張家界市洪澇災(zāi)害農(nóng)業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

辛學(xué)飛 黃駿 胡艷陽(yáng) 呂昆坤 陳夢(mèng)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(duì)洪澇災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，能夠有效減輕災(zāi)害損失，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。本研究利用張家界地區(qū)桑植、永定、慈利3個(gè)站點(diǎn)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型；根據(jù)逐日降水量數(shù)據(jù)的伽瑪（gamma）分布特征，對(duì)其進(jìn)行擬合，再分析計(jì)算張家界地區(qū)主要農(nóng)作物需水量的特征值，對(duì)主要農(nóng)作物進(jìn)行洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。結(jié)果表明：張家界地區(qū)發(fā)生洪澇風(fēng)險(xiǎn)的概率很高，相對(duì)而言，發(fā)生低級(jí)別洪澇風(fēng)險(xiǎn)的概率更高；農(nóng)作物遭受洪澇風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)的概率越低。

關(guān)鍵詞：洪澇風(fēng)險(xiǎn)；伽瑪（gamma）分布；作物需水量

中圖分類號(hào)：P426.616

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

論文編號(hào)：cjas14120022

0引言

暴雨是中國(guó)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(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)發(fā)展影響很大，因此中國(guó)專家、學(xué)者對(duì)洪澇農(nóng)業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估做了大量研究工作，利用不同指標(biāo)建立洪澇評(píng)估模型；有選取合適的降水概率模型，對(duì)洪澇災(zāi)害進(jìn)行評(píng)估；還有利用GIS技術(shù)對(duì)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估與區(qū)劃；另外，還有從具體的農(nóng)作物需水量出發(fā)，對(duì)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。這些研究表明，降水量的時(shí)空變化對(duì)洪澇風(fēng)險(xiǎn)影響很大。另外，洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)不僅受天氣氣候條件和下墊面性質(zhì)的影響，還與當(dāng)?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(zhǎng)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(gè)依托農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)為主體的地區(qū)，因此對(duì)張家界地區(qū)進(jìn)行洪澇風(fēng)險(xiǎn)研究，有著十分重要的意義。本研究擬選取適合的因子對(duì)洪澇災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，再根據(jù)作物需水量特征值，對(duì)主要農(nóng)作物進(jìn)行洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(lái)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(gè)反映洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的因子，再采用自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法將洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)歸結(jié)為以上5個(gè)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(duì)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(shí)對(duì)糧食減產(chǎn)的影響。

為了統(tǒng)一量綱，對(duì)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(jìn)行綜合，并根據(jù)對(duì)災(zāi)害影響的程度賦予權(quán)重系數(shù)，從而得出災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度W，以此評(píng)估歷年洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)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(biāo)準(zhǔn)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?yàn)楹闈嘲l(fā)生時(shí)，對(duì)農(nóng)業(yè)的影響存在一定季節(jié)性差異，在實(shí)際計(jì)算中將洪澇風(fēng)險(xiǎn)分為3級(jí)。分級(jí)指標(biāo)以W的大小為依據(jù)，并根據(jù)分級(jí)結(jié)果確定各級(jí)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(guò)以上洪澇風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算和分級(jí)結(jié)果，計(jì)算出1981-2010年張家界市洪澇災(zāi)害等級(jí)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(jí)洪澇風(fēng)險(xiǎn)的概率比較低，發(fā)生3級(jí)洪澇風(fēng)險(xiǎn)的概率比較高。張家界地區(qū)降水量和降水強(qiáng)度時(shí)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(yán)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(fēng)險(xiǎn)，但是隨著農(nóng)作物抗災(zāi)能力的加強(qiáng)，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(jí)高洪澇風(fēng)險(xiǎn)的概率。

2主要農(nóng)作物洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1逐日降水量的伽瑪（gamma）分布特征以及對(duì)3站逐日降水量的擬合

如果連續(xù)型隨機(jī)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(jī)變量χ服從伽瑪分布，依據(jù)伽瑪分布函數(shù)的特性，可計(jì)算出α和β。一般情況下，氣象臺(tái)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(diǎn)逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，使用Matlab軟件的mle函數(shù)計(jì)算各站降水量伽瑪分布2個(gè)參數(shù)（α、β）的最大似然估計(jì)。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(duì)桑植、永定、慈利3個(gè)站點(diǎn)逐日降水量的概率密度分布和累積分布分別進(jìn)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(duì)應(yīng)的累積分布值。

2.2主要農(nóng)作物的需水量指標(biāo)與洪澇風(fēng)險(xiǎn)概率的確定

計(jì)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(yàn)公式法、水汽擴(kuò)散法、能量平衡法及綜合法等。本研究采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）推薦的Penman-Monteith公式及作物系數(shù)，計(jì)算出張家界市主要農(nóng)作物逐月（日）平均需水量。具體計(jì)算公式見公式（8）：

ET_m=K_c×ET_o……………………（8）

式中：ET_m為作物需水量（mm），K_c為作物系數(shù)，ET_o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(duì)象，計(jì)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(duì)應(yīng)的累計(jì)分布值，即為農(nóng)作物不會(huì)遭受洪澇的風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)的概率分別為70%、72%、73%；中稻遭受洪澇風(fēng)險(xiǎn)的概率分別為61%、62%、64%，玉米和中稻自西向東遭受洪澇風(fēng)險(xiǎn)的概率逐漸增加，需水量越大的作物遭受洪澇風(fēng)險(xiǎn)的概率越低。

3結(jié)論

（1）張家界市降水量和降水強(qiáng)度在年際、季節(jié)存在明顯的差異。另外，近年來(lái)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(fēng)險(xiǎn)的概率很高，幾乎每年都存在不同程度洪澇風(fēng)險(xiǎn)，其中l(wèi)、2、3級(jí)洪澇風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)的概率分別為15%、15%、70%，對(duì)比而言，發(fā)生低級(jí)別洪澇風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)的概率分別為70%、72%、73%；中稻遭受洪澇風(fēng)險(xiǎn)的概率分別為61%、62%、64%。玉米和中稻自西向東遭受洪澇風(fēng)險(xiǎn)的概率逐漸增加，需水量越大的作物遭受洪澇風(fēng)險(xiǎn)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(bào)洪澇災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和強(qiáng)度顯得尤為重要。另外，還要對(duì)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理化調(diào)整，增強(qiáng)對(duì)洪澇災(zāi)害的應(yīng)變能力，最后要做好水庫(kù)的科學(xué)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(wú)早稻種植，本研究結(jié)論中玉米和中稻遭受洪澇風(fēng)險(xiǎn)的概率自西向東逐漸增加。因此，可建議適當(dāng)增加張家界偏西地區(qū)的玉米和中稻種植面積。

（3）通過(guò)對(duì)張家界地區(qū)主要農(nóng)作物的洪澇風(fēng)險(xiǎn)研究，對(duì)農(nóng)業(yè)種植合理布局提供了適當(dāng)?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?？稍诮窈蟮难芯亢吞剿髦?，將各種災(zāi)害綜合考慮，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建議提供更有力的依據(jù)。