郭 放，崔 毅，陳夢璐

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

干旱是指某一地理區(qū)域在水循環(huán)過程中自然水源一直低于其長期平均值，導(dǎo)致該區(qū)域的河流、湖泊、土壤或地下含水層等出現(xiàn)水量不足的現(xiàn)象[1]。當(dāng)干旱發(fā)展到一定程度時(shí)，就會(huì)演變成為干旱災(zāi)害，簡稱旱災(zāi)[2]。由于農(nóng)作物本身具有成災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)的特性和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的能力有限，它已成為受干旱影響最嚴(yán)重的承災(zāi)體類別[3]。農(nóng)業(yè)干旱是指由于植物生長發(fā)育過程中缺乏或得不到適量的水分供應(yīng)而導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降甚至絕收的現(xiàn)象。量化區(qū)域旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)是實(shí)現(xiàn)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理、降低旱災(zāi)損失的關(guān)鍵。其中，如何準(zhǔn)確定量評(píng)估旱災(zāi)脆弱性十分重要。旱災(zāi)脆弱性是旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的重要組成部分，旱災(zāi)脆弱性評(píng)估是科學(xué)認(rèn)識(shí)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、定量描述旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的重要基礎(chǔ)，從脆弱性的角度探討旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)制，為防災(zāi)減災(zāi)和政府決策奠定更科學(xué)合理的決策基礎(chǔ)[4]。

脆弱性的概念源于20世紀(jì)90年代國內(nèi)外學(xué)者們通過對(duì)自然災(zāi)害展開大量的研究得到的研究成果。隨著脆弱性在許多不同的研究領(lǐng)域得到了應(yīng)用，脆弱性概念的理解和應(yīng)用也逐漸豐富起來。Das等[5]用近年來衛(wèi)星數(shù)據(jù)序列評(píng)估印度氣象和農(nóng)業(yè)干旱狀況的趨勢和脆弱性，Kamali等[6]將干旱暴露指數(shù)與作物敏感性指數(shù)結(jié)合起來，提出一個(gè)實(shí)際的作物干旱脆弱性指數(shù)。目前農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)方法主要有集對(duì)分析法[7]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[8]、灰色關(guān)聯(lián)度法[9]、云相似度法[1]等。這些方法在實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)勢和局限性，其中，在應(yīng)用集對(duì)分析理論進(jìn)行農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性的綜合評(píng)價(jià)時(shí)，差異度系數(shù)I的取值會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，如李陶等[10]采用灰色關(guān)聯(lián)方法計(jì)算I時(shí)，I的取值可能會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果與真實(shí)情況相反；張文[11]和金菊良等[9]運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度與聯(lián)系數(shù)耦合的方法計(jì)算差異度系數(shù)I時(shí)，差異度系數(shù)I取值較為粗糙。為此，本文采用三角模糊數(shù)與集對(duì)分析聯(lián)系數(shù)耦合的方法建立區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)模型，采用取不同等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)閾值對(duì)應(yīng)不同差異度系數(shù)的動(dòng)態(tài)計(jì)算方法，確定基于三角模糊數(shù)的每個(gè)評(píng)價(jià)子系統(tǒng)里單個(gè)指標(biāo)的差異度系數(shù)，解決傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)差異度系數(shù)I取值的粗糙性問題，實(shí)現(xiàn)差異度系數(shù)I隨實(shí)際情況動(dòng)態(tài)變化。應(yīng)用該模型進(jìn)行蚌埠市實(shí)證研究，為區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)提供新的有效途徑，為農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)模型的建立

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、權(quán)重及評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性的形成機(jī)理、組成因素并統(tǒng)籌考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的科學(xué)性、全面性、層次性和可操作性等原則[12-13]，將區(qū)域旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)系統(tǒng)分為承災(zāi)體的暴露子系統(tǒng)(E)、災(zāi)損敏感性子系統(tǒng)(V)、防災(zāi)減災(zāi)能力子系統(tǒng)(A)3個(gè)子系統(tǒng)及其評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[9]，各指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)集記為{xijk|i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;k=1,2,…,Nj}，n為評(píng)價(jià)樣本數(shù)目，m為子系統(tǒng)數(shù)目，Nj為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)目。運(yùn)用基于加速遺傳算法的模糊層次分析法(AGA-AHP)[14]求各子系統(tǒng)及其各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重[11]。參考現(xiàn)有評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[9,15]和咨詢專家意見，建立區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn){sgjk|g=1,2,3,4,5;j=1,2,3;k=1,2,…,Nj}。令集合Ak代表樣本i子系統(tǒng)j指標(biāo)k的指標(biāo)值xijk，令集合Bk代表該指標(biāo)等級(jí)下的標(biāo)準(zhǔn)值sgjk，從而集合Ak與Bk組成一個(gè)集對(duì)H(Ak,Bk)[16]。

1.2 計(jì)算區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)樣本的聯(lián)系數(shù)

為了避免聯(lián)系數(shù)計(jì)算時(shí)等級(jí)1和5對(duì)應(yīng)閾值s0jk及s5jk取值的主觀性，可用“同異反層次法”聯(lián)系度表達(dá)式分析確定區(qū)域旱災(zāi)脆弱性程度的聯(lián)系數(shù)表達(dá)式[16]。脆弱性等級(jí)與同異反關(guān)系對(duì)照見圖1。

圖1 脆弱性、標(biāo)準(zhǔn)閾值及同異反關(guān)系對(duì)照

1.3 構(gòu)建基于三角模糊數(shù)的動(dòng)態(tài)差異度系數(shù)區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性綜合評(píng)價(jià)方法

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中wjk——區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)樣本第j個(gè)子系統(tǒng)第k個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；wj——區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)樣本第j個(gè)子系統(tǒng)。

(7)

2 在蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用分析

蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)樣本數(shù)據(jù)集來源于《安徽統(tǒng)計(jì)年鑒(2002—2011)》[21]。結(jié)合文獻(xiàn)[1]、[9]中的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重，將蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)樣本指標(biāo)值代入式(1)可得單指標(biāo)聯(lián)系數(shù)μijk，同時(shí)代入式(2)、(3)得到各評(píng)價(jià)年份不同指標(biāo)的差異度系數(shù)I1、I2，考慮到篇幅，這里僅列出2001—2010年蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)農(nóng)業(yè)人口密度(E1)、農(nóng)業(yè)GDP所占比例(E6)、人均耕地面積(V1)、有效灌溉面積率(A3)、保灌面積率(A4)、單位耕地面積灌溉動(dòng)力(A8)所對(duì)應(yīng)的差異度系數(shù)I1、I2，結(jié)果見表1。

表1 不同指標(biāo)的動(dòng)態(tài)差異度系數(shù)I1和I2計(jì)算結(jié)果

表2 2001—2010年蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)子系統(tǒng)聯(lián)系數(shù)及樣本綜合聯(lián)系數(shù)

表3 2001—2010年蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性不同評(píng)價(jià)方法的計(jì)算結(jié)果比較

圖2 2001—2010年蚌埠市區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性不同評(píng)價(jià)方法結(jié)果比較

由表3、圖2可看出：①從評(píng)價(jià)等級(jí)值的趨勢來看，本文方法的評(píng)價(jià)結(jié)果總體由4級(jí)向3級(jí)的趨勢發(fā)展，隨時(shí)間的推移蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性等級(jí)值總體呈下降趨勢，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)抵御干旱的能力在逐漸增強(qiáng)，這與灰色關(guān)聯(lián)度與聯(lián)系數(shù)耦合法[9]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[8]和云相似度法[1]的評(píng)價(jià)結(jié)果在趨勢上是一致的，說明本文構(gòu)建的基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)模型具有合理性、可行性，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)抵御干旱的能力逐漸增強(qiáng)可能與當(dāng)?shù)仡A(yù)警、調(diào)控措施密切相關(guān)；②從評(píng)價(jià)等級(jí)值來看，本文評(píng)價(jià)方法計(jì)算得到的2001—2003年蚌埠市區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性等級(jí)值分別為3.525、3.493和3.410，即在等級(jí)3.5左右輕微浮動(dòng)，2004—2010年在等級(jí)3左右微小變化，這相較于灰色關(guān)聯(lián)度與聯(lián)系數(shù)耦合法[9]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[8]和云相似度法[1]的評(píng)價(jià)等級(jí)值更加穩(wěn)定，浮動(dòng)較小，這是因?yàn)榛谌悄：龜?shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的評(píng)價(jià)模型本文充分考慮了差異度系數(shù)I1、I2的動(dòng)態(tài)變化特征，克服了傳統(tǒng)方法對(duì)I1、I2經(jīng)驗(yàn)取值時(shí)的粗糙性，使得差異度系數(shù)I1、I2的取值更加符合實(shí)際涵義和物理過程，從而提高評(píng)價(jià)結(jié)果的精度。而灰色關(guān)聯(lián)與聯(lián)系數(shù)耦合法[9]雖然將聯(lián)系數(shù)理論引入評(píng)價(jià)模型中，但在計(jì)算聯(lián)系數(shù)值時(shí)沒有考慮差異度系數(shù)I1、I2隨指標(biāo)值變化而變化的特征，是靜態(tài)的，由此可能造成對(duì)評(píng)價(jià)樣本數(shù)據(jù)的解析不夠深刻、全面，評(píng)價(jià)結(jié)果的趨勢可能一致，在精確度上卻會(huì)弱于由三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合法計(jì)算得到的評(píng)價(jià)結(jié)果。模糊綜合評(píng)價(jià)法[8]和云相似度法[1]亦是未考慮差異度系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。此外，集對(duì)分析作為一種數(shù)據(jù)挖掘的有效工具，具有從宏觀和微觀不同層次刻畫和反映所研究對(duì)象的確定不確定性趨勢，將三角模糊數(shù)與聯(lián)系數(shù)耦合可以深入解析評(píng)價(jià)樣本與評(píng)價(jià)等級(jí)值之間的隱含信息，為區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐，同時(shí)可為農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防控和區(qū)域防旱抗旱給予科學(xué)指導(dǎo)。云相似度法的評(píng)價(jià)結(jié)果相較于其他方法偏差較大，這與計(jì)算過程中精確度損耗比較大可能有關(guān)系，而以集對(duì)分析聯(lián)系數(shù)為基本理論的方法計(jì)算結(jié)果較穩(wěn)定。

上述研究實(shí)例結(jié)果說明構(gòu)建的基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)模型的合理性、可解釋性及準(zhǔn)確性，這表明通過三角模糊數(shù)計(jì)算差異度系數(shù)I1、I2，再進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法在區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)上有很好的應(yīng)用前景。通過集對(duì)分析構(gòu)造評(píng)價(jià)等級(jí)與評(píng)價(jià)樣本值間的集對(duì)并計(jì)算單指標(biāo)聯(lián)系數(shù)，然后經(jīng)三角模糊數(shù)計(jì)算得到隨評(píng)價(jià)樣本值動(dòng)態(tài)變化的差異度系數(shù)I1、I2，克服了差異度系數(shù)由傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)取值時(shí)的粗糙性，最后經(jīng)加權(quán)后得到各評(píng)價(jià)子系統(tǒng)聯(lián)系數(shù)值及評(píng)價(jià)樣本綜合聯(lián)系數(shù)值，并由構(gòu)建的評(píng)價(jià)等級(jí)值與評(píng)價(jià)樣本綜合聯(lián)系數(shù)值間的函數(shù)關(guān)系得到蚌埠市區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)值?？梢?，本文構(gòu)建的基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的評(píng)價(jià)模型兼具物理含義解釋性強(qiáng)、數(shù)據(jù)挖掘深及動(dòng)態(tài)變化等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)論

以蚌埠市2001—2010年農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性為評(píng)價(jià)樣本，依據(jù)集對(duì)分析聯(lián)系數(shù)原理構(gòu)建了基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)模型，通過對(duì)實(shí)際應(yīng)用結(jié)果的分析可得如下結(jié)論。

a)為了更加準(zhǔn)確地刻畫和描述評(píng)價(jià)樣本值與評(píng)價(jià)等級(jí)值間的模糊隸屬關(guān)系，通過構(gòu)造評(píng)價(jià)等級(jí)與評(píng)價(jià)樣本值間的集對(duì)并計(jì)算單指標(biāo)聯(lián)系數(shù)，然后經(jīng)三角模糊數(shù)計(jì)算得到隨評(píng)價(jià)樣本值動(dòng)態(tài)變化的差異度系數(shù)I1、I2，最后計(jì)算得到評(píng)價(jià)樣本綜合聯(lián)系數(shù)值，并由構(gòu)建的評(píng)價(jià)等級(jí)值與評(píng)價(jià)樣本綜合聯(lián)系數(shù)值間的函數(shù)關(guān)系得到蚌埠市區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)值。這種評(píng)價(jià)方法兼具物理含義完整、計(jì)算簡單方便、數(shù)據(jù)解析深刻及動(dòng)態(tài)變化特征，更為合理、有效。

b)基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)系數(shù)計(jì)算過程中差異度系數(shù)I1、I2的動(dòng)態(tài)取值，即隨著評(píng)價(jià)樣本指標(biāo)值的變化而變化，不同評(píng)價(jià)年份不同評(píng)價(jià)指標(biāo)值對(duì)應(yīng)的差異度系數(shù)I1、I2可能是不同的。這種差異度系數(shù)的取值方法克服了經(jīng)驗(yàn)取值法的粗糙性，為評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供有力支撐。

c)基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)模型計(jì)算得到蚌埠市2001—2010年農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性在減弱，評(píng)價(jià)等級(jí)由2001年的3.525級(jí)逐年變化到2010年的2.921級(jí)，其中2001—2003年脆弱性等級(jí)值在等級(jí)3.5左右波動(dòng)，2004—2010年脆弱性等級(jí)值在等級(jí)3左右波動(dòng)，這與文獻(xiàn)[8-9]結(jié)果基本一致，這說明蚌埠市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的抗旱能力在逐年增強(qiáng)。同時(shí)，本文的評(píng)價(jià)方法計(jì)算結(jié)果較文獻(xiàn)[8-9]更穩(wěn)定，浮動(dòng)更小。

d)基于三角模糊數(shù)和聯(lián)系數(shù)耦合的區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性評(píng)價(jià)模型為區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性定量評(píng)估提供了一種新的思路，并且在物理內(nèi)涵、數(shù)據(jù)挖掘和動(dòng)態(tài)變化方面具有良好的潛力，應(yīng)用實(shí)例計(jì)算結(jié)果合理，因此具有推廣應(yīng)用價(jià)值。