张家界市洪涝灾害农业风险评估研究

辛学飞 黄骏 胡艳阳 吕昆坤 陈梦琼 朱金菊

摘要：洪涝灾害是发生频率较高、危害较重的一种自然灾害。因此，对洪涝灾害进行风险评估，能够有效减轻灾害损失，提高社会经济效益。本研究利用张家界地区桑植、永定、慈利3个站点1981-2010年的降水资料、张家界市主要农作物播种面积、洪涝受灾面积、成灾面积以及减产粮食量等数据，建立洪涝风险评估模型；根据逐日降水量数据的伽玛（gamma）分布特征，对其进行拟合，再分析计算张家界地区主要农作物需水量的特征值，对主要农作物进行洪涝风险评估。结果表明：张家界地区发生洪涝风险的概率很高，相对而言，发生低级别洪涝风险的概率更高；农作物遭受洪涝风险的概率自西向东逐渐增加，需水量越大的农作物遭受洪涝风险的概率越低。

关键词：洪涝风险；伽玛（gamma）分布；作物需水量

中图分类号：P426.616

文献标志码：A

论文编号：cjas14120022

0引言

暴雨是中国主要灾害性天气之一，暴雨常常引起山洪暴发、山体滑坡、泥石流等地质灾害和城市内涝，直接影响工农业生产。洪涝灾害对农作物生长和农业发展影响很大，因此中国专家、学者对洪涝农业风险评估做了大量研究工作，利用不同指标建立洪涝评估模型；有选取合适的降水概率模型，对洪涝灾害进行评估；还有利用GIS技术对洪涝灾害风险进行评估与区划；另外，还有从具体的农作物需水量出发，对洪涝灾害风险进行评估。这些研究表明，降水量的时空变化对洪涝风险影响很大。另外，洪涝灾害风险不仅受天气气候条件和下垫面性质的影响，还与当地防洪抗灾能力等诸多因素有关。张家界市位于湖南省西北部，地处长江中下游，每年遭受洪涝灾害的概率很高，而张家界地区又是一个依托农业和旅游业为主体的地区，因此对张家界地区进行洪涝风险研究，有着十分重要的意义。本研究拟选取适合的因子对洪涝灾害进行风险评估，再根据作物需水量特征值，对主要农作物进行洪涝风险评估，以期为张家界地区的农作物合理布局提供一些可行的依据。

1资料与方法

1.1资料来源

本研究主要收集了张家界地区1981-2010年的降水资料，张家界市主要农作物播种面积、洪涝受灾面积、成灾面积以及减产粮食量等数据。

1.2研究方法

洪涝灾害属于突发性灾害，受天气气候条件、地质条件和植被、社会经济能力、防洪抗灾能力等诸多因素影响。因此，洪涝灾害的发生具有不确定性。本研究引入受灾率、成灾率、降水变率、灾害脆弱度、灾害损失率5个反映洪涝灾害风险的因子，再采用自然灾害风险指数法将洪涝灾害风险归结为以上5个因子共同作用的结果。

1.2.1受灾率Ps 受灾率指洪涝受灾面积Ss占播种面积S的比率，见公式（l）。

Ps=Ss/S……………………（l）

1.2.2成灾率Pc 成灾率指洪涝成灾面积Sc占播种面积S的比率，见公式（2）。

Pc=Sc/S……………………（2）

1.2.3历年5-9月降雨量R的变率V 因张家界地区在5-9月期间发生洪涝的概率较大，本研究采取5-9月降雨量与历年同期平均降雨量?R之比表示降水变率，见公式（3）。

V=R/?R…………………………（3）

1.2.4灾害脆弱度E 本研究以成灾面积与受灾面积之比表示灾害脆弱度，见公式（4）。

E=Sc/Ss………………………（4）

1.2.5灾害损失率F 指洪涝灾害对农业生产的影响，主要表现在粮食减产程度上。因此，采用受灾率表示灾害损失率，见公式（5）。

F=r·Ps………………………（5）

式中：r只考虑了受灾面积不同程度时对粮食减产的影响。

为了统一量纲，对历年受灾率、成灾率、降水变率、灾害脆弱度和灾害损失率作0～1正规化处理后进行综合，并根据对灾害影响的程度赋予权重系数，从而得出灾害风险度W，以此评估历年洪涝灾害的风险程度，见公式（6）。

W=aPs′+bPc′+cV′+dE′+eF′……………………（61）

式中：a、b、c、d、e为各因素的权重系数，本研究中均取为1；Ps′、Pc′、V′、E′、F′为标准化处理后的受灾率、成灾率、降水变率、灾害脆弱度和灾害损失率。因为洪涝发生时，对农业的影响存在一定季节性差异，在实际计算中将洪涝风险分为3级。分级指标以W的大小为依据，并根据分级结果确定各级的受灾、成灾面积、粮食损失如表l所示。

1.3结果与讨论

通过以上洪涝风险度计算和分级结果，计算出1981-2010年张家界市洪涝灾害等级发生的年次概率分别为15%、15%、70%。张家界地区发生l、2级洪涝风险的概率比较低，发生3级洪涝风险的概率比较高。张家界地区降水量和降水强度时空分布不均，另外加之生态环境的破坏，导致水土流失现象较严重，从而增加了洪涝发生频率，每年都有发生洪涝灾害的风险，但是随着农作物抗灾能力的加强，以及水利灌溉设施的逐步完善，在一定程度上降低了张家界地区发生1、2级高洪涝风险的概率。

2主要农作物洪涝灾害风险评估

2.1逐日降水量的伽玛（gamma）分布特征以及对3站逐日降水量的拟合

如果连续型随机变量χ的密度函数满足，见公式（7）：

式中：α为伽玛分布的形状参数，α>0；β为伽玛分布的尺度参数，β>0。则随机变量χ服从伽玛分布，依据伽玛分布函数的特性，可计算出α和β。一般情况下，气象台站逐日降水量数据符合伽玛分布，因此本研究选取1981-2010年张家界市桑植、永定、慈利3站点逐日降水数据，使用Matlab软件的mle函数计算各站降水量伽玛分布2个参数（α、β）的最大似然估计。结果如下：桑植：α=0.4839，β=18.2896；永定：α=0.5055，β=17.9025；慈利：α=0.5127，β=19.0847。

因此，对桑植、永定、慈利3个站点逐日降水量的概率密度分布和累积分布分别进行拟合，得到3站的降水量的分布特征（见图1～3）。

由此也可知，桑植、永定、慈利3站的降水量频次分布（见图4～6），再使用Matlab软件的gampdf函数，即可得到各雨量对应的累积分布值。

2.2主要农作物的需水量指标与洪涝风险概率的确定

计算作物需水量（即作物最大蒸散量）的方法有很多种，其中包括经验公式法、水汽扩散法、能量平衡法及综合法等。本研究采用联合国粮农组织（FAO）推荐的Penman-Monteith公式及作物系数，计算出张家界市主要农作物逐月（日）平均需水量。具体计算公式见公式（8）：

ET_m=K_c×ET_o……………………（8）

式中：ET_m为作物需水量（mm），K_c为作物系数，ET_o为参考作物蒸散量（mm）。本研究选取张家界种植面积最为普遍的中稻和玉米作为研究对象，计算得出张家界市中稻的需水量范围为（500～800mm），玉米的需水量范围为（330～450mm），中稻日平均需水量的上限值约2.2mm；玉米日平均需水量上限值约1.2mm。农作物平均需水量上限值对应的累计分布值，即为农作物不会遭受洪涝的风险的概率（见表2）。

综上分析得出，玉米在张家界市桑植、永定、慈利遭受洪涝风险的概率分别为70%、72%、73%；中稻遭受洪涝风险的概率分别为61%、62%、64%，玉米和中稻自西向东遭受洪涝风险的概率逐渐增加，需水量越大的作物遭受洪涝风险的概率越低。

3结论

（1）张家界市降水量和降水强度在年际、季节存在明显的差异。另外，近年来随着生态环境的破坏，增加了洪涝发生频率。张家界市发生洪涝风险的概率很高，几乎每年都存在不同程度洪涝风险，其中l、2、3级洪涝风险出现的概率分别为15%、15%、70%，对比而言，发生低级别洪涝风险的概率更高。

（2）根据张家界主要农作物玉米、中稻日需水量的上限和3站逐日降水量的累积分布值，分析得出玉米在张家界市桑植、永定、慈利遭受洪涝风险的概率分别为70%、72%、73%；中稻遭受洪涝风险的概率分别为61%、62%、64%。玉米和中稻自西向东遭受洪涝风险的概率逐渐增加，需水量越大的作物遭受洪涝风险的概率越低。

4讨论

（1）张家界几乎每年都有洪涝灾害发生，因此预报洪涝灾害发生的时间、地点和强度显得尤为重要。另外，还要对农业结构进行合理化调整，增强对洪涝灾害的应变能力，最后要做好水库的科学调度，改造农田水利设施，可以有效减轻洪涝灾害损失。

（2）张家界地区主要种植作物为玉米和中稻，基本无早稻种植，本研究结论中玉米和中稻遭受洪涝风险的概率自西向东逐渐增加。因此，可建议适当增加张家界偏西地区的玉米和中稻种植面积。

（3）通过对张家界地区主要农作物的洪涝风险研究，对农业种植合理布局提供了适当的建议，但是在此只考虑了洪涝灾害的影响，并未考虑其他灾害的影响。可在今后的研究和探索中，将各种灾害综合考虑，对农业生产建议提供更有力的依据。