














摘 要:以嘉陵江流域為研究對象,基于北碚水文站1982-2020年月尺度徑流數據,計算不同時間尺度的標準化徑流指數(SRI),采用游程理論分析嘉陵江流域的旱澇急轉事件特征,并結合Mann-Kendall趨勢檢驗法分析標準化徑流指數變化趨勢.研究結果表明:嘉陵江流域1982-2009年洪澇化趨勢先減弱后增強,2010-2020年呈現短期增強趨勢后又減弱.嘉陵江流域1982-2020年的1、5、6、8、11和12月份呈現不明顯的干旱化減弱趨勢;7、9和10月份干旱化趨勢增強,2、3和4月份干旱化趨勢顯著減弱.北碚水文站旱澇急轉事件共發生39次,旱轉澇事件急轉點集中在4月份,對應旱澇事件的強度也較高.旱澇急轉事件近40年發生頻率逐步升高,并呈現逐步加重的趨勢,應引起足夠的重視.
關鍵詞:標準化徑流指數;嘉陵江流域;旱澇急轉;Mann-Kendall檢驗法
中圖分類號:P333;TV121 文獻標志碼:A文章編號:1000-2367(2025)03-0042-08
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,干旱與洪澇等重大災害頻發,造成了極其嚴重的損失[1-2].數據顯示,1950-2000年的5項氣候災害(干旱、洪澇、臺風、凍害、干熱風)中,干旱災害發生頻次為各項災害之首,洪澇災害僅居其次[3].我國每年干旱和洪澇造成農作物受災面積約占農作物總受災面積的77%,平均2~3年我國就會遭遇一次嚴重的干旱災害[4].研究表明,旱澇急轉(drought-flood abrupt alternation,DFAA)事件[5]對自然環境及人類社會造成的影響遠大于單一的干旱或者洪水事件[6-7].
從20世紀90年代開始,旱澇異常的研究開始成為國內外廣泛關注的熱點問題,而旱澇急轉現象是旱澇異常的典型代表[8],在中國華南、長江流域及西南等地區時常發生[9-10].楊家偉等[6]采用標準化加權平均降雨(standardized weighted average precipitation,SWAP)指數對長江流域旱澇急轉時空規律進行研究,結果表明長江流域旱澇急轉事件發生頻率呈不同程度的上升趨勢;閃麗潔等[11]通過長期徑流旱澇急轉指數(long term runoff drought-flood abrupt alternation index,LRDFAI)和短期徑流旱澇急轉指數(short term runoff drought-flood abrupt alternation index,SRDFI)分析長江中下游旱澇急轉時空演變特征,發現長江中下游旱澇急轉主要表現為以澇轉旱事件為主;文獻[12-14]分別對漢江流域、洞庭湖流域和鄱陽湖流域開展了旱澇急轉現象的趨勢變化特征研究.然而,對于長江流域旱澇演變研究還主要集中在長江中下游地區,關于長江上游流域旱澇演變特征的研究較少.嘉陵江是長江水系中流域面積最大的支流,流域內水資源與氣象要素的時空變化對下游三峽庫區水資源配置和持續利用具有重要的作用.此外,嘉陵江水量表現出夏季水量大冬季水量少的特點,由于降水集中,經常發生洪澇和干旱災害,歷史上嘉陵江流域曾發生過多次洪水和斷流事件[15].旱澇事件的發生不僅會使得嘉陵江農業供水緊張,甚至工業及城市用水都會受到重大影響[16].因此,開展嘉陵江流域旱澇演變特征研究具有非常重要的意義.
水文干旱指數是研究旱澇變化特征的基礎,也是科學評估風險的重要依據[17].標準化徑流指數(standardized runoff index,SRI)[9]適用于多時間尺度分析(1、3、6、12月等),以及資料缺乏、地形復雜的區域,能夠綜合反映水文和氣象過程.目前在國內外水文旱澇識別研究中應用較多[18-20],而從SRI的角度來識別長江流域旱澇急轉特征的研究相對比較缺乏.鑒于此,本文選取嘉陵江為研究對象,基于SRI深入分析嘉陵江流域旱澇急轉時空演變規律,從而有效地為流域水資源管理和防洪抗旱提供參考依據.
1 研究區概況
嘉陵江是長江水系中流域面積最大的支流,達16萬km2,于重慶渝中區朝天門匯入長江主河道,被譽為重慶的“母親河”.嘉陵江的徑流變化對流域內的自然生態環境以及沿江地區的經濟發展有著深刻的影響.嘉陵江流域四季分明,夏季溫度在33 ℃左右,降水較為充沛,全年平均降雨量400 mm左右.嘉陵江流域受季風氣候影響較為顯著,降水集中.此外,嘉陵江流經四川,是川渝經濟的重要組成部分,該流域內主要以農業生產為主.
2 數據來源
本文研究資料采用嘉陵江流域北碚水文站(29°50′N,106°26′E)1982-2020年月尺度徑流數據,數據來源于長江水文網(http://www.cjh.com.cn/hlns_zyyjcg.html )的長江水文公報.
3 研究方法
3.1 標準化徑流指數
本文通過計算標準化徑流指數值進行嘉陵江流域旱澇識別,MCKEE等[21]提出了標準化降水指數(standardized precipitation index,SPI)的定義,即利用伽馬概率密度函數求一定時間內降水量累計概率,SHUKLA等[22]于2008年參照這一概念提出了標準化徑流指數SRI,兩個指標的計算方法類似,反映徑流量的變化.
SRI計算方法如下:假設某一確定時間段河流的徑流量x,則滿足伽馬分布概率密度函數為:
f(x)=∫x0(xα-1/βαΓ(α))e-(x/β)dx,
式中,α、β為參數,α>0、β>0,用極大似然法對α、β進行估算.
一定時間尺度的徑流量x的累計率為:
F(x)=∫x0f(x)dx.
對各項的累計概率進行正標準化得相應的SRI:
當0<F(x)≤0.5時,令k=ln[(1/F(x)2)],則SRI=-(k-(c0-c1k+c2k2/1+d1k+d2k2+d3k3));
當0.5<F(x)≤1時,令k=ln(1/[1-F(x)]2),則SRI=k-(c0+c1k+c2k2/1+d1k+d2k2+d3k3),其中,c0=2.515 517;c1=0.802 853;c2=0.010 328;d1=1.432 788;d2=0.189 269;d3=0.001 308.
計算SRI分析嘉陵江流域的旱澇演變特征,1月尺度的SRI反映流域短時間的旱澇狀況,12月尺度的SRI反映流域內長時間旱澇的演變特征.此外,本文的旱澇等級確定參考國家標準《氣象干旱等級》(GB/T 20481-2006)[23],見表1.
3.2 游程理論
游程理論[24]是一種分析時間序列的方法,是量化旱澇變量變化的理論規律的基礎,根據游程理論三閾值方法[25]識別描述嘉陵江流域干旱和洪澇事件.
在進行旱澇分析時,基于我國氣象干旱等級劃分標準,并參考WU等[26]有關研究,確定旱澇事件的劃分閾值.本研究取干旱事件的截取水平R0為-0.5(輕旱),當SRI在某月開始小于-0.5,定義為一次干旱事件發生,到SRI值大于0.5,定義為此次干旱事件結束.從干旱開始到干旱結束的這段時間間隔定義為干旱事件的持續時間.干旱持續時間內如果兩次干旱事件之間有1月的SRI值大于-0.5而小于0,則這兩次干旱可合并為一次干旱.
干旱烈度S′定義為一次干旱事件中各指標值與游程理論確定后的干旱閾值(R0)差的累計和,由于其為負數,故一般取其絕對值.公式如下:
S′=∑Tt=1|SRIt| (SRIt≤-0.5),
式中,t為某次干旱(即SRI≤-0.5)開始的時刻,t=1;T為本次干旱結束的時刻.
干旱強度指的是一次干旱事件中的平均缺水量,計算方式為某次干旱事件中干旱烈度與干旱歷時的比值.
類似地,取洪澇事件的截取水平R0為0.5,洪澇過程識別與干旱過程識別同理.
當先后存在1個干旱和洪澇事件,且兩者之間的時間間隔小于或等于1月,定義為一次水文旱澇急轉事件,其中,一次旱澇急轉事件的起始時間是這次干旱事件的發生時間,結束時間是洪澇事件的結束時間,時段T內發生旱澇急轉事件強度記為K,表2為旱澇急轉強度等級劃分標準[12].
3.3 Mann-Kendall趨勢檢驗法
Mann-Kendall趨勢檢驗法[27],目前得到廣泛應用的趨勢性非參數統計檢驗方法.具體計算過程如下:假定x為時間序列變量,n為時間序列長度.
S=∑ni=2∑i-1j=1sign(x0),
式中,S為符號函數,當x0小于、等于或大于0時,符號S等于-1,0和1.
var(S)=(n(n-1)(2n-5)/18),
式中,n為數據點個數,統計檢驗值Z計算式為:Z=((S-1)/var(S)),S>0;Z=0,S=0;Z=((S+1)/var(S)),S<0,若計算的絕對Z統計量大于正態分布表中Z統計量(1.65、1.96)的臨界值,則表示趨勢通過了90%和95%的顯著和強顯著水平.
衡量趨勢大小的指標為β=M((xi-xj/i-j)),式中,1<j<i<n(數據點個數),M代表求序列的中位數.正的β值表示“上升趨勢”,負的β值表示“下降趨勢”.
4 結果分析
4.1 流域旱澇年際變化趨勢特征分析
為更好地分析水文干旱趨勢和突變特征,選取1982-2020年嘉陵江流域北碚水文站的徑流深數據,時間尺度分別設定為月尺度(1月)、年尺度(12月)兩種時間尺度,可以較好地識別流域內短期和長期的旱澇狀況.如圖2(a),2(b)別為月尺度和年尺度的SRI序列變化趨勢圖.
不同時間尺度下的SRI波動幅度不同,但干旱趨勢大致相同.月尺度的SRI波動較強,表現出對水文干旱的強烈反應.在月尺度的SRI序列中,達到特旱水平的是1987年3月、1997年8至9月、1998年1月、2002年10月、2003年1月、2006年7月.分析年尺度SRI可得:嘉陵江流域在1982-2020年呈現旱澇交替現象,但干旱年份居多;1982-2009年洪澇化趨勢先減弱后增強,2010年后洪澇化趨勢呈短期增強趨勢后又減弱;此外,1992-2008年、2014-2017年嘉陵江流域干旱化趨勢明顯,旱災較為嚴重;2009-2013年、2018-2020年SRI為正值,澇災嚴重.
通過Mann-Kendall趨勢檢驗對1982-2020年嘉陵江流域北碚水文站月尺度和年尺度的SRI序列進行趨勢檢驗.結果如表3所示.
從年尺度的SRI序列來看,統計量β值小于0,且Z值絕對值0.169 4小于1.65,表明干旱化呈不顯著增強的趨勢;2、3和4月份北碚水文站Mann-Kendall統計值通過了顯著性檢驗,發生的顯著變化趨勢是上升趨勢,表明干旱化趨勢均減弱;7、9和10月份呈現顯著下降趨勢,表明洪澇化趨勢減弱,干旱化趨勢增強;1、5、6、8、11和12月份呈現不明顯的干旱化減弱趨勢.
4.2 流域不同年代旱澇年際變化特征分析
根據上文計算得出的SRI,進一步識別嘉陵江北碚水文站的旱澇事件,將1982-2020年按年代劃分并分別統計北碚水文站發生旱澇事件的次數、歷時和烈度以及發生旱澇事件最大歷時和最大烈度,見表4.
由表4 可知,20世紀80年代澇災發生程度和歷時總體比旱災高,整體偏澇;20世紀90年代,北碚水文站發生干旱事件的次數增加,平均歷時、平均烈度、最長歷時、最大烈度增大;21世紀00年代干旱事件發生頻次進一步增多,但平均歷時、平均烈度、最長歷時和最大烈度均減少;21世紀10年代干旱平均歷時、平均烈度、最長歷時和最大烈度減小.
20世紀90年代和20世紀80年代相比,北碚水文站洪澇事件發生次數不變,洪澇程度減輕,總體上洪澇化趨勢減弱;21世紀00年代到21世紀10年代洪澇事件的發生次數和平均歷時、平均烈度、最長洪澇歷時和最大烈度增加,表明洪澇事件頻繁,且洪澇事件程度加重.20世紀80年代和21世紀10年代洪澇事件發生的頻率和程度高于干旱事件,而20世紀90年代到21世紀00年代干旱事件的平均歷時、平均烈度和最長歷時都高于洪澇事件.
4.3 流域旱澇急轉事件演變特征分析
表5統計了嘉陵江流域北碚水文站旱澇急轉事件特征,包括急轉事件的起始和終止時間,強度和急轉點月份.北碚水文站旱澇急轉事件共發生39次.旱澇急轉次數最多的是21世紀10年代,旱澇急轉事件發生14次,20世紀90年代旱澇急轉事件發生次數最少,為6次.21世紀以來,旱澇急轉事件發生次數明顯增多.
圖3給出了嘉陵江流域各月旱澇急轉頻次和強度的變化,由圖3可知,嘉陵江流域旱澇急轉多發生在5月份,這是因為嘉陵江流域春季較為干旱,夏季突發降水容易造成旱澇急轉.旱澇急轉強度最大值出現在4月份,該時段對應的旱澇急轉頻次也較多,因此發生洪澇災害的風險比較大.嘉陵江流域的旱澇急轉事件主要發生在5、6、8和9月份,且時段內旱澇急轉事件的強度也較高.同時,旱轉澇近40年發生頻率依次升高,并且旱澇急轉事件的強度也呈升高的趨勢,應予以足夠重視.
5 結論與討論
本文采用嘉陵江流域北碚水文站1982-2020年的徑流深數據,計算不同尺度的標準化徑流指數,采用游程理論定義旱澇事件,并根據旱澇急轉條件篩選出旱澇急轉事件,計算發生頻次和烈度,得出主要結論如下:
(1)嘉陵江流域1982-2009年洪澇化趨勢先減弱后增強,2010-2020年洪澇化趨勢呈短期的增強趨勢后又減弱.近20年來流域內洪澇事件發生愈加頻繁,且場次洪澇程度依次加重,并且呈現出洪澇極端化趨勢.
(2)嘉陵江流域1982-2020年的1、5、6、8、11和12月份呈現不明顯的干旱化減弱趨勢;7、9和10月份干旱化趨勢增強,2、3和4月份干旱化趨勢顯著減弱.
(3)嘉陵江北碚水文站旱澇急轉事件共發生39次,旱轉澇事件急轉點均集中在4月份,對應旱澇事件的強度也較高.旱澇急轉事件近40年發生頻率依次升高,并伴有逐步加重的趨勢,應予以足夠重視.
雖然本研究采用SRI指數和游程理論識別了嘉陵江流域1982-2020年旱澇事件特征以及旱澇急轉事件演變規律,但仍有所不足,有待繼續研究和完善.
(1)本文計算了嘉陵江流域北碚水文站1982-2020年不同尺度的標準化徑流指數值,分析嘉陵江流域旱澇事件演變特征以及變化規律.但僅選用標準化徑流指數指標對研究區旱澇狀況進行討論,不能對流域存在多種旱澇類型的情況進行分析,因此,未來的研究工作可以利用更多指標參數如標準化降水指數(SPI)、標準化加權平均降雨(SWAP)指數等分別對氣象旱澇和水文旱澇進行研究.
(2)本研究僅采用位于嘉陵江下游北碚水文站1982-2020年的徑流數據計算多時間尺度SRI值,分析其水文旱澇狀況.但隨著氣候變化加劇,洪澇、干旱等自然災害頻發,嘉陵江流域發生旱澇急轉事件的無常性大大增加,同一條河流的不同站點旱澇急轉事件特征會有很大的差異,因此未來的研究工作可以著重分析嘉陵江多個水文站點如亭子口和武勝站的旱澇急轉事件的空間演變規律.
(3)氣象旱澇和水文旱澇往往有密切的聯系:降水的虧缺和盈余會導致氣象旱澇,而地表水與地下水的虧缺和盈余會引起水文旱澇,氣象旱澇往往會造成水文旱澇.后續研究中,可以嘗試準確描述嘉陵江流域氣象旱澇和水文旱澇的關系,以便在氣象旱澇事件發生初期,及時采取應對措施,減輕水文旱澇造成的災害等級.
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Analysis on the characteristics of drought-flood abrupt alternation
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(1. College of Resources and Environment, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China;
2. Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China)
Abstract: Basing on the monthly runoff data of Beibei hydrological station in the Jialing River Basin from 1982 to 2020, we calculate the different time scales of standardized runoff index(SRI). Using the run-time theory to analyze the drought-flood abrupt alternation characteristic and utilizing Mann-Kendall test to analyze the trend of SRI change in the Jialing River Basin. The results show that:During 1982 to 2009, the trend of flooding in the basin weakened first and then increased, from 2010 to 2020, the trend of flooding increased for a short period and then decreased again. From 1982 to 2020, there was an insignificant weakening trend of drought in January, May, June, August, November and December. The trend of drying increased in July, September and October, and decreased significantly in February, March and April. A total of 39 times of drought-flood abrupt alternation events were identified at the Beibei hydrological station of the Jialing River Basin. The abrupt alternation points of drought-flood abrupt alternation events were concentrated in April and the intensity of drought-flood events was also high. The frequency of drought-flood abrupt alternation events in" near 40 years has gradually increased, and shows a trend of gradual aggravation, which should be given sufficient attention.
Keywords: standardized runoff index; Jialing River Basin; drought-flood abrupt alternation; Mann-Kendall test
[責任編校 趙曉華 劉洋]