基于GIS的滄州市小麥干旱氣象災害風險評估

高操　陳希　張方敏　韓典辰　李連祥

摘要 基于自然災害風險評估理論，建立以致災因子危險性、孕災環境敏感性、災害承受體脆弱性和防災抗災能力為主的評估體系，選取河北省滄州市1986—2017年的逐日降水量、小麥播種面積、減產率等指標，利用GIS分析技術和加權綜合評價方法，對河北省滄州市小麥干旱氣象災害風險進行評估。結果表明，大面積的小麥干旱災害高風險區主要分布在青縣地區、滄州市區，大多是由于干旱致災因子危險性較大所致;東部承載體易損性相對低，導致干旱災害發生的風險較低;滄州市區西部的環境敏感性特別高，市區北部防災減災能力較差，市區西部的小麥干旱災害發生風險高于東部。

關鍵詞 小麥氣象干旱災害;GIS分析技術;風險區劃;加權綜合評價方法;河北省滄州市

中圖分類號 S423文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）21-0223-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.21.067

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

GISbased Risk Assessment of Drought Meteorological Disasters on Wheat in Cangzhou City

GAO Cao1， CHEN Xi2， ZHANG Fangmin2 et al

（1. Limited Company of State Power Environmental Protection Research Institute， Nanjing， Jiangsu 210031;2 Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing， Jiangsu 210044）

Abstract Based on the risk assessment theory of natural disasters， an assessment system is established， which mainly includes the risk of disastercausing factors， the sensitivity of disasterpregnant environment， the vulnerability of disasterbearing bodies and the ability of disaster prevention and resistance. The risk of wheat drought meteorological disasters in Cangzhou City is evaluated by daily precipitation， wheat planting area， production rate from 1986 to 2017， using GIS analysis technology and weighted comprehensive evaluation method. The results show that high risk areas of wheat drought disasters in large areas are mainly located in Qingxian， Cangzhou， due to high risk of droughtinduced disasters. Carrier vulnerability in the east region is relatively low and leads to a lower risk of drought disasters. The environmental sensitivity in the western part of Cangzhou City is particularly high， and disaster prevention and mitigation capability in the north part of the city are also poor， resulting in higher risk of wheat drought disasters in the western part of Cangzhou City than in the eastern part.

Key words Wheat drought meteorological disasters;GIS analysis technology;Risk zoning;Weighted comprehensive evaluation method;Cangzhou City， Hebei Province

基金項目 科技部重大研發計劃項目（2018YFC1506606）;中國氣象局氣候變化專項（CCSF201809）。

作者簡介 高操（1985—），男，滿族，江蘇南京人，工程師，碩士，從事大氣與環境評估研究。通信作者。

收稿日期 2019-05-21

自然災害是人類依賴的自然界中所發生的異常現象，它具有自然和社會兩重屬性，是人類一直以來面臨的重大挑戰[1-4]。而干旱因其影響范圍大、持續時間長和發生頻率高等特點，已成為全球最嚴重、最為常見的自然災害之一，給國民經濟尤其是農業生產造成巨大損失[5-6]。當干旱給人類社會帶來危害時，即構成干旱災害。它能迅速影響人類社會中飲水、灌溉、航運等方面，對農業生產以及生態環境構成威脅，嚴重阻礙城市發展[7-11]。

小麥干旱災害風險區劃大體可以分為災情統計模型、簡單因子疊加模型和概率分布模型，眾多專家學者從小麥干旱災害程度方面，重點研究了小麥干旱災害發生后所造成的經濟損失和對農業發展等影響，并根據災害后果進行小麥干旱災害風險區劃[12]。但是對防災減災能力的研究評估尚有不足，增加了小麥干旱救災方面的投入與不確定性[13]，阻礙了災害防御方面的進展[14]。目前關于河北省滄州市在小麥干旱成災原因、災害分布、防災抗災等方面的研究還存在一定空白。為此，筆者從致災因子危險性（VE）、孕災環境敏感性（VH）、承災體易損性（VS）、防災減災能力（VR）4因子出發，采用加權綜合評價方法評估滄州市小麥干旱氣象災害的分布。在全球變暖、氣候變化速率加快以及極端天氣事件頻發的背景下[14]，對當地小麥干旱進行區劃評估具有重要的現實意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象資料來源于河北省滄州市1986—2017年192個區域自動站和14個國家自動站的逐日降水資料。自然地理數據來自中國科學院地理科學與資源研究所，包括滄州市1∶50 000縣行政邊界（圖1）、土地利用數據、河網密度、河流水系數據、數字高程模型（DEM）數據等。社會統計數據來自于滄州市統計部門，包括滄州市6個縣的人口密度、國民生產總值（GDP）、地均GDP、耕地比重等。

1.2 研究方法

根據自然災害風險形成機理[15-17]，滄州市小麥干旱災害風險區劃綜合考慮致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體易損性和防災減災能力（圖2），采用加權綜合評價法[18]來評估小麥干旱氣象災害風險，即：

V=VE×WE+VS×WS+VH×WH+VR×WR（1）

式（1）中，V越大則表明該地區發生災害的可能性越大，其中Wx表示權重，采用層次熵權分析法[19-20]確定。由于各指標量綱不同，故對各指標值進行歸一化處理，即：

Dij=0.5+0.05×Aij-AminAimax-Aimin（2）

式（2）中，Dij為因子j的第i個指標的歸一化值，Aij為因子j的第i個指標值，Aimin和Aimax分別是第i個指標值中的最小值和最大值。

2 小麥干旱災害風險評估

2.1 致災因子危險性

由災害學的觀點可知，致災因子為表明一切可能引起人員傷亡、財產損失以及資源破壞的自然和人文變異因素，它是多種事故、甚至災害的危險源頭[21]。在災害研究中，干旱災害發生的頻率、強度可以反映出一個地區干旱災害致災因子危險性的情況，干旱強度越大，發生頻率越高，干旱的危險性就越大。在干旱災害中，降水是影響干旱程度的主要因素。利用滄州市小麥生育期逐日降水量資料，計算標準化降水指數，利用百分位法將其分為5個等級，作為致災因子危險性的判定指標[22]。

由圖3致災因子危險性分布可知，滄州市小麥干旱致災因子危險性風險較低，接近1/2的地區處在次低風險區及以下水平，只有少數地區屬于次高風險區以及高風險區，黃驊西部地區、滄縣東部地區、青縣東南部地區屬于致災因子危險性高風險區，黃驊東部地區、青縣東部地區、滄州市區東部、孟村北部地區、南排河與臨港及臨港區交界地區屬于次高風險區，發生小麥干旱氣象災害時，生態功能失調，農產量低而不穩，對農業生產以及對當地經濟建設和人民生活造成極大威脅。青縣中西部地區、滄州市區西部、南皮東北部地區、孟村中部地區、黃驊東部及南部地區、南排河地區屬于中等風險區。滄縣西部地區、南皮西南部地區和任丘、肅寧、河間、獻縣、泊頭、吳橋、東光、鹽山、海興地區屬于次低風險區及低風險區，小麥干旱氣象災害發生頻次較少，同時小麥生育期逐日降水量較大。

2.2 承災體易損性

承災體易損性是影響災害損失風險大小和成災程度的一個重要因素。損害程度一般取決于該地區的人口密度、經濟發展水平和土地利用類型[18]。耕地面積分布反映了一個地區的農業發展水平[19]，當災害影響到大量耕地面積時，由農業產生的連鎖反應會輻射到城市發展的方方面面，嚴重制約了城市化發展。筆者主要考慮人口密度、GDP密度和耕地占比3個指標。計算公式為：

VS=VSP×WP+VSG×WG+VSC×WC（3）

式（3）中，VS、VSP分別代表總易損性、人口易損性;VSG和VSC分別代表經濟易損性和耕地面積易損性。

由圖4可以看出，小麥干旱氣象災害承災體易損性因子對滄州市影響程度相差較大，任丘中西部地區、河間西部地區，獻縣西北部地區、黃驊中東部地區、肅寧、海興、南排河、臨港及臨港城區屬于低風險區，若發生小麥干旱氣象災害，單位面積上的經濟損失與受災人口較少;任丘東部地區、河間和獻縣中東部地區、滄縣西部地區、泊頭東北部地區、黃驊西部地區、孟村和鹽山東北部地區屬于次低風險區;泊頭西部地區、南皮西部地區、滄縣東部地區、孟村和鹽山中部地區、青縣以及滄州市區屬于中等風險區;泊頭南部地區、孟村和鹽山中部地區、南皮東南部地區、吳橋、東關地區屬于次高風險區，風險高于全市大部分地區，若干旱災害發生，所造成的人員傷亡現象以及社會財產的損失都要比其他大部分地區嚴重;南皮、孟村、鹽山南部地區屬于高風險區，是全市范圍內風險最高的地區，一旦小麥發生干旱災害，將對當地的社會經濟建設以及人民生活造成極大的威脅。

2.3 孕災環境敏感性

孕災環境敏感性是指小麥干旱災害承災體外部環境對損害的敏感性。減產率是敏感性的主要影響因素[20]。地形主要考慮高程和地形變化（以高程標準差表示），并采用不同的值組合[23]（表2）。考慮水系對氣象災害地區造成的影響，將河流緩沖區分為2級（即6、10 km），分別賦值0.9、0.8;非緩沖區取0.5。經歸一化后，孕災環境敏感性（VH）計算公式如下：

VH=VHDEM×WD+WHRI×WRI（4）

式（4）中，VHDEM和VHRI分別代表因地形原因造成的影響和因水系結構與分布造成的影響;WD和WRI分別為兩者權重。根據層次分析法和熵權法[24-25]，WD和WRI分別賦值0.6、0.4。水系數據考慮河網密度和河流水系。采用加權綜合評價法[26]，繪制滄州市孕災環境敏感區劃圖（圖5）。

由圖5可以看出，滄州市小麥干旱孕災環境敏感性風險較高，接近1/2的地區處在次高風險區及以上水平，只有少數地區屬于次低風險區以及低風險區。高風險區主要分布在任丘、肅寧、河間、獻縣、泊頭、滄縣、吳橋、東光、青縣、南皮、滄州市區、鹽山南部地區。次高風險區分布在青縣和滄州市區東部、鹽山和南皮地區的北部，其主要原因可能是滄州市位于冀中平原東部，整體地勢較為平坦，地形類型較少，以平原為主，且變化起伏較小，自西南向東北傾斜，高風險區在發生小麥干旱災害時，平坦的地勢不易使干旱減小，災害對農業、運輸業造成很大威脅，所以在這些風險較高區域，建議加強城市綠化作業，提高城市抗干旱能力。中等風險區主要分布在孟村東北部地區、黃驊、南排河和臨港及臨港區。次低風險區及低風險區主要分布在黃驊南部地區和海興西部地區、孟村與鹽山交界處。

2.4 防災減災能力

防災減災能力體現了一個地區在受災后的承載能力大小與災后重建能力的強弱，是除去自然災害形成因子之外的重要因素，對氣象災害風險評估有著很大作用。防災減災能力包括工程措施和非工程措施，與當地的GDP經濟發展水平密切相關，所以筆者主要使用人均GDP和耕地面積反映這一地區的防災減災能力。由圖6可以看出，防災減災能力因子危險性總體表現出由南部逐漸向北部地區上升趨勢，這與滄州市的經濟發展不均衡現象密不可分。其中河間北部、任丘北部、黃驊北部、南排河北部和青縣地區屬于次高風險區和高風險區，防災減災能力較差，這些地區人均GDP就全市范圍來說發展水平中下，干旱災害發生后的承受能力還有很大的提升空間。任丘和河間西部地區、肅寧東部地區、滄縣和黃驊中部地區、滄州市區、孟村東部地區、海興東南部地區屬于中等風險區，這些地區的經濟發展水平就滄州市而言處于領先水平，但人口密度較大，需要進一步提高群眾防災能力。滄縣東南部地區、孟村西部地區屬于次低風險區，獻縣、泊頭、吳橋、東光、南皮、鹽山屬于低風險區，居民防災意識處于全市領先水平。綜上，建議滄州市大力推動高風險地區的經濟建設，增強居民在面對災害發生時的應變處理能力，同時多植樹種草，提高防災抗災能力。

2.5 小麥干旱災害風險區劃

綜合上述4因子區劃結果后，將4因子數據進行歸納加權得出小麥干旱氣象災害風險指數。利用百分位法將災害風險指數劃分為5個等級（高風險區、次高風險區、中等風險區、次低風險區、低風險區），以GIS空間分析技術為支持，繪制小麥干旱氣象災害風險區劃圖（圖7）。

2.5.1 高風險區。主要分布在青縣、滄州市區，滄州市區人口密度較大，發展水平處于全市領先位置，孕災環境敏感性高，承災體易損性中等，抗災能力差，使得致災因子危險性大。

2.5.2 次高風險區。主要分布在滄縣東北部地區、任丘東部地區、黃驊西北部地區。滄縣及任丘東部地區人口密度較大，發展水平就滄州全市來說處于領先位置，一旦小麥發生干旱氣象災害，對當地經濟發展影響很大，孕災環境敏感性風險高，災后重建能力還需要進一步提升。

2.5.3 中等風險區和次低風險區。主要分布在任丘、肅寧、河間、獻縣、泊頭、吳橋、東光、南皮、滄縣西南部地區、黃驊西北部地區、孟村和鹽山西南部地區。這些地區的致災因子危險性和防災減災能力較低，但是孕災環境敏感性風險較高。

2.5.4 低風險區。主要分布在海興、南排河和臨港及港城區、黃驊東南部地區、鹽山東北部。黃驊地區、南排河地區、臨港及港城區承災體易損性低，海興地區孕災環境敏感性低。

3 ?結論與討論

滄州市小麥干旱災害分布不均勻，整體來看，北部地區小麥干旱災害風險較高，東部地區小麥干旱氣象災害綜合風險級別較低，其大部分地區為次低風險區和中風險區。北部地區小麥干旱氣象災害發生頻次較多，災害強度較大。中風險區主要分布在任丘、河間、獻縣、吳橋、南皮、泊頭地區，其中吳橋、河間風險區域面積最大，孕災環境敏感性風險較高，小麥干旱發生頻次較高，建議加強這些地區的城市綠化建設，多修水利工程，增強對干旱災害的應對能力。滄縣、黃驊地區防災減災能力較差，發生干旱氣象災害時，難以及時針對災害進行有效的應對措施，災后恢復能力較弱，為次高風險區。

城市小麥干旱災害是一個復雜的系統，風險評估影響因素眾多，筆者從有限評價指標對滄州市小麥干旱氣象災害進行了風險區劃分析，存在一定的局限性，故可在將來研究風險區劃的過程中，進一步完善和優化小麥干旱災害形成機理，建立更加科學合理的城市小麥干旱氣象災害風險區劃模型。

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