基于GIS的湖南省旱灾农业风险综合评估研究

时间：2024-05-25

高霞霞，苏伟，黄晚华，，陆魁东，高曙

（1.中国农业大学，北京 100083；2.湖南省气象科学研究所，湖南长沙 410007）

旱灾是对农业影响最大的灾害，湖南是我国遭受旱灾较严重省份之一[1]。湖南省大部分地区位于北纬25°～30°，夏秋季多受副热带高压的控制，高温少雨，易发生旱灾[1-2]，旱灾是湖南省发生最频繁且影响面积广的气象灾害[3]。近年来，在全球气候变化背景下，极端天气气候事件频繁出现，干旱的发生频率和强度也明显增加。2000年以来，湖南省旱灾更是频繁发生。旱灾的发生给湖南省农业生产造成了严重影响，使粮食作物大幅度减产，从而对粮食安全构成威胁。因此，必须对旱灾的发生、受灾的风险性、灾情的时空分布特点等进行认真的分析与研究，以防御和减轻旱灾对农业生产的危害，这对认识旱灾发生规律、建立旱灾防御体系和保障粮食安全都有重要意义。

风险评估最早出现在20世纪30年代末，兴起于20世纪60年代，近50年来得到了迅速发展，并已广泛应用于自然灾害评估、生物、医学、技术应用、环境和工程等方面。20世纪90年代以来，不少学者对风险评估在地质灾害、保险、农业气象灾害等方面的应用进行了许多开创性的研究[4-6]。在农业气象灾害评估上，贵州、山东、浙江、广东等省份的学者做了较多的研究[7-11]。此外，部分专家还对作物灾害风险进行了分析[12-13]。农业气象灾害风险评估的主要工具为概率统计方法，资料主要来源于两个方面：一是利用气象要素（致灾因子）作为灾害指标，如降水要素可作为洪涝、干旱等灾害的指标；二是利用灾情资料作为灾害指标，如农作物枯萎面积或绝收面积是干旱的重要指标，粮食的减产量可作为综合灾害的指标等。随着计算机技术的发展，地理信息系统（GIS）技术被广泛应用到干旱等灾害的风险评估[14-15]。在前人的研究中，多以气象要素作为灾害指标，本文使用灾情资料作为灾害指标来研究旱灾风险，对湖南旱灾进行多因子评估，为防旱抗灾提供决策参考。

1 材料与方法

1.1 资料来源

根据《湖南农村统计年鉴》，依据最近21 a（1987～2007年），各县（市、区）农作物的干旱发生（受灾）面积（Sfs）、干旱成灾面积（Scz）、农作物播种面积（Sb）等灾情资料建立灾情数据库。

1.2 风险评估方法

利用历史灾情数据进行旱灾风险分析，主要评估指标有受灾率和成灾率、变异系数、脆弱度等，然后综合各评估指标，得到综合旱灾评估指标。

1.2.1 受灾率和成灾率干旱的受灾率（Psz）为旱灾受灾面积占农作物播种面积的比率，见公式（1）。

1.2.2 受灾变异系数从概率的角度来说，多年平均受灾率可视为期望，该指标无法衡量年际间灾害发生的差别。为此，本文引用变异系数（v），即

式中，V为某区域的变异系数；xj为第j年的受灾率；x軃为平均受灾率，n为年数。我们用V来表达年际之间灾害发生偏离平均值的离散程度，体现灾害发生的年际变异性及其对农业生产等造成损失的不稳定性。

1.2.3 灾害脆弱度某区域多年平均灾害脆弱度的定义见式（4）。

式中，C（i）为某区域的平均脆弱度，SCZ、SSZ分别指成灾面积和受灾面积。受资料限制，本文通过受灾面积、成灾面积来表达脆弱度。如果资料充分则可考虑水利设施、地形地质状况、排水条件、森林覆盖率等因素，对脆弱度进行更好的反映。

1.2.4 相当受灾率在不同地区、不同程度受灾面积中，对单位受灾面积造成的实际损害结果是不同的。文中相当受灾率的定义见式（5）。

1.2.5 综合旱灾风险指数对前面各灾害风险因素所占的权重进行分析，经多次模拟，我们对综合旱灾风险指数（K）进行定义，见式（6）。

2 结果与分析

2.1 干旱背景分析

如图1所示，1987～2007年，我省平均受灾（旱灾发生）面积82.8万hm2，约占我省耕地面积的21%，占播种面积的10.4%。从时间序列上看，从80年代末到90年代初，干旱较严重，1992年之后，干旱的受灾面积相对减少，自2001年始，干旱再次严重。在受灾面积大于100万hm2的大旱年份中，有1988、1990～1992、2001、2003、2005、2007 年等 8 a，全省各年干旱受灾面积占到耕地面积的三分之一以上。其中，2003、2007年干旱受灾面积达到或超过150万hm2，2003年干旱面积占耕地面积的48%以上，占作物播种面积的24%，是近21 a来干旱最严重一年。另外，受灾面积在65～100万hm2的中旱年有 1987、1989、1995、1998、2000、2004、2006年等7 a。其他年份干旱发生面积相对较少。以1992年和2001年为时间分界段，1992年之前和2001年以后旱灾发生严重，多大旱和中旱；1993～2000年一般只发生中旱和小旱。可以看出，自2001年以来，旱灾明显加重。因此，对旱灾风险进行科学评估对今后防治旱灾有着更加重要意义。

图1 湖南省21年来旱灾受灾和成灾面积（1987～2007）

2.2 各干旱风险因子分析

2.2.1 干旱平均受灾率根据式（1）、式（2），求得我省各县市的多年平均受灾率，并按表1进行分级。

表1 旱灾风险区分级标准

依表1标准，利用ArcGis地理信息系统分级，并生成我省干旱的受灾率风险分级图，见图2。图2表明，旱灾微风险、轻风险区集中分布在湘东的湘江中下游和和洞庭湖区等水利条件好的地区，主要包括岳阳、益阳、常德东部、长沙、湘潭、株洲中北部和衡阳西部的大部分县（市）。其中，旱灾微风险区仅长沙市郊（区）、株洲县、益阳资阳区等少数县。旱灾重风险、危险区主要分布在湘西北、湘南等地，包括湘西自治州、张家界、怀化北部和南部、邵阳南部以及郴州、永州大部分，湘中的邵阳中部、娄底等地也有零星分布。其中，永兴、通道、冷水江市、古丈、新田、花垣受灾率最高，为旱灾危险区，其它大部分县为旱灾中风险区。

2.2.2 受灾变异系数分析结果表明，干旱受灾率较高，即旱灾重风险区和旱灾危险区的波动一般较小，如湘南、湘西等地；受灾率较低的区域，即旱灾微风险区和旱灾轻风险区的波动较大，一般干旱年旱灾发生面积较小，但重旱年也易发生较大面积旱灾，如湘东北等地。这说明我省是旱灾多发地区，几乎每年有较大旱灾发生，应高度重视防旱工作。

2.2.3 成灾脆弱度经分析，脆弱度抗灾较强、次强区主要分布于湘东北、湘西南以及湘东南的部分区域；抗灾较弱区主要分布于湘南、湘西北等地。一般来说，平原低丘陵地带对旱灾的抗灾反应较强，而山区及高丘陵地带对旱灾的抗灾反应较弱，其主要原因是山区地形复杂，较高海拔的丘陵土壤水分保持较差，以及水利设施普及率低，灌溉效率较低等。

2.2.4 不同程度旱灾受灾率的年次概率分布由于我省每年干旱受灾面积不同，灾害造成的损失也不同，受灾面积越大，对农业生产造成的损失也越大。因此，以不同程度受灾率对旱灾发生频率进行分析。（1）旱灾受灾率≥5%的出现频率。出现旱灾受灾率≥5%且年次概率≤10%的县只有长沙市郊，近21 a来，仅2003、2007年的受灾率在5%以上。旱灾受灾率≥5%且年次概率10%～20%的有资阳区和株洲县，仅3年的受灾率在5%以上（资阳区分别为 1987、1988、2003 年，株洲县为 1988、2003、2007年）。旱灾受灾率≥5%且年次概率20%～33%的，主要分布在常德、益阳和长株潭等地，有汉寿、沅江、湘阴、平江、株洲市（郊）、湘潭市（郊）、湘潭县、韶山、常宁等9个县。以上低于3 a一遇的区域主要是经济较发达、水利条件较好的地区（图3）。旱灾受灾率≥5%且年次概率33%～50%的，主要分布在湘东北等地，有岳阳、益阳、常德大部、长株潭地区、衡阳北部和南部、怀化以及邵阳局部，共32个县。湘中、湘南、湘西等其它大部分区域的年次概率>50%，共59个县。（2）旱灾受灾率≥10%出现频率。出现旱灾受灾率≥10%且年次概率≤10%的县为3个，即长沙市郊、资阳区和株洲县，21 a来仅有1～2 a发生受灾率在10%以上旱灾。年次概率10%～20%的有平江、湘阴、汉寿、湘潭县、韶山、醴陵、常宁、洞口等8个县。年次概率20%～33%的区域分布在湘江流域中下流和洞庭湖区等水利条件较好的地方，包括岳阳、益阳、长株潭和常德东部、衡阳中北部等20个县。年次概率33%～50%的区域主要在湘南和湘西，湘中亦有零星分布，共23个县。湖南中西部等49个县市的年次概率>50%。（3）旱灾受灾率≥20%出现频率。出现旱灾受灾率≥20%且年次概率≤10%的县有23个，主要分布在湘东北区域，包括岳阳、常德等的部分县，湘中的株洲北部以及邵阳、娄底、怀化、衡阳等地也有零星分布。其中，株洲县、醴陵、常德市（郊）等3县没有出现过旱灾受灾率≥20%的年份。受灾率≥20%且年次概率10%～20%的区域分布在洞庭湖区、湘江、资水等的中下游区以及怀化中部、邵阳中西部的部分区域，共28个县。旱灾受灾率≥20%且年次概率>33%的区域主要在湘西北、湘南和其他零星分布地区，共20个县。其中，永兴和通道两县的年次概率>50%。旱灾受灾率≥20%且年次概率20%～33%的区域分布在湖南西部和南部的广大地区，有32个县。（4）旱灾受灾率≥30%出现频率。全省有接近一半的县（48个）的旱灾受灾率≥30%。年次概率≤5%的区域主要分布在湘东北和湘中等地。其中，没有出现过受灾率≥30%的县有26个，分散分布在以上地方。年次概率≤10%的区域主要分布湘中一带以及湘北等地，共有21个县。总体上，旱灾受灾率≥30%且年次概率≤10%的县约占全省7成左右。年次概率≥10%的区域主要分布在湘南、湘西北地区，有33个县。其中，张家界市郊、桑植、龙山、花垣、古丈、通道、冷水江、新宁、双牌、新田、永兴、临武等县的年次概率≥20%，近21年来，发生过受灾率≥30%旱灾的有5～7年（图4）。（5）旱灾受灾率≥40%出现频率。全省有7成以上的县（73个）旱灾受灾率≥40%。年次概率≤5%的区域主要分布除湘南和湘西北以外的广大地区。其中，没有出现受灾率≥40%的县有53个，占全省的一半有余。年次概率=10%的区域主要分布湘南一带，湘西北靠省境的边缘地区有分布，共有21个县。年次概率≥10%的区域主要分布在湘西北和湘南部分地区，即有吉首市、龙山、花垣、古丈、张家界市郊、桑植、冷水江、苏仙区、永兴县等地9个县。其中古丈、永兴两县最高，年次概率达20%。（6）旱灾受灾率≥50%出现频率。全省出现过受灾率≥50%的仅29个县，主要分布在湘西北、湘南的旱灾重风险、危险区的县市。年次概率≤5%的有22个县，年次概率≤10%的区域有6个县，年次概率≥10%的仅1县。

2.3 湖南省旱灾风险综合评估

对各因素进行综合来评估干旱风险。从以上分析知道，旱灾对农业生产造成的灾害风险受干旱受灾率、变异系数、不同程度受灾面积的发生年次概率、脆弱度等因素影响。根据公式（6），求得各县市的综合旱灾风险指数，并依表2进行分级。

表2 旱灾综合风险指数分级标准

我们利用地理信息系统A rcGis生成湖南省旱灾综合风险图，见图5。

由图5可知，我省的旱灾综合风险指数（K）介于0.103～0.885，全省平均为0.496。位于洞庭湖周边的益阳资阳区的旱灾风险指数为0.103，为全省最低，该地区的旱灾发生和受损面积都很小，成灾的面积也不大，是我省典型的旱灾低风险区。我省旱灾风险I级区（灾害微风险区）还有湘阴、平江、株洲市（郊）、株洲县、醴陵市、洞口等7个县。这些地区的受旱面积很少，而且抗灾能力较强，风险较小，不易受旱。旱灾风险II级区（轻风险区）主要分布在湘东北的洞庭湖区、湘江中下游区及周围县市，湘中的怀化和邵阳也有零散分布，共计27县。这些地区的受旱较少，或是成灾面积较少、只是变异系数稍高，因此旱灾的风险指数较低。

旱灾风险Ⅳ级和V级区主要分布在湘南和湘西北，包括永州、郴州、湘西自治州、张家界、怀化北部等地区，共34个县，是受旱面积大，损失面积广，成灾率较高的地区。其中新田、双牌、郴州、苏仙区、永兴、冷水江、吉首市达到V级，为旱灾危险区。其他地区为旱灾风险III级区（图5）。

3 结果与讨论

我们充分考虑影响旱灾的风险的各个因素，分析旱灾受灾率、变异系数、相当受灾率、脆弱度等要素值在我省的分布情况，最后得出我省旱灾综合风险指数。（1）湖南省洞庭湖区、湘江下游的平原、低丘陵地区的旱灾风险低，这些地区受灾的面积小或抗灾能力强。湘南、湘西北的山地，湘中少雨地区的旱灾风险高，这些地区受灾的面积大或抗灾能力弱。（2）湖南省大部分县市的旱灾年际变化不大，为波动中值区。旱灾的多发地区，多数年份有较大面积旱灾发生，是防旱重点地区；旱灾少发地区，一般干旱年旱灾发生面积较少，较大旱灾只是偶而发生。就旱灾脆弱度而言，平原、低丘陵地带对旱灾的抗灾反应较强，在山区、高丘陵地带对旱灾的抗灾反应较弱。（3）旱灾较低风险指数的县市，一般发生面积较小，而风险指数高的县市，发生面积都较大。

本文应用的分析结果与前人分析的结果有所不同，这是因为旱灾的受灾情况既与降水等气象要素有较大的相关，也受土壤、地形地质状况、抗旱的水利条件和当地经济水平等诸多因素影响。本文从灾情的各因素来分析旱灾的综合风险性，能较好体现我省旱灾风险的实际情况。不足的是，本文所分析的各风险要素中，受资料来源的限制，一些情况作了简化处理，有待进一步完善。

[1]张兰生，史培军，方修琦.我国农业自然灾害灾情分析[J].北京师范大学学报.1990，26（3）：94－100.

[2]湖南省气象局资料室编.湖南农业气候[M].长沙：湖南科学技术出版社，1981.

[3]帅细强，汪扩军.利用GIS技术评价湖南夏秋干旱状况[A].中国气象学会.推进气象科技创新加快气象事业发展——中国气象学会2004年年会论文集[C].气象出版社，2004.

[4]赵阿兴，马宗晋.自然灾害损失评估指标体系的研究[J].自然灾害学报，1993，2（3）：1－7.

[5]黄崇福，刘立新，周国贤，等.以历史灾情资料为依据的农业自然灾害风险评估方法[J].自然灾害学报，1998，7（2）：1－9.

[6]邓国，李世奎.中国粮食产量风险区划初探[A].李世奎.中国农业灾害风险评价与对策 [C].北京：气象出版社，1999.176－189.

[7]谷小平，吴俊铭，武文辉.贵州省农业气象灾害风险研究[J].贵州气象，1997，20（4）：3－6.

[8]牛叔超，刘月辉，王延贵.气象灾害风险评估方法的探讨[J].山东气象，1998，18（1）：14－18.

[9]王平，史培军.陕西省农业旱灾系统及农业旱灾灾情模型研究[J].自然灾害学报，1998，7（2）：29－35.

[10]张文坚，庄锡潮，王镇铭.浙江省梅汛期洪涝灾情分析和预测[J].气象.2001，27（2）：32－35.

[11]杨国华，周永章.广东省水旱灾害风险分析与农业可持续发展[J].灾害学，2005，20（3）：16－20.

[12]汪扩军，帅细强，袁隆平.湖南省两系杂交稻制种的适宜区域与时段[J].杂交水稻，2000，15（6）：14－17.