大遼河流域灌區(qū)干旱預(yù)警指標探析

李曉軍，劉恩鵬，周 雙，劉鴻濤

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054；3.長春工程學(xué)院，吉林 長春 130021）

1 概述

大遼河由渾河、太子河匯流而成，自匯流處經(jīng)鞍山市、營口市、盤錦市流入大海，匯流處至入?？谌L約97 km，是沿途大中型灌區(qū)的主要地表水源，擔(dān)負兩岸盤錦、營口等6 個縣（區(qū)）約9 萬hm2水田灌溉任務(wù)，流域面積約1 962 km2，地處遼寧省中部沿海地區(qū)。近年來，由于氣候形勢變化，該地區(qū)降水時空分布與水稻生長季匹配性差，在2014—2015 和2017—2019 年，遼寧省中部地區(qū)接連發(fā)生嚴重干旱，對大遼河流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響極大。因此，探求該地區(qū)水田干旱時空分布特征問題具有重要的現(xiàn)實意義，及時有效解決水田干旱應(yīng)急補水，制定科學(xué)有效的水田干旱預(yù)警指標系統(tǒng)尤為重要。

水田干旱指標是旱情監(jiān)測、分析的基礎(chǔ)，是應(yīng)急補水的依據(jù)，該指標的準確性是旱情研究的前提?，F(xiàn)有的GB/T 20481—2006《氣象干旱等級》[1]、SL 424—2008《旱情等級標準》[2]、GB/T 32135—2015《區(qū)域旱情等級》[3]和GB/T 32136—2015《農(nóng)業(yè)干旱等級》[4]等標準分別代表了氣象、水文、農(nóng)業(yè)等方面干旱等級標準，同時也衍生出各自行業(yè)內(nèi)特定干旱指標。農(nóng)業(yè)干旱的描述主要以作物需水量程度狀況、作物冠層溫度情況，以及土壤、大氣各因素共同作用的一類旱情指標；氣象干旱的描述主要以降水量距平百分率、相對濕潤指數(shù)、標準化降水指數(shù)及土壤相對濕度為特征的一類旱情指標；水文干旱主要以水庫蓄水量距平百分率、河道來水量低于一定供水閾值要求及地下水埋深下降值等為特征的一類指標；經(jīng)濟干旱主要以人類社會經(jīng)濟活動所需的水資源量與水資源分配不平衡的一類干旱指標[5]。

水田干旱源出于農(nóng)業(yè)干旱，但又不完全等同于農(nóng)業(yè)干旱[6]。我國農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測多以小麥、玉米為研究對象[7]，氣候?qū)W及農(nóng)業(yè)氣象學(xué)研究的指標包括降水量、降水量距平、相對蒸散量、作物冠層溫度、氣溫差等，這些指標對水田作物旱情定義表述不夠確切,因此不能作為標準的水田干旱指標應(yīng)用實踐。近年來，針對水田干旱指標的研究，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量實驗，建立了一系列包括氣象、土壤墑情、作物生理及其它綜合監(jiān)測指標等[7]。如王明田等利用相對濕潤度指數(shù)對西南地區(qū)水稻季節(jié)性干旱時空分布特征進行了研究；王婷等利用降雨距平百分率和相對濕潤度指數(shù)相結(jié)合的方法對四川水稻干旱風(fēng)險進行了研究[7]。目前，國內(nèi)針對水稻的干旱監(jiān)測較少，因此，本文綜合現(xiàn)有的旱情等級標準，兼顧考慮各類指標，提出大遼河水田干旱預(yù)警指標。該預(yù)警指標為抗旱應(yīng)急補水提供科學(xué)依據(jù)，起到預(yù)估、預(yù)判、預(yù)警作用。根據(jù)氣象干旱等級標準，降水是影響干旱程度的直接因素，降水量距平能夠客觀反映某時段內(nèi)降水與多年同期的偏差程度，加之我國大部分地區(qū)降水觀測站點分布均勻、資料系列長、精度高等特點，因此在干旱分析研究中應(yīng)用較多。參考以上標準，選擇氣象、農(nóng)業(yè)、水文三大類中操作性較強的5 個代表指標建立大遼河流域灌區(qū)旱情預(yù)警指標，即降水距平百分率(Pa)、濕潤指數(shù)距平率(Mp)[8]、標準化降水指數(shù)(SPI)、連續(xù)無雨日、斷水天數(shù)，以此確定大遼河流域灌區(qū)旱情預(yù)警指標。

2 干旱預(yù)警指標

2.1 降水量距平百分率

降水量距平百分率用于表征某時期內(nèi)實際降水量與同期的多年平均降水量的偏差程度，能直觀體現(xiàn)降水變化引起的干旱程度，適用于平均氣溫高于10 ℃的半濕潤、半干旱地區(qū)的旱情監(jiān)測及評估，反映了某時期內(nèi)降水與其多年均值相對多少的定量關(guān)系?？芍庇^反映某時期內(nèi)降水的相對多少，但不能單一作為農(nóng)作物干旱指標應(yīng)用實踐。由于降水量距平百分率指標具有易于理解、便于計算、資料獲得容易、直觀性好等特點，目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際中應(yīng)用較廣。降水量距平百分率計算公式：

式中：Pa表示某時段降水量距平百分率；P表示某時段降水量，mm；Pˉ表示計算時段同期平均降水量，mm。

氣象干旱等級劃分的國家標準中時間尺度為年、季、月（見表1），此次分析了大遼河地區(qū)30 年降水量資料，研究并初步提出該地區(qū)降水量距平百分率旬尺度干旱等級，見表1。

表1 降水量距平百分率干旱等級劃分表

2.2 濕潤指數(shù)距平率[8]

相對濕潤度指數(shù)是表征某時段降水量與作物蒸散量之間平衡的指標之一，而濕潤指數(shù)距平率是反映偏離多年同期平均相對濕潤度指數(shù)值的變化差異程度。此次研究以Mp表示作物田間水分變化狀態(tài)情況。其計算公式：

式中：M表示某時段的相對濕潤度指數(shù)；Ea表示作物實際蒸散量，mm，可根據(jù)作物系數(shù)修正參考作物蒸散量的方法獲得；Mˉ表示某時段多年平均相對濕潤度指數(shù)。當M≥0 或M≥Mˉ，表示該時段降雨量多于多年平均狀態(tài)時，作物不受干旱影響。

張鳳怡[9]等人利用SIMETAW 模型對遼寧主要糧食作物需水及其與降水耦合規(guī)律進行研究。該研究采用遼寧省33 個氣象站點61 年（1957—2017 年）逐日氣象數(shù)據(jù)，計算出日參考作物蒸散量，并根據(jù)遼寧地區(qū)水稻需水相關(guān)試驗，確定了水稻各階段作物系數(shù)(Kc)，最終給出了遼寧省水稻4 個生長階段作物需水量結(jié)果，見表2。

表2 遼寧省水稻各生長階段作物需水量

利用濕潤指數(shù)距平率公式，計算研究區(qū)域內(nèi)各站點1960—2020 年水稻各生長期濕潤指數(shù)距平率，綜合分析研究區(qū)旱情資料并結(jié)合典型干旱發(fā)生年等特點建立水稻干旱等級指標，見表3。

表3 水稻濕潤指數(shù)距平率干旱等級指標

2.3 標準化降水指數(shù)

標準化降水指數(shù)是反映某時段降水量出現(xiàn)概率多少的指標，對于某地區(qū)月尺度以上干旱的監(jiān)測與評估可采用該指標研究，標準化降水指數(shù)干旱等級劃分見表4，計算公式：

表4 標準化降水指數(shù)干旱等級劃分表

式中：Z表示標準化降水指數(shù)值，即SPI；S，t表示降水量為0 時的事件概率相關(guān)參數(shù)；c0，c1，c2，d1，d2，d3為計算公式常量，取值分別為c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

其中

式中：F為降水量為0 時的事件概率。

式中：m為降水量為0 的樣本數(shù)；n為總的樣本數(shù)。當F＞0.5 時，S=1；F≤0.5 時，S=-1。

2.4 連續(xù)無雨日

連續(xù)無雨日數(shù)是指在一定時期內(nèi)連續(xù)無有效降水（日降水量小于5 mm）的天數(shù)。干旱等級劃分見表5。

表5 連續(xù)無有效降雨日數(shù)干旱等級劃分表

2.5 斷水天數(shù)

斷水天數(shù)是指水稻生長期，水田無可見水面持續(xù)的天數(shù)。旱情等級劃分見表6。

表6 斷水天數(shù)干旱等級劃分表

3 干旱指標確定與等級劃分

影響干旱的因素很多，造成干旱的原因也不盡相同，地理位置及氣候差異起到主要因素，因此，難以采用統(tǒng)一的標準來評判干旱情況、確定干旱等級。依據(jù)以上標準，綜合分析大遼河流域地區(qū)氣候、地形、水田耕作特征，提出兼顧降水量距平百分率、濕潤指數(shù)距平率、標準化降水指數(shù)、連續(xù)無雨日、斷水天數(shù)等單項，綜合統(tǒng)籌的方式確定預(yù)警指標及干旱等級。具體為：1）以國標等級劃分數(shù)據(jù)為準，單項指標滿足“輕旱”標準則發(fā)布干旱預(yù)警信息。2）綜合以上5種類型干旱指標，對每項干旱等級進行綜合評價，最終得出平均干旱等級。

4 預(yù)警指標合理性驗證

分析大遼河流域盤錦、營口灌區(qū)2019，2020 年典型干旱年灌溉期防汛抗旱應(yīng)急補水數(shù)據(jù)，以此驗證預(yù)警指標的合理性。盤錦以大洼灌區(qū)為研究目標，選用大洼灌區(qū)16 個雨量站、營口灌區(qū)14 個雨量站1960—2020 年6，7 月各旬數(shù)據(jù)計算區(qū)域平均降水量；采用泰森多邊形法以旬尺度為單位計算該地區(qū)多年平均降水量均值、降水量距平值及濕潤指數(shù)距平率。SPI的計算同樣采用兩個灌區(qū)選用的雨量站1960—2020 年各月降水量數(shù)據(jù)計算。連續(xù)無雨日及斷水天數(shù)采用2019，2020 年兩個典型年6，7 月日降水量數(shù)據(jù)及灌區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。分析成果見表7。

表7 典型干旱年盤錦營口灌區(qū)干旱等級及補水措施

通過分析大遼河流域灌區(qū)典型干旱年2019，2020 年灌溉期5 個代表指標計算成果，并結(jié)合防汛抗旱補水數(shù)據(jù)進行驗證。從表7 可以看出，2019年盤錦、營口地區(qū)灌溉期分別出現(xiàn)輕旱、中旱等級旱情，2020 年兩地均出現(xiàn)中旱等級旱情，時間上與調(diào)度補水相互吻合，調(diào)度補水水量及次數(shù)也進一步驗證了旱情等級上的不同。

5 結(jié)語

綜上所述，以上確定的盤錦、營口地區(qū)灌溉期干旱預(yù)警指標滿足生產(chǎn)實踐要求，結(jié)合典型干旱年數(shù)據(jù)對比分析，能夠準確地對該地區(qū)旱情作出預(yù)警、預(yù)判，對該地區(qū)水田應(yīng)急抗旱補水有重要指導(dǎo)意義。

大遼河流域水田旱情預(yù)警指標的提出，填補了該地區(qū)水田旱情研究的空白，為水田旱情評估提供了依據(jù)。該指標主要以氣象、農(nóng)業(yè)、水文三大類5 個指標為研究基礎(chǔ)，實現(xiàn)了旱情信息的多角度綜合分析。各指標概念明確，考慮因素多，具有廣泛的理論和實用價值。未來將結(jié)合實時雨水情數(shù)據(jù)庫、水文數(shù)據(jù)庫、旱情數(shù)據(jù)庫等，采用跨平臺的開發(fā)語言，開發(fā)旱情實時監(jiān)控預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，以此彌補預(yù)警指標分析時效性的不足，提高預(yù)警指標的自動化分析能力，更好地滿足生產(chǎn)實踐要求。