蜻蛉河灌区水资源供需系统干旱风险评价

杨玲　王飞　刘慧梅　李艳娟

【摘要】干旱灾害己成为我国农业最主要的自然灾害，把风险理论用于灌区水资源干旱管理，具有要的理论意义和现实的指导意义。本文根据灾害学的相关理论研究了灌区水资源供需系统干旱风险评价指标和风险概率曲线，并将研究成果应用于蜻蛉河灌区水资源供需系统干旱风险评价中，得到如下结论：蜻蛉河灌区历年发生低风险干旱的概率为23%，较低风险的概率为15%，中等风险的概率为12%，较高风险的概率为6%，高风险的概率为1%。说明蜻蛉河灌区发生超过低风险干旱的概率在20%以上，干旱时有发生。

【关键词】灌区；水资源供需系统；干旱；风险评价

1、研究的目的意义

农业水资源严重不足，干旱缺水对农业生产构成的威胁在日趋严重，干旱灾害己成为我国农业最主要的自然灾害。为了减轻和降低干旱损失，实现由被动抗旱向主动抗旱、科学抗旱转变，由应急抗旱向常规抗旱和长期抗旱转变，提高抗旱管理水平，对干旱缺水问题进行研究势在必行。

干旱的发生涵盖很多复杂的过程和因子，不仅与降水的多少及其分配有关，还与蒸发、土壤含水量、径流量等多種因子有关。因此，干旱具有一个显著的特点就是不确定性。风险分析是研究具有不确定性系统的有效的技术工具，在社会科学和经济学领域有着较为广泛的应用。目前将风险分析理论与技术引入水资源科学领域，成为研究热点，把风险理论用于灌区水资源干旱管理尚处于起步阶段。因此，对灌区进行水资源干旱风险的界定、识别、估计以及风险评价，就具有重要的理论意义和现实的指导意义。

2、灌区水资源供需系统干旱风险评价指标

2.1 灌区水资源供需系统干旱风险评价结构分析

根据灾害学理论，灾害产生因素包括孕灾环境、致灾因子、和承灾体三方面，灾情是各部分相互作用的产物。

2.1.1 灌区水资源供需系统孕灾环境危险性分析

孕灾环境危险性分析主要是研究给定区域内各种程度的缺水状况可能发生的风险程度。由于降雨是产生干旱风险的主要环境因素，而降雨与灌区的可供水量和需水量又密切相关。因此孕灾环境危险性可以在分析历史资料的基础上，通过分析灌区水资源供需系统的供水风险性，来反映干旱发生频率。供水风险性越大，则致灾因子危险性越大，干旱发生的频率越大。因此，灌区水资源供需系统危险性指数可以用系统供水亏缺指数反映。

2.1.2 灌区水资源供需系统致灾因子风险性分析

灾害的形成是致灾因子对承灾体作用的结果，致灾因子危险性反映了致灾因子作用的强弱程度。干旱强度反映了特定时空范围干旱历时与干旱缺水程度的关系，在灌区水资源供需系统干旱风险评价中，致灾因子风险性程度可以用干旱强度指数反映，干旱强度指数越大，说明致灾因子的危险性越大。

2.1.3 灌区水资源供需系统承灾体脆弱性分析

在相同的致灾因子作用下，不同的承载体会表现出不同的损失情况，承灾体脆弱性既反映了承灾体易于受到致灾因子的破坏、伤害或损伤的特性，又反映了承灾体对灾害的承受能力。灌区水资源供需系统中，农作物作为最主要承灾体，其脆弱性可以体现干旱对不同作物种类、不同生育阶段的损害影响，可以通过作物遭受旱灾的减产（率）情况体现。因此，灌区水资源供需系统承灾体脆弱性可以用作物减产指数反映。

2.2 灌区水资源供需系统干旱风险评价模型

2.2.1 风险等级

目前国内外对于水资源供需系统风险评价没有统一的标准体系。我国国家标准《气象干旱等级》也将气象干旱划分为无旱、轻旱、中旱、重旱和特旱五个等级。本文将灌区水资源供需系统干旱风险从小到大依次分为：低风险、较低风险、中等风险、较高风险和高风险五个等级。

2.2.2 风险概率曲线Logistic模型

Logistic模型一个重要的应用是估计优势比较（Odds Ratio）。优势（Odds）是某事件发生概率P与不发生概率（1一P）之比。对P实施Logit变换，则关于P的调增函数的Logit变换Z为：

对于水资源供需系统干旱风险评价而言，供水亏缺指数、干旱强度指数和作物减产指数的指标值与系统干旱风险概率P为正相关关系，指标值愈大，干旱风险愈大。假设水资源系统影响干旱风险概率P的指标为，而且Logistic满足线性关系，则P的Logit变换Z为：

式中：为风险起步参数，决定风险起步早晚，愈大，相同指标对应的P愈小，风险起步愈晚；为风险发展速度参数，决定风险发展速度快慢，愈大，相同指标值对应的P愈大，风险发展速度愈快。

系统风险概率P的范围为，评价指标的范围为，二者为正相关关系，随着增大，系统风险概率P也逐渐增大。

2.3 评价指标间的关系

三项评价指标分别从.孕灾环境、致灾因子和承灾体三个侧面反应干旱的危害状况，而且三项指标不满足独立性原则。但是三项指标共同构成了系统风险评价的三个方面，每一项指标值越大，干旱风险越大。为了评价的准确性和科学性，克服指标间重叠问题，可以借助“水桶原理"来定量评价系统风险。“水桶原理"基本思想是：水桶由若干木片组成，水桶盛水量的多少，不是取决于最长的那块木片，而是取决于最短的那块木片。预使水桶里的水盛得多一点，就应加长最短的木片或以长木片更换之，即通过提高系统中薄弱环节的水平来发挥系统的整体优势。

据此，水桶原理强调最薄弱环节决定论，系统风险可以用风险值最大的指标来衡量，则系统风险可以表示为：

式中：R为系统风险；分别为供水亏缺指数、干旱强度指数和作物减产指数。

3、实例研究

3.1 基本情况

蜻蛉河灌区位于云南省中部的楚雄彝族自治州中西部的姚安、大姚两县境内，被誉为“彝州米粮仓”，根据灌区水源工程相对独立的特点，将灌区分为三大子灌区。即：红梅—洋派子灌区位于灌区南部，控制灌溉面积16.2万亩，白鹤—妙峰子灌区位于灌区中部，控制灌溉面积8.2万亩，永丰子灌区，控制面积6.8万亩。

灌区属于北亚热带高原型季风气候区，具有少雨多旱，气候温和，干湿季分明等特点，年平均降雨量为739毫米，根据灌区连续50年（1960～2010年）的降雨观测资料可知，年平均降雨量为739毫米，一年之内，干湿二季界限分明，11月至次年4月为干季，降雨量占全年9%；5至10月为雨季，降雨量占全年91%，且海拔越高，降雨越多，海拔越低，降雨越少。平均蒸发2096mm。

蜻蛉河及主要支流洋派河、大康郎河、七街河、陆林河、西河、妙峰河等，既是灌区工农业生产生活用水的主要来源，又是灌区自流排泄的主要通道。灌区现有水源工程以洋派、红梅、胡家山、白鹤四座中型水库为主。

灌区农业自然条件优越，适合多种农作物生长，粮食作物以水稻、玉米、蚕豆、小麦为主，经济作物以烤烟、蔬菜、油菜为主，坝子边缘丘陵地带一般有经济果林种植。

3.2 主要问题

蜻蛉河灌区目前水资源开发率高，但水的利用率低，输水渠系和田间水量损失大，灌水方式粗放，灌区总面积31.2万亩，实际灌溉面积17.9万亩，实际灌溉面积仅占灌区总面积的57.4%，尤其是这些年，随着城市建设发展，灌区灌溉用水逐年受到挤占，可用水越来越少，灌区灌溉用水面临的短缺问题愈来愈严重，几乎每年都有不同程度的旱灾发生，因此对蜻蛉河灌区进行水资源供需系统干旱风险分析对当地灌区管理部门做好防旱、抗旱工作有一定的指导意义。

3.3 灌区水资源供需系统干旱风险评价指标

考虑到干旱是一种发展缓慢、历时较长的自然现象，因此进行水资源供需系统风险分析时，以年为计算时段，逐年分析。

在Logistic风险概率曲线中，最大可接受风险和最小不可接受风险影响因素众多，难以确定。当风险概率水平低于风险对应低风险等级，后果可以接受，当风险概率水平大于时，风险对应高风险等级特征，后果非常严重。

对于供水亏缺指数，参考国家标准《气象干旱等级》，轻旱对应的缺水率下限为5%，特大干旱对应的缺水率大于50%。故对应的供水亏缺指数为0.05，对应的供水亏缺指数为0.5。

对于干旱强度指数，和对应的指标值与作物种类、生育阶段有关，在水分临界期缺水对产量影响较大。根据资料，取最大可接受风险概率对应的干旱强度指数为0.05，最小不可接受风险对应的干旱强度指数取0.2。

对于作物减产指数，参考国家标准《气象干旱等级》，轻旱对应的损失率下限为10%，特大干旱对应的损失率大于40%。故对应的作物减产指数为0.1，对应的供水亏缺指数取为0.4。

3.4 灌区水资源供需系统干旱风险评价结果

根据灌区历年可供水量序列和需水序列，计算历年灌区水资源供需系统干旱风险的供水亏缺指数、干旱强度指数和作物减产指数三项评价指标序列。

当地历年发生低风险干旱（I级干旱）的概率为23%，较低风险（II级干旱）的概率为15%，中等风险（III级干旱）的概率为12%，较高风险（Ⅳ级干旱）的概率为6%，高风险（V级干旱）的概率为1%。

3.5 结论

（1）蜻蛉河灌区目前水资源开发率高，但水的利用率低，实际灌溉面积仅占灌区总面积的57.4%，尤其是这些年，随着城市建设发展，灌区灌溉用水逐年受到挤占，可用水越来越少，灌区灌溉用水面临的短缺问题愈来愈严重，几乎每年都有不同程度的旱灾发生，因此对蜻蛉河灌区进行水资源供需系统干旱风险分析对当地灌区管理部门做好防旱、抗旱工作有一定的指导意义。

（2）灌区水资源供需系统干旱风险评价指标由三部分组成：灌区水资源供需系统孕灾环境危险性可以用系统供水亏缺指数反映；灌区水资源供需系统致灾因子风险性程度可以用干旱强度指数反映；灌区水资源供需系统承灾体脆弱性可以用作物减产指数反映。

（3）将Logistic风险曲线应用于蜻蛉河灌区中，供水亏缺指数最大可接受风险概率为0.05，最小不可接受风险为0.5；干旱强度指数最大可接受风险概率为0.05，最小不可接受风险为0.2；作物减产指数最大可接受风险概率为0.1，最小不可接受风险为0.4。

（4）据“水桶原理”对灌区水资源供需系统干旱风险进行评价。当地历年发生低风险干旱（I级干旱）的概率为23%，较低风险（II级干旱）的概率为15%，中等风险（III级干旱）的概率为12%，较高风险（Ⅳ级干旱）的概率为6%，高风险（V级干旱）的概率为1%。说明蜻蛉河灌区发生超过低风险干旱的概率在20%以上，干旱时有发生。

参考文献：

[1]Blaikie P T，Cannon I. Davis and Wisner B. At Risk：Natural Hazards， Peoples Vulnerability，and Disasters[M].Routledge， London，1994.

[2]中國气象局国家气候中心.GB/T 20481-2006气象干旱等级[S].北京：中国标准出版社，2006.

[3]云南农业大学水利水电与建筑学院.大型灌区水资源合理配置与利用技术研究工作报告[R].昆明：云南农业大学水利水电与建筑学院，2005

[4]水利部农水司.农作物生长需水量[EB/OL]，[20010814]

[5]张展羽.灌区水资源供需系统研究[D].河海大学.2008

基金项目： 云南省教育厅科学研究基金项目（2013C126）

作者简介：作者简介：杨玲（1977—），女，在读博士，副教授，主要从事水利信息化、水文的教学与科研工作。