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改进突变评价法基础上安徽省的旱灾风险评价

2020-11-13 209 上传者：管理员

摘要：随着全球气温变暖和人口负荷增加，旱灾风险对区域可持续发展的威胁日益严重。结合突变理论与层次分析法，在分析旱灾风险影响因素的基础上，建立了包含危险性、暴露性、灾损敏感性、抗旱能力等四方面子系统共12个指标的突变模型，评价了安徽省16个城市2008～2017年的旱灾风险等级。评价结果表明，空间分布上，安徽省旱灾风险等级综合排序存在明显的地域差异，呈现由北向南递减分布的规律；时间序列上，安徽省各城市暴露性要素和抗旱能力要素大多呈现相同的走向，灾损敏感性要素部分城市在相同年份达到峰值。可见改进的突变评价法能有效减少排序主观性的影响，改善归一化公式造成的评价结果聚集问题，可为区域干旱风险评估及防灾减灾提供有益参考。

关键词：
安徽省
层次分析法
改进突变评价法
旱灾风险评价
突变理论
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1、概况

安徽省处于我国东部季风区与南北气候过渡带内（东经114°54′～119°37′、北纬29°41′～34°38′），总面积14.01×104km2，约占全国面积的1.3%。其中，淮河以北为暖温带区，淮河以南为亚热带区[1]，降雨时空分布不均，年均降水量由北向南约为773～1670mm，且主要集中在6～9月。建国以来，典型的旱灾出现过10次以上，造成了人民生命财产的严重损失。因此，评估其旱灾风险水平对安徽省发展经济、改革农业结构等具有重要意义。当前应用较为广泛的模糊综合评价法等多目标评价方法，是基于自然灾害系统论来建立评价指标体系，运用系统综合评价方法评价旱灾风险[2]，其评价结果依赖各指标值及其权重，具有一定的主观性和不确定性。而突变评价法的优势在于评价结果不依赖精确的指标权重，是在分析各指标对系统影响的重要性基础上对其进行排序，可有效规避主观性判别可能出现的指标权重过大的现象。此外，尽管突变评价法以拓扑学和系统科学等一系列数学理论作为框架，但其层次清晰的各级子系统及归一化计算公式，应用起来较为简单易行。为此，本文在突变理论的基础上，运用改进的突变评价法，建立了旱灾风险评价的突变模型，对安徽省16个城市2008～2017年的旱灾风险进行定量评价，以期建立较为合理的评价方法和得到更为客观的旱灾评价结果。

2、突变评价方法

2.1 突变评价法的基本原理

突变评价法以突变理论为基础，通过势函数f(x）来描述系统的状态，其中状态变量和控制变量分别表示突变现象和导致突变的要素。当状态变量为1时，根据目标控制变量维数的不同，有以下4种不同的突变模型[3]，见表1。

2.2 改进的突变评价法

突变评价法虽然计算简便易行，但存在以下缺陷：(1)缺陷1。主观按照指标重要性程度进行排序，而突变评价结果直接受指标排序影响；(2)缺陷2。由于归一化公式的聚集特性，评价结果之间数值比较接近，不利于直观判断风险等级程度。为了克服缺陷1，采用层次分析法排序，通过定量计算各指标权重，进行合理排序，使评价结果更加准确；为克服缺陷2，应进行改进计算，步骤如下。

表1突变模型

步骤1对底层指标分别赋值xi={0,0.1,0.2，…，1}，根据所建立的突变模型计算出评价值ri={r1,r2，…，r10}，得到旱灾风险等级阈值。

步骤2根据yi对使用常规的评价结果Rj进行改进，若ri≤Rj≤ri+1(i=0～9），则改进的评价结果为：

3、基于改进突变评价法的安徽省旱灾风险评价

3.1 评价指标体系构建

根据安徽省旱情现状，分析影响其旱灾风险的主要因素，根据文献[4]，按照以下原则选取指标：(1)权重占比高，为主要制约指标；(2)数据来源具有可靠性，且均为比例数据或人均数据等可供比较的指标。评价指标体系见表2，其中正向指标指的是指标初始值与风险评价结果呈正相关；负向指标指的是指标初始值与风险评价结果呈负相关。

表2安徽省旱灾风险评价指标体系

研究数据大部分来自《安徽省统计年鉴》（2008～2017年）、《安徽省水资源公报》及各市统计年鉴（2008～2017年）。

3.2 构建突变模型

根据表1突变模型类型及表2安徽省旱灾风险评价指标体系，构建评价突变模型。以危险性子系统为例，指标层D1、D2、D3指向要素层D，形成了燕尾突变；要素层D、E、S、A指向目标层R，形成了蝴蝶突变，由此构建出安徽省旱灾风险评价突变模型，见图1。

图1安徽省旱灾风险评价突变模型

3.3 风险等级的划分

对底层指标分别赋值xi={0,0.1,0.2，…，0.9,1.0}，根据所建立的突变模型计算出评价值ri={r1,r2,r3，…，r10}，得到安徽省旱灾风险等级阈值，并由低到高分为10个风险等级，可有效增大评价结果之间的差值，计算结果见表3。

表3安徽省旱灾风险等级阈值

3.4 归一化计算

根据所建立的突变模型，选取对应的归一化公式进行逐层计算，得到常规突变结果，再根据计算所得风险等级阈值，对常规结果进行转换。按此进行评价等级划分，得到各市旱灾风险评价等级值，见表4，图2为2017年各市旱灾风险常规评价结果及改进结果的对比。

表42017年各市旱灾风险等级值及改进结果

图22017年各市旱灾风险等级值及改进结果

由图2可知，各市常规的评价结果集中在0.8～0.9区间，而经改进计算后，分布在0.2～0.7区间，有利于不同城市之间的相互对比。此外，2017年滁州市、六安市、宿州市、蚌埠市、安庆市风险等级与其他城市相比相对较高；而滁州市、六安市、安庆市、淮南市、铜陵市风险等级较往年平均值有所增加，根据统计年鉴显示，这些城市2017年旱灾受灾面积分别为63.34、81.44、8.35、51.33、12.42km2，印证了评价结果的可靠性。

3.5 结果与分析

3.5.1 空间尺度分析

若将评分等级区间{[0,0.2],[0.2,0.4],[0.4-0.6],[0.6-0.8],[0.8-1.0]}分别对应旱灾风险等级{极低，低，中等，高，极高}，可得各市风险等级空间对比见表5。由表5可知，安徽省2008～2017年旱灾风险评价等级排名依次为黄山<铜陵<宣城<芜湖<池州<合肥<马鞍山<淮北<安庆<淮南<六安<滁州<亳州<宿州<蚌埠<阜阳，大致呈由北向南递增分布，这与

表5安徽省旱灾风险评价等级分析

王雅燕等[5]的结论一致。究其原因，从危险性子系统来看，淮北区域降水量风险等级整体高于江南地区，而降雨又是影响干旱的最重要因素，因此淮北地区干旱风险等级普遍高；从暴露性子系统来看，淮北地区地形多为平原，耕地面积广泛，农业发达，易受旱灾影响，因此人口密度、耕地率、农业人口比例风险等级高；从灾损敏感性子系统来看，江南地区的水田面积比风险等级高，该地区普遍种植水稻等农作物，对旱灾更为敏感，淮北地区农业人口比例大，风险等级高，对水资源的调度设施安排不到位，今后应持续增强对抗旱能力的建设；从抗旱能力子系统来看，安徽省全区域节水灌溉率风险等级较高，这说明安徽省整体对旱灾的防范意识弱，对水资源的调度设施安排不到位，今后应持续增强抗旱能力建设。

3.5.2 时间序列分析

时间序列下的16个城市旱灾风险等级评价结果见图3，本文仅列出合肥、淮北、毫州、宿州、蚌埠、阜阳、淮南、滁州八个城市的风险评价等级趋势图。

图3各市旱灾风险评价等级趋势图

由图3可看出：(1)除合肥市、六安市外，安徽省14个城市暴露性要素风险值往往于2015、2016年达到峰值，这是因为区域内2015、2016年人口密度数值最大，且耕地率持续增长，由此带来的风险更高。(2)六安市、滁州市、芜湖市、池州市、合肥市、黄山市、亳州市、淮南市、宿州市的灾损敏感性要素风险值于2010、2011年达到峰值，这些区域位于安徽省中部及北部区域，这些区域万元GDP用水量当年占比最大，且农业人口比例与近年相比数值较大，使得整体旱灾风险等级小幅度提升。(3)除淮南市外，安徽省15个城市抗旱能力要素风险值的变化呈现相同的走向，2008～2013年持续下降，2014年急剧上升，随后又持续下降，均在2014年出现极大值。究其原因，2008～2017年，人均GDP各市均稳定持续增长，然而从2014年开始，灌溉指数较之前的年份显著下降，因此出现极大值的现象；2014年之后，人均GDP继续增长，灌溉指数未回升，节水灌溉率平稳提升，抗旱能力要素风险值随之下降。

4、结论

a.本文运用改进的突变评价法，评价了安徽省16个城市2008～2017年旱灾风险。改进突变评价法的优势在于指标权重仅作为排序的依据而不进行计算，可有效避免主观性对评价结果的影响，突变理论的归一化公式计算简单易行，改进后的结果直观准确，可为防灾减灾工作提供有益参考。

b.评价结果显示，空间分布上，安徽省旱灾风险等级综合排序存在明显的地域差异，高风险区主要分布在淮北区域，低风险区主要分布在江淮区域；时间序列上，安徽省大部分城市暴露性要素和抗旱能力要素呈现相同的走向，部分城市灾损敏感性要素在相同年份达到峰值。

c.今后在评价指标的选取中，可采用不同城市指标排序不同的评估体系，能够使模型评估结果更符合实际情况；可采用突变评价法与模糊综合评价法等其他较为成熟的风险评估方法结果相对比的方式，以更好地验证改进突变评价法的可靠性。

参考文献：

[1]段红东.21世纪淮河治理规划应重点思考的几个问题[J].水利规划设计,2001(2):24-27.

[2]欧阳蔚,于艳青,金菊良,等.基于信息扩散与自助法的旱灾风险评估模型[J].灾害学,2015,30(1):228-224.

[3]李炜,徐孝平.水力学[M].武汉:武汉水利电力大学出版社,2000.

[4]孙仲益,张继权,严登华,等.基于GIS的安徽省旱灾风险空间演变研究[J].东北师大学报(自然科学版),2012,44(4):133-137.

[5]王雅燕,周玉良,周平,等.基于集对分析的安徽省农业旱灾风险评估[J].水电能源科学,2019,37(8):1-5.

王艺洁,张东映,张小清,孙怀卫,严冬.基于改进突变评价法的安徽省旱灾风险评价[J].水电能源科学,2020,38(11):1-4.

基金:国家重点研发计划(2018YFC1508301);国家自然科学基金项目(51879110);湖北省水利重点科研项目(HBSLKY201818,HBSLKY201907,HBSLKY201918).

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期刊名称：气象与环境科学

期刊人气：2058

期刊详情

主管单位：河南省气象局

主办单位：河南省气象局

出版地方：河南

专业分类：科学

国际刊号：1673-7148

国内刊号：41-1386/P

创刊时间：1978年

发行周期：季刊

期刊开本：大16开

见刊时间：10-12个月

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