孫浚凱

(遼寧省大伙房水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113000)

干旱是一種影響范圍大、發(fā)生頻率高、具有累積效應(yīng)且危害嚴(yán)重的自然災(zāi)害，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重大影響。近年來，由于全球氣候變化和人類活動(dòng)的影響，極端天氣增多，導(dǎo)致旱災(zāi)和洪澇災(zāi)害造成的影響越來越大[1]。目前干旱指數(shù)是研究地區(qū)干旱動(dòng)態(tài)特征，科學(xué)評(píng)估干旱風(fēng)險(xiǎn)的重要依據(jù)[2-8]，國內(nèi)外干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)很多，根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)目的的不同，所采用的干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)也不相同。標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(Standardized Runoff Index,SRI)[9]是常用于水文干旱監(jiān)測(cè)評(píng)估的干旱指標(biāo)，該方法基于樣本獨(dú)立同分布及時(shí)間序列的平穩(wěn)性假設(shè)。SRI基于不同尺度月徑流量建立，能夠在不同時(shí)間尺度上計(jì)算，適用于不同氣候區(qū)的干旱檢測(cè)和變化特征分析，被廣泛接受的一種水文干旱指數(shù)，近些年來得到了廣泛應(yīng)用。邵進(jìn)等[10]以一種新的思路推導(dǎo)出了標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)的計(jì)算方法,并用于旱澇的分布及其變化規(guī)律的研究，具有較好的實(shí)用效果。任立良等[11]采用標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)剖析水文干旱時(shí)空演變特征，并提出多種SRI參數(shù)化方案，對(duì)比評(píng)定了各方案表征非平穩(wěn)干旱的合理性以及環(huán)境變化對(duì)干旱演變的影響作用。鄭崳珍等[12]采用標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)分析環(huán)境變化前后荊南三口河系水文干旱演變特征。李敏等[13]研究了在變化環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)和時(shí)變標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)對(duì)干旱事件描述識(shí)別的差異及影響因素。渾河流域大部屬于溫帶半濕潤(rùn)半干旱的季風(fēng)氣候，降雨時(shí)空分布不均，易發(fā)生干旱事件，連續(xù)的干旱對(duì)渾河流域造成嚴(yán)重影響，使得農(nóng)業(yè)供水緊張，甚至工業(yè)及城市用水得不到保證。基于此，本文采用SRI指標(biāo)對(duì)渾河流域水文干旱時(shí)空演變特征進(jìn)行分析，通過對(duì)旱澇區(qū)域分布及其變化規(guī)律的研究，以期為渾河流域合理開發(fā)利用水資源，促進(jìn)流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

渾河發(fā)源于遼寧省清原縣彎甸子鄉(xiāng)境內(nèi)的長(zhǎng)白山支脈滾馬嶺，海拔高程750 m，全長(zhǎng)415 km，流域面積11 481 km2。渾河流域跨東經(jīng)112°20′至125°15′，北緯41°00′至42°15′，渾河流域大部屬于溫帶半濕潤(rùn)半干旱的季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥， 降水稀少； 夏季炎熱多雨。渾河中上游流域多年平均降水量780 mm，蒸發(fā)量為1 230 mm，渾河流域多年平均25.0億m3，降雨主要集中在7、8月份，此間降雨約占全年降水的48.5%。渾河流經(jīng)遼寧中部城市群，這里傳統(tǒng)的重工業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)，也是渾河流域人口分布密集的區(qū)域。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本文選取渾河流域(圖1)北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個(gè)水文站作為流量控制站，3個(gè)水文站來水均流入大遼河，集水面積分別為1 832、7 919、11 090 km2，至大遼河河口距離分別為311、174、57 km，北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個(gè)水文站點(diǎn)分別代表渾河上、中、下游流域。本文基于3個(gè)水文站1975—2014年的逐月平均徑流數(shù)據(jù)，對(duì)渾河流域的干旱特征進(jìn)行分析、研究，數(shù)據(jù)摘自《中華人民共和國水文年鑒》第2卷遼河流域水文資料(第3冊(cè)——渾河、太子河水系)。

圖1 渾河流域

2.2 研究方法

2.2.1研究指標(biāo)及等級(jí)劃分

標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)SRI采用伽馬分布概率來描述徑流量的變化，對(duì)呈現(xiàn)偏態(tài)概率分布的徑流量進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理得到標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)，具體計(jì)算方法[9]如下：假設(shè)某一時(shí)間尺度的徑流量為x，則滿足伽馬分布的概率密度函數(shù)為：

(1)

式中α、β——參數(shù)，α>0、β>0，用極大似然法對(duì)參數(shù)進(jìn)行估算。

一定時(shí)間尺度的徑流量x的累積概率為：

(2)

對(duì)各項(xiàng)的累積頻率F(x)進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化即得到相應(yīng)的SRI：

(3)

(4)

式中c0=2.515 517；c1=0.802 853；c2=0.010 328；d1=1.432 788；d2=0.189 269；d3=0.001 308。

本文干旱等級(jí)參照GB/T 20481—2006《氣象干旱等級(jí)》[14]規(guī)定的干旱分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分級(jí)，見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)干旱分級(jí)

2.2.2游程理論及干旱識(shí)別

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(SRI)，采用游程理論[15]對(duì)干旱事件進(jìn)行識(shí)別，設(shè)SRI0=-0.5,當(dāng)SRI≤SRI0，呈現(xiàn)出干旱特征，從SRI值開始小于等于SRI0時(shí)刻(t1)起，至SRI值重新大于等于SRI0時(shí)刻(t2)止，作為一次干旱事件，游程總量S為干旱烈度，游程歷時(shí)Dt2-t1為干旱歷時(shí)。本文假設(shè)如果2次干旱過程中間有且只有1個(gè)月的SRI值大于SRI0且小于SRI1(SRI1=0)，認(rèn)為這兩次干旱是從屬干旱，可合并成一次干旱過程，合并后的干旱歷時(shí)D=D1+D2+D0，干旱烈度S=S1+S2。圖2為干旱事件定義，圖中D為干旱歷時(shí)，其中D0=1,S為干旱烈度，L為干旱間隔。

圖2 干旱事件定義

定義一次干旱事件的干旱烈度，計(jì)算公式如下：

(5)

式中t——某次干旱(即SRI≤-0.5)開始的時(shí)刻，t=1；T——本次干旱結(jié)束的時(shí)刻；D——某次干旱事件干旱總歷時(shí)。

2.2.3干旱趨勢(shì)性分析方法

Mann-Kendall趨勢(shì)性檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)方法，被廣泛應(yīng)用于降雨徑流等水文氣象的時(shí)間系列分析。具體計(jì)算過程[16]如下，對(duì)于一個(gè)有n個(gè)樣本的時(shí)間系列x，構(gòu)造秩系列：

(6)

式中 當(dāng)xi

構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量U來進(jìn)行無顯著性趨勢(shì)的假設(shè)檢驗(yàn)：

(7)

(8)

給定顯著性水平α，根據(jù)樣本容量查表得臨界值Uα/2，如果U>Uα/2，表明具有顯著的增加趨勢(shì)；U<-Uα/2，表明具有顯著的減少趨勢(shì)。

3 結(jié)果分析

3.1 渾河流域干旱年際變化趨勢(shì)特征分析

分別計(jì)算渾河流域北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個(gè)水文站12月尺度的SRI序列，并繪制SRI序列年際變化趨勢(shì)和5年滑動(dòng)平均線，見圖3。由圖3可知，渾河流域北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個(gè)水文站SRI年際變化曲線波動(dòng)較大，易出現(xiàn)重澇、重旱現(xiàn)象，且3個(gè)水文站SRI曲線形狀具有較高的一致性。根據(jù)5年滑動(dòng)平均線和趨勢(shì)線可知，渾河流域1975—2014年40年來SRI序列整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中沈陽(三)和邢家窩棚站SRI序列變化趨勢(shì)較顯著，即流域干旱化趨勢(shì)減弱，中、下游流域干旱化趨勢(shì)減弱較顯著。同時(shí)，5年滑動(dòng)平均線表現(xiàn)出較好的周期性，平均每14～16年經(jīng)歷一次旱、澇過程。

a)北口前(二)站

b)沈陽(三)站

c)邢家窩棚站圖3 代表站SRI序列年際變化趨勢(shì)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)(SRI)，采用游程理論對(duì)干旱事件進(jìn)行識(shí)別，得到場(chǎng)次干旱的干旱歷時(shí)和干旱烈度特征值，然后按年代分別統(tǒng)計(jì)不同代表性水文站在各個(gè)時(shí)期的干旱次數(shù)、干旱歷時(shí)和干旱烈度以及最長(zhǎng)干旱歷時(shí)和最大干旱烈度，見表2。

由表2可知，在1975—1984年，北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個(gè)水文站發(fā)生干旱次數(shù)相差不大，但平均干旱歷時(shí)、干旱強(qiáng)度、最大干旱烈度依次減小，表現(xiàn)為北口前(二)站所控制的上游區(qū)域場(chǎng)次干旱較為嚴(yán)重；在1985—1994年，北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個(gè)水文站發(fā)生干旱次數(shù)依次增大，但平均干旱歷時(shí)、干旱烈度、最大干旱歷時(shí)和最大干旱烈度依次減小，表現(xiàn)為流域上游干旱發(fā)生次數(shù)少但場(chǎng)次干旱程度較重，下游干旱發(fā)生較頻繁但程度較輕，總體從上游至下游干旱逐漸減弱；在1995—2004年，北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個(gè)水文站發(fā)生干旱次數(shù)依次減少，最大干旱歷時(shí)和最大干旱烈度也依次減小，平均干旱歷時(shí)和平均干旱強(qiáng)度沈陽(三)站最大，表現(xiàn)為沈陽(三)站所控制的中游流域干旱較為嚴(yán)重；在2005—2014年，北口前(二)站發(fā)生干旱次數(shù)明顯減少，3個(gè)水文站控制區(qū)域平均干旱歷時(shí)、干旱強(qiáng)度、最大干旱歷時(shí)和最大干旱烈度從大到小依次為沈陽(三)站、邢家窩棚站和北口前(二)站，表現(xiàn)為沈陽(三)站和邢家窩棚站所控制的中、下游流域干旱較為嚴(yán)重。

表2 1975—2014年渾河流域代表水文站干旱事件統(tǒng)計(jì)

分別繪制渾河流域北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個(gè)水文站12月尺度的SRI序列和年降雨量年際變化，見圖4。由圖4可知，北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個(gè)水文站SRI年際變化曲線與各自站年降雨量變化趨勢(shì)具有較好的一致性，表明降水對(duì)流域水文干旱具有較大影響。

a)北口前(二)站

b)沈陽(三)站

c)邢家窩棚站圖4 代表站SRI序列及降雨量年際變化

3.2 流域不同季節(jié)干旱年際變化特性分析

分別計(jì)算渾河流域北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個(gè)水文站4個(gè)季節(jié)3月尺度的SRI(表3)，以分析流域干旱的季節(jié)性。本文春季取每年的3—5月，夏季取6—8月，秋季取9—11月，冬季取12月至次年2月。用Mann-Kendall方法檢驗(yàn)3個(gè)水文站不同季節(jié)和年尺度SRI的趨勢(shì)性，以α1=0.10作為具有輕微趨勢(shì)的置信水平，α2=0.05作為具有較顯著趨勢(shì)的置信水平，查表得其臨界值分別為Uα1/2=±1.645和Uα2/2=±1.960。

由表3可知，年尺度SRI序列的統(tǒng)計(jì)量U值均大于零，且邢家窩棚站統(tǒng)計(jì)量U值(1.748)大于1.645，表明三站干旱化趨勢(shì)均減弱，其中邢家窩棚站趨勢(shì)輕微顯著，北口前(二)站、沈陽(三)站趨勢(shì)不顯著。春季3個(gè)水文站SRI序列的統(tǒng)計(jì)量U值均大于0，且沈陽(三)站和邢家窩棚站的統(tǒng)計(jì)量U值均大于1.960，即SRI序列有上升趨勢(shì)，表明春季3個(gè)水文站所控制區(qū)域干旱化趨勢(shì)均減弱，其中沈陽(三)站和邢家窩棚站干旱減弱趨勢(shì)較顯著；夏季3個(gè)水文站SRI序列的統(tǒng)計(jì)量U值均大于0，但3個(gè)水文站SRI序列的統(tǒng)計(jì)量U值均小于1.645，即SRI序列有不顯著的上升趨勢(shì)，表明夏季3個(gè)水文站所控制區(qū)域干旱均呈不顯著減弱趨勢(shì)；秋季北口前(二)站和沈陽(三)站SRI序列的統(tǒng)計(jì)量U值均接近于0，無明顯變化趨勢(shì)，邢家窩棚站SRI序列的統(tǒng)計(jì)量U值(-0.303)小于0但大于-1.645，表明秋季邢家窩棚站干旱呈不顯著的增大趨勢(shì)；冬季3個(gè)水文站SRI序列的統(tǒng)計(jì)量U值均大于0且均大于1.960，即SRI序列具有顯著的上升趨勢(shì)，表明冬季3個(gè)水文站所控制區(qū)域干旱均呈顯著減弱趨勢(shì)。

表3 不同季節(jié)SRI和年SRI序列的M-K檢驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，流域在春、夏、冬季總體上干旱化趨勢(shì)減弱，春、冬季呈現(xiàn)較顯著的濕潤(rùn)化趨勢(shì)；夏季呈現(xiàn)不顯著的濕潤(rùn)化趨勢(shì)；秋季呈現(xiàn)不顯著的干旱化趨勢(shì)。

分別繪制渾河流域四季北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個(gè)水文站年降雨量年際變化，見圖5。由圖5可知，3個(gè)水文站點(diǎn)春、冬季降水量均呈增加趨勢(shì)，夏季北口前(二)站點(diǎn)降水量呈減少趨勢(shì)，沈陽(三)和邢家窩棚2個(gè)水文站降水量呈減少趨勢(shì)，秋季3個(gè)水文站點(diǎn)降水量均呈減少趨勢(shì)，流域降水分布及季節(jié)變化趨勢(shì)與流域水文干旱分布及季節(jié)變化具有較高一致性，表明降水對(duì)流域不同季節(jié)水文干旱具有較大影響。

a)春季

b)夏季

c)秋季

d)冬季圖5 代表站四季降水量年際變化

3.3 流域干旱空間分布特征分析

根據(jù)一個(gè)月尺度SRI序列及干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)1975—2014年北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個(gè)水文站不同干旱程度的發(fā)生月數(shù)，3個(gè)水文站發(fā)生干旱的頻次依次為26.5%、46.0%和32.5%，表明渾河流域中游區(qū)域最容易發(fā)生干旱，其次是下游區(qū)域，上游發(fā)生干旱頻次最小。統(tǒng)計(jì)3個(gè)水文站不同程度干旱數(shù)占總干旱數(shù)的比例，見表4。由表4可看出，3個(gè)水文站所控制區(qū)域均以輕旱為主，占全部干旱月數(shù)的69%～78%，其次是中旱，特旱發(fā)生頻次最小。其中邢家窩棚站所控制區(qū)域發(fā)生重旱和特旱的頻次高于北口前(二)站和沈陽(三)站所控制區(qū)域，干旱發(fā)生頻次分別為8.3%、1.3%，在統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)北口前(二)站控制區(qū)域未發(fā)生重旱和特旱，沈陽(三)站控制區(qū)域未發(fā)生特旱，綜上所述，渾河流域上游發(fā)生干旱的頻次最小，且以輕旱和中旱為主；中游發(fā)生干旱的頻次最大，以輕旱和中旱為主；下游發(fā)生干旱的頻次較大，且較中上游更可能發(fā)生重旱和特旱。

表4 不同水文站不同程度干旱發(fā)生頻次

根據(jù)渾河流域北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個(gè)水文站4個(gè)季節(jié)3月尺度的SRI(表3)可知，春、冬季SRI序列的M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量U值從上游(北口前(二)站)至下游(邢家窩棚站)依次增大，表明由上游至下游春、冬季干旱化趨勢(shì)逐漸減弱；夏、秋季SRI序列的M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量U值從上游(北口前(二)站)至下游(邢家窩棚站)依次減小，表明由上游至下游夏、秋季干旱化趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)。

4 結(jié)論

a) 渾河流域1975—2014年40年來干旱化呈減弱趨勢(shì)，旱澇過程具有較好的周期性，平均每14～16年經(jīng)歷一次旱澇過程。

b) 渾河流域的干旱在時(shí)間上呈現(xiàn)季節(jié)特征，春、夏、冬季總體上干旱化趨勢(shì)減弱，春、冬季呈現(xiàn)較顯著的濕潤(rùn)化趨勢(shì)，夏季呈現(xiàn)不顯著的濕潤(rùn)化趨勢(shì)，秋季呈現(xiàn)不顯著的干旱化趨勢(shì)，降水對(duì)流域水文干旱趨勢(shì)和季節(jié)差異具有較大影響。

c) 渾河流域上游發(fā)生干旱的頻次最小，以輕旱和中旱為主；中游發(fā)生干旱的頻次最大，以輕旱和中旱為主；下游發(fā)生干旱的頻次較大，且較中上游更可能發(fā)生重旱和特旱?？傮w上流域由上游至下游春、冬季干旱化趨勢(shì)逐漸減弱，夏、秋季干旱化趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)。