基于HVD模型的干旱風險特征分析研究
——以廣東省典型易旱縣區為例

李寧寧，趙璧奎，程 濤，劉 霞，譚 超，廖華明，林浩偉

（1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.中山大學土木工程學院水資源與環境研究中心，廣東 廣州 510275；3.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣東 廣州 510635；4.廣東省水安全科技協同創新中心，廣東 廣州 510635）

0 引言

隨著近些年全球氣候變化加劇、經濟社會發展提速、人類活動愈加頻繁，廣東省極端性天氣事件頻繁發生［1，2］，影響供水安全、糧食安全和人民生命財產安全，給流域水安全保障帶來極大挑戰［3］。

開展干旱風險評估分析是科學處理和應對干旱災害風險的一種有效手段。陳茜茜等［4］基于長系列旱情災情數據，采用單指標分析了流域內農業干旱和因旱人飲困難風險，以及兩者的綜合風險；袁喆等［5］基于最優分割算法進行了干旱風險區劃，研究結果與湖南省實際情況較為吻合；吳秀蘭等［6］根據自然災害風險四因子理論，采用多項指標進行了干旱綜合風險指數區劃，總體能夠反映研究區旱災綜合風險水平；趙曉萌等［7］選取致災因子危險性、孕災環境脆弱性、承災體暴露度、抗旱減災能力4個方面指標，建立干旱災害風險評估指數，對陜西省不同季節進行干旱災害風險區劃。

廣東省是我國降雨比較豐沛的省份，但近幾年干旱頻發。一方面是極端天氣導致天然來水銳減，加之農村地區抗旱保供水工程體系尚未健全，使得抵御極端自然干旱的能力不強；另一方面是由于水資源時空分布不均，人口分布集中，水資源供給與社會經濟發展不相適應，從而引發社會經濟干旱。因此，本文構建了耦合危險性（Hazard）、易損性（Vulnerability）、抗旱減災能力（Defense）的HVD 干旱風險評估模型，提出了將干旱風險評估細化到鎮級的合理可行的指標體系，應用于廣東省2個典型易旱縣區——潮南區和徐聞縣的干旱風險特征分析，旨在為開展抗旱減災工作提供更加科學有效的技術支撐。

1 研究區域概況

1.1 潮南區

潮南區位于汕頭市西南部，屬南亞熱帶季風氣候帶，海洋性氣候明顯，夏無酷暑，冬無嚴寒，夏長冬短，無霜期長，日照充足，雨量充沛，四季常青。區域總面積596.42 km2，海岸線14.7 km。潮南區地勢自西南向東北傾斜，地形特征為“一山（大南山）一江（練江）一平原（練江中下游三角洲平原）”。年平均氣溫21.6 ℃，平均氣溫年際差異小。降水量年內分配不均勻，雨季和旱季明顯，年降雨量主要集中于汛期4-9月，降水量占全年83%。降雨年際變化較大，由西北向東南逐漸減少，最大年降雨量2 173.8 mm（1983年），最小年降雨量942 mm（1962年）。由于地形關系，各地雨量也有差異，南部沿海地區年均降水1 277.2 mm，是主要的干旱區，北部山地年均降水1 700 mm 左右。潮南區的主要水系，有練江和雷嶺河。潮南區地形及行政區劃見圖1。

圖1 潮南區地形及行政區劃圖Fig.1 Topography and administrative map of Chaonan District

根據地形地貌、水資源分布、歷史受旱情況等，潮南區飲用水源主要依賴境內水庫水，同時承擔生活和灌溉供水任務，水庫的蓄水情況受大氣降水影響，蓄水量不穩定，一旦遭遇連續枯水年，對整個地區的供水必造成很大的影響。另外，平原地區地下水含氟量偏高，且近年來地表水污染嚴重，地下水也受到污染，加之潮南平原區屬地質災害易發區，無法開采利用地下水。因此，潮南區干旱問題普遍存在且苦旱已久。

1.2 徐聞縣

徐聞縣地處中國大陸的最南端，位于廣東省西南部，湛江市南部，與海南島隔海相望，總面積1 863 km2。徐聞三面環海，海岸線長達371.87 km，海灣和島嶼眾多，屬熱帶季風氣候，一年四季陽光充足，高溫炎熱，年平均氣溫23.3 ℃，陽光充足，熱量豐富，全年溫暖，大致終年無霜，水熱同季，降雨、氣溫和太陽輻射的高峰期大致相同，都出現在5-10月。境內屬低丘臺地地形，主要是第四紀熔巖地貌和海成地貌，地勢自北向東、西、南三面沿海傾斜。地下水類型有松散巖類孔隙水、火山巖孔洞裂隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖類裂隙溶洞水，廣泛分布于徐聞縣。徐聞縣地形及行政區劃見圖2。

圖2 徐聞縣地形及行政區劃圖Fig.2 Topography and administrative map of Xuwen County

由于地勢單一平緩，地形引起的上升運動不強烈，不利水汽的凝結，造雨能力相對較差。多年平均降雨量1 364 mm，最大年降雨量2 134 mm，最小年降雨量770 mm。一年四季陽光充足，高溫炎熱，蒸發量大于降雨量，土壤以磚紅壤土類為主，涵養水分能力差，屬極度干旱地區。縣內降雨量不均勻，由北向西南遞減，境內水源較少，時空分布不平衡，北部及東部較豐富，多年平均雨量在1 795 mm 左右，南部次之，西部沿海貧乏，多年平均降雨量1 364.1 mm。年際間與年內的變化都比較大，豐水年與枯水年雨量之比為1.5～3.5 倍，一年之中汛期降雨量占全年的70%～90%，主要集中在7-9月份，資源性、工程性缺水現象嚴重。

2 研究方法

根據自然災害風險理論，干旱災害風險是干旱災害危險性（Hazard）、易損性（Vulnerability）、抗旱減災能力（Defense）的結合體。危險性指標主要依據評價區域內的自然環境、水文氣候條件，描述區域內發生干旱災害的可能和危險程度；易損性則結合區域內的社會經濟條件，描述區域內遭遇干旱災害時可能造成的損失；抗旱減災能力描述區域內抗旱能力和保障人民生命財產安全的能力。

一般常將3 個指標相加或相乘以反映三者疊加產生的效果。但實際上，干旱綜合風險和抗旱能力間的關系難以通過賦權、線性或倍比疊加反映。因此，先通過對干旱災害危險性和易損性指標加權相加得到干旱災害綜合風險指數，表征干旱災害風險水平，再引入風險矩陣法耦合干旱災害綜合風險指數和抗旱減災能力得到干旱災害防治區劃，反映干旱災害防治的必要性。耦合危險性、易損性、抗旱減災能力三要素構建了HVD干旱風險評估區劃模型，其基本思路如下：

（1）選取并計算評價指標，建立干旱災害風險評估與區劃指標體系；

（2）指標歸一化處理，計算指標權重和綜合指標值，實現干旱風險評估；

（3）將干旱災害風險值進行等級劃分，形成干旱災害五級風險區劃；通過查詢干旱災害防治矩陣表，得到干旱防治區劃。

2.1 指標體系構建及數據來源

HVD 干旱風險評估區劃模型綜合了自然環境、水文氣候條件等致災因子導致的干旱危險性因素，區域社會經濟等衡量孕災環境敏感性的易損性因素和水利設施完善水平、抗旱投入能力等抗旱減災因素。通過降雨量、氣溫、枯水期降雨占比等危險性指標評估受旱的可能性；通過土地利用水平、人口密度、GDP 密度等易損性指標評估干害災害后果危害程度；通過供水能力、河網密度、抗旱投入等抗旱減災指標度量地區防旱抗旱能力。HVD 干旱風險評估區劃模型的指標體系如表1所示。

表1 HVD干旱風險評估區劃模型的指標體系Tab.1 Index system of drought risk assessment zoning model based on HVD

2.2 干旱災害綜合風險指數

2.2.1 指標歸一化

在全省的指標數據范圍內進行歸一化處理。

正向指標，包括氣溫、土地利用、人口密度、經濟密度，該類指標值越大，代表綜合干旱風險越高，其歸一化處理參考下式：

負向指標，包括降雨量、枯水期降雨占比、人均設計供水能力、河網密度、政府一般公共預算，該類指標值越大，代表綜合干旱風險越低，其歸一化處理參考下式：

式中：x為當前評估區域指標值；xi為第i個評估區域指標值；x?為當前評估區域歸一化指標值。

2.2.2 指標權重確定

依照層次分析法建立的指標體系和權重對各指標層的指標進行匯總。層次分析法根據問題的性質和要達到的總目標，將問題分解為不同的組成因素，并按照因素間的相互關聯影響以及隸屬關系將因素按不同層次聚集組合，形成多層次的分析結構模型，從而最終使問題歸結為最低層相對于最高層的相對重要權值的確定或相對優劣次序的排定。

其中，層次分析法的計算過程包括：建立干旱災害風險評價層次結構模型、構造判斷矩陣、一致性檢驗。具體計算方法參考文獻［8］。計算出的指標權重見表2。

表2 干旱災害風險評價指標權重Tab.2 Weights of drought disaster risk assessment indicators

2.2.3 綜合指標值計算

通過加法運算將危險性和易損性指標耦合得到干旱災害綜合風險指數。指數值越高，則面臨的干旱災害風險越高，可能造成的后果越嚴重。

式中：hi、vi、pi為各個柵格單元經過標準化處理后危險性指標和易損性指標的取值；ω為危險性和易損性各指標權重。

2.3 風險區劃

2.3.1 干旱風險評估區劃

采用自然斷點法［9］將干旱災害風險值劃分為低、中低、中、中高、極高5 個風險等級，以反映縣級范圍內不同區域干旱災害的風險等級。采用自上而下定性分析方法，在所有評估區域的風險評估范圍內，將風險評估結果劃分為若干個具有干旱災害風險等級相對一致的區劃單元，形成干旱災害五級風險區劃。

自然斷點法是常用的分類方法之一，運用了聚類思維，使組內的相似性最大，組間的相異性最大。聚類不關注類中的要素數量與范圍，相較于聚類，自然斷點法兼顧組間的要素的范圍和數量，保持合理的前提下使其盡量相近。自然斷點法的分類意義在于認為任何數列之間都存在一些自然（非人為設定的）的轉折點和斷點，這些自然的斷點，都具有統計學意義，通過這些轉折點可以把研究的對象分成性質相似的群組，這些自然斷點本身就是分級的良好界限。自然斷點法的原理是通過迭代比較每個分組和分組中元素的均值與觀測值之間的平方差之和來確定值在分組中的最佳排列，計算出來的最佳分類，可確定值在有序分布中的中斷點，以最大程度地減少組內平方差之和。采用ArcMap 內置的自然斷點法功能進行干旱風險評估區劃。

2.3.2 干旱風險防治區劃

借鑒風險矩陣［10］的思想，干旱風險防治區劃主要根據干旱災害綜合風險區劃成果和抗旱減災能力等級評估區劃結果，查干旱災害防治區劃表得到，具體見表3。

表3 干旱災害防治矩陣表Tab.3 Drought disaster prevention and control matrix

如干旱災害風險等級高，抗旱減災能力低，則該區為重點防治區；如干旱災害風險等級中等，抗旱減災能力中等，則該區為中等防治區；如干旱災害風險等級低，抗旱減災能力高，則該區為一般防治區。

3 結果分析

粵東和粵西是廣東省旱情頻發的兩個區域，分別從中選擇1 個典型易旱縣區——潮南區和徐聞縣，運用HVD 干旱風險評估區劃模型進行干旱風險特征分析。圖3～5是潮南區和徐聞縣干旱災害危險性、易損性風險和抗旱減災能力的評估及區劃結果。

圖3 潮南區和徐聞縣干旱災害危險性風險Fig.3 Drought hazard risk in Chaonan District and Xuwen County

圖4 潮南區和徐聞縣干旱災害易損性風險Fig.4 Vulnerability risk of drought disaster in Chaonan District and Xuwen County

圖5 潮南區和徐聞縣抗旱減災能力Fig.5 Drought defense and disaster reduction capacity of Chaonan District and Xuwen County

綜合降雨、氣溫、降雨枯水期占比3 個指標，潮南區干旱災害危險性自西向東遞增，其中井都鎮風險最高，指數達到0.648；徐聞縣全域危險性均為中高及以上風險，高風險地區集中在西南部，其中角尾鄉干旱災害危險性為高風險，為全縣最高風險值0.872。干旱災害危險性空間分布規律與潮南區降雨自西向東遞減、徐聞縣降雨自北向西南遞減的規律基本一致，其年降雨區域高值與低值間均相差約400 mm。降雨指標對危險性的綜合評價起到主要作用，降雨越少的區域干旱災害危險性越高。

綜合土地利用、人口密度、經濟密度3 個指標，潮南區干旱災害易損性除幾個中心鎮街是中風險，其余均在中風險以下，其中峽山街道易損性指標值最高，為0.24，人口密度指標對潮南區干旱易損性的綜合評價起到主要作用；徐聞縣五一、紅星等農場周邊鎮的干旱災害易損性為高風險，其余為中高風險及以下，土地利用指標對徐聞縣干旱易損性的綜合評價起到主要作用。潮南區中心鎮街人口、經濟密集，農業灌溉水平中等，生活生產水源均為水庫水，旱情發生時人飲、農作、經濟生產都易被損害。徐聞縣人飲和工業生產多依賴地下水，受旱情影響不明顯，作為農業大縣，農業集中的地方干旱災害易損性高。

綜合人均設計供水能力、河網密度、政府一般公共預算3個指標，潮南區西部抗旱減災能力較高，為中水平；徐聞縣中心鎮街為高水平，其余各鎮均為中低水平及以下。已經實現規模化集中供水、水源穩定的鎮街供水保障能力強，人均設計供水能力指標對抗旱減災能力起到主要作用。

圖6 是潮南區和徐聞縣綜合危險性、易損性兩個指標的干旱災害綜合風險指數的評估及區劃結果。潮南區紅場鎮和雷嶺鎮為低風險地區，峽山街道、井都鎮為中高風險地區，其余鎮為中風險地區，總體上潮南區干旱災害綜合風險自西向東遞增，危險性指標對綜合風險評價起到主要作用，受旱的重要原因是天然來水少導致供水不足，近期比較嚴重的旱情發生在2021年，數十萬人的用水受影響。北部水庫供水片區中的偏遠山區，如隴田鎮的永安、烏石，井都鎮的古埕、和豐，兩英鎮的墻老、高堂，仙城鎮的新星，陳店鎮的洋老、流溪、浮草等，由于處于供水管網的末端、地勢較高、水管老化等原因，遭遇干旱時供水往往無法保障。南部雷嶺鎮位于山區，人口分散，農村集中供水水源為小型山塘水庫或山溪水，在干旱年份山溪可能出現斷流的問題。

圖6 潮南區和徐聞縣干旱災害綜合風險Fig.6 Comprehensive risk of drought disaster in Chaonan District and Xuwen County

徐聞縣全域均為中高及以上風險，西部和中部干旱災害綜合風險較高，危險性指標和易損性指標分別對西部和中部的干旱綜合風險評價起到主要作用，西部受旱的主要原因是天然來水少，中部受旱的和主要原因是農業占比高，易受干旱影響，近期比較嚴重的旱情發生在2020年，農業受災面積2.038 萬hm2。徐聞縣全域均為易受旱區域，苦旱已久，連年干旱。一方面由于水資源稟賦條件差導致水源型缺水，在地形及季風的共同作用下降雨少其不均勻。另一方面由于地質條件造成的工程型缺水，三斜面的龜背式地形和滲透力較強的玄武巖地質，不利于蓄水，再加上水工建筑物標準低，水利設施建設落后，未能滿足生活生產的需求，是徐聞縣工程型缺水的主要原因。

干旱災害綜合風險指數的區劃結果與區域歷史干旱特征基本一致。

圖7是潮南區和徐聞縣干旱災害風險防治區劃結果。潮南區的井都鎮為重點防治區，峽山街道、陳店鎮、司馬埔鎮、兩英鎮、臚崗鎮、成田鎮、雷嶺鎮等7個鎮屬于中等防治區，其他鎮均為一般防治區。這幾個鎮降雨量少，氣溫高，受旱危險性高；經濟密度大，受旱情影響后果嚴重；綜合人均設計供水能力、河網密度、政府一般公共預算均較低，防災減災能力不強。考慮潮南區綜合干旱風險較高和抗旱減災能力不高，干旱災害防治措施方面建議修建一些小型水庫、山塘、蓄水池，增強水資源調蓄能力；加大引韓供水工程補充本地水資源的力度，改善天然來水條件的不足；增加抗旱投入，加強應急抗旱工程建設，提高防旱減災能力。

圖7 潮南區和徐聞縣干旱災害風險防治區劃Fig.7 Division of drought disaster risk control in Chaonan District and Xuwen County

徐聞縣僅有角尾鄉、城北鄉、南山鎮為中等防治區，其余地區均為重點防治區。其中下橋鎮和曲界鎮綜合風險尤為突出。下橋鎮和曲界鎮及周邊農場綜合風險區劃主要由易損性指標決定。土地利用水平較高，農業比例高，易受旱情影響，所以受旱易損性高。人均設計供水能力、河網密度、政府公共預算均較低，抗旱減災能力差。綜合干旱風險較高是由于危險性指標和易損性指標的共同影響。

可以通過優化農業種植結構降低受旱易損性，通過粵西水資源配置工程的配建工程—南渡河引水工程、四庫連通工程、農村集中供水工程等的建設，提高人均設計供水能力；增加抗旱投入，完善區域水資源配置體系，提高抗旱減災能力。粵西水資源配置工程建成后，可優化區域水資源配置格局、進一步保障生產生活用水安全、維護河湖生態環境，系統解決粵西地區水資源短缺問題，可長遠解決粵西地區水資源承載能力與經濟發展布局不匹配問題，大幅提高區域供水安全保障能力。

4 結論

構建了HVD 干旱風險評估區劃模型，從干旱災害危險性、易損性、抗旱減災能力的角度來評估干旱災害風險和防治水平，考慮了區域自然環境、水文氣候條件等致災因子導致的干旱危險性因素，區域社會經濟等衡量孕災環境敏感性的易損性因素和水利設施完善水平、抗旱投入能力等抗旱減災因素，搜集了評估區域降雨量、氣溫、枯水期降雨占比、土地利用、人口密度、經濟密度、人均設計供水能力、河網密度、政府一般公共預算等指標，用來進行干旱風險評估與區劃分析。主要創新點在于，干旱災害風險是干旱災害危險性、易損性的結合體，用干旱災害綜合風險指數來表征其等級，而干旱災害風險防治區劃通過風險矩陣方法耦合抗旱減災能力和干旱災害綜合風險得到，不同于常規將抗旱減災能力和干旱災害綜合風險加權相加的方法，結果更加符合對干旱防治的直觀感受和常理認知。

運用HVD 干旱風險評估區劃模型對粵東潮南區和粵西徐聞縣兩個典型易旱縣區開展干旱風險特征分析，能準確識別易旱地區的抗旱短板，為地區干旱災害防治提出有針對性的建議。