基于災害風險因子的青海省干旱災害風險區(qū)劃

李萬志，張調(diào)風，馬有絢，馮曉莉，余 迪，陳冀青

(1.青海省氣候中心，青海 西寧 810001；2.青海省防災減災重點實驗室，青海 西寧 810001 )

引 言

氣象干旱主要是降水異常偏少導致的水分短缺現(xiàn)象，而干旱災害則是干旱自然現(xiàn)象和人類活動共同作用的結(jié)果，是自然環(huán)境系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)在特定的時空條件下耦合的特定產(chǎn)物[1-2]，且隨著全球氣候變暖，干旱災害已逐漸成為對人民生產(chǎn)和生活影響較大的主要自然災害之一[3-5]。IPCC系列評估報告指出，未來干旱風險有不斷增加趨勢[6-7]，開展干旱災害風險區(qū)劃以及評估方面的研究，進行干旱災害風險管理，是減少或避免干旱災害損失的有效途徑[8-10]，對農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及氣象防災減災工作具有重要意義。

氣象災害風險評估和區(qū)劃是當前研究的熱點，很多研究基于信息擴散理論、信息熵的理論與方法、模糊聚類循環(huán)迭代模型等方法對不同區(qū)域的干旱災害風險進行了評估和區(qū)劃[11-14]；但由于數(shù)據(jù)短缺等因素，部分方法在青海高原地區(qū)并不適用。2014年，IPCC第五次評估報告(AR5)中給出了最新的風險評估公式[15]，指出風險評估基礎(chǔ)和先決條件是致災因子的危險性、承災體的脆弱性和暴露度。通常干旱災害的形成原因復雜，既包括自然因素，又涵蓋社會經(jīng)濟因素，盛巧玲等[16]從致災因子危險性和承災體的易損性兩方面開展了重慶市干旱災害風險評估，石界等[17]從孕災環(huán)境、致災因子、承災體三方面對定西市干旱災害風險進行了評估，但兩者都沒有考慮防災減災能力，當?shù)胤烙降母叩蛯暮Φ陌l(fā)生也有較大影響。王鶯等[18]在分析致災因子危險性、孕災環(huán)境脆弱性、承災體暴露性的基礎(chǔ)上，進一步考慮了防災減災能力的影響，對中國南方干旱災害進行風險評估，他們的研究綜合考慮了影響災害發(fā)生的各要素，更接近干旱災害風險的本質(zhì)特征，對降低區(qū)域干旱災害風險具有指導意義，同時對數(shù)據(jù)短缺地區(qū)風險評估工作的開展具有很好的參照性[19-21]。

青海省地處青藏高原東北部，屬干旱、半干旱高原氣候，日照時數(shù)長、降水量少、蒸發(fā)量大，干旱是青海最為嚴重的氣象災害之一[22]，出現(xiàn)頻率高、持續(xù)時間長、影響范圍廣[23]，且隨著青海人口增多和經(jīng)濟增長，干旱災害帶來的風險也越來越高。以往有關(guān)青海干旱災害發(fā)生的規(guī)律、強度、原因等方面的研究較多[24-25]，但對青海省干旱災害風險區(qū)劃和評估方面研究較少，本文主要通過自然災害風險理論，基于GIS等工具，對青海省干旱災害風險進行區(qū)劃和評估，以期為該省干旱災害防御以及產(chǎn)業(yè)合理布局提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海省(89°35′E—103°04′E、31°40′N—39°19′N)位于中國西部，青藏高原東北部，東西長約1200 km，南北寬約800 km，總面積72.23×104km2，全省平均海拔3000 m以上，地勢特征總體呈西高、東低，南北高、中部低的態(tài)勢(圖1)。氣候以高寒干旱為總特征，屬于典型高原大陸性氣候，各地年平均氣溫在-5.1～9.0 ℃之間，具有年平均氣溫低、日溫差大、年溫差小等特點，年降水量在15.4～732.5 mm之間，總分布趨勢由東南向西北逐漸減少，即東部雨水較多、西部干燥多風。

圖1 青海省地形及氣象站點圖Fig.1 The topography and meteorological stations in Qinghai Province

1.2 資 料

(1)氣象數(shù)據(jù)：青海省50個基本站1961—2018年逐日降水量、氣溫、相對濕度，數(shù)據(jù)源自青海省氣象信息中心。

(2)地理信息數(shù)據(jù)：國家信息中心下發(fā)的1:250 000 GIS地圖中提取的地形高程、河網(wǎng)數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)；植被蓋度由MODIS產(chǎn)品中的NDVI數(shù)據(jù)計算獲得。

(3)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)：2018年各州(市)、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的國土面積、農(nóng)牧業(yè)狀況、GDP狀況及人口數(shù)量等，數(shù)據(jù)來源于中國縣域統(tǒng)計年鑒2018(鄉(xiāng)鎮(zhèn)卷)[26]。

(4)氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)：改進的氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)已經(jīng)在國家和省級干旱監(jiān)測業(yè)務中進行了檢驗[27-29]，該指數(shù)基于水分平衡原理，考慮的影響因素相對全面，可以較好地反映干旱事件過程的綜合影響。因此選用1961—2018年MCI指數(shù)作為監(jiān)測指標，并結(jié)合青海省地方標準《氣象災害等級劃分(DB63)》[30]統(tǒng)計青海省不同等級干旱災害發(fā)生日數(shù)，干旱等級劃分見表1，MCI指數(shù)計算方法詳見文獻[31]。

表1 氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)等級劃分Tab.1 Grades classification of drought based on meteorological drought composite index (MCI)

文中附圖涉及地圖均基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2017)3320的標準地圖制作，底圖無修改，坐標系為2000國家大地坐標系。

1.3 方 法

1.3.1 干旱災害風險評估指標的建立

首先對各指標進行歸一化處理以消除各指標之間的量綱差異[32]。干旱災害的危險性、暴露性和脆弱性所包含的各指標歸一化計算公式為：

(1)

式中：Dij為j站點第i個指標的歸一化值；Aij為j站點第i個指標值；Aimin和Aimax分別為第i個指標值中的最小值和最大值。由于對災害的防災減災能力越強，相應的災害風險也越小，因此防災減災能力的各指標歸一化與其他要素不同，計算公式為：

(2)

各評價因子指數(shù)的計算采用加權(quán)綜合評價法，該方法綜合考慮每個指標對總體對象(因子)的影響程度，計算公式如下：

(3)

式中：Vt為評價因子加權(quán)求和后的值；Wi為指標i的權(quán)重；Dit為對于因子t的指標i的歸一化值；n為評價指標個數(shù)。

各因子權(quán)重主要采用層次分析法(AHP)計算，它是用一種標度對人的主觀判斷進行客觀定量化，具體計算方法參見文獻[33]、[34]。

最后根據(jù)自然災害風險評估原理及評價指標體系，利用加權(quán)綜合評價法，建立干旱災害風險指數(shù)模型，計算公式如下：

MDRI=aVD×bVh×cVs×dVr

(4)

式中：MDRI為干旱災害風險評估的綜合指數(shù)，用來表示干旱災害風險的程度，MDRI值越大，表明該區(qū)域干旱災害風險的程度越大；VD、Vh、Vs、Vr分別是根據(jù)公式(3)加權(quán)綜合評價法計算得到的干旱災害危險性指數(shù)、脆弱性指數(shù)、暴露性指數(shù)和防災減災能力指數(shù)，a、b、c、d是各評價因子的權(quán)重。

1.3.2 干旱災害風險評估指標的選取

結(jié)合干旱災害對青海省的實際影響狀況，選擇基于氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)計算的不同等級干旱災害日數(shù)作為致災因子指標，選取人口密度、地均耕地面積、地均大牲畜存欄數(shù)、地均可利用草場面積作為承災體的評估指標，選取地形起伏度、植被覆蓋度以及河網(wǎng)密度作為孕災環(huán)境的評估指標，選取人均GDP作為防災減災能力的評估指標，具體指標及權(quán)重見表2、表3。并通過自然斷點法將計算的致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體易損性以及防災減災能力分別劃分為5級：低、較低、中等、較高、高，最終對青海的干旱災害按照高風險區(qū)、較高風險區(qū)、中等風險區(qū)、較低風險區(qū)和低風險區(qū)進行區(qū)劃。

表2 青海省干旱災害風險評估指標體系Tab.2 The index system of drought disaster risk assessment in Qinghai Province

表3 青海省干旱災害風險評估指標因子權(quán)重Tab.3 The weights of drought disaster risk assessment indexes in Qinghai Province

2 結(jié)果分析

2.1 致災因子

通常，干旱災害致災因子的危險性越高，其造成旱災的風險性也隨之越高，而不同等級干旱日數(shù)在一定程度上可以體現(xiàn)干旱災害的強度及其影響時間。統(tǒng)計青海省1961—2018年不同等級歷年氣象干旱日數(shù)，分別取其平均值作為干旱災害的致災因子，并在ArcGIS軟件中用反距離權(quán)重法進行空間插值，獲得其空間分布，再將矢量圖層轉(zhuǎn)化為柵格圖層，基于公式(3)計算干旱災害致災因子的危險性指數(shù)。由圖2可以看出，致災因子危險性最高的地區(qū)主要在青海省東部地區(qū)，包括互助、平安、樂都、民和、循化、貴德、同仁等地；較高風險區(qū)主要分布在青海省東部和南部地區(qū)，主要包括祁連、門源、剛察、海晏、湟源、湟中、大通、尖扎、興海、河南、澤庫、稱多等地；中等風險區(qū)主要在青海中部地區(qū)和東南部地區(qū)，包括托勒、天峻、玉樹、囊謙、班瑪、雜多等地；較低風險區(qū)和低風險區(qū)主要分布在青海的西部地區(qū)，其中較低風險區(qū)包括茫崖、五道梁、小灶火、烏蘭等地，低風險區(qū)包括格爾木、冷湖、諾木洪、大柴旦、德令哈等地。

圖2 青海省干旱災害致災因子危險性區(qū)劃Fig.2 Regionalization on dangerousness of drought disaster causing factors in Qinghai Province

2.2 孕災環(huán)境

在同等災害致災影響程度下，孕災環(huán)境的脆弱性越高，則干旱災害產(chǎn)生的風險性越大。水系對干旱影響最明顯，有水的地方或距離水體近的地方不容易發(fā)生干旱，而地形起伏較大的地方不容易儲水，同時植被覆蓋度越低的地區(qū)也越容易出現(xiàn)干旱。圖3為青海省干旱災害孕災環(huán)境脆弱性區(qū)劃?？梢钥闯觯袨沫h(huán)境脆弱性風險整體自西北向東南逐漸降低，其中孕災環(huán)境脆弱性風險較高的地區(qū)主要分布在青海省西北部地區(qū)，包括茫崖、冷湖、小灶火、大柴旦、格爾木、諾木洪等地，主要由于該地區(qū)海拔高、地形起伏度比較大、植被覆蓋度較低、河網(wǎng)密度稀疏；孕災環(huán)境脆弱性風險較低的地區(qū)主要在青海省東南部，包括囊謙、玉樹、雜多、稱多、達日、班瑪、久治、瑪沁等地，主要由于該地區(qū)位于三江源頭，水系發(fā)達、河網(wǎng)密集，同時植被覆蓋程度較高，對干旱災害可以起到一定的削弱作用。而青海省東部地區(qū)，河網(wǎng)較為密集、植被覆蓋度相對較高、地勢起伏相對較小，屬于孕災環(huán)境脆弱性的中等和較低風險區(qū)。

圖3 青海省干旱災害孕災環(huán)境脆弱性區(qū)劃Fig.3 Regionalization on vulnerability of drought disaster breeding environment in Qinghai Province

2.3 承災體

承災體是受干旱威脅的主體，圖4為青海省干旱災害承災體暴露性區(qū)劃?？梢钥闯觯袨捏w暴露性的高風險區(qū)主要在青海省東部地區(qū)，包括西寧、大通、湟源、湟中、互助、樂都、平安、尖扎、循化、民和等地，這些地區(qū)是青海省經(jīng)濟最發(fā)達和人口最集中的地區(qū)，同時也是青海省主要的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，受干旱災害的影響也較大；而除上述地區(qū)外的大部地區(qū)干旱災害承災體暴露性的風險都較低。主要受青海省特殊的地理特征影響，青海東部地區(qū)人口和經(jīng)濟比較集中，而其他地區(qū)無法進行大面積作物種植，海拔較高、地廣人稀，尤其是青海西部地區(qū)，大部分地區(qū)都屬于無人區(qū)，受干旱災害影響較小。

圖4 青海省干旱災害承災體暴露性區(qū)劃Fig.4 Regionalization on exposure of drought disaster breeding body in Qinghai Province

2.4 防災減災能力

防災減災能力是指受干旱災害影響地區(qū)對干旱的抵御能力以及災后的恢復能力，與地方經(jīng)濟發(fā)展水平有關(guān)。人均GDP越大，地方經(jīng)濟水平越高，防御干旱工程設施投入也會越多，即防災抗災能力越強，所以考慮人均GDP作為防災減災能力的體現(xiàn)。圖5為青海省干旱災害防災減災能力區(qū)劃?？梢钥闯觯罏臏p災能力較高的區(qū)域主要分布在青海省西北部地區(qū)，包括大柴旦、小灶火、格爾木、德令哈等地，這些地區(qū)主要以工業(yè)為主，經(jīng)濟收入較高，且人口數(shù)量較少，人均GDP水平較高，所以當單純從人均GDP考慮時該地區(qū)的防災減災能力相對較強；防災減災能力較低的區(qū)域主要分布在青海省南部地區(qū)，主要包括囊謙、瑪多、達日、班瑪、久治等地，主要由于這些地區(qū)人煙稀少，經(jīng)濟欠發(fā)達，人均GDP水平相對較低，防抗能力弱。

圖5 青海省干旱災害防災減災能力區(qū)劃Fig.5 Regionalization on drought disaster prevention and mitigation capabilities in Qinghai Province

2.5 綜合風險

在對干旱災害各指標因子定量評估的基礎(chǔ)上，根據(jù)干旱災害風險綜合評估模型公式(4)，將干旱災害綜合風險指數(shù)MDRI劃分為5個風險等級區(qū)，分別為低風險區(qū)、較低風險區(qū)、中等風險區(qū)、較高風險區(qū)、高風險區(qū)。從圖6可以看出，干旱災害的高風險區(qū)主要分布在青海省東部地區(qū)，包括互助、平安、樂都、民和、循化、尖扎、貴德、湟中，這些區(qū)域的致災因子危險性高，大部地區(qū)為容易發(fā)生干旱的丘陵和高崗地，同時人口密度大、耕地比例大，而且大部分地區(qū)都無法灌溉，易出現(xiàn)旱情；較高風險區(qū)主要包括西寧、大通、門源、海晏、湟源、共和、貴南、同德、澤庫、河南、同仁等地，這些區(qū)域致災因子危險性高，承災體暴露性也較高，孕災環(huán)境為中等脆弱區(qū)，防災減災能力也不強；中等風險區(qū)主要包括剛察、祁連、野牛溝、托勒、茶卡、天峻、興海、瑪沁、班瑪、久治、囊謙、玉樹、稱多、曲麻萊等地，這些區(qū)域致災因子危險性處于較高風險區(qū)，承災體暴露性屬于中等暴露區(qū)，孕災環(huán)境和防抗能力都屬于較低風險區(qū)；較低風險區(qū)主要包括達日、雜多、瑪多、治多、五道梁、沱沱河、冷湖、茫崖、都蘭、烏蘭、諾木洪等地，這些區(qū)域致災因子危險性屬于中等，承災體暴露性和孕災環(huán)境脆弱性都屬于較低風險區(qū)，防災減災能力較低；低風險區(qū)主要分布在青海省西北部，主要包括大柴旦、格爾木、德令哈、小灶火，這些區(qū)域為致災因子低風險區(qū)，且主要為工業(yè)區(qū)，經(jīng)濟發(fā)達，防災減災能力強，同時人煙稀少，承災體暴露性屬于低暴露區(qū)，干旱發(fā)生風險低。

圖6 青海省干旱災害風險區(qū)劃Fig.6 Regionalization on drought disaster risk in Qinghai Province

3 結(jié)論與討論

(1)干旱致災因子危險性較高的地區(qū)主要在青海省東部和南部地區(qū)，包括互助、平安、樂都、民和、循化、貴德、同仁等地；危險性較低的地區(qū)主要在青海省西部，包括冷湖、大柴旦、格爾木、諾木洪、德令哈等地。

(2)青海省孕災環(huán)境脆弱性整體自西北向東南逐漸降低，其中孕災環(huán)境脆弱性風險較高的地區(qū)主要在青海省西北部，風險較低的地區(qū)主要在青海省東南部。

(3)承災體暴露性的高風險區(qū)主要在青海省東部地區(qū)，包括西寧、大通、湟源、湟中、互助、樂都、平安、尖扎、循化、民和等地，而由于青海特殊地理環(huán)境，除東部地區(qū)外，其他地區(qū)承災體的暴露性風險都較低。

(4)防災減災能力較高的區(qū)域主要在青海省西北部，包括大柴旦、小灶火、格爾木、德令哈等地，防災減災能力較低的區(qū)域主要在青海省南部地區(qū)。

(5)干旱災害綜合風險的高風險區(qū)主要在青海省東部地區(qū)，包括互助、平安、樂都、民和、循化、尖扎、貴德、湟中等地，低風險區(qū)主要在青海省西北部，包括大柴旦、格爾木、德令哈、小灶火等地。

(6)青海省干旱災害高風險區(qū)主要由于致災因子危險性及承災體暴露性都較高，易發(fā)生干旱災害；低風險區(qū)主要由于致災因子危險性和承災體暴露性都較低，且防災減災能力強，不易發(fā)生干旱災害。

影響干旱災害的因素有很多，需要考慮的指標也很多，尤其青海地區(qū)地形環(huán)境復雜，數(shù)據(jù)信息不全甚至難以獲取，本文在研究中承災體主要考慮了農(nóng)牧業(yè)狀況，對生態(tài)環(huán)境方面還未考慮，另外在防災減災能力評估時只考慮了人均GDP這一指標，對一些工程設施及應急處置能力方面由于數(shù)據(jù)短缺沒有考慮，后期工作中將進一步加強這些數(shù)據(jù)的收集及應用，使風險區(qū)劃結(jié)果更加完善，更具參考價值。