曾碧球 解河海 查大偉

摘要：利用馬別河流域1982-2015年逐月降水量和徑流量資料，采用標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)（SPI）和標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)（ SRI）分析馬別河流域氣象與水文干旱特征，并探索氣象與水文干旱之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，1982-2015年，馬別河流域每2-3年會出現(xiàn)1次不同程度的干旱，年尺度上，氣象干旱變化趨勢不顯著;季尺度上，秋旱有顯著加重趨勢，春、夏、冬三季變化趨勢不顯著;年尺度上，水文干旱有顯著加重的趨勢，2000年后水文干旱頻率明顯增加，干旱年數(shù)占1982-2015年水文干旱年數(shù)的70%。馬別河流域氣象與水文干旱之間有緊密的相關(guān)性和一定的時滯性，1、3、6、12個月的時間尺度中，12個月尺度的SPI12與SRI12相關(guān)性最好，水文干旱滯后氣象干旱1個月。

關(guān)鍵詞：氣象干旱;水文干旱;標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù);標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù);馬別河流域

中圖分類號：P429;S423

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020）12-0040-05

D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.12.008

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

干旱是指因降水減少或入境水量不足，造成工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)居民生活以及生態(tài)環(huán)境正常用水需求得不到滿足的現(xiàn)象。干旱具有頻率大、持續(xù)時間長、影響范圍廣等特點(diǎn)，對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)尤其是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重危害，是許多國家和地區(qū)最常見的自然災(zāi)害之一。干旱分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟(jì)干旱4種類型，其中氣象干旱是旱情的預(yù)警，水文干旱預(yù)示旱情已出現(xiàn)，并有進(jìn)一步發(fā)展為旱災(zāi)的可能。

干旱指標(biāo)是用于研究和評定干旱情況的定量標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)統(tǒng)計，目前有100多種不同的旱情指標(biāo)，常用的氣象干旱指標(biāo)有降水距平指標(biāo)、降水Z指數(shù)、帕爾默干旱指數(shù)（Palmer drought severity index，PDSI）、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（ Standardized precipitation index，SPI）等[1-4]，其中由世界氣象組織51推薦的標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)計算數(shù)據(jù)簡單，具有多尺度等特點(diǎn)，是采用較廣泛的干旱指標(biāo)，在干旱狀況分析中應(yīng)用較普遍。常用的水文干旱評價指標(biāo)有徑流量z指數(shù)[6]、地表供水指數(shù)[7]（Surface water supply index，SWSI）和標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)[8]（Standardized runoff index，SRI）等，其中SRI計算方法與SPI類似，方法簡單，可以進(jìn)行多時間尺度分析（1、3、6、12個月等），且適用于資料缺乏、地形復(fù)雜的區(qū)域，在水文干旱識別研究中應(yīng)用較多[9，10]。

國內(nèi)外在氣象干旱與水文干旱的歷時相關(guān)性上取得了一些研究成果。Vicente-Serrano等[11]在地中海沿岸的Aragon流域研究表明，該流域水文干旱比氣象干旱滯后1-4個月;李運(yùn)剛等[12]采用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）和徑流干旱指數(shù)（SDI）研究紅河流域氣象水文干旱演變關(guān)系，表明紅河流域水文干旱滯后于氣象干旱1-8個月;吳杰峰等[13]利用游程理論研究表明晉江流域水文干旱滯后氣象干旱1.45個月。

本研究采用SPI和SRI，分析馬別河流域氣象和水文干旱特征及其發(fā)展趨勢，并利用相關(guān)分析法探索氣象干旱與水文干旱之間的相關(guān)性。本研究分析馬別河流域干旱特征和變化規(guī)律對于指導(dǎo)其水資源規(guī)劃和抗旱等工作具有一定的實(shí)用價值。

1 研究區(qū)概況與資料

馬別河位于貴州省西南部，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，是珠江流域西江水系上源南盤江下游段的支流，發(fā)源于貴州省盤縣老廠，流經(jīng)普安縣、興義市、興仁縣，在安龍縣匯人南盤江，全長142.5 km，流域面積2 924 km2，河口平均流量75.7m3/s。馬別河流域多年平均降水量為l 200 mm，降水量年內(nèi)分配不均，5-8月降水量約占全年的65.1%;降水年際變化也較大，最大年和最小年降水之比為4.8倍。由于降水時空分布不均勻，季節(jié)性差異較大，易形成旱災(zāi)。馬別河流域地勢北高南低，河流穿行于山丘區(qū)，經(jīng)濟(jì)以農(nóng)業(yè)為主。馬別河流域水資源開發(fā)利用程度總體低，干流沒有水庫工程，僅在支流上建有幸福水庫、隔界河水電站、石橋河一級水電站和石橋河二級水電站等4座徑流式水電站，已建支流的水電站庫容較小，調(diào)節(jié)能力有限。

本研究所用資料為1982-2015年地瓜、老廠、青山、樓下、馬嶺、頂效、楓塘等7個站點(diǎn)降水量和馬嶺站的徑流量數(shù)據(jù)，該資料是無缺值的連續(xù)資料，在馬別河流域相關(guān)研究分析中得到廣泛的應(yīng)用，其中馬嶺站控制集雨面積2 277 km2，占馬別河流域面積的77.9%。本研究采用的馬別河流域氣象和水文站點(diǎn)地理位置如圖1所示。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)（SPI）由Mckee等于1993年提出，是世界氣象組織（WMO）推薦的干旱評估指標(biāo)。該指數(shù)計算數(shù)據(jù)簡單，具有多尺度等特點(diǎn)，在干旱狀況分析中應(yīng)用較普遍，在中國已得到廣泛的應(yīng)用。

SPI是一個標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)，反映降雨量可能出現(xiàn)的機(jī)會率。SPI負(fù)值代表雨量偏少，而SPI正值則代表雨量偏多。干旱嚴(yán)重程度可根據(jù)相應(yīng)SPI的負(fù)值大小來劃分等級，SPI負(fù)值越大表示干旱越嚴(yán)重。

當(dāng)F> 0.5時，S=1;當(dāng)F≤0.5時，S=-1。其中，c0=2.515 517， cl=0.802 853， C2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。最終，通過式（4）計算的Z即為標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的計算值。

根據(jù)《氣象干旱等級》（GB /T20481-2017）中干旱的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，對流域干旱等級進(jìn)行劃分，SPI>-0.5為無旱;-1.0

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)（SRI）是Shukla等L81于2008年參照標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)這一概念提出的，反映河川徑流量可能出現(xiàn)的機(jī)會率。SRI負(fù)值代表徑流量偏少，SRI正值則代表徑流量偏多。標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)計算方法與標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)類似，可以進(jìn)行多時間尺度分析，目前在水文干旱研究中應(yīng)用較多，通常將水文干旱等級劃分為5等，SRI>-0.5為無旱;-1.0

2.3 相關(guān)分析法

利用線性相關(guān)分析法分析干旱變化趨勢和氣象與水文干旱之間的相關(guān)性。設(shè)直線方程的形式為：

y= ax+b

（6）

式中，x為自變量，y為倚變量;a為線性斜率，b為常數(shù)。a和b采用最小二乘法進(jìn)行估計。若a>0，則說明x與y線性正相關(guān);若a<0，則說明x與y線性負(fù)相關(guān)。x與y的相關(guān)性大小由線性相關(guān)系數(shù)r決定，r2≤1，r2越接近1，則x與y線性相關(guān)越強(qiáng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣象干旱

SPI可以適應(yīng)各種時間尺度，如1、2、3、6、12個月（簡稱為SPI1、SPI2、SPI3、SPI6、SPI12），本研究分別利用3、12個月尺度的SPI指數(shù)來表示季節(jié)和年尺度的干旱特征。

3.1.1 年際變化采用12個月時間尺度的SPI12識別1982-2015年馬別河流域年尺度的干旱情況，計算結(jié)果如圖2所示，有5個不同長度的時段發(fā)生干旱，分別是1984年、1987-1989連續(xù)3年、1992年、2004-2005年連續(xù)2年、2009-2013連續(xù)5年，與《貴州水旱災(zāi)害》[14]和《興仁縣水利志》[15]中記錄的干旱年份具有一致性，說明SPI指數(shù)能夠客觀反映實(shí)際干旱情況。年尺度的SPI序列擬合的趨勢線線性斜率a為負(fù)數(shù)，但其線性斜率沒有通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，表明年尺度上，馬別河流域干旱有加重趨勢，但趨勢不顯著。2000年以后干旱的年份偏多，2001-2015年的15年中有7年發(fā)生干旱，占1982-2015年干旱年份的58%，表明2000年以后氣象干旱頻率有所增加。

3.1.2 季節(jié)變化 貴州省農(nóng)業(yè)冬旱發(fā)生在上年12月至本年2月，春旱發(fā)生在3-5月，夏旱發(fā)生在6-8月，秋旱發(fā)生在9-11月。本研究采用3個月尺度的SPI3識別不同季節(jié)的干旱情況，其中2月SPI3識別冬旱期，5月SPI3識別春早期，8月SPI3識別夏旱期，11月SPI3識別秋旱期。先計算7個雨量站點(diǎn)逐月的3個月尺度SPI3，再統(tǒng)計7個雨量站點(diǎn)2月SPI3.5月SPI3、8月SPI3和11月SPI3的均值，然后采用線性趨勢線分析干旱變化趨勢，計算成果見圖3。由圖3可知，2月SPI3、5月SP13、8月SPI3和11月SPI3序列分別表示1982-2015年冬旱、春旱、夏旱和秋旱的變化過程，4組SPI3序列擬合的線性斜率n均為負(fù)數(shù)，但只有秋季11月SPI3序列的線性斜率通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，說明秋旱有顯著的加重趨勢，其他季節(jié)加重的趨勢不顯著。

根據(jù)2、5、8、11月SPI3分別識別出馬別河流域1982-2015年冬旱、春旱、夏旱和秋旱不同等級干旱年份，結(jié)果見表1。馬別河流域8次重旱以上級別的干旱中有6次發(fā)生在2000年后，表明2000年后干旱發(fā)生等級有加大趨勢;2000年后秋旱發(fā)生的比例占66.7%，說明秋旱發(fā)生頻率有加大趨勢。

3.2 水文干旱

采用12個月尺度的SRI12來分析1982-2015年馬別河流域年尺度的水文干旱情況，結(jié)果如圖4所示，有4個不同長度時段發(fā)生干旱，分別是1988-1989連續(xù)2年、1992年、2004-2005年連續(xù)2年、2009-2013年連續(xù)5年。年尺度的SRI序列擬合的趨勢線線性斜率a為負(fù)數(shù)，且其線性斜率通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，說明水文干旱有顯著加重的趨勢。2000年以后干旱的年份明顯偏多，2001-2015年的15年中有7年發(fā)生干旱，占1982-2015年水文干旱年數(shù)的70%，表明2000年后水文干旱頻率明顯增加。

3.3 氣象與水文干旱的相關(guān)性

分別計算馬別河流域不同時間尺度的SPI和SRI，并進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，1、3、6、12個月時間尺度的SPI與SRI的相關(guān)系數(shù)分別為0.58、0.71、0.79和0.89，以上相關(guān)系數(shù)均通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，表明馬別河流域氣象干旱和水文干旱有明顯的相關(guān)性，其中12個月時間尺度的相關(guān)系數(shù)最大，表明12個月時間尺度的相關(guān)性最好。

將12個月尺度的SPI和SRI進(jìn)行對比分析，1982-2015年出現(xiàn)氣象干旱141個月，出現(xiàn)水文干旱128個月，可見發(fā)生水文干旱的概率比氣象干旱要小，且由圖5可以看出，在氣象干旱歷時較短或強(qiáng)度較小的情況下，水文干旱不一定會出現(xiàn)，且水文干旱相對于氣象干旱有一定的滯后性。為進(jìn)一步探討水文干旱與氣象干旱的時滯性，分別對1982-2015年SPI12序列與同期、滯后1個月、滯后2個月……11個月的SRI12序列進(jìn)行相關(guān)性分析，其中同期至滯后6個月的序列均通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)分別是0.85、0.87、0.79、0.69、0.60、0.52和0.43，可見，SPI12與滯后1個月的SRI12相關(guān)系數(shù)最大，表明馬別河流域水文干旱滯后氣象干旱1個月。

4 小結(jié)

本研究采用標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)分析馬別河流域氣象和水文干旱的特征與變化趨勢，并探討水文與氣象干旱的相關(guān)性，得出主要結(jié)論如下。

1） 1982-2015年，馬別河流域在氣象干旱方面，季尺度的秋旱有顯著加重趨勢;在水文干旱方面，年尺度的水文干旱有顯著加重趨勢;2000年后氣象和水文干旱發(fā)生頻率都有顯著增加。

2）馬別河流域氣象與水文干旱之間有緊密的相關(guān)性和一定的時滯性，1、3、6、12個月的時間尺度中，12個月尺度的SPI12與SRI12相關(guān)性最好，水文干旱滯后氣象干旱1個月。

由于SPI和SRI2項(xiàng)評價指標(biāo)自身的局限性，其中SPI僅考慮了降水量，SRI僅考慮了徑流量，而影響干旱的因素還包括氣溫、蒸散發(fā)量、地下水位和水庫蓄水狀態(tài)等，因此有待于進(jìn)一步進(jìn)行多因子綜合研究。

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基金項(xiàng)目：貴州省農(nóng)業(yè)攻關(guān)計劃項(xiàng)目（黔科合支撐[2016]2561號）;貴州省水利廳科研項(xiàng)目（KT201606）

作者簡介：曾碧球（1977-），男，湖南新化人，高級工程師，主要從事水資源調(diào)度和干旱預(yù)警預(yù)測研究工作，（電話）13560082265（電子信箱）15470846@qq.com。