河北省1995-2015年水旱灾害生态风险时空变化特征

谢宝妮, 秦占飞, 李 镇, 杨会彩

(1.河北地质大学 土地科学与空间规划学院, 石家庄 050031; 2.中国科学院 地理科学与资源研究所 生态系统网络观测与模拟重点实验室, 北京 100101; 3.河北省水资源可持续利用与开发实验室, 石家庄 050031)

干旱是河北省最严重的农业气象灾害[1-2]，而暴雨和强对流天气是河北省主要致人死亡的气象灾害[3-4]，二者也是影响作物产量的主要灾害因子。近30 a来全球气温上升迅速，极端降雨频率加剧[5]，同时伴随着人类活动与区域开发力度不断加大，生态系统类型、结构和功能发生强烈改变，水资源供需矛盾突出，导致区域水旱灾害生态风险日益加重。因此，对河北省水旱灾害的时空分布及对其生态风险进行评价，可更好的了解河北省不同地区水旱灾害生态风险变化情况。

区域生态风险评价(Regional Ecological Risk Assessment, RERA)是结合风险源、风险受体和生态终点，在区域尺度评价对自然和人为活动对生态系统产生的正面或负面影响的可能性[6]。目前，国外RERA多针对自然灾害(气象、水旱和地质等)[7-9]或特殊生态破坏(水域污染、矿区污染和生境破坏等)[10]进行研究，如湿地、水域、矿区、道路和突发性石油污染等。国内则侧重于流域自然灾害风险评价，风险源涉及洪涝、干旱、台风及冻灾等自然灾害[11]，也有部分涉及城市化等人为活动影响的生态风险评价[12]。内容在单风险因子[13-16]和多风险因子结合[17-19]方面均有涉及，且多数在流域尺度对景观类型风险进行评价[20-21]。

目前，研究者对河北省水旱灾害风险开展了多方面深入的研究，研究多集中在水旱灾害分布[22-29]、水旱灾害评价[13,30-36]、以及减灾政策方面[37-38]，而基于RERA对长时间序列水旱灾害生态风险时空变化研究相对较少。因此，本研究针对河北省水旱灾害生态风险问题，根据生态风险评价的定义和特点，基于RERA理论和GIS技术，构建综合生态风险模型，对河北省水旱灾害生态风险进行综合评价，并进一步分析近20 a水旱灾害生态风险时空转变过程。研究结果可为政府部门进行环境管理和决策提供科学依据。

1 研究区概况

河北省位于华北平原北部，属温带大陆性季风气候，经纬度范围为36°03′—42°40′N，113°27′—119°50′E，地形地貌复杂，北部为坝上高原和燕山山脉、西部为太行山脉、东部为丘陵及海滨地区、南部为华北平原。气候属温带大陆性季风气候，四季分明，雨量多集中在夏季，降水变率高达20%～30%[23]，年均气温从北部的0℃上升到东部的13℃，年降雨量300～800 mm。主要植被类型为亚高山草甸、针叶林及针阔混交林等。河北省有12个土类，以棕壤、褐土、潮土和栗钙土等土壤类型为主。

2 数据来源及处理

2.1 数据来源

1990—2015年京津冀24个气象站点月平均气温和降雨量数据来源于中国气象数据网(http:∥www.cma.gov.cn)，DEM(90 m)来源于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)，河流水系、行政区边界、以及1995—2015年每5 a间隔土地利用/土地覆盖、人口密度、GDP(1 km)数据来源于资源环境数据云平台(http:∥www.resdc.cn/)，为了便于分析，所有栅格数据重采样到1 km进行运算。

2.2 数据处理

2.2.1 数据标准化 由于各数据因子单位不同，需对其进行标准化处理，本研究采用公式法和专家分级赋值法对数据进行标准化[39]。当数据分布不规则时采用专家分级赋值法将其隶属度归一化取值到0.1～0.9值域，当数据分布规则时，采用公式法进行标准化，公式如下：

(1)

式中:I为原始序列;Imax和Imin分别为其最大值和最小值；N为进行标准化后的数据序列。

2.2.2 标准化降水蒸散指数 标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI)常用来表征气温和降水对干旱发生的共同效应。本研究使用1个月尺度的SPEI值进行干旱和雨涝等级划分[27,40-41](表1)，SPEI计算公式如下：

表1 SPEI等级分类标准

(2)

式中: SPEI为标准化降水蒸散指数；w为概率加权矩；常数c0=2.515517,c1=0.8022853,c2=0.010328,d1=1.432788,d2= 0.189269,d3=0.001308。本研究使用R软件中的SPEI包[42]进行SPEI计算,并将结果插值为1 km栅格数据。

2.2.3 降水量距平指标 降水变率可作为反映干旱或洪水的实时指标，河北省汛期多集中在6—9月，因此本研究基于月降雨量数据，计算每年汛期降水变率，公式如下：

(3)

3 评价过程

3.1 评价模型

本研究根据RERA理论，将生态风险(R)视为风险概率(P)、生态损失度(L)和社会经济易损度(V)3大因子的函数[43]，公式如下：

R=P×L×V

(4)

式中:R为生态风险；P为风险概率；L为生态损失度；V为社会经济易损度。

3.2 综合风险概率计算

3.2.1 干旱 风险源一般以其发生的概率、强度和范围来表述，本研究基于气象站点降水量和气温数据，计算SPEI值，按照表1标准统计每5 a间隔干旱频次，并使用反距离加权法进行空间插值，得到1995—2015年河北省每5 a间隔的以干旱发生频率度量的干旱风险分布数据。

3.2.2 洪水 河北省洪水灾害原因较多，主要包括气候、河流、地形、土壤等，其中气候为主导因素。本研究结合GIS方法，选取洪水频率、降雨量、地形和河流等因素，分析综合降水因子、综合地形特征和河流水系对洪水灾害的危险指数，然后基于层次分析法对三者进行权重叠加，得到洪水灾害风险分布数据。

根据降水变率越高(公式3)，降水越多，综合降水因子越大，洪水危害也越大的原则，采用专家打分法确定标准(表2)，并据此得到每5 a间隔降水变率影响度数据。根据高程越低，越易被洪水淹没，高程标准差越低，洪水危险指数越高的原则确定综合地形因子对洪水灾害影响的分级标准(表3)。距离河流越近，越易产生洪灾，且河流越宽影响范围越大，因此结合河流等级和高程数据，确定河流分级、缓冲区宽度及影响程度(表4)，一级为0.9，二级为0.8，其他区域为0.5，最终得到河流影响度分布图。

表2 降水变率和降雨量影响度分级

表3 综合地形因子影响度分级

表4 河流缓冲区分级及缓冲区宽度标准

采用层次分析法确定上述因子权重，通过求解判断矩阵，得到历史洪灾频次权重为0.455，综合降水权重为0.263，综合地形权重为0.141，河流水系权重为0.141。基于上述权重将各因子洪灾危险性影响度分布图进行叠加计算，得到洪水风险概率分布图。为了与土地利用和GDP数据时间相匹配，1990—1995年5 a间的总干旱及洪灾频率记为1995年干旱和洪灾频率，其余年份以此类推。最终通过专家咨询法确定干旱风险源权重为0.6，洪水风险源权重为0.4，叠加得到综合风险概率空间分布数据，公式如下：

P=0.6×P1+0.4×P2

(5)

式中:P为风险概率；P1为干旱风险源发生概率；P2为洪水风险源发生概率。

3.3 综合生态损失度计算

根据河北省土地利用数据，将耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地作为生态风险受体，通过建立景观类型损失指数、景观结构指数和景观脆弱度指数来确定综合生态损失度(公式6—8)：

(6)

Ri=Si×Fi

(7)

Si=a×Ci+b×Ni+c×Di

(8)

根据公式(7)计算得到Ri，将河北省划分为2 002个10 km×10 km的风险格网，计算每个格网的L值，然后将格网中心的L值转为点数据，采用普通克里金方法将其插值为栅格数据，得到河北省1995—2015年每5 a间隔综合生态损失度分布数据(1 km)。

3.4 综合社会经济易损性计算

社会经济条件可反映区域灾害易损性高低，本研究选取人口密度和GDP密度计算综合社会经济易损性来评价水旱灾害社会经济易损程度。根据两者统计特征(均值和标准差)，共划分5个等级，并赋值0.5～0.9的影响度(表5—6)，并将两者等权重相加，得到每5 a间隔综合社会经济易损度数据。

表5 GDP密度分级标准

表6 人口密度分级标准

利用公式(4)对综合风险概率、综合生态损失度和综合社会经济易损度者进行叠加计算，采用自然间断法进行5级分类，为了使结果具有可比性，将3者均标准化到1～10后进行计算，得到河北省1995—2015年每间隔5 a的综合生态风险数据。

4 结果与分析

4.1 水旱灾害综合风险概率时空变化

从图1可看出，1995—2015年河北省水旱灾害风险概率总体中等，中等风险以下等级占全域总面积51.39%～93.30%；较高风险和高风险占全域面积的6.70%～48.61%。He等[45]研究指出华北平原旱灾风险处于低和中等等级，本文与其研究结果较为一致。河北省1995—2010年水旱灾害综合风险概率总体呈上升趋势，上升区域主要分布在河北省北部地区，2010—2015年多数区域风险概率有所下降。安雪丽等[26]研究指出，1990—2000年河北省农业干旱频率呈上升趋势。车少静等[27]指出1990—1991年，1994—1996年河北省雨涝频繁，1997年全省出现特大干旱，可能是导致1995—2010年水旱灾害风险概率上升的原因。

图1 河北省水旱灾害综合风险概率时空变化

从空间分布上看，北部高原和山地地区水旱灾害风险概率1995年以中等风险和低风险为主，2000年、2005年风险等级有所上升，以中等风险为主。2010年该区几乎一半以上地区处于高风险等级，主要分布在张家口市北部及承德市西部，主要因为该时段干旱风险概率较高，2010年唐山市北部也处于高风险等级，主要因为该时段洪涝风险较高。2015年北部地区水旱灾害概率风险等级降低到中等风险以下。

南部地区1995年水旱灾害综合风险概率以低风险为主，2000年沧州市和衡水市转变为高风险等级，主要分布在子牙河、滹沱河及南运河流域，可能因为1997年全省出现特大干旱，1998年夏季中南部干旱严重，1998—2004年河北省南部旱涝频率较大，导致该区水旱风险较高[27]。南部地区水旱灾害风险概率2005年以中等和较高风险为主，2010年风险等级有所下降，以中等风险和较低风险为主，2015年风险等级进一步下降，以较低风险和低风险为主，保定市南部及沧州市东部均处于低风险等级。

4.2 水旱灾害生态风险时空变化

河北省各年份水旱灾害综合生态风险空间分布见图2。由图可知，河北省近20 a水旱灾害综合生态风险总体较低，北部、太行山山地等区域多处于低风险和较低风险等级，约占全省面积57.87%～74.10%，较高风险和高风险约占全省面积4.9%～20.08%，主要分布在南部平原地区。从时空变化来看，1995—2005年水旱灾害生态风险空间格局相似，张家口市、承德市、秦皇岛市及太行山山地等区域灾害风险等级均处于低风险和较低风险等级，时空格局变化不大。唐山市、保定市东南部、邯郸市和邢台市水旱灾害生态风险等级从中等风险转变为较高风险及高风险，风险等级呈上升趋势，主要因为该时段水旱灾害风险概率呈上升趋势。石家庄市、衡水市和沧州市水旱灾害生态风险等级变化较小，但均处于较高和高风险等级，且空间分布破碎度较大，表明这些区域易受到水旱灾害影响。2010—2015年河北省水旱灾害生态风险空间分布格局相似，风险等级与1995—2005年相比有所降低，降低区域主要位于南部平原，从中等风险下降到较低风险，可能因为综合社会经济易损度和水旱灾害风险概率下降导致，北部地区生态风险与2005年相比，空间格局差异不大。这些结果表明河北省近20 a来水旱灾害生态风险总体呈降低趋势。

图2 河北省1995-2015年水旱灾害生态风险时空分布

为进一步分析近20 a河北省水旱灾害生态风险时空变化情况，基于各年份空间分布图制作水旱灾害生态风险转移图谱，图3表示生态风险未发生等级转换的空间分布图，由图可知，各年份各等级未发生转变的区域均大于50%，其中2010—2015年所占比例最高(68.60%，图3E)，其次为1995—2000年(图3B)和2000—2005年(图3C)，分别占全省面积63.06%和60.52%，北部地区及太行山脉生态风险多处于1(低风险)→1，2(较低风险)→2，3(中等风险)→3，而南部则多处于3→3，4(较高风险)→4。图3F为近20 a风险等级从未发生改变的区域，约占全区28.60%，以1→1，2→2为主，主要分布在张家口市中东部、承德市西部及保定市东部区域，风险等级多处于低风险和较低风险等级，表明这些区域水旱灾害生态风险较低。

图4表示发生转变的水旱灾害生态风险等级转移图谱，近20 a河北省水旱灾害生态风险等级以下降为主(图4A)，下降面积约占全区37.70%，以2→1，3→2为主，生态系统以森林和草地为主，主要分布在南部平原区、承德市中部、唐山市及秦皇岛南部等区域。在每5 a间隔风险等级转变中，2005—2010年风险等级下降面积最多(图4D)，约占全区总面积38.56%，以3→2，4→2为主，生态系统以农田和水域为主，主要分布在冀中南地区、唐山市中部，承德市也有零散分布，可能因为社会经济易损度在此时段有所下降。1995—2000年风险等级下降面积次之(图4B)，约占全区总面积28.58%，以2→1，4→3，3→2为主，主要分布在承德市中部、唐山市、廊坊市及邢台市北部等区域。

注：图中1表示水旱灾害生态风险等级处于低风险等级、2表示较低风险等级、3表示中等风险等级、4表示较高风险等级、5表示高风险等级，如1→1表示两个间隔年均处于低风险等级。

图4 河北省1995-2015年水旱灾害生态风险转移空间图谱

河北省水旱灾害生态风险等级上升的区域与未变化和下降区域相比较少，近20 a来约11.07%的区域风险等级有所上升(图4A)，以1→2，2→3及3→4为主，主要分布在张家口坝上地区、冀中南南部等区域，以农田和城镇生态系统为主，主要因为这些区域综合生态损失度较高，表明这些区域生态环境仍需进一步改善。2000—2005年风险上升区域最多(图4C)，约占全省面积27.99%，以1→2，3→4，2→3，2→4为主，主要分布在张家口市坝上地区、承德市中北部、唐山市中南部、保定市东部、邢台市和邯郸市大部分地区。2010—2015年风险上升区域面积次之(图4E)，约占全省面积19.96%，以2→3，1→2，2→4及3→4为主，主要分布在张家口市南部、冀中南东南部等地区。1995—2000年(图4B)和2005—2010年(图4D)这两个时段风险等级上升区域较少(8.36%和7.72%)，以1→2，3→4，2→3为主，主要分布在坝上地区、冀中南南部及唐山市北部等地区。

为了查明河北省水旱灾害生态风险的主要贡献因素，将河北省水旱灾害生态风险与干旱、洪涝、综合生态损失度和综合经济易损度这4个影响因子进行灰色关联分析[46]，得到灰色关联排序为：洪涝风险率排序第1(0.87)、经济易损度第2(0.86)、生态损失度第3(0.77)、干旱风险率第4(0.67)，表明河北省近20 a水旱灾害生态风险的降低，主要与洪涝灾害风险率降低有关。使用同样方法对河北省11个地市水旱灾害生态风险变化驱动因素进行分析，结果见图5：总体来说河北省东北部主要受洪涝风险率影响，此外经济易损度也会对生态风险产生影响；西部多数地市受经济影响较多，但其与洪涝风险率和生态损失度相差不大；沧州市受生态损失度影响较多。

图5 河北省1995-2015年水旱灾害生态风险影响因素分析

5 讨论与结论

综上，河北省1995—2015年水旱灾害生态风险有所波动，但整体呈下降趋势。高风险区主要分布在南部及城镇区域，这与区域生态环境基础和经济活动直接相关。水旱灾害生态风险以2005年为转折年、2005年之前整体风险稍高于2005年之后，主要原因是90年代和21世纪初期，由于人类活动加剧，生态环境急剧恶化，旱灾较多，据统计，1991年10月—1993年4月，河北省南部平原地区部分县市持续干旱长达22个月，1997年特大旱灾，全省122个县受旱，其中严重干旱县多达83个[47]。2000年以后，国家实施了退耕还林还草、调整农牧业产业结构等生态环境恢复与建设措施，使得区域生态环境好转，同时也增加了社会经济抗风险能力，使得2005年以后水旱灾害生态风险低于2005年，尤其是南部地区。但南部地区2015年风险等级与2010年相比有所上升，主要因为河北省2009年1月和8月均遭遇重大旱灾[48]，致使该区2015年生态风险等级有所增加。

河北省近20 a来约57.87%～74.10%的区域水旱灾害生态风险处于低风险和较低风险等级，约28.60%的区域风险等级一直未发生改变，主要位于三北防护林区域。为了改善生态环境，从70年代开始，河北省先后实施了“三北”防护林和京津冀风沙治理等一系列植被恢复工程，北部植被覆盖度增加明显，表明植被恢复工程可减少干旱、风沙危害及水土流失等自然灾害，从而减缓景观生态风险的快速增长。但也有研究指出植被恢复可能会减少区域径流和土壤水分，使土壤湿度下降，在水资源缺乏地区进一步加剧景观生态风险[49]。造林树种选取不当或树种单一，可能会造成人工乔木林枯死，同时降低土壤肥力。因此，今后在坝上地区植被恢复工程中应以草地和灌木为主、选取节水效果较好的人工植被物种。

以往文献指出，河北省干旱灾害频繁，但本研究通过分析发现，在长时间尺度，洪涝和经济因素与水旱灾害生态风险关联度较高，主要原因为：(1) 本文在判定洪涝和干旱风险时基于气象数据进行的风险概率分析，未考虑历史洪灾和旱灾；(2) 植被恢复在一定程度上会缓解旱灾和洪涝风险，本研究中洪涝成为主要因素也可能与河北省水利工程标准偏低有关[47]；(3) 近20 a河北省GDP总体呈上升趋势，区域主要经济来源对农业生产依赖降低[48]，使经济易损度有所下降，与生态风险趋势一致，导致经济因素与水旱灾害生态风险关联度较高。

本文以RERA理论为基础，基于气温、降雨、地形、土地利用、人口密度和GDP等多源数据，以水旱灾害为风险源，以耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6种景观类型为风险受体，分析河北省1995—2015年水旱灾害生态风险时空变化情况。河北省近20 a水旱灾害生态风险总体风险较低，57.87%以上的区域风险等级处于低风险和较低风险等级，主要位于坝上高原、太行山脉、燕山山脉等地区。从时空变化来看，河北省水旱灾害生态风险总体呈现降低趋势，下降面积约占全区37.70%，降低区域多集中在冀中南北部、承德市中部及唐山市等地区，以较低风险向低风险转变和中等风险向较低风险转变为主。

本研究基于RERA理论从时空变化的角度对河北省水旱灾害生态风险时空变化进行分析，受数据资料限制，研究区气象站点稀少(仅24个气象站点)，对降雨和气温的插值分析会在一定程度上影响对水旱风险源的定量描述，在今后研究中可考虑高精度气象再分析数据或遥感反演气象数据，以期提高模型精度。此外，应进一步开发区域生态风险评价的定量化指标体系，构建数学或物理模型，使得研究结果更具普适性。