旱灾风险评估的初步理论框架

发布时间：2016-08-31 19:10

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第29卷第3期2014年7月

灾害学

JOUＲNALOFCATASTＲOPHOLOGY

Vol.29No.3Jul.2014

．灾害学，2014，29（3）：1－10．［JinJuliang，LiJian-金菊良，郦建强，周玉良，等．旱灾风险评估的初步理论框架［J］

qiang，ZhouYuliang，etal．ＲesearchontheTheoreticalFrameworkofDroughtＲiskAssessment［J］．JournalofCatastrophology，2014，29（3）：1－10．］

旱灾风险评估的初步理论框架

金菊良

1，2，3

*

，郦建强4，周玉良1，2，费振宇1，2，蒋尚明5，袁潇晨3，何

君

6

（1．合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009；2．合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所，安徽合肥230009；

3．北京理工大学能源与环境政策研究中心，北京100081；4．水利部水利水电规划设计总院，北京100011；5．安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽省水利水资源重点实验室，安徽蚌埠233000；

6．北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室，北京100875）

摘要：旱灾风险评估是定量认识旱灾风险机理、科学防控旱灾风险的重要基础性研究，在旱灾风险管理理论

与实践中具有重要意义。根据旱灾风险的形成机制，在旱灾风险评估基本概念分析的基础上，提出并系统地阐述了由旱灾致灾因子危险性、承灾体的灾损敏感性、暴露和抗旱能力组成的旱灾风险系统。在此系统结构基础上提出了旱灾风险评估方法论和旱灾风险评估理论模式，进而建立了由致灾因子危险性分析、承灾体脆弱性分析、旱灾损失风险分析、旱灾风险评价、旱灾风险决策分析方法组成的旱灾风险评估方法体系，以及由干旱频率与旱灾损失关系曲线图、干旱频率空间分布图、旱灾损失空间分布图、与旱灾风险有关的致灾因子危险性分布图等各种专题图、旱灾风险区划图组成的旱灾风险评估应用模式体系。由上述旱灾风险系统结构、旱灾风险评估方法论和理论模式、旱灾风险评估方法体系和应用模式体系组成旱灾风险评估的初步理论框架，该理论框架在其它自然灾害风险评估中具有参考应用价值。

关键词：旱灾风险评估；理论框架；旱灾风险系统；方法论；理论模式；应用模式中图分类号：S423；X43

文献标志码：A

文章编号：1000－811X（2014）03－0001－10

doi：10.3969/j.issn.1000－811X.2014.03.001

若干旱在大范围内长时间持续不断，则可能出现大规模粮食绝收、水源急剧短缺，生态环境恶化，人民失去生存条件等恶劣情况，引发严重社会问题，产生干旱灾害（简称旱灾）。旱灾是全球普遍发生的，易引发贫困和社会不稳定的重要气象水文灾害，自古以来也是中国重大自然灾害

［1－3］

。由于东南和西南夏季风气候的不稳定之一

性，尤其是夏威夷高压势力的大小及位置的变动性，降水量及其季节、年际变化大，导致中国旱灾发生范围广、频次高、持续时间长，不仅在干旱、半干旱气候区发生，在湿润、半湿润气候区也有旱灾发生，主要分布在黄淮海干旱区、东北干旱区、西南地区、华南地区、内蒙古自治区、

［4－8］

。据统计，秦朝西藏自治区、长江中下游地区

至清代2133年间，全国较大旱灾平均每年发生1.34次；公元前206年至1949年，全国发生较大旱灾1056次，平均每两年发生一次，如1928－1929年陕西大旱，陕西全境共940万人受灾，死

［1］

亡达250万人，逃者40余万人。由于湿润、半湿润气候区人口稠密、城市众多、经济发达，受到偶发性干旱的影响时，就会形成重大灾情，故也是中国旱灾严重的地区。作为干旱灾害科学、技术和管理科学重要组成部分的旱灾风险评估，是定量认识旱灾风险的有效途径，是旱灾风险控制和管理的前提和基础，也是制定防治旱灾对策、规划防治区域、实施防治措施，以及优选防灾项目、进行项目管理的基础。准确的旱灾风险评估是旱灾风险管理的决策依据，是防旱抗旱的基础环节，也是社会经济可持续发展的迫切需要，具

［2，9－11］

。随着人口和有重要的理论意义和应用价值

经济的不断增长，旱灾发生频度和成灾强度呈增加趋势。尽管国内外旱灾研究历史久远，但有关

*

收稿日期：2014－01－15修回日期：2014－04－03

；国家自然科学基金项目（71273081，41171075，基金项目：水利部重大基建前期项目“全国干旱区划及旱灾风险评估研究”

51109052）；水利部公益性行业科研专项经费项目（201001043）；中国气象局成都高原气象开放实验室基金课题

（LPM2011002）

作者简介：金菊良（1966－），男，江苏吴江人，博士，教授，从事水资源系统工程研究．E－mail：JINJL66@126.com

通讯作者：周玉良（1982－），男，安徽舒城人，博士，副教授，从事水资源系统工程研究．E－mail：ZYL54600@163.com

旱灾风险研究则是近50年才兴起的一个新领域，目前的旱灾风险评估理论和方法研究仍较为薄弱，

［1－3，7－10］

，特别是缺乏具迄今远未形成完整的体系

有系统性和可操作性的旱灾风险评估的理论框架。为此，本文在提出旱灾风险系统的基础上，从方法论角度论述旱灾风险评估的基本概念，进而探讨旱灾风险评估的理论框架的基本内容，在旱灾

［12］

风险管理理论和实践中具有重要意义。

1旱灾风险评估的基本概念

旱灾风险评估中的基本概念有干旱、旱灾、旱灾风险、旱灾风险评估，它们各自具有丰富的内涵和外延。1.1干旱

由于干旱成因复杂、影响因素繁多，目前的干旱定义尚没有统一。随着不同时期人们对干旱

［10］

认识的不断加深，干旱的定义亦在不断发展：1894年Abbe认为干旱是长期缺雨的累积结果；1954年美国国家海洋和大气管理局认为干旱是严重和长时间降水短缺；1986年世界气象组织定义干旱是一种持续的、异常的降水短缺；2003年美国气象学会理事会认为干旱是一个地区的供水量远小于该地区的平均水平，并将干旱划分为气象干旱、农业干旱、水文干旱与社会经济干旱四种类型；2005年联合国国际减灾战略机构认为干旱通常是指在一个季度或者更长时期内，由于降水严重缺少而产生的自然现象；2008年水利部《旱情

［13］

等级标准》定义干旱是因降水减少，或入境水量不足，造成工农业生产和城乡居民生活用水需求得不到满足的供水短缺现象。目前被国际权威机构、政府部门和众多学术团体相对普遍采纳，引用次数较多的干旱定义主要源于美国气象学会的

［14］

概念：干旱是一段时间内异常的干燥天气，引发了足够长时间的缺水，在受影响地区造成了严重的水文不平衡。综上所述，干旱可定义为在某地理范围内因降水、径流、土壤蓄水、地下水等水循环过程中自然供水源在一定时期持续少于长期平均水平，导致河流、湖泊、土壤或者地下含水层中水分亏缺的自然现象。在自然灾害系统论中，称干旱为致灾因子，可用降水、径流、土壤蓄水或地下水距离长期平均水平的累积值（干旱强度）及该累积值的空间分布（干旱面积）、时间分布（干旱历时）等特征变量来定量描述，主要有气象干旱、水文干旱。

干旱是全球普遍存在、持续时间长、影响广泛的一类自然现象，其形成主要受气象、水文、下垫面条件等多种因素的影响。由于不同时期气温、风速、相对湿度、蒸发能力、降水分配等气候条件的不同，在人类活动和下垫面变化的影响下，某一具体时段内的降水量比多年平均降水量

显著偏少，而气温、风速的变化使得蒸发能力显著加强，从而导致某地理范围内的水分支出大于水分收入，引起地表径流减少，河道流量、入库流量减少，地表入渗和地下水补给减少，土壤含水量减少等一系列的干旱现象。可用降水量、河道流量、土壤含水量和地下水等指标定量研究干

［11］

旱现象。1.2旱灾

旱灾是干旱发展到一定程度后导致供水水源匮乏，并对作物和植被正常生长、人类正常生活和生产、生态环境正常功能造成不利影响、产生危害的事件，是各种自然因素与社会因素综合作用的结果，属于水文气象灾害。旱灾的风险源（降水、径流、土壤水、地下水等自然水源亏缺这一致灾因子）在自然，旱灾的承受者都为人类社会和与人类社会关系密切的生态环境系统（称为承灾体，主要包括人口、财产、生态环境），旱灾的载体（传递风险源而使风险承受者蒙受损失的各种孕灾环境因素）既有自然环境因素又有社会环境因素，所以旱灾既有复杂的自然属性，又有明显的社会属性，旱灾是自然属性因素与社会属性因素

［1－3，7－9，15］

，干旱发生及其危及人相互作用的结果

类社会的严重程度，取决于自然因素的变异程度和人类社会承受或适应自然环境变化的能力大［1］

小。从系统论的角度看，旱灾是由致灾因子、承灾体、防灾减灾措施、孕灾环境（系指与干旱致灾因子，承灾体和防灾减灾措施相关联的其它外部要素的集合，包括由大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、物质文化圈所组成的、孕育产生旱灾的综合地球表层环境，例如影响干旱致灾因子、承灾体和防灾减灾措施的各种大气、水文、下垫面

［16］

和人文环境因素）这四类要素相互作用导致旱灾损失（灾情）形成的典型复杂系统，称之为旱灾系统，这系统四要素在旱灾的形成过程中缺一不可，它们都是形成旱灾的必要条件。旱灾致灾因子与气象、水文、下垫面条件等自然属性因素有关；承灾体与区域的社会、经济发展等社会属性因素及其生态环境因素有关；防灾减灾措施是人类社会用于应对干旱不利影响所采取的方针、政策、技术、方法和行动的总称，包括抗旱备用水源、蓄引提调工程等工程性防灾减灾措施，以及旱灾监测预警、防御、紧急救援和灾后恢复重建等非工程性防灾减灾措施；孕灾环境是影响致灾因子、承灾体和防灾减灾措施的自然环境和人文环境，它与由大气圈、水圈、生物圈、岩石圈中各种自然属性因素（如大气环流、天气系统、流域水系、植被条件、地形地貌、土地利用类型等），以及物质文化圈中各种社会属性因素（如人口分布、经济密度等）有关。致灾因子和承灾体是产生旱灾的必要条件，防灾减灾措施是减轻旱灾的必要条件，孕灾环境是影响致灾因子、承灾体和防灾减灾措施的背景条件，任何一个区域的旱灾，都是这四

个要素综合作用的结果。旱灾系统具有成因复杂性、多样性、周期性、区域性、关联性、不可避

［17］

免性和可减轻性等显著特征。区域旱灾系统论是将旱灾作为干旱致灾因子、承灾体、孕灾环境和防灾减灾措施相互联系、相互作用的地球表层

［16］

变异复杂系统来研究，它是旱灾风险评估的重要理论基础。

由于中国的季风气候不稳定、山区面积广、地貌类型复杂多样，长期以来中国大范围的旱灾频繁发生，不仅在干旱、半干旱气候区发生旱灾，在湿润、半湿润气候区也有发生，并且由于后者人口稠密、城市众多、经济发达，受到偶发性干旱的影响时，就会形成重大的灾情，是中国旱灾严重的地区。中国旱灾发生范围广、频次高、持续时间长，一直是制约经济社会发展的主要因素。干旱会诱发农作物病虫害、土地退化等一连串的次生灾害，这种现象称为旱灾的连发性或干旱灾

［16］

害链。

1.3旱灾风险

目前普遍认为，风险是不利事件未来发生的

［18－20］

可能性和不利事件所导致的损失这两要素组成的系统，其中不利事件、不利事件未来发生的可能性、不利事件所导致的损失是风险的三要素，最核心的风险要素是不利事件所导致的损失。探讨不利事件所导致的损失过程的动力学特性是风险研究的重要任务。值得指出的是，危险（Dan-ger）、危险性（Hazard）和风险（Ｒisk）三者是不相同的，危险是指不利事件，危险性是指不利事件发生的可能性分布函数，而风险是指不利事件未来发生的可能性分布函数和不利事件所导致损失的可能性分布函数的总称，其中不利事件所导致损失的可能性分布函数这一不确定性特征是风险的

［20－21］

。从危险经危险性到风险，反映了本质特征

［19－21］

。人类对风险世界认识的不断深化和提高过程

风险就是指各种不确定性因素给研究对象系统未来产生损失的可能性分布，灾害风险就是指致灾

［21－22］

，因子事件未来发生及其导致损失的可能性

属于统计预测范畴。例如，可以把自然灾害风险定义为由自然灾害系统自身演化而导致未来损失

［2］

的不确定性。根据区域灾害系统理论的观点，干旱是旱灾风险的致灾因子、是风险源，干旱的时空规模会影响旱灾风险的大小。而干旱并不一定会产生旱灾，只有当干旱发展到一定程度之后对承灾体才会产生旱灾损失。这个产生旱灾损失的干旱程度阈值，与承灾体的抗旱能力（适应性）有关。在旱灾风险的形成过程中孕灾环境处于重要地位，它不仅会通过抗旱能力影响旱灾损失的产生与否，也会影响旱灾损失规模对于干旱规模的敏感性。灾损敏感性和抗旱能力（适应性）通过孕灾环境中受致灾因子不利影响的承灾体要素才能体现出来，把处于致灾因子不利影响范围之内的这些承灾体要素及其分布统称为暴露，它是致灾因子（风险源）与承灾体（风险源的作用对象）在

［23］

孕灾环境中相互作用的影响场。由风险源，经影响场，到风险源的作用对象，构成了风险形成

［23］

。可见，暴露在风险形成的一幕幕场景（情景）

中十分重要。灾损敏感性、暴露和抗旱能力综合反映了承灾体在旱灾风险发生发展过程中的作用，把这三个特性统称为承灾体的脆弱性，其中灾损敏感性、暴露组成承灾体的易损性。承灾体的脆弱性是旱灾风险产生的必要条件，是由干旱演变为旱灾损失的中间转换环节。因此旱灾风险是在不稳定的孕灾环境中具有危险性的干旱事件经承灾体的脆弱性传递，作用于承灾体而导致承灾体未来可能损失的规模及其发生概率，干旱发生（反映自然属性）和旱灾损失（反映社会属性）的不确定性是形成旱灾风险的主要原因，旱灾风险是干旱发生及造成损失的可能性或不确定性，是旱灾的风险源、影响场、作用对象综合作用的结果，因此可简要地把旱灾风险定义为干旱发生的可能性分布函数及干旱导致损失（旱灾损失）的可能性分布函数的总称，其中干旱、干旱未来发生的可能

［21］

性、干旱所导致的损失是旱灾风险的三要素。其中，干旱发生的可能性分布函数，称为干旱风险，它是狭义的旱灾风险，属于自然属性的范畴；因干旱所导致损失（旱灾损失）的可能性分布函数，称为旱灾损失风险，它是广义的旱灾风险，属于自然属性与社会属性相复合的范畴，反映了旱灾风险的本质特征，其中旱灾损失的可能性是由干旱发生的可能性经过承灾体的脆弱性转换间接得到的，不是旱灾损失本身的统计特性。旱灾风险若没有特别说明，一般系指旱灾损失风险。例如因旱造成的经济损失的超越概率分布可定义为旱灾风险，它可在一定程度上间接反映干旱发生的可能性经承灾体的脆弱性转换得到的旱灾经济损失的可能性分布。

旱灾风险的特征由风险的自然属性、社会属性及其相互作用所决定，是风险的本质及其发生规律的外在表现，具体表现为：①旱灾风险的不确定性，这是缘于旱灾的风险源、影响场、作用对象均具有不确定性。②旱灾风险的确定性，在给定抗旱能力条件下一定强度的干旱导致的特定承灾体的损失（即承灾体的易损性）是确定的。③旱灾风险的动态性，致灾因子危险性、承灾体的脆弱性一般是动态变化。④旱灾风险的可规避性。通过提高抗旱能力，可降低或规避旱灾风险。⑤旱灾风险的传递性，包括2类传递性，一是内部传递性，就是从干旱风险向旱灾损失风险传递的特性，二是外部传递性，就是从一种旱灾向其他灾害传递的特性。

［22］

根据风险的基本定义，旱灾风险可表达为：

Ｒ=f（P，C）。（1）

式中：Ｒ为旱灾风险（Ｒisk）函数；P为干旱事件发生的可能性（Probability），与旱灾损失无关；C为因干

旱所导致的可能不利后果（Consequences），包括直接损失、间接损失等可定量的不利影响，以及不可

宏观影响等），常按定量的不利影响（如功能损坏、

行业划分，通常包括人饮、工业、农业、牧业、生态等不利影响。式（1）也称旱灾风险曲线，可通过一系列因旱损失的情景模拟得到。

［23］

从自然灾害风险的形成机理出发，旱灾风险可表达为：

Ｒ=g（H，V）。（2）

式中：Ｒ为旱灾风险函数，即旱灾损失的可能性分布函数；H为致灾因子危险性，即干旱强度发生的可能性分布函数；V为承灾体脆弱性，即一定抗旱能力条件下的各干旱强度与各旱灾损失之间的定量关［24－25］

。系可见，式（2）满足自然灾害风险的基本定

义和特性，是式（1）的特例。旱灾风险函数Ｒ离原点越近，则表示风险越低，因此旱灾风险函数Ｒ既可表

也可示不同区域不同抗旱能力条件下的风险水平，

表示同一区域不同抗旱能力条件下的风险水平。1.4旱灾风险评估

旱灾风险评估就是通过识别和分析研究地区尚未发生的干旱及其出现的概率、可能产生的损失后果，估计研究地区干旱发生的可能性分布函数和旱灾损失的可能性分布函数，确定旱灾风险级别，以及决定哪些旱灾风险需要防控和如何从减轻旱灾风险行动方案集中选择最优方案的动态过程。旱灾风险评估既是旱灾风险的诊断过程（风险识别、暴露评估、灾损敏感性分析、抗旱能力评估、风险评价），也是旱灾风险决策过程的有机组成部分。它是把致灾因子危险性与脆弱性紧密联系起来的重要途径，是风险评估技术在旱灾中的具体应用，，其核心内容是可能产生的损失的估算，其目的是为风险决策提供科学依据。它是旱

“预防为主、关口前移”灾管理实现的一项系统性、

专业性、科学性和综合性很强的定量认识旱灾风险机理、科学防控旱灾风险的重要基础性工作，也是旱灾风险管理中的核心环节。在人类无法控制旱灾发生甚至尚不能完全准确地对旱灾进行预报的条件下，通过旱灾风险评估，可以编制不同时空长度的旱灾风险分布图，辨识高风险区和季节，不但可为各级政府更有效地指导旱灾防控工作，从而为减少旱灾损失提供科学依据，而且也可更有效地对旱灾的发生进行早期预警，进而更明确地指导各级政府的旱灾防控工作；同时对于各级政府编制、完善与实施旱灾应急预案、增强对旱灾应急管理能力、提高对旱灾应急求助管理

［1－3，7－9］

。的科学性等，也具有极为重要的参考意义

旱灾风险评估的理论基础是旱灾风险系统的不确定性，主要包括随机不确定性和模糊不确定性。随机不确定性包括干旱和旱灾发生的随机性、旱灾损失的随机性，这些随机性说明用概率统计作为旱灾风险评估的理论基础是可行的和有效的。模糊不确定性包括旱灾风险形成过程中各环节的

概念外延的认识方面的模糊性，这些模糊性说明用模糊集理论作为旱灾风险评估的理论基础也是可行的和有效的。也有研究将随机性与模糊性统一为可能性，用模糊风险、可能性风险研究灾害

［20］

风险评估。此外，系统科学、信息科学、智能

［21，26］

。旱灾科学也是对这个理论基础的重要支撑

风险评估强调对各种不确定性因素进行定性分析和定量计算研究，这些不确定性因素的主要来源有：①旱灾风险系统本身的不确定性，例如区域致灾因子发生过程的不确定性、区域承灾体要素的不确定性；②旱灾风险评估模型结构选择的不确定性；③旱灾风险评估模型参数估计的不确定性，这主要是由于数据资料的不完备；④旱灾风险评估模型的输入、输出不能确切测度和预知，以及旱灾风险模型运行后参数的变化所引起的不确定性，干旱事件抽样的不确定性，人们认识上

［27］

的其他不确定性。

2

2.1

旱灾风险评估对象－旱灾风险系统的形成机制及其结构

旱灾风险系统的形成机制

从系统工程的角度看，旱灾风险可作为一个系统。根据自然灾害系统理论和自然灾害形成机［16，22］

，从旱灾风险形成机理角度，旱灾风险是制

致灾因子危险性（即干旱强度及其发生频率）、承灾体的暴露（承灾体在时间和空间上与致灾因子的一种重合、接触）、承灾体的灾损敏感性和抗旱能力这四个要素相互联系、相互作用下形成的复杂动力学系统，称为旱灾风险系统：

Ｒ=f（H，V，E，A）。（3）

式中：Ｒ为旱灾风险函数；H为致灾因子危险性，系指干旱的程度、规模及其发生的可能性；V为承灾体

系指干旱强度与旱灾损失之间的函的灾损敏感性，

数关系，反映了承灾体受干旱不利影响的敏感程度，例如水稻的灾损敏感性就是指水稻不同生育期的干旱强度与水稻减产率之间的函数；E为承灾体的暴露，系指孕灾环境中可能受干旱影响并产生损失的承灾体数量、价值及其时空分布；A为抗旱能力，系指研究地区在某一具体历史发展阶段下，以可预见的技术、社会经济发展水平为依据，人类为保证自身生存、维持正常生活生产秩序而具有的防御、减轻某种程度干旱缺水影响的水平，包括对降水、径流、土壤蓄水、地下水等水循环过程中各种水分亏缺的各种减轻措施，可将干旱期间研究区域各种水源可提供的水量满足各行业需水的程度作为抗旱能力测度指标，抗旱能力反映区域不发生旱灾的最大干旱程度的抵御水平，反映抵御多大等级的干旱、可抗多少年一遇的干［28－29］

。承灾体的灾损敏感性只是承灾体被动地旱

遭受干旱打击时所反映出的可能受损的容易程度，

  本文关键词：旱灾风险评估的初步理论框架，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：107119