基于自然灾害系统理论的甘肃省农业旱灾风险评估

2014-07-25朱建海

中国水利 2014年14期

朱建海

（甘肃省抗旱防汛指挥部办公室，730099，兰州）

一、甘肃省旱灾概况

干旱灾害是甘肃省频繁发生的自然灾害之一。1950—2005年的56年中，有17个年份发生较为严重的旱灾，特别是1990—2007年的18年中，有7个年份发生大面积旱灾。近年，由于气候变化以及经济社会发展等诸多因素影响，全省干旱特别是中度以上干旱呈现出频次逐渐增加、旱情逐渐加重的趋势。频繁发生的旱灾，造成工农业生产大幅度减产、城乡居民生活用水严重困难和生态环境不断恶化。其中，农业生产受旱灾影响最为严重。据统计，1990—2013年，全省累计因旱受灾面积 4.36亿亩（15亩=1 hm2），累计因旱粮食损失185.0亿kg，占全省累计粮食总产量的9.4%。旱灾减产粮食最多的年份是2001年，减产159万t，超过当年粮食总产量的20%。

面对发生频次高、范围大、灾情重的干旱灾害，甘肃省逐渐形成以工程措施和非工程措施为主的抗旱减灾体系，在抗旱工作中起到了积极重要的作用。但是总体而言，甘肃省现状抗旱能力还比较弱，在旱情发生以后，采取单一、被动、应急性的抗旱措施和行动，其结果是抗旱设施不足、部门协调不力，抗旱减灾效果有限。为了既减轻已发生的旱灾可能造成的损失，又能够降低旱灾的发生概率及旱灾风险程度，需要由危机管理向风险管理转变。考虑到旱灾风险评估是旱灾风险管理的核心内容和关键环节，本文开展基于自然灾害系统理论的甘肃省农业旱灾风险评估研究，旨在推进甘肃省抗旱管理科学化、高效化进程，更好地适应当前抗旱减灾工作。

二、研究方法

1.评估方法原理

在灾害学中,通常认为自然灾害风险是由致灾因子的危险性(Hazard)、承灾体的暴露性(Exposure)和孕灾环境的脆弱性(Vulnerability)3个要素以及由此导致的灾情共同组成的宏观结构。旱灾风险由灾害风险引申而来，是指干旱的发生、发展对社会、经济及自然环境系统造成影响和危害的可能性。从自然灾害系统理论来说，旱灾风险表征的是致灾因子危险性与承灾体暴露性、孕灾环境脆弱性共同作用的结果。其中，致灾因子的危险性是指造成旱灾的自然变异因素及其异常程度，如天然降水异常偏少或气温异常偏高的程度等，一般危险性越大，旱灾的风险也越大。承灾体的暴露性，是指可能受到干旱缺水威胁的社会、经济和自然环境系统。一个地区暴露于干旱灾害危险因素的价值密度越高，可能遭受的潜在损失就越大，风险也就越高。孕灾环境的脆弱性是指缓冲和吸收干旱不利影响的能力，包括社会经济发展水平、产业结构、农作物种植结构、基础灌溉设施建设、防旱抗旱保障体系建设以及人们防旱抗旱意识的强弱等。一般孕灾环境的脆弱性越低，灾害风险也越低。从系统的角度来说，致灾因子危险性为系统输入，承灾体暴露性、孕灾环境脆弱性为系统转换，旱灾风险为系统输出。需要指出的是，旱灾风险并不等同于旱灾，只有当因干旱造成的影响和危害的可能性变为现实，风险才转化为灾害。

2.评估指标体系构建

根据自然灾害系统理论，农业旱灾风险评估的重点是对致灾因子的危险性、承灾体的暴露性和孕灾环境的脆弱性分别进行分析和评价，此过程中指标的选取至关重要。本研究选取的甘肃省农业旱灾风险评估指标体系见表1。

3.评估模型构建及数据处理方法

（1）评估模型构建

根据自然灾害系统理论，旱灾风险是致灾因子危险性与承灾体暴露性、孕灾环境脆弱性共同作用的结果。但具体是何种作用机制目前并没有统一的模式。就已有研究来说，采取相加模式和相乘模式较为普遍。本研究中，采取相加模式进行甘肃省农业旱灾风险评估。评估模型如下：

其中，R为风险值，H为危险性值，E为暴露性值，V为脆弱性值。

三个性质数值的计算如下式：

其中，X指危险性/暴露性/脆弱性，ωi为第i个指标的权重，xi为第i个指标值。

（2）指标权重的确定

采用基于层次分析法的模糊综合评价方法，确定指标的权重系数。层次分析法是一种定量与定性相结合的多目标决策分析方法，核心是将决策者经验判断定量化，为决策者提供定量形式表达的决策参考依据，在多目标、结构复杂且缺乏必要数据情况下相当实用。层次分析法的基本思路是：首先将所要分析的问题层次化，根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解成不同的组成因素，按照因素间的相互关系及隶属关系，将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层分析结构，最终归结为最低层（如指标）相对于最高层（总目标）相对重要程度的权值或相对优劣次序的问题。层次分析法与其他确定指标权重系数的方法相比，最大优点在于通过一致性检验，保持专家思想逻辑上的一致性，在评价工作中应用广泛。

判断矩阵U表示对于上一层次某个元素uij的相对重要性。

根据判断矩阵U=[ui,j]，求出最大特征根所对应的特征向量，特征向量为各评价因素重要性排序，即权值。其中，i=1，2，…，n；j=1，2，…，n。

判断矩阵最大特征根所对应的特征向量w：

其中，

用如下公式检验判断矩阵的一致性：

表1 甘肃省农业旱灾风险评估指标体系

其中，

式中，(UW)i为向量UW的第i个元素；n为指标个数。

按照层次分析法，计算得出各指标的权重，参见表1。通过一致性检验，认为评价矩阵及权重值是合理的，具有一致性。

（3）标准化处理

由于不同指标的性质和量纲不同，它们之间没有可比性，也无法进行综合计算处理，因此需要对指标值进行标准化处理，使其成为无量纲且处于[0,1]区间的数值。

对于正向指标（指标值越高，其上一级指标值也越高）：

式中，xj、xmin、xmax分别为评价区间对应于某变量j的数值、j数据系列的最小值和最大值；yj为该区第j个指标值标准化后的值，介于0～1之间。

对于负向指标（指标值越高，其上一级指标值越低）：

为了避免0和1的边界值问题，可以将变量数据系列的最高值和最低值分别提高和缩减5%。这样可以提高高值地区的评价结果。所以，上两式修正为如下格式：

（4）等级划分

为了把定量计算与定性评估结合起来，将不同地区的风险值及影响的三因素值进行等级划分，每个性质划分成低、较低、一般、较高、高5个等级。对于计算得出的87个县（区）的危险性、暴露性、脆弱性、风险值，用隶属度方法将其进行等级划分（见表2）。隶属度是在[0,1]之间的数值，越大表示越接近该性质，越小表示越远离，因此可以根据隶属度大小划分等级。

隶属度函数如下式，并按照表中阈值划分：

式中，zi为第i个评价区的因子值，zmax为因子值中的最大值，zmin为因子值中的最小值。

三、结果分析

1.危险性分析

由上述方法计算得出甘肃省各区县农业旱灾危险性值，并将结果绘制成图1。由图1可见，由于降水稀少、水资源相对匮乏，全省大部分地区都处于高危险性等级。危险性在流域分布上，黄河流域＞内陆河流域＞长江流域；在地级市分布上，嘉峪关、白银、临夏市较大，而天水市、陇南市、甘南州较小。

2.暴露性分析

各区县农业旱灾暴露性结果见图2，农业生产较发达的地区农业暴露性较大，全省大部分区县处于轻、较轻及一般等级。流域的暴露性呈现内陆河流域＞黄河流域＞长江流域。酒泉、武威市的部分区县最高，陇南市、甘南州最低。

3.脆弱性分析

甘肃省各区县农业旱灾脆弱性结果见图3，全省大部分地区脆弱性较高，地域上呈现中部较轻、两边较重的趋势，内陆河流域轻于黄河流域及长江流域。其中，白银市、定西市、甘南州水资源开发利用程度极高，农村人口比例大，农田有效灌溉比例低，脆弱性较高；而省会兰州经济较发达，抗旱措施比较完善，嘉峪关市虽然降水量少，但是农业比重较小，有效灌溉率高，居民收入及抗旱投入较高，因此这两市脆弱性最低。