典型氣候過(guò)渡區(qū)的水文干旱特征研究

李 鑫 朱龍騰 孫 偉

(水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

隨著全球變暖和高密集人類活動(dòng)的影響，流域水資源在質(zhì)和量上均發(fā)生了顯著改變[1-2]。水資源作為水治理的三大重要要素(水資源、水環(huán)境、水生態(tài))之一，其豐枯變化決定著流域、區(qū)域的生態(tài)保護(hù)規(guī)劃和高質(zhì)量發(fā)展。開(kāi)展流域尺度的旱澇特征分析，對(duì)科學(xué)合理評(píng)估流域水資源總量，精準(zhǔn)實(shí)施“十四五規(guī)劃”提供重要支撐。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)流域干旱和洪澇事件展開(kāi)了大量研究，并獲得了較滿意的研究結(jié)果。龍瑞昊等[2]以國(guó)際河流瀾滄江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用Copula方法構(gòu)建干旱歷時(shí)和干旱烈度的聯(lián)合分布函數(shù)，分析干旱發(fā)生的概率和重現(xiàn)期，結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)生相同程度歷時(shí)、強(qiáng)度的干旱事件時(shí)，瀾滄江流域北部區(qū)域的發(fā)生頻率高于南部。楊星星等[3]以廣西為研究區(qū)，采用Mann-Kendall、EEMD(集合模態(tài)分解)等方法評(píng)估了廣西農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，并發(fā)現(xiàn)廣西的西北地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)最高，東南地區(qū)次之。李維嬌等[4]利用遙感數(shù)據(jù)探究了廣東省干旱變化的時(shí)空分布特征，結(jié)果表明，廣東省2003—2017年間的植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)整體呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì)，80.3%以上區(qū)域的VCI變化趨勢(shì)傾向率為正值。周帥等[5]以干旱、半干旱地區(qū)的黃河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、游程理論等方法探究了季尺度干旱演變的空間分布格局，結(jié)果表明，黃河流域四季干旱化程度加劇，下游干旱化程度高于上游，隨著季節(jié)的變化，同一響應(yīng)單元存在“由濕轉(zhuǎn)干再轉(zhuǎn)濕”的變化規(guī)律。分析上述研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究多集中于氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱，而對(duì)流域水文干旱的研究相對(duì)較少；同時(shí)，隨著氣候變化和高強(qiáng)度人類活動(dòng)的增強(qiáng)，局地水循環(huán)過(guò)程可能發(fā)生了改變。因此，研究變化環(huán)境下流域極端水文干旱事件的發(fā)生、演變規(guī)律，可為流域水資源豐枯狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)估提供參考。

本文以黃河中游的涇河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，分別采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)和多元回歸方法分析了涇河流域水文要素的突變性和趨勢(shì)性變化特征；之后，采用降水距平百分率(Pa)和游程理論方法，分析了流域水文干旱的時(shí)程演變特征，并探究了干旱閾值截?cái)嗨讲淮_定性對(duì)流域不同等級(jí)干旱評(píng)估的影響。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

涇河作為黃河流域第一大支流(渭河)左岸的一級(jí)支流，發(fā)源于涇源縣境內(nèi)的老龍?zhí)叮晕飨驏|流經(jīng)寧夏、甘肅和陜西三省，最后于馬渡村匯入渭河干流。流域面積為4.54萬(wàn)km2，干流全長(zhǎng)455.1km。降水量在年內(nèi)分配不均，降雨多集中于夏秋季節(jié)，其降水量占流域全年降水量的70%左右。流域下墊面分布不均，整體呈現(xiàn)出西北高、東南低的變化特征。依據(jù)下墊面分布情況可將流域分為西南部山地林區(qū)、東南部山地河川區(qū)、中部黃土塬區(qū)和北部黃土丘陵區(qū)。流域?yàn)榈湫偷臏貛Т箨懶詺夂騾^(qū)，地處半干旱、半濕潤(rùn)氣候的過(guò)渡區(qū)，多年平均氣溫為8.0℃。1961—2013年的多年平均徑流量為18.1億m3。流域河床寬淺，灘面開(kāi)闊，漫灘比較發(fā)育，河槽明顯、主流游蕩多變[6-7]。流域地理位置及氣象水文數(shù)據(jù)空間分布見(jiàn)圖1。本文所采用的數(shù)據(jù)來(lái)源于流域控制站張家山(二站)水文站1961—2013年逐日觀測(cè)流量資料。

圖1 流域氣象和水文站點(diǎn)地理位置及其空間分布

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)方法

Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法簡(jiǎn)稱M-K法，是由世界氣象組織推薦并廣泛應(yīng)用于氣象、水文序列的突變分析檢驗(yàn)中[8-10]。其認(rèn)為被檢測(cè)序列不必服從一定的概率分布且不受異常值干擾。其基本假定如下：

假定時(shí)間序列{xi}(i=1，2，3，…，n)，通過(guò)構(gòu)造新秩序列mi，表示為xi>xj(1≤j≤i)的樣本累積數(shù)dk：

(1)

dk的均值和方差為

(2)

(3)

假定時(shí)間序列是獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量，定義統(tǒng)計(jì)量如下：

(4)

式中：UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

將UF、UB兩條曲線繪制在同一坐標(biāo)系上，若UF>0，則表征徑流序列呈上升趨勢(shì)，反之則代表其呈下降趨勢(shì)，當(dāng)其超過(guò)置信水平α?xí)r(本文為95%置信水平)，意味著該上升或下降趨勢(shì)顯著。當(dāng)且僅當(dāng)UF和UB曲線在置信水平內(nèi)存在交點(diǎn)時(shí)，該交點(diǎn)即為徑流序列的突變點(diǎn)。

2.2 干旱識(shí)別過(guò)程

干旱識(shí)別過(guò)程中的指標(biāo)應(yīng)選擇具有隨機(jī)特性的降水、徑流等氣象水文要素，且應(yīng)減小季節(jié)性變化對(duì)干旱事件發(fā)生概率不一致的影響。降水量距平百分率Pa是表征某時(shí)段降水量較常年值偏多、偏少的指標(biāo)之一，能直觀反映降水異常引起的干旱。

(5)

本文基于降水距平百分率理論，將降水序列替換為流域出口的徑流序列。利用徑流序列的Pa計(jì)算結(jié)果，采用游程理論方法從Pa序列中分離出干旱次數(shù)和干旱歷時(shí)的多變量屬性[5,11]，并設(shè)定截?cái)嗨絏0。基于閾值法的干旱識(shí)別過(guò)程及干旱特征變量定義見(jiàn)圖2。

圖2 基于閾值法的干旱識(shí)別過(guò)程及干旱特征變量定義

2.3 游程特征屬性

2.3.1 游程的概率分布

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

2.3.2 游程長(zhǎng)度重現(xiàn)期

定義游程長(zhǎng)度重現(xiàn)期為：若連續(xù)進(jìn)行T(x)次隨機(jī)試驗(yàn)，就可能平均出現(xiàn)1次長(zhǎng)度不小于x的游程，則T(x)就稱為游程長(zhǎng)度不小于1的重現(xiàn)期。

(11)

3 結(jié)果與分析

3.1 流域水文序列的趨勢(shì)性和突變性特征

由圖3流域控制站張家山水文站1961—2013年徑流序列的趨勢(shì)性和突變性結(jié)果可以看出，張家山年平均流量以7.70m3/(s·10a)的速率逐年減少，1990年之后尤為顯著，這可能與流域工業(yè)、農(nóng)業(yè)等的快速發(fā)展有關(guān)，用水量增加導(dǎo)致河川徑流量顯著減少。同時(shí)，從M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，在95%置信水平下，張家山水文站年徑流的UF和UB曲線存在交叉點(diǎn)，即1993年流域年徑流序列發(fā)生了變異；由此看來(lái)，從時(shí)間尺度上，流域水資源由60—70年代的豐水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?0年代后期的枯水狀態(tài)，這主要是氣溫升高，植被覆蓋、下墊面等蒸騰作用增大且經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展對(duì)水量的需求增加，共同導(dǎo)致流域河道河川徑流量顯著減少。

圖3 1961—2013年張家山水文站趨勢(shì)性和變化性特征

3.2 流域水文干旱的時(shí)程變化特征

圖4為采用降水量距平百分率方法得到的涇河流域水文干旱的時(shí)程變化分析結(jié)果。由圖4可知，在時(shí)間上，流域干濕狀態(tài)呈鋸齒狀的波動(dòng)變化特征，具體表現(xiàn)為：1960—1970年間，流域多以豐水年為主(Pa值多為正值)，1971—1993年間，流域豐枯狀態(tài)交替，而1994年以后，流域呈顯著的枯水期(Pa值多為負(fù)值)，該結(jié)論進(jìn)一步驗(yàn)證了流域水資源由20世紀(jì)60—70年代的豐水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?0年代后期的枯水狀態(tài)。

圖4 涇河流域水文干旱的時(shí)程變化特征

3.3 截?cái)嗨讲淮_定性對(duì)流域干旱評(píng)估的影響

干旱是一種多變量屬性(干旱次數(shù)、干旱歷時(shí)和干旱烈度)，游程理論方法是識(shí)別干旱多變量屬性的最重要的方法之一。然而，游程理論方法在識(shí)別干旱次數(shù)、干旱歷時(shí)的過(guò)程中，不同的截?cái)嗨?即干旱或者無(wú)旱的劃分水平)對(duì)流域干旱的評(píng)估至關(guān)重要。因此，通過(guò)設(shè)定不同的閾值標(biāo)準(zhǔn)(k為0、-0.40、-0.60和-0.80)，采用游程理論方法從Pa序列中可識(shí)別出干旱歷時(shí)和干旱次數(shù)。

由圖5涇河流域不同閾值下干旱歷時(shí)與理論概率分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以看出，同一閾值下，隨著連續(xù)干旱時(shí)間的增加，水文干旱發(fā)生的頻率逐漸降低，每年中發(fā)生連續(xù)一個(gè)月干旱的概率為100%，而連續(xù)10個(gè)月發(fā)生干旱的概率為0；隨著干旱閾值的減小(從0至0.80)，同一干旱歷時(shí)下發(fā)生的概率降低，尤其是連續(xù)2個(gè)月干旱事件；總體來(lái)說(shuō)，涇河流域水文干旱的連續(xù)干旱歷時(shí)集中于2～3個(gè)月，而發(fā)生長(zhǎng)歷時(shí)干旱事件的可能性較小。

圖5 涇河流域水文干旱的干旱歷時(shí)與理論概率分布的關(guān)系

圖6為涇河流域不同閾值下干旱次數(shù)的年尺度變化特征。由圖6可以看出，1970年前，不同閾值下，各年份干旱發(fā)生的次數(shù)較少，干旱發(fā)生次數(shù)均小于5次，隨著閾值的降低，各年份干旱次數(shù)逐漸減少，個(gè)別年份在k=-0.80閾值下干旱次數(shù)為0，如1967—1969年間；而1990年之后，各年份干旱發(fā)生次數(shù)明顯高于60—70年代，且不同閾值下干旱頻次均大于5次，即每年中至少有5個(gè)月份發(fā)生干旱事件。

圖6 不同閾值下干旱次數(shù)的年尺度變化特征

為了進(jìn)一步揭示涇河流域極端水文干旱事件的時(shí)程變化特征，本文將k>-0.40、k>-0.60、k>-0.80和k≤-0.80時(shí)的干旱事件分別簡(jiǎn)稱為輕旱及以上干旱、中旱及以上干旱、重旱及以上干旱和特旱事件。不同等級(jí)干旱的時(shí)程演變特征見(jiàn)圖7。不同等級(jí)干旱的時(shí)程變化特征和不同閾值下干旱次數(shù)的年尺度變化特征基本一致；涇河流域輕旱及以上干旱發(fā)生的次數(shù)較多，而特旱事件較少，驗(yàn)證了干旱歷時(shí)與理論概率分布之間的關(guān)系。因此，作為地處干旱、半干旱區(qū)的涇河流域應(yīng)重視輕旱及以上干旱自然災(zāi)害。

圖7 不同等級(jí)極端干旱事件的時(shí)程變化特征

3.4 不同截?cái)嗨较赂珊抵噩F(xiàn)期

表1 不同截?cái)嗨较赂珊抵噩F(xiàn)期的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié) 論

本文以地處半干旱、半濕潤(rùn)氣候區(qū)的涇河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于流域控制站張家山水文站1961—2013年長(zhǎng)序列水文資料，首先采用多元回歸、Mann-Kendall方法對(duì)流域?qū)崪y(cè)水文序列進(jìn)行趨勢(shì)性和突變性診斷；其次，基于降水量距平百分率，采用游程理論方法定量評(píng)估涇河流域干旱的時(shí)程演變特征，并探究截?cái)嗨讲淮_定性對(duì)干旱次數(shù)、干旱歷時(shí)以及干旱重現(xiàn)期的影響，得到的主要結(jié)論如下：

a.受氣候變化和高強(qiáng)度人類活動(dòng)影響，涇河流域年平均流量以7.70m3/(s·10a)的速率減少，且張家山水文站年徑流序列于1993年發(fā)生了突變。

b.時(shí)程上，流域干濕狀態(tài)呈“鋸齒狀”的波動(dòng)變化特征，1960—1970年間，流域多以豐水年為主，而1993年之后，流域由豐轉(zhuǎn)枯，即水文干旱愈加嚴(yán)重。

c.干旱閾值不確定性對(duì)流域干旱特征的評(píng)估產(chǎn)生重要影響，閾值大，干旱次數(shù)和干旱歷時(shí)較小，閾值小，干旱次數(shù)和干旱歷時(shí)較大，且對(duì)干旱重現(xiàn)期的影響尤為突出。

d.水文干旱閾值對(duì)干旱歷時(shí)較短時(shí)的影響較小，而對(duì)干旱歷時(shí)較長(zhǎng)時(shí)的影響較大。

總體來(lái)說(shuō)，通過(guò)本文的研究可以很好地識(shí)別出典型氣候過(guò)渡區(qū)水文干旱的時(shí)程演變規(guī)律，并診斷出干旱閾值選擇不確定性對(duì)水文干旱評(píng)估的影響；該研究?jī)H針對(duì)氣候過(guò)渡區(qū)，未來(lái)將分別在干旱區(qū)、半干旱區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)和濕潤(rùn)期進(jìn)行對(duì)比研究，以此佐證本研究的重要性。