宁夏回族自治区干旱灾害风险评估与区划研究

王 峰 陈茜茜 吕 娟 王前锋 李 娜

（1.宁夏回族自治区水旱灾害防御中心，银川 750002；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京 100038；4.福州大学环境与安全工程学院，福州 350108；5.宁夏福宁工程设计咨询有限公司，银川 750100）

0 引 言

干旱是中国最严重的自然灾害之一，具有持续时间长、波及范围广、影响人口多等特点[1-2]，对农业、经济、水资源和生态系统造成严重危害[3-7]。近年来，干旱易发地区不断扩大，已覆盖了中国陆地总面积的一半以上[8-9]。极端天气事件也呈现出趋多、趋频、趋强、趋广的态势，干旱灾害风险愈发复杂多变[10]。宁夏地处内陆干旱地区，属于典型的大陆性气候，少雨且气温变化较大，大部分地区的水资源相对匮乏，降水量主要集中在夏季，且年降水量较少，难以满足农田和人类生活的需求。已有研究表明，近几十年来，宁夏有干旱加剧的趋势[11-16]。随着气候变暖，黄河上下游供水矛盾逐渐突出，加上城市发展和工农业用水矛盾的加剧，引黄灌区因灌溉量、灌溉时间受限而发生干旱的情形也越来越严重[17]。因此，有必要开展宁夏回族自治区干旱灾害致灾调查及干旱灾害风险评估与区划研究，摸清区域旱灾风险底数，获得不同区（县）干旱灾害风险严重程度及其空间分布情况，识别潜在干旱风险，综合分析干旱灾害分布特征，对于指导和支撑全区干旱灾害防治工作具有重要意义，为全区干旱管理和决策提供科学依据。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区域

宁夏回族自治区位于中国西北部黄河上游地区，地处欧亚腹地，远离海洋。南北长456 km，东西宽仅250 km，面积约66 000 km2。根据Köppen-Geiger 气候分类[18]，宁夏属温带大陆性气候，夏热冬冷，80%以上的面积属于干旱和半干旱地区，降雨量少，蒸发量大，水资源分布不均匀[19]。夏季降水最多（100～400 mm），冬季最少（3～24 mm）。根据气候条件、农牧业分布和生态环境，宁夏可划分为3 个分区：引黄灌区（宁夏北部）、中部干旱区（宁夏中部）和南部山区（宁夏南部）[20]，如图1 所示。年均降水量北部小于200 mm，中部200～400 mm，南部400 mm以上。

图1 宁夏回族自治区地理高程和分区图

1.2 数据来源

长序列水资源量数据来源于1956—2016 年第3 次水资源调查评价和水资源公报；历年受旱面积、播种面积、因旱饮水困难人口、农村总人口等数据来源于抗旱规划（1990—2007年）和干旱灾害致灾调查（2008—2020年）。对于农作物数据和旱情旱灾数据，尤其是涉及人工填报的内容，均经过多轮验证和核对，校核数据来源准确、完整和可靠，以保证多年数据的可比性和一致性。

1.3 研究方法

1.3.1 干旱灾害危险性

干旱灾害危险性是指旱灾的自然变异因素及其异常程度，反应的旱灾形成自然背景。为了与气象干旱区分，本次评估主要基于水资源指标进行。干旱灾害危险性综合考虑区域水资源量的禀赋条件和负异常状态，分别用多年平均水资源量W和水资源异常指数D为指标，进行干旱灾害危险性（DT）计算。多年平均水资源量越小，说明天然禀赋条件越差，干旱灾害危险性越高，是负向指标；水资源负异常指数越大，说明枯水年份水资源偏离正常状态的程度越大，干旱灾害危险性越高，是正向指标。

干旱灾害危险性（DT）计算公式：

式中：Dnorm和Wnorm分别是归一化后的水资源负异常指数和多年平均水资源折合径流深，α和β分别为权重系数。其中，负异常指数计算公式：

式中：n为枯水年数（50%及以上来水频率下），xi为枯水年水资源量，σ为枯水年水资源量相对于多年平均水资源量的标准差，μ为多年平均水资源量。

1.3.2 干旱灾害风险评估

（1）干旱灾害影响。按照《干旱灾害风险调查评估与区划编制技术要求》，以年水资源量为指标，运用水文频率分析法进行水资源频率计算，采用P-Ⅲ曲线法进行适线分析，从而计算宁夏回族自治区22 个县级行政区5 年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇不同干旱频率下的水资源量。基于历史旱情旱灾统计数据，逐年进行历史旱灾影响分析，通过典型年法找出县级行政区不同干旱频率下的历史旱灾影响。

农业旱灾影响主要选择农业因旱受灾率为指标。

式中：Id为农业因旱受灾率，Ad为因旱受灾面积，A为农作物播种面积。

人饮困难情况主要选择因旱人饮困难率为指标。

式中：Pd为因旱人饮困难率，Nd为因旱饮水困难人口，Np为农村总人口。

（2）影响折算系数。考虑到随着水利工程建设，各地供水能力均有了较大提升，同一干旱频率下的影响随之减轻。通过分析不同干旱频率下现状年供水与历史典型年供水能力的差异，确定干旱灾害影响折算系数，建立不同干旱频率下现状年旱灾影响与历史典型年旱灾影响之间的关系。

将典型年农业因旱受灾率折算到现状年，折算系数为：

式中：x为典型年对应的水资源量，ωi为所求第i年的大中型水库蓄水量、调水量等供水情况，ω2020为现状年（2020年）的大中型水库蓄水量、调水量等供水情况。

将典型年因旱人饮困难率折算到现状年，折算系数为：

式中：W外引为典型年的外来引水量，W深层为典型年的深层地下水可用水量，W需为农村人口干旱时期需水量（用水定额），W总为现状年的总供水量，ΔW外引为现状年与典型年外来引水量的差额，ΔW深层为现状年与典型年深层地下水可用水量的差额。

（3）等级划分标准。将全区22 个县级行政区现状年不同干旱频率下农业因旱受灾率和因旱人饮困难率分别作为样本，采用百分位数法，将农业干旱灾害风险等级划分为高风险、中高风险、中风险、中低风险、低风险5个等级。

百分位数计算公式如下：

式中：Px为第x个百分位数，N为总频次，L为Px所在组的下限，f为Px所在组的次数，Fh为小于L的累积次数，i为组距。

1.3.3 干旱灾害风险区划

风险是灾害发生概率及其后果严重性的组合，更具体地说，风险定义为由自然或人为诱发危险因素相互作用而造成的有害后果或预期损失发生的概率。风险的两大要素：概率和后果，即R=P×L，P为灾害的可能性，L为灾害可能的后果。因此，从干旱灾害的影响程度和干旱灾害的发生概率2 个方面构建风险度R的计算模型，作为干旱灾害风险区划的判别指标，概念模型如图2所示。

图2 风险度计算示意图

农业干旱灾害风险度或因旱人饮困难风险度R的计算公式为：

式中：Pi为干旱频率（5 年一遇、10 年一遇、20 年一遇、50年一遇、100年一遇时，Pi取值分别为0.25、0.10、0.05、0.03、0.01）[21]，Li为对应频率Pi+1下的旱灾影响。

以干旱灾害风险度为风险区划指标，采用自然断点法进行干旱灾害风险区划等级划分，将农业干旱灾害和因旱人饮困难划分高风险区、中高风险区、中风险区、中低风险区、低风险区5个等级。采用矩阵法判断城镇干旱灾害风险情况，考虑水源结构和水源类型等条件，不同级别的县级行政区（地级市主城区、其他建制市、一般县）采用不同的划分标准，如表1所示，利用分级分类的方法确定城镇干旱灾害风险区划。结合农业灾害风险区划、因旱人饮困难风险区划和城镇干旱灾害风险区划，根据最不利原则确定干旱灾害综合风险区划。

表1 城镇干旱灾害风险区划等级划分标准

2 结果和讨论

2.1 干旱灾害危险性评估

水资源指标评估结果能够反映地区水资源禀赋条件。如果一个地区多年平均水资源量非常有限，就容易导致水源减少，供水不足等问题。水资源量年际变化受多种因素影响，包括气候变化、降水量、蒸发蒸腾和人类活动等。不同年份水资源量的变化情况，反映一个地区水资源量的稳定程度，如果水资源量的年际变化十分显著，尤其在偏枯的年份（大于50%来水频率），容易造成蓄水不足，导致供水量的短缺，进而影响居民生活和工业生产等各个方面。

根据经验总结和实际情况，确定平均水资源量Wnorm和负异常指数Dnorm权重分别为0.6 和0.4，由式（1）计算出基于水资源量的干旱灾害危险性指标（DT）结果，确定干旱灾害危险性等级，得到其空间分布如图3所示。

图3 宁夏回族自治区干旱灾害危险性空间分布图

水资源量归一化后，全国绝大部分Wnorm数值分布在0～0.6，均值为0.189，仅少数区（县）的平均水资源量（折合径流深）较大；宁夏回族自治区Wnorm变化范围为0.002～0.081，均值为0.015，远小于全国均值。负异常系数归一化后，全国绝大部分Dnorm数值都处于0.4～0.8，均值0.690，宁夏回族自治区Dnorm变化范围为0.622～0.906，均值0.745，表明宁夏的水资源负异常程度大于全国大部分地区。根据前文分析，DT值越小，干旱灾害危险性则越高，全国DT均值为0.390，宁夏DT均值为0.307，变化范围为0.250～0.377，由此表明宁夏回族自治区的干旱灾害危险性等级远高于全国平均水平。

全区干旱灾害危险性等级大部分为中高和高，共有18 个区（县），占总数的81.82%，无危险性等级为低的区（县）。危险性等级为高的区（县）有6 个，占比27.27%，主要是盐池县、同心县、中宁县、红寺堡区、海原县、原州区，其中吴忠市区（县）数量最多，占高危险性总数的50%；中高有12 个，占比54.55%，主要是西夏区、贺兰县、平罗县、青铜峡市、西吉县、隆德县、沙坡头区、灵武市、彭阳县、金凤区、兴庆区、利通区，银川市区（县）数量最多，占中高危险性总数的41.67%；中低有4 个，主要是永宁县、惠农区、泾源县、大武口区。从分区来看，危险性等级为中高和高的区域面积占全区总面积的90.96%，其中，高危险性占比47.18%，主要分布在中部干旱区，中高危险性占比43.78%，在引黄灌区、中部干旱区和南部山区几乎均匀分布，面积占比分别为17.05%、13.93%和12.80%；中低危险性区域占全区总面积的9.04%，主要分布在引黄灌区。

2.2 干旱灾害风险评估

2.2.1 农业干旱灾害风险评估

农业干旱灾害风险评估为政府和农业部门在农业政策制定、管理实践和投资决策上提供了科学依据，包括灌溉规划、作物选择、土地利用调整等方面，不仅有助于预测和应对潜在的农业干旱灾害，还可以优化资源分配、推动科学研究、促进可持续的农业发展和社会经济稳定。根据农业干旱灾害风险等级阈值标准，绘制全区不同干旱频率下农业干旱灾害风险图，如图4所示。

图4 不同干旱频率下宁夏回族自治区农业干旱灾害风险图

干旱频率从5 年一遇到100 年一遇，全区农业干旱受灾率整体呈不断变大的趋势，对应的干旱灾害风险等级也逐渐增高（图5）。5年一遇时，风险等级以低风险为主，占全区（县）总数的68.18%，少数区（县）为中低和中风险，无高风险和中高风险区（县）；10年一遇、20年一遇时，仍以低风险为主，分别占总数的59.09%和50.00%，中高风险主要分布在中卫沙坡头区和中宁县、银川贺兰县、吴忠利通区、固原隆德县，无高风险区（县）；50年一遇、100年一遇时，高风险区（县）占比分别为9.09%和13.64%，主要分布在中卫沙坡头区和固原隆德县，中高风险区（县）占比18.18%和22.73%，分布在吴忠利通区、红寺堡区和同心县，以及银川贺兰县。

图5 不同干旱频率下宁夏回族自治区农业干旱灾害风险等级

2.2.2 因旱人饮困难风险评估

因旱饮水困难人口是我国政府实施旱灾救助物资、资金发放的重要基础性依据[22]，基于地方水利部门和民政部门上报的灾情数据，评估不同水平年因旱饮水困难人口及其影响对制定相应的风险防范措施具有重要意义。按照因旱人饮困难风险等级阈值标准，绘制全区不同干旱频率下因旱人饮困难风险图，如图6所示。

图6 不同干旱频率下宁夏回族自治区因旱人饮困难风险图

与农业类似的，从5年一遇到100年一遇，全区因旱人饮困难率整体呈不断变大的趋势，对应的干旱灾害风险等级也逐渐增高（图7）。5年一遇、10年一遇、20年一遇时，风险等级以低风险为主，中高风险占比分别为13.64%、18.18%和22.73%，主要分布在吴忠红寺堡区、盐池县和同心县，固原西吉县和中卫海原县，无高风险区（县）；50年一遇、100 年一遇时，高风险占比分别为4.55%和18.18%，中高风险占比分别为18.18%和4.55%，高和中高风险主要分布在吴忠市大部、中卫市南部和固原市西部。

图7 不同干旱频率下宁夏回族自治区因旱人饮困难风险等级占比

同一地区农业干旱灾害风险和因旱人饮困难风险等级并不一致，表明宁夏回族自治区农业和人饮干旱灾害的形成原因和影响机制存在差异。中卫市，沙坡头区和中宁县农业干旱灾害风险偏高，海原县则是因旱人饮困难风险偏高。固原市和隆德县农业干旱灾害存在高风险，西吉县则是人饮困难方面存在中高风险；对于吴忠市，100年一遇干旱频率时，利通区农业干旱灾害是中高风险，而盐池县和同心县因旱人饮困难是高风险，红寺堡区农业和人饮分别为中高和高风险。农业干旱与降水量、土壤水分、灌区分布等因素有关，北部引黄灌区有灌溉条件，南部山区降水量相对较大，土壤水分相对充足，农业干旱灾害风险较低；中部干旱带一直是典型的缺水地区，植被稀疏，地表水和地下水匮乏，同时农村人口占比较大，大旱之年人饮工程如果得不到保障，群众生活将受到重大影响，所以饮水困难情况还与供水工程规模、供水一体化工程推进情况等方面有关。

2.3 干旱灾害风险区划

开展干旱灾害风险区划研究有利于掌握不同区域农业、城镇、人饮等分类干旱灾害风险程度及综合风险情况，了解不同区域干旱灾害风险特点和区划等级，为制定防灾减灾政策和区域风险应对措施等提供科学依据。基于农业干旱灾害和因旱人饮困难风险，根据风险区划标准，确定农业干旱灾害风险区划和因旱人饮困难风险等级，同时结合城镇干旱灾害风险区划，利用最不利原则，确定干旱灾害综合风险区划，如图8所示。

图8 不同类型干旱灾害风险区划

从农业干旱灾害风险区划来看，高风险区和中高风险区共有7 个，占比31.82%，主要分布在中卫市全市、银川市北部（贺兰县）、吴忠市西部（利通区和红寺堡区）及固原市南部（隆德县）；中风险区有4 个，分布在银川市中部（灵武市和永宁县）、吴忠市西南部（同心县）和固原市南部（泾源县）；低风险区和中低风险区共有11 个，占比50%。从面积和分区来看，高风险区主要分布在引黄灌区和中部干旱区，面积占比分别为9.86%和13.36%；中高风险主要分布在中部干旱区和南部山区，其中中部干旱区面积占比为12.71%；中风险在3 个区均有分布，其中中部干旱区面积最大，占比为12.78%。

从因旱人饮困难风险区划来看，高风险和中高风险区共有4 个，占比为18.18%，主要分布在吴忠市大部分地区（红寺堡区、盐池县和同心县）、中卫市南部（海原县）；中风险区有2 个，主要分布在固原市西部（西吉县和隆德县）；低风险和中低风险区共有16 个，占比为72.73%。从面积来看，因旱人饮困难风险区划以低风险区为主，面积占比达到50.20%；其次为高风险区，面积占比为26.86%；中高、中和中低风险区面积分别占8.52%、7.92%和6.51%。从分区来看，高风险和中高风险区主要分布在中部干旱区，中风险区主要分布在南部山区，而低风险区主要分布在引黄灌区。

从城镇干旱灾害风险区划来看，大部分地区为中低和低风险区，共有16 个区（县），占比72.73%；中高风险区4 个，分别为石嘴山市北部（大武口区、惠农区）、吴忠市（利通区）和中卫市（沙坡头区）；中风险区2 个；无高风险区。从面积来看，城镇干旱灾害风险区划以低风险区为主，面积占比约为66.56%；其次是中高风险区，占比约为17.03%。从分区来看，中高风险区主要分布在引黄灌区和中部干旱区，是由于城镇干旱灾害风险区划采用分级分类的方式，对于主城区，要求至少是两源或两源一备，才能保证区划等级在中低和低水平，这也对城市的主城区供水保障提出了更高的要求。

就干旱灾害综合风险区划来看，高和中高风险区共有11 个，占比达50%，主要分布在中卫市、吴忠市（除青铜峡市）、银川市贺兰县、固原市隆德县，石嘴山北部（大武口区和惠农区）；中风险区有5 个，占比22.73%；其他为中低和低风险区，占比27.27%。从面积来看，干旱灾害综合风险区划以高风险区为主，面积占比48.85%；其次是中风险区，占比19.22%；中高、中低和低风险区分别占比14.31%、14.70%和2.93%。从分区来看，高风险区主要分布在中部干旱区，占比38.70%，其次是引黄灌区；中高和中风险区在三大区均有分布，但整体分布较小，在中高风险区：中部干旱区＞引黄灌区＞南部山区，在中风险区：南部山区＞引黄灌区＞中部干旱区。

整体上，从高和中高风险区县个数来看（图9），干旱灾害综合风险＞农业干旱灾害风险＞因旱人饮困难风险＞城镇干旱灾害风险。在“十三五”期间，宁夏回族自治区各级政府和有关部门坚持致力于解决城乡供水问题，完善城乡供水基础设施，以城镇供水管网延伸和规模化供水为主，小型集中供水为辅的城乡供水体系，实现城乡供水同质同服务。一系列城乡供水一体化工程，关键性地解决了银川市、石嘴山市、吴忠市等地城乡居民“守着黄河缺水喝”的历史难题，农村居民饮水状况不断改善，因旱人饮困难风险和城镇干旱灾害风险普遍较低。

图9 不同类型干旱灾害风险区划等级情况

3 结 论

本文通过宁夏回族自治区干旱灾害危险性评估和干旱灾害风险评估与区划，得到以下结论。

（1）宁夏回族自治区干旱灾害危险性等级远高于全国平均水平，全区大部分区（县）干旱灾害危险性等级为中高和高，占区（县）总数的81.82%，面积占全区总面积的90.96%，其中，高危险性区域主要分布在中部干旱区，中高危险性区域在引黄灌区、中部干旱区和南部山区几乎均匀分布。

（2）干旱频率从5 年一遇到100 年一遇，其干旱灾害影响不断变大，对应的风险等级也逐渐增高。100 年一遇时，农业干旱灾害高和中高风险主要分布在中卫沙坡头区，固原隆德县，吴忠利通区、红寺堡区和同心县，以及银川贺兰县；因旱人饮困难高和中高风险主要分布在吴忠市大部、中卫市南部（海原县）和固原市西部（西吉县），农业干旱灾害和因旱人饮困难风险空间分布存在明显差异。

（3）干旱灾害综合风险区划高和中高风险区的区（县）个数占比达50%，主要分布在中卫市、吴忠市（除青铜峡市）、银川贺兰县、固原隆德县，石嘴山北部（大武口区和惠农区）；高风险区主要分布在中部干旱区，其次是引黄灌区，中高风险区在三大区均有分布，但整体分布较小。随着宁夏城乡供水一体化工程的推进，城乡居民饮水得到较大改善，因旱人饮困难风险和城镇干旱灾害风险普遍较低。

在极端干旱的条件下，宁夏回族自治区抵御农业干旱灾害高风险的能力需要进一步加强。围绕保障粮食安全，需要继续加强干旱灾害防御、加强灌溉用水管理、加强农业旱灾风险管理，加快大中型灌区建设和改造，做好农业生产水利保障，夯实农田灌溉和粮食丰收的坚实基础。随着因旱人饮困难风险等级逐渐增加，因旱人饮困难情况愈发严重，需要重点关注易发生严重干旱的区域，尤其是中高、高风险区（县）可能会面临的饮水困难问题，必要时及时采取有力措施极力保障农村供水安全，打通供水“最后一公里”。