陳 燦，胡鐵松，高 蕓，黃 潔

(武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

0 引 言

受全球氣候變化和人類活動的影響，我國旱澇急轉(zhuǎn)呈現(xiàn)出高頻發(fā)、影響大、分布廣的特點[1-3]，特別是近些年頻發(fā)的旱澇急轉(zhuǎn)事件。2011年長江中下游地區(qū)大面積發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象，大澇大旱格局的快速轉(zhuǎn)變引發(fā)了嚴重的災害性天氣[4]，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了極大影響，引起了許多學者的關(guān)注[5-7]。面對旱澇急轉(zhuǎn)這種突發(fā)性氣象現(xiàn)象，我們應(yīng)當準確定義和合理描述其基本特征，這有助于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中提前預警和及時甄別，盡量降低該現(xiàn)象出現(xiàn)給農(nóng)業(yè)造成損失，保證作物產(chǎn)量。

旱澇急轉(zhuǎn)災害的形成受其致災因子、孕災環(huán)境和承災體特征三大要素的影響，即氣象過程、土壤水動力學過程和作物需水過程，因此準確定義旱澇急轉(zhuǎn)需要綜合考慮這三個方面的要素。但目前國內(nèi)外對于旱澇急轉(zhuǎn)的定義主要基于氣象要素給出的定義，如基于降雨量定義的長短周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)[8]、降水距平百分率作為判別旱澇急轉(zhuǎn)的標準[9-10]、以SPI指數(shù)劃分旱澇[11]等。這些研究在一定程度上反映了區(qū)域的旱澇狀況，但是脫離了田間實際情形，忽略了土壤水分運動情況和作物水分臨界期對旱澇的影響，導致部分現(xiàn)有的旱澇急轉(zhuǎn)指標計算結(jié)果與實際不符，也缺乏對旱澇急轉(zhuǎn)過程中田間積水具體過程的描述?；诖?，本研究從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)角度出發(fā)，結(jié)合氣象、土壤水分和作物需水三大因素，給出水稻灌區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)事件的定義，并以安徽省五道溝地區(qū)水稻為研究對象，分析了具體旱澇急轉(zhuǎn)事件發(fā)生過程，與長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)篩選結(jié)果進行對比，可為水稻灌區(qū)甄別和預防旱澇急轉(zhuǎn)事件提供科學依據(jù)。

1 水稻灌區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)過程定義與計算方法

1.1 水稻灌區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)過程的定義

常見作為判斷干旱程度的指標有減產(chǎn)率、土壤含水率等指標。當作物在生育期某一生育階段受旱，此時可采用減產(chǎn)率作為判別干旱的標準，若該生育階段受旱，由此導致作物減產(chǎn)率大于10%，則認為發(fā)生了一次輕旱事件；針對跨兩個以及多個生育階段發(fā)生的干旱，減產(chǎn)率不再適用，此時可采用土壤相對含水率作為判別標準，參考《農(nóng)業(yè)干旱等級》的相關(guān)規(guī)定，當該指標低于50%且持續(xù)5 d以上(非作物需水關(guān)鍵期連續(xù)7 d以上)，則認為發(fā)生一次干旱過程。農(nóng)業(yè)上常采用發(fā)生一定重現(xiàn)期的暴雨，作物不受澇作為地區(qū)的排澇標準，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，我國一般采用5～10年作為暴雨的重現(xiàn)期[12]來設(shè)計排除歷時和排除時間。對于水稻，采用1～3 d暴雨3～5 d排至耐淹水深。當暴雨量形成的淹水深度和淹水歷時超過排澇標準，水稻受澇。

一次旱澇急轉(zhuǎn)事件形成過程應(yīng)同時具備以下三個要素：受旱、受澇和急轉(zhuǎn)間隔天數(shù)?，F(xiàn)有旱澇急轉(zhuǎn)定義中針對急轉(zhuǎn)間隔天數(shù)的研究極少，僅程智給出10 d作為旱澇急轉(zhuǎn)事件判別的臨界值，該時間的確定缺乏相應(yīng)的依據(jù)。本研究在針對具體地區(qū)做實例分析時發(fā)現(xiàn)，所有旱澇急轉(zhuǎn)事件發(fā)生的年份，旱澇轉(zhuǎn)化所需的時間較短，不同年份旱澇急轉(zhuǎn)間隔時間有所不同，為反映旱澇急轉(zhuǎn)間隔時間的一般情況，本文采用眾數(shù)作為間隔時間的臨界值，記做d。若某次旱澇急轉(zhuǎn)事件急轉(zhuǎn)天數(shù)低于該閾值d，則認為發(fā)生一次旱澇急轉(zhuǎn)事件。

綜上，本文給出水稻灌區(qū)旱轉(zhuǎn)澇(或澇轉(zhuǎn)旱)事件的判別標準：①旱：水稻在某一生育階段內(nèi)受旱，由此導致的減產(chǎn)率超過10%，或者水稻在跨生育期，發(fā)生了一次土壤相對含水率低于50%且連續(xù)5 d為輕旱以上等級的干旱過程(非需水關(guān)鍵期內(nèi)7 d為輕旱以上)，②澇：水稻生育期內(nèi)出現(xiàn)了十年一遇3日暴雨過程并導致灌區(qū)內(nèi)澇積水深度在5 d內(nèi)未降至水稻在該生育期的耐淹深度；③一段時間內(nèi)旱事件和澇事件相繼發(fā)生(或澇旱事件相繼發(fā)生)，兩者之間的間隔天數(shù)低于給定天數(shù)閾值(可取兩次過程間隔天數(shù)的眾數(shù))。同時滿足上述3個條件，即可認為水稻在生育期內(nèi)發(fā)生了一次旱轉(zhuǎn)澇(或澇轉(zhuǎn)旱)過程。

綜上，本文給出水稻灌區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)事件的判別標準：①水稻的減產(chǎn)率超過10%，或者水稻在需水關(guān)鍵期發(fā)生了一次土壤含水率連續(xù)5 d為輕旱以上等級的干旱過程(非需水關(guān)鍵期內(nèi)7 d為輕旱以上)；②水稻生育期內(nèi)出現(xiàn)了十年一遇3日暴雨過程并導致灌區(qū)內(nèi)澇積水深度在5 d內(nèi)未降至水稻在該生育期的耐淹深度；③干旱過程與內(nèi)澇積水過程之間的間隔天數(shù)低于給定天數(shù)閾值(可取兩次過程間隔天數(shù)的眾位數(shù))。同時滿足上述3個條件，即可認為水稻在其生育期內(nèi)發(fā)生一次旱轉(zhuǎn)澇或澇轉(zhuǎn)旱過程。

1.2 水稻灌區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)過程模擬計算方法

模擬水稻灌區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)過程需要準確計算在給定旱澇急轉(zhuǎn)氣象過程條件下水稻灌區(qū)的土壤水動力學過程和作物需水過程。本文采用Hydrus模型模擬水稻灌區(qū)受旱過程與內(nèi)澇積水過程，采用Jensen模型模擬水稻灌區(qū)減產(chǎn)過程。

(1)水稻灌區(qū)旱澇過程模擬。Hydrus模型可用于模擬分析飽和-非飽和帶的水分運動和溶質(zhì)運移。根據(jù)土壤水的運動，可將Hydrus模型分為三類，分別用于模擬水分在一維、二維和三維上的運動。水稻是一種喜水作物，農(nóng)業(yè)上通常采用格田灌進行灌溉，水分在重力作用下滲入土壤，土壤水分運動為有水層的一維垂直水分入滲運動，可用hydrus-1d模型模擬水分運動過程。該模型以Richards方程為原理，由此得到土壤水分運動模型。

土壤水分運動模型：

(1)

式中：θ是土壤體積含水量；t是時間，d；z是空間坐標，cm；D(θ)是擴散度；K(θ)是非飽和土壤導水率，cm/d。

土壤水流模型選擇單孔隙模型中的Van Genuchten-Mualem模型，不考慮水分滯后效應(yīng)。

Van Genuchten-Mualem 模型：

(2)

(3)

式中：Ks為土壤飽和導水率，cm/d；θe為土壤相對飽和度；θγ為土壤剩余體積含水率；θs為土壤飽和體積含水率；α和n是經(jīng)驗擬合參數(shù)，其中m=1-1/n；l為經(jīng)驗擬合參數(shù)，

水流模擬的初始邊界選擇以田間持水率對應(yīng)的壓力水頭作為初始值。上邊界選取開放大氣邊界，接受降雨補給，Hydrus-1D模型中關(guān)于上邊界條件給出了地表無積水和有積水兩種模塊，本文研究的對象為水稻，因此選擇地表有積水的模塊，該模塊允許地表有積水存在，且積水深度的變化由降雨和入滲共同決定。

初始條件：

h(z,0)=h0(z) (0≤z≤L)

(4)

上邊界條件：

z=0t>0

(5)

下邊界條件：

(6)

式中：L是土壤深度，cm；E(t)是與時間有關(guān)的土壤水分最大蒸發(fā)或最大入滲強度，cm/d；hA是地表最小的壓力水頭，取-10 000 cm水柱；hS是地表最大的壓力水頭，取水稻不同生育期的耐淹水深，cm。

(2)水稻灌區(qū)減產(chǎn)過程模擬。實際上，受實驗條件的限制，不同地區(qū)水稻產(chǎn)量的資料往往較少，但具有大量的氣象資料，可通過建立作物水分生產(chǎn)函數(shù)，間接求出相應(yīng)年份的產(chǎn)量。目前，國際上提出過數(shù)十種作物水分生產(chǎn)模型，但公認比較合理與常用的主要有Jensen模型[13]、Blank模型、Stewart模型等，其中Jensen模型被廣泛運用至各種作物模型中，針對作物不同的生育階段，用相對騰發(fā)量與相應(yīng)階段敏感指數(shù)表征對相應(yīng)階段產(chǎn)量總影響。

Jensen模型：

(7)

式中：ETi是某生育期受旱條件下的蒸發(fā)騰發(fā)量，mm；ETm是正常條件下的蒸發(fā)騰發(fā)量，mm；i是各生育階段編號，水稻可劃分為4個階段，分別為分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期和乳熟黃熟期；n是階段總數(shù)，n=4；λ是作物產(chǎn)量對缺水的敏感指數(shù)。

假設(shè)當水稻在某一生育期持續(xù)受旱，在其余生育階段皆為正常情況，最終導致減產(chǎn)率超過了10%，根據(jù)Jensen模型以及該時期的敏感指數(shù)，可以計算出水稻在該生育期不受旱時最低的蒸發(fā)騰發(fā)量，低于正常條件下該時期的蒸發(fā)騰發(fā)量，水稻受旱。

2 實例研究

2.1 研究對象

五道溝水文實驗站位于安徽蚌埠，實驗站以水稻、玉米和大豆等為主要實驗作物。統(tǒng)計五道溝1954-2008年逐月平均降雨量(表1)。五道溝年內(nèi)降雨量時空分布不均，7月的多年平均月降雨量為221.9 mm，是平均降雨量最大的月份，最小值發(fā)生在12月，月降雨量僅16.7 mm。從季節(jié)分布來看，降雨主要集中在夏季(6-8月)，占全年降雨量47.0%；冬季(12-次年2月)降雨量最少，僅占6.84%。因此，五道溝地區(qū)夏季最有可能發(fā)生該現(xiàn)象，該季節(jié)也正是水稻種植的時節(jié)。

表1 五道溝多年降雨量年內(nèi)分布Tab.1 Distribution of annual precipitation in Wudaogou

2.2 模型建立與數(shù)值模擬

(1)土壤特性參數(shù)。五道溝實驗區(qū)所處在的亞黏土壤在土壤分類中劃分為青黑土，其土壤主要物理特性參數(shù)如表2所示[14]。

表2 五道溝亞黏土特性參數(shù)Tab.2 Characteristic parameter of loam in Wudaogou

(2)模型參數(shù)。模型選取了地下0～100 cm深度范圍的土樣，共分為五層，模擬時段為水稻全生育期，從每年的6月1日-9月30日，共計122 d。初始條件選取每年6月1日各層實測土壤含水率，上邊界選取開放大氣邊界，接受降雨補給，且允許地表有積水。由于五道溝地區(qū)多年地下水位較低，下邊界選取自由排水邊界。

(3)模型驗證與效果評價。實驗站1996-2008年水稻生育期內(nèi)部分土壤含水率實測資料與Hydrus-1d模擬值相關(guān)性檢驗結(jié)果如表3、圖1所示。表2為15 cm深度處土壤實測含水率和模擬含水率，所有年份的實測值與模擬值相關(guān)系數(shù)都在0.5以上，最高達0.901，且F檢驗的顯著性水平P值均在置信區(qū)間(α=0.05)內(nèi)，說明土壤含水率實測值與模擬值無顯著差異，模擬結(jié)果可以被接受，參數(shù)設(shè)定較為合理，可用于實際研究中。

表3 實測值與模擬值的相關(guān)性檢驗Tab.3 Correlation of simulated value and measured value

注：*表示第四位小數(shù)無法顯示。

圖1 實測值與模擬值的回歸分析Fig.1 regression analysis of simulated value and measured value

2.3 旱澇急轉(zhuǎn)事件篩選及分析

(1)旱事件與澇事件篩選結(jié)果。五道溝水稻生育期劃分為4個階段：分蘗期(7.6-7.28)、拔節(jié)孕穗期(7.29-8.24)借助Jensen模型可以計算出各個時期水稻不受旱所需最低蒸發(fā)騰發(fā)量，但是該地區(qū)水稻不同生育期的敏感指數(shù)缺乏，因此本文借鑒了武立權(quán)[15]等人在合肥進行試驗得到的敏感指數(shù)，進而得到水稻不同生育期不導致減產(chǎn)超過10%所需的最小蒸騰量。經(jīng)過篩選，五道溝地區(qū)1954-2008年中所有發(fā)生的旱事件結(jié)果如表4所示。

該地區(qū)55年內(nèi)共發(fā)生14次旱事件，主要發(fā)生在分蘗期和拔節(jié)孕穗期，從時間上看，20世紀80年代以前干旱事件發(fā)生次數(shù)較少，80年代之后旱事件發(fā)生的頻率呈現(xiàn)增長趨勢，90年代和2000年以后旱事件分別發(fā)生了4次，且具有連續(xù)性發(fā)生的特點。

五道溝地區(qū)受澇按照十年一遇3日暴雨，5日內(nèi)排至水稻耐淹水深的標準。目前，國內(nèi)對于水稻不同生育期的耐淹水深和耐淹歷時尚無統(tǒng)一的規(guī)定，因此，本文的耐淹水深和耐淹歷時則參考《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》，加以修改，如表5所示。

表4 旱事件篩選結(jié)果Tab.4 Results of drought events

表5 水稻不同生育期的耐淹水深和耐淹歷時Tab.5 Resistant submergence depth and duration indifferent rice growth period

注：不同地區(qū)水稻的耐淹水深有差異。

通過對該地區(qū)多年最大3日暴雨排頻，得到十年一遇3日暴雨量為210 mm，照此標準，55年內(nèi)符合的年份共有7年(表6所示)。2006年3日暴雨未達到標準，但為增加樣本數(shù)量，仍選作為一次澇事件；1991年降雨量達265.7 mm，雖發(fā)生澇事件，但未發(fā)生在水稻生育期。

表6 澇事件篩選結(jié)果Tab.6 Results of flood events

(2)旱澇急轉(zhuǎn)事件篩選結(jié)果。一次旱澇急轉(zhuǎn)事件既需要發(fā)生旱事件，又需要發(fā)生澇事件，綜合兩個條件篩選得到的結(jié)果如表7所示，55年內(nèi)共篩選出6次疑似“旱澇急轉(zhuǎn)事件”，其中2次為旱轉(zhuǎn)澇，4次為澇轉(zhuǎn)旱。旱轉(zhuǎn)澇間隔時間最長為1 d，最短為0 d，無法給出時間間隔眾數(shù)，但由于其數(shù)值較小，因此可以選取極大值作為時間間隔閾值，2次事件均判別為旱轉(zhuǎn)澇事件；澇轉(zhuǎn)旱間隔時間最長為5 d，最短為2 d，而間隔時間眾數(shù)為5 d，因此4次事件全部符合篩選標準，均為澇轉(zhuǎn)旱事件。從生育期分布來看，受旱的生育期主要出現(xiàn)在分蘗期和拔節(jié)孕穗期，受澇天數(shù)最長為7 d，最短為5 d。

表7 旱澇急轉(zhuǎn)事件統(tǒng)計Tab.7 Results of drought and flood alternating events

(2)水稻灌區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)過程。五道溝地區(qū)1954-2008年共發(fā)生3次“旱轉(zhuǎn)澇”事件，分別發(fā)生于1954、1989和2005年。取1989年分析該事件發(fā)生的具體過程，整個拔節(jié)孕穗期蒸發(fā)騰發(fā)量為130.01 mm，低于該生育期不受旱時的最低蒸發(fā)騰發(fā)量158.04 mm，故該生育期受旱。8月25日一日暴雨量達216.7 mm，全年最大3日暴雨發(fā)生在8月24日-8月26日，雨量為217.0 mm。采用Hydurs-1D模擬該時段地表徑流變化過程，如圖2所示。地表水頭從8月25日開始增加，在8月26日達到最大值130.4 mm，之后逐漸降低，于8月30日降低至該生育期耐淹水深，整個受澇過程持續(xù)5 d，急轉(zhuǎn)間隔時間為0 d，屬于典型的“旱轉(zhuǎn)澇”事件。

圖2 1989年水稻生育期地表水頭變化Fig.2 Change of surface water head in rice growth duration in 1989

1997年發(fā)生了一次“澇轉(zhuǎn)旱”事件，地表水頭變化如圖3所示，全年最大3日暴雨量為234.6 mm，發(fā)生在7月15日-7月17日。在此之前，7月14日降雨量為58.7 mm，本次降雨過程充分補充了土壤水分，甚至在地表出現(xiàn)了5 mm左右的積水，從7月17日開始，地表積水深度就超過該時期(分蘗期)耐淹水深，一直持續(xù)到7月22日，受澇共計7d。7月25日開始受旱，一直持續(xù)整個分蘗拔節(jié)期。澇事件和旱事件間隔天數(shù)僅2 d，是一次典型的澇轉(zhuǎn)旱過程。

圖3 1997年水稻生育期旱澇急轉(zhuǎn)過程Fig.3 Change of surface water head in rice growth duration in 1997

3 與長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)對比

采用LDFAI指數(shù)計算五道溝1954-2008年旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)，結(jié)果如圖4所示。高LDFAI年有9年，表明這9年發(fā)生了“旱轉(zhuǎn)澇”事件；低LDFAI年也有9年，對應(yīng)了“澇轉(zhuǎn)旱”事件。

圖4 1954-2008年長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)Fig.4 The LDFAI index value during 1954-2008

兩種定義均篩選出1954、1989和2005年發(fā)生的“旱轉(zhuǎn)澇”事件。但在“澇轉(zhuǎn)旱”事件的篩選中出現(xiàn)了明顯的差異，LDFAI指數(shù)沒有篩選出1997年發(fā)生的“澇轉(zhuǎn)旱”事件，但是篩選出2000年為“澇轉(zhuǎn)旱”年。作為對比，本研究選取了2000年5-8月降雨量分布與土壤含水量變化過程，如圖5所示。

圖5 2000年降雨量分布與含水量變化Fig.5 distribution of precipitation and soil moisture content in 2000

2000年，6月3日暴雨量達128.4 mm，之后持續(xù)16 d無雨(僅6月10日降雨0.7mm)，6月3日雨量大，當天作物受澇，但能夠在5 d內(nèi)排至作物的耐淹水深，該時段降雨量并沒有造成澇災，不屬于“旱澇急轉(zhuǎn)”事件，而長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)計算的結(jié)果表明該年份屬于“澇轉(zhuǎn)旱”事件，與實際情況明顯不符合。

LDFAI指數(shù)無法給出“旱澇急轉(zhuǎn)”發(fā)生的具體發(fā)生的時間，也無法描述其具體發(fā)生過程；此外，基于LDFAI指數(shù)篩選出來的“旱轉(zhuǎn)澇”年份和“澇轉(zhuǎn)旱”年份比本定義的旱澇急轉(zhuǎn)事件篩選結(jié)果多，這是由于長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)以2個月為時間尺度，對于一些高LDFAI年和低LDFAI年，2個月累計的降雨量雖然極大，然而在該時段內(nèi)，并沒有造成水稻受澇。僅用累計降雨量的多寡進行判斷，而忽略了土壤實際的墑情情況，得到的旱澇急轉(zhuǎn)事件是與實際田間情況脫離的、不完全準確的。

4 結(jié) 語

本文從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)角度出發(fā)，結(jié)合氣象、土壤水分和作物需水三大因素，給出了適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的旱澇急轉(zhuǎn)事件定義，描述了旱澇急轉(zhuǎn)事件發(fā)生時間與旱澇過程，并與已有的旱澇急轉(zhuǎn)定義進行對比，得到如下結(jié)論：

(1)本文給出了水稻灌區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)事件的定義，與前人僅考慮降雨量而定義的旱澇急轉(zhuǎn)不同，該定義不僅考慮了氣象要素，同時也加入了土壤水分狀況和作物需水生育期因素的影響，是一個綜合性的指標，可以用于描述農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象的具體發(fā)生時間與形成過程。

(2)以五道溝地區(qū)的水稻作為研究對象，分析了該地區(qū)1954-2008年共55年所有發(fā)生的旱澇急轉(zhuǎn)事件，共有6次。其中“旱轉(zhuǎn)澇”事件發(fā)生2次，分別出現(xiàn)在1954和1989年；“澇轉(zhuǎn)旱”事件發(fā)生了4次，分別是1997、2005、2006和2007年。

(3)與現(xiàn)有的旱澇急轉(zhuǎn)定義對比，吳志偉的長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)(LDFAI)篩選出的“旱澇急轉(zhuǎn)”事件與本文差異較大，前者篩選出的旱澇急轉(zhuǎn)年份雖然較多，但遺漏了1997年發(fā)生的澇轉(zhuǎn)旱事件，且其中有部分年份(如2000年)實際上并未真正發(fā)生該現(xiàn)象。LDFAI指數(shù)能直接計算出旱澇急轉(zhuǎn)事件，但不能準確描述出該事件具體的發(fā)生時間和過程。本文判別旱事件和澇事件的標準嚴格，據(jù)此定義出的旱澇急轉(zhuǎn)事件篩選出的結(jié)果能準確描述旱澇急轉(zhuǎn)發(fā)生時間過程，同時，結(jié)合了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際情況，避免了篩選出不符合實際的旱澇急轉(zhuǎn)事件，具有較好的準確性，可用于旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象頻發(fā)地區(qū)的判別和篩選旱澇急轉(zhuǎn)事件的依據(jù)。