(武漢大學 水資源與水電工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

1 研究背景

在全球氣候變化影響下，我國干旱事件的時空分布發(fā)生了深刻的變化[1]，極端干旱事件日益頻發(fā)，比如2010年西南地區(qū)秋冬春連旱，為近60 a來最嚴重的干旱[2]。2017年中國水旱災害公報顯示，1950～2017年,我國平均每年因干旱導致的受災面積為20 50.217萬hm2，直接經(jīng)濟損失為882.31億元[3]。

干旱是指在較大范圍內(nèi)水分持續(xù)性短缺的一種自然現(xiàn)象[1]，一般分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟干旱等4個類型[4]。干旱的嚴重程度一般通過干旱指標予以評價，比如氣象干旱指標有標準化降水指數(shù)SPI(Standard Precipitation Index)[5]、標準化降水蒸散指數(shù)SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)[6]；水文干旱指標有標準化徑流指數(shù)SRI(Standardized Runoff Index)[7]等。同時，基于物理機制的水文模型通過模擬可以得到徑流等水文要素，也可以從融雪等方面補充現(xiàn)有氣象水文信息，這樣能更客觀地反映干旱產(chǎn)生的機理，從而提高干旱評估的準確性[7]。結(jié)合分布式水文模型進行干旱研究，已成為近年來一個重要的研究方向。

金沙江流域位于長江上游，水能資源達1.124億kW，約占全國的16.7%，是我國規(guī)劃的最大水電基地[8]。流域氣候時空差異顯著，易受氣候變化的影響，且近年來干旱災害頻發(fā)，對當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展造成了巨大損失。但對該流域干旱的認識仍不足，干旱管理和預報的能力還較弱。因此，開展對金沙江流域干旱時空變化特征的研究，對于加強流域干旱預防和管理顯得尤為重要。

本文選取金沙江流域作為研究區(qū)域，以子流域為研究單元，采用小波分析、Mann-Kendall趨勢檢驗、游程理論與分布式SWAT模型等方法，對流域氣象水文干旱的時空變化情況進行研究，從而為該流域的干旱預測和干旱管理提供科學依據(jù)。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)域概況

金沙江全長2 316 km[9]，流域面積達45.6萬km2(見圖1)，多年平均年降水約為710 mm，主要集中在6～10月；年平均徑流量為4 750 m3/s，徑流補給主要來源為降水[10]。金沙江流域地形極為復雜，氣候時空變化大[11]。為便于分析說明，本文依照SWAT模型子流域劃分的結(jié)果，同時根據(jù)通天河、金沙江、雅礱江上中下段的劃分和各區(qū)域出口的水文控制站，將金沙江流域分為10個區(qū)域(見表1)。

圖1 金沙江流域各子流域及氣象水文站點分布Fig.1 Sketch of the Jinsha River Basin

區(qū)域名子流域編號面積/km2長江源區(qū)119777.68231888.52通天河上段335355.08420954.96通天河下段532749.36直門達-巴塘646747.44巴塘-石鼓77152.76812306.80910246.68石鼓-攀枝花(金沙江中段)106078.281113899.321224748.20雅礱江上段1366665.32雅礱江中段1416366.52156375.041619092.16雅礱江下段1719772.40攀枝花-屏山(金沙江下段)1837334.88194550.002012637.242111022.92

2.2 研究數(shù)據(jù)

本文研究采用的數(shù)據(jù)有：數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)、土壤數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)。其中，氣象數(shù)據(jù)包括降水、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、相對濕度、日照時數(shù)和平均風速等。1980年和2015年的土地利用數(shù)據(jù)分別用于SWAT模型的率定期和檢驗期。數(shù)據(jù)情況說明如表2所示。

表2 本文使用的數(shù)據(jù)資料Tab.2 Research data and the sources

注：直門達、巴塘、瀘寧和華彈4個水文站的徑流數(shù)據(jù)有少量缺測，但不影響分布式SWAT模型的運行。另外，華彈站2015年8月之后使用白鶴灘站徑流數(shù)據(jù)，屏山站2012年1月之后使用向家壩站徑流數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 干旱指標

本文采用的干旱指標為標準化降水指數(shù)SPI、標準化降水蒸散指數(shù)SPEI和標準化徑流指數(shù)SRI。用Γ分布擬合降水序列，求其累積概率并轉(zhuǎn)化成標準正態(tài)分布，即得到SPI值[12]；采用Penman-Monteith法計算潛在蒸散發(fā)(即充分供水條件下區(qū)域的蒸散發(fā)能力)后[1]，用3參數(shù)log-logistic概率分布函數(shù)擬合降水蒸散差值序列，求其累積概率并正態(tài)標準化得到SPEI值[13]；用P-Ⅲ型分布擬合時段平均徑流序列，求其累積概率并正態(tài)標準化，得到SRI值[14]。3種指標的具體計算方法見對應的參考文獻。SPI、SPEI和SRI干旱等級劃分標準如表3所示[12-14]。

表3 SPI、SPEI和SRI干旱等級劃分標準Tab.3 Classification standard of SPI、SPEI and SRI

由于3個月的時間尺度能夠反映水文過程的季節(jié)性特征[1,15]，本文后續(xù)基于3個月尺度的氣象干旱指標SPI3、SPEI3和水文干旱指標SRI3序列進行分析。

3.2 水文模型

本文使用SWAT模型對金沙江流域7個水文站的月徑流量進行參數(shù)率定[16-18]。率定結(jié)果(見表4)表明，SWAT模型模擬效果較好，能夠用于金沙江流域的徑流模擬。然后將1968～2017年金沙江流域31個氣象站點的逐日數(shù)據(jù)輸入SWAT模型進行流域徑流模擬，從而得到21個子流域的徑流序列。同時，選取子流域輸出文件中的降水、實際蒸散發(fā)(一定時期內(nèi)區(qū)域的實際蒸散發(fā)量)、潛在蒸散發(fā)等的月數(shù)據(jù)序列進行后續(xù)計算分析。

表4 金沙江流域7個水文站SWAT月徑流模擬結(jié)果Tab.4 SWAT monthly runoff simulation results of 7hydrological stations in the Jinsha River Basin

3.3 干旱特征分析方法

本文采用Morlet小波分析方法進行周期分析[16-19]，運用Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗方法進行趨勢分析[21-25]，顯著性水平均取為α=0.05。本文利用游程理論方法[1,26]，對水文干旱指標SRI3序列進行干旱事件識別，其中指標閾值取為-1。水文干旱被認為是最徹底的干旱，因此，基于SRI3得到的水文干旱更能全面地反映流域的干旱情況[27]。

1968～2017年，金沙江流域各子流域的水文干旱事件發(fā)生次數(shù)僅17～28場，數(shù)量太少，難以較好地進行概率分布函數(shù)擬合，故不再分析其重現(xiàn)期[1]。因此，本文基于各子流域的SRI3序列，以-1為閾值，用小于閾值的SRI3的絕對值之和(∑|SRI3|)表示干旱的嚴重程度，通過分析∑|SRI3|的時空變化情況和干旱事件起始時間的季節(jié)分布，刻畫50 a間金沙江流域水文干旱的時空變化特征。

4 氣象干旱時空變化特征

4.1 年降水和年實際蒸散發(fā)變化趨勢分析

對于金沙江流域面平均年降水和年實際蒸散發(fā)序列，通過以子流域面積為權(quán)重求加權(quán)平均值的方法得到。分析二者變化趨勢可知：1968～2017年，金沙江流域面平均年降水和年實際蒸散發(fā)呈顯著增加的趨勢(p值分別為0.017和0.045，趨勢率分別為1.26 mm/a和0.33 mm/a)。

對各子流域的年降水和年實際蒸散發(fā)序列進行50 a趨勢分析(見圖2)可知，1968～2017年，金沙江流域21個子流域中，17個子流域的年降水無顯著變化，而長江源區(qū)和通天河上段4個子流域呈顯著增加的趨勢；10個子流域年實際蒸散發(fā)無顯著變化，9個子流域年實際蒸散發(fā)呈顯著增加趨勢，僅2個子流域呈顯著減少的趨勢。

注：斜線表示通過α=0.05顯著性檢驗，趨勢顯著，下同圖2 金沙江流域1968～2017年各子流域年降水和實際蒸散發(fā)變化趨勢Fig.2 Trends of annual precipitation and evapotranspirationin 21 sub-basins of the Jinsha River Basin from 1968 to 2017

4.2 氣象干旱指標變化周期和趨勢分析

對金沙江流域1968～2017年各子流域的氣象干旱指標SPI3和SPEI3序列進行了周期性分析(見表5)。

表5 金沙江流域1968～2017年各子流域SPI3、SPEI3和SRI3指標序列Morlet小波分析得到的第一主周期(a)Tab.5 The first main period obtained by Morlet Wavelet Analysisof SPI3, SPEI3 and SRI3 sequences in 21 sub-basins ofthe Jinsha River Basin from 1968 to 2017 (year)

注：*表示通過α=0.05顯著性檢驗，周期顯著；(20)等表示無法將該周期確定為可靠周期

從表5得到：50 a間，金沙江流域不同區(qū)域的SPI3和SPEI3大致都有中心約為4，9 a或12 a的主周期，與陳媛等和岑思弦等所得關(guān)于金沙江流域徑流周期性研究的結(jié)論相一致[10,28]，但均未通過α=0.05顯著性檢驗，即SPI3和SPEI3的周期性并不顯著。

對SPI3和SPEI3序列進行趨勢分析(見圖3)發(fā)現(xiàn)：1968～2017年，金沙江流域21個子流域中，有10個子流域的SPI3呈顯著增大的趨勢，均位于攀枝花以上區(qū)域。12個子流域的SPEI3呈顯著增大的趨勢，均位于金沙江與雅礱江流經(jīng)的地區(qū)；僅3個子流域(子流域9，10，16)的SPEI3呈顯著減小的趨勢。

圖3 金沙江流域1968～2017年各子流域SPI3和SPEI3變化趨勢Fig.3 Trends of SPI3 and SPEI3 in 21 sub-basinsof the Jinsha River Basin from 1968 to 2017

5 水文干旱時空變化特征

5.1 年徑流量變化趨勢分析

由金沙江流域總出口屏山站年徑流量變化趨勢可知，金沙江流域年徑流量無顯著變化(p值為0.700)。而由各子流域年徑流量變化趨勢(見圖4)可知：6個子流域的年徑流無顯著變化，15個子流域的年徑流呈顯著增加的趨勢，且都集中在通天河、金沙江和雅礱江流經(jīng)的子流域。

5.2 水文干旱指標變化周期和趨勢分析

對金沙江流域1968～2017年各子流域的水文干旱指標SRI3序列進行了周期性分析(見表5)，從而得到：50 a間，金沙江流域各子流域SRI3指標均未通過α=0.05顯著性檢驗，其周期性并不顯著。

對SRI序列進行趨勢分析(見圖5)可知：50 a間，金沙江流域19個子流域的SRI3呈顯著增大的趨勢，僅1個子流域(子流域16)呈顯著減小的趨勢。

5.3 水文干旱事件時空變化分析

1968～2017年間，金沙江流域21個子流域不同歷時和強度的水文干旱事件(本小節(jié)以下簡稱“干旱事件”)總數(shù)如表6所示?？梢?，50 a間金沙江流域干旱事件總數(shù)很大，共479次，其中歷時小于3個月、強度小于0.25的干旱事件占總數(shù)的59.3%；歷時越長或強度越大的干旱事件次數(shù)越少，歷時6個月或12個月及以上的干旱事件分別占總數(shù)的18.0%和4.2%，而強度大于等于0.50或0.75的干旱事件分別占29.2%和12.5%；干旱歷時長、強度大的干旱事件非常少，歷時12個月及以上、強度大于等于0.75的干旱事件僅占2.3%。

圖4 金沙江流域1968～2017年各子流域年徑流變化趨勢Fig.4 Trends of annual runoff in 21 sub-basins of theJinsha River Basin from 1968 to 2017

圖5 金沙江流域1968～2017年各子流域SRI3變化趨勢Fig.5 Trends of SRI3 in 21 sub-basins of the JinshaRiver Basin from 1968 to 2017

由金沙江流域1968～2017年干旱時期(SRI3<-1)∑|SRI3|的時空分布(見圖6)可知：1968～1977年，是金沙江流域50 a間干旱最嚴重的時期，全流域∑|SRI3|的平均值為56.6，大于其他4個時段的25.9(1978～1987年)、18.9(1988～1997年)、13.6(1998～2007年)和21.0(2008～2017年)；其中金沙江干流全河段以及雅礱江中上段是流域干旱最嚴重的區(qū)域。這與卓嘎等以及楊燁等得到的20世紀70年代金沙江流域偏枯的研究成果相一致[8,29]。50 a間，流域干旱呈先減緩后加重的趨勢，且干旱有自金沙江干流段向雅礱江流域、自西向東轉(zhuǎn)移的趨勢。

表6 金沙江流域1968～2017年不同歷時和強度的水文干旱事件總數(shù)Tab.6 Total number of hydrological drought events ofdifferent durations and intensities in theJinsha River Basin from 1968 to 2017 次

注：D為干旱歷時(月)；I為干旱強度

圖6 金沙江流域1968～2017年干旱時期(SRI3<-1)∑|SRI3|的時空分布Fig.6 Spatiotemporal distribution of ∑|SRI3| in the dry period (SRI3<-1) in the Jinsha River Basin from 1968 to 2017

由金沙江流域1968～2017年干旱時期(SRI3<-1)Σ|SRI3|的季節(jié)分布(見圖7)可知：50 a間，金沙江流域秋季干旱相對較為嚴重，全流域Σ|SRI3|的平均值為36.5，大于春季的33.1、夏季的32.4和冬季的33.9。即金沙江流域50 a間干旱的季節(jié)分布不均勻，從春季經(jīng)夏秋到冬季，干旱程度有變嚴重的趨勢，且金沙江干流全段和雅礱江中上段比其他區(qū)域更為嚴重。

由金沙江流域1968～2017年479場干旱事件起始時間的季節(jié)分布(見圖8)可知： 50 a間，金沙江流域在春季發(fā)生的干旱事件最少，共67場，占總數(shù)的14.0%；夏季最多，占總數(shù)的38.4%，是1 a中全流域最易發(fā)生干旱事件的季節(jié)；秋季和冬季各占27.1%和20.5%。

綜上可知，金沙江流域50 a間干旱的季節(jié)分布不均勻，夏秋季節(jié)易于發(fā)生干旱，且在秋冬季節(jié)最為嚴重?！吨袊鴼庀鬄暮δ觇b：2011》記載：2009年9月至2010年3月中旬，西南地區(qū)發(fā)生了歷史罕見的秋冬春特大干旱[2]。西南地區(qū)包括金沙江流域部分地區(qū)，此次干旱事件也基本符合本文研究所得金沙江流域干旱的季節(jié)分布規(guī)律。

圖7 金沙江流域1968～2017年干旱時期(SRI3<-1)∑|SRI3|的季節(jié)分布Fig.7 Seasonal distribution of ∑|SRI3| in the dryperiod (SRI3<-1) of the JinshaRiver Basin from 1968 to 2017

圖8 金沙江流域1968～2017年干旱事件起始時間的季節(jié)分布Fig.8 Seasonal distribution of the onset of drought eventsin the Jinsha River Basin from 1968 to 2017

6 結(jié) 論

(1) 1968～2017年，金沙江流域面平均年降水和年實際蒸散發(fā)呈顯著增加的趨勢。21個子流域中，分別有17個子流域的年降水和10個子流域的年實際蒸散發(fā)在總體上無顯著變化的趨勢。50 a間,各子流域氣象干旱指標SPI3和SPEI3的周期性均不顯著，而分別有10個子流域的SPI3和12個子流域的SPEI3序列呈顯著增大的趨勢。

(2) 1968～2017年,金沙江流域年徑流量無顯著變化。21個子流域中，有15個子流域的年徑流顯著增加，均集中在通天河、金沙江和雅礱江流經(jīng)的地區(qū)。50 a間,各子流域的SRI3指標周期性均不顯著，而有19個子流域的SRI3序列呈顯著增大的趨勢，即這些子流域50 a間在總體上呈顯著變濕的趨勢。

(3) 金沙江流域1968～2017年間的水文干旱事件總數(shù)很多，共計479次，但多數(shù)歷時較短、強度較小，干旱歷時小于3個月、強度小于0.25的水文干旱事件占總干旱次數(shù)的59.3%，而歷時較長或強度較大的水文干旱事件發(fā)生的次數(shù)較少，12個月及以上干旱歷時、強度大于等于0.75的干旱事件僅占2.3%。

(4) 50 a間,金沙江全流域水文干旱最嚴重的時期為1968～1977年，最輕的時期為1998～2007年，表現(xiàn)出先減緩后加重的趨勢，且其年內(nèi)分布不均勻，夏秋季節(jié)易于發(fā)生水文干旱并在秋冬季節(jié)最為嚴重，其中金沙江干流全段和雅礱江中上段的干旱情勢相比其他區(qū)域更為嚴重。