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1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源該研究選用湖南省有連續(xù)氣象資料記錄的19個氣象站點1960~2002年的月降雨資料,氣象站點分布如圖1所示,氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。

1.2農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險分析原理與方法風(fēng)險的最基本理解是“可能存在的一個或多個后果”[13],雖然不同學(xué)科對于風(fēng)險有不同的定義,但風(fēng)險總是與“損失或破壞、不利后果或人們(即風(fēng)險承擔(dān)者)不希望出現(xiàn)、不愿意接受的事物”的潛在威脅相聯(lián)系,且潛在威脅的出現(xiàn)具有不確定性。在災(zāi)害學(xué)中,通常認(rèn)為自然災(zāi)害風(fēng)險是由致災(zāi)因子的危害性(Haz-ard)、承災(zāi)體的暴露性(Exposure)和脆弱性(Vulnerability)3個要素以及由此導(dǎo)致的災(zāi)情共同組成的宏觀結(jié)構(gòu)[14-16]。西部干旱協(xié)調(diào)委員會(WesternDroughtCoordinationCounci,lWDCC)將旱災(zāi)風(fēng)險定義(droughtrisk)為干旱危害強(qiáng)度、頻度及承災(zāi)體脆弱性綜合作用產(chǎn)生的潛在負(fù)面影響[17]。即旱災(zāi)的風(fēng)險是某一地區(qū)一段時間降水短缺和該地區(qū)脆弱性和暴露性共同作用的產(chǎn)物[2],可用公式表示如下:DRI=DHI×DVI(1)式中,DRI為干旱災(zāi)害風(fēng)險指數(shù);DHI為干旱危害度指數(shù);DVI為干旱脆弱度指數(shù)。該研究將根據(jù)上述公式,在對湖南省干旱災(zāi)害危害性和脆弱性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險的綜合分析及定量評價。

1.2.1農(nóng)業(yè)旱災(zāi)危害性評價。在自然災(zāi)害學(xué)研究中,危害性是指致災(zāi)因子對人類和財產(chǎn)構(gòu)成的潛在威脅[18]。因此,可將農(nóng)業(yè)旱災(zāi)的危害性理解為干旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的潛在威脅。旱災(zāi)的強(qiáng)度取決于水分的虧缺度、持續(xù)時間及其影響的空間范圍[19]。旱災(zāi)致災(zāi)因子危害性分析是對干旱進(jìn)行識別,對其強(qiáng)度、頻度進(jìn)行分析,并確定區(qū)域內(nèi)各種強(qiáng)度干旱發(fā)生的概率。該研究用標(biāo)準(zhǔn)降雨指數(shù)SPI分析旱災(zāi)的時空格局及強(qiáng)度。SPI由McKee提出,用來確定有降雨量記錄的任何地區(qū)特定時間尺度的降雨異常事件[20]。在眾多干旱指數(shù)中,標(biāo)準(zhǔn)降雨指數(shù)SPI是一種基于多種時間尺度降水概率的干旱指數(shù),由于其使用簡單、可靠性高而被廣泛用于干旱識別和旱情監(jiān)測[21-22]。SPI通過求算給定時間尺度的累積概率,使其能夠在多個時間尺度上進(jìn)行計算,從而使SPI不僅可用于監(jiān)測短時期內(nèi)的水分變化,如對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要影響的土壤水分變化,而且還可以監(jiān)測長時期的水分動態(tài),如地下水供給、徑流量等[23]。由于短時期內(nèi)的水分變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要影響,該研究將以3個月尺度的SPI對湖南省農(nóng)業(yè)旱災(zāi)的危害性進(jìn)行分析計算。SPI的計算方法是用Γ概率分布函數(shù)擬合每一臺站的歷史降雨時間序列,即:g(x)=1βαΓ(α)χα-1e-x/β(2)式中,x>0為降雨量;α>0為形狀參數(shù);β>0為尺度參數(shù);Γ(α)為gamma函數(shù)。α、β用極大似然估計法求得:α=14A(1+1+4A3)(3)β=xα(4)A=ln(x)-∑ln(x)n(5)式中,n為降雨序列的長度。于是,給定時間尺度的累積概率可計算如下:G(x)=∫x0g(x)dx=1βαΓ(α)∫x0xα-1e-x/βdx(6)由于gamma函數(shù)不包含=0的情況,而實際降水量可以為0,所以累積概率表示為:H(x)=q+(1-q)G(x)(7)式中,q是降水量為0的概率。然后將累積概率函數(shù)H(x)轉(zhuǎn)換成均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為1的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù),得出SPI。根據(jù)SPI值的大小可將干旱狀況劃分為4個等級(表1)。旱災(zāi)危害性同時取決于旱災(zāi)強(qiáng)度大小和發(fā)生頻率高低,旱災(zāi)強(qiáng)度越大,頻率越高,危害性越大。該研究將不同強(qiáng)度等級的干旱賦予不同的權(quán)重(表1),同時將每一強(qiáng)度干旱等級發(fā)生頻率劃分為4個等級(權(quán)重的確定及等級的劃分參照文獻(xiàn)[24]),構(gòu)建干旱危害性模型如下:DHI=(MDr×MDw)+(SDr×SDw)+(VDr×VDw)(8)式中,DHI為干旱危害性指數(shù);MDr為中等干旱發(fā)生率等級;MDw為中等干旱權(quán)重;SDr為嚴(yán)重干旱發(fā)生率等級;SDw為嚴(yán)重干旱權(quán)重;VDr為極端干旱發(fā)生率等級;VDw為極端干旱權(quán)重。(由于輕度干旱對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響較小,因而該研究未作考慮)。利用Kringing插值方法對湖南省氣象站3個月尺度的SPI及每一等級干旱強(qiáng)度的發(fā)生率進(jìn)行空間插值,插值過程在ArcGIS軟件中實現(xiàn)。根據(jù)研究需要,將插值得到的柵格結(jié)果按縣市進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計,得到不同等級干旱發(fā)生率縣域分布圖。最后根據(jù)公式(8)將不同等級干旱發(fā)生率分布圖疊加,進(jìn)行空間計算,并用自然斷點法(naturalbreak)將計算得的值從低到高劃分為4個等級,得到湖南省農(nóng)業(yè)旱災(zāi)危害度分布圖。

1.2.2農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評價。承災(zāi)體的脆弱性水平是影響災(zāi)害風(fēng)險大小的基本因素之一。通常,風(fēng)險載體相對于某風(fēng)險源的脆弱性愈低,該風(fēng)險載體遭受損失的可能性愈小,相應(yīng)地其所載荷的來自該風(fēng)險源的災(zāi)害風(fēng)險就可能愈小;反之愈大。依據(jù)國內(nèi)外災(zāi)害理論可將農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性定義為:農(nóng)業(yè)易于或敏感于遭受干旱威脅和損失的程度[11]。脆弱性的影響因素眾多,包括社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等各個方面,脆弱性的定量評估通常通過選取一些社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境脆弱性因子來進(jìn)行。劉蘭芳等對湖南省農(nóng)業(yè)脆弱性進(jìn)行了綜合分析和定量評價[11],其評價指標(biāo)體系的建立、評分標(biāo)準(zhǔn)的界定以及指標(biāo)權(quán)重的確定是當(dāng)前旱災(zāi)脆弱性研究的范式,具有很高的科學(xué)性,因此,該研究將直接采用其計算給出的湖南省88個縣市的農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱度,利用ArcGIS技術(shù)將脆弱度指數(shù)按行政區(qū)劃空間化,然后用自然斷點法(naturalbreak)重新劃分為4個等級,得到湖南省農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱度分布圖。

1.2.3農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險評價。根據(jù)公式(1),利用ArcGIS將湖南省干旱危害度分布圖和農(nóng)業(yè)干旱脆弱度分布圖疊加,進(jìn)行空間計算,得到湖南省農(nóng)業(yè)旱災(zāi)綜合風(fēng)險分布圖,并按風(fēng)險度高低用自然斷點法劃分成4級。

2結(jié)果與分析

2.1湖南省農(nóng)業(yè)旱災(zāi)危害性分析由圖2可知,中等干旱(a)、嚴(yán)重干旱(b)和極端干旱(c)在空間上表現(xiàn)出截然不同的格局。中等干旱主要發(fā)生在湖南省的東北部、南部和西南部,中部和西北部地區(qū)較少發(fā)生;嚴(yán)重干旱主要集中在湖南省的北部和西部少數(shù)地區(qū),南部地區(qū)發(fā)生頻率較低;極端干旱則主要分布在湖南省西部和南部,而東北地區(qū)很少發(fā)生。從湖南省降雨地域分布來看,澧水上游區(qū)、雪峰山區(qū)、五嶺山區(qū)和湘東北山地丘陵區(qū)屬降雨高值區(qū),洞庭湖平原、衡陽丘陵、沅水上中游山間盆地屬降雨低值區(qū)[7],結(jié)合干旱事件可知,湖南省干旱的發(fā)生與降雨分布無明顯聯(lián)系,降水量大的地區(qū)也可能是干旱易發(fā)區(qū),而干旱易發(fā)區(qū)不一定是降水量小的地區(qū)。圖2(d)是利用公式(8)對中等干旱、嚴(yán)重干旱和極端干旱進(jìn)行空間計算得到的湖南農(nóng)業(yè)干旱危害度分布圖。圖中顯示,湖南省農(nóng)業(yè)干旱危害度在空間上表現(xiàn)出顯著的東西分異。高危害度地區(qū)主要分布于西部和南部的少數(shù)地區(qū),從西向東,危害度不斷降低,低危害度區(qū)主要分布于東部和中部。袁華斌等的研究指出,邵陽、衡陽、永州、郴州、婁底、懷化、湘西土家族苗族自治州、張家界市所屬的山區(qū)縣市是湖南省農(nóng)業(yè)旱災(zāi)易發(fā)區(qū)域[10],可見,湖南省干旱危害性高的地區(qū)也是旱災(zāi)易發(fā)地區(qū)。

2.2湖南省農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性分析劉蘭芳等對影響湖南省農(nóng)業(yè)干旱脆弱性的自然環(huán)境系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了細(xì)致的分析[11],并在此基礎(chǔ)上選擇降水量、蒸發(fā)量、水利化程度等9個涵蓋自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)在內(nèi)的指標(biāo),采用賦予指標(biāo)權(quán)重和分級打分的方法對湖南省88個縣市的農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性進(jìn)行了綜合評價,并利用GIS技術(shù)進(jìn)行旱災(zāi)脆弱性區(qū)劃。結(jié)果表明,湘中衡邵盆地和湘西北山地是農(nóng)業(yè)旱災(zāi)嚴(yán)重脆弱帶,湘南山地為強(qiáng)度旱災(zāi)脆弱帶,沅麻盆地為中度旱災(zāi)脆弱帶,洞庭湖平原和湘東北山地旱災(zāi)脆弱性較小。在此基礎(chǔ)上,筆者根據(jù)其計算結(jié)果將各縣市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱度重新劃分為4級(圖3),其中無值區(qū)域為省轄市的城市分區(qū)[11]。從行政區(qū)劃上看,湖南省農(nóng)業(yè)脆弱度高的地區(qū)主要分布于張家界、湘西土家族苗族自治州、邵陽、永州、衡陽及郴州境內(nèi)。

2.3湖南省農(nóng)業(yè)旱災(zāi)綜合風(fēng)險分析由圖4可知,湖南省農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險分布表現(xiàn)出明顯的東西分異,高風(fēng)險地區(qū)主要分布在西部、西南和南部,中東部是低風(fēng)險區(qū)域,山區(qū)通常是高風(fēng)險區(qū)。從行政區(qū)劃上來看,高、較高風(fēng)險區(qū)主要分布于張家界、湘西土家自治州、懷化、邵陽、永州、衡陽和郴州境內(nèi)。其中橫邵盆地和湘西北山地既是旱災(zāi)高危害區(qū),也是旱災(zāi)高脆弱區(qū)。經(jīng)濟(jì)落后,人口密度較大,人地矛盾和人水矛盾突出,灌溉能力低,水土流失嚴(yán)重,以及旱災(zāi)的頻繁發(fā)生使這些地區(qū)成為旱災(zāi)高風(fēng)險區(qū)。調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)、實施節(jié)水灌溉是減輕這些地區(qū)干旱影響的有效途徑。圖4湖南省農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險度分布Fig.4DistributionofagriculturaldroughtriskdegreeinHunanProvince2007年4~10月湖南省遭受了罕見特大高溫干旱災(zāi)害,其持續(xù)時間之長、強(qiáng)度之大、受旱范圍之廣、損失程度之重均為歷史罕見。2008年1月初,北京師范大學(xué)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院的工作人員深入湖南省旱災(zāi)重災(zāi)區(qū),對干旱發(fā)生原因、災(zāi)情及抗旱減災(zāi)情況進(jìn)行了實地調(diào)研。獲取了2006、2007年湖南省旱災(zāi)災(zāi)情資料。資料顯示,2006年湖南省湘西自治州、懷化、常德市、益陽、張家界、岳陽遭受旱災(zāi),其中湘西自治州受災(zāi)最為嚴(yán)重,農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3.8億元。2007年湖南省全省有13個市75個縣市區(qū)受旱,受旱面積達(dá)12萬km2,永州、岳陽、邵陽、衡陽是受災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū),農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失分別為47.9億、23.1億、21.1億和15.7億元。湖南省近2年的旱災(zāi)受災(zāi)地區(qū)主要分布于高風(fēng)險區(qū),該研究結(jié)果將有助于制定更具針對性和實效性的干旱管理策略。

3結(jié)論

基于氣象站點降雨數(shù)據(jù)的干旱危害性模型對湖南省的農(nóng)業(yè)干旱危害性分析結(jié)果表明,湖南省干旱危害度從西向東呈遞減趨勢,高、較高危害度區(qū)主要分布于西部和南部,中東部地區(qū)為低危害度區(qū)。該研究根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險分析的基本原理,在對湖南省農(nóng)業(yè)旱災(zāi)危害性及脆弱性綜合分析及定量評價的基礎(chǔ)上,確定了湖南省農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險的時空分布。結(jié)果表明,高、較高風(fēng)險區(qū)主要分布于張家界、湘西土家自治州、懷化、邵陽、永州、衡陽和郴州境內(nèi)。高度的干旱危害性和干旱的脆弱性決定了高度的干旱風(fēng)險,提高防范意識、調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)、實施節(jié)水灌溉、制定合理的干旱風(fēng)險管理策略將有助于降低農(nóng)業(yè)干旱的脆弱性,從而規(guī)避和減輕干旱對農(nóng)業(yè)造成的影響。