蜻蛉河灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)干旱風(fēng)險評價

楊玲　王飛　劉慧梅　李艷娟

【摘要】干旱災(zāi)害己成為我國農(nóng)業(yè)最主要的自然災(zāi)害，把風(fēng)險理論用于灌區(qū)水資源干旱管理，具有要的理論意義和現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。本文根據(jù)災(zāi)害學(xué)的相關(guān)理論研究了灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)干旱風(fēng)險評價指標和風(fēng)險概率曲線，并將研究成果應(yīng)用于蜻蛉河灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)干旱風(fēng)險評價中，得到如下結(jié)論：蜻蛉河灌區(qū)歷年發(fā)生低風(fēng)險干旱的概率為23%，較低風(fēng)險的概率為15%，中等風(fēng)險的概率為12%，較高風(fēng)險的概率為6%，高風(fēng)險的概率為1%。說明蜻蛉河灌區(qū)發(fā)生超過低風(fēng)險干旱的概率在20%以上，干旱時有發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】灌區(qū)；水資源供需系統(tǒng)；干旱；風(fēng)險評價

1、研究的目的意義

農(nóng)業(yè)水資源嚴重不足，干旱缺水對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成的威脅在日趨嚴重，干旱災(zāi)害己成為我國農(nóng)業(yè)最主要的自然災(zāi)害。為了減輕和降低干旱損失，實現(xiàn)由被動抗旱向主動抗旱、科學(xué)抗旱轉(zhuǎn)變，由應(yīng)急抗旱向常規(guī)抗旱和長期抗旱轉(zhuǎn)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(fā)生涵蓋很多復(fù)雜的過程和因子，不僅與降水的多少及其分配有關(guān)，還與蒸發(fā)、土壤含水量、徑流量等多種因子有關(guān)。因此，干旱具有一個顯著的特點就是不確定性。風(fēng)險分析是研究具有不確定性系統(tǒng)的有效的技術(shù)工具，在社會科學(xué)和經(jīng)濟學(xué)領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。目前將風(fēng)險分析理論與技術(shù)引入水資源科學(xué)領(lǐng)域，成為研究熱點，把風(fēng)險理論用于灌區(qū)水資源干旱管理尚處于起步階段。因此，對灌區(qū)進行水資源干旱風(fēng)險的界定、識別、估計以及風(fēng)險評價，就具有重要的理論意義和現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

2、灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)干旱風(fēng)險評價指標

2.1 灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)干旱風(fēng)險評價結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)災(zāi)害學(xué)理論，災(zāi)害產(chǎn)生因素包括孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、和承災(zāi)體三方面，災(zāi)情是各部分相互作用的產(chǎn)物。

2.1.1 灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)孕災(zāi)環(huán)境危險性分析

孕災(zāi)環(huán)境危險性分析主要是研究給定區(qū)域內(nèi)各種程度的缺水狀況可能發(fā)生的風(fēng)險程度。由于降雨是產(chǎn)生干旱風(fēng)險的主要環(huán)境因素，而降雨與灌區(qū)的可供水量和需水量又密切相關(guān)。因此孕災(zāi)環(huán)境危險性可以在分析歷史資料的基礎(chǔ)上，通過分析灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)的供水風(fēng)險性，來反映干旱發(fā)生頻率。供水風(fēng)險性越大，則致災(zāi)因子危險性越大，干旱發(fā)生的頻率越大。因此，灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)危險性指數(shù)可以用系統(tǒng)供水虧缺指數(shù)反映。

2.1.2 灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)致災(zāi)因子風(fēng)險性分析

災(zāi)害的形成是致災(zāi)因子對承災(zāi)體作用的結(jié)果，致災(zāi)因子危險性反映了致災(zāi)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(guān)系，在灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)干旱風(fēng)險評價中，致災(zāi)因子風(fēng)險性程度可以用干旱強度指數(shù)反映，干旱強度指數(shù)越大，說明致災(zāi)因子的危險性越大。

2.1.3 灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)承災(zāi)體脆弱性分析

在相同的致災(zāi)因子作用下，不同的承載體會表現(xiàn)出不同的損失情況，承災(zāi)體脆弱性既反映了承災(zāi)體易于受到致災(zāi)因子的破壞、傷害或損傷的特性，又反映了承災(zāi)體對災(zāi)害的承受能力。灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)中，農(nóng)作物作為最主要承災(zāi)體，其脆弱性可以體現(xiàn)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(zāi)的減產(chǎn)（率）情況體現(xiàn)。因此，灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)承災(zāi)體脆弱性可以用作物減產(chǎn)指數(shù)反映。

2.2 灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)干旱風(fēng)險評價模型

2.2.1 風(fēng)險等級

目前國內(nèi)外對于水資源供需系統(tǒng)風(fēng)險評價沒有統(tǒng)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(qū)水資源供需系統(tǒng)干旱風(fēng)險從小到大依次分為：低風(fēng)險、較低風(fēng)險、中等風(fēng)險、較高風(fēng)險和高風(fēng)險五個等級。

2.2.2 風(fēng)險概率曲線Logistic模型

Logistic模型一個重要的應(yīng)用是估計優(yōu)勢比較（Odds Ratio）。優(yōu)勢（Odds）是某事件發(fā)生概率P與不發(fā)生概率（1一P）之比。對P實施Logit變換，則關(guān)于P的調(diào)增函數(shù)的Logit變換Z為：

對于水資源供需系統(tǒng)干旱風(fēng)險評價而言，供水虧缺指數(shù)、干旱強度指數(shù)和作物減產(chǎn)指數(shù)的指標值與系統(tǒng)干旱風(fēng)險概率P為正相關(guān)關(guān)系，指標值愈大，干旱風(fēng)險愈大。假設(shè)水資源系統(tǒng)影響干旱風(fēng)險概率P的指標為，而且Logistic滿足線性關(guān)系，則P的Logit變換Z為：

式中：為風(fēng)險起步參數(shù)，決定風(fēng)險起步早晚，愈大，相同指標對應(yīng)的P愈小，風(fēng)險起步愈晚；為風(fēng)險發(fā)展速度參數(shù)，決定風(fēng)險發(fā)展速度快慢，愈大，相同指標值對應(yīng)的P愈大，風(fēng)險發(fā)展速度愈快。

系統(tǒng)風(fēng)險概率P的范圍為，評價指標的范圍為，二者為正相關(guān)關(guān)系，隨著增大，系統(tǒng)風(fēng)險概率P也逐漸增大。

2.3 評價指標間的關(guān)系

三項評價指標分別從.孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子和承災(zāi)體三個側(cè)面反應(yīng)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(gòu)成了系統(tǒng)風(fēng)險評價的三個方面，每一項指標值越大，干旱風(fēng)險越大。為了評價的準確性和科學(xué)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(tǒng)風(fēng)險?！八霸?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(yù)使水桶里的水盛得多一點，就應(yīng)加長最短的木片或以長木片更換之，即通過提高系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié)的水平來發(fā)揮系統(tǒng)的整體優(yōu)勢。

據(jù)此，水桶原理強調(diào)最薄弱環(huán)節(jié)決定論，系統(tǒng)風(fēng)險可以用風(fēng)險值最大的指標來衡量，則系統(tǒng)風(fēng)險可以表示為：

式中：R為系統(tǒng)風(fēng)險；分別為供水虧缺指數(shù)、干旱強度指數(shù)和作物減產(chǎn)指數(shù)。

3、實例研究

3.1 基本情況

蜻蛉河灌區(qū)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(nèi)，被譽為“彝州米糧倉”，根據(jù)灌區(qū)水源工程相對獨立的特點，將灌區(qū)分為三大子灌區(qū)。即：紅梅—洋派子灌區(qū)位于灌區(qū)南部，控制灌溉面積16.2萬畝，白鶴—妙峰子灌區(qū)位于灌區(qū)中部，控制灌溉面積8.2萬畝，永豐子灌區(qū)，控制面積6.8萬畝。

灌區(qū)屬于北亞熱帶高原型季風(fēng)氣候區(qū)，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(jù)灌區(qū)連續(xù)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(nèi)，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(fā)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(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水的主要來源，又是灌區(qū)自流排泄的主要通道。灌區(qū)現(xiàn)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(qū)農(nóng)業(yè)自然條件優(yōu)越，適合多種農(nóng)作物生長，糧食作物以水稻、玉米、蠶豆、小麥為主，經(jīng)濟作物以烤煙、蔬菜、油菜為主，壩子邊緣丘陵地帶一般有經(jīng)濟果林種植。

3.2 主要問題

蜻蛉河灌區(qū)目前水資源開發(fā)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(qū)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(qū)總面積的57.4%，尤其是這些年，隨著城市建設(shè)發(fā)展，灌區(qū)灌溉用水逐年受到擠占，可用水越來越少，灌區(qū)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(zāi)發(fā)生，因此對蜻蛉河灌區(qū)進行水資源供需系統(tǒng)干旱風(fēng)險分析對當?shù)毓鄥^(qū)管理部門做好防旱、抗旱工作有一定的指導(dǎo)意義。

3.3 灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)干旱風(fēng)險評價指標

考慮到干旱是一種發(fā)展緩慢、歷時較長的自然現(xiàn)象，因此進行水資源供需系統(tǒng)風(fēng)險分析時，以年為計算時段，逐年分析。

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

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

對于干旱強度指數(shù)，和對應(yīng)的指標值與作物種類、生育階段有關(guān)，在水分臨界期缺水對產(chǎn)量影響較大。根據(jù)資料，取最大可接受風(fēng)險概率對應(yīng)的干旱強度指數(shù)為0.05，最小不可接受風(fēng)險對應(yīng)的干旱強度指數(shù)取0.2。

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

3.4 灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)干旱風(fēng)險評價結(jié)果

根據(jù)灌區(qū)歷年可供水量序列和需水序列，計算歷年灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)干旱風(fēng)險的供水虧缺指數(shù)、干旱強度指數(shù)和作物減產(chǎn)指數(shù)三項評價指標序列。

當?shù)貧v年發(fā)生低風(fēng)險干旱（I級干旱）的概率為23%，較低風(fēng)險（II級干旱）的概率為15%，中等風(fēng)險（III級干旱）的概率為12%，較高風(fēng)險（Ⅳ級干旱）的概率為6%，高風(fēng)險（V級干旱）的概率為1%。

3.5 結(jié)論

（1）蜻蛉河灌區(qū)目前水資源開發(fā)率高，但水的利用率低，實際灌溉面積僅占灌區(qū)總面積的57.4%，尤其是這些年，隨著城市建設(shè)發(fā)展，灌區(qū)灌溉用水逐年受到擠占，可用水越來越少，灌區(qū)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(zāi)發(fā)生，因此對蜻蛉河灌區(qū)進行水資源供需系統(tǒng)干旱風(fēng)險分析對當?shù)毓鄥^(qū)管理部門做好防旱、抗旱工作有一定的指導(dǎo)意義。

（2）灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)干旱風(fēng)險評價指標由三部分組成：灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)孕災(zāi)環(huán)境危險性可以用系統(tǒng)供水虧缺指數(shù)反映；灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)致災(zāi)因子風(fēng)險性程度可以用干旱強度指數(shù)反映；灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)承災(zāi)體脆弱性可以用作物減產(chǎn)指數(shù)反映。

（3）將Logistic風(fēng)險曲線應(yīng)用于蜻蛉河灌區(qū)中，供水虧缺指數(shù)最大可接受風(fēng)險概率為0.05，最小不可接受風(fēng)險為0.5；干旱強度指數(shù)最大可接受風(fēng)險概率為0.05，最小不可接受風(fēng)險為0.2；作物減產(chǎn)指數(shù)最大可接受風(fēng)險概率為0.1，最小不可接受風(fēng)險為0.4。

（4）據(jù)“水桶原理”對灌區(qū)水資源供需系統(tǒng)干旱風(fēng)險進行評價。當?shù)貧v年發(fā)生低風(fēng)險干旱（I級干旱）的概率為23%，較低風(fēng)險（II級干旱）的概率為15%，中等風(fēng)險（III級干旱）的概率為12%，較高風(fēng)險（Ⅳ級干旱）的概率為6%，高風(fēng)險（V級干旱）的概率為1%。說明蜻蛉河灌區(qū)發(fā)生超過低風(fēng)險干旱的概率在20%以上，干旱時有發(fā)生。

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基金項目： 云南省教育廳科學(xué)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(xué)與科研工作。