本方程[7]为

式中:Y为承载体损失率;H为淹没水深;T为淹没历时;A,b,c为待求参数。β为修正系数。

孕穗期以及抽穗期的在不同淹没水深下7 d以内的损失率,绘制出3个时期的损失率曲线。水稻品种不同、生长期不同,模型中参数选取也不同。辽宁洪灾大多发生在7～9月份,水稻正处于抽穗期,以抽穗期的模型计算为例,绘制水稻抽穗期损失率曲线,如图1、图2所示。

图1 水稻淹没水深与损失率关系曲线

图2 水稻淹没历时与损失率关系曲线

1.2 玉米易损性模型对比分析及损失率曲线选择

玉米是辽宁省第一大种植作物,但玉米也是辽宁省洪灾损失风险最大的农作物,其次是大豆和稻米[8]。旱地作物耐淹能力一般较差,在淹没水深10cm时,淹没历时1 d～2 d就会引起减产,受淹6 d～7 d就会死亡。通过研究分析金卫斌[9]等在其论文中提供的资料,将不同淹没水深、不同淹没历时下的玉米损失率拟合得到损失率曲线(如图3);根据前人关于农业方面不同农作物损失率的研究(Dushmanta[10],2003),绘制旱作物在不同淹没水深和不同淹没历时下的脆弱性曲线(如图4);同时,结合李香颜[11]玉米实验数据,得到玉米拔节期(图5)、抽雄期(图6)损失率曲线。经三者比较分析,且考虑到玉米在8月份处于抽雄期,选取李香颜实验数据拟合的抽雄期损失率曲线作为研究区域玉米损失计算依据。

图3 玉米淹没历时与损失率关系曲线

图4 玉米淹没历时与损失率关系曲线(Dushmanta)

图5 玉米淹没历时与损失率关系曲线(拔节期)

图6 玉米淹没历时与损失率关系曲线(抽雄期)

2 洪灾损失评估模型建立

2.1 洪灾损失评估模型建立

洪灾损失分为直接经济损失和间接经济损失,目前对直接经济损失的研究较多,但洪灾直接经济损失评估仍处于以统计为基础的半定性半定量阶段,很难对经济损失作出精确的定量判断。洪灾直接经济损失是指承载体受洪水冲击和淹没所造成的损失。直接经济损失估算公式[7]

式中:R农直为洪灾农作物直接经济损失;ηij为j级水深下,第i种作物的损失率大小;Wij为j级水深淹没范围内,第i种作物正常年产值;n为农作物种类;m为淹没水深等级。

论文中针对水稻一种作物进行经济损失评估,具体可简化为以下计算公式[6]

综合以上计算模型,其中,本文选取如下计算公式计算Wj

2.2 淹没水深计算原理

洪水淹没范围的模拟是十分复杂的,人工绘制网格精度较低,由于GIS在制图、网格划分方面的突出优势,本文采用的是基于GIS的“体积法”洪水淹没范围模拟模型。

式中:(x,y)为淹没区单元位置;H(x,y)为淹没单元位置处水深(H(x,y)＞0)(m);Hw(x,y)为淹没区单元位置处洪水水面高程(m);Hg(x,y)为淹没区单元位置处地面高程(m)。

对洪水淹没区A,洪水容积计算公式如下:

理论上,洪水水面可能为水平面、斜面甚至是复杂的曲面,但对于湖泊、水库、蓄滞洪区或局部低洼地等,水面可近似简化为水平平面,洪水水面高程可由一个或几个水面高程的均值决定[12]。同时,式(6)作如下简化:

取一Hw1使F(Hw)＜0,另取一Hw2,使F(Hw)＜0,在(Hw1,Hw2)区域内试算,找到 F(Hw)趋近于0的Hw,求得相应的淹没水深,Q为计算区的洪量(m3)。

3 损失评估实例分析

辽河是东北地区南部最大的河流,是中国七大河流之一。辽河流域暴雨多集中在6～9月份,大暴雨多在7、8月份。若发生特大洪水,会对当地带来严重的财产损失。因此对农作物的洪灾损失进行评估,是非常重要的一项任务。利用ArcGIS软件网络分析功能,建立淹没网格模型、得知三面船、前三面船、四台子以及兰旗遭洪水淹没,因此在计算农田淹没损失时,选取这四个村镇的农作物进行评估。损失评估的步骤如下:

(1)由《辽宁省县区基本情况年报》获取农作物统计数据,如表1所示。