我国农田水利工程建设抵御水旱灾害效果评估

2021-12-16 11:02王柳张秋玲张跃峰魏秀菊赵爱琴张学军
灌溉排水学报 2021年11期
关键词:旱灾水灾降水量

王柳,张秋玲,张跃峰,魏秀菊*,赵爱琴,张学军*

我国农田水利工程建设抵御水旱灾害效果评估

王柳1,2,张秋玲1,张跃峰1,魏秀菊1,2*,赵爱琴2,张学军1*

(1.农业农村部规划设计研究院,北京 100125;2.中国农业工程学会,北京 100125)

2011年中央一号文件提出“大兴农田水利建设”,之后伴随着高标准农田建设的发展,农田水利工程建设进入快速发展阶段,年均投资超过800亿元。【】评估我国过去农田水利工程建设减轻水旱灾害的效果。以2011年为时间节点,将各省级行政区降水量和水、旱灾受灾率和成灾率数据分成2组,建立模型,考察2个时段内水、旱灾受灾率随降水量的变化,分析2个时段水旱灾受灾率和成灾率的差异显著性。1994—2010年水灾受灾率随降水量的增加呈极显著增加趋势,而2011—2018年水灾受灾率则与降水量无显著关系,说明大力建设农田水利工程的减灾效果;1994—2010年和2011—2018年旱灾受灾率随降水量的增加显著降低,但2011—2018年比1994—2010年旱灾受灾率受降雨量影响的程度减小。2011—2018年旱灾受灾率和成灾率比1994—2010年分别降低了5.14~22.52百分点和2.21~16.79百分点,水灾受灾率和成灾率则分别降低了3.26~8.00百分点和1.95~4.54百分点。结合各省区的多年平均降水量数据分析表明,农田水利工程建设对于大多数干旱、半干旱和半湿润地区,如河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、西藏、甘肃、青海和新疆的抗旱效果较明显;对于湿润地区,如福建、江西、湖北和湖南则抗涝效果较明显;在某些半湿润地区,如山东、河南和某些湿润地区,如江苏、广东、重庆兼具抗旱和抗涝效果。统计意义上,农田水利工程建设抗旱效果显著高于抗涝效果;旱灾受灾率和成灾率比水灾的受灾率和成灾率分别降低很多。该研究可为未来农田水利设施建设区域规划提供参考。

农田水利工程;高标准农田;水/旱灾;抗灾能力;效果评估

0 引言

【研究意义】自1982年以来,中央一号文件的主题都是关于“三农”问题,只有2011年为水利改革主题,2011年《中共中央、国务院关于加快水利改革发展的决定》[1]指出近年来我国频繁发生的严重水旱灾害,造成重大生命财产损失,暴露出农田水利等基础设施十分薄弱,必须大力加强水利建设,力争今后10 a全社会水利年平均投入比2010年高出1倍等。2011年后的10 a,拟在水利方面投入4万亿元[2]。2011年以后农田水利工程建设进入了快车道,全国年均灌排工程项目改造建设投资超过800亿元,灌区改造建设覆盖率达到70%以上,除了传统灌排工程设施得到加固、改造、建设以外,喷灌、微灌、管道输水灌溉等高效节水灌溉项目力度不断加强[3]。2011年全国“十二五”规划纲要[4]明确提出大规模建设旱涝保收高标准农田。中共中央、国务院印发的《乡村振兴战略规划(2018—2022年)》[5]提出:加强农田水利基础设施建设,到2022年农田有效灌溉面积达到10.4亿亩(0.69亿hm2);2019年,《国务院办公厅关于切实加强高标准农田建设提升国家粮食安全保障能力的意见》[6]提出:大力推进高标准农田建设,加快补齐农业基础设施短板,提高水土资源利用效率,切实增强农田防灾抗灾减灾能力,为保障国家粮食安全提供坚实基础。2011年以来,国家大力推进农田水利工程建设,取得了明显成效,如“十二五”期间建成高标准农田4.03亿亩(2 687万hm2)[7]。评估全国范围农田水利工程建设抵御水旱灾害能力和稳产效果,对于未来合理规划农田水利工程建设布局、提高农田抗灾能力、保障我国粮食安全有参考价值。【研究进展】王文浩等[8]建立了高标准农田水利工程环境影响后评价指标体系,涉及抗灾能力的指标有遭遇重现期为10 a的暴雨时积水面积和排水速度,然而却没有相应灾害评价结果;靳轲等[9]提出了减灾率的指标,但其定义不清楚,物理意义并不明确;朱云章[10]将旱涝保收面积作为农田水利投资绩效分析的指标之一,何慧等[11]选择农业抗旱效益作为农田水利建设效益评估的指标之一,而这些数据并非在所有省份和所有年份都能获得,且和粮食产量没有明确关系;欧建锋等[12]将区域防洪标准达标率、区域除涝标准达标率和农田降渍标准达标率作为农村水利现代化水平的评价指标,而达标率的门槛值却是主观给定的;同样贺磊[13]评价高标准农田水利建设综合成效时所采用的灌溉保证率也是依靠专家打分的主观评价;罗芳等[14]、张庆华等[15]将有效灌溉面积和除涝面积(或有效排水面积)作为水利建设成效的指标,却未有直接的抵御水旱灾害的效果;唐娟莉[16]研究了有效灌溉面积和受灾面积对全国不同地区农业生产总值的影响,也没有反映农田水利建设对抵御水旱灾害的影响。从目前研究总体来看,对农田水利建设项目的绩效评价还相对滞后,已有的成果比较零散,还需进一步深入研究[17]。

【切入点】自2011年,以高标准农田水利工程建设为代表的灌排设施配套建设得到进一步发展,已建成的农田水利工程抵御水旱灾害的能力,未见相关的全国范围的大尺度的专门量化研究报道。【拟解决的关键问题】本文拟针对这一问题,基于《中国统计年鉴》和《中国气象年鉴》的公开数据,综合采用时间序列自相关检验和单因素方差分析2种概率统计法定量评价中国自2011年以来农田水利工程建设抵御水旱灾害的效果,为未来农田水利设施建设全国区域规划提供参考。

1 农田水利工程建设成效

本文从与水旱灾害的相关度的角度考虑,基于国家统计局数据[18],选取有效灌溉面积和除涝面积为指标表征农田水利建设成效,以2011年为节点分析前后时段农田水利工程建设成效如图1所示。所有回归模型<0.01,由直线斜率(增加速率)可知,2011年之后的全国有效灌溉面积和除涝面积的斜率远大于2011年之前,说明2011年以后农田水利工程建设速度大大加快。

图1 2011年前后2个时段有效灌溉面积和除涝面积变化

2 水旱灾害评估方法及数据来源

2.1 指标选择

根据GB/T24438.1—2009《自然灾害灾情统计第1部分:基本指标》[19],涉及农业的指标有农作物受灾面积、农作物成灾面积、农作物绝收面积、毁坏耕地面积、农业直接经济损失。其中受灾面积指因自然灾害导致农作物产量比常年减少10%及以上的农作物播种面积;成灾面积指因自然灾害导致农作物产量比常年减少30%及以上的农作物播种面积;农作物绝收面积为因自然灾害导致农作物产量比常年减少80%及以上的农作物播种面积(表1)。农作物水旱灾受灾面积、成灾面积等灾情数据是通过农业部门、水利部门等统计、核实的实时农业水旱情数据。与其他农业水旱情指标相比,这种农业水旱情指标与农作物产量是紧密联系的。由于农作物绝收面积2010年之前没有数据,无法进行基于概率的统计,故未选取该指标。

表1 自然灾害指标与作物减产程度的对应关系

基于水旱灾农作物受灾面积和成灾面积的水旱灾受灾率、成灾率是刻画水旱灾灾情程度的指标,其表示农作物受灾面积、成灾面积占当年农作物播种面积的百分比。国家防汛抗旱总指挥部编制的《中国水旱灾害公报》[20]中也采用水旱灾农作物受灾率作为省级行政区间进行水旱灾相对严重程度比较指标。基于以上分析,本文选择1994—2010年、2011—2018年2个时间段水旱灾害受灾率和成灾率进行对比作为评价“十二五”以来农田水利工程建设抵御水旱灾害效果的评价指标,其计算式分别为:

Ia=Sa/×100%, (1)

Ic=Sc/×100%, (2)

式中:Ia、Ic分别表示水旱灾受灾率、成灾率(%),=1、2分别表示水灾和旱灾;Sa、Sc分别表示农作物水旱灾受灾面积、成灾面积(万hm2);为农作物播种面积(万hm2)。

2.2 数据来源及处理

水旱灾受灾面积、成灾面积和农作物播种面积数据来源于国家统计局的数据[18]。

以所有能获取的1994—2018年《中国气象年鉴》中主要城市逐年的年降水量代表其所在省级行政区的年降水量[21],用于进行单因素方差分析,判断1994—2010年和2011—2018年2个时段年降水量有无显著差异。各省级行政区多年平均降水量(2018年前30 a全年累计20:00至次日20:00降水量平均值)来源于全国温室数据系统上对应站点数据[22],用于判断各省级行政区所处的干湿区。

降水是影响水旱灾情的重要因素,将所有数据以2011年为节点分为1994—2010年和2011—2018年2个时段,对2个时段的各省级行政区历年的降水量和对应的水旱灾受灾率利用Statistix 9软件中线性回归模型进行回归分析,考察不同时段年降水量对水旱灾情的影响。利用Statistix 9软件中的one-way AOV进行单因素方差分析,若<0.05则认为2个时段降水量有显著差异,无法分清2个时段水旱灾受灾率和成灾率的变化是由于降水差异引起的还是农田水利建设差异引起的,故对这些省份不再进行后续分析;若≥0.05则认为2个时段降水量无显著差异。采用Statistix 9软件对1994—2018年2个时段降水量无显著差异的省级行政区水旱灾受灾率和成灾率时间序列数据进行自相关检验,自相关函数值在2倍标准差之内,说明时间序列数据不存在自相关。然后,进行2个时间段的水旱灾受灾率和成灾率的方差分析,若<0.05,则2个时段的水旱灾受灾率和成灾率存在显著差异,<0.01为差异极显著;<0.1为差异较显著。最后结合多年平均降水量分布对不同干湿地区的水旱灾减灾效果进行综合分析。

3 结果与分析

3.1 降水量对水旱灾害的影响

1994—2010年和2011—2018年2个时段水灾受灾率和旱灾受灾率随降水量的变化如图2所示。

由图2(a)、图2(b)可见,1994—2010年和2011—2018年旱灾受灾率与降水量呈负相关,回归方程如式(3)、式(4)所示,<0.01:

旱,1994—2010=30.264-0.014 91994—2010, (3)

旱,2011—2018=13.380-0.006 762011—2018, (4)

式中:旱,1994─2010和旱,2011─2018分别为1944—2010年和2011—2018年各省级行政区每年的旱灾受灾率;1994—2010和2011—2018分别对应年份各省级行政区年平均降水量。

式(3)的截距和一次项系数的绝对值均大于式(4),说明从统计意义上看,1994—2010年旱灾灾情及其受降水量的影响大于2011—2018年。

由图2(c)、图2(d)可见,1994—2010年水灾受灾率与降水量呈正相关,回归方程如式(5)所示,<0.01,但2011—2018年水灾受灾率与降水量无显著相关关系(=0.281 1>0.05)。

水,1994—2010=1.856 6+0.006 21994—2010,(5)

式中:水,1994—2010为1944—2010年各省级行政区每年的水灾受灾率。

从统计意义上看,1994—2010年水灾灾情受降水量的影响大于2011—2018年。而且式(5)的截距和一次项系数的绝对值均小于式(3),1994—2010年水灾灾情及其受降水量的影响小于旱灾。

由图2(a)、图2(c)可知,在受水利设施减灾影响较小的年份(1994—2010年)水旱灾受灾率与降水量极显著相关,因此,在统计2个时段降水量无显著差异的情况下分析“十二五”以来加大农田水利设施建设力度对抵御水旱灾害的影响有其合理性。

3.2 降水量差异分析

2011年前后时段降水量方差分析如表2所示,除浙江、安徽、四川、宁夏4省区的降水量在2011年前后差异显著(<0.05)外,其余省(市、区)降水量无显著差异,可进行后续“十二五”以来农田水利设施建设抵御水旱灾害效果评价。

表2 2011年前后2时段多年平均降水量及年降水量方差分析

3.3 水旱灾受灾率和成灾率时间序列自相关分析

水旱灾受灾率和成灾率时间序列自相关分析表明上海、贵州、云南的水灾受灾率和成灾率均存在时间序列自相关;广西、西藏、青海水灾受灾率存在时间序列自相关;北京、天津、湖南、广西、陕西旱灾受灾率和成灾率均存在时间序列自相关;山东、河南、西藏旱灾受灾率存在时间序列自相关;福建、新疆旱灾成灾率存在时间序列自相关,为保证单因素方差分析的合理性,对这些数据不再进行后续分析。

3.4 旱灾差异分析

表3为2011年前后2时段旱灾受灾率和成灾率方差分析结果。由表3可见,2011年前后旱灾受灾率差异极显著(<0.01)的有河北、山西、内蒙古、吉林、黑龙江、海南和甘肃;差异显著(<0.05)的有广东、重庆、新疆;差异较显著的有江苏、青海(<0.10)。2011—2018年时段内旱灾受灾率比1994—2010年降低了5.14~22.52百分点。

2011年前后旱灾成灾率差异极显著(<0.01)的有河北、山西、内蒙古和甘肃;差异显著(<0.05)的有吉林、山东和海南;差异较显著(<0.10)的有辽宁、黑龙江、河南、广东、重庆和西藏。2011—2018年时段内旱灾成灾率比1994—2010年降低了2.21~16.79百分点。

表3 2011年前后2个时段旱灾受灾率和成灾率方差分析结果

注 N表示无数据,下同;上海由于部分数据缺失,无法进行统计。

3.5 水灾差异分析

表4为2011年前后2时段水灾受灾率和成灾率方差分析结果。由表4可见,2011年前后水灾受灾率差异极显著(<0.01)的有重庆;差异显著(<0.05)的有福建、广东;差异较显著的有江苏、江西、山东、河南、湖北和湖南(<0.10)。2011—2018年水灾受灾率比1994—2010年降低了3.26~8.00百分点。

2011年前后水灾成灾率差异显著(<0.05)的有福建、山东、广西和重庆;差异较显著(<0.10)的有湖北、湖南、广东。2011—2018年水灾成灾率比1994—2010年降低了1.95~4.54百分点。

3.6 综合分析

一般认为多年平均降水量小于200 mm为干旱地区;200~400 mm为半干旱地区;大于400~800 mm为半湿润地区;大于800 mm为湿润地区。结合表1各省级行政区多年平均降水量数据、中国干湿地区分布图[23]和表3、表4的数据可知,“十二五”以来农田水利工程建设抗旱效果明显的地区主要分布在干旱、半干旱和半湿润地区如河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、西藏、甘肃、青海和新疆;在湿润地区则抗涝效果明显,如福建、江西、湖北和湖南;在某些半湿润地区如山东、河南和某些湿润地区如江苏、广东、重庆兼具抗旱和抗涝效果。

统计显示,抗旱效果的显著性要高于抗涝效果。旱灾受灾率和成灾率降低的幅度要大于水灾。

4 讨论

影响水旱灾害的因素很多,研究进行了简化,认为降水量无显著差异的情况下,水旱灾害强度的差异是由农田水利工程建设抵御水旱灾害造成的。研究中个别数据出现异常,北京和天津2011—2018年内水灾受灾率和成灾率高于1994—2010年,其中北京的受灾率和成灾率达到较显著和显著水平,天津成灾率达到较显著水平;属于湿润地区的海南抗旱效果显著,可能与研究忽略了与降水量在省域内的地区间和季节分布不均匀以及降水强度有关,具体原因有待进一步研究。但从全国的大尺度多年统计的宏观角度看本研究结果基本能反映规律,本文的研究方法不失为一种有效的方法。

表4 2011年前后2个时段水灾受灾率和成灾率方差分析

注 海南省2011年水灾受灾面积为0,成灾面积为1.57万hm2,成灾面积大于受灾面积,与定义不符,数据可能存在问题,故海南省水灾数据未分析。

5 结论

1)1994—2010年水灾受灾率随降水量的增加呈极显著增加趋势,说明水灾受灾率受降水量影响大,而2011—2018年水灾受灾率则与降水量无显著关系;1994—2010年和2011—2018年旱灾受灾率随降水量的增加显著降低,但2011—2018年回归直线的斜率小于1994—2010年,说明旱灾受灾率受降雨量影响的程度减小。

2)2011—2018年时段内旱灾受灾率和成灾率比1994—2010年降低了5.14~22.52百分点和2.21~16.79百分点;2011—2018年时段内水灾受灾率和成灾率则比1994—2010年降低了3.26~8.00百分点和1.95~4.54百分点。

3)农田水利工程建设对于干旱、半干旱和半湿润地区如河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、西藏、甘肃、青海和新疆的抗旱效果较明显;对湿润地区如福建、江西、湖北和湖南则抗涝效果较明显;在某些半湿润地区如山东、河南和某些湿润地区如江苏、广东、重庆兼具抗旱和抗涝效果。

4)从统计意义上看,农田水利工程建设抗旱效果的显著性高于抗涝效果;旱灾受灾率和成灾率降低的幅度大于水灾。

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Evaluating the Improved Ability of Irrigation Water Conservancy Engineering Projects Since 2011 in Mitigating Flood and Drought in China

WANG Liu1,2, ZHANG Qiuling1, ZHANG Yuefeng1, WEI Xiuju1,2*, ZHAO Aiqin2, ZHANG Xuejun1*

(1. Academy of Agricultural Planning and Engineering, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100125, China;2. Chinese Society of Agricultural Engineering, Beijing 100125, China)

【】The No.1 central document in 2011 proposed to improve farmland water conservancy construction. Since then, constructing well-facilitated farmland water projects has developed rapidly with an average of annual investment more than 80 billion Yuan. The objective of this paper is to evaluate the efficacy of these projects in mitigating floods and droughts across the country.【】We divided precipitation, standard ratio of areas affected by flood and drought to total sowing areas in each province into 1994—2010 group and 2011—2018 group. A linear model was used to fit the changes in flood and drought ratio in response to precipitations in the two periods. The one-way ANOVA analysis was used to test significant difference in precipitation, difference in standard ratio of areas affected by flood and drought to the total sowing areas, between the two groups.【】The standard ratio of flood-affected areas to the total sowing areas increased significantly with precipitation from 1994 to 2010, indicating a positive impact of precipitation on floods. Since 2011, however, the floods did not show a significant relationship with precipitation, implying the efficacy of the projects newly constructed or revamped. The standard ratio of the drought-affected areas to the total sowing areas decreased significantly with the increase in precipitation from 1994 to 2018, but the slope of the linear increase for 2011 to 2018 was smaller than that for 1994 to 2010, implying the effectiveness of the newly constructed projects in mitigating the occurrence of drought. Compared to those in 1994—2010, the ratios of drought-areas and drought-damaged areas to the total sowing areas decreased by 5.14~22.52 percentage points and 2.21~16.79 percentage points, respectively, in 2011—2018, while the ratio of flood-areas and flood-damaged areas to the total sowing areas decreased by 3.26~8.00 percentage points and 1.95~4.54 percentage points, respectively, in the same period. The newly constructed or revamped projects were most effective in mitigating drought in the arid, semi-arid and semi-humid regions in provinces including Hebei, Shanxi, Inner Mongolia, Liaoning, Jilin, Heilongjiang, Tibet, Gansu, Qinghai and Xinjiang. For provinces in humid regions, including Fujian, Jiangxi, Hubei and Hunan, they were more effective in alleviating floods. For those in semi-humid regions, such as Shandong and Henan, and in humid regions such as Jiangsu, Guangdong, and Chongqing, they were effective in ameliorating both drought and flood.【】The effectiveness of the newly constructed and revamped water engineering projects since 2011 varied with regions. On average, they are more effective in relieving droughts than floods. Our analysis provides valuable information for guiding future farmland water conservancy engineering construction.

farmland water conservancy engineering; well-facilitated farmland; flood and drought; mitigation; evaluation

F301.2

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021059

1672 - 3317(2021)11 - 0129 - 08

2021-02-08

全国高标准农田建设总体规划(农业农村部2018—2020);中国科技期刊卓越行动计划期刊(卓越计划-C-083)(2019—2023)(农业工程学科专业研究)

王柳,副编审,博士,主要从事设施园艺和粮食安全研究。E-mail: wangliu@aape.org.cn

魏秀菊,编审/研究员,院副总工,博士,主要从事农业水土工程研究。E-mail: weixj06@163.com

张学军,研究员,主要从事节水灌溉和设施农业工程技术研究。E-mail: zhangxuejun@aape.org.cn

王柳, 张秋玲, 张跃峰, 等. 我国农田水利工程建设抵御水旱灾害效果评估[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(11): 129-136.

WANG Liu, ZHANG Qiuling, ZHANG Yuefeng, et al. Evaluating the Improved Ability of Irrigation Water Conservancy Engineering Projects Since 2011 in Mitigating Flood and Drought in China[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(11): 129-136.

责任编辑:赵宇龙

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