基于HVD模型的干旱风险特征分析研究——以广东省典型易旱县区为例

李宁宁，赵璧奎，程 涛，刘 霞，谭 超，廖华明，林浩伟

（1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.中山大学土木工程学院水资源与环境研究中心，广东 广州 510275；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510635；4.广东省水安全科技协同创新中心，广东 广州 510635）

0 引言

随着近些年全球气候变化加剧、经济社会发展提速、人类活动愈加频繁，广东省极端性天气事件频繁发生［1，2］，影响供水安全、粮食安全和人民生命财产安全，给流域水安全保障带来极大挑战［3］。

开展干旱风险评估分析是科学处理和应对干旱灾害风险的一种有效手段。陈茜茜等［4］基于长系列旱情灾情数据，采用单指标分析了流域内农业干旱和因旱人饮困难风险，以及两者的综合风险；袁喆等［5］基于最优分割算法进行了干旱风险区划，研究结果与湖南省实际情况较为吻合；吴秀兰等［6］根据自然灾害风险四因子理论，采用多项指标进行了干旱综合风险指数区划，总体能够反映研究区旱灾综合风险水平；赵晓萌等［7］选取致灾因子危险性、孕灾环境脆弱性、承灾体暴露度、抗旱减灾能力4个方面指标，建立干旱灾害风险评估指数，对陕西省不同季节进行干旱灾害风险区划。

广东省是我国降雨比较丰沛的省份，但近几年干旱频发。一方面是极端天气导致天然来水锐减，加之农村地区抗旱保供水工程体系尚未健全，使得抵御极端自然干旱的能力不强；另一方面是由于水资源时空分布不均，人口分布集中，水资源供给与社会经济发展不相适应，从而引发社会经济干旱。因此，本文构建了耦合危险性（Hazard）、易损性（Vulnerability）、抗旱减灾能力（Defense）的HVD 干旱风险评估模型，提出了将干旱风险评估细化到镇级的合理可行的指标体系，应用于广东省2个典型易旱县区——潮南区和徐闻县的干旱风险特征分析，旨在为开展抗旱减灾工作提供更加科学有效的技术支撑。

1 研究区域概况

1.1 潮南区

潮南区位于汕头市西南部，属南亚热带季风气候带，海洋性气候明显，夏无酷暑，冬无严寒，夏长冬短，无霜期长，日照充足，雨量充沛，四季常青。区域总面积596.42 km2，海岸线14.7 km。潮南区地势自西南向东北倾斜，地形特征为“一山（大南山）一江（练江）一平原（练江中下游三角洲平原）”。年平均气温21.6 ℃，平均气温年际差异小。降水量年内分配不均匀，雨季和旱季明显，年降雨量主要集中于汛期4-9月，降水量占全年83%。降雨年际变化较大，由西北向东南逐渐减少，最大年降雨量2 173.8 mm（1983年），最小年降雨量942 mm（1962年）。由于地形关系，各地雨量也有差异，南部沿海地区年均降水1 277.2 mm，是主要的干旱区，北部山地年均降水1 700 mm 左右。潮南区的主要水系，有练江和雷岭河。潮南区地形及行政区划见图1。

图1 潮南区地形及行政区划图Fig.1 Topography and administrative map of Chaonan District

根据地形地貌、水资源分布、历史受旱情况等，潮南区饮用水源主要依赖境内水库水，同时承担生活和灌溉供水任务，水库的蓄水情况受大气降水影响，蓄水量不稳定，一旦遭遇连续枯水年，对整个地区的供水必造成很大的影响。另外，平原地区地下水含氟量偏高，且近年来地表水污染严重，地下水也受到污染，加之潮南平原区属地质灾害易发区，无法开采利用地下水。因此，潮南区干旱问题普遍存在且苦旱已久。

1.2 徐闻县

徐闻县地处中国大陆的最南端，位于广东省西南部，湛江市南部，与海南岛隔海相望，总面积1 863 km2。徐闻三面环海，海岸线长达371.87 km，海湾和岛屿众多，属热带季风气候，一年四季阳光充足，高温炎热，年平均气温23.3 ℃，阳光充足，热量丰富，全年温暖，大致终年无霜，水热同季，降雨、气温和太阳辐射的高峰期大致相同，都出现在5-10月。境内属低丘台地地形，主要是第四纪熔岩地貌和海成地貌，地势自北向东、西、南三面沿海倾斜。地下水类型有松散岩类孔隙水、火山岩孔洞裂隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩类裂隙溶洞水，广泛分布于徐闻县。徐闻县地形及行政区划见图2。

图2 徐闻县地形及行政区划图Fig.2 Topography and administrative map of Xuwen County

由于地势单一平缓，地形引起的上升运动不强烈，不利水汽的凝结，造雨能力相对较差。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。一年四季阳光充足，高温炎热，蒸发量大于降雨量，土壤以砖红壤土类为主，涵养水分能力差，属极度干旱地区。县内降雨量不均匀，由北向西南递减，境内水源较少，时空分布不平衡，北部及东部较丰富，多年平均雨量在1 795 mm 左右，南部次之，西部沿海贫乏，多年平均降雨量1 364.1 mm。年际间与年内的变化都比较大，丰水年与枯水年雨量之比为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，资源性、工程性缺水现象严重。

2 研究方法

根据自然灾害风险理论，干旱灾害风险是干旱灾害危险性（Hazard）、易损性（Vulnerability）、抗旱减灾能力（Defense）的结合体。危险性指标主要依据评价区域内的自然环境、水文气候条件，描述区域内发生干旱灾害的可能和危险程度；易损性则结合区域内的社会经济条件，描述区域内遭遇干旱灾害时可能造成的损失；抗旱减灾能力描述区域内抗旱能力和保障人民生命财产安全的能力。

一般常将3 个指标相加或相乘以反映三者叠加产生的效果。但实际上，干旱综合风险和抗旱能力间的关系难以通过赋权、线性或倍比叠加反映。因此，先通过对干旱灾害危险性和易损性指标加权相加得到干旱灾害综合风险指数，表征干旱灾害风险水平，再引入风险矩阵法耦合干旱灾害综合风险指数和抗旱减灾能力得到干旱灾害防治区划，反映干旱灾害防治的必要性。耦合危险性、易损性、抗旱减灾能力三要素构建了HVD干旱风险评估区划模型，其基本思路如下：

（1）选取并计算评价指标，建立干旱灾害风险评估与区划指标体系；

（2）指标归一化处理，计算指标权重和综合指标值，实现干旱风险评估；

（3）将干旱灾害风险值进行等级划分，形成干旱灾害五级风险区划；通过查询干旱灾害防治矩阵表，得到干旱防治区划。

2.1 指标体系构建及数据来源

HVD 干旱风险评估区划模型综合了自然环境、水文气候条件等致灾因子导致的干旱危险性因素，区域社会经济等衡量孕灾环境敏感性的易损性因素和水利设施完善水平、抗旱投入能力等抗旱减灾因素。通过降雨量、气温、枯水期降雨占比等危险性指标评估受旱的可能性；通过土地利用水平、人口密度、GDP 密度等易损性指标评估干害灾害后果危害程度；通过供水能力、河网密度、抗旱投入等抗旱减灾指标度量地区防旱抗旱能力。HVD 干旱风险评估区划模型的指标体系如表1所示。

表1 HVD干旱风险评估区划模型的指标体系Tab.1 Index system of drought risk assessment zoning model based on HVD

2.2 干旱灾害综合风险指数

2.2.1 指标归一化

在全省的指标数据范围内进行归一化处理。

正向指标，包括气温、土地利用、人口密度、经济密度，该类指标值越大，代表综合干旱风险越高，其归一化处理参考下式：

负向指标，包括降雨量、枯水期降雨占比、人均设计供水能力、河网密度、政府一般公共预算，该类指标值越大，代表综合干旱风险越低，其归一化处理参考下式：

式中：x为当前评估区域指标值；xi为第i个评估区域指标值；xʹ为当前评估区域归一化指标值。

2.2.2 指标权重确定

依照层次分析法建立的指标体系和权重对各指标层的指标进行汇总。层次分析法根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素间的相互关联影响以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成多层次的分析结构模型，从而最终使问题归结为最低层相对于最高层的相对重要权值的确定或相对优劣次序的排定。

其中，层次分析法的计算过程包括：建立干旱灾害风险评价层次结构模型、构造判断矩阵、一致性检验。具体计算方法参考文献［8］。计算出的指标权重见表2。

表2 干旱灾害风险评价指标权重Tab.2 Weights of drought disaster risk assessment indicators

2.2.3 综合指标值计算

通过加法运算将危险性和易损性指标耦合得到干旱灾害综合风险指数。指数值越高，则面临的干旱灾害风险越高，可能造成的后果越严重。

式中：hi、vi、pi为各个栅格单元经过标准化处理后危险性指标和易损性指标的取值；ω为危险性和易损性各指标权重。

2.3 风险区划

2.3.1 干旱风险评估区划

采用自然断点法［9］将干旱灾害风险值划分为低、中低、中、中高、极高5 个风险等级，以反映县级范围内不同区域干旱灾害的风险等级。采用自上而下定性分析方法，在所有评估区域的风险评估范围内，将风险评估结果划分为若干个具有干旱灾害风险等级相对一致的区划单元，形成干旱灾害五级风险区划。

自然断点法是常用的分类方法之一，运用了聚类思维，使组内的相似性最大，组间的相异性最大。聚类不关注类中的要素数量与范围，相较于聚类，自然断点法兼顾组间的要素的范围和数量，保持合理的前提下使其尽量相近。自然断点法的分类意义在于认为任何数列之间都存在一些自然（非人为设定的）的转折点和断点，这些自然的断点，都具有统计学意义，通过这些转折点可以把研究的对象分成性质相似的群组，这些自然断点本身就是分级的良好界限。自然断点法的原理是通过迭代比较每个分组和分组中元素的均值与观测值之间的平方差之和来确定值在分组中的最佳排列，计算出来的最佳分类，可确定值在有序分布中的中断点，以最大程度地减少组内平方差之和。采用ArcMap 内置的自然断点法功能进行干旱风险评估区划。

2.3.2 干旱风险防治区划

借鉴风险矩阵［10］的思想，干旱风险防治区划主要根据干旱灾害综合风险区划成果和抗旱减灾能力等级评估区划结果，查干旱灾害防治区划表得到，具体见表3。

表3 干旱灾害防治矩阵表Tab.3 Drought disaster prevention and control matrix

如干旱灾害风险等级高，抗旱减灾能力低，则该区为重点防治区；如干旱灾害风险等级中等，抗旱减灾能力中等，则该区为中等防治区；如干旱灾害风险等级低，抗旱减灾能力高，则该区为一般防治区。

3 结果分析

粤东和粤西是广东省旱情频发的两个区域，分别从中选择1 个典型易旱县区——潮南区和徐闻县，运用HVD 干旱风险评估区划模型进行干旱风险特征分析。图3～5是潮南区和徐闻县干旱灾害危险性、易损性风险和抗旱减灾能力的评估及区划结果。

图3 潮南区和徐闻县干旱灾害危险性风险Fig.3 Drought hazard risk in Chaonan District and Xuwen County

图4 潮南区和徐闻县干旱灾害易损性风险Fig.4 Vulnerability risk of drought disaster in Chaonan District and Xuwen County

图5 潮南区和徐闻县抗旱减灾能力Fig.5 Drought defense and disaster reduction capacity of Chaonan District and Xuwen County

综合降雨、气温、降雨枯水期占比3 个指标，潮南区干旱灾害危险性自西向东递增，其中井都镇风险最高，指数达到0.648；徐闻县全域危险性均为中高及以上风险，高风险地区集中在西南部，其中角尾乡干旱灾害危险性为高风险，为全县最高风险值0.872。干旱灾害危险性空间分布规律与潮南区降雨自西向东递减、徐闻县降雨自北向西南递减的规律基本一致，其年降雨区域高值与低值间均相差约400 mm。降雨指标对危险性的综合评价起到主要作用，降雨越少的区域干旱灾害危险性越高。

综合土地利用、人口密度、经济密度3 个指标，潮南区干旱灾害易损性除几个中心镇街是中风险，其余均在中风险以下，其中峡山街道易损性指标值最高，为0.24，人口密度指标对潮南区干旱易损性的综合评价起到主要作用；徐闻县五一、红星等农场周边镇的干旱灾害易损性为高风险，其余为中高风险及以下，土地利用指标对徐闻县干旱易损性的综合评价起到主要作用。潮南区中心镇街人口、经济密集，农业灌溉水平中等，生活生产水源均为水库水，旱情发生时人饮、农作、经济生产都易被损害。徐闻县人饮和工业生产多依赖地下水，受旱情影响不明显，作为农业大县，农业集中的地方干旱灾害易损性高。

综合人均设计供水能力、河网密度、政府一般公共预算3个指标，潮南区西部抗旱减灾能力较高，为中水平；徐闻县中心镇街为高水平，其余各镇均为中低水平及以下。已经实现规模化集中供水、水源稳定的镇街供水保障能力强，人均设计供水能力指标对抗旱减灾能力起到主要作用。

图6 是潮南区和徐闻县综合危险性、易损性两个指标的干旱灾害综合风险指数的评估及区划结果。潮南区红场镇和雷岭镇为低风险地区，峡山街道、井都镇为中高风险地区，其余镇为中风险地区，总体上潮南区干旱灾害综合风险自西向东递增，危险性指标对综合风险评价起到主要作用，受旱的重要原因是天然来水少导致供水不足，近期比较严重的旱情发生在2021年，数十万人的用水受影响。北部水库供水片区中的偏远山区，如陇田镇的永安、乌石，井都镇的古埕、和丰，两英镇的墙老、高堂，仙城镇的新星，陈店镇的洋老、流溪、浮草等，由于处于供水管网的末端、地势较高、水管老化等原因，遭遇干旱时供水往往无法保障。南部雷岭镇位于山区，人口分散，农村集中供水水源为小型山塘水库或山溪水，在干旱年份山溪可能出现断流的问题。

图6 潮南区和徐闻县干旱灾害综合风险Fig.6 Comprehensive risk of drought disaster in Chaonan District and Xuwen County

徐闻县全域均为中高及以上风险，西部和中部干旱灾害综合风险较高，危险性指标和易损性指标分别对西部和中部的干旱综合风险评价起到主要作用，西部受旱的主要原因是天然来水少，中部受旱的和主要原因是农业占比高，易受干旱影响，近期比较严重的旱情发生在2020年，农业受灾面积2.038 万hm2。徐闻县全域均为易受旱区域，苦旱已久，连年干旱。一方面由于水资源禀赋条件差导致水源型缺水，在地形及季风的共同作用下降雨少其不均匀。另一方面由于地质条件造成的工程型缺水，三斜面的龟背式地形和渗透力较强的玄武岩地质，不利于蓄水，再加上水工建筑物标准低，水利设施建设落后，未能满足生活生产的需求，是徐闻县工程型缺水的主要原因。

干旱灾害综合风险指数的区划结果与区域历史干旱特征基本一致。

图7是潮南区和徐闻县干旱灾害风险防治区划结果。潮南区的井都镇为重点防治区，峡山街道、陈店镇、司马埔镇、两英镇、胪岗镇、成田镇、雷岭镇等7个镇属于中等防治区，其他镇均为一般防治区。这几个镇降雨量少，气温高，受旱危险性高；经济密度大，受旱情影响后果严重；综合人均设计供水能力、河网密度、政府一般公共预算均较低，防灾减灾能力不强。考虑潮南区综合干旱风险较高和抗旱减灾能力不高，干旱灾害防治措施方面建议修建一些小型水库、山塘、蓄水池，增强水资源调蓄能力；加大引韩供水工程补充本地水资源的力度，改善天然来水条件的不足；增加抗旱投入，加强应急抗旱工程建设，提高防旱减灾能力。

图7 潮南区和徐闻县干旱灾害风险防治区划Fig.7 Division of drought disaster risk control in Chaonan District and Xuwen County

徐闻县仅有角尾乡、城北乡、南山镇为中等防治区，其余地区均为重点防治区。其中下桥镇和曲界镇综合风险尤为突出。下桥镇和曲界镇及周边农场综合风险区划主要由易损性指标决定。土地利用水平较高，农业比例高，易受旱情影响，所以受旱易损性高。人均设计供水能力、河网密度、政府公共预算均较低，抗旱减灾能力差。综合干旱风险较高是由于危险性指标和易损性指标的共同影响。

可以通过优化农业种植结构降低受旱易损性，通过粤西水资源配置工程的配建工程—南渡河引水工程、四库连通工程、农村集中供水工程等的建设，提高人均设计供水能力；增加抗旱投入，完善区域水资源配置体系，提高抗旱减灾能力。粤西水资源配置工程建成后，可优化区域水资源配置格局、进一步保障生产生活用水安全、维护河湖生态环境，系统解决粤西地区水资源短缺问题，可长远解决粤西地区水资源承载能力与经济发展布局不匹配问题，大幅提高区域供水安全保障能力。

4 结论

构建了HVD 干旱风险评估区划模型，从干旱灾害危险性、易损性、抗旱减灾能力的角度来评估干旱灾害风险和防治水平，考虑了区域自然环境、水文气候条件等致灾因子导致的干旱危险性因素，区域社会经济等衡量孕灾环境敏感性的易损性因素和水利设施完善水平、抗旱投入能力等抗旱减灾因素，搜集了评估区域降雨量、气温、枯水期降雨占比、土地利用、人口密度、经济密度、人均设计供水能力、河网密度、政府一般公共预算等指标，用来进行干旱风险评估与区划分析。主要创新点在于，干旱灾害风险是干旱灾害危险性、易损性的结合体，用干旱灾害综合风险指数来表征其等级，而干旱灾害风险防治区划通过风险矩阵方法耦合抗旱减灾能力和干旱灾害综合风险得到，不同于常规将抗旱减灾能力和干旱灾害综合风险加权相加的方法，结果更加符合对干旱防治的直观感受和常理认知。

运用HVD 干旱风险评估区划模型对粤东潮南区和粤西徐闻县两个典型易旱县区开展干旱风险特征分析，能准确识别易旱地区的抗旱短板，为地区干旱灾害防治提出有针对性的建议。