张家界市洪涝灾害农业风险评估研究

辛学飞1,黄骏1,胡艳阳1,吕昆坤2,陈梦琼1,朱金菊1

(1湖南省张家界市气象局,湖南张家界427000;2湖南省湘西自治州气象局,湖南吉首416000)

摘要:洪涝灾害是发生频率较高、危害较重的一种自然灾害。因此,对洪涝灾害进行风险评估,能够有效减轻灾害损失,提高社会经济效益。本研究利用张家界地区桑植、永定、慈利3 个站点1981—2010 年的降水资料、张家界市主要农作物播种面积、洪涝受灾面积、成灾面积以及减产粮食量等数据,建立洪涝风险评估模型;根据逐日降水量数据的伽玛(gamma)分布特征,对其进行拟合,再分析计算张家界地区主要农作物需水量的特征值,对主要农作物进行洪涝风险评估。结果表明:张家界地区发生洪涝风险的概率很高,相对而言,发生低级别洪涝风险的概率更高;农作物遭受洪涝风险的概率自很很鲁在线视频hd西向东逐渐增加,需水量越大的农作物遭受洪涝风险的概率越低。

关键词:洪涝风险;伽玛(gamma)分布;作物需水量

中图分类号:P426.616 文献标志码:A 论文编号:cjas14120022

基金项目:湖南省气象局2013 年“短、平、快”课题基金支撑(XQKJ14B040)。

第一作者简介:辛学飞,男,1983 年出生,辽宁朝阳人,工程师,硕士,研究方向:天气气候预报与预测。通信地址:427000 湖南省张家界市气象局,Tel:0744-8389815,E-mail:[email protected][email protected]

收稿日期:2014-12-09,修回日期:2015-03-04。

0 引言

暴雨是中国主要灾害性天气之一,暴雨常常引起山洪暴发、山体滑坡、泥石流等地质灾害和城市内涝,直接影响工农业生产。洪涝灾害对农作物生长和农业发展影响很大,因此中国专家、学者对洪涝农业风险评估做了大量研究工作,利用不同指标建立洪涝评估模型[1-7];有选取合适的降水概率模型,对洪涝灾害进行评估[8-10];还有利用GIS 技术对洪涝灾害风险进行评估与区[本文来自于www.leecom.com.cn]划[11-15];另外,还有从具体的农作物需水量出发,对洪涝灾害风险进行评估[16-23]。这些研究表明,降水量的时空变化对洪涝风险影响很大。另外,洪涝灾害风险不仅受天气气候条件和下垫面性质的影响,还与当地防洪抗灾能力等诸多因素有关。张家界市位于湖南省西北部,地处长江中下游,每年遭受洪涝灾害的概率很高,而张家界地区又是一个依托农业和旅游业为主体的地区,因此对张家界地区进行洪涝风险研究,有着十分重要的意义。本研究拟选取适合的因子对洪涝灾害进行风险评估,再根据作物需水量特征值,对主要农作物进行洪涝风险评估,以期为张家界地区的农作物合理布局提供一些可行的依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本研究主要收集了张家界地区1981—2010 年的降水资料,张家界市主要农作物播种面积、洪涝受灾面积、成灾面积以及减产粮食量等数据。

1.2 研究方法

洪涝灾害属于突发性灾害,受天气气候条件、地质条件和植被、社会经济能力、防洪抗灾能力等诸多因素影响。因此,洪涝灾害的发生具有不确定性。本研究引入受灾率、成灾率、降水变率、灾害脆弱度、灾害损失率5 个反映洪涝灾害风险的因子,再采用自然灾害风险指数法将洪涝灾害风险归结为以上5 个因子共同作用的结果。

1.2.1 受灾率Ps 受灾率指洪涝受灾面积Ss 占播种面积S的比率,见公式(1)。

Ps=Ss/S………………………………………… (1)

1.2.2 成灾率Pc 成灾率指洪涝成灾面积Sc 占播种面积S的比率,见公式(2)。

Pc=Sc/S ……………………………………… (2)

1.2.3 历年5—9 月降雨量R的变率V 因张家界地区在5—9 月期间发生洪涝的概率较大,本研究采取5—9 月降雨量与历年同期平均降雨量Rˉ 之比表示降水变率,见公式(3)。

V =R/Rˉ ………………………………………… (3)

1.2.4 灾害脆弱度E 本研究以成灾面积与受灾面积之比表示灾害脆弱度,见公式(4)。

E=Sc/Ss………………………………………… (4)

1.2.5 灾害损失率F 指洪涝灾害对农业生产的影响,主要表现在粮食减产程度上。因此,采用受灾率表示灾害损失率,见公式(5)。

F=r· Ps ………………………………………… (5)

式中:r 只考虑了受灾面积不同程度时对粮食减产的影响。

为了统一量纲,对历年受灾率、成灾率、降水变率、灾害脆弱度和灾害损失率作0~1 正规化处理后进行综合,并根据对灾害影响的程度赋予权重系数,从而得出灾害风险度W,以此评估历年洪涝灾害的风险程度,见公式(6)。

W=aPs′+bPc′+cV′+dE′+eF′ …………………… (6)

式中:a、b、c、d、e 为各因素的权重系数,本研究中均取为很很鲁在线视频hd1;Ps′、Pc′、V′、E′、F′为标准化处理后的受灾率、成灾率、降水变率、灾害脆弱度和灾害损失率。因为洪涝发生时,对农业的影响存在一定季节性差异,在实际计算中将洪涝风险分为3 级。分级指标以W的大小为依据,并根据分级结果确定各级的受灾、成灾面积、粮食损失如表1所示。

1.3 结果与讨论

通过以上洪涝风险度计算和分级结果,计算出1981—2010 年张家界市洪涝灾害等级发生的年次概率分别为15%、15%、70%。张家界地区发生1、2 级洪涝风险的概率比较低,发生3 级洪涝风险的概率比较高。张家界地区降水量和降水强度时空分布不均,另外加之生态环境的破坏,导致水土流失现象较严重,从而增加了洪涝发生频率,每年都有发生洪涝灾害的风险,但是随着农作物抗灾能力的加强,以及水利灌溉设施的逐步完善,在一定程度上降低了张家界地区发生1、2级高洪涝风险的概率。

2 主要农作物洪涝灾害风险评估

2.1 逐日降水量的伽玛(gamma)分布特征以及对3 站逐日降水量的拟合

如果连续型随机变量x 的密度函数满足,见公式(7):

式中:α为伽玛分布的形状参数,α>0;β为伽玛分布的尺度参数,β>0。则随机变量x 服从伽玛分布,依据伽玛分布函数的特性,可计算出α 和β。一般情况下,气象台站逐日降水量数据符合伽玛分布,因此本研究选取1981—2010年张家界市桑植、永定、慈利3站点逐日降水数据,使用Matlab 软件的mle 函数计算各站降水量伽玛分布2 个参数(α, β)的最大似然估计。结果如下:桑植:α=0.4839,β=18.2896;永定:α=0.5055,β=17.9025;慈利:α=0.5127,β=19.0847。

因此,对桑植、永定、慈利3 个站点逐日降水量的概率密度分布和累积分布分别进行拟合,得到3 站的降水量的分布特征(见图1~3)。

由此也可知,桑很很鲁在线视频hd植、永定、慈利3 站的降水量频次分布(见图4~6),再使用Matlab 软件的gampdf 函数,即可得到各雨量对应的累积分布值。

2.2 主要农作物的需水量指标与洪涝风险概率的确定

计算作物需水量(即作物最大蒸散量)的方法有很多种,其中包括经验公式法、水汽扩散法、能量平衡法及综合法等。本研究采用联合国粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith 公式及作物系数,计算出张家界市主要农作物逐月(日)平均需水量。具体计算公式见公式(8):

ETm=Kc×ET0 …………………………………… (8)

式中:ETm为作物需水量(mm),Kc为作物系数,ET0为参考作物蒸散量(mm)。本研究选取张家界种植面积最为普遍的中稻和玉米作为研究对象,计算得出张家界市中稻的需水量范围为(500~800 mm),玉米的需水量范围为(330~450 mm),中稻日平均需水量的上限值约2.2 mm;玉米日平均需水量上限值约1.2 mm。农作物平均需水量上限值对应的累计分布值,即为农作物不会遭受洪涝的风险的概率(见表2)。

综上分析得出,玉米在张家界市桑植、永定、慈利遭[本文来自于www.leecom.com.cn]受洪涝风险的概率分别为70%、72%、73%;中稻遭受洪涝风险的概率分别为61%、62%、64%,玉米和中稻自西向东遭受洪涝风险的概率逐渐增加,需水量越大的作物遭受洪涝风险的概率越低。

3 结论

(1)张家界市降水量和降水强度在年际、季节存在明显的差异。另外,近年来随着生态环境的破坏,增加了洪涝发生频率。张家界市发生洪涝风险的概率很高,几乎每年都存在不同程度洪涝风险,其中1、2、3 级洪涝风险出现的概率分别为15%、15%、70%,对比而言,发生低级别洪涝风险的概率更高。

(2)根据张家界主要农作物玉米、中稻日需水量的上限和3 站逐日降水量的累积分布值,分析得出玉米在张家界市桑植、永定、慈利遭受洪涝风险的概率分别为70%、72%、73%;中稻遭受洪涝风险的概率分别为61%、62%、64%。玉米和中稻自西向东遭受洪涝风险的概率逐渐增加,需水量越大的作物遭受洪涝风险的概率越低。

4 讨论

(1)张家界几乎每年都有洪涝灾害发生,因此预报洪涝灾害发生的时间、地点和强度显得尤为重要。另外,还要对农业结构进行合理化调整,增强对洪涝灾害的应变能力,最后要做好水库的科学调度,改造农田水利设施,可以有效减轻洪涝灾害损失。

(2)张家界地区主要种植作物为玉米和中稻,基本无早稻种植,本研究结论中玉米和中稻遭受洪涝风险的概率自西向东逐渐增加。因此,可建议适当增加张家界偏西地区的玉米和中稻种植面积。

(3)通过对张家界地区主要农作物的洪涝风险研究,对农业种植合理布局提供了适当的建议,但是在此只考虑了洪涝灾害的影响,并未考虑其他灾害的影响。可在今后的研究和探索中,将各种灾害综合考虑,对农业生产建议提供更有力的依据。

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