水稻暴雨洪涝灾害风险评估研究——以黑龙江省为例

徐永清，王 莹，张洪玲，刘春生，蒋慧亮，魏 磊，刘赫男*

（1.黑龙江省气候中心，黑龙江 哈尔滨 150030；2.黑龙江省公共气象服务中心，黑龙江 哈尔滨 150030）

自20世纪90年代以来，灾害风险管理工作在防灾、减灾中的作用逐渐增大，灾害风险及其相关问题的研究一直处于减灾研究领域的前沿［1］。农业是受气象灾害影响最敏感的行业之一，气象灾害风险的加剧会直接影响农业生产和粮食安全，在未来气候变化的背景下，农业气象灾害的风险将越来越大，其风险评估和预测研究将引来越来越多学者的关注。

我国农业气象灾害种类多、发生频率高、区域性强、季节性分明、影响因素多、致灾机理复杂［2］。我国对农业气象灾害的相关研究最初主要采用灾害分析方法，对农业气象灾害风险分析理论、方法和模型进行了大量研究［3-6］；杜鹏等［7］在参考农业生态地区法的基础上建立了华南果树生长风险分析模型；李世奎等［8］以风险分析技术为核心，探讨了农业气象灾害风险分析的理论、概念、方法和模型。进入21世纪后，学者们开始重点关注农业气象灾害风险评估的数理化技术方法，注重构建由风险分析、风险评估、灾后评价、防灾减灾组成的灾害风险评估体系［9-13］。目前，自然灾害风险分析理论和技术方法已被全面引入农业领域，农业气象灾害风险评估技术正向定量化、动态化方向发展。在评价方法方面，基于多源信息获取和融合技术，引入作物模拟模型，考虑作物生理因素，已成功构建了针对不同作物生长全过程的农业气象灾害动态风险评估模型。

迄今，农业气象灾害风险研究关注的灾害和作物类型不断增多，但整体上对干旱、低温冷害研究较多［14-18］，而对暴雨等其他灾害研究较少；在农作物方面，针对玉米、小麦构建的气象灾害评估模型较多［19-21］。本文根据自然灾害风险理论，从致灾因子的危险性、承灾体暴露性、脆弱性和防灾减灾能力4个方面入手，以黑龙江省为例，研究了水稻暴雨灾害风险评估指标和评估模型，构建了水稻暴雨灾害风险评估体系，旨在为有关部门调整农业生产结构及制定防灾减灾对策和措施提供理论依据，为农业发展和粮食安全提供技术保障。

1 研究区概括与方法

1.1 研究区概况

黑龙江省位于我国东北部，地理坐标为121°11′~135°05′E、43°25′~53°33′N。黑龙江省地势大致是西北部、北部和东南部高，东北部和西南部低。西北部为东北─西南走向的大兴安岭，北部为西北─东南走向的小兴安岭，东南部为东北─西南走向的张广才岭、老爷岭和完达山，东北部的三江平原和西部的松嫩平原是东北平原的一部分。黑龙江省总面积为47.3万km2，农用地面积为3950.1万hm2，占全省总面积的83.5%；农用耕地面积为1187.1万hm2，占农用地面积的30.1%。该省2020年粮食总产量达到7540.8万t，其中玉米和水稻的总产量居前2位，分别为3646.6万t和2896.2万t［22］。

1.2 研究资料

气象资料选用黑龙江省84个国家气象观测站（图1）1961─2020年的逐时降水数据，资料来源于黑龙江省气象数据中心。

图1 黑龙江省84个国家气象观测站的分布

DEM数据来自SRTM，空间分辨率为90 m。行政区划、河流矢量数据来自全国1∶25万矢量图。1 km×1 km网格GDP和人口数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心。土地利用等数据来源于《黑龙江统计年鉴2020》。

由于降水、水稻种植密度、GDP、地理信息等数据的来源不同，格式不统一，为了便于分析和计算，本研究利用GIS软件对栅格数据进行投影转换、重采样，统一处理成90 m分辨率的栅格数据；采用克里金插值方法将离散点数据转换为90 m分辨率的栅格数据。

1.3 评估指标和方法

1.3.1 水稻暴雨洪涝灾害风险评估方法 根据自然灾害风险评估理论［23］，从致灾危险性、承灾体暴露性、脆弱性和防灾减灾能力共4个维度进行风险评估。灾害的危险性、脆弱性、暴露性和灾害风险生成的作用方向是相同的，而防灾减灾能力与灾害风险生成的作用方向是相反的，即某区域的防灾减灾能力越强，则灾害危险性、脆弱性和暴露性对灾害生成的作用力越弱，灾害的风险度越小。在实际应用时，应考虑到防灾减灾能力的反向作用力，因此，将灾害风险评价模型设为：

式（1）中：FDRI（Flood disaster risk index）为水稻暴雨洪涝灾害风险指数；H、V、E、R分别表示致灾危险性、承灾体暴露性、脆弱性和防灾减灾能力；WH、WV、WE、WR分别表示H、V、E、R的权重，权重之和为1。采用百分位方法将FDRI划分为5级：1级，百分位＜50%，低风险；2级，百分位50%~70%，较低风险；3级，百分位70%~85%，中风险；4级，百分位85%~95%，较高风险；5级，百分位＞95%，高风险。

致灾危险性、承灾体暴露性、脆弱性和防灾减灾能力指数所含具体因子的选择原则：既要考虑各因子数据的客观性、可获取性，也要考虑其能否客观反映水稻暴雨洪涝灾害风险的实际情况。同样按百分位方法将上述各指数划分为5级，等级划分标准与FDRI的相同。

各项评估指标的权重采用层次分析法和专家打分法来确定。层次分析方法根据各个指标的相对重要性，从因子层开始，采用两两比较的方法建立判断矩阵，采用方根方法求出各影响因子的权重并归一，最后经一致性检验后得到因子层对准则层的权重集。专家打分法是征询7位气象专家的意见，对专家意见进行统计、处理和分析，客观地综合多数专家的经验与主观判断，确定权重系数［24］。

1.3.2 水稻暴雨洪涝灾害危险性评估指标和方法 危险性是指致灾因子的自然变异程度，主要是由灾变活动规模（强度）和活动频次（概率）决定的。一般灾变强度越大、频次越高，灾害所造成的损失就越严重，灾害的风险也越大。水稻暴雨洪涝致灾因子危险性主要取决于气象因子和孕灾环境，即致灾危险性大小是降水、地形和水系共同作用的结果。强降水是致灾因子，海拔以及地形起伏对灾害形成有不同程度的影响，同时洪涝发生在很大程度上还与距离河流、湖泊的远近有关系。

参考《暴雨灾害调查与风险评估技术规范（评估与区划类）》，暴雨洪涝危险性指数由暴雨洪涝指数和孕灾环境影响指数确定，计算公式为：

式（2）中：H为暴雨洪涝致灾危险性指数；S为孕灾环境影响指数；R为暴雨洪涝指数。

孕灾环境影响指数由地形和水系2个因子均一化后加权求和得到。暴雨洪涝在营养生长期对水稻生长发育及产量的影响较小，在生殖生长期对水稻生长发育及产量的影响较大，特别是孕穗期强降水对水稻产量的影响最大［25-26］。本文选取水稻孕穗期和开花抽穗期暴雨过程（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、过程累计降雨量和暴雨持续日数，将这4个因子均一化后进行加权求和，得到暴雨洪涝指数，其各指标的权重如表1所示。

表1 水稻暴雨洪涝灾害风险评估指标体系和权重

1.3.3 暴雨洪涝暴露性评估指标和方法 暴露性指暴露于暴雨洪涝的人员、生计、环境服务、各种资源、基础设施等受到风险因素威胁的可能程度，暴露性越高，潜在损失越大，风险越高。在本研究中，暴露性指数主要考虑水稻耕种密度和水稻单位面积产量，将这2个因子均一化后加权求和，得到暴露性指数，其各指标的权重见表1。

1.3.4 暴雨洪涝脆弱性评估指标和方法 脆弱性是指给定危险地区的承灾体面对某一强度的致灾因子危险性可能遭受的伤害或损失程度。根据给定的致灾因子强度推算承灾体的伤害或损失程度称为承灾体脆弱性评估。一般承灾体的脆弱性越大，抗灾能力越弱，灾害造成的损失越大，灾害风险也越大。脆弱性考虑直接经济损失占比和受灾耕地面积占比，将这2个因子均一化后加权求和，得到脆弱性指数。

1.3.5 暴雨洪涝防灾减灾能力评估指标和方法 防灾减灾能力是指人类利用防灾减损措施减少灾害损失的能力，包括应急管理能力、减灾投入能力、资源准备能力等。防止和减轻暴雨洪涝灾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坝、整治河道修建水库和修建分洪区，非工程措施包括洪泛区的土地管理、建立洪水预警系统、拟定居民的应急撤离计划和对策、实行防洪保险等。本研究从黑龙江省2020年统计年鉴中选取能反映防灾减灾能力的单位面积水库库容量、单位面积GDP，将其均一化后加权求和，得到脆弱性指数（表1）。

1.3.6 均一化方法 为消除各个指标量纲及数据级的差异，采用下式对各指标因子进行均一化处理：

式(3)中：Fij为第j个点第i个指标的规范化值；Dij为第j个点第i个指标的原始值；maxi为第i个指标所有格点中的最大值；mini为第i个指标所有格点中的最小值。

2 结果与分析

2.1 水稻暴雨灾害危险性评估

2.1.1 孕灾环境影响指数 孕灾环境影响指数包括地形系数和水系系数。地形主要考虑海拔以及地形标准差2个方面，海拔越高，地形标准差越大，受洪涝灾害的影响越小。在水系方面，区域内距离河湖越近，洪涝危险指数越高；河流密度越大，水域面积越广，其影响越大。

由图2可见，黑龙江省孕灾环境影响指数在地势低平、水网密集的东部三江平原地区最高，在西部的松嫩平原地区较高，在大小兴安岭和张广才岭等山区较小，仅在部分河谷地区偏大。

图2 黑龙江省孕灾环境影响指数的空间分布

2.1.2 暴雨洪涝指数 如图3所示，黑龙江省水稻暴雨洪涝指数在西部地区较高，在北部和东南部地区较低。其中哈尔滨市北部、绥化东北部和齐齐哈尔西部的暴雨洪涝指数最高，在0.6以上；其次为齐齐哈尔中部和东部、绥化中部和西部、大庆北部、伊春西南部及哈尔滨中部地区，在0.5~0.6之间；大兴安岭北部地区的暴雨洪涝指数最小，在0.1以下；大兴安岭南部、牡丹江、七台河和鸡西西部地区的暴雨洪涝指数在0.1~0.2之间。

图3 黑龙江省暴雨洪涝指数的空间分布

2.1.3 水稻暴雨洪涝危险性 黑龙江省水稻暴雨洪涝灾害在西部地区危险性较高，在北部和东南部地区危险性较低。高风险区分布在齐齐哈尔西部、绥化东北部和哈尔滨北部；较高风险区主要分布在齐齐哈尔中部和东部、绥化中部和西部、大庆市北部；牡丹江市和大兴安岭地区为低风险区，而黑河、伊春、鹤岗、双鸭山、鸡西和七台河市为较低风险区（图4）。

图4 水稻暴雨洪涝灾害危险性评估结果

2.2 水稻暴雨洪涝暴露性评估

2.2.1 水稻种植面积指数 黑龙江省水稻种植主要集中在松嫩平原和三江平原等海拔低于300 m的地区，尤其是在河流谷地，由于灌溉便利，该地区水稻种植面积指数较高。大兴安岭、黑河、伊春、鹤岗及牡丹江大部分地区为丘陵山地，水稻种植面积非常小，水稻种植面积指数较小（图5）。

图5 黑龙江省水稻种植面积指数的空间分布

2.2.2 水稻单位面积产量指数 如图6所示，黑龙江省水稻单位面积产量指数在绥化最高，在大庆市、哈尔滨市较高；在大兴安岭地区，由于基本上没有种植水稻，水稻单位面积产量指数最低；黑河、鹤岗和七台河地区的指数也较低。

图6 黑龙江省水稻单位面积产量指数的空间分布

2.2.3 水稻暴雨灾害暴露性指数 由图7可见：黑龙江省水稻暴雨灾害暴露性的高易损区和较高易损区主要集中在松嫩平原和三江平原等区域内的河流谷地地区；大兴安岭、黑河、伊春、鹤岗、牡丹江市，以及齐齐哈尔市的大部分地区为低易损区；大庆、哈尔滨、双鸭山和鸡西的大部分地区为较低易损区。

图7 黑龙江省水稻暴雨灾害暴露性指数的空间分布

2.3 水稻暴雨灾害脆弱性评估

2.3.1 水稻暴雨受灾面积指数 黑龙江省水稻暴雨受灾面积占比高值区分布在水稻种植区的北部，其中在齐齐哈尔和黑河市种植区域内受灾面积指数最高，在绥化东部和佳木斯西部地区受灾面积指数也较高，而在南部的大庆、哈尔滨等种植区内受灾面积指数较低（图8）。

图8 黑龙江省水稻暴雨受灾面积指数的空间分布

2.3.2 水稻暴雨受灾经济损失指数 由图9可见，黑龙江省水稻受灾经济损失指数在绥化东部种植区内最高，在齐齐哈尔和黑河种植区较高，而在东部和南部水稻种植区较低。

图9 黑龙江省水稻受灾经济损失指数的空间分布

2.3.3 水稻暴雨灾害脆弱性 如图10所示，在黑龙江省水稻主要种植区的北部为高敏感区和较高敏感区，在无水稻种植区域为低敏感区，而在种植区域的南部基本上为较低敏感区和中敏感区。

图10 黑龙江省水稻暴雨灾害脆弱性的空间分布

2.4 防灾减灾能力评估

2.4.1 单位面积水库库容量指数 单位面积水库库容量指数可以反映一个地区对降水的容纳能力。由图11可以看出，单位面积水库库容量指数在黑龙江省齐齐哈尔市最高，在牡丹江、哈尔滨市较高，在伊春和佳木斯市较低，在大兴安岭地区最低。

图11 黑龙江省单位面积水库库容量指数的空间分布

2.4.2 单位面积GDP指数 单位面积GDP指数可以反映防灾减灾的能力。如图12所示，黑龙江省单位面积GDP指数在哈尔滨西部、大庆东部最高，在大兴安岭、黑河东南部和鹤岗北部较低。整体上单位面积GDP指数在黑龙江省东部和西部高，中部低，南部地区高，北部地区低。

图12 黑龙江省单位面积GDP指数的空间分布

2.4.3 防灾减灾能力 黑龙江省在齐齐哈尔、哈尔滨西部、绥化南部和大庆东部具有高的防灾减灾能力，在哈尔滨东部、黑河东北部和牡丹江地区具有较高的防灾减灾能力，而在大兴安岭、伊春、鹤岗、佳木斯和黑河东部地区防灾减灾能力较低（图13）。

图13 黑龙江省水稻暴雨灾害防灾减灾能力的空间分布

2.5 水稻暴雨灾害风险评估

从图14可以看出，黑龙江省水稻暴雨灾害的高风险区和较高风险区主要分布在佳木斯的东部和西南部地区、黑龙江省中部和西部的河流谷地地区。究其原因，佳木斯的东部和西南部地区虽然暴雨洪涝指数较低，但是地势低平，防灾减灾能力较弱，水稻种植面积较大，暴露度较高；黑龙江省中部和西部的河流谷地地区虽然防灾减灾能力较强，但是暴雨洪涝指数较大，水稻种植面积较大，暴露度较高。水稻暴雨灾害的低风险区主要分布在大兴安岭、鹤岗、黑河北部、牡丹江的东部及西部地区，因为这些地区海拔较高、地形起伏较大，基本上不适于水稻种植。水稻暴雨灾害的较低风险区主要分布在黑河南部、齐齐哈尔、伊春、哈尔滨西部、双鸭山西部等地区，这些地区的水稻种植面积较小，防灾减灾能力一般。

图14 黑龙江省水稻暴雨灾害风险评估结果

在黑龙江省水稻暴雨灾害的低风险区和较低风险区水稻种植面积较小；在高风险区和较高风险区水稻种植面积较大，产量较高，尤其是在佳木斯地区，其防灾减灾能力较弱，应重点防范水稻暴雨洪涝灾害。

3 结论与讨论

3.1 结论

构建了水稻暴雨洪涝灾害风险评估的指标体系，由致灾危险性指数、承灾体暴露性指数、承灾体脆弱性指数和防灾减灾能力构成，而致灾危险性指数又包括暴雨洪涝指数和孕灾环境影响指数。该指标体系共包括12个3级指标。

黑龙江省水稻暴雨洪涝灾害在西部地区危险性较高，在北部和东南部地区危险性较低。水稻暴雨灾害暴露性的高易损区和较高易损区主要集中在松嫩平原和三江平原等区域内的河流谷地地区，黑龙江省北部地区为低易损区。水稻主要种植区的北部为脆弱性的高敏感区和较高敏感区，在无水稻种植区域为低敏感区，在种植区域的南部基本上为较低敏感区和中敏感区。黑龙江省西南部的防灾减灾能力较强，东北部较弱。

黑龙江省水稻暴雨灾害的高风险区和较高风险区主要分布在佳木斯的东部和西南部地区、黑龙江省中部和西部的河流谷地地区，低风险区和较低风险区分布在黑龙江省北部和东南部地区。

3.2 讨论

暴雨洪涝灾害的形成机制十分复杂，影响因子涉及自然与社会等诸多方面。本文借鉴相关研究建立了水稻暴雨洪涝灾害风险评估的指标体系，但对暴雨洪涝灾害危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力间的内在联系研究不足，对选取的各指标因子与水稻生长发育关系的研究不够深入，且各指标权重的确定缺乏量化和科学的方法，受人为因素的影响较大。因此，深入研究水稻暴雨洪涝灾害的形成机理，结合自然、社会等方面的多种因素，构建更加精细化的评估模型是未来水稻暴雨洪涝灾害风险评估研究的重点。