海河流域近20年氣象干旱和水資源形勢研究

周根富，解文靜

（1.江蘇省水利防汛物資儲備中心，江蘇 南京 210029；2.水利部海河水利委員會，天津 300170）

干旱是頻繁出現(xiàn)的自然災(zāi)害，影響范圍廣，造成的損失重，海河流域是我國旱災(zāi)頻發(fā)流域，素有“十年九旱”之稱。一些研究[1-3]表明，近60年來，海河流域年平均氣溫總體上升趨勢明顯，大部分地區(qū)溫差逐年縮小，多處降水量減少，氣候向暖干化方向發(fā)展。海河流域干旱情況和水資源態(tài)勢成為高度關(guān)注的熱點。嚴(yán)登華等[4]研究了1961年以來海河流域干旱時空變化特征，發(fā)現(xiàn)海河流域年降水量呈現(xiàn)出顯著減少的趨勢，流域干旱形勢愈發(fā)嚴(yán)峻。丁相毅等[5]利用WEP-L模擬了海河流域未來30年（2021—2050年）降水、蒸發(fā)、徑流等主要水循環(huán)要素的變化規(guī)律，研究結(jié)果表明，流域未來干旱情況更趨嚴(yán)重，水資源管理將面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

流域干旱頻發(fā)和水資源短缺的現(xiàn)狀，與人口和耕地分布、生產(chǎn)力布局等極不匹配，水問題成為需要密切關(guān)注的問題。進(jìn)入21世紀(jì)，海河流域經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展，干旱的危害和水資源短缺的制約作用越來越明顯。因此，評估近年來流域干旱情況和發(fā)生干旱時水資源面臨的形勢，具有十分重要的現(xiàn)實需求。

干旱類型通常分為氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱和經(jīng)濟(jì)社會干旱。其中氣象干旱是影響最直接的干旱，也是其他類型干旱發(fā)生的主要原因。干旱監(jiān)測指數(shù)的研究，經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程，目前判別氣象干旱的方法較多，諸如Palmer指數(shù)、Z指數(shù)、SPI指數(shù)等均廣泛應(yīng)用[6]。鑒于干旱自身的復(fù)雜性，在不同地區(qū)有其獨有的特征，各地還根據(jù)本地的特點，研究出了不同的干旱指數(shù)。例如，廣東省根據(jù)土壤有效含水量研制的干旱指數(shù)、甘肅省基于降水和蒸發(fā)研制的K干旱指數(shù)，在當(dāng)?shù)囟嫉玫搅撕芎玫膽?yīng)用。在表征氣象干旱的指數(shù)中，SPI指數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，反映一個時段內(nèi)降水量出現(xiàn)的概率多少，適用于月以上時間尺度與當(dāng)?shù)貧庀笄闆r相比較的干旱評估。SPI指數(shù)具有多時間尺度特性，其中12個月SPI指數(shù)表征長期干旱情況，可以反映水文學(xué)和包括地下水、徑流量和水庫蓄水量變化在內(nèi)的水資源供給側(cè)引起的干旱[7]，且SPI可以很好地反映海河流域的干旱變化特征[8]。

本文采用Mann-Kendall檢驗方法，對2000—2019年海河流域降水量和水資源量的變化趨勢進(jìn)行分析，采用SPI指數(shù)[9]對氣象干旱總體情況進(jìn)行識別，并對干旱情況下流域水資源所受影響進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的應(yīng)對措施。

1 研究區(qū)概況

海河流域?qū)儆诎敫珊怠霛駶櫆貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均年降水量535 mm（1956—2000年系列），時空分布不均，夏季暴雨集中，冬春雨雪稀少，具有春旱、秋澇、晚秋又旱的特點。局部干旱災(zāi)害易發(fā)多發(fā)，存在連續(xù)豐枯的變化規(guī)律。

海河流域多年來平均水資源總量370億 m3（1956—2000年系列），人均水資源量不足240 m3，人多水少矛盾非常突出。20世紀(jì)80年代以來，流域水資源開發(fā)利用程度一直處于較高狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計，1980—2016年，當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用程度高達(dá)106%，嚴(yán)重超出了水資源承載力，水資源供需形勢日益嚴(yán)峻。干旱發(fā)生時，經(jīng)常采取應(yīng)急調(diào)水、加大地下水供水量、啟用備用水源等應(yīng)急措施應(yīng)對水資源短缺，甚至被迫限制用水，對生活、生產(chǎn)造成了極大影響。

2 方法和數(shù)據(jù)

2.1 趨勢性分析——Mann-Kendall檢驗方法

在諸多時間序列趨勢分析方法中，Mann-Kendall檢驗法是世界氣象組織推薦的非參數(shù)檢驗方法，適用于水文、氣象等隨機(jī)分布數(shù)據(jù)的趨勢性檢驗，在我國普遍應(yīng)用。在該方法中，原假設(shè)X0=(x1，x2，…，xn)是n個獨立的隨機(jī)變量，其備擇假設(shè)為雙邊檢驗，檢驗的統(tǒng)計變量S計算方法如下。

當(dāng)n＞8時，實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計量S服從正態(tài)分布，其均值E（S）和方差VAR（S）為：

標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計變量Z為：

Z大于0時序列數(shù)據(jù)呈上升趨勢，反之呈下降趨勢。在雙邊的趨勢檢驗中，在給定的α置信水平上，如果Z的絕對值大于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的統(tǒng)計量Z1-α/2，則可判定序列數(shù)據(jù)存在顯著的上升或下降趨勢，反之則趨勢性不顯著。本文置信水平取95%。

2.2 氣象干旱識別——SPI指數(shù)法

SPI指數(shù)法采用Γ分布描述降水量的變化，在計算出降水量的Γ分布概率后再進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終用標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布劃分干旱等級。假定某時段降水量x的概率密度函數(shù)為：

式中，β和γ分別為尺度和形狀參數(shù)，均為正值，采用極大似然估計方法計算。

對于某一年的降水量xi，采用數(shù)值積分計算降水量x小于xi事件的概率F（x＜xi）：

對Γ分布概率正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，近似求解SPI指數(shù)：

式中，c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。當(dāng)F（x＜xi)＞0.5時，F(xiàn)(x＜xi） 值 取 1.0-F（x＜xi），S=1； 否 則，S=-1。

年降水量采用2000—2019年海河流域水資源公報中統(tǒng)計的流域年降水量數(shù)據(jù)。各年氣象干旱等級按照《氣象干旱等級》標(biāo)準(zhǔn)[9]判定為：SPI＞-0.5時，干旱等級為1級，類型為無旱；-1.0＜SPI≤-0.5時，干旱等級為2級，類型為輕旱；-1.5＜SPI≤-1.0時，干旱等級為3級，類型為中旱；-2.0＜SPI≤-1.5時，干旱等級為4級，類型為重旱；SPI≤-2.0時，干旱等級為5級，類型為特旱。

2.3 水資源情況分析

分析干旱年度流域水資源總量、地表水資源量、地下水資源量與多年平均水平相比的情況，以及降水形成水資源比例的情況，在此基礎(chǔ)上分析氣象干旱對流域水資源條件的影響。水資源總量、地表水資源量、地下水資源量、降雨形成水資源的比例以及多年平均值等數(shù)據(jù)采用2000—2019年海河流域水資源公報中的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析

3.1 降水量和水資源量的趨勢性分析

置信水平95%下的統(tǒng)計量Z1-α/2為1.96。海河流域近20年來降水量時間序列計算得到的統(tǒng)計變量Z值為1.14，表明近20年來流域降水量具有上升趨勢。但該統(tǒng)計變量小于置信水平95%下的統(tǒng)計量Z1-α/2（1.96），說明降水量的上升趨勢不明顯。而水資源量總量、地表水資源量、地下水資源量時間序列計算得到的統(tǒng)計變量Z值分別為1.36、1.59、1.13，表明近20年來流域水資源總量、地表水資源量、地下水資源量具有上升趨勢。與降水量類似，水資源總量、地表水資源量和地下水資源量的統(tǒng)計變量小于Z1-α/2，說明三者的上升趨勢不明顯。

3.2 氣象干旱情況分析

流域近20年來的氣象干旱指標(biāo)計算結(jié)果見表1。

表1 海河流域2000—2019年的年尺度氣象干旱情況

出現(xiàn)干旱的年份為2001、2002、2006、2014年，共4年，出現(xiàn)的頻率為20%，平均每5年發(fā)生一次流域總體性氣象干旱。因此，流域總體性氣象干旱發(fā)生的概率較大，干旱形勢較為緊張。發(fā)生氣象干旱的4年中，2001、2006、2014年的干旱等級為2級，輕旱。2002年干旱等級為3，中旱，且為緊隨2001年發(fā)生的干旱。因此，20年中海河流域發(fā)生氣象干旱類型以輕旱為主，同時出現(xiàn)了時間上連續(xù)、干旱程度較重的情況。流域干旱情況需要引起高度重視。

3.3 氣象干旱對水資源狀況的影響

降水量是影響海河流域水資源條件的關(guān)鍵因素。海河流域發(fā)生氣象干旱年度里的水資源總量、地表水資源量、地下水資源量距平百分率如表2所示。

表2 海河流域氣象干旱年度水資源情況 單位：%

在氣象干旱年份，流域水資源總量較多年平均水平明顯減少，減少幅度在40%以上；中旱年份的2002年減少幅度更大，為57.27%。地表水資源量的減少更為明顯，減少幅度在50%以上，中旱年份的2002年減少幅度高達(dá)70.71%。相對于地表水資源量而言，地下水資源量的減少幅度相對較小，但仍在18%以上，中旱年份的2002年減少幅度更為明顯，為37.74%。

20年海河流域降水形成水資源的比例情況如圖1所示。

圖1 20年海河流域降水形成水資源的比例

發(fā)生氣象干旱時，降水形成水資源的比例明顯下降，從正常年份的16%～22%下降至15%左右，其中在中旱年份的2002年，僅為12%。由此可見，氣象干旱對水資源形成的過程產(chǎn)生了比較明顯的影響，消耗于蒸騰蒸發(fā)的降水量明顯增加。

3.4 對策措施

以上分析表明，氣象干旱對于海河流域水資源的影響十分明顯，需要制定應(yīng)對措施，防范水資源短缺造成的影響，重點做好以下工作。一是提高降水預(yù)報精度，特別是中長期降水預(yù)報精度，超前防范氣象干旱對水資源造成的影響。二是開展降雨產(chǎn)流機(jī)理分析，科學(xué)預(yù)判水資源變化，提前合理配置地表水和地下水資源利用量，盡量降低由于氣象干旱導(dǎo)致的水資源短缺帶來的損失。三是建立統(tǒng)一的外調(diào)水、當(dāng)?shù)厮Y源調(diào)配體系，形成資源互補(bǔ)格局，降低因水資源短缺造成的經(jīng)濟(jì)損失。四是鑒于海河流域降水集中在汛期的特點，開展雨洪資源化工作，把洪水當(dāng)作水資源，通過科學(xué)的洪水調(diào)度，增大雨洪資源轉(zhuǎn)化率。五是制定應(yīng)急方案，特別是干旱年份水資源供給的應(yīng)急措施，遇干旱年份及早謀劃調(diào)水抗旱。

4 結(jié)語

盡管20年來海河流域降水量總體呈不顯著的上升趨勢，但流域發(fā)生氣象干旱的頻率仍較高，類型以輕旱為主，且有連續(xù)干旱的情況發(fā)生。氣象干旱對流域水資源的影響較為明顯，特別是對地表水的影響更為顯著，海河流域應(yīng)對干旱的形勢十分嚴(yán)峻。

本文對海河流域干旱的分析是在年尺度和流域總體的空間尺度上進(jìn)行的，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等影響較為明顯的季尺度和干旱空間分布的分析有待進(jìn)一步探討。但從流域整體的角度來看，海河流域需要加強(qiáng)水資源綜合管理，逐步建立適應(yīng)氣象干旱的管理體系，以應(yīng)對頻繁發(fā)生的干旱和由此帶來的水資源問題。