辽西北农业干旱灾害风险评价

辽西北农业干旱灾害风险评价

农业干旱灾害发生频次辽宁西北是辽宁省的主要旱区。这个地区位于西部山区。干旱少雨，土地贫瘠，水土流失和土沙化严重。自然条件不好。它被称为“十年九旱”。农业干旱的频繁发生在整个省份，对当地经济产生了严重的负面影响，尤其是农业生产和生态环境。因此,重视并积极采取措施应对农业干旱灾害发生是一项紧迫任务。风险分析是研究具有不确定性系统的有效的技术工具,而农业干旱灾害现象极其复杂,涉及的因素众多,不确定程度较高,因此将风险理论用于农业干旱灾害研究,应用风险量化、风险评价技术研究农业干旱灾害,对有效的干旱灾害管理具有重要的意义。1陆性气候特点辽西北位于辽宁省西北部,主要包括朝阳、阜新、锦州、葫芦岛、铁岭5个地级市和沈阳市的康平、法库县。该区处于亚干旱气候区,属典型的温带大陆性季风气候,主要气候特点是干旱多风,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥。年平均气温7.2~8.3°C,≥10°C积温3321~3532°C,无霜期144~200d,年日照时数2823~2944h,年太阳辐射量5719~6050MJ/m2,多年平均降水量450~700mm左右。由于季风的影响,降水中的60%~65%集中在夏季,降雨的年际变化也很大,据各雨量站统计,历年降雨量最大最小之比在2~3左右。2研究方法和数据来源2.1学习方法2.1.1自然灾害风险指数自然灾害风险是指未来若干年内可能达到的灾害程度及其发生的可能性。根据自然灾害风险的形成机理,自然灾害风险是危险性(H)、暴露性(E)、脆弱性(V)和防灾减灾能力(R)综合作用的结果,通常采用自然灾害指数表征风险程度,可表示为:自然灾害风险指数=危险性∩暴露性∩脆弱性∩防灾减灾能力2.1.2量分析的方法层次分析法(AHP)是一种对指标进行定性定量分析的方法。通过将每个因子的组成指标成对地进行简单的比较、判断和计算,得出每个指标的权重,以确定不同指标对同一因子的相对重要性。2.1.3评价对象权重的确定加权综合评价法(WCA)是依据评价指标对评价总目标影响的重要程度,预先分配一个相应的权重系数,然后与相应的被评价对象各指标的量化值相乘后再相加。计算公式为式中P为某评价对象所得的总分;Ai为某系统第i项指标的量化值(0≤Ai≤1);n为某系统评价指标个数。2.2农业统计特征分析本文所用到的数据有属性数据和空间数据,属性数据包括辽西北6个市的气象数据、水资源数据、土壤特征数据、玉米特征数据、水利工程与灌溉设施数据、农业统计数据;空间数据包括研究区行政区划图、地形图(DEM)、土地利用图、土壤类型图、河流水库分布图。上述数据、资料主要来源于《辽宁省水资源》、《2006年辽西北地区特大伏旱》、《辽宁省统计年鉴1996-2006》、《辽宁省水旱灾害》、《辽宁省社会经济统计资料汇编——农村经济部分1996-2006》以及中国气象科学数据共享服务网。3建立农业干旱风险评估指数adri的过程3.1干旱灾害风险农业干旱灾害是指由外界环境因素造成作物体内水分失去平衡,发生水份亏缺,影响作物正常生长发育,进而导致减产或失收的现象。它涉及到土壤、作物、大气和人类对资源利用等多方面因素,所以是各类干旱中最复杂的一种。它不仅是一种物理过程,而且也与生物过程和社会经济有关。干旱造成的危害准确地反映了干旱灾害引起的作物产量的波动和损失,它是由自然、社会、经济、作物类型和抗灾特性以及管理能力构成的复杂系统。根据有关自然灾害风险理论和上述干旱灾害形成机制,农业干旱灾害风险是指干旱的活动(发生、发展)引起的农作物产量的波动和损失的可能性。一般而言,农业干旱灾害风险取决于4个因素:干旱灾害的危险性、干旱灾害的暴露性(承灾体)、承灾体的脆弱性(易损性)和抗旱减灾能力。其中,危险性表征干旱能否发生;暴露性表征干旱发生后能否作用于承灾体,强调承灾体的社会价值;脆弱性表征承灾体能否经受得起损害,强调承灾体本身的自然属性;抗旱减灾能力表征人类自身的能动作用对灾害的防御和抑制。一个区域农业干旱灾害风险的大小是这4个因素综合作用的结果(图1)。3.2对农业干旱灾害风险的影响农业干旱灾害风险的形成是多因素综合作用的结果,对于作物干旱来说,除了气候条件外,还有土壤性质、地貌类型、地下水状况、作物本身的需水特征,以及干旱灾害管理水平、区域的抗旱减灾能力等人为因素,都影响其干旱灾害风险的发生及强度。因此,基于以上的农业干旱灾害风险形成机理和草原火灾风险评价流程图,从农业干旱灾害的发生学角度建立农业干旱灾害风险概念框架(图2),并在此基础上,选取辽西北最主要的玉米作物作为研究对象,建立了农业干旱灾害风险评价的指标体系(表1)。农业干旱灾害危险性基于造成农业干旱灾害的自然变异因素和程度,主要指极端的气候条件(无雨或少雨、空气干燥和干热、蒸发量大等)及自然地理环境。危险性指标的选取,主要考虑影响干旱灾害发生的气象条件、土壤以及地形因素。通过综合分析,本文选择4~9月降水量表示作物生长期内降水的多少,前期积雪量表示头年雨量对底墒的影响,4~9月连续无雨日数表示降雨的均匀程度或者干旱持续时间。蒸发量的多少从侧面反应了降雨的有效率。一个地区的干旱指数的计算式为其中T为月平均温度,H为月相对湿度,P为月总降水量,m为相应月份。干旱指数的大小直接定义了区域的干湿程度,也是气候干旱程度的指标。干旱频率反映了干旱发生的可能性。除气象因素外,水资源(天然径流量、地下水资源量、水库供水能力)以及下垫面因素(土壤和地形)也是农业干旱发生、发展的重要因素。暴露性(承灾体)是指可能受到危险因素威胁的农业生产系统。承灾体的脆弱性表示受灾区暴露物体在农业干旱灾害中受影响的程度。危险性作用于一定的承灾体便产生了灾害,农业干旱灾害承灾体的主要对象就是农作物,承灾体的暴露性主要表现在各种农作物的播种面积,对于农作物来说,播种面积越大,暴露性越大。干旱对农作物播种面积的影响范围以百分比表示损失程度和地域差异性,它与干旱造成的农作物减产量有着密切的相关性,而生产水平高的地区抵抗干旱的能力也高,造成农业损失的可能性也低(文献),因此选用易旱程度(易旱作物面积与耕地面积之比)、农作物单位面积产量以及农作物水供需比值作为脆弱性指标。抗旱减灾能力表示受灾区在长期和短期内能从农业干旱灾害中恢复的程度。区域抗旱减灾能力与农业干旱灾害的形成是呈反相关的,区域抗旱设备数量以及有效灌溉率(有效灌溉面积/农作物总面积)表示灌溉能力的高低,农业抗旱支出、农业技术人员、农民人均收入以及抗旱减灾预案的制定反映了政府和群众抗旱的投入水平,抗旱减灾预案的制定则是政策法规是否完整的体现,可避免盲目抗旱,减少干旱造成的损失。由于所选指标单位不同,为便于计算,需对每个指标进行无量纲化处理,具体方法如下:正向指标:指标值越大,农业干旱灾害风险越大,属于最大最优型,令:负向指标:指标值越大,农业干旱灾害风险越小,属于最小最优型,令:式中Xij为第i个对象的第j项指标;X′ij为无量纲化处理后第i个对象的第j项指标值;Xmax和Xmin分别为该指标的最大值和最小值对于不能量化的土壤和地貌类型指标,采取定量赋值法赋值(文献)。根据自然地理学理论可以发现,干旱灾害在不同地形地貌和土壤类型上发生的概率不同。通过对土壤肥力、土壤蓄水能力和地貌耕作的适宜性的统计分析,对土壤类型和地貌类型采取定量赋值,最终量化值是每一类型所占比重乘以该类量化值之后和的平均值,结果列于表2、表3。利用层次分析法(AHP)计算各个评价指标的权重值,用以表示其对农业干旱灾害风险的相对贡献率。对多位不同专业专家咨询后,把各指标按照相对重要程度进行九分位打分,利用专家判断值构造判断矩阵并进行一致性检验,得到各指标的权重,结果如表1所示。3.3干旱灾害风险农业干旱灾害风险指数(ADRI)显示的是对农业干旱发生的概率(P)及其潜在损失(D)的综合评价,其大小与危险性(H)、暴露性(E)、脆弱性(V)和抗旱减灾能力(R)有密切关系。危险性、暴露性及其脆弱性越大,农业干旱发生的概率及其潜在损失也越大,即干旱灾害风险越大;而抗旱减灾能力越强,农业干旱发生的概率及其潜在损失就越小,即干旱灾害风险越小。根据以上的分析,利用自然灾害风险指数法、加权综合评价法和层次分析法,建立了农业干旱灾害风险指数,用以表征农业干旱灾害风险程度,具体计算公式如下:式中ADRI为农业干旱灾害风险指数,用于表示农业干旱灾害风险程度,其值越大,农业干旱灾害风险程度也越大;X为各评价指标的量化值;H(X)、E(X)、V(X)、R(X)的值相应的表示危险性、暴露性、脆弱性和抗旱减灾能力的大小,利用式(1)计算可得;WH、WE、WV、WR分别为利用层次分析法得到的危险性、暴露性、脆弱性和抗旱减灾能力的权重值,见表1。4农业干旱灾害风险程度及等级基于上述评价指标体系和模型,假定在每一县市中每一指标都平均分布,对辽西北地区各县市分别选取指标体系中的指标,并计算各县市各个指标的多年平均值。利用式(1)~式(4)对辽西北地区各个农业干旱灾害风险评价指标进行计算,得到吉林省西部各县市的危险性、暴露性、脆弱性和抗旱减灾能力值(图3),并得到辽西北地区各县市农业干旱灾害风险指数值。为了比较说明农业干旱灾害各因子对总体风险的贡献程度,在对区域整体风险分析的基础上,每次只集中分析单一因子的危险性、暴露性、脆弱性和抗旱减灾能力。结果表明,高风险区域内的朝阳和阜新地区以及沈阳的康平、法库,在危险性和脆弱性2个因子上的值都很高,阜新地区虽然抗旱减灾能力较高,但其总体风险仍然较高,这说明一个区域农业干旱是否频繁,总体上受制于自然地理环境的制约。这几个地区气候干旱,导致农作物供水不足,脆弱性加大,而抗旱减灾能力所起的作用较弱,因此整体风险高于其他地区。暴露性低的区域主要是农作物播种面积小、抗旱减灾能力高的一些市辖区,如锦州市、锦州太和区、铁岭市、铁岭清河区、调兵山市以及朝阳市,除朝阳市外,风险水平都较低,总体处于低风险区域范围。剩余区域的4个因子值均处于中间地位,没有比较突出的单一因子值,因此风险水平属于中风险。为了评价农业干旱灾害风险程度,根据研究区农业干旱灾害的实际状态,并考虑农业干旱灾害风险指数的最大值和最小值,对辽西北农业干旱灾害风险度进行了4级评价,结果如表4所示。利用农业干旱灾害风险指数值以及农业干旱灾害风险区划的界限值,借助GIS技术得到的辽西北农业干旱灾害风险评价结果及其区划如表5和图4所示。表5和图4显示了辽西北农业干旱灾害风险轻、低、中和高4种类型的区域范围以及风险指数的特征值,且不同风险类型的风险指数具有明显的差异,风险指数的最大值、最小值和平均值都随着风险程度的提高而增大。从全区来看,农业干旱灾害的风险程度集中在中度以上,属于中风险和高风险的区域有18个,所占比重高达62%;而轻风险和低风险的区域有11个,占总区域的38%。结合风险区划图可以发现,辽西北农业干旱灾害风险的水平空间格局,大致是东南方向低,西北方向高。5风险评价模型检验为了检验研究中提出的农业干旱灾害评价方法和模型的适用性,以辽西北2006年(典型干旱年)的旱情与农业干旱灾害风险指数进行了比较研究。由于资料的局限性,在计算风险过程中,主要考虑的是粮食作物中的玉米,因此选择与其相近的辽西北2006年造成的粮食减产系数,对风险评价模型进行检验。减产系数计算公式为式中C为综合减产系数(%);I1为受灾(减产1成以上)面积占播种面积的比例;I2为成灾(减产3成以上)面积占播种面积的比例;I3为绝收(减产8成以上)面积占播种面积的比例。图5所示为辽西北2006年粮食减产系数的空间分布。将风险评价区划图(图4)与2006年辽西北受干旱影响粮食减产系数区划图(图5)进行对比发现,两者可以较好的匹配,大体上都是东部和南部低,西北部和中部高。因此,本文通过指标选取,利用自然灾害风险指数法、层次分析法和加权综合评分法建立模型进行农业干旱灾害风险评价与风险区划是合理的。在数据允许的情况下,可以依据此模型来评价不同类型农作物和不同区域农业生产