吳 志 勇,張 靜 杰,何 海,李 源,張 宇 亮

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué) 長(zhǎng)江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院,江蘇 南京 210098; 3.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

干旱是一種由于水分虧缺引發(fā)的自然現(xiàn)象,受全球變暖影響,近年來區(qū)域性干旱事件呈現(xiàn)頻發(fā)重發(fā)趨勢(shì)[1]。干旱具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣的特點(diǎn),所造成的災(zāi)害破壞程度大,嚴(yán)重制約著社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[2]。為有效減輕干旱災(zāi)害的影響,近年來,中國的抗旱管理逐漸由被動(dòng)抗旱的危機(jī)管理模式向主動(dòng)抗旱的風(fēng)險(xiǎn)管理模式轉(zhuǎn)變[3-4]?？购的芰κ呛禐?zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要組成部分,提高區(qū)域的抗旱能力可以減輕因旱災(zāi)造成的損失,降低旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[3]。開展區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)對(duì)準(zhǔn)確識(shí)別區(qū)域旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn),合理制定抗旱預(yù)案,有效實(shí)施抗旱預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”具有重要意義。

抗旱能力反映某地區(qū)抵御干旱災(zāi)害的能力,是一個(gè)復(fù)合自然因素和社會(huì)因素的復(fù)雜系統(tǒng)[5]。根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的不同,可分為農(nóng)業(yè)抗旱能力、城市抗旱能力、區(qū)域抗旱能力等。早期的研究主要側(cè)重于農(nóng)業(yè)抗旱能力,顧穎等[6]通過分析中國農(nóng)業(yè)抗旱能力影響因素,從水利工程、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)水平和抗旱管理4個(gè)角度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),運(yùn)用基于構(gòu)成要素多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)法,對(duì)中國不同區(qū)域的農(nóng)業(yè)抗旱能力進(jìn)行研究。在此研究之后,眾多學(xué)者從自然環(huán)境、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施及應(yīng)急管理等多個(gè)角度,增加了降水年內(nèi)分配度[7-8]、土壤有效保水系數(shù)[9]、農(nóng)機(jī)動(dòng)力系數(shù)[9-10]及應(yīng)急抗旱組織人數(shù)[11]等多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),同時(shí)結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析[8]、密切值法[7]、單目標(biāo)分析法[12]、集對(duì)分析法[13]、組合優(yōu)化法[14]等分析方法對(duì)農(nóng)業(yè)抗旱能力進(jìn)行評(píng)價(jià),推動(dòng)了抗旱能力評(píng)價(jià)方法的發(fā)展。隨著研究的深入,抗旱能力評(píng)價(jià)對(duì)象由農(nóng)業(yè)逐漸擴(kuò)展至區(qū)域,區(qū)域抗旱能力指一定空間范圍內(nèi)能夠抵御和減輕干旱災(zāi)害的最大能力。區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)指標(biāo)全面考慮了區(qū)域氣象條件、供需水結(jié)構(gòu)、應(yīng)急抗旱服務(wù)隊(duì)規(guī)模及實(shí)力等方面。綜合評(píng)價(jià)法只能定性分析某一地區(qū)在一定旱情下抗旱能力的相對(duì)大小,無法定量描述抗旱能力的實(shí)際水平。梁忠民等[5]、金菊良等[15]從抗旱能力的定義出發(fā),先后提出了基于水量供需平衡關(guān)系的定量評(píng)價(jià)方法,通過計(jì)算區(qū)域可供水量與需水量之比構(gòu)建抗旱能力指數(shù),采用來水頻率表征某一地區(qū)的實(shí)際抗旱能力,為區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)提供了新思路,推動(dòng)了區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)研究的發(fā)展。本文在總結(jié)有關(guān)抗旱能力概念、內(nèi)涵、評(píng)價(jià)方法研究的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)探討區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)存在的不足以及未來抗旱能力評(píng)價(jià)的發(fā)展方向。

1 抗旱能力概念及內(nèi)涵

干旱是普遍存在的因水分供需不平衡而形成的自然現(xiàn)象,當(dāng)干旱導(dǎo)致區(qū)域經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和人們?nèi)粘Ｉ钍艿轿：r(shí),便形成了干旱災(zāi)害。從風(fēng)險(xiǎn)的角度看,干旱災(zāi)害的產(chǎn)生主要在于干旱危險(xiǎn)性與承災(zāi)體脆弱性之間的強(qiáng)弱關(guān)系,而承災(zāi)體脆弱性主要受3個(gè)因子的影響:承災(zāi)體暴露性、災(zāi)損敏感性和抗旱能力[16]。有學(xué)者將脆弱性定義為“個(gè)體或群體在應(yīng)對(duì)和抵御自然災(zāi)害的特性”[17]。由此得出,抗旱能力是可以反映某地區(qū)抵御和抗拒某種干旱災(zāi)害的能力[18],也可以反映區(qū)域未產(chǎn)生旱災(zāi)負(fù)面影響的最大干旱重現(xiàn)期[19]。梁忠民等[5]結(jié)合各行業(yè)關(guān)于“能力”的定義,認(rèn)為“能力”具有自然和社會(huì)兩種屬性,將抗旱能力概括為根據(jù)可預(yù)見的技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度,在特定的地區(qū)和發(fā)展時(shí)期,人們?cè)谏a(chǎn)和生活中所擁有的克服干旱和減輕旱災(zāi)損失的能力。

從旱災(zāi)損失風(fēng)險(xiǎn)角度看,抗旱能力為人類能夠挽回的旱災(zāi)損失的大小[20]。從旱災(zāi)發(fā)生機(jī)制分析,抗旱能力為一個(gè)地區(qū)能夠抵御減輕旱災(zāi)影響,滿足人類需水要求的能力。因此,區(qū)域抗旱能力可以概括為在一定的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下,地區(qū)抵御和緩解干旱自然災(zāi)害,為保證旱災(zāi)時(shí)期生產(chǎn)、生活和環(huán)境各領(lǐng)域需水的最大能力,包括農(nóng)業(yè)抗旱能力與城市抗旱能力。農(nóng)業(yè)抗旱能力是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)內(nèi),人類通過采用工程與非工程措施主動(dòng)預(yù)防與緩解農(nóng)業(yè)旱災(zāi)的能力[6]。城市抗旱能力是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)之外的地域環(huán)境,人為防御、抵御和減輕旱災(zāi)對(duì)城市發(fā)展造成的破壞的能力[21]。

2 基于構(gòu)成要素多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)法

區(qū)域抗旱能力受到區(qū)域內(nèi)自然環(huán)境要素、社會(huì)要素及人類活動(dòng)要素等多方面的復(fù)合影響。為有效評(píng)價(jià)區(qū)域抗旱能力,基于構(gòu)成要素多指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法通過分析影響抗旱能力大小的不同因素,構(gòu)建抗旱能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄓ?jì)算各評(píng)價(jià)層各指標(biāo)隸屬度及排序,確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),從而進(jìn)行區(qū)域抗旱能力定性評(píng)價(jià)。

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系,主要包含水利工程供水能力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)力、生產(chǎn)水平和應(yīng)急抗旱管理能力四大方面[5-6,12,22-24];也有學(xué)者在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮區(qū)域的背景特征,包括氣候和地形等特征[13,25-28]。

(1) 水利工程供水能力。水利工程是指在工程中蓄引調(diào)提的基礎(chǔ)設(shè)施。干旱對(duì)城鎮(zhèn)的居民生活、工業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)灌溉等都有嚴(yán)重的影響,通過水利工程中的供水保障能夠降低干旱帶來的損失和影響[29]。2022年長(zhǎng)江流域發(fā)生了罕見高溫干旱事件,長(zhǎng)江中下游及“兩湖”流域的人民用水保電和農(nóng)作物灌溉受到嚴(yán)重影響,通過流域水庫群聯(lián)合調(diào)度的“補(bǔ)水行動(dòng)”,保障了沿江省市的用水取水需求[30]。但是,水利工程對(duì)區(qū)域抗旱能力強(qiáng)弱的影響主要取決于發(fā)生干旱前的水庫蓄水量,往往只能減輕干旱初期的影響。

(2) 社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)力。社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)力是衡量社會(huì)發(fā)展的重要指標(biāo)。一個(gè)城市、地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)力較強(qiáng)代表城市和地區(qū)發(fā)展得越好,對(duì)該地區(qū)的抗旱有一定的幫助。

(3) 生產(chǎn)技術(shù)水平。所謂的生產(chǎn)技術(shù)水平是指人類在社會(huì)生活中具備的生產(chǎn)技能,例如節(jié)水能力、旱作物種植比等。

(4) 應(yīng)急抗旱管理。是表示在面對(duì)突發(fā)性的干旱發(fā)生時(shí),對(duì)待干旱需要采取的應(yīng)急措施,例如組織應(yīng)急抗旱的物資調(diào)動(dòng)、資金籌集等工作。

(5) 區(qū)域背景特征。是某一地區(qū)的降水、土地條件等一些自然資源,這些自然資源是抵抗干旱災(zāi)害的基礎(chǔ),對(duì)后續(xù)的抗干旱工作有直接的影響。眾多學(xué)者對(duì)2022年夏季長(zhǎng)江流域大范圍長(zhǎng)歷時(shí)干旱進(jìn)行了成因分析,認(rèn)為流域降水整體較同期明顯減少且連續(xù)性較差,流域面雨量均為偏少狀態(tài),導(dǎo)致流域提前進(jìn)入枯水期[30-32],加之持續(xù)高溫致使蒸發(fā)量的增大,是引起此次高溫干旱復(fù)合事件的重要原因[33-34]。

針對(duì)不同的抗旱對(duì)象,可選取特定的評(píng)價(jià)指標(biāo)。宋瑞麗[27]考慮到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)災(zāi)前預(yù)防和災(zāi)后恢復(fù)能力,增加單位面積農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力和單位面積農(nóng)用柴油兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)?？道俚萚35]進(jìn)行農(nóng)業(yè)抗旱能力評(píng)價(jià)時(shí),增加了土壤質(zhì)地、高低需水作物面積比等4個(gè)指標(biāo)。云小林[11]、伊如汗[36]進(jìn)行牧區(qū)草原抗旱能力評(píng)價(jià)時(shí),增加了反映牧民、牲畜的評(píng)價(jià)指標(biāo)。劉蘭芳等[37]在評(píng)價(jià)稻區(qū)抗旱能力時(shí),針對(duì)水稻的種植特性選取平均坡度和有效灌溉面積等指標(biāo)。費(fèi)振宇等[38]、梁德帥[39]從需水量、供水能力、抗旱組織管理及水供需不平衡程度3個(gè)方面選取指標(biāo),進(jìn)行易旱地區(qū)的區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)。綜合已有研究,本文對(duì)區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)成進(jìn)行了總結(jié),如表1所列。

表1 區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)成Tab.1 Evaluation index system of regional drought resistance ability

2.2 權(quán)重計(jì)算方法

綜合評(píng)價(jià)過程中,確定各指標(biāo)的權(quán)重至關(guān)重要,影響綜合評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性。指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算方法,主要分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩類。主觀賦權(quán)法包含了專家打分法、層次分析法等,而客觀賦權(quán)法則主要有灰色關(guān)聯(lián)分析法、熵值法和主成分分析法等。也有學(xué)者將主客觀賦權(quán)相結(jié)合,以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度。還有些學(xué)者將指標(biāo)與減產(chǎn)率等數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,根據(jù)相關(guān)系數(shù)大小進(jìn)行權(quán)重分配[9,49]。

2.2.1主觀賦權(quán)法

主觀賦權(quán)法是決策者結(jié)合經(jīng)驗(yàn)對(duì)指標(biāo)權(quán)重作出判斷,抗旱能力評(píng)價(jià)中應(yīng)用的主要有層次分析法和專家打分法。

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是由美國運(yùn)籌學(xué)家Saaty提出的一種定性和定量分析相結(jié)合的方法,即將一個(gè)復(fù)雜問題劃分為若干相互聯(lián)系的有序?qū)哟?請(qǐng)專家對(duì)每層次每一因素進(jìn)行判斷后,定量評(píng)價(jià)每一因素重要性;建立數(shù)學(xué)模型,計(jì)算所有層次全部因素的相對(duì)重要性權(quán)重并對(duì)結(jié)果排序,為體系的優(yōu)選提供依據(jù)[50-51]。顧穎等[22]構(gòu)建基于地表水供需比率、人均GDP、節(jié)水灌溉率及應(yīng)急抗旱投資比等13個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并通過層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。康蕾等[35]采用層次分析法對(duì)中國糧食主產(chǎn)區(qū)的土壤質(zhì)地、高低需水作物比、耕地有效灌溉率、人均GDP等6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán),發(fā)現(xiàn)耕地有效灌溉率、農(nóng)機(jī)動(dòng)力系數(shù)及人均GDP對(duì)研究區(qū)農(nóng)業(yè)抗旱能力影響較大。伊如汗[36]采用層次分析法得出牧區(qū)生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力是影響牧區(qū)抗旱能力最主要的因子,牧民的旱災(zāi)感知度起著重要作用。黎業(yè)等[14]采用層次分析法對(duì)山東省農(nóng)業(yè)抗旱能力進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明水利工程設(shè)施占主要地位,其次是社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)力。郭艷春[44]采用層次分析法得出抗旱投入越大,農(nóng)業(yè)抗旱能力越強(qiáng),旱災(zāi)脆弱性風(fēng)險(xiǎn)越小。烏蘭等[47]采用層次分析法發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古牧區(qū)抗旱能力分布不均勻,西南及中南地區(qū)較高。鄭方等[52]、張巍[40]運(yùn)用此方法分別對(duì)寧夏農(nóng)業(yè)抗旱能力和遼寧省農(nóng)業(yè)抗旱能力進(jìn)行靜態(tài)評(píng)價(jià)。王藝潔等[53]結(jié)合突變理論構(gòu)建了抗旱能力評(píng)價(jià)突變模型,其優(yōu)點(diǎn)在于層次分析法所確定的權(quán)重僅用于排序不參與計(jì)算,在一定程度上避免了主觀因素對(duì)結(jié)果的影響。

AHP方法由于受到了主觀因素的制約,使得評(píng)估的結(jié)果具有很大的主觀性,為使評(píng)價(jià)結(jié)果更穩(wěn)定且精度更高,不少研究采用加速遺傳算法改進(jìn)層次分析法(AGA-AHP)[38,54]。費(fèi)振宇等[38]、梁德帥[39]從區(qū)域需水量、可供水量和抗旱組織管理3方面選擇17個(gè)指標(biāo),采用改進(jìn)后的層次分析法賦權(quán),根據(jù)結(jié)果得出供水能力對(duì)抗旱能力的貢獻(xiàn)率最大,其中97%頻率干旱年情況下的區(qū)域單位供水能力權(quán)重最大。李瑞杰等[26]利用AGA-AHP選擇指標(biāo)并賦權(quán)構(gòu)建區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,認(rèn)為水資源量與相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)更為重要。董忠龍[55]選取20個(gè)指標(biāo)構(gòu)建鞍山市區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,利用AGA-AHP賦權(quán)后的結(jié)果表明,鞍山市的耕地灌溉率與水庫調(diào)蓄率對(duì)結(jié)果影響最大。郭放等[54]通過AGA-AHP求出各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,對(duì)蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。周戎星等[56]選取7個(gè)指標(biāo)構(gòu)建宿州市區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用基于加速遺傳算法的模糊層次分析法(AGA-FAHP)確定權(quán)重方案,結(jié)果表明,水庫調(diào)蓄能力對(duì)宿州市抗旱能力影響較大。

主觀賦權(quán)法中另一種常用的方法為專家打分法,通過客觀地綜合專家意見,對(duì)評(píng)價(jià)要素做出合理估算?？道俚萚57]參考專家意見對(duì)五大糧食產(chǎn)區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱程度、土壤質(zhì)地、農(nóng)機(jī)動(dòng)力系數(shù)等7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán),表明耕地有效灌溉率與農(nóng)業(yè)干旱程度起主要作用。云小林[11]綜合分析4方面對(duì)牧區(qū)抗旱能力的影響,結(jié)合專家打分法為8個(gè)代表指標(biāo)賦權(quán),影響程度依次為水利工程、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)水平、應(yīng)急抗旱管理。張歡[10]通過分析農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施與水資源供需關(guān)系對(duì)農(nóng)業(yè)抗旱能力的影響并結(jié)合專家評(píng)判,得出灌耕比例與機(jī)電井?dāng)?shù)影響占比最大。王家歡等[28]考慮自然環(huán)境、水利工程等5方面,采用專家打分法對(duì)15個(gè)指標(biāo)賦權(quán),表明水利工程系統(tǒng)、應(yīng)急組織人數(shù)指標(biāo)影響最大。

主觀賦權(quán)法雖然是比較完善的手段,但評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的任意性,使用上也具有較大局限性。隨著研究逐漸完善,運(yùn)用模糊學(xué)和加速遺傳算法改進(jìn)后的層次分析法會(huì)更符合實(shí)際情況[13]。

2.2.2客觀賦權(quán)法

灰色關(guān)聯(lián)度法是一種客觀賦權(quán)法,通過對(duì)各因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析來描述因素之間的關(guān)系,如果因素間變化速度、方向和大小基本是一致的,那么它們之間的相關(guān)程度就比較大;反之,相關(guān)程度相對(duì)較小[58-59]。劉迎春等[7]根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析的理論和方法,從14個(gè)相關(guān)指標(biāo)中選出關(guān)聯(lián)度最大的7個(gè)并對(duì)其賦權(quán),指標(biāo)涵蓋了社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)力、生產(chǎn)技術(shù)適應(yīng)能力、應(yīng)急抗旱響應(yīng)能力等方面。楊奇勇等[8]采用灰色關(guān)聯(lián)分析,以抗旱效益為參考數(shù)列選擇指標(biāo),并給出了3種偏好方案下的權(quán)重。宋瑞麗[27]采用灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)總降雨量、耕地灌溉率等14個(gè)指標(biāo)賦權(quán),通過計(jì)算黑龍江省西部綜合評(píng)價(jià)值表述農(nóng)業(yè)抗旱能力。金菊良等[45]基于灰色關(guān)聯(lián)分析法,得出山東省的植被覆蓋率及水資源量是區(qū)域抗旱能力的主要影響因子。也有學(xué)者運(yùn)用其他客觀賦權(quán)法:如劉蘭芳等[37]采用基于SPSS的主成分分析法對(duì)區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán),標(biāo)準(zhǔn)化后發(fā)現(xiàn)每個(gè)城市的敏感因素均不相同,但灌溉面積、干旱指數(shù)及水庫密度應(yīng)多加關(guān)注。趙曉萌等[46]通過對(duì)陜西省不同季節(jié)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析,采用主成分分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,得出水系發(fā)達(dá)城市的抗旱能力更強(qiáng)。王鶯等[41]通過主成分分析對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán),建立中國北方地區(qū)干旱脆弱性評(píng)價(jià)模型,并對(duì)區(qū)域抗旱能力進(jìn)行評(píng)估,進(jìn)一步分析水資源密度與抗旱能力的關(guān)系。曹天琪等[60]采用主成分分析法對(duì)吉林糧食產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)抗旱能力進(jìn)行評(píng)價(jià),認(rèn)為吉林北部抗旱能力較強(qiáng)與其水電設(shè)備完善、耕地灌溉率較高有關(guān)。楊曉穎等[42]采用主成分分析法評(píng)估內(nèi)蒙古抗旱能力,得出農(nóng)機(jī)總動(dòng)力最高且耕地有效灌溉面積最大的通遼市抗旱能力最大。黎業(yè)等[14]利用熵值法與主成分分析兩種方法,對(duì)山東省的農(nóng)業(yè)抗旱能力進(jìn)行了評(píng)估,都能較好地反映地區(qū)抗旱能力,但對(duì)于抗旱能力一般的城市評(píng)價(jià)等級(jí)相差較大。另外,粗糙集理論[61-62]與未確知測(cè)度模型[24]也能較好地評(píng)價(jià)區(qū)域抗旱能力。

客觀賦權(quán)方法有堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ),但不能反映人們對(duì)各種指標(biāo)的重視程度,有時(shí)權(quán)重與實(shí)際重要性有很大不同甚至相反。

2.2.3組合權(quán)重法

組合權(quán)重方法是把主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法相結(jié)合,使評(píng)價(jià)信息更全面,評(píng)價(jià)結(jié)果“優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”。歐陽蔚等[13]分別用加速遺傳算法改進(jìn)后的模糊層次分析法和變異系數(shù)法計(jì)算權(quán)重并進(jìn)行線性組合,得到組合權(quán)重。任怡[63]綜合考慮水利工程規(guī)模布局的合理性、工程運(yùn)行及管理選取10種指標(biāo)構(gòu)建黃河流域水利工程抗旱能力評(píng)價(jià)體系,運(yùn)用熵值法及層次分析組合賦權(quán)法確定權(quán)重,結(jié)合可變模糊評(píng)價(jià)法進(jìn)行抗旱能力評(píng)價(jià)。李佩茹[48]綜合考慮山東省旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)形成原理,采用層次分析法和熵權(quán)法綜合確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際旱情相符。黎業(yè)[24]利用組合優(yōu)化方法對(duì)層次分析法、熵值法和主成分分析法3種分析方法的研究結(jié)果進(jìn)行了組合優(yōu)選,增加了結(jié)論的可靠性。費(fèi)振宇等[21]依據(jù)最小相對(duì)信息熵將指標(biāo)差異權(quán)重與樣本差異權(quán)重組合得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重,以增強(qiáng)權(quán)重的合理性。

被普遍采用的主觀賦權(quán)方法所獲得的權(quán)重,比客觀賦權(quán)方法更具有指標(biāo)的實(shí)際意義且計(jì)算方法更加簡(jiǎn)便,但結(jié)果也具有較多主觀性?？陀^賦權(quán)法克服了計(jì)算過程的主觀性,評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理,但有些指標(biāo)權(quán)重最優(yōu)值難以確定。主客觀方法的組合優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了方法間優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ),更具有合理性和適用性。

2.3 抗旱能力等級(jí)確定

對(duì)區(qū)域抗旱能力進(jìn)行評(píng)價(jià)需要將所構(gòu)建的指標(biāo)體系綜合成一個(gè)衡量整體能力的指數(shù),再進(jìn)行排序及等級(jí)確定。目前,用于等級(jí)確定的方法有很多,包括加權(quán)綜合法、模糊數(shù)學(xué)理論、集對(duì)分析等。其中,模糊判別模型[6]最為常用,其基本思路為:① 分析評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)系,將其分為越大越優(yōu)型和越小越優(yōu)型。② 構(gòu)建隸屬度函數(shù),分別計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)子系統(tǒng)和子系統(tǒng)相對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。③ 確定評(píng)價(jià)等級(jí):隸屬度≥0.6時(shí),抗旱能力等級(jí)最強(qiáng);0.6>隸屬度≥0.3時(shí),抗旱能力等級(jí)為中;隸屬度≤0.3時(shí),抗旱能力等級(jí)為弱。胡紅等[23]運(yùn)用模糊判別模型計(jì)算隸屬度,并結(jié)合最大貼近度法確定了海河流域的農(nóng)業(yè)、城市及區(qū)域抗旱能力最終等級(jí)。

模糊判別模型側(cè)重于考慮指標(biāo)的模糊性,忽略了評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的不確定性的影響。因此,歐陽蔚等[13]、梁德帥[39]、王雅燕等[64]采用更直觀簡(jiǎn)便且精度較高的集對(duì)分析法確定評(píng)價(jià)等級(jí)。其基本思路為:① 假設(shè)評(píng)價(jià)等級(jí)分為5級(jí),分別為非常弱、較弱、一般、較強(qiáng)、非常強(qiáng);② 將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為越大越優(yōu)型和越小越優(yōu)型,構(gòu)建聯(lián)系數(shù)函數(shù),計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)間的單指標(biāo)聯(lián)系數(shù);③ 計(jì)算子系統(tǒng)與評(píng)價(jià)等級(jí)間的聯(lián)系數(shù),聯(lián)系數(shù)越大表征對(duì)應(yīng)的抗旱能力越強(qiáng)。梁淑琪等[43]耦合集對(duì)分析與模糊理論構(gòu)建的評(píng)價(jià)方法,考慮了評(píng)價(jià)等級(jí)的模糊性,使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加可靠。為更好反映影響抗旱能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)等級(jí)間的相互關(guān)系,董濤等[65]、金菊良等[66-67]分別提出兩種聯(lián)系數(shù)伴隨函數(shù)(集對(duì)勢(shì)函數(shù))——五元減法集對(duì)勢(shì)、引力減法集對(duì)勢(shì)和半減法集對(duì)勢(shì),使得抗旱能力定性評(píng)價(jià)結(jié)果更合理。周戎星等[56]為進(jìn)一步挖掘聯(lián)系數(shù)在評(píng)價(jià)過程中不確定性變化信息問題,構(gòu)建了基于聯(lián)系數(shù)集對(duì)勢(shì)置信區(qū)間估計(jì)的分析模型,并在宿州市區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)中得到了較好的運(yùn)用?？道俚萚57]、宋瑞麗[27]、烏蘭等[47]采用計(jì)算簡(jiǎn)便的加權(quán)求和法計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指數(shù),對(duì)農(nóng)業(yè)抗旱能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。另外,還可以利用密切值[7]、可變模糊集[48,55]、投影尋蹤模型[68-69]等方法進(jìn)行等級(jí)評(píng)定。對(duì)區(qū)域抗旱能力進(jìn)行等級(jí)評(píng)定的方法有多種,模糊判別模型具有方法較合理、貼近實(shí)際等優(yōu)點(diǎn),集對(duì)分析法直觀簡(jiǎn)便且精度較高,加權(quán)求和法易于理解,運(yùn)用中需結(jié)合情況選擇合適的方法。

3 基于水量供需關(guān)系的定量評(píng)價(jià)法

3.1 基本概念

基于構(gòu)成要素多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)法只能定性分析不同地區(qū)在一定旱情下抗旱能力的相對(duì)大小,無法反映一個(gè)地區(qū)在一定旱情下抗旱能力的實(shí)際水平[70]。通過剖析定義,抗旱能力可以概括為干旱期間一個(gè)地區(qū)的可供水量能否滿足需水要求,體現(xiàn)了地區(qū)的水量供需平衡關(guān)系。從此角度來說,區(qū)域抗旱能力的大小具體表現(xiàn)在某一地區(qū)發(fā)生旱災(zāi)時(shí),其可用的水資源能否達(dá)到該地區(qū)的需求,通過建立抗旱能力水平系數(shù)可以對(duì)其進(jìn)行量化分析[71]?？购的芰λ较禂?shù)定義為某一水平年、不同來水頻率下的區(qū)域可供水量與需水量的比值,其值越大代表抗旱能力越高,值越小代表抗旱能力較差[72]。此方法避免了綜合定性分析法中指標(biāo)選取、權(quán)重確定及等級(jí)劃分的主觀影響,以抗旱能力水平系數(shù)反映不同來水頻率下區(qū)域抗旱能力,對(duì)抵御如2022年長(zhǎng)江流域極端干旱的發(fā)生具有實(shí)際參考價(jià)值,對(duì)科學(xué)調(diào)控水資源,最大限度滿足需水要求[30,73],加強(qiáng)抗旱應(yīng)急能力提供技術(shù)支撐。

3.2 抗旱能力水平系數(shù)計(jì)算

區(qū)域供水量可以通過計(jì)算不同來水頻率下區(qū)域內(nèi)各水利工程可供水量進(jìn)行表征,一個(gè)地區(qū)的供水源主要有地表水、地下水及其他水資源。地表供水工程分為蓄水、引水、提水和調(diào)水四大類,其中,最常用的是水庫。地下水可用水總量為機(jī)井提水能力、當(dāng)?shù)氐叵滤Y源的可采儲(chǔ)量和使用者的需求這3類的最小值[15]。需水量包括生產(chǎn)需水量、生活需水量和生態(tài)需水量,宜采用定額法進(jìn)行計(jì)算[15]。生產(chǎn)需水量可劃分為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、城鎮(zhèn)、建筑業(yè)和第三工業(yè),其中農(nóng)業(yè)灌溉需水量的灌溉定額也隨著來水頻率的增加而提高。生活用水包括城鄉(xiāng)兩類,其中城鎮(zhèn)居民的用水定額比較高。生態(tài)需水主要包括綠化需水、河湖補(bǔ)給以及農(nóng)村河湖的補(bǔ)給[70]。

確定區(qū)域供水量和區(qū)域需水量后,通過建立某一水平年下抗旱能力水平系數(shù)與來水頻率之間的函數(shù)關(guān)系計(jì)算區(qū)域抗旱能力。來水頻率值越大,表明干旱越嚴(yán)重,其對(duì)應(yīng)的抗旱能力水平系數(shù)越小,兩者的函數(shù)關(guān)系理論上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[72]。取抗旱能力水平系數(shù)等于1時(shí)的來水頻率為區(qū)域最大來水頻率,若某一年的抗旱能力水平系數(shù)小于最大來水頻率,該年的供水量與需水量達(dá)到平衡;反之,代表現(xiàn)有的抗旱能力較弱,不能完全滿足區(qū)域需水要求。孫可可等[74]通過構(gòu)建抗旱能力水平系數(shù)-來水頻率、來水頻率-干旱頻率兩組關(guān)系曲線,以此計(jì)算不同抗旱能力下的農(nóng)業(yè)旱災(zāi)損失風(fēng)險(xiǎn),為旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)研究提供了新思路。

金菊良等[15]提出通過構(gòu)建物理意義明確且計(jì)算簡(jiǎn)便的區(qū)域抗旱能力水平系數(shù)定量評(píng)價(jià)區(qū)域抗旱能力,金菊良等[75]、原晨陽[76]在此基礎(chǔ)上提出了針對(duì)塘壩灌區(qū)的抗旱能力理論及評(píng)價(jià)方法。梁忠民等[72]考慮到發(fā)生干旱時(shí)需水量與供水量資料難以收集且計(jì)算難度大等問題,針對(duì)具有年或月尺度供需水資料或僅具有典型來水頻率時(shí)供需水資料兩種資料條件,對(duì)區(qū)域抗旱能力定量計(jì)算方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化。但空間分辨率無法滿足實(shí)際應(yīng)用,梁忠民等[72]又提出了通過將已有水資源規(guī)劃資料的地級(jí)市的供需水量折算為以縣級(jí)為單元的計(jì)算方法,再一次提高了區(qū)域抗旱能力定量計(jì)算方法的適用性。

4 區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)存在的問題

區(qū)域抗旱能力是一個(gè)綜合性的系統(tǒng),準(zhǔn)確評(píng)價(jià)離不開科學(xué)的理論體系和合理的評(píng)價(jià)方法的支撐,現(xiàn)階段已有研究主要存在3個(gè)方面問題。

(1) 理論體系與指標(biāo)選取問題。目前,有學(xué)者從干旱本質(zhì)出發(fā),通過供水量與需水量比值計(jì)算抗旱能力系數(shù),進(jìn)而建立與來水頻率相關(guān)關(guān)系開展定量評(píng)價(jià);也有學(xué)者從不同方面選擇影響因子,通過數(shù)學(xué)方法確定因子權(quán)重,構(gòu)建抗旱能力的定性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。但區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)指標(biāo)繁多復(fù)雜,存在代表性不足或指標(biāo)信息重疊的情況,導(dǎo)致研究結(jié)果與實(shí)際具有較大差異性。因此,還需深入地研究社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人類活動(dòng)、資源環(huán)境等系統(tǒng)的影響及相互關(guān)系[77],構(gòu)建具有普適性、能夠廣泛應(yīng)用的區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

(2) 評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性問題。當(dāng)前中國抗旱能力研究及相關(guān)評(píng)價(jià),主要從影響抗旱能力的自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等各要素入手,選擇相關(guān)因子建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并運(yùn)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)流程主要包括了評(píng)價(jià)方法的選擇、對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性的判斷和對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)定量化研究等環(huán)節(jié)。這些過程都受到主觀因素干擾,導(dǎo)致研究結(jié)果具有不確定性。主觀賦權(quán)法具有較強(qiáng)的主觀性和隨意性,客觀賦權(quán)法易忽略指標(biāo)本身的意義,基于水量供需平衡的評(píng)價(jià)方法未綜合考慮旱災(zāi)要素,而方法的選擇直接影響著評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3) 評(píng)價(jià)結(jié)果的適用性問題?？购的芰κ茄芯繀^(qū)域水資源狀態(tài)、恢復(fù)狀況和環(huán)境承載力的綜合體現(xiàn),與自然環(huán)境密切相關(guān),又與人類活動(dòng)影響相互反饋?，F(xiàn)有研究采用的層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法等常用于靜態(tài)抗旱能力評(píng)價(jià),反映的是一種工程條件下抗旱能力的相對(duì)強(qiáng)弱,與實(shí)際旱情的嚴(yán)重程度無關(guān)。在實(shí)際情況中,水庫蓄水量、耕地灌溉率、水源調(diào)配情況及節(jié)水灌溉技術(shù)等指標(biāo)隨著旱情發(fā)展均在不斷變化,構(gòu)建動(dòng)態(tài)指標(biāo)體系進(jìn)行抗旱能力評(píng)價(jià)更能反映當(dāng)前水利工程供水情況下的實(shí)際抗旱能力。

5 研究展望

受自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多方面影響,旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)呈現(xiàn)出多樣化、復(fù)雜化的特點(diǎn),其評(píng)估、應(yīng)對(duì)一直是學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn),但抗旱能力評(píng)價(jià)研究作為其中關(guān)鍵一環(huán)目前仍較為薄弱,未來可以圍繞以下3點(diǎn)展開:

(1) 加強(qiáng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建與提取研究。區(qū)域抗旱能力是防災(zāi)減災(zāi)措施對(duì)致災(zāi)因子和承災(zāi)體兩者關(guān)系的調(diào)整能力[71],包括通過工程和非工程措施調(diào)節(jié)區(qū)域水資源供給、挖掘地下水潛力[78]、完善應(yīng)急抗旱調(diào)度及管理等方面。評(píng)價(jià)不同類型抗旱能力指標(biāo)體系也應(yīng)不同,農(nóng)業(yè)抗旱能力評(píng)價(jià)體系更應(yīng)注重水利工程供水能力與生產(chǎn)水平的影響,而城市抗旱能力評(píng)價(jià)體系應(yīng)注重區(qū)域背景因素的影響[79]。評(píng)價(jià)指標(biāo)覆蓋范圍廣且難以獲取準(zhǔn)確而全面的數(shù)據(jù),導(dǎo)致區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定的不確定性等問題。隨著中國水利工程體系日漸完善,水庫可供水量、水庫調(diào)蓄率等水利工程指標(biāo)逐漸易于獲取,但土壤墑情等資源環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測(cè)和中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)能力較弱[78,80-81],今后可結(jié)合大范圍高分辨率降水、植被覆蓋率、土壤濕度等衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)或陸面同化后的數(shù)據(jù)[31,82],提高氣象、水文、農(nóng)業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面的資料利用水平。同時(shí),應(yīng)急抗旱管理方面要采用反映研究區(qū)抗旱實(shí)際需求的指標(biāo),例如抗旱周期內(nèi)能夠完成的澆地面積與受旱面積之比、解決因旱人飲困難比等指標(biāo)[83],采用決策樹與隨機(jī)森林算法選取合適的指標(biāo),進(jìn)一步改進(jìn)基于構(gòu)成要素多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)方法。由于定性分析方法的系統(tǒng)誤差不可避免,今后的研究可以考慮采用基于水量供需關(guān)系的定量評(píng)價(jià)方法,通過分析蓄水期、枯水期的用水需求[84],結(jié)合流域枯水期水位流量關(guān)系[85-86],構(gòu)建水庫水位流量與抗旱能力關(guān)系曲線,有助于精準(zhǔn)判斷區(qū)域不同枯水條件下的實(shí)際抗旱能力[73,84],為水庫群聯(lián)合蓄水抗旱調(diào)度研究提供支撐。

(2) 加強(qiáng)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能評(píng)價(jià)方法研究。區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)研究涉及水文學(xué)、水利學(xué)、社會(huì)學(xué)等多種學(xué)科,數(shù)據(jù)信息往往表現(xiàn)出模糊信息、灰信息等多種信息相混合的特征[87],因而在進(jìn)行全面評(píng)價(jià)時(shí),權(quán)重的選取對(duì)結(jié)果具有決定性影響。目前評(píng)價(jià)方法在指標(biāo)處理、權(quán)重分配等方面原理側(cè)重不同,今后研究可采用概率學(xué)、云模型等方法進(jìn)行主客觀方法優(yōu)化組合,得到更科學(xué)合理的賦權(quán)法。為進(jìn)一步避免決策者心理對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的主觀影響,通過結(jié)合考慮決策者的心理行為因素的后悔理論,使得決策過程更符合現(xiàn)實(shí)情況[87]。另外,隨著機(jī)器學(xué)習(xí)方法的日益完善和廣泛運(yùn)用,今后采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林等多種智能算法優(yōu)化評(píng)價(jià)模型,提高抗旱能力評(píng)價(jià)在實(shí)際旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理中的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

(3) 加強(qiáng)區(qū)域抗旱能力動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)研究。區(qū)域抗旱能力的影響要素隨著干旱發(fā)展不斷變化,不同旱情時(shí)的降水量、來水條件、水資源儲(chǔ)備量及水利工程調(diào)蓄情況不斷變化,而工程的固有設(shè)計(jì)容量表征的是不變的抗旱能力,用于區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)的誤差較大。動(dòng)態(tài)抗旱能力評(píng)價(jià)研究是今后整體研究的發(fā)展方向,結(jié)合遙感技術(shù)、人工智能算法等先進(jìn)技術(shù)可以自動(dòng)化獲取動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的氣象、水利工程、資源環(huán)境等數(shù)據(jù)[31,73],在建立數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上運(yùn)用科學(xué)合理的評(píng)價(jià)方法構(gòu)建抗旱能力動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型。同時(shí),通過構(gòu)建聯(lián)系數(shù)伴隨函數(shù)[65,88],深入挖掘抗旱能力評(píng)價(jià)中評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系,進(jìn)而得到抗旱能力總體發(fā)展趨勢(shì),為區(qū)域抗旱能力動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)提供新的有效途徑。

6 結(jié) 語

開展區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)是實(shí)施防旱減災(zāi)的重要基礎(chǔ)工作之一,有助于認(rèn)識(shí)區(qū)域減輕旱災(zāi)影響的能力,為抗旱減災(zāi)研究提供支撐。目前,區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)研究多采用基于構(gòu)成要素多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)法,綜合考慮了區(qū)域水利工程供水能力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)力、生產(chǎn)水平、應(yīng)急抗旱能力和背景特征的影響,通過主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法及組合權(quán)重法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,再通過加權(quán)綜合法、模糊判別模型、集對(duì)分析等方法對(duì)區(qū)域抗旱能力進(jìn)行等級(jí)評(píng)定。此類方法具有結(jié)構(gòu)清晰、易于操作等優(yōu)點(diǎn),常用于比較不同地區(qū)在同一時(shí)段下的抗旱能力相對(duì)強(qiáng)弱,無法對(duì)不同區(qū)域間的實(shí)際抗旱能力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

從抗旱能力定義出發(fā)的基于水量供需關(guān)系的定量評(píng)價(jià)法,通過建立抗旱能力水平系數(shù)與來水頻率的關(guān)系,反映了干旱期間區(qū)域?qū)嶋H供需水結(jié)構(gòu),其對(duì)區(qū)域抗旱能力進(jìn)行量化分析,更好地體現(xiàn)了抗旱能力的靜-動(dòng)態(tài)特性。相比綜合評(píng)價(jià)法,其物理意義更明確、計(jì)算簡(jiǎn)便,能夠?yàn)槎鄷r(shí)段、多區(qū)域的抗旱能力定量評(píng)價(jià)及同一區(qū)域不同旱情發(fā)展過程中的實(shí)際抗旱能力評(píng)價(jià)提供思路。

為進(jìn)一步加強(qiáng)區(qū)域抗旱能力評(píng)價(jià)的適用性,今后的研究應(yīng)圍繞以下3個(gè)方面:① 從理論體系出發(fā)構(gòu)建指標(biāo)體系,強(qiáng)化評(píng)價(jià)指標(biāo)選取及體系基礎(chǔ)數(shù)據(jù)利用水平;② 加強(qiáng)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能評(píng)價(jià)方法研究,優(yōu)化評(píng)價(jià)方法,減小研究結(jié)果的不確定性;③ 運(yùn)用多學(xué)科方法開展抗旱能力動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)研究,提高評(píng)價(jià)結(jié)果適用性。