四川省单季稻暴雨洪涝灾害风险区划

卿清涛,徐金霞,周 斌,徐沅鑫,邓国卫,钟燕川,张玉芳

(1 四川省气候中心,四川 成都 610072;2 高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室,四川 成都 610072;3 四川省农业气象中心,四川 成都 610072)

受季风气候的影响，我国暴雨主要集中出现在夏季，也是工农业生产旺季，暴雨引发的灾害损失是最严重的气象灾害之一[1]。根据灾情统计，四川省主要气象灾害以干旱受灾面积最广，而暴雨洪涝的损失最大[2]。

水稻是我国也是四川省的主要粮食作物，其抵御渍涝灾害的能力较强，但如果经历长时间持续降水或强降水，或被洪水较长时间淹没，仍会造成大面积的减产甚至绝收。夏季暴雨盛发季节正是水稻生产关键期。研究认为，暴雨洪涝灾害对宿迁地区水稻生产造成的平均灾损率为1.8%[3]；中国平均每年由于洪涝灾害造成的水稻产量损失，约占其所有灾害损失的25%[4]，可见暴雨洪涝灾害对水稻的生产危害很大。目前，国内外学者在洪涝灾害对不同生育期水稻生产的影响、水稻洪涝灾害指标、水稻抗涝能力等方面进行了大量的研究[5-7]。洪涝灾害的影响不仅与水稻所处的生育期有关，而且与淹没时间长短和淹没深度有关；相对而言，移栽期至返青期、返青期至分蘖期、分蘖期至孕穗期降水对水稻的产量形成影响较小，抽穗期至乳熟期降水会造成空壳率及秕谷率增加[8]。

气象灾害的风险区划[9]一般从致灾危险性、承灾体暴露性、承灾体脆弱性与防灾减灾“四因子”概念出发，研究各因子所包含的区划指标，构建区划模型，基于GIS技术绘制风险区划图，区划灾种包括暴雨洪涝[10-14]、雾霾[15]、冰雹[16]等。近几年，许多学者基于自然系统理论[17]和农业气象灾害风险评估方法[18-19]，逐渐开展作物的气象灾害风险区划，如将冷害发生概率、种植面积和单产减产率分别作为致灾危险性、承灾体暴露性和承灾体脆弱性指标，开展了水稻低温灾害风险区划研究[20]；通过计算作物关键生育期水分亏缺指数和热量指数，建立干旱指标和冷害指标，构建基于玉米干旱灾害和冷害风险评价模型，并得出灾害发生的频次和强度以及防灾减灾能力是决定灾害风险等级最关键的2个影响因子[21]。

前人对四川省单季稻气象灾害的研究主要集中在低温冷害、高温热害[22]；或是将整个四川省水稻生产区作为一个分区开展了西南地区水稻洪涝灾害风险评估与区划研究[23]，但四川省地域宽广，地形地貌复杂，各地气候差异大，导致水稻生育期时间各有不同。目前关于四川省水稻的暴雨洪涝灾害风险区划研究很少。本研究在以往前人的基础上，根据灾害风险理论、水稻各生育期的特点以及暴雨的气候规律[2,24]，以四川省单季稻洪涝敏感期(拔节期-成熟期)为研究时段，综合分析四川省水稻不同生育期的洪涝灾害发生情况及影响程度，从暴雨洪涝灾害的危险性、暴露度、脆弱性和防灾减灾能力入手，构建区划模型，开展四川省单季稻暴雨洪涝灾害风险区划研究，以期为单季稻主产区的防灾减灾和种植制度调整提供参考。

1 研究资料与方法

1.1 资料来源

气象观测资料：1961-2017年四川省单季稻种植区123个气象站逐日降水资料。

农业气象观测资料：1986-2015年四川省单季稻种植区46个农业气象观测站不同生育期(播种期、分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、成熟期)单季稻的生长发育情况，水稻空壳率及农业气象观测站所在县的水稻平均产量和种植面积。

地理信息资料：四川省1∶100万GIG数据的水系和行政边界资料，分辨率为30 m×30 m的高程数据。

社会经济资料：2016年四川省统计年鉴资料，包括各县的GDP、农村人口、农业总收入、耕地面积、机械总动力、旱涝保收面积比等。

1.2 研究区域和单季稻洪涝敏感期时间的划分

根据四川省农业气象观测站多年的观测资料以及水稻产量资料，得出省单季稻主要产区位于四川盆地区和攀西地区，结合四川省气候区划结果[25]将单季稻产区具体划分为7个区域：成都平原区(Ⅰ)、盆中丘陵区(Ⅱ)、盆南丘陵低山区(Ⅲ)、盆东平行岭谷区(Ⅳ)、盆北深丘低山区(Ⅴ)、川西南山地半湿润气候区(Ⅵ)和川西南山地干热河谷区(Ⅶ) (图1)。

四川省暴雨洪涝灾害盛发时段为盛夏，结合洪涝对水稻生育期的影响以及水稻生育期时间观测统计结果，确定四川省单季稻暴雨洪涝灾害影响的敏感时段为拔节期-孕穗期、孕穗期-抽穗期和抽穗期-成熟期。根据农业气象观测资料统计的四川省单季稻暴雨洪涝敏感期的时段划分结果见表1。

1.3 研究方法

本研究从暴雨洪涝灾害的致灾危险性、承灾体脆弱性、承灾体暴露性、防灾减灾能力4个方面，分析暴雨洪涝灾害的风险等级。四川省单季稻暴雨洪涝区划方法主要运用百分位法、归一法、加权平均法、层次分析法和自然断点法[10-13,15]。依据层次分析法计算各评价指标的权重系数，结果见表2。

表2 单季稻洪涝灾害风险区划指标及其权重值Table 2 Regionalization index and weight value of flood disaster for single cropping rice

2 四川省单季稻暴雨洪涝风险区划指标体系的构建

2.1 致灾危险性因子

根据灾害风险区划理论，致灾危险性通常考虑灾害出现的频次和强度。本研究中致灾危险性因子主要考虑各区域单季稻敏感生育期暴雨洪涝灾害出现的频次和强度。利用1961-2017年四川省单季稻主产区123个气象站逐日降水资料，按单季稻生育期分别统计1～10 d及10 d以上的降水过程，并要求过程中至少有1 d降水量≥50 mm，建立不同历时的10个序列，利用百分位法，分别统计第60，80，90，95，98百分位过程雨量，将暴雨强度分为5级。根据此分级结果，使用加权指数法计算致灾危险性因子(H)：

(1)

式中:H为危险性因子;Sj为水稻各生育期暴雨洪涝危险指数；Wj为各生育期暴雨洪涝权重， 根据专家打分法确定，拔节期-孕穗期、孕穗期-抽穗期、抽穗期-成熟期Wj分别取值0.3,0.4,0.3；WWi为不同等级暴雨频次的权重系数，根据层次分析法确定，具体取值见表2；Pi为不同等级暴雨的频次。

2.2 承灾体脆弱性因子

脆弱性是指承灾体承受一定的灾害强度打击后受到损失的容易程度，反映了承灾体抵御灾害的能力。对于单季稻暴雨灾害而言，主要考虑地形、水系和坡度3个指标，计算模型见式(2)：

V=Wv1×T+Wv2×W+Wv3×S。

(2)

式中：V为脆弱性因子；T、W、S分别为地形指标、水系指标和坡度指标；Wv1、Wv2、Wv3分别为地形、水系和坡度的权重值，由层次分析法确定，分别为0.400，0.400，0.200。

2.2.1 地形指标 地形指标主要考虑高程和高程标准差，因为地势如果低洼平坦，洪水难以迅速宣泄，易于造成暴雨洪涝灾害。表3是高程和高程标准差组合的地形指标赋值，据此可获得T值。

表3 地形高程及高程标准差的组合赋值Table 3 Combination weighting approach results of digital elevation and standard deviation

2.2.2 水系指标 水系指标采用河网密度指数表示，将一定半径范围内的河流总长度作为中心格点的河流密度，半径大小使用系统缺省值。本研究使用30 m×30 m网格DEM数据，在ArcGis平台计算河网密度，即可获得W值。

2.2.3 坡度指标 本研究利用30 m×30 m的网格DEM资料，在ArcGis平台计算坡度指标。坡度(SLOPE)是反向因子，坡度越大，越不利于洪涝形成。坡度指标的计算公式如下：

(3)

2.3 承灾体暴露性因子

暴露性是指在致灾因子影响范围内承灾体的数目和价值，只有当灾害风险源有可能危及风险承灾体时，才会产生灾害风险，暴露性越大，灾害风险也越大。本研究利用四川省单季稻种植面积与耕地面积的比值(水稻种植率)建立单季稻暴露性(E)评估模型：

E=Srice/Scul。

(4)

式中：E为暴露性因子，Srice为某县的水稻种植面积，Scul为该县的耕地面积。

2.4 防灾减灾能力因子

防灾减灾能力是受灾区对气象灾害的抵御和恢复程度，是为应对水稻暴雨洪涝灾害所造成损害而进行的工程和非工程措施。考虑到这些措施和工程建设必须要有当地政府的经济支持，本研究以2016年四川省社会经济资料为基础，考虑农村人口人均收入(农业总收入/农村人口)、机械总动力和旱涝保收面积比作为防灾减灾指标，采用加权法构建防灾减灾模型。

R=Wr1×G+Wr2×M+Wr3×A。

(5)

式中：R为防灾减灾能力因子；G、M、A分别为四川省农村人口人均收入、机械总动力、旱涝保收面积比指标值；Wr1、Wr2、Wr3为以上3个指标相应的权重值，采用层次分析法确定，分别为0.297，0.165和0.538。

2.5 四川省单季稻暴雨洪涝灾害区划模型

在上述分析的基础上，建立以致灾危险性、承灾体暴露性、承灾体脆弱性和防灾减灾能力因子为基础的四川省单季稻暴雨洪涝灾害区划模型。根据自然灾害风险区划理论，组成风险的各因子影响是非线性的，通常采用多元指数相乘模型，具体计算公式如下：

P=Hwh×Ewe×Sws×(1-Rwr)。

(6)

式中：P为水稻暴雨洪涝风险指数；H、E、S、R分别致灾危险性因子、承灾体暴露性因子、承灾体脆弱性因子、防灾减灾能力因子；wh、we、ws、wr为以上4个指标对应因子的权重值，采用层次分析法确定，分别为0.567，0.224，0.134和0.074。

依据公式(1)～(6)，分别计算四川省单季稻暴雨致灾危险性因子、脆弱性因子、暴露性因子、防灾减灾能力因子和暴雨洪涝风险指数，在ArcGis平台上进行插值计算，采用自然断点法进行分级，即可得到相应的区划图。

3 结果与分析

3.1 四川省单季稻暴雨洪涝危险性的区划

图2为四川省单季稻不同生育期暴雨洪涝致灾危险性区划结果。由图2-a可见，1961-2017年四川省水稻拔节期-孕穗期，暴雨洪涝危险区等级以中等和低等危险区为主，盆北深丘低山区、盆南丘陵低山区、川西南山地干热河谷区和川西南山地半湿润气候区为低危险区；盆中丘陵区的大部分地区、成都平原区和盆东平行岭谷区的大部分地区为中等危险区；盆中丘陵区的雅安东部、眉山中部和乐山西北部均是高危险区，另外盆中丘陵区北部的绵阳中部、德阳北部局部地区以及盆东平行岭谷区的局部地区也是高危险区。

由图2-b可知，四川水稻孕穗期-抽穗期暴雨低危险区主要集中在盆中丘陵区和盆北深丘低山区的东部以及盆南丘陵低山区的大部分地区、川西南山地半湿润气候区北部和东部；高危险区面积明显比拔节期-孕穗期大，包括成都平原区西南部、盆中丘陵区西南部和西北部、盆北深丘低山区广元市的西部以及川西南山地干热河谷区局部地区；其余地区为中等危险区，其面积比拔节期-孕穗期明显减小。

由图2-c可知，四川水稻抽穗期-成熟期暴雨洪涝高危险区集中在两个区域，其中一个区域为盆中丘陵区西南大部分地区，另外一个是盆东平行岭谷区绝大部分地区；中等危险区主要集中在盆中丘陵区西北部和西南部地区、盆北深丘低山区的北部以及盆南丘陵低山区局部地区等；低危险区的面积最大，包括川西南山地干热河谷区和半湿润区、成都平原、盆南丘陵低山区的大部分地区以及盆北深丘低山区的西部地区。

由图2-d可知，四川水稻全生育期暴雨洪涝危险等级分布特征比较明显，其中种植区域的南半部基本为低危险等级区，包括川西南山地干热河谷区和半湿润气候区以及盆南丘陵低山区，除此以外，盆北深丘低山区局部地区以及盆中丘陵区的一些零散区域也是低危险区；高危险等级区集中盆中丘陵区西南部和绵阳西部地区以及盆东平行岭谷区；成都平原区以及盆中丘陵区和盆北深丘低山区的大部分地区都是中等危险区。

3.2 四川省单季稻暴雨洪涝脆弱性的区划

图3是四川省单季稻暴雨洪涝脆弱性敏感等级的区划结果。由图3可以看出，四川水稻暴雨洪涝脆弱性中高敏感区位于成都平原区和盆中丘陵区大部分地区以及盆东平行岭谷区的谷地、盆南丘陵低山区的丘陵地区，低敏感区主要集中在川西南山地干热河谷区和半湿润区、盆北深丘低山区大部分区域、成都平原区和盆中丘陵区与高原山地接壤的区域、盆南丘陵低山区的山地以及盆东平行岭谷区的岭地。脆弱性的敏感程度与地形、坡度密切相关，平原浅丘区域地形平坦，坡度小，水系相对丰富，更容易形成洪涝；而高山岭地区域对降水的截留能力差，不易形成洪涝。

图3 四川省单季稻暴雨洪涝脆弱性区划等级的的空间分布Fig.3 Spatial distribution of flood damage vulnerability zoning of single cropping rice in Sichuan

3.3 四川省单季稻暴雨洪涝暴露性的区划

图4为四川省单季稻暴雨洪涝暴露性的区划结果。由图4可见，单季稻暴雨洪涝高暴露区域主要集中在盆北深丘低山区西部、盆东平行岭谷区、盆南丘陵低山区东南部以及盆中丘陵区东南的内江和自贡的部分地区，其中E值高于0.75的高值区在盆东平行岭谷区和盆北深丘低山区西部，呈现片状分布, 包括达州市、广元市西北部和绵阳市北部。中等暴露区域分布面积较广,主要集中在川西南山地干热河谷区和半湿润区、盆中丘陵区北部、盆北深丘低山区东部和南部。当上述地区发生严重洪涝灾害时, 因水稻种植面积比例大，暴露度高，减产的可能性大。而在成都平原区、盆中丘陵区南部和中部以及盆北深丘低山区的中部地区,单季稻种植比例低，属于低暴露度区域,单季稻受暴雨洪涝灾害影响较小。

3.4 四川省单季稻暴雨洪涝防灾减灾能力区划

图5是四川省单季稻暴雨洪涝防灾减灾能力区划等级的分布。由图5可见，四川水稻暴雨洪涝防灾减灾高能力区域集中在成都平原区以及邻近的盆中丘陵区；低防灾减灾能力区主要集中盆北深丘低山区、盆东平行岭谷区以及川西南山地半湿润区的大凉山地区。防灾减灾能力高低与当地的农业水利设施和经济发展水平密切相关，防灾减灾能力高的区域，抵御暴雨洪涝灾害的能力越强，暴雨洪涝造成的损失相对较低，反之亦然。

3.5 四川省单季稻暴雨洪涝灾害的区划

图6是四川省单季稻暴雨洪涝灾害风险区划等级的空间分布。由图6可见，四川省水稻暴雨洪涝灾害以中、低风险区为主。高风险区分布在3个连片区域，一是盆中丘陵区的西南部，包括雅安市东部、眉山市的中部以及乐山市的西北部等地；二是盆东平行岭谷区，包括广安市和达州市的大部分地区；三是盆中丘陵区西北部，包括绵阳市中西部和西南部、德阳市中部，其中盆东平行岭谷区降水量丰富，水稻种植面积和种植比例高，多数地方经济发展水平一般，因此水稻暴雨洪涝风险等级高。上述3个地区均属于四川省三大暴雨集中区，分别为以达州市为中心的大巴山暴雨区、以雅安市为中心的青衣江暴雨区和以绵阳市为中心的盆西北暴雨区。中等风险区包括成都平原区、盆中丘陵区、盆北深丘低山区的东部、盆南丘陵低山区的丘陵地区以及川西南山地干热河谷的局部区域。低风险区主要位于四川水稻种植区的南部、北部地区，其中南部包括川西南山地干热河谷区和半湿润区、盆中丘陵区南部与川西南山地接壤的区域以及盆南丘陵低山区的盆周山区区域，北部包括盆北深丘低山区的大部分区域，这些区域暴雨危险等级中等或偏轻，山地多，地形起伏大，当地水稻种植率较低，因此水稻暴雨洪涝风险等级低。

图6 四川省水稻暴雨洪涝灾害区划等级的空间分布Fig.6 Spatial distribution of flood disaster risk zoning of single cropping rice in Sichuan

4 讨 论

水稻是四川省最主要的粮食作物之一，其生长发育阶段跨整个汛期，近年来四川省汛期极端降水事件增加，盆地秋雨也进入了年代际秋雨偏多期，使得暴雨洪涝灾害对水稻的影响增大。本研究以四川省单季稻的农业气象观测资料以及气候分区研究为基础，将四川省单季稻主产区分为7个区域，并结合暴雨洪涝对水稻生育期的影响以及水稻生育期的观测统计结果，确定了不同区域的水稻生育期时间，最终以对水稻暴雨洪涝敏感的3个生育期作为研究时段，利用百分位法计算不同生育期各级暴雨频次，通过层次分析法确定影响权重，计算水稻不同生育期和全生育期暴雨洪涝危险因子，更为客观地反映了暴雨洪涝对各区域单季稻生产的危险程度。本试验对单季稻暴雨洪涝灾害脆弱性进行研究，同时考虑了地形、水系、坡度3个要素的影响，资料更为全面[26]，这是因为水系越发达的区域，其对暴雨洪涝灾害的承受能力越低，坡度大的区域有利于降水排泄，不易造成洪涝灾害。因此，综合多个指标得到的水稻暴雨洪涝风险评估区划结果在空间分布上更加精细，得到的水稻暴雨洪涝灾害区化等级空间分布更符合四川省单季稻生长的实际情况。

本研究对四川省单季稻暴雨洪涝风险评估模型的构建，是基于暴雨洪涝对各区域水稻的综合影响，结合了不同等级暴雨频次、地形、水系、坡度、水稻种植率、农村人口人均收入、机械总动力和旱涝保收面积比等因素影响，因此其详细地反映了四川省各个不同区域水稻暴雨洪涝灾害的风险等级。本研究还存在一些不足，如水稻属于沼泽作物，在分析危险性因子的影响时仅考虑了暴雨级的降水影响，而对降水量低于50 mm的降水未做考虑。此外在暴露性和防灾减灾能力在研究过程中，资料是以县域为单位进行分析的，对县域内部不同区域的差异还需进一步精细化。在研究过程中，本研究也未考虑水稻品种、排水措施、人为管理措施等对水稻洪涝的影响，且四川省水稻生育期伴有多种灾害，影响水稻安全生产的气象灾害除了暴雨洪涝之外，还有干旱、高温热害、低温冷害等，本研究仅仅讨论了暴雨洪涝对水稻的影响，不同灾害对水稻生产的共同影响也将是今后研究的主要目标。

5 结 论

本研究以暴雨洪涝对水稻生长发育影响为基础，确定了四川省单季稻拔节期-孕穗期、孕穗期-抽穗期和抽穗期-成熟期为暴雨洪涝灾害敏感期，根据灾害区划的理论，从组成灾害风险的致灾危险性、承灾体脆弱性、承灾体暴露性和防灾减灾能力4个方面，构建了四川省单季稻暴雨洪涝风险区划指标体系和模型，最终将四川省单季稻暴雨洪涝灾害区划分为低、中等、高风险区，其中高风险区集中在盆中丘陵区西南部的雅安东部、眉山中部和乐山西北部，盆中丘陵区西北部的绵阳中西部和德阳中部区域以及盆东平行岭谷区的达州、广安绝大部分区域，上述地区均属于四川省三大暴雨集中区。