基于GIS的寧夏六盤山地區(qū)干旱風(fēng)險(xiǎn)分析

梁如心 李娟 張維江 褚金鏑

摘要：寧夏六盤山地區(qū)作為當(dāng)?shù)氐乇硭闹饕l(fā)源地，水文干旱情勢(shì)是該地區(qū)水資源規(guī)劃的重要影響因素。以好水川流域?yàn)槔跒?zāi)害學(xué)理論，建立了包含致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境脆弱性、成災(zāi)體暴露性的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，采用模糊層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，進(jìn)行流域干旱風(fēng)險(xiǎn)分析及區(qū)劃。結(jié)果表明：評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，致災(zāi)因子危險(xiǎn)性權(quán)重為0.45，是干旱風(fēng)險(xiǎn)的主要影響因子;流域下游的干旱風(fēng)險(xiǎn)高于上游流域，中下游南部的干旱風(fēng)險(xiǎn)最大，50%以上的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)屬于中、高風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：干旱風(fēng)險(xiǎn)：模糊層次分析法：好水川流域：寧夏六盤山地區(qū)

中圖分類號(hào)：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

d0i：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.叭.010

近年來(lái)，隨著全球氣候的變化，自然災(zāi)害頻發(fā)，干旱災(zāi)害日趨嚴(yán)重，已成為影響人民生產(chǎn)和生活的主要災(zāi)害之一[ 1-4]。干旱風(fēng)險(xiǎn)分析是尋找有效干旱應(yīng)對(duì)措施及提高防災(zāi)減災(zāi)能力的重要基礎(chǔ)工作。馮星等[5]通過(guò)Copula函數(shù)構(gòu)建二維干旱特征變力的重現(xiàn)期聯(lián)合分布模型來(lái)進(jìn)行干旱分析;徐玉霞等[6]結(jié)合災(zāi)害學(xué)相關(guān)理論，建立干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)子系統(tǒng)對(duì)陜西省的干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估;王理萍等[7]基于AHP方法研究云南省干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。由于目前尚未形成統(tǒng)一的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，因此有必要根據(jù)不同區(qū)域的特征建立符合特定區(qū)域的評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)，并確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重?，F(xiàn)有的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)模型在分析干旱風(fēng)險(xiǎn)及區(qū)劃時(shí)，大部分是基于AHP方法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，而AHP方法往往會(huì)忽略實(shí)際存在的模糊性，需要進(jìn)一步改進(jìn)權(quán)重分析方法來(lái)準(zhǔn)確確定指標(biāo)權(quán)重。張吉軍[8]、呂躍進(jìn)[9]利用模糊層次分析法得出了基于模糊一致矩陣的模糊層次分析法一般應(yīng)用模型。基于三角模糊數(shù)的模糊層次分析法（ FAHP）在理論和實(shí)踐方面有廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，三角模糊數(shù)用于確定影響因素的權(quán)重排序，模糊層次分析法（ FAHP）主要用于權(quán)重的確定。

近年來(lái)，好水川流域干旱頻發(fā)，水文干旱風(fēng)險(xiǎn)不斷增大，其降水、地形地貌、土地利用、水資源及水土保持工程等條件在寧夏六盤山地區(qū)具有較強(qiáng)的典型性及代表性。好水川流域天然環(huán)境的特殊性決定了其對(duì)研究寧南地區(qū)水文干旱具有一定的典型性，因此筆者結(jié)合災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)模型，依據(jù)流域特點(diǎn)，選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用三角模糊層次法確定各指標(biāo)權(quán)重，基于GIS對(duì)流域水文干旱風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估及區(qū)劃，以期為流域水資源開(kāi)發(fā)利用及災(zāi)害預(yù)警提供參考。

1 流域概況

六盤山地區(qū)是清水河、涇河、葫蘆河的發(fā)源地，也是寧夏“北部節(jié)水、中部調(diào)水、南部開(kāi)源”分區(qū)治水方略水資源開(kāi)發(fā)保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。好水川流域地處寧夏回族自治區(qū)固原市隆德縣，東臨六盤山，屬于渭河上游支流的葫蘆河，總面積102 km2，地勢(shì)東高西低，海拔2 894-1 825 m.相對(duì)高差1 069 m。流域降水量自東向西遞減，多年平均降水量為520 mm.其中6-9月降水量約占年降水量的60%，春旱及秋旱較為明顯。流域主要地貌類型為土石山區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)和河谷川道區(qū)，上游溝道呈V形，中游較為平緩、梁坡較陡，下游有面積較大的河谷，溝道呈U形。流域?yàn)榘霛駶?rùn)氣候向干旱半干旱氣候過(guò)渡區(qū)域，流域降水量呈現(xiàn)降低及分散趨勢(shì);土地利用類型有林地、荒坡地、草地、梯田。

流域內(nèi)建有1座水庫(kù)、11座骨干壩，形成壩系水資源聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，使得好水川流域內(nèi)的水資源效益、灌溉效益、生態(tài)效益發(fā)生顯著變化[10]。流域壩系工程分布見(jiàn)圖1。

2 資料來(lái)源與研究方法

2.1 資料來(lái)源

1990-2016年的降水、蒸發(fā)、氣溫、濕度等氣象資料由隆德縣氣象站提供。河網(wǎng)密度分布圖在中國(guó)地理信息百度云通過(guò)ArcGIS軟件提取，地形資料來(lái)源于國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。好水川流域土地利用的類型、面積及分布情況通過(guò)實(shí)際調(diào)研與測(cè)量獲得。

2.2 研究方法

2.2.1 三角模糊層次分析法

模糊層次分析法（ FAHP）是模糊數(shù)學(xué)和層次分析法相結(jié)合的產(chǎn)物，是在層次分析法（ AHP）的基礎(chǔ)上，對(duì)AHP的一種完善和改進(jìn)，主要用于權(quán)重的確定。1983年，荷蘭學(xué)者Van Loargoven[11 ]提出用三角模糊數(shù)表示模糊比較判斷的方法，利用三角模糊數(shù)確定影響因素的權(quán)重排序。三角模糊數(shù)的定義：設(shè)論域R上的模糊數(shù)為M，如果M的隸屬度函數(shù)μM使得R在[0，1]區(qū)間內(nèi)，則稱M為三角模糊數(shù)[12]。

3 結(jié)果分析

3.1 建立評(píng)價(jià)子系統(tǒng)

在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究中，自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是由致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性、承災(zāi)體的暴露性和孕災(zāi)環(huán)境脆弱性3個(gè)要素共同組成的宏觀結(jié)構(gòu)[14-16]。水文干旱主要受自然環(huán)境影響，評(píng)價(jià)指標(biāo)選取應(yīng)以數(shù)據(jù)的可測(cè)性、規(guī)范性及一致性為原則，主要依據(jù)氣象、土地利用、地形、地貌特點(diǎn)選取相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立3個(gè)水文干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)子系統(tǒng)。

（1）干旱風(fēng)險(xiǎn)致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)子系統(tǒng)。致災(zāi)因子即導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生的因素，結(jié)合自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析，氣象要素是導(dǎo)致水文干旱災(zāi)害發(fā)生的主導(dǎo)因子，主要包括降水、蒸發(fā)、氣溫、濕度。受水資源時(shí)間尺度的影響，年內(nèi)降水、蒸發(fā)、氣溫、濕度等分布不均勻，需要選擇多年平均降水量、多年平均蒸發(fā)能力、多年平均氣溫、多年平均濕度為致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性指標(biāo)，其中多年平均降水量與多年平均濕度為負(fù)向指標(biāo)。

（2）干旱風(fēng)險(xiǎn)孕災(zāi)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)子系統(tǒng)。孕災(zāi)環(huán)境脆弱性指受到災(zāi)害威脅所在地區(qū)的外部環(huán)境對(duì)災(zāi)害的脆弱程度，在同等強(qiáng)度災(zāi)害下，脆弱程度越高，自然災(zāi)害所造成的破壞損失就越嚴(yán)重，干旱災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)也就越大。流域內(nèi)干旱形勢(shì)嚴(yán)重，流域水系會(huì)受到嚴(yán)重影響，而水系的變化直觀反映在河網(wǎng)密度的變化;流域內(nèi)的地形較易被侵蝕，在評(píng)價(jià)流域水文干旱時(shí)，地形的脆弱程度也需重點(diǎn)關(guān)注，因此選定河網(wǎng)密度、地形（高程標(biāo)準(zhǔn)差）作為孕災(zāi)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（3）干旱風(fēng)險(xiǎn)承災(zāi)體的暴露性評(píng)價(jià)子系統(tǒng)。承災(zāi)體的暴露性評(píng)價(jià)指標(biāo)反映承災(zāi)體與致災(zāi)因子的接觸程度以及干旱缺水可能對(duì)承災(zāi)體的威脅與破壞程度。土地利用在干旱缺水時(shí)，遭到的威脅及破壞程度是相對(duì)較大且明顯的，干旱嚴(yán)重會(huì)改變土地利用類型，因此選用不同的土地利用類型作為暴露性評(píng)價(jià)指標(biāo)。土地利用類型主要包括人工牧草地、其他林地、其他草地、內(nèi)陸灘涂、坑塘水面、旱地、村莊、水工建筑用地、水庫(kù)水面、水澆地、灌木林地、裸地、設(shè)施農(nóng)用地、采礦用地、風(fēng)景名勝及特殊用地等15種類型。流域土地利用類型分布見(jiàn)圖3。占地面積最大的旱地主要集中在下游，而占地面積僅次于旱地的林地、梯田主要集中在上游。

3.2 權(quán)重確定

通過(guò)模糊層次分析法獲得好水川流域干旱影響指標(biāo)的權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，滿足要求的干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表2。

3.3 結(jié)果分析

將致災(zāi)因子危險(xiǎn)性中各指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)利用反距離加權(quán)平均插值法分布在整個(gè)流域，再對(duì)GIS矢量數(shù)據(jù)指標(biāo)歸一化，并結(jié)合各指標(biāo)的權(quán)重值以及式（6）得出圖形數(shù)據(jù)，運(yùn)用自然斷點(diǎn)法劃分致災(zāi)因子危險(xiǎn)性等級(jí)（見(jiàn)圖4）。由圖4可知，好水川流域干旱風(fēng)險(xiǎn)分析致災(zāi)因子危險(xiǎn)性區(qū)劃等級(jí)上游流域明顯低于下游流域，其中：高危險(xiǎn)區(qū)處于流域中游南部，此處有下岔、上岔、岔口3座骨干壩;低危險(xiǎn)區(qū)、次低危險(xiǎn)區(qū)主要處于流域上游，包括張銀水庫(kù)和后海子、團(tuán)結(jié)、下老莊、后溝等骨干壩;中等危險(xiǎn)區(qū)處于流域中游，包括何家岔骨干壩;次高危險(xiǎn)區(qū)處于流域中下游，包括范灣、老張溝、張家臺(tái)子等骨干壩。

調(diào)整河網(wǎng)密度及地形（高程標(biāo)準(zhǔn)差）的矢量數(shù)據(jù)并歸一化，結(jié)合權(quán)重值及式（8）獲得好水川流域干旱風(fēng)險(xiǎn)孕災(zāi)環(huán)境脆弱性區(qū)劃圖（見(jiàn)圖5）。由圖5可知，干旱災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境的脆弱性分布比較分散：高脆弱性區(qū)主要集中在中游流域南部，次高脆弱性區(qū)零散分布在流域南部;中脆弱性區(qū)域最大，集中分布在上游與下游流域;低脆弱性區(qū)、次低脆弱性區(qū)集中分布在中游流域中部。

承災(zāi)體暴露性主要體現(xiàn)在土地利用類型的不同，根據(jù)不同土地利用類型的權(quán)重，結(jié)合式（7），利用GIS自然斷點(diǎn)法得出好水川流域干旱風(fēng)險(xiǎn)承災(zāi)體暴露性區(qū)劃圖（見(jiàn)圖6）。由圖6可知，干旱災(zāi)害承災(zāi)體暴露性劃分呈現(xiàn)明顯的等級(jí)，各區(qū)劃分布比較集中：高暴露性區(qū)分布區(qū)域最大，主要分布在流域下游;次高暴露性區(qū)分布在流域中游中部及上游;低暴露性區(qū)、次低暴露性區(qū)分布在上中游及下游北部。

基于對(duì)3個(gè)因子的定量分析，依據(jù)式（9）與GIS自然斷點(diǎn)法，得出好水川流域干旱綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃圖（見(jiàn)圖7）。由圖7可知：流域下游是發(fā)生干旱災(zāi)害的高頻區(qū)域，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)包括上岔、下岔、岔口、張家臺(tái)子、老張溝等骨干壩;中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)處于中游及上游流域北部，包括范灣骨干壩;低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、次低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)處于上游流域，包括張銀水庫(kù)與后海子、團(tuán)結(jié)、下老莊、后溝、何家岔等骨干壩。

4 結(jié)語(yǔ)

利用氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS技術(shù)與模糊層次分析法，建立好水川流域的干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，獲得干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)中各影響因子及綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃圖，結(jié)果表明：干旱低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在好水川流域上游，流域中下游的干旱情況最為嚴(yán)重，整體來(lái)看，流域發(fā)生干旱災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)較大。

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【責(zé)任編輯張華興】

收稿日期：2018 - 11- 07

基金項(xiàng)目：寧夏對(duì)外科技合作項(xiàng)目：中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：梁如心（1990-），女，山西臨汾人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗Y源調(diào)控理論與技術(shù)

通信作者：李娟（1981-），女，寧夏銀川人，副教授，研究方向?yàn)楹祬^(qū)水資源與水環(huán)境