劉 航，蔣尚明，金菊良，3*，酈建強，周玉良，3，劉 麗，3

(1．合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽合肥230009;2．安徽省水利部淮委水利科學研究院水利水資源安徽省重點實驗室，安徽蚌埠233000;3．合肥工業(yè)大學水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所，安徽合肥230009;4．水利部水利水電規(guī)劃設計總院，北京100011)

0 引言

干旱是世界上廣為分布的自然災害，近幾十年來，頻繁發(fā)生的干旱已成為世界范圍內一個重大的氣候問題。近年來，隨著溫室效應加劇，干旱問題日趨嚴重，干旱災害已成為我國主要自然災害之一，每年給人民生產生活帶來巨大影響，防旱抗旱刻不容緩。但我國地域廣大，地貌類型復雜多樣，氣候、土壤、植被及水文等環(huán)境條件時空分異顯著，不同地區(qū)的干旱成因、水利工程條件、防旱抗旱能力、農業(yè)生產特征與種植結構，以及社會經濟條件等也存在明顯差異。為揭示研究區(qū)域干旱災害的地域差異性，分析各區(qū)域旱災基本特征和成因，因地制宜地制定防旱抗旱措施，需要對研究區(qū)域進行旱災風險區(qū)劃。干旱災害風險區(qū)劃，是按照干旱災害在時間上的演替和空間上的分布規(guī)律，認識和分類評估災害的區(qū)域差異性，借助于災害分布圖、地形圖、地理信息系統(tǒng)(GIS)等，對其空間范圍進行區(qū)域劃分，反映干旱災害強度、頻度、規(guī)模等特征的過程。區(qū)劃的結果是反映區(qū)域自然災害差異性和一致性的圖件和相關說明［1-3］，可為旱災管理中防旱抗旱措施的制定提供重要的科學依據。

干旱災害風險區(qū)劃的研究主要借鑒自然區(qū)劃的原理和方法，但同時也具有自己的特色。目前，國內外學術界開展了一系列的災害風險區(qū)劃研究。世界上一些先進的國家(如美國、加拿大、日本、西歐國家)，已采用多種方法編制洪水、滑坡、地震、干旱等災害風險區(qū)劃圖，以及公眾對災害的應急對策和小區(qū)域的區(qū)劃研究，并引入GIS技術來定量進行研究［4-8］。史培軍，王平，蔣勇軍等對自然災害區(qū)劃研究較為深入，主要利用地理信息系統(tǒng)，運用“自上而下”和“自下而上”相結合的方法，進行自然災害區(qū)劃［9-14］。目前國內外主要基于以下幾種方法對災害風險區(qū)劃進行研究:“自下而上”結合“自上而下”方法、基于GIS系統(tǒng)方法、聚類分析方法、灰色系統(tǒng)方法、模糊綜合評價法、專家評判和層次分析法、主成分分析法等。近年來，GIS在災害區(qū)劃中被廣泛應用，楊豐政［15］，趙靜［16］，李喜倉［17］等從致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體暴露性、脆弱性、防災減災能力等多因子綜合分析，選取指標建立災害風險評價模型，利用GIS空間網格化、疊加分析、圖斑合并以及屬性數(shù)據庫操作等，分別進行了徐水縣干旱災害風險區(qū)劃、豫北地區(qū)的干旱災害風險區(qū)劃，以及內蒙古地區(qū)暴雨洪澇災害風險區(qū)劃。

1 區(qū)域干旱災害風險區(qū)劃方法

本文在對致災因子的危險性、孕災環(huán)境的敏感性、承災體的易損性和防災減災能力等因子進行定量分析評價基礎上，利用GIS在空間數(shù)據分析和管理上的優(yōu)勢，建立區(qū)域旱災風險評價模型，對研究區(qū)進行旱災風險評價，即可得到“自下而上”的區(qū)劃圖，同時結合“自上而下”方法修正界限，最終完成區(qū)域旱災風險區(qū)劃圖。其主要技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線與方法圖

1.1 旱災風險區(qū)劃原則

區(qū)劃原則取決于區(qū)劃目的［18］，是進行區(qū)劃的基礎，為選取區(qū)劃指標、區(qū)劃方法等提供基本依據。因此，本文在進行旱災區(qū)劃時，總體上本著“綜合因素與主導因素相結合，相似性與差異性相結合，適當保持行政區(qū)劃、流域界限和已有水利設施供水范圍的完整性”的原則對淮河流域進行旱災研究分區(qū)。具體分區(qū)時遵循以下原則:①相對一致性原則。主要包括:災害自然屬性和災情損失相對一致的原則;自然和生產條件基本一致原則，即地形、地貌、氣象等自然條件基本一致，農業(yè)生產特征相類似等。②空間連續(xù)性原則。災害區(qū)在地域上要完整，以區(qū)別類型分區(qū);不可將一個區(qū)域分割成互不連接的兩個或兩個以上的獨立部分。③區(qū)域共軛性原則。區(qū)域共軛性還需考慮相對一致性，即在保證相對一致前提下，同一區(qū)劃單元在空間上不可重復出現(xiàn)［19］。

1.2 區(qū)劃模型建立

區(qū)域自然災害風險是危險性(H)、暴露性(E)、易損性(V)和防災減災能力(R)綜合作用的結果，其表達式為［20］:

本文將改進層次分析法的模糊綜合評價模型［21－22］與自然災害風險計算模型相結合，計算各因子權重值及自然災害風險度值，最終完成區(qū)域旱災風險區(qū)劃。具體包括以下步驟:

(1)分別從危險性、暴露性、易損性、防災減災能力4方面選取評價指標，建立指標數(shù)據庫。為消除各指標量綱的影響，需對指標數(shù)據集{x(i，j)}進行標準化處理。自然斷點分級法是按照數(shù)據統(tǒng)計性質，將分組的數(shù)據達到組內間距最小、組間間距最大，達到自然聚類的目的［23］。本文應用ArcGIS軟件中自然斷點分級法(Natural Breaks)將各指標值重分類，目的是將各指標置于相同的評價區(qū)間，相當于量化的過程。

(2)利用自然災害風險理論，建立干旱災害風險指數(shù)模型［24］:

式中:I為干旱災害風險指數(shù)，用于表示區(qū)域旱災風險程度，其值越大，說明該區(qū)域干旱災害風險程度越大;H，E，V，R分別為區(qū)域危險性、暴露性、易損性和防災減災能力因子指數(shù);WH，WE，WV分別為危險性、暴露性、易損性因子的權重(0≤WH≤1，0≤WE≤1，0 ≤ WV≤1，且WH+WE+WV=1)，a為常數(shù)(0≤a≤1)，用來描述防災減災能力對于減少總的I所起的作用［24］;C 代表 H，E 或 V因子指數(shù)，WCi表示C因子第i個指標的權重(0≤WCi≤1且=1)，XCi表示C因子第i個指標的量化值。各因子權重在模糊綜合評價法建立的模糊判斷矩陣基礎上，采用基于遺傳算法的層次分析法［21］計算求得。

(3)利用計算求得的I值建立新的數(shù)據庫，用于分析各區(qū)域旱災風險程度。再次利用自然斷點分級法對旱災風險程度進行自然聚類，得到旱災風險程度區(qū)劃圖。同時利用自然地理分區(qū)，水文分區(qū)，氣象分區(qū)等已有區(qū)劃結果，依據旱災風險區(qū)劃原則，對旱災風險程度圖進行合理修正，得到最終區(qū)域旱災風險區(qū)劃圖。

2 在淮河流域旱災風險區(qū)劃中的應用

2.1 研究區(qū)概況

淮河流域(圖2)地處我國東部，介于黃河與長江之間，位于 111°55′～ 121°25′E、30°55′～36°36′N，東西長約 700 km，南北寬約 400 km，面積27萬km2，是我國重要的商品糧生產基地，也是我國人口最為密集、經濟發(fā)展?jié)摿薮蟮牡貐^(qū)之一。

圖2 淮河流域各市級行政區(qū)圖

由于淮河流域地處我國南北氣候過渡帶和東西結合部，環(huán)山臨海，地形復雜，氣候多變;平原廣闊，蓄泄條件差;人口稠密，行蓄洪區(qū)眾多，人水爭地矛盾突出;黃河奪淮影響深遠。特殊的地理氣候條件、復雜多變的地形和水系特點以及人類活動的巨大影響，導致流域內水旱災害頻繁發(fā)生。據統(tǒng)計，從1949-2010年的62年中，淮河流域年旱災成災面積在100萬hm2以上的年份有30年，占統(tǒng)計年的48．4%;年成災面積在200萬hm2和300萬hm2以上的年數(shù)分別為17年和8年，分別占統(tǒng)計年數(shù)的27．4%和12．9%;年成災面積在400萬hm2以上的有1959年、1988年、1994年和2000年，平均15．5年發(fā)生一次。62年的年平均成災面積達140．8萬hm2，平均成災率(成災面積與同期總播種面積的比)為7．14%，說明淮河流域的旱災非常頻繁，嚴重威脅著流域4省社會經濟的發(fā)展。因此，本文選取淮河流域為例研究干旱災害區(qū)劃。

2.2 指標選取與數(shù)據來源

研究問題的角度不同，選取的指標也不盡相同。根據旱災區(qū)劃原則和區(qū)劃方法，確定區(qū)劃指標體系;根據多位專家給出的各因子指標模糊判斷矩陣，采用基于加速遺傳算法改進的層次分析法計算各指標權重，具體指標及權重見表1。其中，因子權重(WH，WE，WV)分別為 0．5，0．15，0．35，防災減災能力作為可能的減少因子，并未對其賦予權重值［24］。

表1 淮河流域旱災風險區(qū)劃指標及權重

干旱指數(shù)即蒸發(fā)量與降水量的比值，反應當?shù)馗稍锍潭鹊闹笜耍珊抵笖?shù)越大的地區(qū)越易發(fā)生干旱。危險性指標數(shù)值越大說明該地區(qū)干旱災害可能性越大。耕地率即當?shù)馗孛娣e占行政區(qū)面積的比例。水旱面積比，指水、旱田播種面積之比，反映當?shù)胤N植結構。有效灌溉率指當?shù)赜行Ч喔让娣e占耕地面積比例，該指標可反映當?shù)胤罏臏p災能力。

本文氣象數(shù)據包括降水量、氣溫、日照等選用國家氣象網站1951-2010年逐月數(shù)據，蒸發(fā)數(shù)據利用水面蒸發(fā)量公式推求;暴露性因子中3個指標及人均GDP指標數(shù)據來源于流域四省(河南、山東、安徽、江蘇)2011年統(tǒng)計年鑒;其余指標數(shù)據來源于流域4省抗旱規(guī)劃。

圖3 淮河流域旱災風險評價因子指數(shù)圖

圖4 淮河流域旱災風險程度區(qū)劃圖

圖5 淮河流域旱災風險區(qū)劃圖

2.3 淮河流域旱災風險區(qū)劃

統(tǒng)計淮河流域32個國家氣象站點1951-2010年的多年平均降水量，多年平均氣溫和多年平均累積日照時數(shù)數(shù)據，并利用彭曼公式［25］計算可能蒸發(fā)量，進而計算各站點干旱指數(shù)。通過ArcGIS中反距離權重(IDW)插值法，對點圖層進行空間差值，得到淮河流域各指標多年平均空間分布柵格圖。為了去除量綱影響，并將各指標置于相同評價區(qū)間，采用自然斷點分級法將各指標重分為10類;由于危險性因子指標為柵格圖，為了便于在GIS中計算，需將暴露性、易損性、防災減災能力因子中各指標圖層，轉為柵格圖層，亦將各指標圖層重分為10類?？紤]到危險性、暴露性、易損性因子中指標與旱災風險呈正相關或負相關，因此需對各指標進行同向化處理;呈正相關的指標，指標值最小區(qū)域賦值為1，最大區(qū)域賦值為10;呈負相關的指標，指標值最小區(qū)域賦值為10，最大區(qū)域賦值為1。其中防災減災能力因子指標在風險指數(shù)公式中統(tǒng)一處理，此處指標值最小區(qū)域賦值為1，最大區(qū)域賦值為10。在ArcGIS軟件中，利用式(3)計算各因子指數(shù)，即可得到危險性、暴露性、易損性和防災減災能力指數(shù)圖(圖3)，利用式(2)即可得到旱災風險程度圖，根據GIS自然斷點分級法得到淮河流域旱災風險程度區(qū)劃圖(圖4)。結合淮河流域地形地貌、水文分區(qū)、氣候分區(qū)等綜合分析，依據分區(qū)目的及原則，“自上而下”對圖4中分布較散的圖斑進行合理的歸并處理。經過綜合分析，反復調整后，將淮河流域大致分為6個區(qū)域，具體分區(qū)結果如圖5。

2.4 區(qū)劃結果分析

(1)西部山丘區(qū):包括平頂山市、駐馬店市、漯河市和洛陽市等4市，該區(qū)處于伏牛山的山丘區(qū)，以山地及山前丘陵為主。暴露性、易損性適中，但多年平均干旱指數(shù)1．443，屬流域較高水平，危險性較大，加之防災減災能力較低，綜合評定為旱災中風險區(qū)。

(2)豫魯平原區(qū):包括鄭州市、開封市、許昌市、周口市、商丘市、菏澤市、濟寧市等7市，該區(qū)主要處于豫東平原區(qū)和魯西南平原區(qū)。除鄭州市西部和濟寧市東部部分山丘區(qū)外，其他均處于平原區(qū)。危險性、暴露性、易損性均較高，部分地區(qū)出現(xiàn)流域最大值，防災減災能力有所差異，但總體水平不高，為流域旱災高風險區(qū)。

(3)淮北平原區(qū):包括阜陽市、亳州市、淮北市、宿州市、淮南市、蚌埠市、宿遷市等7市，該區(qū)主要處于淮北平原區(qū)，以平原為主。危險性從北到南逐漸減少，暴露性從西向東逐漸減少;易損性中部較大，由于宿遷市水旱面積比較大，畝均水資源量較少，因此易損性較大;防災減災能力西部較弱，使得該區(qū)西北部為較高風險區(qū)，東南部為中等風險區(qū)。

(4)沂蒙山丘區(qū):包括日照市、臨沂市、棗莊市、徐州市、連云港市等5市，該區(qū)以山地及山前丘陵崗地為主，南部有部分平原區(qū)。臨沂市由于山區(qū)較多，有效灌溉率較低，防災減災能力較差，但暴露性、易損性較低，該區(qū)其他地區(qū)危險性、暴露性、易損性、防災減災能力均處于流域中等水平，屬中風險區(qū)。

(5)南部山丘區(qū):包括信陽市、六安市、合肥市、滁州市等4市，該區(qū)處于淮河流域西南部桐柏山、大別山區(qū)，以山地及丘陵為主，位于淮河中上游。該區(qū)危險性、暴露性、易損性均為流域較低水平，除信陽市中等水平外，其余3市均有較高的防災減災能力，整體看來為流域旱災風險最低的區(qū)域。

(6)蘇北平原區(qū):包括淮安市、揚州市、泰州市、鹽城市、南通市等5市，該區(qū)處于蘇北平原，以平原洼地為主。危險性、暴露性較低，該區(qū)以水田為主，易損性略高;該區(qū)地處沿海，是流域內經濟發(fā)達地區(qū)，有效灌溉率、人均GDP水平均很高，防災減災能力較高，因此該區(qū)旱災風險較低。

3 結論

近年來，我國干旱災害頻發(fā)，為了進一步做好防災減災管理工作，將較大區(qū)域進行分區(qū)治理，因地制宜的提出工程和非工程措施，顯得尤為重要。干旱災害風險區(qū)劃實質上就是將各行政區(qū)按旱災風險相近程度進行分類，得到不同的分區(qū)。隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，基于GIS的方法越來越多地被應用于區(qū)劃研究過程中，其主要優(yōu)點在于數(shù)據處理、圖層疊加、圖形合并等。本文應用自然災害風險理論建立風險模型，應用改進的層次分析法計算指標權重，結合GIS中自然斷點分類法進行聚類分析，全面綜合地分析各地區(qū)相關性和差異性，應用區(qū)劃中“自下而上”和“自上而下”相結合的思想，初步提出淮河流域旱災風險區(qū)劃方案，可為流域分區(qū)防災減災提供參考依據。在不同研究區(qū)域，區(qū)劃所用指標可能不盡相同，需要根據研究區(qū)特點選擇，該過程須進一步完善，但用本文方法進行區(qū)劃，仍可為有關部門方案決策提供參考。

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