典型氣候過渡區(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)計有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

隨著全球變暖和高密集人類活動的影響，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。開展流域尺度的旱澇特征分析，對科學(xué)合理評估流域水資源總量，精準(zhǔn)實施“十四五規(guī)劃”提供重要支撐。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對流域干旱和洪澇事件展開了大量研究，并獲得了較滿意的研究結(jié)果。龍瑞昊等[2]以國際河流瀾滄江流域為研究對象，利用Copula方法構(gòu)建干旱歷時和干旱烈度的聯(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、強(qiáng)度的干旱事件時，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)等方法評估了廣西農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險，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，80.3%以上區(qū)域的VCI變化趨勢傾向率為正值。周帥等[5]以干旱、半干旱地區(qū)的黃河流域為研究對象，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，而對流域水文干旱的研究相對較少；同時，隨著氣候變化和高強(qiáng)度人類活動的增強(qiáng)，局地水循環(huán)過程可能發(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為研究對象，分別采用Mann-Kendall突變檢驗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程演變特征，并探究了干旱閾值截斷水平不確定性對流域不同等級干旱評估的影響。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

涇河作為黃河流域第一大支流(渭河)左岸的一級支流，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km2，干流全長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)。流域為典型的溫帶大陸性氣候區(qū)，地處半干旱、半濕潤氣候的過渡區(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)空間分布見圖1。本文所采用的數(shù)據(jù)來源于流域控制站張家山(二站)水文站1961—2013年逐日觀測流量資料。

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突變檢驗方法

Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法簡稱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中[8-10]。其認(rèn)為被檢測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：

假定時間序列{xi}(i=1，2，3，…，n)，通過構(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)

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

(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，反之則代表其呈下降趨勢，當(dāng)其超過置信水平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，該交點(diǎn)即為徑流序列的突變點(diǎn)。

2.2 干旱識別過程

干旱識別過程中的指標(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)和干旱歷時的多變量屬性[5,11]，并設(shè)定截斷水平X0。基于閾值法的干旱識別過程及干旱特征變量定義見圖2。

圖2 基于閾值法的干旱識別過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 游程長度重現(xiàn)期

定義游程長度重現(xiàn)期為：若連續(xù)進(jìn)行T(x)次隨機(jī)試驗，就可能平均出現(xiàn)1次長度不小于x的游程，則T(x)就稱為游程長度不小于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，從M-K突變檢驗結(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，從時間尺度上，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)社會的快速發(fā)展對水量的需求增加，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性和變化性特征

3.2 流域水文干旱的時程變化特征

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程變化分析結(jié)果。由圖4可知，在時間上，流域干濕狀態(tài)呈鋸齒狀的波動變化特征，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程變化特征

3.3 截斷水平不確定性對流域干旱評估的影響

干旱是一種多變量屬性(干旱次數(shù)、干旱歷時和干旱烈度)，游程理論方法是識別干旱多變量屬性的最重要的方法之一。然而，游程理論方法在識別干旱次數(shù)、干旱歷時的過程中，不同的截斷水平(即干旱或者無旱的劃分水平)對流域干旱的評估至關(guān)重要。因此，通過設(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序列中可識別出干旱歷時和干旱次數(shù)。

由圖5涇河流域不同閾值下干旱歷時與理論概率分布的對應(yīng)關(guān)系可以看出，同一閾值下，隨著連續(xù)干旱時間的增加，水文干旱發(fā)生的頻率逐漸降低，每年中發(fā)生連續(xù)一個月干旱的概率為100%，而連續(xù)10個月發(fā)生干旱的概率為0；隨著干旱閾值的減小(從0至0.80)，同一干旱歷時下發(fā)生的概率降低，尤其是連續(xù)2個月干旱事件；總體來說，涇河流域水文干旱的連續(xù)干旱歷時集中于2～3個月，而發(fā)生長歷時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程變化特征，本文將k>-0.40、k>-0.60、k>-0.80和k≤-0.80時的干旱事件分別簡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。不同等級干旱的時程演變特征見圖7。不同等級干旱的時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，驗證了干旱歷時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 不同等級極端干旱事件的時程變化特征

3.4 不同截斷水平下干旱重現(xiàn)期

表1 不同截斷水平下干旱重現(xiàn)期的統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié) 論

本文以地處半干旱、半濕潤氣候區(qū)的涇河流域為研究對象，基于流域控制站張家山水文站1961—2013年長序列水文資料，首先采用多元回歸、Mann-Kendall方法對流域?qū)崪y水文序列進(jìn)行趨勢性和突變性診斷；其次，基于降水量距平百分率，采用游程理論方法定量評估涇河流域干旱的時程演變特征，并探究截斷水平不確定性對干旱次數(shù)、干旱歷時以及干旱重現(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.時程上，流域干濕狀態(tài)呈“鋸齒狀”的波動變化特征，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流域干旱特征的評估產(chǎn)生重要影響，閾值大，干旱次數(shù)和干旱歷時較小，閾值小，干旱次數(shù)和干旱歷時較大，且對干旱重現(xiàn)期的影響尤為突出。

d.水文干旱閾值對干旱歷時較短時的影響較小，而對干旱歷時較長時的影響較大。

總體來說，通過本文的研究可以很好地識別出典型氣候過渡區(qū)水文干旱的時程演變規(guī)律，并診斷出干旱閾值選擇不確定性對水文干旱評估的影響；該研究僅針對氣候過渡區(qū)，未來將分別在干旱區(qū)、半干旱區(qū)、半濕潤區(qū)和濕潤期進(jìn)行對比研究，以此佐證本研究的重要性。