基于SRI指數(shù)的嘉陵江流域1982-2020年旱澇急轉(zhuǎn)特征分析研究

摘 要：以嘉陵江流域?yàn)檠芯繉ο?，基于北碚水文?982-2020年月尺度徑流數(shù)據(jù)，計(jì)算不同時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)（SRI），采用游程理論分析嘉陵江流域的旱澇急轉(zhuǎn)事件特征，并結(jié)合Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法分析標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)變化趨勢.研究結(jié)果表明：嘉陵江流域1982-2009年洪澇化趨勢先減弱后增強(qiáng)，2010-2020年呈現(xiàn)短期增強(qiáng)趨勢后又減弱.嘉陵江流域1982-2020年的1、5、6、8、11和12月份呈現(xiàn)不明顯的干旱化減弱趨勢；7、9和10月份干旱化趨勢增強(qiáng)，2、3和4月份干旱化趨勢顯著減弱.北碚水文站旱澇急轉(zhuǎn)事件共發(fā)生39次，旱轉(zhuǎn)澇事件急轉(zhuǎn)點(diǎn)集中在4月份，對應(yīng)旱澇事件的強(qiáng)度也較高.旱澇急轉(zhuǎn)事件近40年發(fā)生頻率逐步升高，并呈現(xiàn)逐步加重的趨勢，應(yīng)引起足夠的重視.

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù);嘉陵江流域;旱澇急轉(zhuǎn);Mann-Kendall檢驗(yàn)法

中圖分類號(hào)：P333;TV121 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1000-2367（2025）03-0042-08

近年來，由于全球氣候變化和人類活動(dòng)的影響，極端天氣增多，干旱與洪澇等重大災(zāi)害頻發(fā)，造成了極其嚴(yán)重的損失^［1-2］.數(shù)據(jù)顯示，1950-2000年的5項(xiàng)氣候?yàn)?zāi)害（干旱、洪澇、臺(tái)風(fēng)、凍害、干熱風(fēng)）中，干旱災(zāi)害發(fā)生頻次為各項(xiàng)災(zāi)害之首，洪澇災(zāi)害僅居其次^［3］.我國每年干旱和洪澇造成農(nóng)作物受災(zāi)面積約占農(nóng)作物總受災(zāi)面積的77%，平均2～3年我國就會(huì)遭遇一次嚴(yán)重的干旱災(zāi)害^［4］.研究表明，旱澇急轉(zhuǎn)（drought-flood abrupt alternation，DFAA）事件^［5］對自然環(huán)境及人類社會(huì)造成的影響遠(yuǎn)大于單一的干旱或者洪水事件^［6-7］.

從20世紀(jì)90年代開始，旱澇異常的研究開始成為國內(nèi)外廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題，而旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象是旱澇異常的典型代表^［8］，在中國華南、長江流域及西南等地區(qū)時(shí)常發(fā)生^［9-10］.楊家偉等^［6］采用標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)平均降雨（standardized weighted average precipitation，SWAP）指數(shù)對長江流域旱澇急轉(zhuǎn)時(shí)空規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明長江流域旱澇急轉(zhuǎn)事件發(fā)生頻率呈不同程度的上升趨勢；閃麗潔等^［11］通過長期徑流旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)（long term runoff drought-flood abrupt alternation index，LRDFAI）和短期徑流旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)（short term runoff drought-flood abrupt alternation index，SRDFI）分析長江中下游旱澇急轉(zhuǎn)時(shí)空演變特征，發(fā)現(xiàn)長江中下游旱澇急轉(zhuǎn)主要表現(xiàn)為以澇轉(zhuǎn)旱事件為主;文獻(xiàn)［12-14］分別對漢江流域、洞庭湖流域和鄱陽湖流域開展了旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象的趨勢變化特征研究.然而，對于長江流域旱澇演變研究還主要集中在長江中下游地區(qū)，關(guān)于長江上游流域旱澇演變特征的研究較少.嘉陵江是長江水系中流域面積最大的支流，流域內(nèi)水資源與氣象要素的時(shí)空變化對下游三峽庫區(qū)水資源配置和持續(xù)利用具有重要的作用.此外，嘉陵江水量表現(xiàn)出夏季水量大冬季水量少的特點(diǎn)，由于降水集中，經(jīng)常發(fā)生洪澇和干旱災(zāi)害，歷史上嘉陵江流域曾發(fā)生過多次洪水和斷流事件^［15］.旱澇事件的發(fā)生不僅會(huì)使得嘉陵江農(nóng)業(yè)供水緊張，甚至工業(yè)及城市用水都會(huì)受到重大影響^［16］.因此，開展嘉陵江流域旱澇演變特征研究具有非常重要的意義.

水文干旱指數(shù)是研究旱澇變化特征的基礎(chǔ)，也是科學(xué)評估風(fēng)險(xiǎn)的重要依據(jù)^［17］.標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)（standardized runoff index，SRI）^［9］適用于多時(shí)間尺度分析（1、3、6、12月等），以及資料缺乏、地形復(fù)雜的區(qū)域，能夠綜合反映水文和氣象過程.目前在國內(nèi)外水文旱澇識(shí)別研究中應(yīng)用較多^［18-20］，而從SRI的角度來識(shí)別長江流域旱澇急轉(zhuǎn)特征的研究相對比較缺乏.鑒于此，本文選取嘉陵江為研究對象，基于SRI深入分析嘉陵江流域旱澇急轉(zhuǎn)時(shí)空演變規(guī)律，從而有效地為流域水資源管理和防洪抗旱提供參考依據(jù).

1 研究區(qū)概況

嘉陵江是長江水系中流域面積最大的支流，達(dá)16萬km²，于重慶渝中區(qū)朝天門匯入長江主河道，被譽(yù)為重慶的“母親河”.嘉陵江的徑流變化對流域內(nèi)的自然生態(tài)環(huán)境以及沿江地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著深刻的影響.嘉陵江流域四季分明，夏季溫度在33 ℃左右，降水較為充沛，全年平均降雨量400 mm左右.嘉陵江流域受季風(fēng)氣候影響較為顯著，降水集中.此外，嘉陵江流經(jīng)四川，是川渝經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，該流域內(nèi)主要以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主.

2 數(shù)據(jù)來源

本文研究資料采用嘉陵江流域北碚水文站（29°50′N，106°26′E）1982-2020年月尺度徑流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于長江水文網(wǎng)（http：//www.cjh.com.cn/hlns_zyyjcg.html ）的長江水文公報(bào).

3 研究方法

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)

本文通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)值進(jìn)行嘉陵江流域旱澇識(shí)別，MCKEE等^［21］提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（standardized precipitation index，SPI）的定義，即利用伽馬概率密度函數(shù)求一定時(shí)間內(nèi)降水量累計(jì)概率，SHUKLA等^［22］于2008年參照這一概念提出了標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)SRI，兩個(gè)指標(biāo)的計(jì)算方法類似，反映徑流量的變化.

SRI計(jì)算方法如下：假設(shè)某一確定時(shí)間段河流的徑流量x，則滿足伽馬分布概率密度函數(shù)為：

f（x）=∫^x₀（x^α-1/β^αΓ（α））e^-（x/β）dx，

式中，α、β為參數(shù)，α＞0、β＞0，用極大似然法對α、β進(jìn)行估算.

一定時(shí)間尺度的徑流量x的累計(jì)率為：

F（x）=∫^x₀f（x）dx.

對各項(xiàng)的累計(jì)概率進(jìn)行正標(biāo)準(zhǔn)化得相應(yīng)的SRI：

當(dāng)0＜F（x）≤0.5時(shí)，令k=ln［（1/F（x）²）］，則SRI=-（k-（c₀-c₁k+c₂k²/1+d₁k+d₂k²+d₃k³））;

當(dāng)0.5＜F（x）≤1時(shí)，令k=ln（1/［1-F（x）］²），則SRI=k-（c₀+c₁k+c₂k²/1+d₁k+d₂k²+d₃k³），其中，c₀=2.515 517；c₁=0.802 853；c₂=0.010 328；d₁=1.432 788；d₂=0.189 269；d₃=0.001 308.

計(jì)算SRI分析嘉陵江流域的旱澇演變特征，1月尺度的SRI反映流域短時(shí)間的旱澇狀況，12月尺度的SRI反映流域內(nèi)長時(shí)間旱澇的演變特征.此外，本文的旱澇等級確定參考國家標(biāo)準(zhǔn)《氣象干旱等級》（GB/T 20481-2006）^［23］，見表1.

3.2 游程理論

游程理論^［24］是一種分析時(shí)間序列的方法，是量化旱澇變量變化的理論規(guī)律的基礎(chǔ)，根據(jù)游程理論三閾值方法^［25］識(shí)別描述嘉陵江流域干旱和洪澇事件.

在進(jìn)行旱澇分析時(shí)，基于我國氣象干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，并參考WU等^［26］有關(guān)研究，確定旱澇事件的劃分閾值.本研究取干旱事件的截取水平R₀為-0.5（輕旱），當(dāng)SRI在某月開始小于-0.5，定義為一次干旱事件發(fā)生，到SRI值大于0.5，定義為此次干旱事件結(jié)束.從干旱開始到干旱結(jié)束的這段時(shí)間間隔定義為干旱事件的持續(xù)時(shí)間.干旱持續(xù)時(shí)間內(nèi)如果兩次干旱事件之間有1月的SRI值大于-0.5而小于0，則這兩次干旱可合并為一次干旱.

干旱烈度S′定義為一次干旱事件中各指標(biāo)值與游程理論確定后的干旱閾值（R₀）差的累計(jì)和，由于其為負(fù)數(shù)，故一般取其絕對值.公式如下：

S′=∑^T_t=1|SRI_t| （SRI_t≤-0.5），

式中，t為某次干旱（即SRI≤-0.5）開始的時(shí)刻，t=1;T為本次干旱結(jié)束的時(shí)刻.

干旱強(qiáng)度指的是一次干旱事件中的平均缺水量，計(jì)算方式為某次干旱事件中干旱烈度與干旱歷時(shí)的比值.

類似地，取洪澇事件的截取水平R₀為0.5，洪澇過程識(shí)別與干旱過程識(shí)別同理.

當(dāng)先后存在1個(gè)干旱和洪澇事件，且兩者之間的時(shí)間間隔小于或等于1月，定義為一次水文旱澇急轉(zhuǎn)事件，其中，一次旱澇急轉(zhuǎn)事件的起始時(shí)間是這次干旱事件的發(fā)生時(shí)間，結(jié)束時(shí)間是洪澇事件的結(jié)束時(shí)間，時(shí)段T內(nèi)發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)事件強(qiáng)度記為K，表2為旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)^［12］.

3.3 Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法

Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法^［27］，目前得到廣泛應(yīng)用的趨勢性非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法.具體計(jì)算過程如下：假定x為時(shí)間序列變量，n為時(shí)間序列長度.

S=∑ⁿ_i=2∑^i-1_j=1sign（x₀），

式中，S為符號(hào)函數(shù)，當(dāng)x₀小于、等于或大于0時(shí)，符號(hào)S等于-1，0和1.

var（S）=（n（n-1）（2n-5）/18），

式中，n為數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值Z計(jì)算式為：Z=（（S-1）/var（S）），S＞0;Z=0，S=0;Z=（（S+1）/var（S）），S＜0，若計(jì)算的絕對Z統(tǒng)計(jì)量大于正態(tài)分布表中Z統(tǒng)計(jì)量（1.65、1.96）的臨界值，則表示趨勢通過了90%和95%的顯著和強(qiáng)顯著水平.

衡量趨勢大小的指標(biāo)為β=M（（x_i-x_j/i-j）），式中，1＜j＜i＜n（數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)），M代表求序列的中位數(shù).正的β值表示“上升趨勢”，負(fù)的β值表示“下降趨勢”.

4 結(jié)果分析

4.1 流域旱澇年際變化趨勢特征分析

為更好地分析水文干旱趨勢和突變特征，選取1982-2020年嘉陵江流域北碚水文站的徑流深數(shù)據(jù)，時(shí)間尺度分別設(shè)定為月尺度（1月）、年尺度（12月）兩種時(shí)間尺度，可以較好地識(shí)別流域內(nèi)短期和長期的旱澇狀況.如圖2（a），2（b）別為月尺度和年尺度的SRI序列變化趨勢圖.

不同時(shí)間尺度下的SRI波動(dòng)幅度不同，但干旱趨勢大致相同.月尺度的SRI波動(dòng)較強(qiáng)，表現(xiàn)出對水文干旱的強(qiáng)烈反應(yīng).在月尺度的SRI序列中，達(dá)到特旱水平的是1987年3月、1997年8至9月、1998年1月、2002年10月、2003年1月、2006年7月.分析年尺度SRI可得：嘉陵江流域在1982-2020年呈現(xiàn)旱澇交替現(xiàn)象，但干旱年份居多；1982-2009年洪澇化趨勢先減弱后增強(qiáng)，2010年后洪澇化趨勢呈短期增強(qiáng)趨勢后又減弱；此外，1992-2008年、2014-2017年嘉陵江流域干旱化趨勢明顯，旱災(zāi)較為嚴(yán)重；2009-2013年、2018-2020年SRI為正值，澇災(zāi)嚴(yán)重.

通過Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)對1982-2020年嘉陵江流域北碚水文站月尺度和年尺度的SRI序列進(jìn)行趨勢檢驗(yàn).結(jié)果如表3所示.

從年尺度的SRI序列來看，統(tǒng)計(jì)量β值小于0，且Z值絕對值0.169 4小于1.65，表明干旱化呈不顯著增強(qiáng)的趨勢；2、3和4月份北碚水文站Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值通過了顯著性檢驗(yàn)，發(fā)生的顯著變化趨勢是上升趨勢，表明干旱化趨勢均減弱；7、9和10月份呈現(xiàn)顯著下降趨勢，表明洪澇化趨勢減弱，干旱化趨勢增強(qiáng)；1、5、6、8、11和12月份呈現(xiàn)不明顯的干旱化減弱趨勢.

4.2 流域不同年代旱澇年際變化特征分析

根據(jù)上文計(jì)算得出的SRI，進(jìn)一步識(shí)別嘉陵江北碚水文站的旱澇事件，將1982-2020年按年代劃分并分別統(tǒng)計(jì)北碚水文站發(fā)生旱澇事件的次數(shù)、歷時(shí)和烈度以及發(fā)生旱澇事件最大歷時(shí)和最大烈度，見表4.

由表4 可知，20世紀(jì)80年代澇災(zāi)發(fā)生程度和歷時(shí)總體比旱災(zāi)高，整體偏澇；20世紀(jì)90年代，北碚水文站發(fā)生干旱事件的次數(shù)增加，平均歷時(shí)、平均烈度、最長歷時(shí)、最大烈度增大；21世紀(jì)00年代干旱事件發(fā)生頻次進(jìn)一步增多，但平均歷時(shí)、平均烈度、最長歷時(shí)和最大烈度均減少；21世紀(jì)10年代干旱平均歷時(shí)、平均烈度、最長歷時(shí)和最大烈度減小.

20世紀(jì)90年代和20世紀(jì)80年代相比，北碚水文站洪澇事件發(fā)生次數(shù)不變，洪澇程度減輕，總體上洪澇化趨勢減弱；21世紀(jì)00年代到21世紀(jì)10年代洪澇事件的發(fā)生次數(shù)和平均歷時(shí)、平均烈度、最長洪澇歷時(shí)和最大烈度增加，表明洪澇事件頻繁，且洪澇事件程度加重.20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)10年代洪澇事件發(fā)生的頻率和程度高于干旱事件，而20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)00年代干旱事件的平均歷時(shí)、平均烈度和最長歷時(shí)都高于洪澇事件.

4.3 流域旱澇急轉(zhuǎn)事件演變特征分析

表5統(tǒng)計(jì)了嘉陵江流域北碚水文站旱澇急轉(zhuǎn)事件特征，包括急轉(zhuǎn)事件的起始和終止時(shí)間，強(qiáng)度和急轉(zhuǎn)點(diǎn)月份.北碚水文站旱澇急轉(zhuǎn)事件共發(fā)生39次.旱澇急轉(zhuǎn)次數(shù)最多的是21世紀(jì)10年代，旱澇急轉(zhuǎn)事件發(fā)生14次，20世紀(jì)90年代旱澇急轉(zhuǎn)事件發(fā)生次數(shù)最少，為6次.21世紀(jì)以來，旱澇急轉(zhuǎn)事件發(fā)生次數(shù)明顯增多.

圖3給出了嘉陵江流域各月旱澇急轉(zhuǎn)頻次和強(qiáng)度的變化，由圖3可知，嘉陵江流域旱澇急轉(zhuǎn)多發(fā)生在5月份，這是因?yàn)榧瘟杲饔虼杭据^為干旱，夏季突發(fā)降水容易造成旱澇急轉(zhuǎn).旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在4月份，該時(shí)段對應(yīng)的旱澇急轉(zhuǎn)頻次也較多，因此發(fā)生洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)比較大.嘉陵江流域的旱澇急轉(zhuǎn)事件主要發(fā)生在5、6、8和9月份，且時(shí)段內(nèi)旱澇急轉(zhuǎn)事件的強(qiáng)度也較高.同時(shí)，旱轉(zhuǎn)澇近40年發(fā)生頻率依次升高，并且旱澇急轉(zhuǎn)事件的強(qiáng)度也呈升高的趨勢，應(yīng)予以足夠重視.

5 結(jié)論與討論

本文采用嘉陵江流域北碚水文站1982-2020年的徑流深數(shù)據(jù)，計(jì)算不同尺度的標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)，采用游程理論定義旱澇事件，并根據(jù)旱澇急轉(zhuǎn)條件篩選出旱澇急轉(zhuǎn)事件，計(jì)算發(fā)生頻次和烈度，得出主要結(jié)論如下：

（1）嘉陵江流域1982-2009年洪澇化趨勢先減弱后增強(qiáng)，2010-2020年洪澇化趨勢呈短期的增強(qiáng)趨勢后又減弱.近20年來流域內(nèi)洪澇事件發(fā)生愈加頻繁，且場次洪澇程度依次加重，并且呈現(xiàn)出洪澇極端化趨勢.

（2）嘉陵江流域1982-2020年的1、5、6、8、11和12月份呈現(xiàn)不明顯的干旱化減弱趨勢；7、9和10月份干旱化趨勢增強(qiáng)，2、3和4月份干旱化趨勢顯著減弱.

（3）嘉陵江北碚水文站旱澇急轉(zhuǎn)事件共發(fā)生39次，旱轉(zhuǎn)澇事件急轉(zhuǎn)點(diǎn)均集中在4月份，對應(yīng)旱澇事件的強(qiáng)度也較高.旱澇急轉(zhuǎn)事件近40年發(fā)生頻率依次升高，并伴有逐步加重的趨勢，應(yīng)予以足夠重視.

雖然本研究采用SRI指數(shù)和游程理論識(shí)別了嘉陵江流域1982-2020年旱澇事件特征以及旱澇急轉(zhuǎn)事件演變規(guī)律，但仍有所不足，有待繼續(xù)研究和完善.

（1）本文計(jì)算了嘉陵江流域北碚水文站1982-2020年不同尺度的標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)值，分析嘉陵江流域旱澇事件演變特征以及變化規(guī)律.但僅選用標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)指標(biāo)對研究區(qū)旱澇狀況進(jìn)行討論，不能對流域存在多種旱澇類型的情況進(jìn)行分析，因此，未來的研究工作可以利用更多指標(biāo)參數(shù)如標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）、標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)平均降雨（SWAP）指數(shù)等分別對氣象旱澇和水文旱澇進(jìn)行研究.

（2）本研究僅采用位于嘉陵江下游北碚水文站1982-2020年的徑流數(shù)據(jù)計(jì)算多時(shí)間尺度SRI值，分析其水文旱澇狀況.但隨著氣候變化加劇，洪澇、干旱等自然災(zāi)害頻發(fā)，嘉陵江流域發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)事件的無常性大大增加，同一條河流的不同站點(diǎn)旱澇急轉(zhuǎn)事件特征會(huì)有很大的差異，因此未來的研究工作可以著重分析嘉陵江多個(gè)水文站點(diǎn)如亭子口和武勝站的旱澇急轉(zhuǎn)事件的空間演變規(guī)律.

（3）氣象旱澇和水文旱澇往往有密切的聯(lián)系：降水的虧缺和盈余會(huì)導(dǎo)致氣象旱澇，而地表水與地下水的虧缺和盈余會(huì)引起水文旱澇，氣象旱澇往往會(huì)造成水文旱澇.后續(xù)研究中，可以嘗試準(zhǔn)確描述嘉陵江流域氣象旱澇和水文旱澇的關(guān)系，以便在氣象旱澇事件發(fā)生初期，及時(shí)采取應(yīng)對措施，減輕水文旱澇造成的災(zāi)害等級.

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Analysis on the characteristics of drought-flood abrupt alternation

in the Jialing River Basin from 1982 to 2020 based on SRIXu Jingwen^1，2， Ji Guangxing¹， Zhang Yali¹

（1. College of Resources and Environment， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， China;

2. Xinjiang Institute of Ecology and Geography， Chinese Academy of Sciences， Urumqi 830011， China）

Abstract： Basing on the monthly runoff data of Beibei hydrological station in the Jialing River Basin from 1982 to 2020， we calculate the different time scales of standardized runoff index（SRI）. Using the run-time theory to analyze the drought-flood abrupt alternation characteristic and utilizing Mann-Kendall test to analyze the trend of SRI change in the Jialing River Basin. The results show that：During 1982 to 2009， the trend of flooding in the basin weakened first and then increased， from 2010 to 2020， the trend of flooding increased for a short period and then decreased again. From 1982 to 2020， there was an insignificant weakening trend of drought in January， May， June， August， November and December. The trend of drying increased in July， September and October， and decreased significantly in February， March and April. A total of 39 times of drought-flood abrupt alternation events were identified at the Beibei hydrological station of the Jialing River Basin. The abrupt alternation points of drought-flood abrupt alternation events were concentrated in April and the intensity of drought-flood events was also high. The frequency of drought-flood abrupt alternation events in" near 40 years has gradually increased， and shows a trend of gradual aggravation， which should be given sufficient attention.

Keywords： standardized runoff index; Jialing River Basin; drought-flood abrupt alternation; Mann-Kendall test

［責(zé)任編校 趙曉華 劉洋］