張家界市洪澇災害農業風險評估研究

辛學飛 黃駿 胡艷陽 呂昆坤 陳夢瓊 朱金菊

摘要：洪澇災害是發生頻率較高、危害較重的一種自然災害。因此，對洪澇災害進行風險評估，能夠有效減輕災害損失，提高社會經濟效益。本研究利用張家界地區桑植、永定、慈利3個站點1981-2010年的降水資料、張家界市主要農作物播種面積、洪澇受災面積、成災面積以及減產糧食量等數據，建立洪澇風險評估模型；根據逐日降水量數據的伽瑪（gamma）分布特征，對其進行擬合，再分析計算張家界地區主要農作物需水量的特征值，對主要農作物進行洪澇風險評估。結果表明：張家界地區發生洪澇風險的概率很高，相對而言，發生低級別洪澇風險的概率更高；農作物遭受洪澇風險的概率自西向東逐漸增加，需水量越大的農作物遭受洪澇風險的概率越低。

關鍵詞：洪澇風險；伽瑪（gamma）分布；作物需水量

中圖分類號：P426.616

文獻標志碼：A

論文編號：cjas14120022

0引言

暴雨是中國主要災害性天氣之一，暴雨常常引起山洪暴發、山體滑坡、泥石流等地質災害和城市內澇，直接影響工農業生產。洪澇災害對農作物生長和農業發展影響很大，因此中國專家、學者對洪澇農業風險評估做了大量研究工作，利用不同指標建立洪澇評估模型；有選取合適的降水概率模型，對洪澇災害進行評估；還有利用GIS技術對洪澇災害風險進行評估與區劃；另外，還有從具體的農作物需水量出發，對洪澇災害風險進行評估。這些研究表明，降水量的時空變化對洪澇風險影響很大。另外，洪澇災害風險不僅受天氣氣候條件和下墊面性質的影響，還與當地防洪抗災能力等諸多因素有關。張家界市位于湖南省西北部，地處長江中下游，每年遭受洪澇災害的概率很高，而張家界地區又是一個依托農業和旅游業為主體的地區，因此對張家界地區進行洪澇風險研究，有著十分重要的意義。本研究擬選取適合的因子對洪澇災害進行風險評估，再根據作物需水量特征值，對主要農作物進行洪澇風險評估，以期為張家界地區的農作物合理布局提供一些可行的依據。

1資料與方法

1.1資料來源

本研究主要收集了張家界地區1981-2010年的降水資料，張家界市主要農作物播種面積、洪澇受災面積、成災面積以及減產糧食量等數據。

1.2研究方法

洪澇災害屬于突發性災害，受天氣氣候條件、地質條件和植被、社會經濟能力、防洪抗災能力等諸多因素影響。因此，洪澇災害的發生具有不確定性。本研究引入受災率、成災率、降水變率、災害脆弱度、災害損失率5個反映洪澇災害風險的因子，再采用自然災害風險指數法將洪澇災害風險歸結為以上5個因子共同作用的結果。

1.2.1受災率Ps 受災率指洪澇受災面積Ss占播種面積S的比率，見公式（l）。

Ps=Ss/S……………………（l）

1.2.2成災率Pc 成災率指洪澇成災面積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 因張家界地區在5-9月期間發生洪澇的概率較大，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災害脆弱度E 本研究以成災面積與受災面積之比表示災害脆弱度，見公式（4）。

E=Sc/Ss………………………（4）

1.2.5災害損失率F 指洪澇災害對農業生產的影響，主要表現在糧食減產程度上。因此，采用受災率表示災害損失率，見公式（5）。

F=r·Ps………………………（5）

式中：r只考慮了受災面積不同程度時對糧食減產的影響。

為了統一量綱，對歷年受災率、成災率、降水變率、災害脆弱度和災害損失率作0～1正規化處理后進行綜合，并根據對災害影響的程度賦予權重系數，從而得出災害風險度W，以此評估歷年洪澇災害的風險程度，見公式（6）。

W=aPs′+bPc′+cV′+dE′+eF′……………………（61）

式中：a、b、c、d、e為各因素的權重系數，本研究中均取為1；Ps′、Pc′、V′、E′、F′為標準化處理后的受災率、成災率、降水變率、災害脆弱度和災害損失率。因為洪澇發生時，對農業的影響存在一定季節性差異，在實際計算中將洪澇風險分為3級。分級指標以W的大小為依據，并根據分級結果確定各級的受災、成災面積、糧食損失如表l所示。

1.3結果與討論

通過以上洪澇風險度計算和分級結果，計算出1981-2010年張家界市洪澇災害等級發生的年次概率分別為15%、15%、70%。張家界地區發生l、2級洪澇風險的概率比較低，發生3級洪澇風險的概率比較高。張家界地區降水量和降水強度時空分布不均，另外加之生態環境的破壞，導致水土流失現象較嚴重，從而增加了洪澇發生頻率，每年都有發生洪澇災害的風險，但是隨著農作物抗災能力的加強，以及水利灌溉設施的逐步完善，在一定程度上降低了張家界地區發生1、2級高洪澇風險的概率。

2主要農作物洪澇災害風險評估

2.1逐日降水量的伽瑪（gamma）分布特征以及對3站逐日降水量的擬合

如果連續型隨機變量χ的密度函數滿足，見公式（7）：

式中：α為伽瑪分布的形狀參數，α>0；β為伽瑪分布的尺度參數，β>0。則隨機變量χ服從伽瑪分布，依據伽瑪分布函數的特性，可計算出α和β。一般情況下，氣象臺站逐日降水量數據符合伽瑪分布，因此本研究選取1981-2010年張家界市桑植、永定、慈利3站點逐日降水數據，使用Matlab軟件的mle函數計算各站降水量伽瑪分布2個參數（α、β）的最大似然估計。結果如下：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，對桑植、永定、慈利3個站點逐日降水量的概率密度分布和累積分布分別進行擬合，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，即可得到各雨量對應的累積分布值。

2.2主要農作物的需水量指標與洪澇風險概率的確定

計算作物需水量（即作物最大蒸散量）的方法有很多種，其中包括經驗公式法、水汽擴散法、能量平衡法及綜合法等。本研究采用聯合國糧農組織（FAO）推薦的Penman-Monteith公式及作物系數，計算出張家界市主要農作物逐月（日）平均需水量。具體計算公式見公式（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，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象，計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。農作物平均需水量上限值對應的累計分布值，即為農作物不會遭受洪澇的風險的概率（見表2）。

綜上分析得出，玉米在張家界市桑植、永定、慈利遭受洪澇風險的概率分別為70%、72%、73%；中稻遭受洪澇風險的概率分別為61%、62%、64%，玉米和中稻自西向東遭受洪澇風險的概率逐漸增加，需水量越大的作物遭受洪澇風險的概率越低。

3結論

（1）張家界市降水量和降水強度在年際、季節存在明顯的差異。另外，近年來隨著生態環境的破壞，增加了洪澇發生頻率。張家界市發生洪澇風險的概率很高，幾乎每年都存在不同程度洪澇風險，其中l、2、3級洪澇風險出現的概率分別為15%、15%、70%，對比而言，發生低級別洪澇風險的概率更高。

（2）根據張家界主要農作物玉米、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、慈利遭受洪澇風險的概率分別為70%、72%、73%；中稻遭受洪澇風險的概率分別為61%、62%、64%。玉米和中稻自西向東遭受洪澇風險的概率逐漸增加，需水量越大的作物遭受洪澇風險的概率越低。

4討論

（1）張家界幾乎每年都有洪澇災害發生，因此預報洪澇災害發生的時間、地點和強度顯得尤為重要。另外，還要對農業結構進行合理化調整，增強對洪澇災害的應變能力，最后要做好水庫的科學調度，改造農田水利設施，可以有效減輕洪澇災害損失。

（2）張家界地區主要種植作物為玉米和中稻，基本無早稻種植，本研究結論中玉米和中稻遭受洪澇風險的概率自西向東逐漸增加。因此，可建議適當增加張家界偏西地區的玉米和中稻種植面積。

（3）通過對張家界地區主要農作物的洪澇風險研究，對農業種植合理布局提供了適當的建議，但是在此只考慮了洪澇災害的影響，并未考慮其他災害的影響?？稍诮窈蟮难芯亢吞剿髦?，將各種災害綜合考慮，對農業生產建議提供更有力的依據。