宋 飛

（遼寧省朝陽(yáng)水文局，遼寧 朝陽(yáng) 122000）

大型水庫(kù)一般具有發(fā)電、灌溉、防洪和供水等功能效益，而流域集水區(qū)氣候干濕狀況與水庫(kù)效益的發(fā)揮密切相關(guān)，氣象干旱程度直接決定了年降水量以及入庫(kù)水量的多少[1]。研究水庫(kù)流域集水區(qū)年降水量及氣象干旱時(shí)空分布規(guī)律，揭示地表徑流深度和降水量變化趨勢(shì)及時(shí)空分布特點(diǎn)，對(duì)投資計(jì)劃的科學(xué)制定和水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行等具有重要意義。

大型水庫(kù)上游通常存在大范圍的流域或集水區(qū)，其降水集中度、干濕情況變化具有很好的指示作用，可以反映區(qū)域受氣候變化的影響[2-4]。近年來(lái)，針對(duì)水文水資源受氣候變化的影響評(píng)價(jià)廣大學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究，如姚玉碧等以洮河流域?yàn)槔?，結(jié)合水資源定位和流域氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)建立水資源氣候模式；谷黃河等以柘林水庫(kù)為例，通過(guò)合理性論證及分析歷史洪水資料、洪水調(diào)度及頻率計(jì)算校核了水庫(kù)訊限水位設(shè)計(jì)值；許有鵬等模擬研究了下墊面特征和氣候變化情況下的暴雨洪水過(guò)程，并動(dòng)態(tài)模擬驗(yàn)證與分析了南苕溪流域降水徑流過(guò)程及特征；史玉品等結(jié)合歷史氣象數(shù)據(jù)提出天徑流流量公式，分析了龍羊峽入庫(kù)徑流量受氣候變化的影響作用[5-8]。白石水庫(kù)始建于1995 年，每年向錦州、阜新等城市以及遼河三角洲地區(qū)提供2.2 億m3城市用水和2.67 億m3農(nóng)業(yè)用水，對(duì)緩解遼西地區(qū)用水壓力具有重要戰(zhàn)略意義。以往關(guān)于白石水庫(kù)流域集水區(qū)的研究數(shù)據(jù)大多來(lái)源于地面觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料，由于缺乏數(shù)據(jù)資料和地面站點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果難以全面系統(tǒng)真實(shí)地反映上游集水區(qū)水文特征變化規(guī)律及時(shí)空分布特征，無(wú)法為生態(tài)水文模型提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。因此，為揭示該區(qū)域1985—2018 年間的氣象干旱及降水時(shí)空分布規(guī)律研究利用衛(wèi)星遙感重建的追溯性降水?dāng)?shù)據(jù)序列進(jìn)行分析，旨在為白石水庫(kù)水源地保護(hù)和流域植被恢復(fù)政策的科學(xué)制定提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

白石水庫(kù)建于大凌河干流上，水面面積約80km2，控制流域17649km2。流域集水區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，春冬干燥少雨，夏季多雨炎熱，多年平均氣溫在8℃左右，年均降水量在400～600mm 之間，降水大多集中于6～9 月，河流的補(bǔ)給主要來(lái)源于降水形成的地表徑流。流域內(nèi)土壤為亞砂土性的黃白土，山地大部分為生草棕色森林土，森林覆被以油松林、蒙古櫟林、油松人工林、刺槐人工林及沿河小葉楊、小青楊林為主，還有遼東櫟林、山杏矮林等；灌叢以荊條、酸棗、榛子灌叢為主，灌草叢以白羊草灌草叢最多，還有黃背草灌草叢、野谷草灌草叢等，分布在漫灘和低階地上的代表植物主要有楊樹(shù)、刺槐、油松、柳樹(shù)、沙棘和山杏等人工林。

2 研究方法

2.1 降水?dāng)?shù)據(jù)

由于其時(shí)空分辨率較高，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型估算降水-氣候數(shù)據(jù)記錄(PERSIANN CDR)已成為眾多衛(wèi)星遙感追溯性重建的降水?dāng)?shù)據(jù)序列中應(yīng)用較為廣泛的數(shù)據(jù)序列[13]。其時(shí)間和空間特征區(qū)間為1985 年1 月1 日—現(xiàn)在(分辨率逐日)及60°S～60°N（分辨率為0.25°）。采用PERSIANN 算法和Grid Sat-B1 紅外數(shù)據(jù)生成的數(shù)據(jù)序列，其目的是為分析自然條件和氣候環(huán)境變化產(chǎn)生的日降水改變特別是極端變化趨勢(shì)提供一套高精度全球降水?dāng)?shù)據(jù)，為了維持在2.5°尺度上2 個(gè)數(shù)據(jù)序列月數(shù)據(jù)一致性用全球降水氣象項(xiàng)目(GPCP)中的逐月產(chǎn)品加以調(diào)整。在研究全球和區(qū)域尺度上長(zhǎng)期水文-氣候關(guān)系上該數(shù)據(jù)序列具有很大的潛力，并且被應(yīng)用于我國(guó)一些集水區(qū)和流域的評(píng)價(jià)分析，本研究截取白石水庫(kù)上游集水區(qū)的60 個(gè)柵格數(shù)據(jù)。

2.2 降水指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化

干旱是一個(gè)自然正常的氣候變化現(xiàn)象，總體上可以將其分為農(nóng)業(yè)、水文、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和氣象4 大類型，其中氣象干旱被認(rèn)為是易于計(jì)量、簡(jiǎn)單且最為直觀的干旱類型，一般被定義成平均或正常降水量相比于一段時(shí)間內(nèi)降水出現(xiàn)虧缺的干燥程度。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)一經(jīng)提出就被廣泛應(yīng)用于不同學(xué)科領(lǐng)域研究，加之白石水庫(kù)缺少長(zhǎng)期氣象觀測(cè)資料，所以考慮選用PERSIANN CDR 序列中的降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算SPI 干旱指數(shù)以反映白石水庫(kù)流域的干旱時(shí)空狀況。

全年、半年、季度和月尺度發(fā)生的干旱狀況分別采用12、6、3、1 個(gè)月歷史記錄數(shù)據(jù)與相同時(shí)間尺度降水的虧缺值來(lái)衡量。在計(jì)算過(guò)程中的時(shí)間序列越長(zhǎng)則精準(zhǔn)度越高，研究需要完整月值的時(shí)間序列長(zhǎng)度至少20～30a。通過(guò)擬合分析歷史降水?dāng)?shù)據(jù)服從伽馬分布，最大相似估計(jì)其β、γ 參數(shù)，采用長(zhǎng)期季節(jié)降水均值與正態(tài)化的季節(jié)降水之差，再除以標(biāo)準(zhǔn)離差計(jì)算SPI 值。依據(jù)SPI 計(jì)算結(jié)果確定干旱程度，系統(tǒng)分類標(biāo)準(zhǔn)如下：極度干旱(SPI ≤-2.0)、中度干旱(-2.0 ＜SPI ≤-1.5)、干旱(-1.5＜SPI ≤-1.0)、正常狀況(-1.0 ＜SPI ＜1.0)、濕潤(rùn)(1.0 ≤SPI ＜1.5)、中度濕潤(rùn)(1.5 ≤SPI ＜2.0)、極端濕潤(rùn)(SPI ≥2.0)。

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

首先分析白石水庫(kù)流域年際和季節(jié)降水變化過(guò)程，基于柵格計(jì)算1986—2019年間流域內(nèi)每個(gè)月降水量平均值，以時(shí)間序列上的平均值分析季節(jié)降水變化特征，之后基于所有柵格計(jì)算每一年降水平均值，以空間上的平均值分析年際降水變化特征。其次利用已經(jīng)計(jì)算確定的SPI12、SPI06、SPI03和SPI01，整個(gè)流域的SPI值取空間上的平均值，從而在流域尺度上判斷干旱變化特征。最后，利用關(guān)聯(lián)M-K檢驗(yàn)4個(gè)時(shí)間尺度上的SPI和流域內(nèi)基于柵格的月降水時(shí)空變化顯著性，這是一種基于空間柵格數(shù)據(jù)和M-K方法開(kāi)發(fā)的非參數(shù)檢驗(yàn)法，關(guān)聯(lián)M-K法相比于參數(shù)方法無(wú)太多要求。通過(guò)預(yù)白化處理過(guò)程和調(diào)整鄰域像元間的方差，該方法可以去除時(shí)間序列上的數(shù)據(jù)自相關(guān)性以及實(shí)現(xiàn)空間交叉相關(guān)矯正，從而避免假性趨勢(shì)探測(cè)更好地保證一致性趨勢(shì)判別可靠度，對(duì)序列中是否存在一定趨勢(shì)給出更加準(zhǔn)確高效低分析。0.05顯著水平下，若關(guān)聯(lián)M-K法計(jì)算值＞1.96則呈正向顯著變化，若關(guān)聯(lián)M-K法計(jì)算值＜-1.96則呈負(fù)向顯著變化，詳細(xì)分析見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。在R語(yǔ)言環(huán)境下完成以上所有運(yùn)算及數(shù)據(jù)的處理，采用Origin10.0軟件完成相應(yīng)的圖形處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量時(shí)空變化

從圖1 可以看出，1985—2019 年間白石水庫(kù)集水區(qū)年均降水量為486.63mm，其中1997 年降水量達(dá)到最大值為605mm，1991 年降水量達(dá)到最小值為357mm?？傮w上，可以將年降水量變化劃分成1985—2000 年、2001—2011 年、2012—2019 年三個(gè)階段，其中第1 個(gè)階段年降水量總體上圍繞多年平均值上下波動(dòng)，未表現(xiàn)出明顯變化趨勢(shì)；第2 階段降水量持續(xù)偏低，除2005 年和2010 年外其它年份降水量都小于多年平均值；第3 階段年降水量總體圍繞多年平均值上下歐東，其變化趨勢(shì)與第1 階段相似但振幅較小。

圖1 白石水庫(kù)集水區(qū)年均降水量變化趨勢(shì)

從月尺度上，白石水庫(kù)流域集水區(qū)降水量多發(fā)生于6～9 月，其中降水量最大值出現(xiàn)在7 月，從空間上集水區(qū)東南部及南部降水量較大，而西北部降水量較小，這種時(shí)空分布規(guī)律可以作為森林經(jīng)營(yíng)管理和植被恢復(fù)的重要參考依據(jù)。

通過(guò)關(guān)聯(lián)M-K 檢驗(yàn)1985—2019 年月降水量發(fā)現(xiàn)，在時(shí)間尺度上集水區(qū)內(nèi)各柵格月降水量均表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，從空間上則表現(xiàn)出東南高而西北低的分布特征，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上這種變化趨勢(shì)并不顯著，說(shuō)明研究時(shí)段內(nèi)流域集水區(qū)月降水量變化不顯著。

3.2 干旱時(shí)空變化

根據(jù)1985—2019 年4 種時(shí)間尺度上白石水庫(kù)集水區(qū)所有格柵逐月時(shí)間序列上標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)變化過(guò)程可知，在研究期間流域內(nèi)干旱事件時(shí)有發(fā)生，但大部分為一般性干旱，極少數(shù)屬于中度干旱，未發(fā)生極端干旱狀況。在1986 年5 月—1988 年6 月、1991 年1 月—1993 年2 月和2002 年10 月—2011年6 月出現(xiàn)了3 次明顯連續(xù)干旱狀況，在2002—2011 年約9 年時(shí)間內(nèi)發(fā)生最后1 次連續(xù)干旱，該變化趨勢(shì)與降水變化保持較好一致性。

關(guān)聯(lián)M-K檢驗(yàn)SPI12、SPI06、SPI03和SPI01標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)表明，SPI06、SPI03和SPI01值均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，并以SPI04的增幅最為明顯，但上升趨勢(shì)并不顯著；SPI12值總體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上該變化趨勢(shì)也不顯著。總體而言，從月尺度上干旱狀況呈增大趨勢(shì)，從季節(jié)尺度上達(dá)到最大并在半年尺度上有所下降，年尺度上達(dá)到最低，白石水庫(kù)集水區(qū)內(nèi)人工植被的正常生長(zhǎng)在很大程度上會(huì)受到季節(jié)尺度上干旱增加趨勢(shì)的影響。

4 結(jié) 論

1）1985—2019 年白石水庫(kù)流域集水區(qū)降水量基本圍繞多年平均值上下波動(dòng)，變化趨勢(shì)不顯著，但在2002-2011 年出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)；在時(shí)間尺度上集水區(qū)內(nèi)各柵格月降水量均表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，從空間上則表現(xiàn)出東南高而西北低的分布特征，研究時(shí)段內(nèi)流域集水區(qū)月降水量變化不顯著。

2）各尺度上SPI 至表明，在2002—2011 年內(nèi)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)干旱，該時(shí)段正好是白石水庫(kù)流域生態(tài)建設(shè)的關(guān)鍵時(shí)期，所以流域生態(tài)服務(wù)及生態(tài)工程效果受干旱影響較大，今后應(yīng)重點(diǎn)研究干旱對(duì)白石水庫(kù)水質(zhì)及水量的影響。