基于SRI的渾河流域水文干旱特征分析

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]。目前干旱指數是研究地區干旱動態特征，科學評估干旱風險的重要依據[2-8]，國內外干旱評價指標很多，根據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(Standardized Runoff Index,SRI)[9]是常用于水文干旱監測評估的干旱指標，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，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的計算方法,并用于旱澇的分布及其變化規律的研究，具有較好的實用效果。任立良等[11]采用標準化徑流指數剖析水文干旱時空演變特征，并提出多種SRI參數化方案，對比評定了各方案表征非平穩干旱的合理性以及環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分析環境變化前后荊南三口河系水文干旱演變特征。李敏等[13]研究了在變化環境下標準化徑流指數和時變標準化徑流指數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，易發生干旱事件，連續的干旱對渾河流域造成嚴重影響，使得農業供水緊張，甚至工業及城市用水得不到保證。基于此，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，通過對旱澇區域分布及其變化規律的研究，以期為渾河流域合理開發利用水資源，促進流域經濟社會可持續發展提供參考。

1 研究區概況

渾河發源于遼寧省清原縣彎甸子鄉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，這里傳統的重工業相對發達，也是渾河流域人口分布密集的區域。

2 數據及方法

2.1 研究數據

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據，對渾河流域的干旱特征進行分析、研究，數據摘自《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SRI采用伽馬分布概率來描述徑流量的變化，對呈現偏態概率分布的徑流量進行正態標準化處理得到標準化徑流指數，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為：

(1)

式中α、β——參數，α>0、β>0，用極大似然法對參數進行估算。

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 標準化徑流指數干旱分級

2.2.2游程理論及干旱識別

根據標準化徑流指數(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，易出現重澇、重旱現象，且3個水文站SRI曲線形狀具有較高的一致性。根據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

根據標準化徑流指數(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，然后按年代分別統計不同代表性水文站在各個時期的干旱次數、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個水文站發生干旱次數相差不大，但平均干旱歷時、干旱強度、最大干旱烈度依次減小，表現為北口前(二)站所控制的上游區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個水文站發生干旱次數依次增大，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，表現為流域上游干旱發生次數少但場次干旱程度較重，下游干旱發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個水文站發生干旱次數依次減少，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)站發生干旱次數明顯減少，3個水文站控制區域平均干旱歷時、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3月尺度的SRI(表3)，以分析流域干旱的季節性。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序列的統計量U值均大于零，且邢家窩棚站統計量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序列的統計量U值均大于0，且沈陽(三)站和邢家窩棚站的統計量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序列的統計量U值均大于0，但3個水文站SRI序列的統計量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個水文站所控制區域干旱均呈顯著減弱趨勢。

表3 不同季節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、冬季呈現較顯著的濕潤化趨勢；夏季呈現不顯著的濕潤化趨勢；秋季呈現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變化趨勢與流域水文干旱分布及季節變化具有較高一致性，表明降水對流域不同季節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

根據一個月尺度SRI序列及干旱等級劃分標準，統計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生月數，3個水文站發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域最容易發生干旱，其次是下游區域，上游發生干旱頻次最小。統計3個水文站不同程度干旱數占總干旱數的比例，見表4。由表4可看出，3個水文站所控制區域均以輕旱為主，占全部干旱月數的69%～78%，其次是中旱，特旱發生頻次最小。其中邢家窩棚站所控制區域發生重旱和特旱的頻次高于北口前(二)站和沈陽(三)站所控制區域，干旱發生頻次分別為8.3%、1.3%，在統計時間范圍內北口前(二)站控制區域未發生重旱和特旱，沈陽(三)站控制區域未發生特旱，綜上所述，渾河流域上游發生干旱的頻次最小，且以輕旱和中旱為主；中游發生干旱的頻次最大，以輕旱和中旱為主；下游發生干旱的頻次較大，且較中上游更可能發生重旱和特旱。

表4 不同水文站不同程度干旱發生頻次

根據渾河流域北口前(二)、沈陽(三)和邢家窩棚3個水文站4個季節3月尺度的SRI(表3)可知，春、冬季SRI序列的M-K檢驗統計量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季節特征，春、夏、冬季總體上干旱化趨勢減弱，春、冬季呈現較顯著的濕潤化趨勢，夏季呈現不顯著的濕潤化趨勢，秋季呈現不顯著的干旱化趨勢，降水對流域水文干旱趨勢和季節差異具有較大影響。

c) 渾河流域上游發生干旱的頻次最小，以輕旱和中旱為主；中游發生干旱的頻次最大，以輕旱和中旱為主；下游發生干旱的頻次較大，且較中上游更可能發生重旱和特旱。總體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。