基于主成分分析和层次分析法相结合的陕西省农业干旱风险评估.pdf
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1、第 卷第期 年 月干旱地区农业研究 文章编号: - ( ) - - : - 收稿日期: - - 基金项目:国家自然科学基金( ; ; );陕西省水利科技计划项目“陕西省农业干旱风险评估与区划研究”( )作者简介:何斌( ),男,江西抚州人,硕士研究生,主要从事农业干旱风险评估与区划研究。 - : 。通信作者:王全九( ),男,内蒙古丰镇人,教授,博士生导师,主要研究方向为土壤物理与溶质运移。 - : 。基于主成分分析和层次分析法相结合的陕西省农业干旱风险评估何斌,王全九,吴迪,苏李君,单鱼洋( 西安理工大学水利水电学院,西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地,陕西西安 ; 中国灌溉排水发展
2、中心,北京 )摘要:农业干旱灾害发生机理复杂,评价指标众多,为确定合理的干旱风险评价指标,以陕西省为研究对象,提出基于主成分分析和层次分析法( )相结合的农业干旱风险评价指标体系和评估方法。运用主成分分析,结合陕西省干旱成因及特点,基于风险四要素(危险性、暴露性、脆弱性和抗旱能力)筛选并构建了农业干旱风险评价指标体系,采用 评估了陕西省农业干旱风险。结果表明,在考虑地区抗旱能力情况下,陕西省农业干旱风险从北向南,从东向西均呈现出递减趋势,北部榆林地区和东部渭南、商洛地区,农业干旱风险较高。通过主成分分析和 相结合的评价体系,可以合理选取评价指标,缩减指标个数;准确评估干旱风险,指出风险要素来源
3、,为抗旱部门有效识别致灾因子,提出相应的抗旱减灾方法。关键词:农业干旱;风险评估;主成分分析;层次分析法;陕西省中图分类号: 文献标志码: , - , , - , - ( - , - , , , , ; , , ) : , , , - , , , , , , : ; ; ; ( ); 在所有自然灾害中,干旱灾害是全球最为常见的自然灾害。政府间气候变化专门委员会( )评估报告指出,未来干旱风险有不断增加趋势。由于特殊的地理位置和气候条件,我国局部性、区域性干旱灾害连年发生,干旱受灾和成灾面积呈双线性上升趋势。陕西省处于我国生态环境脆弱带上,加上地形地貌复杂,气候悬殊,干旱成为陕西最大的气象灾害。
4、刘璐研究表明, 年陕西年受旱面积百分比平均为 , 年更是达到了 ,且总体呈上升趋势。为科学评估区域干旱时空变异特性,科研人员建立了许多不同形式的干旱指标,例如李莉等在研究广西秋旱灾害风险时,选取降水量、少雨日数、地形高程、河网密度、人口密度、 等评价指标。贾建英等在评价西南地区玉米干旱风险时,选取玉米产量和播种面积等指标。可见干旱风险评价指标之多且不具有同一性。张宝庆、史晓楠等认为,在干旱评价工作中,指标的选取往往是最重要的环节之一。而由于指标的选择通常是不确定的,没有完整的规范可参考,也没有理论依据可寻,以往都是根据经验和借鉴已有研究事例进行指标选择。往往忽视了指标间的相关性或个别指标的重要
5、性,而个别指标由于数据离差过大,对评价结果的影响程度更大。所以在评价之前需要对评价指标进行分析处理,选出准确代表研究区域干旱灾害影响因素的评价指标。吴景社、康绍忠等利用主成分分析对全国节水灌溉分区指标进行降维处理,简化了计算。此外,当前我国农业干旱管理面临着巨大的挑战,急需发展基于机理过程的区域农业干旱风险评价方法 。分析旱灾发生机理,可以找到致灾因子,根据致灾因子提出相应的减灾办法。秦越等 运用 评价了河北省承德市农业干旱灾害风险,并识别了旱灾主要影响因素。因此,建立一套基于主成分分析的指标选取和 相结合的农业干旱风险评价体系,对于区域内干旱灾害评估具有重要意义。本文对 个农业干旱评价常用指
6、标标准化后建立数据矩阵进行主成分分析,通过分析前个主成分的特征向量,确定陕西省农业干旱指标。将通过主成分分析得出的指标按个风险要素(致灾因子的危险性,承灾体的暴露性,环境的脆弱性和地区的抗旱能力)分组。采用层次分析法将每组指标建立判断矩阵,得出干旱指标权重并对判断矩阵进行一致性检验。另外,对每个指标进行归一化处理。每个指标的权重与其对应归一化处理后的值相乘得到个风险要素的分项综合指标。最终通过综合个风险组成要素,得到反映区域农业干旱风险的综合指标。研究区概况与评价指标 研究区概况陕西省地处我国内陆腹地,是连接我国东部和西部、西南的主要通道,欧亚大陆桥的纽带,位于东经 ,北纬 。地域南北跨度大,
7、地貌类型复杂多样,地势总的特点是南北高中间低。全省山地面积(含黄土高原)占总面积的 ;平原盆地占 ;沙地荒漠占 。水资源区域分布总趋势是从南到北逐步递减,陕南水资源相对丰富,关中和陕北的水资源贫乏,南北相差悬殊 。 年 年间,全省受旱面积累计为 万 ,约占耕地面积的 ; 年 年间,全省受旱面积累计为 万 ,约占耕地面积的 ,总体上看,农业旱情及旱灾损失呈加剧趋势。陕西省下辖十市一区,分别是榆林、延安、铜川、渭南、西安、咸阳、宝鸡、商洛、汉中、安康和杨凌示范区。由于杨凌示范区常用耕地面积小,本文中不予考虑。研究区行政区划及高程如图所示。图陕西省行政区划及高程 ( ) 评价指标与数据来源农业干旱的
8、发生有着十分复杂的机理,在受到自然因素如降水、蒸发、温度、地形等影响的同时,也受到社会因素的影响 。因此,必然衍生出众多分析评价农业干旱的指标,如降水距平百分率、干燥度指数、耕地面积、粮食作物播种面积、有效灌溉面积、生产总值等。在风险研究中,通常认为自然灾害风险是由致灾因子的危险性,承灾体的暴露性和脆弱性个要素以及由此导致的灾情共同组成的宏观结构 。此外,受灾地区的抗旱能力也对灾害损失程度产生影响,这个主观性要素称为地区的抗旱能力 。综合考虑干旱灾害发生的自然和社会影响因素,结合陕西省农业干旱特点,列出 个研究干旱地区农业研究第 卷干旱风险评价常用指标,其中,气象指标:干燥度指数、平均相对湿度
9、、多年平均降水量、单位面积降水量、多年平均蒸散量、多年平均无降水天数、地下水资源量;土地指标:土地面积、耕地面积、耕地面积与土地面积比、总播种面积、粮食作物播种面积、粮食作物播种面积与土地面积比、人均耕地面积;作物管理指标:主要作物(冬小麦、玉米、棉花和水稻)需水量、农灌用水量占总用水量的比、有效灌溉面积比、雨养农业占耕地面积比、节水灌溉面积比;社会经济指标:人口密度、生产总值、单位播种面积农业生产总值、人均生产总值、农民人均纯收入、粮食作物单位面积产量、粮食总产在全省所占比重、普通中学在校人数占常住人口比。 危险性指标与数据来源危险性(, )是指干旱灾害发生的强度和发生的频率导致可能造成的危
10、害剧烈程度。根据陕西省气象局 个气象站 年的逐日气象资料,计算得出多年平均降水量、多年平均无降水天数、平均相对湿度和利用彭曼公式计算得出的多年平均蒸散量以及干燥度指数(蒸散量降雨量)等危险性指标。这些指标均能影响水量平衡,是导致干旱发生的根本原因。其中多年平均降水量指标值越大,危险性越小,其他指标值越大,危险性越大。 暴露性指标与数据来源暴露性(, - )是指在干旱灾害发生过程中承灾体与致灾因子的接触程度。农业干旱方面主要反映在农作物的播种面积和干旱灾害对经济的影响上。土地面积、耕地面积、总播种面积、粮食作物播种面积来源于 年陕西统计年鉴 ,单位播种面积农业生产总值、耕地面积比、人均耕地面积、
11、粮食作物单位面积产量等指标由以上数据计算得到。此外,根据王 年对陕西关中地区粮食生产状况的研究结果,列出了粮食总产在全省所占比重指标。这些指标反映了农作物播种面积和地区农业经济基本状况信息,代表承灾体与致灾因子的接触程度,指标值越大,地区的暴露性越大。 脆弱性指标与数据来源脆弱性(, - )是指承灾体抵御干旱灾害能力的大小。地下水资源量来源于陕西省水资源公报 ;农灌用水量占总用水量的比、有效灌溉面积比、节水灌溉面积比、雨养农业占耕地面积比、人口密度等指标由 年陕西统计年鉴 中数据计算得到。其中雨养农业占耕地面积比越高,承灾体抵御干旱能力越差,干旱风险越高。人口密度是单位面积土地上居住的人口数,
12、它反映了某一地区人口密集程度,人口密度与干旱脆弱性成正相关,人口密度大对资源环境的压力大,直接影响生态环境质量与安全。其余指标值越大,抵御干旱灾害能力越强,脆弱性越小。 抗旱能力指标与数据来源抗旱能力( , )是指受灾区通过抗旱行动减少灾害损失的能力。一般认为抗旱能力与某一地区的经济水平有关,经济水平越高,抗旱能力越强。普通中学在校人数占常住人口比、生产总值、人均生产总值、农民人均纯收入指标由 年陕西统计年鉴 中数据计算得到。其中普通中学在校人数占常住人口比,它是反映某一地区平均文化素质的高低,而文化素质高低可以反映经济水平和科学技术水平以及农民的抗旱技术和抗旱意识,直接与本地区的抗旱能力相关
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