基于氣象指標SPI的洞庭湖流域洪旱災害分析

2020-08-17 08:49:36宋佳佳

水資源開發與管理 2020年7期

宋佳佳

(太原理工大學建筑設計研究院，山西太原 030024)

利用洪旱指標檢測洪旱并進行洪旱程度衡量已得到廣泛應用。洪旱的形成及影響具有復雜性，用統一的指標進行不同洪旱檢測無法實現，因此，為了滿足不同需求，洪旱指標分為4類，即氣象指標、水文指標、農業指標、社會經濟指標。行業間對洪旱的定義不同，水文部門利用徑流量的豐枯來劃分洪旱等級，農業部門以土壤的干濕狀況劃分洪旱等級，氣象部門以降雨的多少來劃分洪旱等級。為了進行洪澇和干旱的研究，科學家們結合氣象要素(降水、蒸發、氣溫等)和水文要素(徑流量)確定了大量洪旱指標。這些洪旱指標包含了降水量、氣溫、蒸發量、徑流、土壤含水量、湖泊水位、地下水位等眾多基礎數據，最終形成一系列簡單的指標數字。

在國外，Gibbs et al.[1]提出了RD指標(Rainfall Deciles)，Bahlme et al.[2]提出了BMDI指標，McKee et al.[3]在1993年提出了標準化降水指數(Standardized Precipitation Index，SPI)。中國學者在洪旱指標研究方面取得了一定的進展。鞠笑生等[4]提出了Z指標，張強等[5]提出了一個以標準化降水指數、濕潤度指數及近期降水量為基礎的綜合洪旱指數CI。綜上所述，洪旱指標種類繁多，常用的洪旱指標大多建立在特定的地域和時間范圍內，隨著3S(GIS、GPS、RS)在大范圍洪澇和干旱監測及評價中的應用，達到了實時、動態的監測災情，能對災害造成的損失進行綜合評價，并可以通過情景分析手段，直觀地表達出災情和損失的空間分布情況，對洪旱特征、洪旱評價的研究以及洪旱防治措施的開展具有良好的參考價值。

洪旱指標是進行洪澇和干旱研究的基礎，依據流域的氣候和地理環境建立適當的指標體系，有利于進行流域水資源系統特征(洪旱特征)分析。本文選取洞庭湖流域為研究區域，利用氣象指標SPI(標準化降水指數)對洞庭湖流域近50年的洪旱特征進行分析。

1 數據與方法

1.1 數據來源

本文采用洞庭湖流域19個氣象站點(見圖1)1967—2017年的逐月降水量數據，利用標準化降水指數(SPI)分析流域內洪旱等級。數據來源于中國氣象數據網，各站點數據通過嚴格質量控制。

圖1 洞庭湖流域氣象站點分布

1.2 研究方法

洪旱指標用來衡量洪澇干旱程度，洪旱的形成及影響復雜，無法用統一的指標進行不同洪旱檢測，因此洪旱指標分為4類：氣象指標、水文指標、農業指標、社會經濟指標。SPI為標準化降水指數(Standardized Precipitation Index)，屬于氣象指標，其僅需要降雨資料，就能夠反映出洪旱對不同類型的水資源可利用量的影響，既可用來評價對降雨響應較快的土壤水分，亦可用來評價對降雨響應相對較慢的地下水補給，時空適用性強。標準化降水指數(SPI)能夠較好地反映干旱強度和持續時間，能以同一干旱指標反映不同時間尺度和區域的干旱狀況。該指數考慮了降水服從偏態分布的實際情況，隨后又進行了正態標準化處理，使得同一干旱指數可以反映不同時間尺度和不同類型的水資源狀況。根據降水量的逐月數據可以求得1、3、6、12個月不同尺度的SPI值，本文選用SPI-3(3個月時間尺度)和SPI-6(6個月時間尺度)對洞庭湖流域的洪旱情況進行分析。SPI值時空性較強，能很好地反映洪旱歷時和洪旱強度。SPI值利用不同的時間尺度反映降水量的敏感性，時間尺度越小，一次降雨的變化越顯著，其值發生的變化也越大。相反，時間尺度越大則對于一次降水的反映并不顯著，只有持續的多次降水才會使之發生波動。因此，SPI可以有效地區分土壤水分虧缺和用于補給的水分虧缺這兩類洪旱原因，且SPI的計算僅需要降雨量作為輸入項，因而得到廣泛應用。其基本原理如下：

假設某一時段的降水量為x，則其Γ分布的概率密度函數為

(1)

(2)

式中：α為形狀參數；β為尺度參數；x為降雨量,mm；Γ(α)為Gamma函數。

最佳的α、β估計值可采用極大似然估計方法求得，即

(3)

(4)

(5)

式中：n為計算序列的長度，在計算得到累積概率密度函數G(x)后，由于Gamma函數不包含x=0的情況，而實際降雨量可以為0，所以累積概率為

H(x)=q+(1-q)G(x)

(6)

式中：q為降雨序列中0值出現的頻率。

累積概率H(x)可以通過以下公式轉換為標準正態分布函數。

當0

(7)

(8)

當0.5

(9)

(10)

式中：c0=2.515517；c1=0.802853；c2=0.010328；d1=1.432788；d2=0.189269；d3=0.001308。

據此求得SPI值，其旱澇等級見表1。

表1 SPI旱澇等級劃分

2 研究區概況

洞庭湖流域由湘、資、澧、沅四水及流經水系組成，覆蓋湖南省大部和湖北省、廣西壯族自治區、貴州省和重慶市部分地區。流域總面積26.28萬km2，多年平均徑流量為2016億m3，約占長江流域地表水資源的21%，其比重為長江流域各水系之首。洞庭湖流域雖然水資源比較豐富，但年內水量分布不均，主要用水為農業灌溉，在目前水利工程尚不能滿足對水資源的供需適量分配的情況下，洞庭湖流域季節性缺水及洪澇等問題依然存在。

洞庭湖流域三面環山，北部敞口，形成了氣候溫和、熱量充沛、雨量集中、春秋多旱的氣候特點。洞庭湖流域年均氣溫16.4～17.0℃，年極端最高氣溫37.9～43.6℃、極端最低氣溫-15.7～-10.3℃。高溫地區處在流域的南邊，低溫地區在東邊，見圖2。洞庭湖區位于濕潤氣候區，雨量充沛，多年平均降水量為1244.5～1467.9mm，平均1345.7mm。降水量的年際變化大，且年內分配極不均勻。4—6月多暴雨，多年平均降雨量為557.1mm。4—6月降雨占全年總降水量50%以上，多為大雨和暴雨；若遇各水洪峰齊集，易成洪、澇、漬災。洞庭湖區多年平均蒸發量為630.4mm。蒸發與氣溫關系密切，5—9月氣溫高，蒸發量大，月蒸發量均在60.0mm以上。多年平均最大月蒸發量一般發生在7月，洞庭湖區多年平均最大月蒸發量為95.4mm。洞庭湖流域各氣象要素時間變化呈現中間高兩邊低的趨勢，見圖3。在芷江、南縣、常德、沅江、岳陽及石門站年均降雨量較少，年均降雨量最大值主要集中在安化和南岳。降雨量在3月之后明顯增多，而蒸發量也增大。由圖2(c)可以看出，流域內東部地區年均蒸發量較大，而西部地區蒸發量較小。流域東南部地區常年高溫、蒸發量大，而降雨處于平均水平，因此流域東南部地區易發生干旱。

圖2 氣象要素空間分布

圖3 氣象要素時間分布

3 洞庭湖流域洪旱災害分析

根據SPI洪旱等級標準，統計出流域內不同洪旱等級發生的頻率。圖4的SPI-3降水頻率空間分布結果表明：洞庭湖流域重度洪澇主要集中在長江與洞庭湖流域的交界處附近，在零陵、道縣附近地區重度洪澇發生頻率小，中度洪澇易發生區主要集中在通道、沅陵控制站附近，其余大部分地區處于平均水平，發生洪澇頻率低。重度干旱和中度干旱發生頻率在洞庭湖流域分布均勻，只有在少數測站的控制區內發生頻率較高。重度干旱主要發生在沅江、安化、衡陽的控制區內，中度干旱主要集中于零陵控制區內。