水稻暴雨洪澇災害風險評估研究
——以黑龍江省為例

徐永清，王 瑩，張洪玲，劉春生，蔣慧亮，魏 磊，劉赫男*

（1.黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030；2.黑龍江省公共氣象服務中心，黑龍江 哈爾濱 150030）

自20世紀90年代以來，災害風險管理工作在防災、減災中的作用逐漸增大，災害風險及其相關問題的研究一直處于減災研究領域的前沿［1］。農業是受氣象災害影響最敏感的行業之一，氣象災害風險的加劇會直接影響農業生產和糧食安全，在未來氣候變化的背景下，農業氣象災害的風險將越來越大，其風險評估和預測研究將引來越來越多學者的關注。

我國農業氣象災害種類多、發生頻率高、區域性強、季節性分明、影響因素多、致災機理復雜［2］。我國對農業氣象災害的相關研究最初主要采用災害分析方法，對農業氣象災害風險分析理論、方法和模型進行了大量研究［3-6］；杜鵬等［7］在參考農業生態地區法的基礎上建立了華南果樹生長風險分析模型；李世奎等［8］以風險分析技術為核心，探討了農業氣象災害風險分析的理論、概念、方法和模型。進入21世紀后，學者們開始重點關注農業氣象災害風險評估的數理化技術方法，注重構建由風險分析、風險評估、災后評價、防災減災組成的災害風險評估體系［9-13］。目前，自然災害風險分析理論和技術方法已被全面引入農業領域，農業氣象災害風險評估技術正向定量化、動態化方向發展。在評價方法方面，基于多源信息獲取和融合技術，引入作物模擬模型，考慮作物生理因素，已成功構建了針對不同作物生長全過程的農業氣象災害動態風險評估模型。

迄今，農業氣象災害風險研究關注的災害和作物類型不斷增多，但整體上對干旱、低溫冷害研究較多［14-18］，而對暴雨等其他災害研究較少；在農作物方面，針對玉米、小麥構建的氣象災害評估模型較多［19-21］。本文根據自然災害風險理論，從致災因子的危險性、承災體暴露性、脆弱性和防災減災能力4個方面入手，以黑龍江省為例，研究了水稻暴雨災害風險評估指標和評估模型，構建了水稻暴雨災害風險評估體系，旨在為有關部門調整農業生產結構及制定防災減災對策和措施提供理論依據，為農業發展和糧食安全提供技術保障。

1 研究區概括與方法

1.1 研究區概況

黑龍江省位于我國東北部，地理坐標為121°11′~135°05′E、43°25′~53°33′N。黑龍江省地勢大致是西北部、北部和東南部高，東北部和西南部低。西北部為東北─西南走向的大興安嶺，北部為西北─東南走向的小興安嶺，東南部為東北─西南走向的張廣才嶺、老爺嶺和完達山，東北部的三江平原和西部的松嫩平原是東北平原的一部分。黑龍江省總面積為47.3萬km2，農用地面積為3950.1萬hm2，占全省總面積的83.5%；農用耕地面積為1187.1萬hm2，占農用地面積的30.1%。該省2020年糧食總產量達到7540.8萬t，其中玉米和水稻的總產量居前2位，分別為3646.6萬t和2896.2萬t［22］。

1.2 研究資料

氣象資料選用黑龍江省84個國家氣象觀測站（圖1）1961─2020年的逐時降水數據，資料來源于黑龍江省氣象數據中心。

圖1 黑龍江省84個國家氣象觀測站的分布

DEM數據來自SRTM，空間分辨率為90 m。行政區劃、河流矢量數據來自全國1∶25萬矢量圖。1 km×1 km網格GDP和人口數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心。土地利用等數據來源于《黑龍江統計年鑒2020》。

由于降水、水稻種植密度、GDP、地理信息等數據的來源不同，格式不統一，為了便于分析和計算，本研究利用GIS軟件對柵格數據進行投影轉換、重采樣，統一處理成90 m分辨率的柵格數據；采用克里金插值方法將離散點數據轉換為90 m分辨率的柵格數據。

1.3 評估指標和方法

1.3.1 水稻暴雨洪澇災害風險評估方法 根據自然災害風險評估理論［23］，從致災危險性、承災體暴露性、脆弱性和防災減災能力共4個維度進行風險評估。災害的危險性、脆弱性、暴露性和災害風險生成的作用方向是相同的，而防災減災能力與災害風險生成的作用方向是相反的，即某區域的防災減災能力越強，則災害危險性、脆弱性和暴露性對災害生成的作用力越弱，災害的風險度越小。在實際應用時，應考慮到防災減災能力的反向作用力，因此，將災害風險評價模型設為：

式（1）中：FDRI（Flood disaster risk index）為水稻暴雨洪澇災害風險指數；H、V、E、R分別表示致災危險性、承災體暴露性、脆弱性和防災減災能力；WH、WV、WE、WR分別表示H、V、E、R的權重，權重之和為1。采用百分位方法將FDRI劃分為5級：1級，百分位＜50%，低風險；2級，百分位50%~70%，較低風險；3級，百分位70%~85%，中風險；4級，百分位85%~95%，較高風險；5級，百分位＞95%，高風險。

致災危險性、承災體暴露性、脆弱性和防災減災能力指數所含具體因子的選擇原則：既要考慮各因子數據的客觀性、可獲取性，也要考慮其能否客觀反映水稻暴雨洪澇災害風險的實際情況。同樣按百分位方法將上述各指數劃分為5級，等級劃分標準與FDRI的相同。

各項評估指標的權重采用層次分析法和專家打分法來確定。層次分析方法根據各個指標的相對重要性，從因子層開始，采用兩兩比較的方法建立判斷矩陣，采用方根方法求出各影響因子的權重并歸一，最后經一致性檢驗后得到因子層對準則層的權重集。專家打分法是征詢7位氣象專家的意見，對專家意見進行統計、處理和分析，客觀地綜合多數專家的經驗與主觀判斷，確定權重系數［24］。

1.3.2 水稻暴雨洪澇災害危險性評估指標和方法 危險性是指致災因子的自然變異程度，主要是由災變活動規模（強度）和活動頻次（概率）決定的。一般災變強度越大、頻次越高，災害所造成的損失就越嚴重，災害的風險也越大。水稻暴雨洪澇致災因子危險性主要取決于氣象因子和孕災環境，即致災危險性大小是降水、地形和水系共同作用的結果。強降水是致災因子，海拔以及地形起伏對災害形成有不同程度的影響，同時洪澇發生在很大程度上還與距離河流、湖泊的遠近有關系。

參考《暴雨災害調查與風險評估技術規范（評估與區劃類）》，暴雨洪澇危險性指數由暴雨洪澇指數和孕災環境影響指數確定，計算公式為：

式（2）中：H為暴雨洪澇致災危險性指數；S為孕災環境影響指數；R為暴雨洪澇指數。

孕災環境影響指數由地形和水系2個因子均一化后加權求和得到。暴雨洪澇在營養生長期對水稻生長發育及產量的影響較小，在生殖生長期對水稻生長發育及產量的影響較大，特別是孕穗期強降水對水稻產量的影響最大［25-26］。本文選取水稻孕穗期和開花抽穗期暴雨過程（24 h降雨量大于或等于50 mm）中1 h最大降雨量、24 h最大降雨量、過程累計降雨量和暴雨持續日數，將這4個因子均一化后進行加權求和，得到暴雨洪澇指數，其各指標的權重如表1所示。

表1 水稻暴雨洪澇災害風險評估指標體系和權重

1.3.3 暴雨洪澇暴露性評估指標和方法 暴露性指暴露于暴雨洪澇的人員、生計、環境服務、各種資源、基礎設施等受到風險因素威脅的可能程度，暴露性越高，潛在損失越大，風險越高。在本研究中，暴露性指數主要考慮水稻耕種密度和水稻單位面積產量，將這2個因子均一化后加權求和，得到暴露性指數，其各指標的權重見表1。

1.3.4 暴雨洪澇脆弱性評估指標和方法 脆弱性是指給定危險地區的承災體面對某一強度的致災因子危險性可能遭受的傷害或損失程度。根據給定的致災因子強度推算承災體的傷害或損失程度稱為承災體脆弱性評估。一般承災體的脆弱性越大，抗災能力越弱，災害造成的損失越大，災害風險也越大。脆弱性考慮直接經濟損失占比和受災耕地面積占比，將這2個因子均一化后加權求和，得到脆弱性指數。

1.3.5 暴雨洪澇防災減災能力評估指標和方法 防災減災能力是指人類利用防災減損措施減少災害損失的能力，包括應急管理能力、減災投入能力、資源準備能力等。防止和減輕暴雨洪澇災害的措施主要包括工程措施和非工程措施，其中工程措施包括修筑堤壩、整治河道修建水庫和修建分洪區，非工程措施包括洪泛區的土地管理、建立洪水預警系統、擬定居民的應急撤離計劃和對策、實行防洪保險等。本研究從黑龍江省2020年統計年鑒中選取能反映防災減災能力的單位面積水庫庫容量、單位面積GDP，將其均一化后加權求和，得到脆弱性指數（表1）。

1.3.6 均一化方法 為消除各個指標量綱及數據級的差異，采用下式對各指標因子進行均一化處理：

式(3)中：Fij為第j個點第i個指標的規范化值；Dij為第j個點第i個指標的原始值；maxi為第i個指標所有格點中的最大值；mini為第i個指標所有格點中的最小值。

2 結果與分析

2.1 水稻暴雨災害危險性評估

2.1.1 孕災環境影響指數 孕災環境影響指數包括地形系數和水系系數。地形主要考慮海拔以及地形標準差2個方面，海拔越高，地形標準差越大，受洪澇災害的影響越小。在水系方面，區域內距離河湖越近，洪澇危險指數越高；河流密度越大，水域面積越廣，其影響越大。

由圖2可見，黑龍江省孕災環境影響指數在地勢低平、水網密集的東部三江平原地區最高，在西部的松嫩平原地區較高，在大小興安嶺和張廣才嶺等山區較小，僅在部分河谷地區偏大。

圖2 黑龍江省孕災環境影響指數的空間分布

2.1.2 暴雨洪澇指數 如圖3所示，黑龍江省水稻暴雨洪澇指數在西部地區較高，在北部和東南部地區較低。其中哈爾濱市北部、綏化東北部和齊齊哈爾西部的暴雨洪澇指數最高，在0.6以上；其次為齊齊哈爾中部和東部、綏化中部和西部、大慶北部、伊春西南部及哈爾濱中部地區，在0.5~0.6之間；大興安嶺北部地區的暴雨洪澇指數最小，在0.1以下；大興安嶺南部、牡丹江、七臺河和雞西西部地區的暴雨洪澇指數在0.1~0.2之間。

圖3 黑龍江省暴雨洪澇指數的空間分布

2.1.3 水稻暴雨洪澇危險性 黑龍江省水稻暴雨洪澇災害在西部地區危險性較高，在北部和東南部地區危險性較低。高風險區分布在齊齊哈爾西部、綏化東北部和哈爾濱北部；較高風險區主要分布在齊齊哈爾中部和東部、綏化中部和西部、大慶市北部；牡丹江市和大興安嶺地區為低風險區，而黑河、伊春、鶴崗、雙鴨山、雞西和七臺河市為較低風險區（圖4）。

圖4 水稻暴雨洪澇災害危險性評估結果

2.2 水稻暴雨洪澇暴露性評估

2.2.1 水稻種植面積指數 黑龍江省水稻種植主要集中在松嫩平原和三江平原等海拔低于300 m的地區，尤其是在河流谷地，由于灌溉便利，該地區水稻種植面積指數較高。大興安嶺、黑河、伊春、鶴崗及牡丹江大部分地區為丘陵山地，水稻種植面積非常小，水稻種植面積指數較小（圖5）。

圖5 黑龍江省水稻種植面積指數的空間分布

2.2.2 水稻單位面積產量指數 如圖6所示，黑龍江省水稻單位面積產量指數在綏化最高，在大慶市、哈爾濱市較高；在大興安嶺地區，由于基本上沒有種植水稻，水稻單位面積產量指數最低；黑河、鶴崗和七臺河地區的指數也較低。

圖6 黑龍江省水稻單位面積產量指數的空間分布

2.2.3 水稻暴雨災害暴露性指數 由圖7可見：黑龍江省水稻暴雨災害暴露性的高易損區和較高易損區主要集中在松嫩平原和三江平原等區域內的河流谷地地區；大興安嶺、黑河、伊春、鶴崗、牡丹江市，以及齊齊哈爾市的大部分地區為低易損區；大慶、哈爾濱、雙鴨山和雞西的大部分地區為較低易損區。

圖7 黑龍江省水稻暴雨災害暴露性指數的空間分布

2.3 水稻暴雨災害脆弱性評估

2.3.1 水稻暴雨受災面積指數 黑龍江省水稻暴雨受災面積占比高值區分布在水稻種植區的北部，其中在齊齊哈爾和黑河市種植區域內受災面積指數最高，在綏化東部和佳木斯西部地區受災面積指數也較高，而在南部的大慶、哈爾濱等種植區內受災面積指數較低（圖8）。

圖8 黑龍江省水稻暴雨受災面積指數的空間分布

2.3.2 水稻暴雨受災經濟損失指數 由圖9可見，黑龍江省水稻受災經濟損失指數在綏化東部種植區內最高，在齊齊哈爾和黑河種植區較高，而在東部和南部水稻種植區較低。

圖9 黑龍江省水稻受災經濟損失指數的空間分布

2.3.3 水稻暴雨災害脆弱性 如圖10所示，在黑龍江省水稻主要種植區的北部為高敏感區和較高敏感區，在無水稻種植區域為低敏感區，而在種植區域的南部基本上為較低敏感區和中敏感區。

圖10 黑龍江省水稻暴雨災害脆弱性的空間分布

2.4 防災減災能力評估

2.4.1 單位面積水庫庫容量指數 單位面積水庫庫容量指數可以反映一個地區對降水的容納能力。由圖11可以看出，單位面積水庫庫容量指數在黑龍江省齊齊哈爾市最高，在牡丹江、哈爾濱市較高，在伊春和佳木斯市較低，在大興安嶺地區最低。

圖11 黑龍江省單位面積水庫庫容量指數的空間分布

2.4.2 單位面積GDP指數 單位面積GDP指數可以反映防災減災的能力。如圖12所示，黑龍江省單位面積GDP指數在哈爾濱西部、大慶東部最高，在大興安嶺、黑河東南部和鶴崗北部較低。整體上單位面積GDP指數在黑龍江省東部和西部高，中部低，南部地區高，北部地區低。

圖12 黑龍江省單位面積GDP指數的空間分布

2.4.3 防災減災能力 黑龍江省在齊齊哈爾、哈爾濱西部、綏化南部和大慶東部具有高的防災減災能力，在哈爾濱東部、黑河東北部和牡丹江地區具有較高的防災減災能力，而在大興安嶺、伊春、鶴崗、佳木斯和黑河東部地區防災減災能力較低（圖13）。

圖13 黑龍江省水稻暴雨災害防災減災能力的空間分布

2.5 水稻暴雨災害風險評估

從圖14可以看出，黑龍江省水稻暴雨災害的高風險區和較高風險區主要分布在佳木斯的東部和西南部地區、黑龍江省中部和西部的河流谷地地區。究其原因，佳木斯的東部和西南部地區雖然暴雨洪澇指數較低，但是地勢低平，防災減災能力較弱，水稻種植面積較大，暴露度較高；黑龍江省中部和西部的河流谷地地區雖然防災減災能力較強，但是暴雨洪澇指數較大，水稻種植面積較大，暴露度較高。水稻暴雨災害的低風險區主要分布在大興安嶺、鶴崗、黑河北部、牡丹江的東部及西部地區，因為這些地區海拔較高、地形起伏較大，基本上不適于水稻種植。水稻暴雨災害的較低風險區主要分布在黑河南部、齊齊哈爾、伊春、哈爾濱西部、雙鴨山西部等地區，這些地區的水稻種植面積較小，防災減災能力一般。

圖14 黑龍江省水稻暴雨災害風險評估結果

在黑龍江省水稻暴雨災害的低風險區和較低風險區水稻種植面積較小；在高風險區和較高風險區水稻種植面積較大，產量較高，尤其是在佳木斯地區，其防災減災能力較弱，應重點防范水稻暴雨洪澇災害。

3 結論與討論

3.1 結論

構建了水稻暴雨洪澇災害風險評估的指標體系，由致災危險性指數、承災體暴露性指數、承災體脆弱性指數和防災減災能力構成，而致災危險性指數又包括暴雨洪澇指數和孕災環境影響指數。該指標體系共包括12個3級指標。

黑龍江省水稻暴雨洪澇災害在西部地區危險性較高，在北部和東南部地區危險性較低。水稻暴雨災害暴露性的高易損區和較高易損區主要集中在松嫩平原和三江平原等區域內的河流谷地地區，黑龍江省北部地區為低易損區。水稻主要種植區的北部為脆弱性的高敏感區和較高敏感區，在無水稻種植區域為低敏感區，在種植區域的南部基本上為較低敏感區和中敏感區。黑龍江省西南部的防災減災能力較強，東北部較弱。

黑龍江省水稻暴雨災害的高風險區和較高風險區主要分布在佳木斯的東部和西南部地區、黑龍江省中部和西部的河流谷地地區，低風險區和較低風險區分布在黑龍江省北部和東南部地區。

3.2 討論

暴雨洪澇災害的形成機制十分復雜，影響因子涉及自然與社會等諸多方面。本文借鑒相關研究建立了水稻暴雨洪澇災害風險評估的指標體系，但對暴雨洪澇災害危險性、暴露性、脆弱性和防災減災能力間的內在聯系研究不足，對選取的各指標因子與水稻生長發育關系的研究不夠深入，且各指標權重的確定缺乏量化和科學的方法，受人為因素的影響較大。因此，深入研究水稻暴雨洪澇災害的形成機理，結合自然、社會等方面的多種因素，構建更加精細化的評估模型是未來水稻暴雨洪澇災害風險評估研究的重點。