孫浚凱

(遼寧省大伙房水庫管理局有限責任公司，遼寧 撫順 113000)

干旱是一種影響范圍大、發(fā)生頻率高、具有累積效應且危害嚴重的自然災害，對社會經濟特別是農業(yè)生產具有重大影響。近年來，由于全球氣候變化和人類活動的影響，極端天氣增多，導致旱災和洪澇災害造成的影響越來越大[1]。目前干旱指數(shù)是研究地區(qū)干旱動態(tài)特征，科學評估干旱風險的重要依據(jù)[2-8]，國內外干旱評價指標很多，根據(jù)分類標準和評價目的的不同，所采用的干旱評價指標也不相同。標準化徑流指數(shù)(Standardized Runoff Index,SRI)[9]是常用于水文干旱監(jiān)測評估的干旱指標，該方法基于樣本獨立同分布及時間序列的平穩(wěn)性假設。SRI基于不同尺度月徑流量建立，能夠在不同時間尺度上計算，適用于不同氣候區(qū)的干旱檢測和變化特征分析，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用。邵進等[10]以一種新的思路推導出了標準化徑流指數(shù)的計算方法,并用于旱澇的分布及其變化規(guī)律的研究，具有較好的實用效果。任立良等[11]采用標準化徑流指數(shù)剖析水文干旱時空演變特征，并提出多種SRI參數(shù)化方案，對比評定了各方案表征非平穩(wěn)干旱的合理性以及環(huán)境變化對干旱演變的影響作用。鄭崳珍等[12]采用標準化徑流指數(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)境下標準化徑流指數(shù)和時變標準化徑流指數(shù)對干旱事件描述識別的差異及影響因素。渾河流域大部屬于溫帶半濕潤半干旱的季風氣候，降雨時空分布不均，易發(fā)生干旱事件，連續(xù)的干旱對渾河流域造成嚴重影響，使得農業(yè)供水緊張，甚至工業(yè)及城市用水得不到保證?；诖?，本文采用SRI指標對渾河流域水文干旱時空演變特征進行分析，通過對旱澇區(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，促進流域經濟社會可持續(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)境內的長白山支脈滾馬嶺，海拔高程750 m，全長415 km，流域面積11 481 km2。渾河流域跨東經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半干旱的季風氣候，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%。渾河流經遼寧中部城市群，這里傳統(tǒng)的重工業(yè)相對發(fā)達，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個水文站作為流量控制站，3個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個水文站點分別代表渾河上、中、下游流域。本文基于3個水文站1975—2014年的逐月平均徑流數(shù)據(jù)，對渾河流域的干旱特征進行分析、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——渾河、太子河水系)。

圖1 渾河流域

2.2 研究方法

2.2.1研究指標及等級劃分

標準化徑流指數(shù)SRI采用伽馬分布概率來描述徑流量的變化，對呈現(xiàn)偏態(tài)概率分布的徑流量進行正態(tài)標準化處理得到標準化徑流指數(shù)，具體計算方法[9]如下：假設某一時間尺度的徑流量為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，用極大似然法對參數(shù)進行估算。

一定時間尺度的徑流量x的累積概率為：

(2)

對各項的累積頻率F(x)進行正態(tài)標準化即得到相應的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。

本文干旱等級參照GB/T 20481—2006《氣象干旱等級》[14]規(guī)定的干旱分級標準對計算結果進行分級，見表1。

表1 標準化徑流指數(shù)干旱分級

2.2.2游程理論及干旱識別

根據(jù)標準化徑流指數(shù)(SRI)，采用游程理論[15]對干旱事件進行識別，設SRI0=-0.5,當SRI≤SRI0，呈現(xiàn)出干旱特征，從SRI值開始小于等于SRI0時刻(t1)起，至SRI值重新大于等于SRI0時刻(t2)止，作為一次干旱事件，游程總量S為干旱烈度，游程歷時Dt2-t1為干旱歷時。本文假設如果2次干旱過程中間有且只有1個月的SRI值大于SRI0且小于SRI1(SRI1=0)，認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，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，計算公式如下：

(5)

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

2.2.3干旱趨勢性分析方法

Mann-Kendall趨勢性檢驗法是一種非參數(shù)趨勢檢驗方法，被廣泛應用于降雨徑流等水文氣象的時間系列分析。具體計算過程[16]如下，對于一個有n個樣本的時間系列x，構造秩系列：

(6)

式中 當xi

構造統(tǒng)計量U來進行無顯著性趨勢的假設檢驗：

(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；U<-Uα/2，表明具有顯著的減少趨勢。

3 結果分析

3.1 渾河流域干旱年際變化趨勢特征分析

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

根據(jù)標準化徑流指數(shù)(SRI)，采用游程理論對干旱事件進行識別，得到場次干旱的干旱歷時和干旱烈度特征值，然后按年代分別統(tǒng)計不同代表性水文站在各個時期的干旱次數(shù)、干旱歷時和干旱烈度以及最長干旱歷時和最大干旱烈度，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個水文站發(fā)生干旱次數(shù)相差不大，但平均干旱歷時、干旱強度、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)域場次干旱較為嚴重；在1985—1994年，北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個水文站發(fā)生干旱次數(shù)依次增大，但平均干旱歷時、干旱烈度、最大干旱歷時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個水文站發(fā)生干旱次數(shù)依次減少，最大干旱歷時和最大干旱烈度也依次減小，平均干旱歷時和平均干旱強度沈陽(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重；在2005—2014年，北口前(二)站發(fā)生干旱次數(shù)明顯減少，3個水文站控制區(qū)域平均干旱歷時、干旱強度、最大干旱歷時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重。

表2 1975—2014年渾河流域代表水文站干旱事件統(tǒng)計

分別繪制渾河流域北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個水文站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個水文站SRI年際變化曲線與各自站年降雨量變化趨勢具有較好的一致性，表明降水對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

分別計算渾河流域北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個水文站4個季節(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3個水文站不同季節(jié)和年尺度SRI的趨勢性，以α1=0.10作為具有輕微趨勢的置信水平，α2=0.05作為具有較顯著趨勢的置信水平，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)計量U值均大于零，且邢家窩棚站統(tǒng)計量U值(1.748)大于1.645，表明三站干旱化趨勢均減弱，其中邢家窩棚站趨勢輕微顯著，北口前(二)站、沈陽(三)站趨勢不顯著。春季3個水文站SRI序列的統(tǒng)計量U值均大于0，且沈陽(三)站和邢家窩棚站的統(tǒng)計量U值均大于1.960，即SRI序列有上升趨勢，表明春季3個水文站所控制區(qū)域干旱化趨勢均減弱，其中沈陽(三)站和邢家窩棚站干旱減弱趨勢較顯著；夏季3個水文站SRI序列的統(tǒng)計量U值均大于0，但3個水文站SRI序列的統(tǒng)計量U值均小于1.645，即SRI序列有不顯著的上升趨勢，表明夏季3個水文站所控制區(qū)域干旱均呈不顯著減弱趨勢；秋季北口前(二)站和沈陽(三)站SRI序列的統(tǒng)計量U值均接近于0，無明顯變化趨勢，邢家窩棚站SRI序列的統(tǒng)計量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；冬季3個水文站SRI序列的統(tǒng)計量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，表明冬季3個水文站所控制區(qū)域干旱均呈顯著減弱趨勢。

表3 不同季節(jié)SRI和年SRI序列的M-K檢驗結果

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

分別繪制渾河流域四季北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個水文站年降雨量年際變化，見圖5。由圖5可知，3個水文站點春、冬季降水量均呈增加趨勢，夏季北口前(二)站點降水量呈減少趨勢，沈陽(三)和邢家窩棚2個水文站降水量呈減少趨勢，秋季3個水文站點降水量均呈減少趨勢，流域降水分布及季節(jié)變化趨勢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)一個月尺度SRI序列及干旱等級劃分標準，統(tǒng)計1975—2014年北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個水文站不同干旱程度的發(fā)生月數(shù)，3個水文站發(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3個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)計時間范圍內北口前(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個水文站4個季節(jié)3月尺度的SRI(表3)可知，春、冬季SRI序列的M-K檢驗統(tǒng)計量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、冬季干旱化趨勢逐漸減弱；夏、秋季SRI序列的M-K檢驗統(tǒng)計量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、秋季干旱化趨勢逐漸增強。

4 結論

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

b) 渾河流域的干旱在時間上呈現(xiàn)季節(jié)特征，春、夏、冬季總體上干旱化趨勢減弱，春、冬季呈現(xiàn)較顯著的濕潤化趨勢，夏季呈現(xiàn)不顯著的濕潤化趨勢，秋季呈現(xiàn)不顯著的干旱化趨勢，降水對流域水文干旱趨勢和季節(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、冬季干旱化趨勢逐漸減弱，夏、秋季干旱化趨勢逐漸增強。