基于SDI 的石羊河流域中游水文干旱特征研究

盧泰山，李玲萍

（1.武威市涼州區(qū)水務(wù)局金塔河水利管理處，甘肅武威733000；2.中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所/ 甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730020；3.甘肅省武威市氣象局，甘肅武威733000）

石羊河流域是我國(guó)水資源開發(fā)程度最高的內(nèi)陸河流域之一，也是干旱區(qū)典型的水資源脆弱帶。石羊河流域中游即武威綠洲近年來(lái)由于開發(fā)力度加大，用水量迅速增加，導(dǎo)致石羊河流入下游的地表水量逐年減少，引發(fā)了水資源短缺、用水矛盾激化、植被退化、生態(tài)惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。本文利用石羊河流域中游3 條河流1961—2017 年的逐月流量資料，采用標(biāo)準(zhǔn)化流量指數(shù)計(jì)算比較符合當(dāng)?shù)貙?shí)際的水文干旱定量指標(biāo)，揭示氣候變化背景下石羊河流域中游的水文干旱特征，進(jìn)一步平衡和完善水文干旱評(píng)價(jià)系統(tǒng)，為石羊河流域中游干旱的客觀評(píng)估和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文利用石羊河流域中游3 條河流的3 個(gè)水文代表站（四溝嘴、南營(yíng)水庫(kù)、雜木寺）1961—2017 年逐月實(shí)測(cè)的流量數(shù)據(jù)資料，從統(tǒng)計(jì)意義上看，這樣長(zhǎng)的時(shí)間序列足夠獲得比較可信的趨勢(shì)分析結(jié)果。

1.2 研究方法

采用標(biāo)準(zhǔn)化流量指數(shù)SDI、游程理論來(lái)獲得干旱事件的特征指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)化流量指數(shù)SDI 計(jì)算的基礎(chǔ)資料是水文監(jiān)測(cè)斷面的歷史月流量，計(jì)算方法類同于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI，分析石羊河流域中游的水文干旱特征。SDI 具有多時(shí)間尺度的特征，本文選用3 個(gè)月和12 個(gè)月時(shí)間尺度的SDI 作為研究尺度，SDI3 反應(yīng)年內(nèi)短期干旱特征，SDI12 反映長(zhǎng)期的干旱變化特征。用3—5 月、6—8 月、9—11 月、12 月至翌年2 月分別代表春季、夏季、秋季、冬季，年尺度為1—12 月。

參考變化環(huán)境下無(wú)定河流域水文干旱演變規(guī)律及驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析[1]，用3 種分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)石羊河流域?qū)崪y(cè)流量資料進(jìn)行等級(jí)劃分，然后求取其平均值作為石羊河流域中游各干旱等級(jí)出現(xiàn)情況的百分比，最后利用累計(jì)頻率確定的石羊河流域以SDI 為干旱指數(shù)的水文干旱事件干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化流量指數(shù)（SDI）干旱分級(jí)

干旱一般可以用干旱持續(xù)時(shí)間、干旱程度和干旱強(qiáng)度3 個(gè)特征來(lái)表示，而這些特征可以用游程理論來(lái)得到[2，3]。根據(jù)表1 所示的水文干旱劃分等級(jí)，將SDI 值小于1.21 的月份記為發(fā)生一次干旱事件。

2 石羊河流域中游水文干旱演變特征

2.1 水文干旱歷時(shí)、烈度和強(qiáng)度演變特征

從圖1 可知，流域中部1961—2017 年平均干旱歷時(shí)為10.6 個(gè)月，各年代干旱歷時(shí)最長(zhǎng)出現(xiàn)在20世紀(jì)70 年代，平均持續(xù)時(shí)間是12 個(gè)月，干旱歷時(shí)最短出現(xiàn)在20 世紀(jì)60 年代，持續(xù)時(shí)間為9 個(gè)月；平均干旱烈度為7.40，最強(qiáng)出現(xiàn)在1992 年為21.52,1989年未出現(xiàn)干旱，20 世紀(jì)90 年代最強(qiáng)為10.41，20 世紀(jì)80 年代最弱為5；平均干旱強(qiáng)度為0.68，最強(qiáng)出現(xiàn)在1992 年為1.79，最強(qiáng)出現(xiàn)在20 世紀(jì)90 年代為0.91，20 世紀(jì)80 年代最弱為0.49。

2.2 水文干旱時(shí)序演變特征

從圖2 可知，石羊河流域中游年SDI 在波動(dòng)中呈增加趨勢(shì)，變化傾向率為0.035/10 a，未通過(guò)P＜0.05 的顯著性信度水平，無(wú)旱年有7 年。1991 年、1965 年、1962 年和2013 年屬重旱年份，SDI 值分別為-2.19、-1.72、-1.66 和-1.57。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，石羊河流域中游年SDI 變化總體上表現(xiàn)為在波動(dòng)中呈增加趨勢(shì)，但增加幅度很小。

2.3 水文干旱頻率演變特征

從圖3 可知，石羊河流域中游中旱和重旱頻次最高，年、春季、夏季、秋季、冬季的中旱、重旱和特旱發(fā)生頻率之和分別達(dá)75%、72%、74%、72%和72%。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，石羊河流域中游水文干旱發(fā)生的概率很高，年水文干旱發(fā)生的頻率高于四季水文干旱發(fā)生的頻率，四季水文干旱發(fā)生頻率最高的是夏季。

3 結(jié)論

從干旱歷時(shí)、干旱烈度和干旱強(qiáng)度分析，石羊河流域中游干旱歷時(shí)20 世紀(jì)70 年代最長(zhǎng)，20 世紀(jì)60年代最短；干旱烈度和強(qiáng)度都是20 世紀(jì)90 年代最強(qiáng)，最弱出現(xiàn)在20 世紀(jì)80 年代。

從干旱時(shí)序分析，石羊河流域中游年SDI 變化總體上表現(xiàn)為在波動(dòng)中呈增加趨勢(shì)，但增加幅度很小。

從干旱頻率分析，石羊河流域中游水文干旱發(fā)生的概率很高，年水文干旱發(fā)生的頻率高于四季水文干旱發(fā)生的頻率，四季水文干旱發(fā)生頻率最高的是夏季。