蜻蛉河灌區水資源供需系統干旱風險評價

楊玲　王飛　劉慧梅　李艷娟

【摘要】干旱災害己成為我國農業最主要的自然災害，把風險理論用于灌區水資源干旱管理，具有要的理論意義和現實的指導意義。本文根據災害學的相關理論研究了灌區水資源供需系統干旱風險評價指標和風險概率曲線，并將研究成果應用于蜻蛉河灌區水資源供需系統干旱風險評價中，得到如下結論：蜻蛉河灌區歷年發生低風險干旱的概率為23%，較低風險的概率為15%，中等風險的概率為12%，較高風險的概率為6%，高風險的概率為1%。說明蜻蛉河灌區發生超過低風險干旱的概率在20%以上，干旱時有發生。

【關鍵詞】灌區；水資源供需系統；干旱；風險評價

1、研究的目的意義

農業水資源嚴重不足，干旱缺水對農業生產構成的威脅在日趨嚴重，干旱災害己成為我國農業最主要的自然災害。為了減輕和降低干旱損失，實現由被動抗旱向主動抗旱、科學抗旱轉變，由應急抗旱向常規抗旱和長期抗旱轉變，提高抗旱管理水平，對干旱缺水問題進行研究勢在必行。

干旱的發生涵蓋很多復雜的過程和因子，不僅與降水的多少及其分配有關，還與蒸發、土壤含水量、徑流量等多種因子有關。因此，干旱具有一個顯著的特點就是不確定性。風險分析是研究具有不確定性系統的有效的技術工具，在社會科學和經濟學領域有著較為廣泛的應用。目前將風險分析理論與技術引入水資源科學領域，成為研究熱點，把風險理論用于灌區水資源干旱管理尚處于起步階段。因此，對灌區進行水資源干旱風險的界定、識別、估計以及風險評價，就具有重要的理論意義和現實的指導意義。

2、灌區水資源供需系統干旱風險評價指標

2.1 灌區水資源供需系統干旱風險評價結構分析

根據災害學理論，災害產生因素包括孕災環境、致災因子、和承災體三方面，災情是各部分相互作用的產物。

2.1.1 灌區水資源供需系統孕災環境危險性分析

孕災環境危險性分析主要是研究給定區域內各種程度的缺水狀況可能發生的風險程度。由于降雨是產生干旱風險的主要環境因素，而降雨與灌區的可供水量和需水量又密切相關。因此孕災環境危險性可以在分析歷史資料的基礎上，通過分析灌區水資源供需系統的供水風險性，來反映干旱發生頻率。供水風險性越大，則致災因子危險性越大，干旱發生的頻率越大。因此，灌區水資源供需系統危險性指數可以用系統供水虧缺指數反映。

2.1.2 灌區水資源供需系統致災因子風險性分析

災害的形成是致災因子對承災體作用的結果，致災因子危險性反映了致災因子作用的強弱程度。干旱強度反映了特定時空范圍干旱歷時與干旱缺水程度的關系，在灌區水資源供需系統干旱風險評價中，致災因子風險性程度可以用干旱強度指數反映，干旱強度指數越大，說明致災因子的危險性越大。

2.1.3 灌區水資源供需系統承災體脆弱性分析

在相同的致災因子作用下，不同的承載體會表現出不同的損失情況，承災體脆弱性既反映了承災體易于受到致災因子的破壞、傷害或損傷的特性，又反映了承災體對災害的承受能力。灌區水資源供需系統中，農作物作為最主要承災體，其脆弱性可以體現干旱對不同作物種類、不同生育階段的損害影響，可以通過作物遭受旱災的減產（率）情況體現。因此，灌區水資源供需系統承災體脆弱性可以用作物減產指數反映。

2.2 灌區水資源供需系統干旱風險評價模型

2.2.1 風險等級

目前國內外對于水資源供需系統風險評價沒有統一的標準體系。我國國家標準《氣象干旱等級》也將氣象干旱劃分為無旱、輕旱、中旱、重旱和特旱五個等級。本文將灌區水資源供需系統干旱風險從小到大依次分為：低風險、較低風險、中等風險、較高風險和高風險五個等級。

2.2.2 風險概率曲線Logistic模型

Logistic模型一個重要的應用是估計優勢比較（Odds Ratio）。優勢（Odds）是某事件發生概率P與不發生概率（1一P）之比。對P實施Logit變換，則關于P的調增函數的Logit變換Z為：

對于水資源供需系統干旱風險評價而言，供水虧缺指數、干旱強度指數和作物減產指數的指標值與系統干旱風險概率P為正相關關系，指標值愈大，干旱風險愈大。假設水資源系統影響干旱風險概率P的指標為，而且Logistic滿足線性關系，則P的Logit變換Z為：

式中：為風險起步參數，決定風險起步早晚，愈大，相同指標對應的P愈小，風險起步愈晚；為風險發展速度參數，決定風險發展速度快慢，愈大，相同指標值對應的P愈大，風險發展速度愈快。

系統風險概率P的范圍為，評價指標的范圍為，二者為正相關關系，隨著增大，系統風險概率P也逐漸增大。

2.3 評價指標間的關系

三項評價指標分別從.孕災環境、致災因子和承災體三個側面反應干旱的危害狀況，而且三項指標不滿足獨立性原則。但是三項指標共同構成了系統風險評價的三個方面，每一項指標值越大，干旱風險越大。為了評價的準確性和科學性，克服指標間重疊問題，可以借助“水桶原理"來定量評價系統風險。“水桶原理"基本思想是：水桶由若干木片組成，水桶盛水量的多少，不是取決于最長的那塊木片，而是取決于最短的那塊木片。預使水桶里的水盛得多一點，就應加長最短的木片或以長木片更換之，即通過提高系統中薄弱環節的水平來發揮系統的整體優勢。

據此，水桶原理強調最薄弱環節決定論，系統風險可以用風險值最大的指標來衡量，則系統風險可以表示為：

式中：R為系統風險；分別為供水虧缺指數、干旱強度指數和作物減產指數。

3、實例研究

3.1 基本情況

蜻蛉河灌區位于云南省中部的楚雄彝族自治州中西部的姚安、大姚兩縣境內，被譽為“彝州米糧倉”，根據灌區水源工程相對獨立的特點，將灌區分為三大子灌區。即：紅梅—洋派子灌區位于灌區南部，控制灌溉面積16.2萬畝，白鶴—妙峰子灌區位于灌區中部，控制灌溉面積8.2萬畝，永豐子灌區，控制面積6.8萬畝。

灌區屬于北亞熱帶高原型季風氣候區，具有少雨多旱，氣候溫和，干濕季分明等特點，年平均降雨量為739毫米，根據灌區連續50年（1960～2010年）的降雨觀測資料可知，年平均降雨量為739毫米，一年之內，干濕二季界限分明，11月至次年4月為干季，降雨量占全年9%；5至10月為雨季，降雨量占全年91%，且海拔越高，降雨越多，海拔越低，降雨越少。平均蒸發2096mm。

蜻蛉河及主要支流洋派河、大康郎河、七街河、陸林河、西河、妙峰河等，既是灌區工農業生產生活用水的主要來源，又是灌區自流排泄的主要通道。灌區現有水源工程以洋派、紅梅、胡家山、白鶴四座中型水庫為主。

灌區農業自然條件優越，適合多種農作物生長，糧食作物以水稻、玉米、蠶豆、小麥為主，經濟作物以烤煙、蔬菜、油菜為主，壩子邊緣丘陵地帶一般有經濟果林種植。

3.2 主要問題

蜻蛉河灌區目前水資源開發率高，但水的利用率低，輸水渠系和田間水量損失大，灌水方式粗放，灌區總面積31.2萬畝，實際灌溉面積17.9萬畝，實際灌溉面積僅占灌區總面積的57.4%，尤其是這些年，隨著城市建設發展，灌區灌溉用水逐年受到擠占，可用水越來越少，灌區灌溉用水面臨的短缺問題愈來愈嚴重，幾乎每年都有不同程度的旱災發生，因此對蜻蛉河灌區進行水資源供需系統干旱風險分析對當地灌區管理部門做好防旱、抗旱工作有一定的指導意義。

3.3 灌區水資源供需系統干旱風險評價指標

考慮到干旱是一種發展緩慢、歷時較長的自然現象，因此進行水資源供需系統風險分析時，以年為計算時段，逐年分析。

在Logistic風險概率曲線中，最大可接受風險和最小不可接受風險影響因素眾多，難以確定。當風險概率水平低于風險對應低風險等級，后果可以接受，當風險概率水平大于時，風險對應高風險等級特征，后果非常嚴重。

對于供水虧缺指數，參考國家標準《氣象干旱等級》，輕旱對應的缺水率下限為5%，特大干旱對應的缺水率大于50%。故對應的供水虧缺指數為0.05，對應的供水虧缺指數為0.5。

對于干旱強度指數，和對應的指標值與作物種類、生育階段有關，在水分臨界期缺水對產量影響較大。根據資料，取最大可接受風險概率對應的干旱強度指數為0.05，最小不可接受風險對應的干旱強度指數取0.2。

對于作物減產指數，參考國家標準《氣象干旱等級》，輕旱對應的損失率下限為10%，特大干旱對應的損失率大于40%。故對應的作物減產指數為0.1，對應的供水虧缺指數取為0.4。

3.4 灌區水資源供需系統干旱風險評價結果

根據灌區歷年可供水量序列和需水序列，計算歷年灌區水資源供需系統干旱風險的供水虧缺指數、干旱強度指數和作物減產指數三項評價指標序列。

當地歷年發生低風險干旱（I級干旱）的概率為23%，較低風險（II級干旱）的概率為15%，中等風險（III級干旱）的概率為12%，較高風險（Ⅳ級干旱）的概率為6%，高風險（V級干旱）的概率為1%。

3.5 結論

（1）蜻蛉河灌區目前水資源開發率高，但水的利用率低，實際灌溉面積僅占灌區總面積的57.4%，尤其是這些年，隨著城市建設發展，灌區灌溉用水逐年受到擠占，可用水越來越少，灌區灌溉用水面臨的短缺問題愈來愈嚴重，幾乎每年都有不同程度的旱災發生，因此對蜻蛉河灌區進行水資源供需系統干旱風險分析對當地灌區管理部門做好防旱、抗旱工作有一定的指導意義。

（2）灌區水資源供需系統干旱風險評價指標由三部分組成：灌區水資源供需系統孕災環境危險性可以用系統供水虧缺指數反映；灌區水資源供需系統致災因子風險性程度可以用干旱強度指數反映；灌區水資源供需系統承災體脆弱性可以用作物減產指數反映。

（3）將Logistic風險曲線應用于蜻蛉河灌區中，供水虧缺指數最大可接受風險概率為0.05，最小不可接受風險為0.5；干旱強度指數最大可接受風險概率為0.05，最小不可接受風險為0.2；作物減產指數最大可接受風險概率為0.1，最小不可接受風險為0.4。

（4）據“水桶原理”對灌區水資源供需系統干旱風險進行評價。當地歷年發生低風險干旱（I級干旱）的概率為23%，較低風險（II級干旱）的概率為15%，中等風險（III級干旱）的概率為12%，較高風險（Ⅳ級干旱）的概率為6%，高風險（V級干旱）的概率為1%。說明蜻蛉河灌區發生超過低風險干旱的概率在20%以上，干旱時有發生。

參考文獻：

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[5]張展羽.灌區水資源供需系統研究[D].河海大學.2008

基金項目： 云南省教育廳科學研究基金項目（2013C126）

作者簡介：作者簡介：楊玲（1977—），女，在讀博士，副教授，主要從事水利信息化、水文的教學與科研工作。