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1材料與方法

1.1數據來源該研究選用湖南省有連續氣象資料記錄的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,氣象數據來自中國氣象科學數據共享網。

1.2農業旱災風險分析原理與方法風險的最基本理解是“可能存在的一個或多個后果”[13],雖然不同學科對于風險有不同的定義,但風險總是與“損失或破壞、不利后果或人們(即風險承擔者)不希望出現、不愿意接受的事物”的潛在威脅相聯系,且潛在威脅的出現具有不確定性。在災害學中,通常認為自然災害風險是由致災因子的危害性(Haz-ard)、承災體的暴露性(Exposure)和脆弱性(Vulnerability)3個要素以及由此導致的災情共同組成的宏觀結構[14-16]。西部干旱協調委員會(WesternDroughtCoordinationCounci,lWDCC)將旱災風險定義(droughtrisk)為干旱危害強度、頻度及承災體脆弱性綜合作用產生的潛在負面影響[17]。即旱災的風險是某一地區一段時間降水短缺和該地區脆弱性和暴露性共同作用的產物[2],可用公式表示如下:DRI=DHI×DVI(1)式中,DRI為干旱災害風險指數;DHI為干旱危害度指數;DVI為干旱脆弱度指數。該研究將根據上述公式,在對湖南省干旱災害危害性和脆弱性分析的基礎上進行農業干旱災害風險的綜合分析及定量評價。

1.2.1農業旱災危害性評價。在自然災害學研究中,危害性是指致災因子對人類和財產構成的潛在威脅[18]。因此,可將農業旱災的危害性理解為干旱對農業生產造成的潛在威脅。旱災的強度取決于水分的虧缺度、持續時間及其影響的空間范圍[19]。旱災致災因子危害性分析是對干旱進行識別,對其強度、頻度進行分析,并確定區域內各種強度干旱發生的概率。該研究用標準降雨指數SPI分析旱災的時空格局及強度。SPI由McKee提出,用來確定有降雨量記錄的任何地區特定時間尺度的降雨異常事件[20]。在眾多干旱指數中,標準降雨指數SPI是一種基于多種時間尺度降水概率的干旱指數,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行計算,從而使SPI不僅可用于監測短時期內的水分變化,如對農業生產有重要影響的土壤水分變化,而且還可以監測長時期的水分動態,如地下水供給、徑流量等[23]。由于短時期內的水分變化對農業生產具有重要影響,該研究將以3個月尺度的SPI對湖南省農業旱災的危害性進行分析計算。SPI的計算方法是用Γ概率分布函數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;β>0為尺度參數;Γ(α)為gamma函數。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H(x)轉換成均值為0、標準差為1的標準正態分布函數,得出SPI。根據SPI值的大小可將干旱狀況劃分為4個等級(表1)。旱災危害性同時取決于旱災強度大小和發生頻率高低,旱災強度越大,頻率越高,危害性越大。該研究將不同強度等級的干旱賦予不同的權重(表1),同時將每一強度干旱等級發生頻率劃分為4個等級(權重的確定及等級的劃分參照文獻[24]),構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;MDr為中等干旱發生率等級;MDw為中等干旱權重;SDr為嚴重干旱發生率等級;SDw為嚴重干旱權重;VDr為極端干旱發生率等級;VDw為極端干旱權重。(由于輕度干旱對農業生產的影響較小,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及每一等級干旱強度的發生率進行空間插值,插值過程在ArcGIS軟件中實現。根據研究需要,將插值得到的柵格結果按縣市進行區域統計,得到不同等級干旱發生率縣域分布圖。最后根據公式(8)將不同等級干旱發生率分布圖疊加,進行空間計算,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,得到湖南省農業旱災危害度分布圖。

1.2.2農業旱災脆弱性評價。承災體的脆弱性水平是影響災害風險大小的基本因素之一。通常,風險載體相對于某風險源的脆弱性愈低,該風險載體遭受損失的可能性愈小,相應地其所載荷的來自該風險源的災害風險就可能愈小;反之愈大。依據國內外災害理論可將農業旱災脆弱性定義為:農業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、經濟和環境等各個方面,脆弱性的定量評估通常通過選取一些社會、經濟和環境脆弱性因子來進行。劉蘭芳等對湖南省農業脆弱性進行了綜合分析和定量評價[11],其評價指標體系的建立、評分標準的界定以及指標權重的確定是當前旱災脆弱性研究的范式,具有很高的科學性,因此,該研究將直接采用其計算給出的湖南省88個縣市的農業旱災脆弱度,利用ArcGIS技術將脆弱度指數按行政區劃空間化,然后用自然斷點法(naturalbreak)重新劃分為4個等級,得到湖南省農業旱災脆弱度分布圖。

1.2.3農業旱災風險評價。根據公式(1),利用ArcGIS將湖南省干旱危害度分布圖和農業干旱脆弱度分布圖疊加,進行空間計算,得到湖南省農業旱災綜合風險分布圖,并按風險度高低用自然斷點法劃分成4級。

2結果與分析

2.1湖南省農業旱災危害性分析由圖2可知,中等干旱(a)、嚴重干旱(b)和極端干旱(c)在空間上表現出截然不同的格局。中等干旱主要發生在湖南省的東北部、南部和西南部,中部和西北部地區較少發生;嚴重干旱主要集中在湖南省的北部和西部少數地區,南部地區發生頻率較低;極端干旱則主要分布在湖南省西部和南部,而東北地區很少發生。從湖南省降雨地域分布來看,澧水上游區、雪峰山區、五嶺山區和湘東北山地丘陵區屬降雨高值區,洞庭湖平原、衡陽丘陵、沅水上中游山間盆地屬降雨低值區[7],結合干旱事件可知,湖南省干旱的發生與降雨分布無明顯聯系,降水量大的地區也可能是干旱易發區,而干旱易發區不一定是降水量小的地區。圖2(d)是利用公式(8)對中等干旱、嚴重干旱和極端干旱進行空間計算得到的湖南農業干旱危害度分布圖。圖中顯示,湖南省農業干旱危害度在空間上表現出顯著的東西分異。高危害度地區主要分布于西部和南部的少數地區,從西向東,危害度不斷降低,低危害度區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縣市是湖南省農業旱災易發區域[10],可見,湖南省干旱危害性高的地區也是旱災易發地區。

2.2湖南省農業旱災脆弱性分析劉蘭芳等對影響湖南省農業干旱脆弱性的自然環境系統和社會經濟系統進行了細致的分析[11],并在此基礎上選擇降水量、蒸發量、水利化程度等9個涵蓋自然環境和社會經濟在內的指標,采用賦予指標權重和分級打分的方法對湖南省88個縣市的農業旱災脆弱性進行了綜合評價,并利用GIS技術進行旱災脆弱性區劃。結果表明,湘中衡邵盆地和湘西北山地是農業旱災嚴重脆弱帶,湘南山地為強度旱災脆弱帶,沅麻盆地為中度旱災脆弱帶,洞庭湖平原和湘東北山地旱災脆弱性較小。在此基礎上,筆者根據其計算結果將各縣市農業旱災脆弱度重新劃分為4級(圖3),其中無值區域為省轄市的城市分區[11]。從行政區劃上看,湖南省農業脆弱度高的地區主要分布于張家界、湘西土家族苗族自治州、邵陽、永州、衡陽及郴州境內。

2.3湖南省農業旱災綜合風險分析由圖4可知,湖南省農業干旱風險分布表現出明顯的東西分異,高風險地區主要分布在西部、西南和南部,中東部是低風險區域,山區通常是高風險區。從行政區劃上來看,高、較高風險區主要分布于張家界、湘西土家自治州、懷化、邵陽、永州、衡陽和郴州境內。其中橫邵盆地和湘西北山地既是旱災高危害區,也是旱災高脆弱區。經濟落后,人口密度較大,人地矛盾和人水矛盾突出,灌溉能力低,水土流失嚴重,以及旱災的頻繁發生使這些地區成為旱災高風險區。調整作物種植結構、實施節水灌溉是減輕這些地區干旱影響的有效途徑。圖4湖南省農業旱災風險度分布Fig.4DistributionofagriculturaldroughtriskdegreeinHunanProvince2007年4~10月湖南省遭受了罕見特大高溫干旱災害,其持續時間之長、強度之大、受旱范圍之廣、損失程度之重均為歷史罕見。2008年1月初,北京師范大學減災與應急管理研究院的工作人員深入湖南省旱災重災區,對干旱發生原因、災情及抗旱減災情況進行了實地調研。獲取了2006、2007年湖南省旱災災情資料。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,其中湘西自治州受災最為嚴重,農業經濟損失達3.8億元。2007年湖南省全省有13個市75個縣市區受旱,受旱面積達12萬km2,永州、岳陽、邵陽、衡陽是受災最嚴重的地區,農業經濟損失分別為47.9億、23.1億、21.1億和15.7億元。湖南省近2年的旱災受災地區主要分布于高風險區,該研究結果將有助于制定更具針對性和實效性的干旱管理策略。

3結論

基于氣象站點降雨數據的干旱危害性模型對湖南省的農業干旱危害性分析結果表明,湖南省干旱危害度從西向東呈遞減趨勢,高、較高危害度區主要分布于西部和南部,中東部地區為低危害度區。該研究根據自然災害風險分析的基本原理,在對湖南省農業旱災危害性及脆弱性綜合分析及定量評價的基礎上,確定了湖南省農業旱災風險的時空分布。結果表明,高、較高風險區主要分布于張家界、湘西土家自治州、懷化、邵陽、永州、衡陽和郴州境內。高度的干旱危害性和干旱的脆弱性決定了高度的干旱風險,提高防范意識、調整作物種植結構、實施節水灌溉、制定合理的干旱風險管理策略將有助于降低農業干旱的脆弱性,從而規避和減輕干旱對農業造成的影響。