趙靜，張繼權(quán)，嚴(yán)登華，佟志軍，劉興朋

(1.東北師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院自然災(zāi)害研究所，吉林長春130024;2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038)

0 引言

干旱是世界上發(fā)生頻繁、危害較大、最為常見的自然災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年因旱造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)60×108～80×108美元。我國的干旱災(zāi)害也呈現(xiàn)加重的趨勢(shì)，據(jù)國家防總辦公室統(tǒng)計(jì)，2009－2010年4月，全國耕地受旱6 477 333 hm2，作物受旱面積達(dá)4 833 333 hm2，1 939萬人、1 189萬頭大牲畜因旱飲水困難［1－2］。因此，若能按照自然規(guī)律和科學(xué)方法正確評(píng)價(jià)干旱并及時(shí)采取相應(yīng)的措施，就能將干旱損失降低到最低限度并保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展。

目前，國內(nèi)外多側(cè)重于農(nóng)業(yè)和氣象方面的干旱研究。張繼權(quán)等利用模糊、灰色等多種方法提出了松遼平原玉米產(chǎn)區(qū)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法和模型［3］;劉榮花從氣候干旱風(fēng)險(xiǎn)度、作物干旱風(fēng)險(xiǎn)度、產(chǎn)量災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)度以及農(nóng)業(yè)綜合抗旱能力來構(gòu)建河南省冬小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了河南省冬小麥干旱災(zāi)害的綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖［4］;黃崇福等將信息擴(kuò)散和模糊數(shù)學(xué)引入風(fēng)險(xiǎn)估算，將其應(yīng)用于旱災(zāi)等農(nóng)業(yè)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)研究［5］。而對(duì)于區(qū)域綜合的干旱研究較少。本文以豫北地區(qū)為研究對(duì)象，在前人研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成的四個(gè)因子:危險(xiǎn)性、暴露性、脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力，嘗試使用多種因素的綜合干旱指數(shù)，建立區(qū)域干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，來對(duì)區(qū)域干旱程度進(jìn)行評(píng)估區(qū)劃，從而完成對(duì)豫北地區(qū)的干旱風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)，旨為高危險(xiǎn)地區(qū)適應(yīng)策略和相關(guān)政策的制定起到指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概況

豫北指位于河南省內(nèi)黃河以北的地區(qū)，位于112°00'～116°4'E，34°47'～36°20'N，面積2.8萬km2，人口2 000萬。包括新鄉(xiāng)、安陽、焦作、濮陽、鶴壁5個(gè)地級(jí)市，濟(jì)源1個(gè)省管縣級(jí)市(圖1)。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬寒夏熱，年平均氣溫14℃;年平均降雨650 mm，多集中于夏秋季。豫北地區(qū)是我國重要的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源和商品糧基地，且是河南省干旱災(zāi)害的頻發(fā)地區(qū)，歷史上曾多次發(fā)生干旱災(zāi)害，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重?fù)p失。

圖1 研究區(qū)概況圖

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

2.1.1自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指未來若干年內(nèi)可能達(dá)到的災(zāi)害程度以及其發(fā)生的可能性。一般而言，自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是危險(xiǎn)性、暴露性和脆弱性相互作用的結(jié)果，防災(zāi)減災(zāi)能力在自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成中的作用也是比較大的，因此，在區(qū)域自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成過程中，危險(xiǎn)性、暴露性、脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力是缺一不可的，是四者綜合作用的結(jié)果［6－7］，即:

自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度=危險(xiǎn)性×暴露性×脆弱性×防災(zāi)減災(zāi)能力。

2.1.2 熵組合權(quán)重法

層次分析法(AHP)是一種對(duì)指標(biāo)進(jìn)行定性定量分析的方法，是一種比較方便有效具體的計(jì)算方法，具有一定的主觀性;熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法。熵組合權(quán)重法運(yùn)用最小相對(duì)信息熵原理將二者結(jié)合，能夠較好地減少主客觀的影響［8－9］。

式中:Wj為j指標(biāo)的綜合權(quán)重;W1j為指標(biāo)j的主觀權(quán)重;W2j為指標(biāo)j的客觀權(quán)重。

2.1.3 最優(yōu)分割法

最優(yōu)分割法是費(fèi)舍爾(Fisher)在1958年首先提出的，是指在不破壞有序樣本的前提下，使其分割的級(jí)內(nèi)離差平方和最小，而級(jí)間的離差平方和為極大的一種聚類分級(jí)方法［10］。它可以對(duì)有序樣本或者是可變?yōu)橛行虻臉颖具M(jìn)行分級(jí)。首先必須按從小到大的順序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行排序，然后再逐步進(jìn)行分割。具體分割方法包括最優(yōu)二分割、最優(yōu)三分割和最優(yōu)M分割。2.1.4網(wǎng)格GIS技術(shù)

網(wǎng)格GIS是GIS與網(wǎng)格技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是GIS在網(wǎng)格環(huán)境下的一種應(yīng)用。網(wǎng)格GIS以網(wǎng)格為單位，改變了以往以行政區(qū)尺度為單位，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析的較低精度的固定模式。網(wǎng)格GIS既具有矢量數(shù)據(jù)的屬性信息，又具有柵格數(shù)據(jù)的顯示形式，是將傳統(tǒng)意義上的矢量數(shù)據(jù)詳細(xì)化。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用氣象數(shù)據(jù)(1990－2009年)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，DEM數(shù)據(jù)來自地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)(1995－2007年)來自河南省統(tǒng)計(jì)年鑒。

3 指標(biāo)選取及模型建立

3.1 指標(biāo)的選取與權(quán)重

根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論和干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的形成原理，從干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的四因子即危險(xiǎn)性、暴露性、脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力出發(fā)，選取了表1中列出的4個(gè)因子的17個(gè)指標(biāo)，建立了干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，用于評(píng)價(jià)干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的程度。整個(gè)指標(biāo)體系分為因子層、副因子層和指標(biāo)層，并利用熵組合權(quán)重法，綜合計(jì)算出因子層和指標(biāo)層的權(quán)重。

3.2 指標(biāo)格網(wǎng)化

本文參閱相關(guān)文獻(xiàn)［11－12］，結(jié)合研究需要，確定10 km×10 km網(wǎng)格作為基本評(píng)價(jià)單元，實(shí)現(xiàn)各指標(biāo)格網(wǎng)化表達(dá)。氣象數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化采用普通克里格插值方法，普通克里格插值適宜地形起伏不大、小區(qū)域的柵格化。對(duì)人口數(shù)量、GDP等社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)化表達(dá)時(shí)采用多因素綜合分析法，通過多元相關(guān)分析、回歸分析等確定與其相關(guān)的關(guān)鍵因素，進(jìn)行網(wǎng)格化。如對(duì)人口的展布主要考慮高程、路網(wǎng)密度、行政區(qū)所在地，從而使得人口分布更接近實(shí)際［13－14］。

表1 干旱災(zāi)害指標(biāo)及綜合權(quán)重

3.3 區(qū)域干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)模型的建立

根據(jù)干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)制，綜合考慮干旱災(zāi)害的4個(gè)因子，以及其相應(yīng)指標(biāo)，利用熵組合權(quán)重法，建立如下干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型:

式中:ADRI是干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，用于表示干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度，其值越大，干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的程度越大;H、E、V、R的值相應(yīng)的表示危險(xiǎn)性、暴露性、脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力因子指數(shù);Wh、We、Wv、Wr表示危險(xiǎn)性、暴露性、脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力的權(quán)重;在式(3)～式(6)中，Xi為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化值，Wi為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，表示各指標(biāo)對(duì)形成干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的主要因子的相對(duì)重要性。

4 豫北地區(qū)干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

根據(jù)干旱災(zāi)害的形成機(jī)制，結(jié)合GIS技術(shù)，分別對(duì)形成干旱災(zāi)害的4個(gè)因子行分析。根據(jù)干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型(2)，計(jì)算豫北地區(qū)的干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(ADRI)。選取1997、2002、2006年為典型年，根據(jù)指標(biāo)和模型對(duì)案例年進(jìn)行分析得到風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果，運(yùn)用最優(yōu)分割法對(duì)所有樣本進(jìn)行最優(yōu)分割，確定豫北地區(qū)的干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)最優(yōu)劃分等級(jí)及閾值。為了選擇最合理的分割級(jí)，對(duì)最優(yōu)分割的誤差函數(shù)及分類數(shù)做散點(diǎn)圖分析。結(jié)果表明:選擇最優(yōu)4分割較好。對(duì)最優(yōu)四分割進(jìn)行F檢驗(yàn)結(jié)果顯著，因此確定豫北地區(qū)干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為輕旱風(fēng)險(xiǎn)、低旱風(fēng)險(xiǎn)、中旱風(fēng)險(xiǎn)、重旱風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果如表2所示。

表2 豫北地區(qū)干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃界限值

利用干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值及干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃界限，得到豫北地區(qū)干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖(圖2)。結(jié)果顯示:輕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在西部的濟(jì)源市、孟州市，以及原陽縣、安陽市區(qū)，面積占總面積的的12.9%;低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中在中部的偏南和偏北地區(qū)，占總面積的33%;中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在豫北中部地區(qū)，其面積所占比例最大，占總面積的41%;高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在東北部的濮陽市區(qū)、濮陽縣、清豐縣、南樂縣，以及中部的新鄉(xiāng)市區(qū)、淇縣，占總面積的12.7%?？傮w而言，風(fēng)險(xiǎn)高的區(qū)域主要集中在東部，風(fēng)險(xiǎn)低的區(qū)域主要集中于南部。

圖2 豫北地區(qū)干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖

5 結(jié)語

本文以格網(wǎng)尺度為干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基本單元，利用自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法、熵組合權(quán)重法、加權(quán)綜合分析法等方法，并借助GIS技術(shù)，繪制了豫北地區(qū)的干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖。通過與河南省歷史干旱災(zāi)害資料及河南省區(qū)域干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［4］相比較，可以看出，本文所繪制的豫北地區(qū)干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是客觀的，與研究區(qū)實(shí)際情況基本吻合。由于作者工作量的限制，選用了10 km×10 km的格網(wǎng)，格網(wǎng)效果還沒有完全達(dá)到令人滿意的程度。如果提高格網(wǎng)單元的分辨率，進(jìn)一步完善經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的空間展布方法，格網(wǎng)化的結(jié)果將更有利于準(zhǔn)確描述數(shù)據(jù)的空間分布。

［1］陳雷．關(guān)于當(dāng)前旱情和抗旱情況的匯報(bào)［EB/OL］．(2010－04－02)［2011－05－29］．http://www．mwr．gov．cn/slzx/slyw/201004/t20100402_199816.html．

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