涇河流域干旱特征時(shí)空變化研究

張洪波, 顧磊, 辛琛, 俞奇駿

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054; 2.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054; 3.陜西省江河水庫(kù)管理局,陜西 西安 710018)

X(i)=Z(i)/31.64+0.747 2X(i-1)。

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涇河流域干旱特征時(shí)空變化研究

張洪波, 顧磊, 辛琛, 俞奇駿

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054; 2.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054; 3.陜西省江河水庫(kù)管理局,陜西 西安 710018)

以涇河流域SWAT水文模型模擬得到的各子流域降雨量、潛在蒸發(fā)量以及土壤特征值為基礎(chǔ),建立修正的帕默爾旱度模式，并將流域劃分為平?jīng)銎瑓^(qū)、慶陽(yáng)片區(qū)以及咸陽(yáng)片區(qū)3個(gè)子區(qū),對(duì)各子區(qū)內(nèi)干旱情勢(shì)的年際變化、季節(jié)變化以及持續(xù)性特征進(jìn)行了對(duì)比評(píng)估。研究發(fā)現(xiàn):平?jīng)銎瑓^(qū)、咸陽(yáng)片區(qū)較慶陽(yáng)片區(qū)更趨干旱,存在潛在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。從季節(jié)上看,秋旱在3子區(qū)中發(fā)生頻次最高,且多為重旱；春旱多頻發(fā)于慶陽(yáng)片區(qū)與平?jīng)銎瑓^(qū),且以輕旱為主；冬旱以咸陽(yáng)片區(qū)發(fā)生頻次最為頻繁,亦多表現(xiàn)為輕旱。連旱在平?jīng)銎瑓^(qū)發(fā)生頻次最高,但程度偏輕,持續(xù)時(shí)間偏短;在慶陽(yáng)地區(qū)情況類(lèi)似；咸陽(yáng)地區(qū)連旱發(fā)生頻次少,但程度嚴(yán)峻,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。3個(gè)片區(qū)均有變“濕”趨勢(shì),以咸陽(yáng)片區(qū)最為明顯。總體說(shuō)來(lái),流域內(nèi)旱情在20世紀(jì)70年代、90年代時(shí)偏重,在80年代以及2000年后相對(duì)偏輕。旱情有自西南至東北變緩的趨勢(shì),其中南部易發(fā)持續(xù)性重旱,西北部頻發(fā)間斷性輕旱。

干旱;時(shí)空變化;分布特征;帕默爾旱度模式;涇河流域

干旱是在一段時(shí)期內(nèi)因降水量明顯減少、蒸發(fā)量加大或融雪水量不足而導(dǎo)致的水資源短缺現(xiàn)象,亦或在時(shí)間段內(nèi)實(shí)際降水量少于期望降水量而導(dǎo)致的現(xiàn)象[1]。根據(jù)研究側(cè)重領(lǐng)域的不同,學(xué)者習(xí)慣將其分為氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱四大類(lèi)。四類(lèi)干旱事件交叉發(fā)生,隨發(fā)生程度以及影響范圍的不同而對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成不同程度的影響與損失,稱(chēng)為旱災(zāi)。世界各地每年都有不同程度的干旱發(fā)生。我國(guó)是受干旱災(zāi)害影響較為嚴(yán)重的國(guó)家之一,且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對(duì)水資源需求的增加,受干旱災(zāi)害影響的程度日益嚴(yán)重。我國(guó)北方的甘肅省自建國(guó)以來(lái)其境內(nèi)發(fā)生輕旱等級(jí)以上旱災(zāi)有24次,重旱及以上共計(jì)7次[2]。陜西省境內(nèi)因旱災(zāi)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的危害程度約占總氣象災(zāi)害的50%[3]?？梢?jiàn),干旱災(zāi)害不僅威脅著我國(guó)北方的自然生態(tài)系統(tǒng),且已成為制約區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、威脅糧食安全乃至阻礙社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量有關(guān)干旱事件的縱深性研究,涉及干旱規(guī)律、干旱情勢(shì)評(píng)估、干旱監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)以及干旱系統(tǒng)管理等多個(gè)方面[4-8],歷經(jīng)了不同的發(fā)展階段。而干旱指標(biāo)的甄選與分析貫穿始末,其中帕默爾旱度模式(Palmer Drought Severity Index, 簡(jiǎn)稱(chēng)PDSI)憑借其對(duì)水分虧缺量和持續(xù)時(shí)間對(duì)干旱影響的表征,被認(rèn)可度較高,且在干旱時(shí)空規(guī)律、干旱監(jiān)測(cè)與預(yù)警等方面應(yīng)用廣泛。

PDSI于1965年被W. C. Palmer[9]提出,主要用于衡量土壤水補(bǔ)給虧缺量大小。經(jīng)過(guò)50 a的發(fā)展,PDSI現(xiàn)已成為美國(guó)半官方性的干旱指標(biāo),廣泛應(yīng)用于紐約、科羅拉多、愛(ài)達(dá)荷、猶他等州的干旱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。PDSI在國(guó)內(nèi)的發(fā)展始于1985年,安順清等[10]以濟(jì)南、鄭州兩個(gè)氣象站資料為基礎(chǔ)對(duì)帕默爾旱度模式進(jìn)行了修正,建立了我國(guó)的氣象旱度模式,并將其應(yīng)用于我國(guó)140個(gè)氣象站點(diǎn)的PDSI計(jì)算中。在對(duì)比歷史旱情資料后,證明了修正的帕默爾旱度模式在我國(guó)旱情評(píng)估中的適用性。

考慮到干旱問(wèn)題的空間異質(zhì)性,很多學(xué)者針對(duì)不同區(qū)域及旱情資料對(duì)帕默爾旱度模式進(jìn)行了進(jìn)一步修正與適用性檢驗(yàn)。如劉巍巍等[11]增加了修正站點(diǎn),選用彭曼公式代替Thornthwaite法計(jì)算潛在蒸發(fā)量,統(tǒng)計(jì)了我國(guó)北方139個(gè)氣象站點(diǎn)的PDSI,進(jìn)一步驗(yàn)證了修正帕默爾旱度模式在評(píng)估旱澇情況時(shí)的適用性。楊小利等[12]以甘肅中東部為研究區(qū)域,建立了修正的帕默爾旱度模式,并計(jì)算了該區(qū)域20個(gè)氣象站的PDSI,驗(yàn)證了PDSI在該區(qū)域的適用性。對(duì)比歸納發(fā)現(xiàn),此類(lèi)研究主要以PDSI適用性研究為目的,重點(diǎn)在于帕默爾旱度模式修正和區(qū)域適用條件的探討上。

除此之外,PDSI的優(yōu)越性檢驗(yàn)也是目前干旱領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。很多學(xué)者將PDSI與其他干旱指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析,評(píng)估不同指標(biāo)在干旱評(píng)估上的差異與共性,探討各指標(biāo)對(duì)于表征干旱情勢(shì)的敏感性,以期通過(guò)橫向?qū)Ρ日宫F(xiàn)PDSI的準(zhǔn)確性和可靠性。如唐紅玉等[13]將PDSI與Z指數(shù)在西北干旱監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用做了對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)PDSI對(duì)于西北地區(qū)干旱事件的反映更為真實(shí)客觀,較之Z指數(shù)更有優(yōu)越性。韓海濤等[14]將我國(guó)常用的降水距平百分率、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)以及PDSI進(jìn)行了比較分析,指出PDSI考慮了前期降水、水分供給、水分需求、實(shí)際蒸散量等諸多影響因素,反映了干旱強(qiáng)度和干旱的起止時(shí)刻,指標(biāo)表征能力更強(qiáng),在單站以及區(qū)域干旱評(píng)估中均能獲得較好的效果。綜合歸納不難看出，PDSI考慮涉旱因素比較全面,適用于不同時(shí)空尺度下的對(duì)比分析與研究,是目前最為成功的單項(xiàng)干旱指標(biāo)。

很多學(xué)者將PDSI應(yīng)用于不同的研究領(lǐng)域,也取得了非常有價(jià)值的研究成果。如張永等[15]基于PDSI數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)結(jié)合REOF旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析法,分析了我國(guó)西北地區(qū)氣候的干濕變化特征,并以季尺度為例分析了區(qū)域內(nèi)不同子分區(qū)不同季節(jié)的干濕變化趨勢(shì),為我國(guó)西北地區(qū)的干旱區(qū)劃提供了技術(shù)參考。盧洪健等[16]通過(guò)建立修正的帕默爾旱度模式,結(jié)合Mann-Kendall檢驗(yàn)法、EOF分析法等對(duì)我國(guó)華北平原的干旱特征進(jìn)行了時(shí)域與空間上的解析,探討了華北平原干旱的空間分布格局以及時(shí)域變化特性,為華北地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展與糧食安全提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。葉敏等[17]以中國(guó)帕默爾干旱指數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),運(yùn)用趨勢(shì)分析、EOF等方法對(duì)我國(guó)旱澇時(shí)空演化特征進(jìn)行了解析,評(píng)估了我國(guó)不同區(qū)域變干或變濕的趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)我國(guó)自20世紀(jì)80年代以來(lái)夏季旱澇災(zāi)害更為頻發(fā),且強(qiáng)度有所增加。劉蕊蕊等[18]通過(guò)計(jì)算三江源地區(qū)的PDSI值,評(píng)價(jià)了源區(qū)干旱的時(shí)空變化特征,并進(jìn)一步通過(guò)Morlet小波變換分析了其多時(shí)間尺度特征,為深入認(rèn)識(shí)源區(qū)干旱演變規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。張振偉等[2]以帕默爾干旱指數(shù)為基礎(chǔ),通過(guò)結(jié)合Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)等方法對(duì)甘肅省干旱的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)了甘肅旱情“兩頭重、中間輕”的特點(diǎn)。

涇河流域是西北半干旱區(qū)干旱事件的高發(fā)區(qū),且災(zāi)害極為嚴(yán)重,給當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)發(fā)展帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響。據(jù)史料記載,在明代的277 a間就發(fā)生了約110次旱災(zāi),平均每2.52 a即發(fā)生1次[19]。改革開(kāi)放后,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類(lèi)活動(dòng)愈發(fā)劇烈,使得流域內(nèi)下墊面改變巨大,產(chǎn)匯流模式和河流水文情勢(shì)均遭受極大擾動(dòng)[20],同時(shí)受氣候條件變化的影響,流域內(nèi)氣象因素如降水、溫度、蒸發(fā)等[21-22]均有所改變。在變化環(huán)境下,以往的干旱格局是否會(huì)持續(xù),干旱情勢(shì)將會(huì)產(chǎn)生何種新的變化,有哪些新的特點(diǎn),諸如此類(lèi)問(wèn)題均有待研究。故本文以PDSI為基本工具,結(jié)合涇河流域SWAT水文模型,建立涇河流域修正的帕默爾旱度模式,并以慶陽(yáng)片區(qū)(東北部)、平?jīng)銎瑓^(qū)(西北部)、咸陽(yáng)片區(qū)(南部)為統(tǒng)計(jì)分析對(duì)象,對(duì)3個(gè)片區(qū)的旱情趨勢(shì)變化、季節(jié)演變特征以及持續(xù)性特征進(jìn)行空間對(duì)比研究,以期為涇河流域乃至西北地區(qū)的干旱研究及應(yīng)急抗旱規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)SWAT模型

1.1 區(qū)域概況

涇河流域位于我國(guó)西北黃土高原地區(qū)中部,處于六盤(pán)山和子午嶺之間,是黃河流域十大水系之一,控制面積為45 421 km2。涇河作為渭河的最大支流,發(fā)源于寧夏回族自治區(qū)涇源縣關(guān)山東麓,由西北向東南流經(jīng)平?jīng)?、慶陽(yáng)、咸陽(yáng)等地市,于陜西省高陵縣涇渭堡附近注入渭河,全長(zhǎng)455 km。流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平相對(duì)較低,且發(fā)展極不平衡。其主要工業(yè)結(jié)構(gòu)仍屬于重工業(yè)范疇的資源導(dǎo)向型結(jié)構(gòu),輕工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)并不發(fā)達(dá),對(duì)水資源需求極大。流域內(nèi)畜牧業(yè)雖較為發(fā)達(dá),但經(jīng)營(yíng)方式落后,靠天吃飯的現(xiàn)象仍較為普遍。由于涇河流域地處干旱高發(fā)區(qū),災(zāi)害事件頻發(fā),經(jīng)濟(jì)發(fā)展受其制約較為嚴(yán)重。因此,研究涇河流域的干旱空間分布規(guī)律以及變化環(huán)境下的新趨勢(shì)十分必要。

1.2 SWAT模型、分區(qū)與數(shù)據(jù)

本研究選取武功、西安、寶雞、銅川、長(zhǎng)武、平?jīng)觥⑽鞣彐?zhèn)、西吉、固原、海源、環(huán)縣、吳旗、同心、涇河、定邊、耀縣、鳳翔共17個(gè)氣象站1961—2013年逐日氣象數(shù)據(jù)建立氣象數(shù)據(jù)庫(kù);以中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所提供的1∶106土壤圖為基礎(chǔ)建立土壤數(shù)據(jù)庫(kù);以中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的土地利用類(lèi)型圖為基礎(chǔ)建立土地利用數(shù)據(jù)庫(kù);以涇河干流出口站—張家山水文站1987—1995年逐日實(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證(校準(zhǔn)期為1987—1992年;驗(yàn)證期為1993—1995年)。在模型校準(zhǔn)期,相對(duì)誤差E與相關(guān)系數(shù)R2分別為15.8%和0.91;在模型驗(yàn)證期,相對(duì)誤差E與相關(guān)系數(shù)R2分別為1.6%和0.81,可見(jiàn)該模型在研究區(qū)內(nèi)適用性較好。

以SWAT模型劃分的sub1—sub27子流域作為基本的計(jì)算單元，如圖1所示；同時(shí)結(jié)合行政區(qū)劃,將流域分為3個(gè)片區(qū)作為空間尺度的分析單元,即流域東北部甘肅省慶陽(yáng)片區(qū)(黃色區(qū)域)、流域西北部甘肅省平?jīng)銎瑓^(qū)(粉紅區(qū)域)以及流域南部陜西省咸陽(yáng)片區(qū)(綠色區(qū)域)。

各子流域的PDSI主要基于各子流域的降水、土壤參數(shù)及潛在蒸發(fā)量,通過(guò)計(jì)算獲得。各子流域的降水量和潛在蒸發(fā)量由SWAT水文模型獲得。同時(shí)，根據(jù)模型內(nèi)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)獲取各子流域內(nèi)土壤類(lèi)型及其持水能力等參數(shù)。

圖1 涇河流域概況圖

2 研究方法

2.1 PDSI定義

PDSI是一個(gè)綜合考慮土壤水補(bǔ)給虧缺、水量平衡方程中供需水要素以及區(qū)域缺雨?duì)顩r的氣象干旱指標(biāo)。它可有效地反映出非正常干旱和濕潤(rùn)天氣狀況,并監(jiān)測(cè)其對(duì)土壤含水量的影響,應(yīng)用極為廣泛。

綜合來(lái)看,PDSI主要具有3個(gè)方面的優(yōu)勢(shì):①為決策者提供某地區(qū)近期天氣狀況是否出現(xiàn)異常信息;②允許當(dāng)前狀況與歷史條件進(jìn)行對(duì)比;③可反映過(guò)去發(fā)生干旱的時(shí)空分布情況。表1列出了PDSI等級(jí)劃分結(jié)果。

表1 PDSI干濕等級(jí)

2.2 計(jì)算過(guò)程

PDSI的計(jì)算過(guò)程大體可分為兩部分,即帕默爾旱度模式的建立與干旱、濕潤(rùn)程度的計(jì)算。其中帕默爾旱度模式的建立主要包含以下6個(gè)環(huán)節(jié)[23-24]:

1)水文賬統(tǒng)計(jì)。主要包含兩部分:①各變量的實(shí)際值計(jì)算;②各變量的可能值計(jì)算。假定土壤模型為上、下兩層。通過(guò)計(jì)算可獲得各子流域的實(shí)際蒸散量、失水量、徑流量、補(bǔ)水量，與之對(duì)應(yīng)的可能失水量、可能徑流量、可能補(bǔ)水量,以及與之相關(guān)的上、下層土壤含水量和水分變化量。具體水量平衡方程如圖2所示。圖中:P為降水量;PET為可能蒸散量(由彭曼公式計(jì)算獲取);WHCu為上層土壤持水能力;WHCl為下層土壤持水能力;ET為實(shí)際蒸發(fā)量;AMu為前期上層土壤含水量;AMl為前期下層土壤含水量;R為實(shí)際補(bǔ)水量;Ru為上層土壤實(shí)際補(bǔ)水量;Rl為下層土壤實(shí)際補(bǔ)水量;F為實(shí)際徑流量;Lu為上層土壤實(shí)際損失水量;Ll為下層土壤實(shí)際損失水量;L為實(shí)際損失水量之和。各變量的單位均為mm。

2)各氣候系數(shù)以及氣候適宜值計(jì)算。

3)水分過(guò)剩與短缺值d、修正前氣候特征值k、水分距平指數(shù)z的計(jì)算。

4)建立研究區(qū)帕默爾旱度公式:

X(i)=Z(i)/31.64+0.747 2X(i-1)。

(1)

5)對(duì)各子流域各月氣候的特征值k進(jìn)行修正。

6)確定干期(濕期)后,通過(guò)遞歸法計(jì)算各子流域的最終PDSI值。

研究區(qū)PDSI計(jì)算過(guò)程及相關(guān)參數(shù)如圖3所示。

圖2 水文賬實(shí)際值計(jì)算示意圖

圖3 涇河流域帕默爾旱度模式建立流程

2.3 適用性驗(yàn)證

在得到各子流域的PDSI長(zhǎng)序列后,以各子流域的控制面積為基礎(chǔ),通過(guò)加權(quán)平均分別獲取慶陽(yáng)片區(qū)、平?jīng)銎瑓^(qū)以及咸陽(yáng)片區(qū)的PDSI值計(jì)算結(jié)果。為驗(yàn)證PDSI確實(shí)與實(shí)際干旱事件緊密相關(guān),并有效表征區(qū)域內(nèi)的干旱情勢(shì),本文根據(jù)咸陽(yáng)關(guān)中地區(qū)春、夏、秋、冬四季旱情的歷史資料[25]進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果如圖4所示。

由圖4中的四季對(duì)比結(jié)果不難看出,PDSI與干旱事件的頻度存在較為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,即在PDSI處于低值區(qū)時(shí),通常對(duì)應(yīng)有歷史旱情發(fā)生,且在夏、秋季存在PDSI值越低,事件越密集的變化特點(diǎn)。從PDSI值的時(shí)域變化上看,春旱、夏旱發(fā)生較為頻繁,秋旱、冬旱發(fā)生頻率相對(duì)較低；且自2006年后,咸陽(yáng)片區(qū)干旱情勢(shì)有緩解趨勢(shì),這與歷史干旱的發(fā)生頻次變化基本是相符的。此外,PDSI值在秋季波動(dòng)最大;春、夏季次之;冬季波動(dòng)相對(duì)較小,這與咸陽(yáng)地區(qū)的實(shí)際也較為相符[25]。因此,對(duì)比結(jié)果表明PDSI可有效地表征檢驗(yàn)區(qū)域的實(shí)際干旱變化,適用于涇河流域的干旱評(píng)估。

圖4 咸陽(yáng)片區(qū)PDSI值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際干旱事件對(duì)比圖

3 結(jié)果與討論

為了有效地反映涇河流域內(nèi)干旱的空間格局變化,從子流域尺度、片區(qū)尺度以及全流域尺度分別進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)空間層次的深度解讀。而時(shí)域上,則主要以月尺度、季節(jié)尺度以及年尺度為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)多尺度的時(shí)間分析。同時(shí),還嘗試將各空間尺度與時(shí)間尺度有機(jī)結(jié)合,以期對(duì)研究區(qū)內(nèi)干旱事件的時(shí)空耦合特征進(jìn)行探索。

3.1 各子流域PDSI的空間分布特征

基于SWAT模型得到?jīng)芎恿饔蚋髯恿饔?961—2013年的PDSI的多年平均值,如圖5所示。圖中紅色柱子代表年均值為負(fù)數(shù),氣候偏干;綠色柱子代表年均值為正數(shù),氣候偏濕,縱坐標(biāo)取值范圍均為0～1。

由圖5可知,就多年平均情況而言,不同子流域的綜合干旱情勢(shì)并不相同。流域中部地區(qū)如sub13—sub14、sub17、sub19、sub20—sub24子流域情況較好,PDSI多年均值大于-0.1,sub24子流域多年均值甚至大于0,這表明此類(lèi)區(qū)域相對(duì)其他區(qū)域而言發(fā)生干旱的概率偏低一些,頻次也更少,整體呈現(xiàn)“偏濕”。而流域北部如sub1—sub12、sub15,流域南部如sub25—sub27等子流域PDSI多年均值均小于-0.2,尤其是sub27子流域的PDSI多年均值接近-1,表明此類(lèi)區(qū)域發(fā)生干旱的概率偏高,發(fā)生頻次多,區(qū)域整體“偏干”。究其原因發(fā)現(xiàn),sub25—sub27子流域的土地利用類(lèi)型中耕地占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位,區(qū)域潛在蒸發(fā)明顯高于其他地區(qū)。此外,縱觀全區(qū)發(fā)現(xiàn)，農(nóng)耕地所占比例從南至北遞減,從西至東遞減,尤其是sub24子流域內(nèi)以林地為主,耕地相對(duì)較少,這解釋了圖5中所示的流域內(nèi)多年干旱情勢(shì)由南至北、由西至東趨好的原因。

圖5 研究區(qū)各子流域PDSI多年平均值

3.2 PDSI年際變化特征

涇河流域以及3個(gè)片區(qū)PDSI的年際變化過(guò)程如圖6所示。就全流域而言,通過(guò)Mann-Kendall檢驗(yàn)法[26]可知,全區(qū)有“變濕”的趨勢(shì),變化坡度為0.024,但其統(tǒng)計(jì)量Z值僅為1.20,小于臨界值1.96,故其“變濕”趨勢(shì)并不顯著。而時(shí)域上的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,流域年尺度的干旱主要以輕微干旱為主,發(fā)生頻率約為19%;發(fā)生嚴(yán)重干旱或極端干旱情況較少,發(fā)生頻率約為4%。

細(xì)觀各片區(qū)PDSI的變化可知,平?jīng)銎瑓^(qū)、慶陽(yáng)片區(qū)以及咸陽(yáng)片區(qū)PDSI都呈波動(dòng)增大趨勢(shì),干旱情勢(shì)隨時(shí)間推移而逐漸得到緩解。Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果顯示,平?jīng)銎瑓^(qū)PDSI的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z值為0.76,變化坡度為0.012,變化趨勢(shì)不顯著,PDSI多年均值為-0.11,表明該子區(qū)總體偏干,但有變濕的趨勢(shì)。慶陽(yáng)片區(qū)PDSI的變化趨勢(shì)同樣不顯著,檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z值僅為0.54,變化坡度為0.009,PDSI多年均值為-0.08,這表明該區(qū)總體干旱情勢(shì)雖無(wú)顯著的趨勢(shì)變化,但較平?jīng)銎瑓^(qū)略好。咸陽(yáng)片區(qū)PDSI的變化趨勢(shì)仍不顯著,但變化幅度較之甘肅省平?jīng)觥c陽(yáng)片區(qū)大,變化坡度為0.05,PDSI多年均值為 -0.23,表明該區(qū)是3個(gè)片區(qū)中干旱發(fā)生最為頻繁的區(qū)域,整體旱情較為嚴(yán)峻,但這種情況正在好轉(zhuǎn),區(qū)域有變濕的趨勢(shì)。

從各子片區(qū)發(fā)生不同等級(jí)干旱的頻率看,咸陽(yáng)片區(qū)旱情最為嚴(yán)重,發(fā)生干旱次數(shù)最多、最為頻繁,且發(fā)生的干旱大部分程度較為嚴(yán)重,發(fā)生嚴(yán)重干旱以及極端干旱的頻率和超過(guò)了20%,是中等干旱頻次的2倍,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并加強(qiáng)研究。而流域北部位于甘肅省境內(nèi)的慶陽(yáng)片區(qū)、平?jīng)銎瑓^(qū)旱情略好。其中,慶陽(yáng)片區(qū)是3個(gè)片區(qū)中情勢(shì)最好的區(qū)域,未發(fā)生過(guò)極端干旱,且發(fā)生中等及更為嚴(yán)重的干旱的總頻次不到發(fā)生輕微干旱的頻次的1/2。而平?jīng)銎l(fā)生的干旱也以輕微干旱為主,其發(fā)生頻次約等于發(fā)生中等干旱、嚴(yán)重干旱的頻次和。

圖6 PDSI的年際變化

3.3 基于PDSI的季節(jié)干旱特征

為進(jìn)一步研究區(qū)域干旱的時(shí)間分布特性,本文對(duì)3個(gè)片區(qū)在各季節(jié)發(fā)生的主要干旱類(lèi)型、各類(lèi)型干旱的強(qiáng)弱程度以及連旱類(lèi)型進(jìn)行了分析。各片區(qū)春、夏、秋、冬季節(jié)PDSI的年際變化過(guò)程如圖7所示。

1)平?jīng)銎瑓^(qū)。經(jīng)整理發(fā)現(xiàn),在該區(qū)中秋季干旱發(fā)生次數(shù)最多、頻率最高,干旱比例約為47.2%;其次為春季,發(fā)生頻率約為43.4%;夏季、冬季旱情相對(duì)輕緩,發(fā)生干旱頻率分別為37.7%、34.0%。此外,就各季發(fā)生干旱的強(qiáng)弱程度而言,秋季發(fā)生極端干旱的概率最大,約接近總秋旱頻次的1/2;此外輕微干旱也是該季的另一大主要干旱類(lèi)型;中等干旱、嚴(yán)重干旱相對(duì)較少發(fā)生。春季雖發(fā)生干旱也相對(duì)頻繁,但與秋季不同,其發(fā)生程度較輕,以輕微干旱為主,其所占比例超過(guò)該季總干旱頻次的1/2;嚴(yán)重干旱幾乎不發(fā)生,極端干旱在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)未有發(fā)生。夏季、冬季發(fā)生干旱總頻次相近,但其嚴(yán)重程度有所區(qū)別。夏季干旱以輕微干旱為主,但中等干旱、嚴(yán)重干旱發(fā)生概率亦較大,其所占比例均約占該季總干旱頻次的1/4;且極端干旱發(fā)生頻率也不容忽視。而冬季干旱中輕微干旱和中等干旱占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位,嚴(yán)重干旱、極端干旱在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)僅發(fā)生了1次。

2)慶陽(yáng)片區(qū)。就該區(qū)而言,春、夏、秋季干旱情勢(shì)相對(duì)嚴(yán)重,冬季干旱情勢(shì)最弱。秋季發(fā)生干旱頻率最高,約為45.3%。其中,發(fā)生極端干旱概率最大,約為17.0%;其次為中等干旱發(fā)生頻率,約15.1%;輕微干旱、嚴(yán)重干旱發(fā)生概率相對(duì)較小,分別為7.5%、5.7%。春季干旱發(fā)生概率雖位居第二,但程度相對(duì)較輕,以輕微干旱為主,此類(lèi)干旱概率超過(guò)總干旱概率的1/2;嚴(yán)重干旱、極端干旱總共發(fā)生過(guò)1次,概率極小。夏季干旱發(fā)生頻率雖略低于春季,但其以中等干旱和嚴(yán)重干旱為主要干旱,此二者干旱發(fā)生頻次和接近該季總干旱頻次的2/3。冬季發(fā)生干旱的概率較低,同時(shí),干旱程度也以輕微干旱為主,其頻次超過(guò)其余干旱類(lèi)型的頻次和。

3)咸陽(yáng)片區(qū)。總體而言,該片區(qū)四季干旱情勢(shì)均較嚴(yán)重,且以秋季最重。秋季干旱發(fā)生頻率約為50.9%,其中極端干旱為主導(dǎo)干旱,發(fā)生頻次最多,約占該季總干旱頻次的1/2;輕微干旱發(fā)生也相對(duì)頻繁,其發(fā)生頻次約占該季總干旱頻次的1/4。冬季干旱發(fā)生的頻率約為45.3%,在四季中位列第二。從強(qiáng)度上看,秋季干旱情勢(shì)偏好,以輕微干旱、中等干旱為主,二者累計(jì)發(fā)生頻次約占總干旱頻次的3/4;嚴(yán)重干旱、極端干旱在該季的發(fā)生概率相對(duì)較小。春季情況同冬季的類(lèi)似,發(fā)生干旱概率約為43.4%,輕微干旱為其主要類(lèi)型,發(fā)生頻次占總干旱頻次的1/2;嚴(yán)重干旱和極端干旱發(fā)生概率相對(duì)較低,二類(lèi)干旱的頻次和約占該季總干旱頻次的1/3。夏季干旱發(fā)生頻率最低,約為41.5%,但旱情相對(duì)偏重,以極端干旱為主要干旱類(lèi)型,發(fā)生頻次約占該季總干旱頻次的1/2,為輕微干旱發(fā)生頻次的2倍。

不同季節(jié)的干旱對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響不同,而季節(jié)連旱的發(fā)生會(huì)加劇旱情,累積影響,對(duì)區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的損失。如作物生殖期缺水會(huì)致使“卡脖”、“曬花”等現(xiàn)象。而連旱的發(fā)生,會(huì)因氣溫高、光照強(qiáng)、水分蒸發(fā)強(qiáng)烈而致使損失尤為嚴(yán)重。

為使抗旱應(yīng)對(duì)策略的制定更科學(xué)、有針對(duì)性,本文對(duì)3個(gè)片區(qū)各季連旱的特征也進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,具體結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,咸陽(yáng)片區(qū)在3個(gè)片區(qū)中發(fā)生各季連旱頻次最高。該片區(qū)夏秋連旱、秋冬連旱相對(duì)頻繁,略高于冬春連旱和春夏連旱;3季連旱中,以春夏秋連旱的發(fā)生頻率相對(duì)較高。慶陽(yáng)片區(qū)、平?jīng)銎瑓^(qū)明顯次于咸陽(yáng)片區(qū),且均以?xún)杉具B旱為主。其中,平?jīng)銎瑓^(qū)冬春連旱相對(duì)頻繁,而慶陽(yáng)片區(qū)則以春夏連旱、夏秋連旱為主。

圖7 PDSI的季節(jié)變化

表2 子片區(qū)連旱特征統(tǒng)計(jì)

3.4 干旱事件的持續(xù)特征

本文將連續(xù)3個(gè)月或以上PDSI值小于-1的一次過(guò)程定義為持續(xù)性干旱事件。若該次干旱事件內(nèi)出現(xiàn)PDSI值小于-4,則定義為嚴(yán)重持續(xù)性干旱事件。圖8給出了3個(gè)片區(qū)在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)發(fā)生持續(xù)性干旱事件的時(shí)間。圖9顯示了3個(gè)片區(qū)在不同年代內(nèi)發(fā)生持續(xù)性干旱事件的頻次統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

1)平?jīng)銎瑓^(qū)。平?jīng)銎瑓^(qū)在研究時(shí)段內(nèi)共計(jì)發(fā)生持續(xù)性干旱事件45次,其中程度較為嚴(yán)重的有20次。持續(xù)時(shí)間從年初至年末,程度最為嚴(yán)重的是1971年。根據(jù)不同年代持續(xù)性干旱以及嚴(yán)重持續(xù)性干旱事件發(fā)生頻率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)平?jīng)銎瑓^(qū)旱情的持續(xù)性特征呈波動(dòng)減緩趨勢(shì),20世紀(jì)70年代與90年代處于峰值區(qū),而在80年代以及2000年后則有所趨弱。整個(gè)時(shí)域內(nèi),20世紀(jì)70年代是平?jīng)銎瑓^(qū)干旱最為頻發(fā)、旱情最為嚴(yán)重的時(shí)期。

2)慶陽(yáng)片區(qū)。慶陽(yáng)片區(qū)在研究時(shí)段內(nèi)共計(jì)發(fā)生持續(xù)性干旱事件41次,其中程度較為嚴(yán)重的有20次。全年干旱且程度嚴(yán)重的有2次,分別發(fā)生在1971年與1972年。此后,1974年從2月至12月持續(xù)干旱了11個(gè)月,旱情也極為嚴(yán)重。

全年持續(xù)10個(gè)月的干旱共計(jì)發(fā)生2次,分別在2000年與2009年。從持續(xù)性干旱的年代際統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,連旱事件在20世紀(jì)80年代以及2000年后發(fā)生次數(shù)相對(duì)較少,而在20世紀(jì)70年代最為嚴(yán)重。20世紀(jì)90年代雖發(fā)生連旱事件的頻次較少,但程度均較為嚴(yán)重,在時(shí)域內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重連旱事件的頻次最高。從總的趨勢(shì)看,慶陽(yáng)片區(qū)的持續(xù)性旱情有一定程度減緩,全區(qū)有不顯著的變“濕”趨勢(shì)。

3)咸陽(yáng)片區(qū)。咸陽(yáng)片區(qū)在研究時(shí)段內(nèi)共計(jì)發(fā)生持續(xù)性干旱事件38次,其中程度較為嚴(yán)重的有25次。從年初至年末連旱12個(gè)月的干旱共計(jì)4次,分別發(fā)生在1962年、1970年、1977年和2013年;而連旱10個(gè)月的事件共計(jì)發(fā)生了2次,分別在2000年和2002年。該區(qū)雖發(fā)生連旱的總頻次最少,但嚴(yán)重連旱的頻次最高。根據(jù)年代際統(tǒng)計(jì)結(jié)果,該區(qū)的持續(xù)性干旱的走勢(shì)與平?jīng)銎瑓^(qū)基本一致,不同的是咸陽(yáng)片區(qū)在2000年后發(fā)生嚴(yán)重連旱的頻次仍處于高位,不容忽視?？傮w看來(lái),該區(qū)干旱具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且程度重的特點(diǎn),旱情隨時(shí)間也呈不顯著的減緩趨勢(shì)。

圖8 各子區(qū)持續(xù)性干旱事件發(fā)生時(shí)間

圖9 各子區(qū)持續(xù)性干旱事件頻次統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語(yǔ)

基于涇河流域SWAT水文模型計(jì)算了流域內(nèi)1961—2013年各子流域的逐月帕默爾干旱指數(shù),并從干旱事件的持續(xù)性、季節(jié)性、年際變化等方面分析了涇河流域干旱的時(shí)空演變特征。形成結(jié)論如下:

1)涇河流域旱情總體較為嚴(yán)重,但存在不顯著的變“濕”趨勢(shì)。從空間上看,平?jīng)銎瑓^(qū)及咸陽(yáng)片區(qū)旱情偏重,平?jīng)銎瑓^(qū)以干旱頻次大為特點(diǎn);而咸陽(yáng)片區(qū)則主要表現(xiàn)為重旱頻發(fā)。在時(shí)程分布上,全區(qū)旱情在20世紀(jì)70年代、90年代相對(duì)偏重,在80年代、2000年后相對(duì)偏輕。

2)季節(jié)性特征分析顯示,平?jīng)銎瑓^(qū)秋季、春季旱情相對(duì)嚴(yán)重,秋季易頻發(fā)重旱,而春季易頻發(fā)輕旱。慶陽(yáng)片區(qū)秋季、夏季頻發(fā)重旱,春季頻發(fā)輕旱。咸陽(yáng)片區(qū)情況略有差異,秋季旱情仍最為嚴(yán)重,且頻發(fā)重旱,而冬春則以輕旱為主,夏季多發(fā)重旱。

3)從干旱事件的持續(xù)性特征看,平?jīng)銎瑓^(qū)、慶陽(yáng)片區(qū)持續(xù)性干旱頻次較高,但持續(xù)性重旱頻次較少,亦即頻發(fā)但程度輕;咸陽(yáng)地區(qū)持續(xù)性干旱總頻次偏低,但持續(xù)性重旱頻次最高,極易產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

從以上結(jié)論不難看出,涇河流域的抗旱工作應(yīng)多注意區(qū)域內(nèi)秋季旱情的發(fā)展,因?yàn)槠漕l發(fā),且危害嚴(yán)重,直接關(guān)系夏糧作物產(chǎn)量。同時(shí),流域西北部的平?jīng)銎瑓^(qū)受干旱頻發(fā)的影響,應(yīng)加強(qiáng)持續(xù)性的抗旱建設(shè),堅(jiān)持防旱、抗旱兩手抓;而流域南部的咸陽(yáng)片區(qū),鑒于歷次干旱事件的嚴(yán)重程度,要提升區(qū)域的抗旱應(yīng)急能力和水源保障(調(diào)度)水平,通過(guò)軟硬措施協(xié)同抗旱,最大限度地減輕區(qū)域內(nèi)干旱災(zāi)害帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

本研究從不同空間尺度以及不同時(shí)間尺度上分析了涇河流域的干旱特征,可為區(qū)域抗旱工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和分析依據(jù)。在研究中筆者也發(fā)現(xiàn),干旱規(guī)律或者空間分布的分析雖然能夠?yàn)榭购祽?zhàn)略的制定提供參考和支持,但在實(shí)際操作層面上仍存在問(wèn)題。因此,筆者認(rèn)為未來(lái)的研究方向應(yīng)更貼近于抗旱實(shí)際,如何建立切實(shí)全面反映干旱事件發(fā)生、發(fā)展過(guò)程的指標(biāo)體系,如何模擬不同人類(lèi)決策下干旱事件的走向,如何結(jié)合氣象變化制定合理、可靠的抗旱方案,如何建立決策支持的綜合預(yù)警系統(tǒng),這些方面都需要未來(lái)進(jìn)一步探索和加強(qiáng)研究。

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(責(zé)任編輯:陳海濤)

Investigation on the Spatial-temporal Variation of Drought Characteristics in Jinghe River Basin

ZHANG Hongbo1,2, GU Lei1, XIN Chen3, YU Qijun1

(1.School of Environmental Science and Engineering, Chang′an University, Xi′an 710054, China; 2.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effect in Arid Region of Ministry of Education, Xi′an 710054, China; 3.Rivers and Reservoirs Administration in Shaanxi Province, Xi′an 710018, China)

On the basis of the precipitation of sub-basins, the potential evaporation and the eigenvalue of soil obtained by a SWAT hydrological model in Jinghe River basin, a revised Palmer drought mode was established, then the basin was divided into three sub-districts of Pingliang district, Qingyang district and Xianyang district.The inter-annual variations, the seasonal variations and the continuous characteristics of drought of each district were contrasted and evaluated. The research results indicate that: Pingliang district and Xianyang districtare droughtier than Qingyang district, and the two districts have a potential drought hazard; seasonally, the frequency of autumn drought is highest in three districts, and autumn drought is always serious drought, spring drought frequently occurs in Pingliang district and Qingyang district, and is mainly mild drought, winter drought frequently occurs in Xianyang district, and is mostly mild drought; the frequency of sustained drought is highest in Pingliang district with the characteristics of mild drought and short duration, Qingyang district is similar to Pingliang district.Xianyang district has a lower frequency on sustained drought, but its intensity of drought is serious, and its duration is long; all of the three districts have a wetting trend, and Xianyang district is most obvious. Overall, the intensity of drought in Jinghe River basin is grimmer in 1970s and 1990s, and the intensity of drought in 1980s and after 2000 is milder. The drought in the basin shows a weakening trend from southwest to northeast, the south area easily occurs sustained drought disaster, while the northwest area frequently occurs interrupted drought.

drought; spatial-temporalvariation; distributed characteristics; Palmer drought mode; Jinghe River basin

2015-08-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51379014);陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014KJXX-54);水利部公益性科研資助項(xiàng)目(201301084)。

張洪波(1979—),男,遼寧康平人,副教授,博士,主要從事水資源系統(tǒng)工程研究。E-mail:hbzhang@chd.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.03.001

TV211;S423

A

1002-5634(2016)03-0001-10