辛學飛 黃駿 胡艷陽 呂昆坤 陳夢瓊 朱金菊
摘要:洪澇災(zāi)害是發(fā)生頻率較高、危害較重的一種自然災(zāi)害。因此,對洪澇災(zāi)害進行風險評估,能夠有效減輕災(zāi)害損失,提高社會經(jīng)濟效益。本研究利用張家界地區(qū)桑植、永定、慈利3個站點1981-2010年的降水資料、張家界市主要農(nóng)作物播種面積、洪澇受災(zāi)面積、成災(zāi)面積以及減產(chǎn)糧食量等數(shù)據(jù),建立洪澇風險評估模型;根據(jù)逐日降水量數(shù)據(jù)的伽瑪(gamma)分布特征,對其進行擬合,再分析計算張家界地區(qū)主要農(nóng)作物需水量的特征值,對主要農(nóng)作物進行洪澇風險評估。結(jié)果表明:張家界地區(qū)發(fā)生洪澇風險的概率很高,相對而言,發(fā)生低級別洪澇風險的概率更高;農(nóng)作物遭受洪澇風險的概率自西向東逐漸增加,需水量越大的農(nóng)作物遭受洪澇風險的概率越低。
關(guān)鍵詞:洪澇風險;伽瑪(gamma)分布;作物需水量
中圖分類號:P426.616
文獻標志碼:A
論文編號:cjas14120022
0引言
暴雨是中國主要災(zāi)害性天氣之一,暴雨常常引起山洪暴發(fā)、山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害和城市內(nèi)澇,直接影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。洪澇災(zāi)害對農(nóng)作物生長和農(nóng)業(yè)發(fā)展影響很大,因此中國專家、學者對洪澇農(nóng)業(yè)風險評估做了大量研究工作,利用不同指標建立洪澇評估模型;有選取合適的降水概率模型,對洪澇災(zāi)害進行評估;還有利用GIS技術(shù)對洪澇災(zāi)害風險進行評估與區(qū)劃;另外,還有從具體的農(nóng)作物需水量出發(fā),對洪澇災(zāi)害風險進行評估。這些研究表明,降水量的時空變化對洪澇風險影響很大。另外,洪澇災(zāi)害風險不僅受天氣氣候條件和下墊面性質(zhì)的影響,還與當?shù)胤篮榭篂?zāi)能力等諸多因素有關(guān)。張家界市位于湖南省西北部,地處長江中下游,每年遭受洪澇災(zāi)害的概率很高,而張家界地區(qū)又是一個依托農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)為主體的地區(qū),因此對張家界地區(qū)進行洪澇風險研究,有著十分重要的意義。本研究擬選取適合的因子對洪澇災(zāi)害進行風險評估,再根據(jù)作物需水量特征值,對主要農(nóng)作物進行洪澇風險評估,以期為張家界地區(qū)的農(nóng)作物合理布局提供一些可行的依據(jù)。
1資料與方法
1.1資料來源
本研究主要收集了張家界地區(qū)1981-2010年的降水資料,張家界市主要農(nóng)作物播種面積、洪澇受災(zāi)面積、成災(zāi)面積以及減產(chǎn)糧食量等數(shù)據(jù)。
1.2研究方法
洪澇災(zāi)害屬于突發(fā)性災(zāi)害,受天氣氣候條件、地質(zhì)條件和植被、社會經(jīng)濟能力、防洪抗災(zāi)能力等諸多因素影響。因此,洪澇災(zāi)害的發(fā)生具有不確定性。本研究引入受災(zāi)率、成災(zāi)率、降水變率、災(zāi)害脆弱度、災(zāi)害損失率5個反映洪澇災(zāi)害風險的因子,再采用自然災(zāi)害風險指數(shù)法將洪澇災(zāi)害風險歸結(jié)為以上5個因子共同作用的結(jié)果。
1.2.1受災(zāi)率Ps 受災(zāi)率指洪澇受災(zāi)面積Ss占播種面積S的比率,見公式(l)。
Ps=Ss/S……………………(l)
1.2.2成災(zāi)率Pc 成災(zāi)率指洪澇成災(zāi)面積Sc占播種面積S的比率,見公式(2)。
Pc=Sc/S……………………(2)
1.2.3歷年5-9月降雨量R的變率V 因張家界地區(qū)在5-9月期間發(fā)生洪澇的概率較大,本研究采取5-9月降雨量與歷年同期平均降雨量?R之比表示降水變率,見公式(3)。
V=R/?R…………………………(3)
1.2.4災(zāi)害脆弱度E 本研究以成災(zāi)面積與受災(zāi)面積之比表示災(zāi)害脆弱度,見公式(4)。
E=Sc/Ss………………………(4)
1.2.5災(zāi)害損失率F 指洪澇災(zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響,主要表現(xiàn)在糧食減產(chǎn)程度上。因此,采用受災(zāi)率表示災(zāi)害損失率,見公式(5)。
F=r·Ps………………………(5)
式中:r只考慮了受災(zāi)面積不同程度時對糧食減產(chǎn)的影響。
為了統(tǒng)一量綱,對歷年受災(zāi)率、成災(zāi)率、降水變率、災(zāi)害脆弱度和災(zāi)害損失率作0~1正規(guī)化處理后進行綜合,并根據(jù)對災(zāi)害影響的程度賦予權(quán)重系數(shù),從而得出災(zāi)害風險度W,以此評估歷年洪澇災(zāi)害的風險程度,見公式(6)。
W=aPs′+bPc′+cV′+dE′+eF′……………………(61)
式中:a、b、c、d、e為各因素的權(quán)重系數(shù),本研究中均取為1;Ps′、Pc′、V′、E′、F′為標準化處理后的受災(zāi)率、成災(zāi)率、降水變率、災(zāi)害脆弱度和災(zāi)害損失率。因為洪澇發(fā)生時,對農(nóng)業(yè)的影響存在一定季節(jié)性差異,在實際計算中將洪澇風險分為3級。分級指標以W的大小為依據(jù),并根據(jù)分級結(jié)果確定各級的受災(zāi)、成災(zāi)面積、糧食損失如表l所示。
1.3結(jié)果與討論
通過以上洪澇風險度計算和分級結(jié)果,計算出1981-2010年張家界市洪澇災(zāi)害等級發(fā)生的年次概率分別為15%、15%、70%。張家界地區(qū)發(fā)生l、2級洪澇風險的概率比較低,發(fā)生3級洪澇風險的概率比較高。張家界地區(qū)降水量和降水強度時空分布不均,另外加之生態(tài)環(huán)境的破壞,導(dǎo)致水土流失現(xiàn)象較嚴重,從而增加了洪澇發(fā)生頻率,每年都有發(fā)生洪澇災(zāi)害的風險,但是隨著農(nóng)作物抗災(zāi)能力的加強,以及水利灌溉設(shè)施的逐步完善,在一定程度上降低了張家界地區(qū)發(fā)生1、2級高洪澇風險的概率。
2主要農(nóng)作物洪澇災(zāi)害風險評估
2.1逐日降水量的伽瑪(gamma)分布特征以及對3站逐日降水量的擬合
如果連續(xù)型隨機變量χ的密度函數(shù)滿足,見公式(7):
式中:α為伽瑪分布的形狀參數(shù),α>0;β為伽瑪分布的尺度參數(shù),β>0。則隨機變量χ服從伽瑪分布,依據(jù)伽瑪分布函數(shù)的特性,可計算出α和β。一般情況下,氣象臺站逐日降水量數(shù)據(jù)符合伽瑪分布,因此本研究選取1981-2010年張家界市桑植、永定、慈利3站點逐日降水數(shù)據(jù),使用Matlab軟件的mle函數(shù)計算各站降水量伽瑪分布2個參數(shù)(α、β)的最大似然估計。結(jié)果如下:桑植:α=0.4839,β=18.2896;永定:α=0.5055,β=17.9025;慈利:α=0.5127,β=19.0847。
因此,對桑植、永定、慈利3個站點逐日降水量的概率密度分布和累積分布分別進行擬合,得到3站的降水量的分布特征(見圖1~3)。
由此也可知,桑植、永定、慈利3站的降水量頻次分布(見圖4~6),再使用Matlab軟件的gampdf函數(shù),即可得到各雨量對應(yīng)的累積分布值。
2.2主要農(nóng)作物的需水量指標與洪澇風險概率的確定
計算作物需水量(即作物最大蒸散量)的方法有很多種,其中包括經(jīng)驗公式法、水汽擴散法、能量平衡法及綜合法等。本研究采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith公式及作物系數(shù),計算出張家界市主要農(nóng)作物逐月(日)平均需水量。具體計算公式見公式(8):
ETm=Kc×ETo……………………(8)
式中:ETm為作物需水量(mm),Kc為作物系數(shù),ETo為參考作物蒸散量(mm)。本研究選取張家界種植面積最為普遍的中稻和玉米作為研究對象,計算得出張家界市中稻的需水量范圍為(500~800mm),玉米的需水量范圍為(330~450mm),中稻日平均需水量的上限值約2.2mm;玉米日平均需水量上限值約1.2mm。農(nóng)作物平均需水量上限值對應(yīng)的累計分布值,即為農(nóng)作物不會遭受洪澇的風險的概率(見表2)。
綜上分析得出,玉米在張家界市桑植、永定、慈利遭受洪澇風險的概率分別為70%、72%、73%;中稻遭受洪澇風險的概率分別為61%、62%、64%,玉米和中稻自西向東遭受洪澇風險的概率逐漸增加,需水量越大的作物遭受洪澇風險的概率越低。
3結(jié)論
(1)張家界市降水量和降水強度在年際、季節(jié)存在明顯的差異。另外,近年來隨著生態(tài)環(huán)境的破壞,增加了洪澇發(fā)生頻率。張家界市發(fā)生洪澇風險的概率很高,幾乎每年都存在不同程度洪澇風險,其中l(wèi)、2、3級洪澇風險出現(xiàn)的概率分別為15%、15%、70%,對比而言,發(fā)生低級別洪澇風險的概率更高。
(2)根據(jù)張家界主要農(nóng)作物玉米、中稻日需水量的上限和3站逐日降水量的累積分布值,分析得出玉米在張家界市桑植、永定、慈利遭受洪澇風險的概率分別為70%、72%、73%;中稻遭受洪澇風險的概率分別為61%、62%、64%。玉米和中稻自西向東遭受洪澇風險的概率逐漸增加,需水量越大的作物遭受洪澇風險的概率越低。
4討論
(1)張家界幾乎每年都有洪澇災(zāi)害發(fā)生,因此預(yù)報洪澇災(zāi)害發(fā)生的時間、地點和強度顯得尤為重要。另外,還要對農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)進行合理化調(diào)整,增強對洪澇災(zāi)害的應(yīng)變能力,最后要做好水庫的科學調(diào)度,改造農(nóng)田水利設(shè)施,可以有效減輕洪澇災(zāi)害損失。
(2)張家界地區(qū)主要種植作物為玉米和中稻,基本無早稻種植,本研究結(jié)論中玉米和中稻遭受洪澇風險的概率自西向東逐漸增加。因此,可建議適當增加張家界偏西地區(qū)的玉米和中稻種植面積。
(3)通過對張家界地區(qū)主要農(nóng)作物的洪澇風險研究,對農(nóng)業(yè)種植合理布局提供了適當?shù)慕ㄗh,但是在此只考慮了洪澇災(zāi)害的影響,并未考慮其他災(zāi)害的影響。可在今后的研究和探索中,將各種災(zāi)害綜合考慮,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建議提供更有力的依據(jù)。