河北省1995-2015年水旱災害生態風險時空變化特征

謝寶妮, 秦占飛, 李 鎮, 楊會彩

(1.河北地質大學 土地科學與空間規劃學院, 石家莊 050031; 2.中國科學院 地理科學與資源研究所 生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101; 3.河北省水資源可持續利用與開發實驗室, 石家莊 050031)

干旱是河北省最嚴重的農業氣象災害[1-2]，而暴雨和強對流天氣是河北省主要致人死亡的氣象災害[3-4]，二者也是影響作物產量的主要災害因子。近30 a來全球氣溫上升迅速，極端降雨頻率加劇[5]，同時伴隨著人類活動與區域開發力度不斷加大，生態系統類型、結構和功能發生強烈改變，水資源供需矛盾突出，導致區域水旱災害生態風險日益加重。因此，對河北省水旱災害的時空分布及對其生態風險進行評價，可更好的了解河北省不同地區水旱災害生態風險變化情況。

區域生態風險評價(Regional Ecological Risk Assessment, RERA)是結合風險源、風險受體和生態終點，在區域尺度評價對自然和人為活動對生態系統產生的正面或負面影響的可能性[6]。目前，國外RERA多針對自然災害(氣象、水旱和地質等)[7-9]或特殊生態破壞(水域污染、礦區污染和生境破壞等)[10]進行研究，如濕地、水域、礦區、道路和突發性石油污染等。國內則側重于流域自然災害風險評價，風險源涉及洪澇、干旱、臺風及凍災等自然災害[11]，也有部分涉及城市化等人為活動影響的生態風險評價[12]。內容在單風險因子[13-16]和多風險因子結合[17-19]方面均有涉及，且多數在流域尺度對景觀類型風險進行評價[20-21]。

目前，研究者對河北省水旱災害風險開展了多方面深入的研究，研究多集中在水旱災害分布[22-29]、水旱災害評價[13,30-36]、以及減災政策方面[37-38]，而基于RERA對長時間序列水旱災害生態風險時空變化研究相對較少。因此，本研究針對河北省水旱災害生態風險問題，根據生態風險評價的定義和特點，基于RERA理論和GIS技術，構建綜合生態風險模型，對河北省水旱災害生態風險進行綜合評價，并進一步分析近20 a水旱災害生態風險時空轉變過程。研究結果可為政府部門進行環境管理和決策提供科學依據。

1 研究區概況

河北省位于華北平原北部，屬溫帶大陸性季風氣候，經緯度范圍為36°03′—42°40′N，113°27′—119°50′E，地形地貌復雜，北部為壩上高原和燕山山脈、西部為太行山脈、東部為丘陵及海濱地區、南部為華北平原。氣候屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，雨量多集中在夏季，降水變率高達20%～30%[23]，年均氣溫從北部的0℃上升到東部的13℃，年降雨量300～800 mm。主要植被類型為亞高山草甸、針葉林及針闊混交林等。河北省有12個土類，以棕壤、褐土、潮土和栗鈣土等土壤類型為主。

2 數據來源及處理

2.1 數據來源

1990—2015年京津冀24個氣象站點月平均氣溫和降雨量數據來源于中國氣象數據網(http:∥www.cma.gov.cn)，DEM(90 m)來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)，河流水系、行政區邊界、以及1995—2015年每5 a間隔土地利用/土地覆蓋、人口密度、GDP(1 km)數據來源于資源環境數據云平臺(http:∥www.resdc.cn/)，為了便于分析，所有柵格數據重采樣到1 km進行運算。

2.2 數據處理

2.2.1 數據標準化 由于各數據因子單位不同，需對其進行標準化處理，本研究采用公式法和專家分級賦值法對數據進行標準化[39]。當數據分布不規則時采用專家分級賦值法將其隸屬度歸一化取值到0.1～0.9值域，當數據分布規則時，采用公式法進行標準化，公式如下：

(1)

式中:I為原始序列;Imax和Imin分別為其最大值和最小值；N為進行標準化后的數據序列。

2.2.2 標準化降水蒸散指數 標準化降水蒸散指數(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI)常用來表征氣溫和降水對干旱發生的共同效應。本研究使用1個月尺度的SPEI值進行干旱和雨澇等級劃分[27,40-41](表1)，SPEI計算公式如下：

表1 SPEI等級分類標準

(2)

式中: SPEI為標準化降水蒸散指數；w為概率加權矩；常數c0=2.515517,c1=0.8022853,c2=0.010328,d1=1.432788,d2= 0.189269,d3=0.001308。本研究使用R軟件中的SPEI包[42]進行SPEI計算,并將結果插值為1 km柵格數據。

2.2.3 降水量距平指標 降水變率可作為反映干旱或洪水的實時指標，河北省汛期多集中在6—9月，因此本研究基于月降雨量數據，計算每年汛期降水變率，公式如下：

(3)

3 評價過程

3.1 評價模型

本研究根據RERA理論，將生態風險(R)視為風險概率(P)、生態損失度(L)和社會經濟易損度(V)3大因子的函數[43]，公式如下：

R=P×L×V

(4)

式中:R為生態風險；P為風險概率；L為生態損失度；V為社會經濟易損度。

3.2 綜合風險概率計算

3.2.1 干旱 風險源一般以其發生的概率、強度和范圍來表述，本研究基于氣象站點降水量和氣溫數據，計算SPEI值，按照表1標準統計每5 a間隔干旱頻次，并使用反距離加權法進行空間插值，得到1995—2015年河北省每5 a間隔的以干旱發生頻率度量的干旱風險分布數據。

3.2.2 洪水 河北省洪水災害原因較多，主要包括氣候、河流、地形、土壤等，其中氣候為主導因素。本研究結合GIS方法，選取洪水頻率、降雨量、地形和河流等因素，分析綜合降水因子、綜合地形特征和河流水系對洪水災害的危險指數，然后基于層次分析法對三者進行權重疊加，得到洪水災害風險分布數據。

根據降水變率越高(公式3)，降水越多，綜合降水因子越大，洪水危害也越大的原則，采用專家打分法確定標準(表2)，并據此得到每5 a間隔降水變率影響度數據。根據高程越低，越易被洪水淹沒，高程標準差越低，洪水危險指數越高的原則確定綜合地形因子對洪水災害影響的分級標準(表3)。距離河流越近，越易產生洪災，且河流越寬影響范圍越大，因此結合河流等級和高程數據，確定河流分級、緩沖區寬度及影響程度(表4)，一級為0.9，二級為0.8，其他區域為0.5，最終得到河流影響度分布圖。

表2 降水變率和降雨量影響度分級

表3 綜合地形因子影響度分級

表4 河流緩沖區分級及緩沖區寬度標準

采用層次分析法確定上述因子權重，通過求解判斷矩陣，得到歷史洪災頻次權重為0.455，綜合降水權重為0.263，綜合地形權重為0.141，河流水系權重為0.141?；谏鲜鰴嘀貙⒏饕蜃雍闉奈ｋU性影響度分布圖進行疊加計算，得到洪水風險概率分布圖。為了與土地利用和GDP數據時間相匹配，1990—1995年5 a間的總干旱及洪災頻率記為1995年干旱和洪災頻率，其余年份以此類推。最終通過專家咨詢法確定干旱風險源權重為0.6，洪水風險源權重為0.4，疊加得到綜合風險概率空間分布數據，公式如下：

P=0.6×P1+0.4×P2

(5)

式中:P為風險概率；P1為干旱風險源發生概率；P2為洪水風險源發生概率。

3.3 綜合生態損失度計算

根據河北省土地利用數據，將耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地作為生態風險受體，通過建立景觀類型損失指數、景觀結構指數和景觀脆弱度指數來確定綜合生態損失度(公式6—8)：

(6)

Ri=Si×Fi

(7)

Si=a×Ci+b×Ni+c×Di

(8)

根據公式(7)計算得到Ri，將河北省劃分為2 002個10 km×10 km的風險格網，計算每個格網的L值，然后將格網中心的L值轉為點數據，采用普通克里金方法將其插值為柵格數據，得到河北省1995—2015年每5 a間隔綜合生態損失度分布數據(1 km)。

3.4 綜合社會經濟易損性計算

社會經濟條件可反映區域災害易損性高低，本研究選取人口密度和GDP密度計算綜合社會經濟易損性來評價水旱災害社會經濟易損程度。根據兩者統計特征(均值和標準差)，共劃分5個等級，并賦值0.5～0.9的影響度(表5—6)，并將兩者等權重相加，得到每5 a間隔綜合社會經濟易損度數據。

表5 GDP密度分級標準

表6 人口密度分級標準

利用公式(4)對綜合風險概率、綜合生態損失度和綜合社會經濟易損度者進行疊加計算，采用自然間斷法進行5級分類，為了使結果具有可比性，將3者均標準化到1～10后進行計算，得到河北省1995—2015年每間隔5 a的綜合生態風險數據。

4 結果與分析

4.1 水旱災害綜合風險概率時空變化

從圖1可看出，1995—2015年河北省水旱災害風險概率總體中等，中等風險以下等級占全域總面積51.39%～93.30%；較高風險和高風險占全域面積的6.70%～48.61%。He等[45]研究指出華北平原旱災風險處于低和中等等級，本文與其研究結果較為一致。河北省1995—2010年水旱災害綜合風險概率總體呈上升趨勢，上升區域主要分布在河北省北部地區，2010—2015年多數區域風險概率有所下降。安雪麗等[26]研究指出，1990—2000年河北省農業干旱頻率呈上升趨勢。車少靜等[27]指出1990—1991年，1994—1996年河北省雨澇頻繁，1997年全省出現特大干旱，可能是導致1995—2010年水旱災害風險概率上升的原因。

圖1 河北省水旱災害綜合風險概率時空變化

從空間分布上看，北部高原和山地地區水旱災害風險概率1995年以中等風險和低風險為主，2000年、2005年風險等級有所上升，以中等風險為主。2010年該區幾乎一半以上地區處于高風險等級，主要分布在張家口市北部及承德市西部，主要因為該時段干旱風險概率較高，2010年唐山市北部也處于高風險等級，主要因為該時段洪澇風險較高。2015年北部地區水旱災害概率風險等級降低到中等風險以下。

南部地區1995年水旱災害綜合風險概率以低風險為主，2000年滄州市和衡水市轉變為高風險等級，主要分布在子牙河、滹沱河及南運河流域，可能因為1997年全省出現特大干旱，1998年夏季中南部干旱嚴重，1998—2004年河北省南部旱澇頻率較大，導致該區水旱風險較高[27]。南部地區水旱災害風險概率2005年以中等和較高風險為主，2010年風險等級有所下降，以中等風險和較低風險為主，2015年風險等級進一步下降，以較低風險和低風險為主，保定市南部及滄州市東部均處于低風險等級。

4.2 水旱災害生態風險時空變化

河北省各年份水旱災害綜合生態風險空間分布見圖2。由圖可知，河北省近20 a水旱災害綜合生態風險總體較低，北部、太行山山地等區域多處于低風險和較低風險等級，約占全省面積57.87%～74.10%，較高風險和高風險約占全省面積4.9%～20.08%，主要分布在南部平原地區。從時空變化來看，1995—2005年水旱災害生態風險空間格局相似，張家口市、承德市、秦皇島市及太行山山地等區域災害風險等級均處于低風險和較低風險等級，時空格局變化不大。唐山市、保定市東南部、邯鄲市和邢臺市水旱災害生態風險等級從中等風險轉變為較高風險及高風險，風險等級呈上升趨勢，主要因為該時段水旱災害風險概率呈上升趨勢。石家莊市、衡水市和滄州市水旱災害生態風險等級變化較小，但均處于較高和高風險等級，且空間分布破碎度較大，表明這些區域易受到水旱災害影響。2010—2015年河北省水旱災害生態風險空間分布格局相似，風險等級與1995—2005年相比有所降低，降低區域主要位于南部平原，從中等風險下降到較低風險，可能因為綜合社會經濟易損度和水旱災害風險概率下降導致，北部地區生態風險與2005年相比，空間格局差異不大。這些結果表明河北省近20 a來水旱災害生態風險總體呈降低趨勢。

圖2 河北省1995-2015年水旱災害生態風險時空分布

為進一步分析近20 a河北省水旱災害生態風險時空變化情況，基于各年份空間分布圖制作水旱災害生態風險轉移圖譜，圖3表示生態風險未發生等級轉換的空間分布圖，由圖可知，各年份各等級未發生轉變的區域均大于50%，其中2010—2015年所占比例最高(68.60%，圖3E)，其次為1995—2000年(圖3B)和2000—2005年(圖3C)，分別占全省面積63.06%和60.52%，北部地區及太行山脈生態風險多處于1(低風險)→1，2(較低風險)→2，3(中等風險)→3，而南部則多處于3→3，4(較高風險)→4。圖3F為近20 a風險等級從未發生改變的區域，約占全區28.60%，以1→1，2→2為主，主要分布在張家口市中東部、承德市西部及保定市東部區域，風險等級多處于低風險和較低風險等級，表明這些區域水旱災害生態風險較低。

圖4表示發生轉變的水旱災害生態風險等級轉移圖譜，近20 a河北省水旱災害生態風險等級以下降為主(圖4A)，下降面積約占全區37.70%，以2→1，3→2為主，生態系統以森林和草地為主，主要分布在南部平原區、承德市中部、唐山市及秦皇島南部等區域。在每5 a間隔風險等級轉變中，2005—2010年風險等級下降面積最多(圖4D)，約占全區總面積38.56%，以3→2，4→2為主，生態系統以農田和水域為主，主要分布在冀中南地區、唐山市中部，承德市也有零散分布，可能因為社會經濟易損度在此時段有所下降。1995—2000年風險等級下降面積次之(圖4B)，約占全區總面積28.58%，以2→1，4→3，3→2為主，主要分布在承德市中部、唐山市、廊坊市及邢臺市北部等區域。

注：圖中1表示水旱災害生態風險等級處于低風險等級、2表示較低風險等級、3表示中等風險等級、4表示較高風險等級、5表示高風險等級，如1→1表示兩個間隔年均處于低風險等級。

圖4 河北省1995-2015年水旱災害生態風險轉移空間圖譜

河北省水旱災害生態風險等級上升的區域與未變化和下降區域相比較少，近20 a來約11.07%的區域風險等級有所上升(圖4A)，以1→2，2→3及3→4為主，主要分布在張家口壩上地區、冀中南南部等區域，以農田和城鎮生態系統為主，主要因為這些區域綜合生態損失度較高，表明這些區域生態環境仍需進一步改善。2000—2005年風險上升區域最多(圖4C)，約占全省面積27.99%，以1→2，3→4，2→3，2→4為主，主要分布在張家口市壩上地區、承德市中北部、唐山市中南部、保定市東部、邢臺市和邯鄲市大部分地區。2010—2015年風險上升區域面積次之(圖4E)，約占全省面積19.96%，以2→3，1→2，2→4及3→4為主，主要分布在張家口市南部、冀中南東南部等地區。1995—2000年(圖4B)和2005—2010年(圖4D)這兩個時段風險等級上升區域較少(8.36%和7.72%)，以1→2，3→4，2→3為主，主要分布在壩上地區、冀中南南部及唐山市北部等地區。

為了查明河北省水旱災害生態風險的主要貢獻因素，將河北省水旱災害生態風險與干旱、洪澇、綜合生態損失度和綜合經濟易損度這4個影響因子進行灰色關聯分析[46]，得到灰色關聯排序為：洪澇風險率排序第1(0.87)、經濟易損度第2(0.86)、生態損失度第3(0.77)、干旱風險率第4(0.67)，表明河北省近20 a水旱災害生態風險的降低，主要與洪澇災害風險率降低有關。使用同樣方法對河北省11個地市水旱災害生態風險變化驅動因素進行分析，結果見圖5：總體來說河北省東北部主要受洪澇風險率影響，此外經濟易損度也會對生態風險產生影響；西部多數地市受經濟影響較多，但其與洪澇風險率和生態損失度相差不大；滄州市受生態損失度影響較多。

圖5 河北省1995-2015年水旱災害生態風險影響因素分析

5 討論與結論

綜上，河北省1995—2015年水旱災害生態風險有所波動，但整體呈下降趨勢。高風險區主要分布在南部及城鎮區域，這與區域生態環境基礎和經濟活動直接相關。水旱災害生態風險以2005年為轉折年、2005年之前整體風險稍高于2005年之后，主要原因是90年代和21世紀初期，由于人類活動加劇，生態環境急劇惡化，旱災較多，據統計，1991年10月—1993年4月，河北省南部平原地區部分縣市持續干旱長達22個月，1997年特大旱災，全省122個縣受旱，其中嚴重干旱縣多達83個[47]。2000年以后，國家實施了退耕還林還草、調整農牧業產業結構等生態環境恢復與建設措施，使得區域生態環境好轉，同時也增加了社會經濟抗風險能力，使得2005年以后水旱災害生態風險低于2005年，尤其是南部地區。但南部地區2015年風險等級與2010年相比有所上升，主要因為河北省2009年1月和8月均遭遇重大旱災[48]，致使該區2015年生態風險等級有所增加。

河北省近20 a來約57.87%～74.10%的區域水旱災害生態風險處于低風險和較低風險等級，約28.60%的區域風險等級一直未發生改變，主要位于三北防護林區域。為了改善生態環境，從70年代開始，河北省先后實施了“三北”防護林和京津冀風沙治理等一系列植被恢復工程，北部植被覆蓋度增加明顯，表明植被恢復工程可減少干旱、風沙危害及水土流失等自然災害，從而減緩景觀生態風險的快速增長。但也有研究指出植被恢復可能會減少區域徑流和土壤水分，使土壤濕度下降，在水資源缺乏地區進一步加劇景觀生態風險[49]。造林樹種選取不當或樹種單一，可能會造成人工喬木林枯死，同時降低土壤肥力。因此，今后在壩上地區植被恢復工程中應以草地和灌木為主、選取節水效果較好的人工植被物種。

以往文獻指出，河北省干旱災害頻繁，但本研究通過分析發現，在長時間尺度，洪澇和經濟因素與水旱災害生態風險關聯度較高，主要原因為：(1) 本文在判定洪澇和干旱風險時基于氣象數據進行的風險概率分析，未考慮歷史洪災和旱災；(2) 植被恢復在一定程度上會緩解旱災和洪澇風險，本研究中洪澇成為主要因素也可能與河北省水利工程標準偏低有關[47]；(3) 近20 a河北省GDP總體呈上升趨勢，區域主要經濟來源對農業生產依賴降低[48]，使經濟易損度有所下降，與生態風險趨勢一致，導致經濟因素與水旱災害生態風險關聯度較高。

本文以RERA理論為基礎，基于氣溫、降雨、地形、土地利用、人口密度和GDP等多源數據，以水旱災害為風險源，以耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6種景觀類型為風險受體，分析河北省1995—2015年水旱災害生態風險時空變化情況。河北省近20 a水旱災害生態風險總體風險較低，57.87%以上的區域風險等級處于低風險和較低風險等級，主要位于壩上高原、太行山脈、燕山山脈等地區。從時空變化來看，河北省水旱災害生態風險總體呈現降低趨勢，下降面積約占全區37.70%，降低區域多集中在冀中南北部、承德市中部及唐山市等地區，以較低風險向低風險轉變和中等風險向較低風險轉變為主。

本研究基于RERA理論從時空變化的角度對河北省水旱災害生態風險時空變化進行分析，受數據資料限制，研究區氣象站點稀少(僅24個氣象站點)，對降雨和氣溫的插值分析會在一定程度上影響對水旱風險源的定量描述，在今后研究中可考慮高精度氣象再分析數據或遙感反演氣象數據，以期提高模型精度。此外，應進一步開發區域生態風險評價的定量化指標體系，構建數學或物理模型，使得研究結果更具普適性。