第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 研究背景

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告（AR5）表明，1880—2012年，全球海陆表面平均温度上升了0.85℃，而近60年的线性增温速率高达0.12℃/10a（见图1.1），约为1880年以来的两倍，且过去30年的增温幅度高于1850年以来的任何时期（IPCC,2013;秦大河，2014）。随着气候变化影响的深入，水循环要素（如降水、蒸发、径流、土壤湿度等）发生了显著的改变，进而引发水资源在时间和空间上的重新分配，导致全球范围内极端水文事件呈现出广发和频发态势（张建云等，2009；李峰平等，2013）。在欧洲等地区，极端高温事件损失的影响在增加；亚洲等地区，干旱导致的水资源短缺和粮食减产问题日益凸显（见图1.2）。

目前，旱灾已经成为全球范围内最严重的自然灾害，其影响范围广，造成的经济损失大。国际红十字会和红新月联合会的统计结果表明，平均每年全球因旱灾死亡人数占因自然灾害总死亡人数的59.8%，且旱灾多发于非洲、北美洲、东亚、澳大利亚等地区（Wilhite和Glantz,1985;郑远长,2000）。随着全球气温的升高，干旱事件发生的频率和影响的范围也在增加。国际大气研究中心（NCAR）研究结果表明，1970—2000年，全球发生严重干旱的地区范围增长了2倍（IPCC,2001;Dai et al.,2004）。我国自古以来都属于受自然灾害影响最为严重的国家之一，且干旱问题尤为突出，主要是由我国独特的自然与气候条件决定的：一方面，我国位于欧亚大陆东南部、濒临太平洋，巨大的海陆热力差异形成了夏季多雨、冬季少雨的季风气候，季风在年际间的不稳定是我国干旱频发的主要原因之一；另一方面，我国地势西高东低，呈三级阶梯状分布，其中青藏高原的隆起是西北干旱气候形成的一个主要因素，太行山和燕山山脉在一定程度上导致华北地区干旱频发。我国学者对公元前180年至1949年期间自然灾害损失统计的数据表明，因干旱灾害死亡人数占全部因灾死亡人数的40%左右，位居首位（刘彤和闫天池，2011）。中国气象局的统计结果表明，气象灾害所造成的损失占所有自然灾害总损失71%；而在气象灾害中，有53%的损失是由旱灾所造成的（陈云峰和高歌,2010）。《中国水旱灾害公报》和《全国抗旱规划》中的统计数据表明，近60年来，我国年均干旱受灾和成灾面积分别为21124.83×103hm2和9429.82×103hm2，分别占全国播种面积的18.5%（受灾率）和8.3%（成灾率）;年均因干旱导致的粮食损失量达162.3亿kg，占同期粮食产量的4.7%左右，相当于1亿人一年的口粮。近20年来，年均因旱灾导致饮水困难人口为2707.7万，相当于重庆市的总人口（见图1.3）（全国抗旱规划编制工作组,2011;国家防汛抗旱总指挥部,2014）。

目前，干旱灾害已成为我国社会经济发展和生态文明建设的关键障碍，也是气候变化和自然灾害应对的“主战场”。考虑到干旱灾害的致灾因子、承灾体和孕灾环境均在动态变化，且具有多时空尺度特征和随机性；同时历史规律与未来发展情势也不尽相同，历史规律反映的是重现特性，不能完全指导未来风险应对，因此为满足下一步及未来社会经济发展与水安全保障需求，需要从风险视角，系统回答“如何评价?过去怎么变?将来如何变?如何应对?”四大实践需求问题，在科学层面则需要解决“评价（度量）方法、历史演变分析，未来变化预估和风险应对”等理论与方法问题。

1.1.2 理论背景

1.1.2.1 “自然-人工”二元水循环理论

流域水循环即为降水径流形成过程，包括水分（循环系统的主体）、介质（循环系统的环境）和能量（循环系统的驱动力）等基本组成要素。在自然或人类活动影响可忽略的条件下，流域水循环过程仅在太阳能和大气运动驱动下进行，称之为“一元”流域水循环，主要有三类：①海陆间水循环——海洋与陆地上的水在自然营力下进行相互转化的运动，又可称为大循环。通过海陆间水循环，陆地上的水资源得到不断的补充。②内陆水循环——降落到陆地上的水，其中一部分通过蒸发蒸腾形成水汽，随气流带到上空。冷却凝结后形成降水，仍落回陆地上。③海上内循环——海洋面上的水蒸发成水汽，进入大气后在海洋上空冷却凝结后形成降水，仍落回海面（见图1.4）。随着社会经济的发展和人类生产生活的需要，自然环境条件不断被人为改造，尤其是工业化时代以来，水循环过程受人类扰动日益增强，其运动规律和转化机制发生了深刻改变，打破了原有的天然水循环模式。在人口密度较高、社会经济发展迅速的地区，人类活动对水循环的影响甚至超过了自然作用力，水循环过程呈现出“自然-人工”二元特征。

流域 “自然-人工”二元水循环具有四个 “二元化”的特征 （见图1.5）：①服务功能的二元化 （本质）——同时支撑自然生态环境和人类社会经济两大系统。②结构和参数的二元化 （核心）——水循环包括 “大气—地表—土壤—地下”等环节的自然水循环过程和 “取水—供水—用水—耗水—排水”等环节的社会水循环过程，因而，所涉及的参数不仅包括降水、径流、土壤水、地下水等基本水文要素参数，还包括供需水量、耗水量、回归量等刻画和描述社会水循环特征的参数。③路径的二元化 （表征）——自然水循环的路径包括水汽传输、坡面汇流、河道、地下水径流、土壤水下渗等路径，人工水循环路径包括调水工程、人工渠道、城市管网等。④驱动力的二元化 （基础）——自然水循环的驱动力主要包括太阳能、重力势能等，人工水循环的驱动力主要是指水利工程的修建改变水体自然状况下的能态分布。

1.1.2.2 自然灾害风险评估理论

干旱灾害风险的定义源于自然灾害风险的定义。美国国家干旱减灾中心（NDMC）的Wilhite（2000）认为：干旱灾害风险是干旱发生的概率和社会经济系统脆弱性综合作用的结果。因此，干旱灾害风险的本质体现为两种可能性：致灾因子（干旱）本身发生的可能性，即致灾因子风险，可用干旱频率来表示；致灾因子（干旱）对承灾体（社会经济系统）造成损失的可能性，即成灾风险，可用旱灾损失的概率来表示。依据灾害系统理论，干旱灾害风险的形成由致灾因子的危险性、孕灾环境的暴露度和承灾体的脆弱性三因素共同决定。其中，致灾因子为干旱事件，其发生频率、强度和影响范围会决定干旱灾害风险的强弱。但干旱事件的发生并不一定会导致旱灾，而是当干旱事件的影响达到某一程度时，才会造成损失。即干旱事件向干旱灾害转变的过程中存在一特定的阈值，超过这一阈值则形成旱灾，而这一阈值取决于承灾体自身的特性，部分学者将其称为“弹性”——承灾体一方面通过弹性决定干旱是否会导致旱灾（是否发生），另一方面通过弹性决定旱灾损失对于干旱频率、强度和影响范围的敏感性（程度如何）。承灾体弹性需通过孕灾环境暴露于干旱影响下才能予以体现，孕灾环境的这种特性称为暴露度。综上所述，干旱灾害风险是具有危险性的干旱事件作用于脆弱的承灾体，对承灾体造成损失的可能性，而不是干旱事件本身。

按照上述分析，干旱灾害风险的形成包括致灾因子的危险性、承灾体的暴露性和孕灾环境的脆弱性，此外，人类的抗旱能力强弱会影响到干旱的损失，因此，干旱灾害风险的组成为“危险性”“暴露度”“脆弱性”和“防灾减灾能力”四个要素（见图1.6）。其中，“危险性”是指干旱事件的主要特征的变化和异常程度，如干旱强度、历时和影响范围；“暴露度”是干旱向旱灾发展和形成过程中，承灾体受干旱事件影响的潜在范围，如耕地面积、人口、经济等（Turner et al.,2003）；“脆弱性”是承灾体所能承受的最大干旱程度，即缓冲或者吸收不利影响的能力（郑菲等,2012）；“防灾减灾能力”是工程和非工程措施应对干旱的能力。干旱灾害风险具有自然和社会双重属性，一方面，气候条件的异常会导致干旱事件的发生，从而诱发干旱灾害；另一方面，耕地、GDP、人口的增加或者是应对干旱能力减弱也会导致干旱灾害的发生。前者主要表现为“危险性”的增加，后者主要表现为“暴露度”和“脆弱性”增加以及“抗旱能力”的降低。

1.1.2.3 自然灾害应对理论

风险管理是自然灾害应对的发展趋势，即在灾害发生前制定预案，灾害发生时，在各阶段采取不同的防灾减灾措施。自然灾害风险管理主要由四部分组成（见图1.7）：①风险辨识——明确风险管理的对象、确定风险管理的目标，并在此基础上，识别风险源。同时，在前期收集基础资料，并建立数据库，为后续工作提供数据支撑。②风险分析——对“危险性”“暴露度”“脆弱性”和“防灾减灾能力”进行分析，并建立风险评价模型。③风险评估——对“危险性”“暴露度”“脆弱性”“防灾减灾能力”以及后续恢复能力进行评估。④风险减缓与适应——在风险评估的基础上，制定减缓和适应风险的方案，并评估方案的可行性和科学性，在方案实施过程中，应进行实时监控和反馈，对原有方案进行动态调整。

1.1.3 待解决的关键科学问题

（1）关键科学问题之一：干旱灾害风险的评估及预估。干旱具有确定性和不确定性双重属性，需要结合干旱事件中长期演变规律，明晰致灾因子的危险性、孕灾环境的暴露度、承灾体的脆弱性和防灾减灾能力，对干旱灾害风险进行动态评价；干旱灾害风险的预估是其应对的前提，有利于风险的源头规避。因此，干旱灾害风险的科学评价和准确预估能指导干旱应对中的决策制定。

（2）关键科学问题之二：干旱灾害风险应对。干旱综合应对一方面需通过前期干旱灾害风险的预估进行源头规避，另一方面，也应在干旱发生时，采用过程统筹调控的方式减少干旱灾害造成的损失，即干旱灾害风险应对包含两层含义，其一在于“适应”，即承受一定的干旱灾害风险；其二在于“减缓”，即通过区域自身干旱调控因子的调整与优化以及工程和非工程措施的实施来降低区域干旱灾害风险。因此，干旱灾害风险应对关键在于明晰区域需承受的干旱灾害风险和风险应对重点，制定整体的应对方案。

1.1.4 研究意义

近年来，随着气候变化和人类活动影响的深入，我国干旱特征发生了深刻的改变。一方面，季风气候和三级阶梯地貌从根本上决定了我国干旱的基本背景，我国干旱事件仍旧表现出广发、频发的态势（吕娟,2013），另一方面，在以增温为主要特征的气候变化背景下，尽管我国部分地区降水有所增加，但由于蒸发量的增加，导致土壤有效水分会有所减少，从而使得农作物受旱减产，农业干旱及灾害问题日渐突出（王媛等,2004;高永刚等,2007;吴普特和赵西宁,2010）。针对这一问题，发展气候变化背景下干旱及干旱灾害风险评价、预估和应对理论与成套技术体系能为气候变化适应提供技术支撑。本书的研究考虑农业系统的核心因子——作物的损失状况，以及作物不同生长阶段对干旱胁迫响应的差异，提出流域/区域风险评价方法，并结合未来气候变化预估结果，梯次明晰干旱灾害风险应对的重点和整体风险应对方案，以及区域需承受的干旱灾害风险，可指导流域/区域干旱灾害风险应对措施的制定，在一定程度上可确保流域/区域社会经济的发展。