區(qū)域抗旱能力評價研究進展

吳 志 勇,張 靜 杰,何 海,李 源,張 宇 亮

(1.河海大學 水文水資源學院,江蘇 南京 210098; 2.河海大學 長江保護與綠色發(fā)展研究院,江蘇 南京 210098; 3.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

干旱是一種由于水分虧缺引發(fā)的自然現(xiàn)象,受全球變暖影響,近年來區(qū)域性干旱事件呈現(xiàn)頻發(fā)重發(fā)趨勢[1]。干旱具有持續(xù)時間長、影響范圍廣的特點,所造成的災害破壞程度大,嚴重制約著社會的可持續(xù)發(fā)展[2]。為有效減輕干旱災害的影響,近年來,中國的抗旱管理逐漸由被動抗旱的危機管理模式向主動抗旱的風險管理模式轉(zhuǎn)變[3-4]。抗旱能力是旱災風險評估的重要組成部分,提高區(qū)域的抗旱能力可以減輕因旱災造成的損失,降低旱災風險[3]。開展區(qū)域抗旱能力評價對準確識別區(qū)域旱災風險,合理制定抗旱預案,有效實施抗旱預報、預警、預演、預案“四預”具有重要意義。

抗旱能力反映某地區(qū)抵御干旱災害的能力,是一個復合自然因素和社會因素的復雜系統(tǒng)[5]。根據(jù)評價對象的不同,可分為農(nóng)業(yè)抗旱能力、城市抗旱能力、區(qū)域抗旱能力等。早期的研究主要側(cè)重于農(nóng)業(yè)抗旱能力,顧穎等[6]通過分析中國農(nóng)業(yè)抗旱能力影響因素,從水利工程、社會經(jīng)濟、生產(chǎn)水平和抗旱管理4個角度進行綜合評價,運用基于構(gòu)成要素多指標的綜合評價法,對中國不同區(qū)域的農(nóng)業(yè)抗旱能力進行研究。在此研究之后,眾多學者從自然環(huán)境、農(nóng)業(yè)基礎設施及應急管理等多個角度,增加了降水年內(nèi)分配度[7-8]、土壤有效保水系數(shù)[9]、農(nóng)機動力系數(shù)[9-10]及應急抗旱組織人數(shù)[11]等多個評價指標,同時結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析[8]、密切值法[7]、單目標分析法[12]、集對分析法[13]、組合優(yōu)化法[14]等分析方法對農(nóng)業(yè)抗旱能力進行評價,推動了抗旱能力評價方法的發(fā)展。隨著研究的深入,抗旱能力評價對象由農(nóng)業(yè)逐漸擴展至區(qū)域,區(qū)域抗旱能力指一定空間范圍內(nèi)能夠抵御和減輕干旱災害的最大能力。區(qū)域抗旱能力評價指標全面考慮了區(qū)域氣象條件、供需水結(jié)構(gòu)、應急抗旱服務隊規(guī)模及實力等方面。綜合評價法只能定性分析某一地區(qū)在一定旱情下抗旱能力的相對大小,無法定量描述抗旱能力的實際水平。梁忠民等[5]、金菊良等[15]從抗旱能力的定義出發(fā),先后提出了基于水量供需平衡關(guān)系的定量評價方法,通過計算區(qū)域可供水量與需水量之比構(gòu)建抗旱能力指數(shù),采用來水頻率表征某一地區(qū)的實際抗旱能力,為區(qū)域抗旱能力評價提供了新思路,推動了區(qū)域抗旱能力評價研究的發(fā)展。本文在總結(jié)有關(guān)抗旱能力概念、內(nèi)涵、評價方法研究的基礎上,重點探討區(qū)域抗旱能力評價存在的不足以及未來抗旱能力評價的發(fā)展方向。

1 抗旱能力概念及內(nèi)涵

干旱是普遍存在的因水分供需不平衡而形成的自然現(xiàn)象,當干旱導致區(qū)域經(jīng)濟活動和人們?nèi)粘Ｉ钍艿轿：r,便形成了干旱災害。從風險的角度看,干旱災害的產(chǎn)生主要在于干旱危險性與承災體脆弱性之間的強弱關(guān)系,而承災體脆弱性主要受3個因子的影響:承災體暴露性、災損敏感性和抗旱能力[16]。有學者將脆弱性定義為“個體或群體在應對和抵御自然災害的特性”[17]。由此得出,抗旱能力是可以反映某地區(qū)抵御和抗拒某種干旱災害的能力[18],也可以反映區(qū)域未產(chǎn)生旱災負面影響的最大干旱重現(xiàn)期[19]。梁忠民等[5]結(jié)合各行業(yè)關(guān)于“能力”的定義,認為“能力”具有自然和社會兩種屬性,將抗旱能力概括為根據(jù)可預見的技術(shù)和社會經(jīng)濟發(fā)展程度,在特定的地區(qū)和發(fā)展時期,人們在生產(chǎn)和生活中所擁有的克服干旱和減輕旱災損失的能力。

從旱災損失風險角度看,抗旱能力為人類能夠挽回的旱災損失的大小[20]。從旱災發(fā)生機制分析,抗旱能力為一個地區(qū)能夠抵御減輕旱災影響,滿足人類需水要求的能力。因此,區(qū)域抗旱能力可以概括為在一定的經(jīng)濟環(huán)境下,地區(qū)抵御和緩解干旱自然災害,為保證旱災時期生產(chǎn)、生活和環(huán)境各領(lǐng)域需水的最大能力,包括農(nóng)業(yè)抗旱能力與城市抗旱能力。農(nóng)業(yè)抗旱能力是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)內(nèi),人類通過采用工程與非工程措施主動預防與緩解農(nóng)業(yè)旱災的能力[6]。城市抗旱能力是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)之外的地域環(huán)境,人為防御、抵御和減輕旱災對城市發(fā)展造成的破壞的能力[21]。

2 基于構(gòu)成要素多指標的綜合評價法

區(qū)域抗旱能力受到區(qū)域內(nèi)自然環(huán)境要素、社會要素及人類活動要素等多方面的復合影響。為有效評價區(qū)域抗旱能力,基于構(gòu)成要素多指標的評價方法通過分析影響抗旱能力大小的不同因素,構(gòu)建抗旱能力評價指標體系,并選擇適當?shù)姆椒ㄓ嬎愀髟u價層各指標隸屬度及排序,確定評價標準,從而進行區(qū)域抗旱能力定性評價。

2.1 指標體系構(gòu)建

區(qū)域抗旱能力評價的指標體系,主要包含水利工程供水能力、社會經(jīng)濟實力、生產(chǎn)水平和應急抗旱管理能力四大方面[5-6,12,22-24];也有學者在此基礎上,進一步考慮區(qū)域的背景特征,包括氣候和地形等特征[13,25-28]。

(1) 水利工程供水能力。水利工程是指在工程中蓄引調(diào)提的基礎設施。干旱對城鎮(zhèn)的居民生活、工業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)灌溉等都有嚴重的影響,通過水利工程中的供水保障能夠降低干旱帶來的損失和影響[29]。2022年長江流域發(fā)生了罕見高溫干旱事件,長江中下游及“兩湖”流域的人民用水保電和農(nóng)作物灌溉受到嚴重影響,通過流域水庫群聯(lián)合調(diào)度的“補水行動”,保障了沿江省市的用水取水需求[30]。但是,水利工程對區(qū)域抗旱能力強弱的影響主要取決于發(fā)生干旱前的水庫蓄水量,往往只能減輕干旱初期的影響。

(2) 社會經(jīng)濟實力。社會經(jīng)濟實力是衡量社會發(fā)展的重要指標。一個城市、地區(qū)的社會經(jīng)濟實力較強代表城市和地區(qū)發(fā)展得越好,對該地區(qū)的抗旱有一定的幫助。

(3) 生產(chǎn)技術(shù)水平。所謂的生產(chǎn)技術(shù)水平是指人類在社會生活中具備的生產(chǎn)技能,例如節(jié)水能力、旱作物種植比等。

(4) 應急抗旱管理。是表示在面對突發(fā)性的干旱發(fā)生時,對待干旱需要采取的應急措施,例如組織應急抗旱的物資調(diào)動、資金籌集等工作。

(5) 區(qū)域背景特征。是某一地區(qū)的降水、土地條件等一些自然資源,這些自然資源是抵抗干旱災害的基礎,對后續(xù)的抗干旱工作有直接的影響。眾多學者對2022年夏季長江流域大范圍長歷時干旱進行了成因分析,認為流域降水整體較同期明顯減少且連續(xù)性較差,流域面雨量均為偏少狀態(tài),導致流域提前進入枯水期[30-32],加之持續(xù)高溫致使蒸發(fā)量的增大,是引起此次高溫干旱復合事件的重要原因[33-34]。

針對不同的抗旱對象,可選取特定的評價指標。宋瑞麗[27]考慮到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)災前預防和災后恢復能力,增加單位面積農(nóng)業(yè)機械總動力和單位面積農(nóng)用柴油兩個指標進行評價。康蕾等[35]進行農(nóng)業(yè)抗旱能力評價時,增加了土壤質(zhì)地、高低需水作物面積比等4個指標。云小林[11]、伊如汗[36]進行牧區(qū)草原抗旱能力評價時,增加了反映牧民、牲畜的評價指標。劉蘭芳等[37]在評價稻區(qū)抗旱能力時,針對水稻的種植特性選取平均坡度和有效灌溉面積等指標。費振宇等[38]、梁德帥[39]從需水量、供水能力、抗旱組織管理及水供需不平衡程度3個方面選取指標,進行易旱地區(qū)的區(qū)域抗旱能力評價。綜合已有研究,本文對區(qū)域抗旱能力評價指標體系構(gòu)成進行了總結(jié),如表1所列。

表1 區(qū)域抗旱能力評價指標體系構(gòu)成Tab.1 Evaluation index system of regional drought resistance ability

2.2 權(quán)重計算方法

綜合評價過程中,確定各指標的權(quán)重至關(guān)重要,影響綜合評價結(jié)果準確性。指標權(quán)重的計算方法,主要分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩類。主觀賦權(quán)法包含了專家打分法、層次分析法等,而客觀賦權(quán)法則主要有灰色關(guān)聯(lián)分析法、熵值法和主成分分析法等。也有學者將主客觀賦權(quán)相結(jié)合,以提高評價結(jié)果的可信度。還有些學者將指標與減產(chǎn)率等數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析,根據(jù)相關(guān)系數(shù)大小進行權(quán)重分配[9,49]。

2.2.1主觀賦權(quán)法

主觀賦權(quán)法是決策者結(jié)合經(jīng)驗對指標權(quán)重作出判斷,抗旱能力評價中應用的主要有層次分析法和專家打分法。

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是由美國運籌學家Saaty提出的一種定性和定量分析相結(jié)合的方法,即將一個復雜問題劃分為若干相互聯(lián)系的有序?qū)哟?請專家對每層次每一因素進行判斷后,定量評價每一因素重要性;建立數(shù)學模型,計算所有層次全部因素的相對重要性權(quán)重并對結(jié)果排序,為體系的優(yōu)選提供依據(jù)[50-51]。顧穎等[22]構(gòu)建基于地表水供需比率、人均GDP、節(jié)水灌溉率及應急抗旱投資比等13個評價指標的區(qū)域抗旱能力評價指標體系,并通過層次分析法確定各指標權(quán)重進行綜合評價。康蕾等[35]采用層次分析法對中國糧食主產(chǎn)區(qū)的土壤質(zhì)地、高低需水作物比、耕地有效灌溉率、人均GDP等6個指標進行賦權(quán),發(fā)現(xiàn)耕地有效灌溉率、農(nóng)機動力系數(shù)及人均GDP對研究區(qū)農(nóng)業(yè)抗旱能力影響較大。伊如汗[36]采用層次分析法得出牧區(qū)生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力是影響牧區(qū)抗旱能力最主要的因子,牧民的旱災感知度起著重要作用。黎業(yè)等[14]采用層次分析法對山東省農(nóng)業(yè)抗旱能力進行評價,結(jié)果表明水利工程設施占主要地位,其次是社會經(jīng)濟實力。郭艷春[44]采用層次分析法得出抗旱投入越大,農(nóng)業(yè)抗旱能力越強,旱災脆弱性風險越小。烏蘭等[47]采用層次分析法發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古牧區(qū)抗旱能力分布不均勻,西南及中南地區(qū)較高。鄭方等[52]、張巍[40]運用此方法分別對寧夏農(nóng)業(yè)抗旱能力和遼寧省農(nóng)業(yè)抗旱能力進行靜態(tài)評價。王藝潔等[53]結(jié)合突變理論構(gòu)建了抗旱能力評價突變模型,其優(yōu)點在于層次分析法所確定的權(quán)重僅用于排序不參與計算,在一定程度上避免了主觀因素對結(jié)果的影響。

AHP方法由于受到了主觀因素的制約,使得評估的結(jié)果具有很大的主觀性,為使評價結(jié)果更穩(wěn)定且精度更高,不少研究采用加速遺傳算法改進層次分析法(AGA-AHP)[38,54]。費振宇等[38]、梁德帥[39]從區(qū)域需水量、可供水量和抗旱組織管理3方面選擇17個指標,采用改進后的層次分析法賦權(quán),根據(jù)結(jié)果得出供水能力對抗旱能力的貢獻率最大,其中97%頻率干旱年情況下的區(qū)域單位供水能力權(quán)重最大。李瑞杰等[26]利用AGA-AHP選擇指標并賦權(quán)構(gòu)建區(qū)域抗旱能力評價指標體系,認為水資源量與相對濕潤度指數(shù)更為重要。董忠龍[55]選取20個指標構(gòu)建鞍山市區(qū)域抗旱能力評價指標體系,利用AGA-AHP賦權(quán)后的結(jié)果表明,鞍山市的耕地灌溉率與水庫調(diào)蓄率對結(jié)果影響最大。郭放等[54]通過AGA-AHP求出各評價指標權(quán)重,對蚌埠市農(nóng)業(yè)旱災脆弱性進行動態(tài)評價。周戎星等[56]選取7個指標構(gòu)建宿州市區(qū)域抗旱能力評價指標體系,采用基于加速遺傳算法的模糊層次分析法(AGA-FAHP)確定權(quán)重方案,結(jié)果表明,水庫調(diào)蓄能力對宿州市抗旱能力影響較大。

主觀賦權(quán)法中另一種常用的方法為專家打分法,通過客觀地綜合專家意見,對評價要素做出合理估算。康蕾等[57]參考專家意見對五大糧食產(chǎn)區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱程度、土壤質(zhì)地、農(nóng)機動力系數(shù)等7個指標進行賦權(quán),表明耕地有效灌溉率與農(nóng)業(yè)干旱程度起主要作用。云小林[11]綜合分析4方面對牧區(qū)抗旱能力的影響,結(jié)合專家打分法為8個代表指標賦權(quán),影響程度依次為水利工程、社會經(jīng)濟、生產(chǎn)水平、應急抗旱管理。張歡[10]通過分析農(nóng)業(yè)基礎設施與水資源供需關(guān)系對農(nóng)業(yè)抗旱能力的影響并結(jié)合專家評判,得出灌耕比例與機電井數(shù)影響占比最大。王家歡等[28]考慮自然環(huán)境、水利工程等5方面,采用專家打分法對15個指標賦權(quán),表明水利工程系統(tǒng)、應急組織人數(shù)指標影響最大。

主觀賦權(quán)法雖然是比較完善的手段,但評價結(jié)果具有一定的任意性,使用上也具有較大局限性。隨著研究逐漸完善,運用模糊學和加速遺傳算法改進后的層次分析法會更符合實際情況[13]。

2.2.2客觀賦權(quán)法

灰色關(guān)聯(lián)度法是一種客觀賦權(quán)法,通過對各因子進行統(tǒng)計和分析來描述因素之間的關(guān)系,如果因素間變化速度、方向和大小基本是一致的,那么它們之間的相關(guān)程度就比較大;反之,相關(guān)程度相對較小[58-59]。劉迎春等[7]根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析的理論和方法,從14個相關(guān)指標中選出關(guān)聯(lián)度最大的7個并對其賦權(quán),指標涵蓋了社會經(jīng)濟實力、生產(chǎn)技術(shù)適應能力、應急抗旱響應能力等方面。楊奇勇等[8]采用灰色關(guān)聯(lián)分析,以抗旱效益為參考數(shù)列選擇指標,并給出了3種偏好方案下的權(quán)重。宋瑞麗[27]采用灰色關(guān)聯(lián)分析對總降雨量、耕地灌溉率等14個指標賦權(quán),通過計算黑龍江省西部綜合評價值表述農(nóng)業(yè)抗旱能力。金菊良等[45]基于灰色關(guān)聯(lián)分析法,得出山東省的植被覆蓋率及水資源量是區(qū)域抗旱能力的主要影響因子。也有學者運用其他客觀賦權(quán)法:如劉蘭芳等[37]采用基于SPSS的主成分分析法對區(qū)域抗旱能力評價指標賦權(quán),標準化后發(fā)現(xiàn)每個城市的敏感因素均不相同,但灌溉面積、干旱指數(shù)及水庫密度應多加關(guān)注。趙曉萌等[46]通過對陜西省不同季節(jié)旱災風險分析,采用主成分分析法確定各評價指標權(quán)重,得出水系發(fā)達城市的抗旱能力更強。王鶯等[41]通過主成分分析對評價指標賦權(quán),建立中國北方地區(qū)干旱脆弱性評價模型,并對區(qū)域抗旱能力進行評估,進一步分析水資源密度與抗旱能力的關(guān)系。曹天琪等[60]采用主成分分析法對吉林糧食產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)抗旱能力進行評價,認為吉林北部抗旱能力較強與其水電設備完善、耕地灌溉率較高有關(guān)。楊曉穎等[42]采用主成分分析法評估內(nèi)蒙古抗旱能力,得出農(nóng)機總動力最高且耕地有效灌溉面積最大的通遼市抗旱能力最大。黎業(yè)等[14]利用熵值法與主成分分析兩種方法,對山東省的農(nóng)業(yè)抗旱能力進行了評估,都能較好地反映地區(qū)抗旱能力,但對于抗旱能力一般的城市評價等級相差較大。另外,粗糙集理論[61-62]與未確知測度模型[24]也能較好地評價區(qū)域抗旱能力。

客觀賦權(quán)方法有堅實的數(shù)學理論基礎,但不能反映人們對各種指標的重視程度,有時權(quán)重與實際重要性有很大不同甚至相反。

2.2.3組合權(quán)重法

組合權(quán)重方法是把主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法相結(jié)合,使評價信息更全面,評價結(jié)果“優(yōu)勢互補”。歐陽蔚等[13]分別用加速遺傳算法改進后的模糊層次分析法和變異系數(shù)法計算權(quán)重并進行線性組合,得到組合權(quán)重。任怡[63]綜合考慮水利工程規(guī)模布局的合理性、工程運行及管理選取10種指標構(gòu)建黃河流域水利工程抗旱能力評價體系,運用熵值法及層次分析組合賦權(quán)法確定權(quán)重,結(jié)合可變模糊評價法進行抗旱能力評價。李佩茹[48]綜合考慮山東省旱災風險形成原理,采用層次分析法和熵權(quán)法綜合確定評價指標權(quán)重,評價結(jié)果與實際旱情相符。黎業(yè)[24]利用組合優(yōu)化方法對層次分析法、熵值法和主成分分析法3種分析方法的研究結(jié)果進行了組合優(yōu)選,增加了結(jié)論的可靠性。費振宇等[21]依據(jù)最小相對信息熵將指標差異權(quán)重與樣本差異權(quán)重組合得到評價指標的組合權(quán)重,以增強權(quán)重的合理性。

被普遍采用的主觀賦權(quán)方法所獲得的權(quán)重,比客觀賦權(quán)方法更具有指標的實際意義且計算方法更加簡便,但結(jié)果也具有較多主觀性。客觀賦權(quán)法克服了計算過程的主觀性,評價結(jié)果更加合理,但有些指標權(quán)重最優(yōu)值難以確定。主客觀方法的組合優(yōu)化實現(xiàn)了方法間優(yōu)缺點互補,更具有合理性和適用性。

2.3 抗旱能力等級確定

對區(qū)域抗旱能力進行評價需要將所構(gòu)建的指標體系綜合成一個衡量整體能力的指數(shù),再進行排序及等級確定。目前,用于等級確定的方法有很多,包括加權(quán)綜合法、模糊數(shù)學理論、集對分析等。其中,模糊判別模型[6]最為常用,其基本思路為:① 分析評價指標與評價結(jié)果的關(guān)系,將其分為越大越優(yōu)型和越小越優(yōu)型。② 構(gòu)建隸屬度函數(shù),分別計算評價指標相對子系統(tǒng)和子系統(tǒng)相對評價等級的隸屬度。③ 確定評價等級:隸屬度≥0.6時,抗旱能力等級最強;0.6>隸屬度≥0.3時,抗旱能力等級為中;隸屬度≤0.3時,抗旱能力等級為弱。胡紅等[23]運用模糊判別模型計算隸屬度,并結(jié)合最大貼近度法確定了海河流域的農(nóng)業(yè)、城市及區(qū)域抗旱能力最終等級。

模糊判別模型側(cè)重于考慮指標的模糊性,忽略了評價指標與評價等級之間的不確定性的影響。因此,歐陽蔚等[13]、梁德帥[39]、王雅燕等[64]采用更直觀簡便且精度較高的集對分析法確定評價等級。其基本思路為:① 假設評價等級分為5級,分別為非常弱、較弱、一般、較強、非常強;② 將評價指標分為越大越優(yōu)型和越小越優(yōu)型,構(gòu)建聯(lián)系數(shù)函數(shù),計算各評價指標與評價等級數(shù)間的單指標聯(lián)系數(shù);③ 計算子系統(tǒng)與評價等級間的聯(lián)系數(shù),聯(lián)系數(shù)越大表征對應的抗旱能力越強。梁淑琪等[43]耦合集對分析與模糊理論構(gòu)建的評價方法,考慮了評價等級的模糊性,使得評價結(jié)果更加可靠。為更好反映影響抗旱能力的評價指標與評價等級間的相互關(guān)系,董濤等[65]、金菊良等[66-67]分別提出兩種聯(lián)系數(shù)伴隨函數(shù)(集對勢函數(shù))——五元減法集對勢、引力減法集對勢和半減法集對勢,使得抗旱能力定性評價結(jié)果更合理。周戎星等[56]為進一步挖掘聯(lián)系數(shù)在評價過程中不確定性變化信息問題,構(gòu)建了基于聯(lián)系數(shù)集對勢置信區(qū)間估計的分析模型,并在宿州市區(qū)域抗旱能力評價中得到了較好的運用。康蕾等[57]、宋瑞麗[27]、烏蘭等[47]采用計算簡便的加權(quán)求和法計算綜合評價指數(shù),對農(nóng)業(yè)抗旱能力進行評價。另外,還可以利用密切值[7]、可變模糊集[48,55]、投影尋蹤模型[68-69]等方法進行等級評定。對區(qū)域抗旱能力進行等級評定的方法有多種,模糊判別模型具有方法較合理、貼近實際等優(yōu)點,集對分析法直觀簡便且精度較高,加權(quán)求和法易于理解,運用中需結(jié)合情況選擇合適的方法。

3 基于水量供需關(guān)系的定量評價法

3.1 基本概念

基于構(gòu)成要素多指標的綜合評價法只能定性分析不同地區(qū)在一定旱情下抗旱能力的相對大小,無法反映一個地區(qū)在一定旱情下抗旱能力的實際水平[70]。通過剖析定義,抗旱能力可以概括為干旱期間一個地區(qū)的可供水量能否滿足需水要求,體現(xiàn)了地區(qū)的水量供需平衡關(guān)系。從此角度來說,區(qū)域抗旱能力的大小具體表現(xiàn)在某一地區(qū)發(fā)生旱災時,其可用的水資源能否達到該地區(qū)的需求,通過建立抗旱能力水平系數(shù)可以對其進行量化分析[71]。抗旱能力水平系數(shù)定義為某一水平年、不同來水頻率下的區(qū)域可供水量與需水量的比值,其值越大代表抗旱能力越高,值越小代表抗旱能力較差[72]。此方法避免了綜合定性分析法中指標選取、權(quán)重確定及等級劃分的主觀影響,以抗旱能力水平系數(shù)反映不同來水頻率下區(qū)域抗旱能力,對抵御如2022年長江流域極端干旱的發(fā)生具有實際參考價值,對科學調(diào)控水資源,最大限度滿足需水要求[30,73],加強抗旱應急能力提供技術(shù)支撐。

3.2 抗旱能力水平系數(shù)計算

區(qū)域供水量可以通過計算不同來水頻率下區(qū)域內(nèi)各水利工程可供水量進行表征,一個地區(qū)的供水源主要有地表水、地下水及其他水資源。地表供水工程分為蓄水、引水、提水和調(diào)水四大類,其中,最常用的是水庫。地下水可用水總量為機井提水能力、當?shù)氐叵滤Y源的可采儲量和使用者的需求這3類的最小值[15]。需水量包括生產(chǎn)需水量、生活需水量和生態(tài)需水量,宜采用定額法進行計算[15]。生產(chǎn)需水量可劃分為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、城鎮(zhèn)、建筑業(yè)和第三工業(yè),其中農(nóng)業(yè)灌溉需水量的灌溉定額也隨著來水頻率的增加而提高。生活用水包括城鄉(xiāng)兩類,其中城鎮(zhèn)居民的用水定額比較高。生態(tài)需水主要包括綠化需水、河湖補給以及農(nóng)村河湖的補給[70]。

確定區(qū)域供水量和區(qū)域需水量后,通過建立某一水平年下抗旱能力水平系數(shù)與來水頻率之間的函數(shù)關(guān)系計算區(qū)域抗旱能力。來水頻率值越大,表明干旱越嚴重,其對應的抗旱能力水平系數(shù)越小,兩者的函數(shù)關(guān)系理論上呈負相關(guān)關(guān)系[72]。取抗旱能力水平系數(shù)等于1時的來水頻率為區(qū)域最大來水頻率,若某一年的抗旱能力水平系數(shù)小于最大來水頻率,該年的供水量與需水量達到平衡;反之,代表現(xiàn)有的抗旱能力較弱,不能完全滿足區(qū)域需水要求。孫可可等[74]通過構(gòu)建抗旱能力水平系數(shù)-來水頻率、來水頻率-干旱頻率兩組關(guān)系曲線,以此計算不同抗旱能力下的農(nóng)業(yè)旱災損失風險,為旱災風險研究提供了新思路。

金菊良等[15]提出通過構(gòu)建物理意義明確且計算簡便的區(qū)域抗旱能力水平系數(shù)定量評價區(qū)域抗旱能力,金菊良等[75]、原晨陽[76]在此基礎上提出了針對塘壩灌區(qū)的抗旱能力理論及評價方法。梁忠民等[72]考慮到發(fā)生干旱時需水量與供水量資料難以收集且計算難度大等問題,針對具有年或月尺度供需水資料或僅具有典型來水頻率時供需水資料兩種資料條件,對區(qū)域抗旱能力定量計算方法進行了簡化。但空間分辨率無法滿足實際應用,梁忠民等[72]又提出了通過將已有水資源規(guī)劃資料的地級市的供需水量折算為以縣級為單元的計算方法,再一次提高了區(qū)域抗旱能力定量計算方法的適用性。

4 區(qū)域抗旱能力評價存在的問題

區(qū)域抗旱能力是一個綜合性的系統(tǒng),準確評價離不開科學的理論體系和合理的評價方法的支撐,現(xiàn)階段已有研究主要存在3個方面問題。

(1) 理論體系與指標選取問題。目前,有學者從干旱本質(zhì)出發(fā),通過供水量與需水量比值計算抗旱能力系數(shù),進而建立與來水頻率相關(guān)關(guān)系開展定量評價;也有學者從不同方面選擇影響因子,通過數(shù)學方法確定因子權(quán)重,構(gòu)建抗旱能力的定性綜合評價指標體系。但區(qū)域抗旱能力評價指標繁多復雜,存在代表性不足或指標信息重疊的情況,導致研究結(jié)果與實際具有較大差異性。因此,還需深入地研究社會經(jīng)濟、人類活動、資源環(huán)境等系統(tǒng)的影響及相互關(guān)系[77],構(gòu)建具有普適性、能夠廣泛應用的區(qū)域抗旱能力評價指標體系。

(2) 評價結(jié)果的不確定性問題。當前中國抗旱能力研究及相關(guān)評價,主要從影響抗旱能力的自然、社會、經(jīng)濟等各要素入手,選擇相關(guān)因子建立評價指標體系,并運用數(shù)學方法進行綜合評價。評價流程主要包括了評價方法的選擇、對評價指標重要性的判斷和對評價指標定量化研究等環(huán)節(jié)。這些過程都受到主觀因素干擾,導致研究結(jié)果具有不確定性。主觀賦權(quán)法具有較強的主觀性和隨意性,客觀賦權(quán)法易忽略指標本身的意義,基于水量供需平衡的評價方法未綜合考慮旱災要素,而方法的選擇直接影響著評價結(jié)果的準確性。

(3) 評價結(jié)果的適用性問題。抗旱能力是研究區(qū)域水資源狀態(tài)、恢復狀況和環(huán)境承載力的綜合體現(xiàn),與自然環(huán)境密切相關(guān),又與人類活動影響相互反饋。現(xiàn)有研究采用的層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法等常用于靜態(tài)抗旱能力評價,反映的是一種工程條件下抗旱能力的相對強弱,與實際旱情的嚴重程度無關(guān)。在實際情況中,水庫蓄水量、耕地灌溉率、水源調(diào)配情況及節(jié)水灌溉技術(shù)等指標隨著旱情發(fā)展均在不斷變化,構(gòu)建動態(tài)指標體系進行抗旱能力評價更能反映當前水利工程供水情況下的實際抗旱能力。

5 研究展望

受自然環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展等多方面影響,旱災風險系統(tǒng)呈現(xiàn)出多樣化、復雜化的特點,其評估、應對一直是學術(shù)界研究的重點,但抗旱能力評價研究作為其中關(guān)鍵一環(huán)目前仍較為薄弱,未來可以圍繞以下3點展開:

(1) 加強評價指標體系基礎數(shù)據(jù)構(gòu)建與提取研究。區(qū)域抗旱能力是防災減災措施對致災因子和承災體兩者關(guān)系的調(diào)整能力[71],包括通過工程和非工程措施調(diào)節(jié)區(qū)域水資源供給、挖掘地下水潛力[78]、完善應急抗旱調(diào)度及管理等方面。評價不同類型抗旱能力指標體系也應不同,農(nóng)業(yè)抗旱能力評價體系更應注重水利工程供水能力與生產(chǎn)水平的影響,而城市抗旱能力評價體系應注重區(qū)域背景因素的影響[79]。評價指標覆蓋范圍廣且難以獲取準確而全面的數(shù)據(jù),導致區(qū)域抗旱能力評價結(jié)果存在一定的不確定性等問題。隨著中國水利工程體系日漸完善,水庫可供水量、水庫調(diào)蓄率等水利工程指標逐漸易于獲取,但土壤墑情等資源環(huán)境指標的監(jiān)測和中長期預測能力較弱[78,80-81],今后可結(jié)合大范圍高分辨率降水、植被覆蓋率、土壤濕度等衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)或陸面同化后的數(shù)據(jù)[31,82],提高氣象、水文、農(nóng)業(yè)和社會經(jīng)濟方面的資料利用水平。同時,應急抗旱管理方面要采用反映研究區(qū)抗旱實際需求的指標,例如抗旱周期內(nèi)能夠完成的澆地面積與受旱面積之比、解決因旱人飲困難比等指標[83],采用決策樹與隨機森林算法選取合適的指標,進一步改進基于構(gòu)成要素多指標的綜合評價方法。由于定性分析方法的系統(tǒng)誤差不可避免,今后的研究可以考慮采用基于水量供需關(guān)系的定量評價方法,通過分析蓄水期、枯水期的用水需求[84],結(jié)合流域枯水期水位流量關(guān)系[85-86],構(gòu)建水庫水位流量與抗旱能力關(guān)系曲線,有助于精準判斷區(qū)域不同枯水條件下的實際抗旱能力[73,84],為水庫群聯(lián)合蓄水抗旱調(diào)度研究提供支撐。

(2) 加強基于機器學習的智能評價方法研究。區(qū)域抗旱能力評價研究涉及水文學、水利學、社會學等多種學科,數(shù)據(jù)信息往往表現(xiàn)出模糊信息、灰信息等多種信息相混合的特征[87],因而在進行全面評價時,權(quán)重的選取對結(jié)果具有決定性影響。目前評價方法在指標處理、權(quán)重分配等方面原理側(cè)重不同,今后研究可采用概率學、云模型等方法進行主客觀方法優(yōu)化組合,得到更科學合理的賦權(quán)法。為進一步避免決策者心理對評價結(jié)果的主觀影響,通過結(jié)合考慮決策者的心理行為因素的后悔理論,使得決策過程更符合現(xiàn)實情況[87]。另外,隨著機器學習方法的日益完善和廣泛運用,今后采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡、隨機森林等多種智能算法優(yōu)化評價模型,提高抗旱能力評價在實際旱災風險管理中的準確性和實用性。

(3) 加強區(qū)域抗旱能力動態(tài)評價研究。區(qū)域抗旱能力的影響要素隨著干旱發(fā)展不斷變化,不同旱情時的降水量、來水條件、水資源儲備量及水利工程調(diào)蓄情況不斷變化,而工程的固有設計容量表征的是不變的抗旱能力,用于區(qū)域抗旱能力評價的誤差較大。動態(tài)抗旱能力評價研究是今后整體研究的發(fā)展方向,結(jié)合遙感技術(shù)、人工智能算法等先進技術(shù)可以自動化獲取動態(tài)實時的氣象、水利工程、資源環(huán)境等數(shù)據(jù)[31,73],在建立數(shù)據(jù)庫的基礎上運用科學合理的評價方法構(gòu)建抗旱能力動態(tài)評價模型。同時,通過構(gòu)建聯(lián)系數(shù)伴隨函數(shù)[65,88],深入挖掘抗旱能力評價中評價指標與評價標準的關(guān)系,進而得到抗旱能力總體發(fā)展趨勢,為區(qū)域抗旱能力動態(tài)評價提供新的有效途徑。

6 結(jié) 語

開展區(qū)域抗旱能力評價是實施防旱減災的重要基礎工作之一,有助于認識區(qū)域減輕旱災影響的能力,為抗旱減災研究提供支撐。目前,區(qū)域抗旱能力評價研究多采用基于構(gòu)成要素多指標的綜合評價法,綜合考慮了區(qū)域水利工程供水能力、社會經(jīng)濟實力、生產(chǎn)水平、應急抗旱能力和背景特征的影響,通過主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法及組合權(quán)重法確定各評價指標權(quán)重,再通過加權(quán)綜合法、模糊判別模型、集對分析等方法對區(qū)域抗旱能力進行等級評定。此類方法具有結(jié)構(gòu)清晰、易于操作等優(yōu)點,常用于比較不同地區(qū)在同一時段下的抗旱能力相對強弱,無法對不同區(qū)域間的實際抗旱能力進行定量評價。

從抗旱能力定義出發(fā)的基于水量供需關(guān)系的定量評價法,通過建立抗旱能力水平系數(shù)與來水頻率的關(guān)系,反映了干旱期間區(qū)域?qū)嶋H供需水結(jié)構(gòu),其對區(qū)域抗旱能力進行量化分析,更好地體現(xiàn)了抗旱能力的靜-動態(tài)特性。相比綜合評價法,其物理意義更明確、計算簡便,能夠為多時段、多區(qū)域的抗旱能力定量評價及同一區(qū)域不同旱情發(fā)展過程中的實際抗旱能力評價提供思路。

為進一步加強區(qū)域抗旱能力評價的適用性,今后的研究應圍繞以下3個方面:① 從理論體系出發(fā)構(gòu)建指標體系,強化評價指標選取及體系基礎數(shù)據(jù)利用水平;② 加強基于機器學習的智能評價方法研究,優(yōu)化評價方法,減小研究結(jié)果的不確定性;③ 運用多學科方法開展抗旱能力動態(tài)評價研究,提高評價結(jié)果適用性。