基于灾害风险因子的青海省干旱灾害风险区划

李万志，张调风，马有绚，冯晓莉，余 迪，陈冀青

(1.青海省气候中心，青海 西宁 810001；2.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁 810001 )

引 言

气象干旱主要是降水异常偏少导致的水分短缺现象，而干旱灾害则是干旱自然现象和人类活动共同作用的结果，是自然环境系统和社会经济系统在特定的时空条件下耦合的特定产物[1-2]，且随着全球气候变暖，干旱灾害已逐渐成为对人民生产和生活影响较大的主要自然灾害之一[3-5]。IPCC系列评估报告指出，未来干旱风险有不断增加趋势[6-7]，开展干旱灾害风险区划以及评估方面的研究，进行干旱灾害风险管理，是减少或避免干旱灾害损失的有效途径[8-10]，对农业结构调整及气象防灾减灾工作具有重要意义。

气象灾害风险评估和区划是当前研究的热点，很多研究基于信息扩散理论、信息熵的理论与方法、模糊聚类循环迭代模型等方法对不同区域的干旱灾害风险进行了评估和区划[11-14]；但由于数据短缺等因素，部分方法在青海高原地区并不适用。2014年，IPCC第五次评估报告(AR5)中给出了最新的风险评估公式[15]，指出风险评估基础和先决条件是致灾因子的危险性、承灾体的脆弱性和暴露度。通常干旱灾害的形成原因复杂，既包括自然因素，又涵盖社会经济因素，盛巧玲等[16]从致灾因子危险性和承灾体的易损性两方面开展了重庆市干旱灾害风险评估，石界等[17]从孕灾环境、致灾因子、承灾体三方面对定西市干旱灾害风险进行了评估，但两者都没有考虑防灾减灾能力，当地防御水平的高低对灾害的发生也有较大影响。王莺等[18]在分析致灾因子危险性、孕灾环境脆弱性、承灾体暴露性的基础上，进一步考虑了防灾减灾能力的影响，对中国南方干旱灾害进行风险评估，他们的研究综合考虑了影响灾害发生的各要素，更接近干旱灾害风险的本质特征，对降低区域干旱灾害风险具有指导意义，同时对数据短缺地区风险评估工作的开展具有很好的参照性[19-21]。

青海省地处青藏高原东北部，属干旱、半干旱高原气候，日照时数长、降水量少、蒸发量大，干旱是青海最为严重的气象灾害之一[22]，出现频率高、持续时间长、影响范围广[23]，且随着青海人口增多和经济增长，干旱灾害带来的风险也越来越高。以往有关青海干旱灾害发生的规律、强度、原因等方面的研究较多[24-25]，但对青海省干旱灾害风险区划和评估方面研究较少，本文主要通过自然灾害风险理论，基于GIS等工具，对青海省干旱灾害风险进行区划和评估，以期为该省干旱灾害防御以及产业合理布局提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

青海省(89°35′E—103°04′E、31°40′N—39°19′N)位于中国西部，青藏高原东北部，东西长约1200 km，南北宽约800 km，总面积72.23×104km2，全省平均海拔3000 m以上，地势特征总体呈西高、东低，南北高、中部低的态势(图1)。气候以高寒干旱为总特征，属于典型高原大陆性气候，各地年平均气温在-5.1～9.0 ℃之间，具有年平均气温低、日温差大、年温差小等特点，年降水量在15.4～732.5 mm之间，总分布趋势由东南向西北逐渐减少，即东部雨水较多、西部干燥多风。

图1 青海省地形及气象站点图Fig.1 The topography and meteorological stations in Qinghai Province

1.2 资 料

(1)气象数据：青海省50个基本站1961—2018年逐日降水量、气温、相对湿度，数据源自青海省气象信息中心。

(2)地理信息数据：国家信息中心下发的1:250 000 GIS地图中提取的地形高程、河网数据、行政区划等基础地理信息数据；植被盖度由MODIS产品中的NDVI数据计算获得。

(3)社会经济数据：2018年各州(市)、县、乡镇的国土面积、农牧业状况、GDP状况及人口数量等，数据来源于中国县域统计年鉴2018(乡镇卷)[26]。

(4)气象干旱综合指数(MCI)：改进的气象干旱综合指数(MCI)已经在国家和省级干旱监测业务中进行了检验[27-29]，该指数基于水分平衡原理，考虑的影响因素相对全面，可以较好地反映干旱事件过程的综合影响。因此选用1961—2018年MCI指数作为监测指标，并结合青海省地方标准《气象灾害等级划分(DB63)》[30]统计青海省不同等级干旱灾害发生日数，干旱等级划分见表1，MCI指数计算方法详见文献[31]。

表1 气象干旱综合指数(MCI)等级划分Tab.1 Grades classification of drought based on meteorological drought composite index (MCI)

文中附图涉及地图均基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2017)3320的标准地图制作，底图无修改，坐标系为2000国家大地坐标系。

1.3 方 法

1.3.1 干旱灾害风险评估指标的建立

首先对各指标进行归一化处理以消除各指标之间的量纲差异[32]。干旱灾害的危险性、暴露性和脆弱性所包含的各指标归一化计算公式为：

(1)

式中：Dij为j站点第i个指标的归一化值；Aij为j站点第i个指标值；Aimin和Aimax分别为第i个指标值中的最小值和最大值。由于对灾害的防灾减灾能力越强，相应的灾害风险也越小，因此防灾减灾能力的各指标归一化与其他要素不同，计算公式为：

(2)

各评价因子指数的计算采用加权综合评价法，该方法综合考虑每个指标对总体对象(因子)的影响程度，计算公式如下：

(3)

式中：Vt为评价因子加权求和后的值；Wi为指标i的权重；Dit为对于因子t的指标i的归一化值；n为评价指标个数。

各因子权重主要采用层次分析法(AHP)计算，它是用一种标度对人的主观判断进行客观定量化，具体计算方法参见文献[33]、[34]。

最后根据自然灾害风险评估原理及评价指标体系，利用加权综合评价法，建立干旱灾害风险指数模型，计算公式如下：

MDRI=aVD×bVh×cVs×dVr

(4)

式中：MDRI为干旱灾害风险评估的综合指数，用来表示干旱灾害风险的程度，MDRI值越大，表明该区域干旱灾害风险的程度越大；VD、Vh、Vs、Vr分别是根据公式(3)加权综合评价法计算得到的干旱灾害危险性指数、脆弱性指数、暴露性指数和防灾减灾能力指数，a、b、c、d是各评价因子的权重。

1.3.2 干旱灾害风险评估指标的选取

结合干旱灾害对青海省的实际影响状况，选择基于气象干旱综合指数(MCI)计算的不同等级干旱灾害日数作为致灾因子指标，选取人口密度、地均耕地面积、地均大牲畜存栏数、地均可利用草场面积作为承灾体的评估指标，选取地形起伏度、植被覆盖度以及河网密度作为孕灾环境的评估指标，选取人均GDP作为防灾减灾能力的评估指标，具体指标及权重见表2、表3。并通过自然断点法将计算的致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性以及防灾减灾能力分别划分为5级：低、较低、中等、较高、高，最终对青海的干旱灾害按照高风险区、较高风险区、中等风险区、较低风险区和低风险区进行区划。

表2 青海省干旱灾害风险评估指标体系Tab.2 The index system of drought disaster risk assessment in Qinghai Province

表3 青海省干旱灾害风险评估指标因子权重Tab.3 The weights of drought disaster risk assessment indexes in Qinghai Province

2 结果分析

2.1 致灾因子

通常，干旱灾害致灾因子的危险性越高，其造成旱灾的风险性也随之越高，而不同等级干旱日数在一定程度上可以体现干旱灾害的强度及其影响时间。统计青海省1961—2018年不同等级历年气象干旱日数，分别取其平均值作为干旱灾害的致灾因子，并在ArcGIS软件中用反距离权重法进行空间插值，获得其空间分布，再将矢量图层转化为栅格图层，基于公式(3)计算干旱灾害致灾因子的危险性指数。由图2可以看出，致灾因子危险性最高的地区主要在青海省东部地区，包括互助、平安、乐都、民和、循化、贵德、同仁等地；较高风险区主要分布在青海省东部和南部地区，主要包括祁连、门源、刚察、海晏、湟源、湟中、大通、尖扎、兴海、河南、泽库、称多等地；中等风险区主要在青海中部地区和东南部地区，包括托勒、天峻、玉树、囊谦、班玛、杂多等地；较低风险区和低风险区主要分布在青海的西部地区，其中较低风险区包括茫崖、五道梁、小灶火、乌兰等地，低风险区包括格尔木、冷湖、诺木洪、大柴旦、德令哈等地。

图2 青海省干旱灾害致灾因子危险性区划Fig.2 Regionalization on dangerousness of drought disaster causing factors in Qinghai Province

2.2 孕灾环境

在同等灾害致灾影响程度下，孕灾环境的脆弱性越高，则干旱灾害产生的风险性越大。水系对干旱影响最明显，有水的地方或距离水体近的地方不容易发生干旱，而地形起伏较大的地方不容易储水，同时植被覆盖度越低的地区也越容易出现干旱。图3为青海省干旱灾害孕灾环境脆弱性区划。可以看出，孕灾环境脆弱性风险整体自西北向东南逐渐降低，其中孕灾环境脆弱性风险较高的地区主要分布在青海省西北部地区，包括茫崖、冷湖、小灶火、大柴旦、格尔木、诺木洪等地，主要由于该地区海拔高、地形起伏度比较大、植被覆盖度较低、河网密度稀疏；孕灾环境脆弱性风险较低的地区主要在青海省东南部，包括囊谦、玉树、杂多、称多、达日、班玛、久治、玛沁等地，主要由于该地区位于三江源头，水系发达、河网密集，同时植被覆盖程度较高，对干旱灾害可以起到一定的削弱作用。而青海省东部地区，河网较为密集、植被覆盖度相对较高、地势起伏相对较小，属于孕灾环境脆弱性的中等和较低风险区。

图3 青海省干旱灾害孕灾环境脆弱性区划Fig.3 Regionalization on vulnerability of drought disaster breeding environment in Qinghai Province

2.3 承灾体

承灾体是受干旱威胁的主体，图4为青海省干旱灾害承灾体暴露性区划。可以看出，承灾体暴露性的高风险区主要在青海省东部地区，包括西宁、大通、湟源、湟中、互助、乐都、平安、尖扎、循化、民和等地，这些地区是青海省经济最发达和人口最集中的地区，同时也是青海省主要的农业种植区，受干旱灾害的影响也较大；而除上述地区外的大部地区干旱灾害承灾体暴露性的风险都较低。主要受青海省特殊的地理特征影响，青海东部地区人口和经济比较集中，而其他地区无法进行大面积作物种植，海拔较高、地广人稀，尤其是青海西部地区，大部分地区都属于无人区，受干旱灾害影响较小。

图4 青海省干旱灾害承灾体暴露性区划Fig.4 Regionalization on exposure of drought disaster breeding body in Qinghai Province

2.4 防灾减灾能力

防灾减灾能力是指受干旱灾害影响地区对干旱的抵御能力以及灾后的恢复能力，与地方经济发展水平有关。人均GDP越大，地方经济水平越高，防御干旱工程设施投入也会越多，即防灾抗灾能力越强，所以考虑人均GDP作为防灾减灾能力的体现。图5为青海省干旱灾害防灾减灾能力区划。可以看出，防灾减灾能力较高的区域主要分布在青海省西北部地区，包括大柴旦、小灶火、格尔木、德令哈等地，这些地区主要以工业为主，经济收入较高，且人口数量较少，人均GDP水平较高，所以当单纯从人均GDP考虑时该地区的防灾减灾能力相对较强；防灾减灾能力较低的区域主要分布在青海省南部地区，主要包括囊谦、玛多、达日、班玛、久治等地，主要由于这些地区人烟稀少，经济欠发达，人均GDP水平相对较低，防抗能力弱。

图5 青海省干旱灾害防灾减灾能力区划Fig.5 Regionalization on drought disaster prevention and mitigation capabilities in Qinghai Province

2.5 综合风险

在对干旱灾害各指标因子定量评估的基础上，根据干旱灾害风险综合评估模型公式(4)，将干旱灾害综合风险指数MDRI划分为5个风险等级区，分别为低风险区、较低风险区、中等风险区、较高风险区、高风险区。从图6可以看出，干旱灾害的高风险区主要分布在青海省东部地区，包括互助、平安、乐都、民和、循化、尖扎、贵德、湟中，这些区域的致灾因子危险性高，大部地区为容易发生干旱的丘陵和高岗地，同时人口密度大、耕地比例大，而且大部分地区都无法灌溉，易出现旱情；较高风险区主要包括西宁、大通、门源、海晏、湟源、共和、贵南、同德、泽库、河南、同仁等地，这些区域致灾因子危险性高，承灾体暴露性也较高，孕灾环境为中等脆弱区，防灾减灾能力也不强；中等风险区主要包括刚察、祁连、野牛沟、托勒、茶卡、天峻、兴海、玛沁、班玛、久治、囊谦、玉树、称多、曲麻莱等地，这些区域致灾因子危险性处于较高风险区，承灾体暴露性属于中等暴露区，孕灾环境和防抗能力都属于较低风险区；较低风险区主要包括达日、杂多、玛多、治多、五道梁、沱沱河、冷湖、茫崖、都兰、乌兰、诺木洪等地，这些区域致灾因子危险性属于中等，承灾体暴露性和孕灾环境脆弱性都属于较低风险区，防灾减灾能力较低；低风险区主要分布在青海省西北部，主要包括大柴旦、格尔木、德令哈、小灶火，这些区域为致灾因子低风险区，且主要为工业区，经济发达，防灾减灾能力强，同时人烟稀少，承灾体暴露性属于低暴露区，干旱发生风险低。

图6 青海省干旱灾害风险区划Fig.6 Regionalization on drought disaster risk in Qinghai Province

3 结论与讨论

(1)干旱致灾因子危险性较高的地区主要在青海省东部和南部地区，包括互助、平安、乐都、民和、循化、贵德、同仁等地；危险性较低的地区主要在青海省西部，包括冷湖、大柴旦、格尔木、诺木洪、德令哈等地。

(2)青海省孕灾环境脆弱性整体自西北向东南逐渐降低，其中孕灾环境脆弱性风险较高的地区主要在青海省西北部，风险较低的地区主要在青海省东南部。

(3)承灾体暴露性的高风险区主要在青海省东部地区，包括西宁、大通、湟源、湟中、互助、乐都、平安、尖扎、循化、民和等地，而由于青海特殊地理环境，除东部地区外，其他地区承灾体的暴露性风险都较低。

(4)防灾减灾能力较高的区域主要在青海省西北部，包括大柴旦、小灶火、格尔木、德令哈等地，防灾减灾能力较低的区域主要在青海省南部地区。

(5)干旱灾害综合风险的高风险区主要在青海省东部地区，包括互助、平安、乐都、民和、循化、尖扎、贵德、湟中等地，低风险区主要在青海省西北部，包括大柴旦、格尔木、德令哈、小灶火等地。

(6)青海省干旱灾害高风险区主要由于致灾因子危险性及承灾体暴露性都较高，易发生干旱灾害；低风险区主要由于致灾因子危险性和承灾体暴露性都较低，且防灾减灾能力强，不易发生干旱灾害。

影响干旱灾害的因素有很多，需要考虑的指标也很多，尤其青海地区地形环境复杂，数据信息不全甚至难以获取，本文在研究中承灾体主要考虑了农牧业状况，对生态环境方面还未考虑，另外在防灾减灾能力评估时只考虑了人均GDP这一指标，对一些工程设施及应急处置能力方面由于数据短缺没有考虑，后期工作中将进一步加强这些数据的收集及应用，使风险区划结果更加完善，更具参考价值。