基于标准化径流指数的区域水文干旱指数构建与识别-吴杰峰.pdf

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1、34卷第3期282289页2016年5月山地学报MoUNTAIN RESEARCHV0134，No3 pp282289May，2016文章编号：11082786一(2016)328208DO!：1016089jenki10082786000129基于标准化径流指数的区域水文干旱指数构建与识别吴杰峰1，陈兴伟123+，高路12，林志东1(1福建师范大学地理科学学院，福建福州350007；2福建省陆地灾害监测评估工程技术研究中心，福建福州350007；3湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福建福州350007)摘要：为了进一步探讨应用标准化径流指数(Standardized Runoff I

2、ndex，SRI)，进行水文干旱识别时存在的干旱等级划分及其临界值如何确定问题，构建了新的区域水文干旱指数，并应用于典型区水文干旱识别。即以东南沿海晋江流域为研究区，利用该流域2个水文站和3个气象站1960-2006年逐月径流和降水数据，结合径流距平百分比和降水距平百分比，构建了区域水文干旱指数SHI(Standardized Hydrology Index)，获得了相应的干旱等级发生频率，进而以SHI累计频率确定了区域水文干旱指数SHI各干旱等级临界值。结果表明，基于SRI和区域水文干旱指数SHI，可以较好地识别过去47 a中晋江流域发生的主要水文干旱事件，且SHI临界值较SPI(Stand

3、ardized Precipitation Index)临界值对重要水文干旱事件识别更为敏感，结果更为合理。关键词：水文干旱；SRI(标准化径流指数)；SHI(区域水文干旱指数)；晋江流域；临界值中图分类号：P33，P343 文献标志码：A干旱通常是因长期无降水或降水偏少而造成水分收支或供求失衡形成水分亏缺，它具有发生频率大、持续时间长、波及范围广的特点J。通常把干旱分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱心-3。Linsley等H1把水文干旱定义为：“在一定的水资源管理系统下，河川径流在一段时间内满足不了供水需要”。通常情况下，水文干旱要晚于气象干旱和农业干旱，是气象、农业干旱的延续与

4、发展，因此以径流量为干旱指标的水文干旱被认为是最彻底的干旱J。水文干旱作为水文极值现象，一旦发生将对区域水资源系统平衡造成不可估量的影响；因此，对水文干旱进行有效的监测、分析和评估，是对流域水资源合理管理与高效利用的重要前提引。近年来，涌现了一系列以地下水、地表水及河川径流量的水文干旱评价方法，如径流z指数、Palmer水文干旱强度指数(PHDI)旧J、标准干旱严重指数(SWDWI)一1、地下水亏缺指数(GRI)驯和标准化径流指数(Standardized Runoff Index，SRI)J等。由于SRI计算方法与标准化降水指数(Standardized Precipitation Inde

5、x，SPI)21类似，方法简单，可以进行多时间尺度分析(1、3、6、12个月等)且适用于资料缺乏、地形复杂的区域，目前在水文干旱识别研究中应用较多卜怕J。但当前国内外在利用SRI进行水文干旱识别研究时，干旱等级临界值通常直接采用SPI气象干旱等级临界值，且考虑指标因素较单一一引，从而对识别结果具有一定的影响。针对指标因素单一问题，周玉良等引参照综合收稿日期(Received date)：20150623；改回日期(Accepted)：20150807。基金项目(Foundation item)：福建省高校产学合作科技重大项目(2015Y4002)。Supported by the Scienc

6、e and technology plan key projeets of Fujtan province(2015Y4002)作者简介(Biography)：吴杰峰(1991一)，男，安徽阜阳人，硕士研究生。主要研究方向：水文与水资源。wu Jiefeng(1991一)，male(Han)，born in FuyangAnhui Province，master candidate，majored in hydrology and water leSOLigCeEmail：Jiefengwu987163com+通信作者(Corresponding author)：陈兴伟(1963一)男，博士，

7、教授。主要研究方向：水文水资源与水环境。Chen Xingwei(1963一)，male，PH D，professor，major in hydrology，water resource and water environmentEmail：exwehen215163eom万方数据第3期 吴杰峰，等：基于标准化径流指数的区域水文干旱指数构建与识别 283气象干旱指数的构造方式，以土壤含水量和径流量为指标，构建了区域综合水文干旱指数(HDI)；Kao等1利用Copula联合分布函数，结合降水、径流指标构建了多变量联合的水文干旱指数(JDI)；Ma等旧叫在此基础上，加入土壤水、地下水指标，丰富和发

8、展了JDI指数。Hao等旧通过参数与非参数耦合方法，将SSI(Standardized Streamflow Index)纠与SPI进行耦合，构建了多变量标准水文干旱指数(MSDI)。多指标耦合的水文干旱指数弥补了指标因素较单一的不足，相比于只用径流量单一指标，能更好地反映区域干旱驱动机制。但总体来看，上述研究仍然存在不足，即水文干旱判别临界值未根据所研究区水文、气象特征对干旱等级临界进行重新界定，从而识别结果具有一定的不确定性。综上所述，SRI是进行水文干旱识别的重要方法，但相应的干旱判别指标及其临界值的确定仍有待进一步研究。因此，本文基于SRI计算方法，以东南沿海晋江流域为例，结合径流距平

9、百分比悼3。川、降水距平百分比【2纠干旱等级，构建区域水文干旱指数SHI并确定各干旱等级临界值；在此基础上，对晋江流域主要水文干旱事件进行识别，并与实际发生的干旱事件进行比较，以期为区域水文干旱的监测与管理提供有效方法。1 研究区概况与研究方法11研究区概况晋江流域位于我国东南沿海福建省泉州市(图1)，地理位置位于117。44一118。47E，24。31一25。Low：10 0 10 20Kilometers=图1 研究区位置及水文气象站点分布Fig1 Location of study area and distribution of hydr(,Iogicand meteoroh)gica

10、l stations32 7N，流域面积5 629 km2，占泉州市土地总面积的538，其中干流长182 km，是福建省第三大河流。流域内有东溪、西溪两大支流，并汇流于下游石砻水文站，本文利用石砻水文站以上的流域为研究区，流域控制面积占整个流域的90。流域气候属于南亚热带湿润气候区，多年平均气温2021，季风气候显著，降水较丰沛，但时空分布不均，降水变率大，丰水期主要集中在39月，7个月的降水量占年降水总量的838，而枯水期5个月的降水量只占全年降水总量的162【26 J。该地区多年平均水资源总量为68 X 108 m3(含外来水)，人均水资源拥有量约994 m3，仅为全省平均值的30，全国平

11、均值的45【27，水资源严重不足，属于绝对贫水区，尤其是春季和夏季，干旱经常发生，为福建省干旱最为严重的区域。9|，干旱的频繁发生成为影响泉州市社会经济可持续发展的重要因素。12研究方法121标准化径流指数目前国内外采用SRI进行水文干旱识别研究，计算方法与标准化降水指数类似(SPI)2I，即在确定一定时间内径流量适合的概率分布类型后，进行正态标准化得到标准化径流指数SRI【11|，具体计算方法如下：假设某一时间段的径流量戈满足r分布概率密度函数厂(茗)为：以石)2南扩万 (1)式中扎卢分别是形状和尺度参数，戈0、yO、卢0，y、口可用极大似然法计算，一定时间尺度的径流量戈的累积概率：八z)=

12、：以戈)如 (2)对丁分布概率进行正太标准化得到：ct t一(c2t+oI)t+oo ，、SR书币#可意渤(3)t=、历可万 (4)当F05时，S=1；当F05时，S=一1，其中co=2515517，cl=0802853，c2=0010328，d1=1432788，d2=0189269，d3=0001308。122区域水文干旱指数(SHI)水文干旱形成于下垫面全部物理过程后，即可以通过自然水循环过程体现气象干旱，也可通过“自然一人工”水循环的缺水过程反映旱灾的驱动机制9|。当一场水文干旱正在发生发展时，其干旱万方数据山地学报 34卷过程不仅受到短时期降雨的影响，还受到前期降雨残留的影响(土壤水

13、、地下水等)m，且研究区径流与降水关系密切一。因此，由水文、气象双因素共同作用构成的水文干旱指数能更好的反映区域实际干旱状况619 J。此外，由于干旱成因复杂影响因素较多，制约了表征干旱指数及干旱等级判别标准在不同时空条件下的通用性，而SPI干旱等级临界值的确定只考虑了降水单一因素，如果直接利用SPI干旱等级临界值来判断水文干旱的严重程度，很难做到精准、客观。Shukla也指出，一个较好的水文干旱监测指数受到流域气象、水文双因素共同的影响1|。因此，亟需构建能够反映区域水文亏缺量及气象因子对水文干旱程度影响的干旱指数。而SRI是表征某时段径流量出现的概率多少的指数，该指数适用于月尺度以上时间尺

14、度相对当地水文状况的于旱监测与评估；径流距平百分比和降水距平百分比都是反映一段时间内某地区水文、气象较常年值偏多或偏少的物理量。为了进一步探讨基于SRI算法水文干旱等级临界值的合理划分，消弱直接利用SPI干旱等级临界值进行水文干旱识别所造成的不确定性影响，结合水文情报预报规范(SL2502000)中的径流距平百分比(记为Q)231和国家气象标准汇编(GBT204812006)中的降水距平百分比(记为P)1干旱等级(表1)，通过计算各干旱等级发生频率，以SRI值累积频率所对应的指数值获取SHI干旱等级临界值，进而对水文干旱程度进行判别O SHI指数建立的步骤为：1)通过连接研究区水文、气象两个物

15、理量，消除单一指标进行干旱判别的不确定性，并采用Q和P干旱等级标准，获取SHI各干旱等级发生频率；2)基于SRI计算方法，采用分布函数对SRI频率分布进行拟合，并利用KolmogorovSmimov(Ks)检验方法2 o对拟合效果进行检验，然后获取SRI值序列累积频率曲线，结合SHI累积频率所对应的SRI指数值获取SHI干旱等级临界值。SHI干旱等级发生频率计算公式为：湖：篮1刍m 12三型三1 1鲨n (5)Q=等，i=土三菇j (6)式中并为逐月径流量，i为多年逐月径流量的平均值；P的算法与Q相似，其中孑和分别换做逐月降雨量和多年逐月降雨量的平均值进行计算，m、n分别为时间步长。通过以上分

16、析可知，SHI是基于SRI计算方法，利用区域水文、气象双因素进行水文干旱识别，以两个干旱判别标准(径流距平百分比和降水距平百分比)获取干旱等级临界值，进而对区域旱情严重程度进行描述的指数。此外，SHI指数构建方式与福建省综合干旱指数中的单点多指标构造方法类似”3|，能够较好的反映区域实际旱情。2结果分析21 SHI临界值划分对晋江流域2个水文站和3个气象站19602006年的实测径流和降水数据分别进行距平计算，通过径流距平百分比、降水距平百分比干旱等级标准及公式(5)、(6)计算得到区域水文干旱指数SHI特旱、重旱、中旱、轻旱、无旱各等级出现的频率分别为60、171、147、120、502，由

17、各干旱等级出现的频率依次累加得到区域水文干旱指数SHI干旱等级的累积频率为6o、231、378、498、100。基于SRI方法，计算得到SRI序列频率分布直方图，并采用正态分布函数进行拟合(Ks检验结果为0020 8，通过001的显著性检验)，结果见图2(a)。通过SRI值频率分布直方图获取SRI累积频率曲线，进而得到SHI各干旱等级的临界值为一138、一075、一038、一011图2(b)，结果见表1。表1干旱等级临界值Tab1 Threshold of dreugIlt level万方数据第3期 吴杰峰，等：基于标准化径流指数的区域水文干旱指数构建与识别图2 SRI频率分布曲线(a)频率分

18、布直方图及正态分布曲线；(b)累积频率分布曲线Fig2 Frequency distribution curve of SRI(a)Frequency distribution histograms and normal distribution curve；(b)Cumulative frequency curve22 SRI对水文干旱的识别根据福建省气候特征，划分自然天气季节为：春季3一月、夏季7q月、秋季1011月、冬季12一次年2月【2 5|。根据气象学中常用的方法，以l、4、7、10月分别代表冬、春、夏、秋四季干旱情况J。考虑到该区域对干旱事件的记载多为季节尺度的干旱，而3个月尺度的

19、SRI对季节干旱识别比较敏感【34。5|，因此本文采用3个月尺度的SRI(即SRI一3)对晋江流域水文干旱进行分析。图3为晋江流域下游石砻水文站1960-2006年SRI一3值变化序列图，根据SRI一3序列值和SHI干旱等级临界值，获取晋江流域下游石砻水文站近47年来春、夏、秋、冬四季干旱等级分布状况，结果见图4。从图3中可以看出，SRI一3值较为频繁的在一01l上下波动，其中以1960年代、1970年代末到1980年代中期水文干旱较为频繁，而1960年代最严重，几乎每年都有不同程度的干旱发生；20032004年也有较严重的干旱发生；此外，该流域发生过几次明显的季节连旱，如19631968年几

20、乎每年都有季节连旱的发生，而19711972年、19781979年、19801981年、1981一1982年、1983-1984年、2004-2005年也分别发生了不同程度的秋冬春连旱情况。从图4中可以看出，晋江流域水文干旱发生的季节差异较为明显，春季发生水文干旱的频次较夏季、秋季、冬季多，四者发生的频率依次为565、478、456、478，且重旱程度以上的干旱在春季发生的频率也高于其他季节(10次)，其中春季发生特旱的年份有1963年、1965年、1971年和1991年；夏季发生特旱的年份有1991年、2003年和2004年；秋季发生的特旱年份有1963年、1967年和1986年；冬季发生特

21、旱年份有1963年、1965年和1967年。此外，从图4中干旱等级趋势变化可以看出，晋江流域水文干旱程度在夏季有增加趋势，而秋季、冬季、春季下降趋势较明显，尤其是1980年代后更加显著。23不同方法识别结果与实际干旱事件比较为了进一步比较不同方法揭示的干旱结果，从图4中选取了本方法识别出的特旱、重旱事件列入表2的第二栏，从图3中选取直接应用SPI临界值所识别的特旱、重旱事件列于表2的第三栏，第四栏为福建省统计局对该省1960-1995年间记载的重要图3 1960-2006年晋江流域SRI一3值变化图Fig3 SRI一3 from the Jinjiang River Basin from 19

22、60-2006万方数据地学报 34卷1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005年份1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005年份1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 20D5年份图4不同季节干旱等级趋势变化(a)春季；(b)夏季；(c)秋季；(d)冬季Fig4 Trend and lerel of drought at seasons(a)Spring；(b)Summer；(c)Autumn；(d)Winter干旱年份，并查阅相关资

23、料、文献得到1999年、2003年、2004年干旱情况旧5361；由于干旱现象的复杂性及记载的干旱类别不明确，识别的干旱事件与实际干旱事件其含义不完全一致，但也有一定的可比性。此外，晋江流域地处沿海，人均水资源拥有量仅为全省平均值的30，当地水资源严重不足，属于福建省水资源最贫乏的区域【2 6|，该地区的旱情与全省的旱情关系密切。如相关资料对典型干旱年份描述为：“1963年为福建省历史上罕见特早年，由于旱期内雨水稀少，全省旱情严重；到5月底，九龙江北溪流量仅为上年同期的三分之一，晋江流量为上年同期的四分之一，晋江、九龙江不少河流徒步而过，许多地方山泉枯竭，水库干涸，溪河断流”；“1971年是干

24、旱比较严重的一年，不但春旱严重，夏旱也很严重，闽江口及东南沿海地区旱情达到特旱级”；“2003年夏季福建省遭遇近50 a罕见的持续高温少雨天气，从6月下旬至8月份，全省性受旱，其中泉州、厦门、漳州、莆田等地市旱情较严重”旧5】；限于篇幅，本文对其他典型干旱年份不作具体描述。因此，通过SPI l临界值与SHI临界值识别的水文干旱事件与福建省记载的实际干旱事件对比，初步判别干旱识别的合理与否。通过比较表2中的结果，表明本文的方法识别出了实际发生的大部分重要干旱事件，较直接利用SPI干旱等级临界值有一定改进。而直接利用SPI临界值进行水文干旱识别只有1963年春季、1968年冬季和2004年夏季发生

25、特旱事件，重旱事件也较少。与福建省统计局对1960-1995年该省重要干旱事件记载及相关文献资料记载对比可知旧5蚓，只有1964年和2002年与SHI识别出的干旱情况差别较大；此外，1990年、1993年、1994年、1995年虽然未被识别为重旱等级以上的干旱事件，却被识别为不同程度的中旱等级事件(图4)。而1964年与2002年识别结果与实际记载不一致，这种差异可能由于干旱识别方法不同造成的；王劲松、刘占明等【17,37通过不同干旱指数区域适用性研究分析得到，由于干旱评估指标侧重点及计算方法的不同会导致对实际干旱监测结果存在差别。通过以上对比可知，本文利用SHI识别出的主要水文干旱事件虽然部

26、分与实际干旱事件有所不同，但基本上一致且5432lO繇蜘543210玲5432l巅非万方数据第3期 吴杰峰，等：基于标准化径流指数的区域水文干旱指数构建与识别 287表2不同临界值水文干旱识别与实际重要干旱事件对比Tab2 Identification of hydrologic drought at roiled thresholds and their comparison with actud drought events注：、为有干旱事件记载。Note：XDrought event is recorded较直接利用SPI临界值更优。3结论1)基于标准化径流指数(SRI)计算方法，利用径

27、流距平百分比和降水距平百分比干旱等级，构建的区域水文干旱指数SHI，所识别的水文干旱与实际干旱事件基本一致。表明SHI兼顾了SRI多尺度分析的优点及区域水文、气象特征，较直接利用SPI干旱等级临界值进行水文干旱识别有一定改进，能够有效地监测流域内水文干旱事件，可进一步推广应用。2)根据区域水文干旱指数临界值，对晋江流域下游石砻水文站进行水文干旱识别。结果表明，晋江流域水文干旱比较频繁，春季发生干旱频次较其他季节高，季节连旱以秋冬连旱为主，其中1960年代、1970年代末到1980年代中期比较严重；1980年代后夏季干旱程度有加重的趋势，秋季、冬季、春季干旱程度降低明显。参考文献(Referen

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46、011，33(12)：22262231LinMusheng，Chen Xingwei，Chen YingRegression analysis of floodresponse to the spatial and temporal variability of storm in the Jinjiangxixi watershedJResoScience，2011，3,3(12)：2226223132Melesse A，Abtew W，Dessalegne T，Wang XLow and high flowanalyses and wavelet印phcation for character

47、ization of the BlueNile River systemJHydrological Pmcesses，2010，24，24125233陈斌福建省水旱灾害防治技术研究M福州：福建科学技术出版社，2011：107108Chen BinStudy to prevent and har-ness the flood and d,ght of Fujian provinceMFusbuu：FujianScience and Technology Publishing House。201 1：10710834Patel N R，Chopra P，Dedhwal V KAnalyzing spatial patterns ofmeteorological drought using standardized precipitation indexMeteorological ApplicationsJMeteorolcgical Applications，2007，14(4)：32933635Ji L，Peters AJAssessing vegetation tsponse to drought in thenorthern great Plains using vegetation and dro