基于SWRI指數(shù)的朝陽市水文干旱特征分析

冀連華

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

水文干旱是指河川徑流低于其正常值或含水層水位降低的現(xiàn)象，其主要特征是在特定面積、特定時段內(nèi)可利用水量的短缺。傳統(tǒng)的水文干旱識別觀點認為，如果在一段時期內(nèi)，流量持續(xù)低于某一特定的閥值，則發(fā)生了水文干旱，其中閥值的選擇可以依據(jù)流量的變化特征，或者根據(jù)水需求量來確定；目前，基于該觀點已經(jīng)衍生了諸多的水文干旱判斷指標，如地表供水指數(shù)(SWSI)、標準干旱嚴重指數(shù)(SWDSI)、標準徑流指數(shù)(SRI)、Parlmer水文干旱強度指數(shù)(pHD)等。由以上定義與指標原理可知，傳統(tǒng)判別方法是以流量為單一依據(jù)，沒有考慮地下水的影響。在全球氣候變化與人類活動的影響下，地下水在區(qū)域供水水源中的比重不斷提高，傳統(tǒng)的水文干旱識別方法已經(jīng)無法真實反映區(qū)域水文干旱情況。針對該問題，翟家齊等人構(gòu)建了一個能夠反映流域地表水和地下水資源變化的干旱指標，即標準水資源指數(shù)(SWRI)，并成功應(yīng)用該方法評估了海河北系的流域水文干旱特征及其演變規(guī)律。以行政區(qū)劃為水文干旱研究單元更有利于各地區(qū)水資源管理與干旱應(yīng)對方案的制定，但目前SWRI指數(shù)多應(yīng)用于流域尺度，本文以朝陽市為例，基于SWRI指數(shù)對全市各區(qū)劃的水文干旱進行識別與特征分析。

1 分析方法

1.1 研究區(qū)水資源概況

朝陽市位于遼寧省的西部，屬北溫帶大陸季風氣候區(qū)，為半干旱半濕潤易旱地區(qū)。全市多年平均降水量96.35億m3，地表水資源量14.71億m3，地下水資源量7.13億m3，水資源總量14.92億m3。以行政分區(qū)劃分：朝陽縣的水資源總量最大，占全市的23.8%，龍城區(qū)、北票市、建平縣、凌源市、喀左縣的水資源總量所占全市的比重依次為3.3%、21.1%、13.2%、23.3%、12.7%；雙塔區(qū)的水資源總量最小，僅占全市的2.6%。由于朝陽市的行政區(qū)劃在歷史上曾出現(xiàn)過變動，因此評估單元的劃分均以當前狀況為準。

1.2 水文模型

采用分布式水文模型輸出的評價單元地表和地下水資源量月過程為基本輸入值，構(gòu)建水文干旱評價指標，即SWRI指數(shù)。本文主要采用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)，該模型是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局在CREAMS和SWRRB模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，可依據(jù)DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)等將研究區(qū)域劃分為多個只包含一種土地利用類型和土壤類型的水文響應(yīng)單元(HRU)，可模擬流域水循環(huán)中幾乎所有的水文過程。趙安周等人應(yīng)用SWAT模型結(jié)合Palmer干旱指數(shù)提出了干旱分析模型SWAT- PDI，對渭河流域干旱的時空演變規(guī)律和發(fā)生頻率進行了分析。

1.3 SWRI指數(shù)

SWRI指數(shù)的確定是首先假設(shè)評價單元地表和地下水資源總量服從Γ分布，并計算其概率分布密度函數(shù)和概率，然后對概率函數(shù)進行正態(tài)標準化處理，處理后函數(shù)、即式(5)的形態(tài)參數(shù)Z值即為所求的SWRI值。該方法的主要控制方程包括。

圖2 朝陽市各觀測點地下水位實測與模擬值

xij=Wij

(1)

(2)

(3)

F(xij=0)=k/N

(4)

(5)

式中，wij—第i個評估單元第j月的地表和地下水資源總量；k、N—xij=0的樣本數(shù)和總樣本數(shù)；β和γ—概率分布密度函數(shù)的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)；f(xij)—隨機變量xij的Γ分布密度函數(shù)；F(xij

SWRI值與干旱等級的劃分標準可表示為：

(6)

2 分析結(jié)果

2.1 模型驗證

分布式水文模型具有一定的不確定性，因此分別采用徑流過程和地下水位對模型進行驗證。

徑流過程驗證采用朝陽站1956～2014年間的徑流量實測數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖1。由圖1可知，SWAT模型可準確地模擬出朝陽地區(qū)徑流量的變化過程趨勢，數(shù)值量級也較為接近，實測的該時間段多年平均徑流量值為72480.73萬m3，模擬值為72512.65萬m3，兩者僅相差0.044%。在各年份中，最大誤差出現(xiàn)于1995年，誤差率為14.67%，即誤差均控制在15%以內(nèi)，滿足精度要求。

圖1 朝陽站年徑流量實測與模擬值

地下水位驗證采用朝陽地區(qū)西合當、西高杖子、郭杖子、太平莊、西湖臺、和東營子6個觀測點的地下水位數(shù)據(jù)，比較結(jié)果見圖2。由圖2可知，SWAT模型同樣可準確地模擬出朝陽地區(qū)地下水位的變化過程趨勢，數(shù)值量級也同樣較為接近，各觀測點的平均誤差率分別為4.58%、4.27%、2.53%、4.10、5.45%、和5.01%；各觀測點的最大誤差率分別為9.79%、8.07%、5.00%、8.21%、9.94%、和9.87%，均低于10%，滿足精度要求。

2.2 水文干旱識別

基于SWAT模型輸出數(shù)據(jù)，利用MATLAB提供的函數(shù)包對公式組(1)～(5)進行求解，得到朝陽市雙塔區(qū)、龍城區(qū)、北票市、凌源市、朝陽縣、建平縣、和喀左縣在1956～2015年間的Z值，即SWRI指數(shù)值，再將結(jié)果按照年份分類匯總，結(jié)果見圖3。

圖3 朝陽市SWRI指數(shù)值

由圖3可知，朝陽市各地區(qū)的SWRI指數(shù)值具有基本一致的變化趨勢，約在1993年之前各地的SWRI指數(shù)值更為接近，之后則差異較大，主要因為近20年朝陽市社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，劇烈的人類活動影響了水資源的自然分布狀態(tài)。全市大部分SWRI值介于-0.5～-1.5之間，即干旱等級主要是輕旱和重旱，這與該地區(qū)為半干旱地區(qū)的特性相一致。總體來看，1981年朝陽市各地區(qū)的水文干旱SWRI值均較低，雙塔區(qū)、龍城區(qū)、北票市、凌源市、朝陽縣、建平縣、喀左縣的SWRI指數(shù)(等級)分別為-2.03(特旱)、-2.11(特旱)、-1.62(重旱)、-1.51(重旱)、-1.79(重旱)、-2.06(特旱)、-1.26(中旱)。據(jù)記載[8]，1981年朝陽地區(qū)發(fā)生春夏秋三季連旱，全區(qū)嚴重干旱18萬hm2，絕收面積達16.67萬hm2，與本文評估基本保持一致。綜上，采用SWAT模型、基于SWRI指數(shù)所評估的水文干旱結(jié)果與事實較為相符，即該方法可合理地評估出城市尺度各區(qū)劃的水文干旱情況。

2.3 水文干旱特征

基于表3數(shù)據(jù)對朝陽市的水文干旱特征進行分析，得到朝陽市水文干旱的特征值，結(jié)果列于表1。

根據(jù)表1結(jié)果可知，朝陽市各地區(qū)水文干旱最小SWRI指數(shù)的平均值為-2.05，其中最小的為-2.23、出現(xiàn)于北票市，干旱等級為“特旱”。水文干旱最大SWRI指數(shù)的平均值為3.47，其中最大的為3.95、出現(xiàn)于建平縣，無水文干旱事件。全市的SWRI指數(shù)平均值為-0.44，略高于-0.50，因此干旱等級為“無旱”。采用各區(qū)劃的平均SWRI指數(shù)值表征朝陽市各地區(qū)的干旱嚴重程度，按干旱程度由低到高排序分別為龍城區(qū)、雙塔區(qū)、建平縣、喀左縣、北票市、凌源市、朝陽縣。

表1 朝陽市水文干旱特征

變異系數(shù)可表示SWRI指數(shù)的時間變化過程離散程度，可由標準差與平均值的絕對值之比來表示，根據(jù)表1結(jié)果可知，朝陽全市的平均變異系數(shù)為2.71，其中龍城區(qū)的水文干旱程度離散度最高，為3.17，凌源市最低，為2.38。朝陽全市的SWRI指數(shù)傾向率平均值為-0.0255，即在1956～2015年間，全市的SWRI指數(shù)平均每年下降0.0255，其中下降最快的為朝陽縣、其傾向率為-0.0272，最慢的為凌源市、其傾向率為-0.0237。

由表1數(shù)據(jù)可知，朝陽市各地區(qū)的SWRI指數(shù)傾向率均為負值，說明朝陽市各地區(qū)的水文干旱程度均呈加重趨勢。在此情況下，應(yīng)基于本文或其它有效方法積極加強朝陽市各地區(qū)的水文干旱特征分析，對旱情進行準確的預(yù)測預(yù)報，從而實現(xiàn)由被動抗旱向主動防旱抗旱的轉(zhuǎn)變。此外，也應(yīng)繼續(xù)加強抗旱工程措施建設(shè)，水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)和抗旱綜合管理體系建設(shè)。

3 結(jié)論

采用SWAT模型模擬了朝陽市各區(qū)劃的地表和地下水資源量變化過程，計算了各地區(qū)的SWRI指數(shù)，并以此分析了朝陽市的水文干旱特征，結(jié)果表明：SWAT模型可準確地模擬出朝陽地區(qū)徑流量和地下水位的變化過程趨勢，為SWRI指數(shù)的計算提供輸入數(shù)據(jù)；SWRI指數(shù)可準確評估城市尺度各區(qū)劃的水文干旱情況；朝陽市各地區(qū)按干旱程度由低到高排序分別為龍城區(qū)、雙塔區(qū)、建平縣、喀左縣、北票市、凌源市、朝陽縣；各地區(qū)的水文干旱程度均呈加重趨勢，因此應(yīng)積極采取合理的措施來應(yīng)對新的水文干旱形勢。

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