江苏渍涝灾害影响程度评估

张旭晖+朱海涛+杨洪建+张朴+何浪

摘要：根据农田水分平衡原理，基于日渍涝灾害指标和权重指数构建渍涝灾害过程指数模型，使用江苏历史农业旱涝灾情、土壤水分自动观测资料确定模型参数，建立渍涝灾害过程等级判别指标体系，系统分析江苏省农田渍涝时空分布规律和气候变化趋势。结果表明，江苏渍涝灾害苏南西南部最多，淮北西北部最少。1年4季中，夏季渍涝灾害渍涝灾害过程占全年40%～60%，渍涝最为频繁也最为严重；春季渍涝灾害南北差异最大，苏南地区年均近2次，淮北西部地区约2年1遇；秋季淮河以南地区发生频率明显轻于春季，但发生程度重于春季，淮北地区发生频率和程度略高于春季；冬季渍涝灾害过程全年最轻，淮北地区无中等程度以上的灾害。54年来，淮河以南地区渍涝灾害过程呈“W”形波动，经历了3个相对高峰期，分别为20世纪60年代前期、20世纪80年代后期至21世纪前期、2010年至今，以20世纪80年代后期至21世纪前期发生最为频繁；淮北地区渍涝灾害过程呈“L”形变化，经历了20世纪60年代初期有1个相对高峰期后，年际变化小，基本在3～5次之间波动。从气候变化趋势看，苏南地区春季渍涝灾害呈现一定的减少趋势，江淮之间夏季渍涝灾害呈现显著的增多趋势，淮河以南地区冬季渍涝灾害呈现显著的增加趋势。

关键词：渍涝灾害；影响评估；江苏；水分平衡；模型

中图分类号： S422 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）09-0407-05

洪涝灾害是世界上发生频繁、危害严重的自然灾害之一。据统计，目前全球各种自然灾害所造成的损失，洪涝占40%。近年来，中国洪涝灾害的发生越来越频繁，强度越来越大，对人类社会、经济、生态环境造成的影响和破坏也越来越严重[1]。江苏地处亚热带与暖温带过渡地带，受季风降水和西太平洋副高变化的显著影响，旱涝灾害频发，对农业经济影响巨大。如1991年长江中下游地区的特大洪涝灾害，江苏连续暴雨，外洪风涝，直接经济损失达200亿元。有关洪涝监测与评估前人已作了大量研究，主要包括对洪涝风险统计特征的辨识、实时险情的监测和预报、损失的评估及其警报发布范围与时机的判断等，气象旱涝指标主要有降水距平百分率、SPI指数、Z指数等，农业旱涝指标主要有土壤相对湿度、作物水分指数CMI、供需水关系指标、Palmer指标等[2-13]。马晓群等以相对湿润度指数为基础，提出的累积湿润度指数考虑了前期旱涝程度对当前旱涝状况的累积影响[14]；王新龙采用Z指数法、数理统计法和经验正交函数分解（EOF）研究了淮河流域洪涝时间分布规律及空间分布特征[15]；盛绍学等根据历年气候资料，小麦生长发育、种植面积和产量资料，建立了包括涝渍脆弱度、气候风险指数、灾损风险指数、涝渍综合风险评估系数等不同的涝渍风险表征模型，并构建了涝渍综合风险评估系数作为区划指标[16]。多年来，江苏在农田旱涝监测与评估方面也在不断研究之中，姜爱军等针对不同县（市、区）旬的旱涝冷热灾害度量的客观性和防抗的有效性，探讨农田旱涝冷热灾害的客观诊断方法[17]；吴洪颜等综合小麦气候产量减产率和湿渍害风险指数，构建江苏省冬小麦春季湿渍害风险区划指标[18]，这些指标大多是以旬为时间尺度，多年来在农田旱涝监测方面发挥了重要作用。随着自动站的普及应用，逐日气象观测料获取便利，农田渍涝评估可突破过去的时间局限性和区域局限性。本研究重点针对江苏省农田渍涝灾害，基于农田水分平衡原理，建立以自动站观测数据为主要参数的农田渍涝灾害评估模型，不仅可以客观评判历年渍涝灾害时空分布规律，而且可实时监测和评估渍涝灾害发生发展情况，有效提高灾害防范的时效和防御范围。

1 材料与方法

1.1 资料收集

气温、降水量、日照时数、气压、风速、相对湿度、饱和水汽压等气象资料选取江苏省67个观测站1961年1月至2014年12月逐日气象观测资料。土壤湿度资料取自土壤水分自动观测建站（2010—2013年）。

1.2 评估模型构建

渍涝对作物的影响首先表现在生理生长上，其次表现在外观上，最终体现在产量上。前人对小麦、油菜、棉花和玉米渍涝成因及危害的研究作了大量工作，盛绍学等在研究小麦涝渍灾害时认为，小麦涝渍灾害是由降雨、日照因子综合影响导致的结果，涝渍灾害的危害程度还与阴雨寡照的时间密切相关[16]；蒋尚明等根据2010年9月初区域暴雨对玉米、大豆等主要农作物受灾调查结果，综合分析不同耕地类型不同暴雨强度下的受涝损失率，认为最大淹没水深及淹没历时与作物受损率呈正相关[19]。根据研究结论，结合本试验数据分析结果，认定一个农田渍涝灾害过程受灾程度主要受降水量（P）、渍涝持续时间（L）、过程平均强度（A）、最大强度（M）、温度（T）、光照条件（S）的综合影响，因此，设渍涝害综合指数为I，各分项渍涝害指数为Ix（x=L，T，P，S），则有：

2 结果与分析

2.1 日渍涝指数模型的构建

日渍涝指数，常用水分盈亏量与标准蒸散量之比[20-21]来表示，依据土壤水分平衡，在无灌排条件下，农田水分主要收入项为降水量，支出项为作物耗水量，采用水分盈亏量与土壤最大含水量之比作为渍涝指数：

式中：CSaver为某地土壤水分的平均状况，取近3年自动站每日20：00土壤含水量的平均值；K为前期降水对土壤水分的影响系数，根据土壤水分自动站监测的土壤湿度变化规律，15 d 内降水对底墒的影响最大，因此，只考虑计算之日前15 d 的降水对土壤水分影响的累积效果。

前期降水对某一特定时刻的土壤底墒的影响主要有2个方面，即降水时间、降水强度，显然降水越强、时间越近，影响越大。令：

2.2.1 持续时间影响指数计算方法 渍涝灾害对农作物的影响以其持续时间最为重要，一般而言，长时间的持续较大降水比短期暴雨造成的减产损失更大。较小的降水或降水初期不一定形成渍涝灾害，只有当土壤水分供大于求时，才可能形成渍涝灾害。从成灾的时间尺度来讲，渍涝灾害过程比降水过程有一定的延后性，即降水开始后一段时间才会出现渍涝灾害，如果降水量较大，降水过程结束后的一段时间内渍涝灾害仍会持续。当Ip≥0.5持续2 d以上，作物生长受到抑制，连续时间越长，影响越大，持续20 d以上，作物生育进程延迟，产量和品质均受到影响。以Ip≥0.5持续2 d以上作为渍涝灾害影响指标，根据渍涝灾害持续时间临界值及对应等级指数区间，设定渍涝灾害持续天数影响指数模型如下：

2.2.2 渍涝强度影响指数计算方法 引发渍涝灾害的气象因子主要为降水条件，降雨既有持续阴雨，又有短时大暴雨，降雨引发的渍涝灾害大概可以分为以下2种类型：（1）当日大降水型，即使前期累计雨量不大，持续时间也不长，但是只要当日有足够大的强降雨，渍涝灾害就可能发生；（2）持续降水型，前期降雨持续时间长，已经使下垫面趋于饱和，渍涝灾害易发地带变得很脆弱，即使当日雨量不大，若再出现少量降水也会发生渍涝灾害。

过程渍涝灾害强度可以从平均渍涝值和最大渍涝指数2个方面反映，过程平均渍涝值侧重反映过程总体渍涝情况，当日大降雨型或持续降水型都可能影响平均渍涝；而最大渍涝指数侧重反映过程中最严重程度，日降水量过大时，排水不畅易造成田间积水，作物受淹成灾；当短时暴雨与较长期降雨综合影响下，则易造成长时间严重渍涝灾害。

对当日大降雨型，主要考虑当日的降水量；对持续降雨型，考虑前期土壤相对湿度及当日降雨产生的地表径流深度。选取径流深度指标是为了区分是渍灾还是涝灾。

普查历史渍涝灾害资料，对比相应的灾害过程中平均渍涝值、最大渍涝值、平均渍涝值发现当过程，当Iaver≥0.5时，渍涝灾害发生，Iaver越大，影响越重，Iaver≥1，作物发育受阻。当Imax≥0.6时，作物生长受到抑制，Imax≥2.5，降水过急，农田积水，作物受淹严重，有死苗现象，排水不畅的田块渍涝持续长，危害重。根据渍涝灾害过程平均渍涝值、最大渍涝值临界值及对应等级指数区间，设定渍涝灾害平均渍涝值、最大渍涝值影响指数模型分别如下：

2.2.3 温度影响指数 渍涝灾害发生时，遇气温偏低，易延缓作物发育，加剧病害发生；遇气温偏高，易发生高温煮苗现象。如1999年6月下旬至7月中旬，淮河以南地区气温偏低2～3 ℃；8月下旬，全省比常年偏低3 ℃左右，江淮之间有2～3 d最低气温低于20 ℃，低温严重影响水稻的发育，抽穗开花，造成减产。再如2014年8月6日至9月19日淮河以南地区，持续低温阴雨，期间平均气温比常年偏低0.9～2.3 ℃，导致水稻产量减产5%左右，严重的地区减产10%以上。以过程气温距平ΔT≤-1.0和ΔT≥1.0作为温度对渍涝灾害影响指标，根据渍涝灾害气温距平临界值及对应等级指数区间，设定温度影响指数模型如下：

2.2.4 日照影响指数 渍涝灾害发生时常发生持续阴雨寡照，雨量集中，引起作物根层土壤过湿，根系缺氧，而日照的量则影响作物光合作用，日照过少影响作物的正常生长发育，导致作物减产的农业气象灾害。如江苏春季多阴雨天气，此时正值冬小麦孕穗、抽穗、灌浆成熟阶段，是产量形成的关键时期。这段时期遭受渍涝，可使籽粒灌浆期缩短，籽粒鲜质量、干质量下降，灌浆速率降低，单穗结实粒数、千粒质量及经济产量下降，从而导致减产。气象上通常将日照时数≤3 h定义为阴天，以过程阴天日数（Cd）、阴天日数占过程持续天数之比（Cd_p）作为衡量渍涝灾害过程日照影响参数，S越大，程度越重，当S≥80%时，作物生长受阻。阴天日数设定渍涝灾害日照影响指数模型如下：

根据公式（14）计算农田渍涝灾害等级划分标准，结果详见表1。

2.2.6 渍涝灾害分型 引发渍涝灾害的气象因子主要为降水，有些过程前期累计雨量不大，持续时间也不长，但是当日有足够大的强降雨引发渍涝灾害；有些过程前期降雨持续时间长，下垫面趋于饱和，渍涝灾害易发地带变得很脆弱，即使当日雨量不大，若再出现少量降水也会发生渍涝灾害。因此，定义渍涝灾害过程中日最大降水量≥50 mm或平均日降水量≥25 mm的渍涝灾害过程为强降水型；否则定义为持续降水型。

2.2.7 渍涝灾害过程区域分布特征 江苏渍涝灾害过程由南向北递减，苏南西南部最多，淮北西北部最少（图1）。

1961—2014年的54年间，苏南地区渍涝灾害过程发生最多，该区西部平均每年发生6.4次（其中高淳7.6次为全省最多），中等强度以上的渍涝灾害过程占50.8%，东部平均每年发生6.1次，中等强度以上的渍涝灾害过程只占44.9%，表明苏南西部比东部更易受到渍涝危害；淮北地区渍涝灾害过程发生最少，平均每年发生4.0次，该区西北部平均每年发生3.4～3.5次，丰县、邳州等地严重级别的渍涝灾害过程少有发生，特别严重等级的渍涝灾害过程从未出现过；江淮之间地区平均每年发生5.1次，中等强度以上的渍涝灾害过程占47.7%。

2.3 渍涝灾害过程时间分布特征

2.3.1 年际变化特征 分析1961—2014年渍涝灾害过程发生次数时间变化曲线，总体没有明显的增加或减少趋势，这与降水时间变化趋势一致，从6次多项式趋势曲线看（通过0.05 信度检验），淮河以南地区呈“W”形波动，淮北地区呈“L”形变化（图2）。

淮河以南地区渍涝灾害过程呈“W”形波动，经历了3个相对高峰期： 20世纪60年代前期、20世纪80年代后期至21世纪前期、2010年至今，以20世纪80年代后期至21世纪前期发生最为频繁，该区发生7次以上渍涝灾害过程共有10年，有7年就发生在该时段，分别为1985、1987、1989、1991、1993、1998、2002年，最为严重的渍涝灾害过程也发生在其间，即1991年该区出现百年不遇的特大洪涝灾害，梅汛期苏、锡、常及里下河地区16次大范围暴雨、大暴雨积涝成灾；1998年长江全流域性大洪水，沿江苏南地区暴雨频发，外洪内涝；2002年春夏2季出现多次长时间低温阴雨，导致夏粮和水稻早熟品种大幅减产。

淮北地区渍涝灾害过程呈“L”形变化，经历了20世纪60年代初期的1个相对高峰期后，年际变化小，基本在3～5次间波动。渍涝次数最多和灾害最为严重的是1962年，全年先后出现7次渍涝灾害，其中7—8月连续6次大范围暴雨，形成内涝；9月又有7次暴雨过程，夏秋连涝造成严重减产。其次是1964年，该年9—10月秋雨连绵，田间长时间积水，影响稻棉后期成熟与收获，造成减产。其后该区渍涝灾害过程年际变化小，平均每年3～5次，相对严重的1980、1985、1998、2008年，分别出现5.1～5.4次。

2.3.2 季节变化特征 历年渍涝灾害过程的季节分布特征 江苏渍涝灾害过程主要集中在夏季，其次是春季或秋季，冬季很少发生（表2），这与江苏年降水分布基本一致。苏南地区夏季渍涝灾害过程占全年42.9%，春季占26.6%，秋季占20.5%，最少的冬季占10.1%；江淮之间夏季渍涝灾害过程占全年的50%，春秋2季相当，春季比秋季多1.5%；而淮北地区夏季渍涝灾害过程占全年62.9%，春季渍涝灾害过程为17.1%，比秋季少2.5%，冬季发生比例不足1%，表明淮北地区夏季的渍涝灾害比其他地区更为突出。

江苏春季渍涝灾害南北差异大，苏南地区年均近2次，淮北西部地区约2年1遇；苏南地区呈现一定的减少趋势，对当地小麦、油菜以及设施农作物生长极为有利。春季是淮河以南地区渍涝灾害第二高发期，发生频率仅次于夏季，其中苏南地区发生频率占全年27.0%，江淮之间占全年23.0%。除2011年以外，每年均有不同程度的渍涝灾害发生，苏南地区平均每年发生1.7次，最多发生3.1次；江淮之间平均每年发生1.2次，最多发生2.9次。淮北地区春季渍涝发生频率占全年17.4%，明显少于夏季，且比秋季略少，该区平均每年发生0.7次，西北部地区平均每年仅0.5次，约2年1遇，是全省春季渍涝最少的地区。江苏省南部春季多绵绵阴雨，80%以上的渍涝灾害为持续降水型，发生程度也以轻度为主，60%～70%的过程为轻度等级。苏南地区有50%以上的年份发生过重度或特别严重的渍涝灾害，淮北地区只有7年发生过重度渍涝灾害，特别严重级别的则没有发生过，此时正是淮北地区干旱少雨期，渍涝发生频率和发生程度都明显轻于淮河以南地区。从时间变化趋势分析，54年间春季渍涝灾害过程淮北及江淮之间没有明显的增加或减少趋势，苏南地区则呈现明显的减少趋势（通过0.1信度检验），即该区渍涝发生的可能性降低，这对当地小麦、油菜以及设施农作物生长极为有利。

江苏夏季渍涝最为频繁也最为严重，渍涝灾害过程占全年40%～60%，绝大多数重度渍涝发生在此时段；江淮之间有显著增多趋势，防汛形势更为严峻。夏季是江苏省渍涝灾害南北差异最小的季节，全省各地平均每年发生2.0～2.8次，苏南西部及盐城周边地区略高，苏南东部及淮北西部地区略低。淮北地区降水多集中在夏季，夏季降水量占全年50%以上，渍涝灾害过程达到全年60.1%，发生频次接近苏南地区；江淮之间夏季渍涝灾害过程占全年46.4%；苏南地区只占全年38.5%。受雨季及台风等影响，夏季为多暴雨和大暴雨，淮河以南地区55%～60%、淮北地区60%～65%的渍涝灾害过程为强降水型。从渍涝发生程度看，全年75%以上的重度及特重渍涝灾害发生在夏季，其中重度渍涝灾害过程淮北西部约3年2遇，苏南西南部地区约1年1遇；特重渍涝灾害过程灾害易发区在苏南西部及苏北里下河地区，约5年1遇，其中高淳区全省最高，约3～4年1遇。根据时间变化趋势分析，54年间江淮之间夏季渍涝有显著的增多趋势（通过0.05信度检验），说明该区渍涝形势趋于严重，尤其是里下河地区，渍涝灾害易发且地势低，地下水位高不易于排水降渍，防汛形势更为严峻。

全省秋季渍涝灾害过程约占全年20%，淮河以南地区发生频率明显轻于春季，但发生程度重于春季，淮北地区发生频率和程度略高于春季；全省无明显的增加或减少趋势。秋季渍涝灾害过程苏南地区约1.2次，江淮之间约1.1次，淮北地区平均每年约0.8次。从季节分布看，苏南地区秋季渍涝灾害过程占全年19.8%，江淮之间占全年21.7%，淮北地区占全年20.3%。秋季渍涝以持续降水型为主，但强降水型比例为25.7%～40.5%，比春季高20.0%左右。从渍涝发生程度看，秋季轻度渍涝占57.0%～63.6%，中度31.6%～36.4%，重度渍涝灾害5.3%～8.5%，与春季相比，秋季轻度渍涝过程比例下降，中度以上比例上升。根据时间变化趋势分析，全省各区渍涝灾害过程均无明显的增加或减少趋势。

冬季渍涝灾害过程全年最轻，淮北地区无中等程度以上的灾害，但淮河以南地区呈显著增加趋势，对设施农业生产较为不利。冬季渍涝灾害过程98%以上为持续降水型，苏南地区平均每年约0.9次，江淮之间约0.5次，淮北约0.1次。从季节分布看，苏南地区冬季渍涝灾害过程占全年14.7%，江淮之间占全年9.0%，淮北地区占全年2.3%。江苏省冬季受冷高压控制，降水少，渍涝灾害程度全年最低，苏南地区轻度渍涝占72.5%，江淮之间占82.6%，淮北地区中等以上的几乎没有发生过。根据时间变化趋势分析，54年间淮河以南地区冬季渍涝灾害过程有显著的增多趋势（图3，通过0.01信度检验），即该区渍涝趋于频繁，渍涝发生时湿度增加，日照减少，设施大棚的增温效果降低，极易诱发病虫灾害，对设施农业生产不利。

3 结论与讨论

江苏渍涝灾害由南向北递减，苏南西南部最多，平均每年发生6.4次，淮北西北部最少，每年发生3.4～3.5次。1年四季中，夏季渍涝灾害渍涝灾害过程占全年40%～60%，渍涝最为频繁也最为严重，重度以上渍涝灾害苏南西南部地区约1年1遇，最少的淮北西部约3年2遇；春季渍涝灾害南北差异最大，苏南地区年均近2次，淮北西部地区约2年1遇；秋季淮河以南地区发生频率明显轻于春季，但发生程度重于春季，淮北地区发生频率和程度略高于春季；冬季渍涝灾害过程全年最轻，淮北地区无中等程度以上的灾害。

54年来，淮河以南地区渍涝灾害过程呈“W”形波动，经历了3个相对高峰期：20世纪60年代前期、20世纪80年代后期至21世纪前期、2010年至今，以20世纪80年代后期至21世纪前期发生最为频繁，其间的1985、1987、1989、1991、1993、1998、2002年，每年发生渍涝灾害过程超过7次；淮北地区渍涝灾害过程呈“L”形变化，经历了20世纪60年代初期有1个相对高峰期后，年际变化小，基本在3～5次之间波动。

从气候变化趋势看，苏南地区春季渍涝灾害呈现一定的减少趋势，该区春季渍涝灾害易发，渍涝灾害减少对当地春茶萌发、果树开花、小麦和油菜及设施作物正常生长极为有利；江淮之间夏季渍涝灾害呈现显著的增多趋势，该区本来夏季渍涝灾害高发且危害重，特别是里下河地区，地势低且地下水位高，排水降渍困难，这样渍涝危害更加严重，防汛形势更为严峻；淮河以南地区冬季渍涝灾害呈现显著的增加趋势，对设施农业的生产较为不利。

参考文献：

[1]廖永丰，聂承静，杨林生. 洪涝灾害风险监测预警评估综述[J]. 地理科学进展，2012，31（3）：361-367.

[2]刘巍巍，安顺清，刘庚山，等. 帕默尔旱度模式的进一步修正[J]. 应用气象学报，2004，15（2）：207-216.

[3]申双和，张方敏，盛 琼. 1975—2004年中国湿润指数时空变化特征[J]. 农业工程学报，2009，25（1）：11-15.

[4]黄 斌，韩 涛，郭江勇. 陇东地表湿润指数的年际变化特征[J]. 干旱地区农业研究，2008，26（4）：250-253，259.

[5]杜 军，边 多，胡 军，等. 藏北牧区地表湿润状况对气候变化的响应[J]. 生态学报，2009，29（5）：2437-2444.

[6]冯建设，王建源，王新堂，等. 相对湿润度指数在农业干旱监测业务中的应用[J]. 应用气象学报，2011，22（6）：766-772.

[7]刘可群，刘志雄，梁益同，等. 基于前期有效降水推算耕作层土壤湿度的方法[J]. 中国农业气象，2009，30（3）：365-369.

[8]李涵茂，方 丽，贺 京，等. 基于前期降水量和蒸发量的土壤湿度预测研究[J]. 中国农学通报，2012，28（14）：252-257.

[9]黄小燕，郁家成，王 华. 江淮地区涝渍灾害特点、成因和防治对策[J]. 中国农学通报，2008，24（10）：546-548.

[10]卞 洁，李双林，何金海. 长江中下游地区洪涝灾害风险性评估[J]. 应用气象学报，2011，22（5）：604-611.

[11]宫清华，黄光庆，郭 敏，等. 基于GIS技术的广东省洪涝灾害风险区划[J]. 自然灾害学报，2009，18（1）：58-63.

[12]黄崇福，郭 君，艾福利，等. 洪涝灾害风险分析的基本范式及其应用[J]. 自然灾害学报，2013，22（4）：11-22.

[13]马晓群，吴文玉，张 辉. 利用累积湿润指数分析江淮地区农业旱涝时空变化[J]. 资源科学，2008，30（3）：371-377.

[14]马晓群，吴文玉，张 辉. 农业旱涝指标及在江淮地区监测预警中的应用[J]. 应用气象学报，2009，20（2）：186-194.

[15]王新龙，钟平安，万新宇，等. 淮河流域洪涝时空分布规律[J]. 水电能源科学，2013，31（3）：45-49.

[16]盛绍学，霍治国，石 磊. 江淮地区小麦涝渍灾害风险评估与区划[J]. 生态学杂志，2010，29（5）：985-990.

[17]姜爱军，周学东，董晓敏. 农田旱涝冷热灾害的诊断分析及其应用[J]. 中国农业气象，1995，16（4）：19-22.

[18]吴洪颜，高 苹，徐为根，等. 江苏省冬小麦湿渍害的风险区划[J]. 生态学报，2012，32（6）：1871-1879.

[19]蒋尚明，王友贞，汤广民，等. 淮北平原主要农作物涝渍灾害损失评估研究[J]. 水利水电技术，2011，42（8）：63-67.

[20]马淑红，李振山，刘 涛，等. 新疆公路沿线近50多年来湿润指数区域特征及变化趋势[J]. 干旱区地理，2009，32（5）：746-753.

[21]王 越，江志红，张 强，等. 用Palmer湿润指数作西北地区东部冬小麦旱涝评估[J]. 应用气象学报，2008，19（3）：342-349.

[22]金 龙，丁德峻，罗 莹. 最大可能蒸发量的计算分析[J]. 气象科学，1989（2）：289.