基于区域农业用水量的干旱重现期计算方法.docx

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1、 年 月 水 ， 第 卷 第 期 科 学 进 展 ， ： 基于区域农业用水量的干旱重现期计算方法 张宇亮 ， 蒋尚明 ， 金菊良 ， ， 吴志勇 ， 周玉良 ， （ 河海大学水文水资源学院水问题研究所 ， 江苏 南京 ； 安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院水利水资源安徽省重点实验室 ， 安徽 合肥 ； 合肥工业大学土木与水利工程学院 ， 安徽 合肥 ； 合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所 ， 安徽 合肥 ） 摘要 ： 为研究实际水利条件下农业干 旱的发生规律 ， 简化农业干旱事件的评估方法 ， 提出基于区域农业用水量的 干旱 重现期计算方法 。 通过构建农业用水量距平百分率干旱指标

2、， 在基于降雨量距平百分率干旱指标 识别干 旱事 件的基础上 ， 提取 干旱指标下的干旱历时和干旱烈度特征变量 ， 并根据以 为干旱指标的干旱烈度频率分 布曲线 （ ） 和干旱历时频率分布曲线 （ ）， 运用 的简化方法计算基于 的干旱事件重现期 ， 最后结 合基于 的干旱事件重现期 ， 回归分析出 与 间关系的计算公式 。 选取干旱灾害影响严重的亳 州市为实证区 域开展应用研究 ， 计算得到 年各场干旱事件的 和 以及 与 的经验关系式 。 结果表明 ： 比 更 合理地反映区域农业实际受旱状况 ， 重现期 和 间存 在高度的相关关系 ， 采用 的回归方程可简化计算考虑区 域实际抗旱能力下的干

3、旱事件重现期 ， 在区域防旱减灾实践中具有推广应用价值 。 关键词 ： 农业干旱 ； 干旱重现期 ； 频率分析 ； 农业用水量 ； 函数 ； 抗旱能力 ； 亳州市 中图分类号 ： 文献标志码 ： 文章编号 ： -（ ） - - 干旱是水循环过程中水分亏缺的自然现象 ， 会导致农业减产 、 食物短缺和资源环境条件恶化 ， 易引发贫 困和社会不稳定 ， 产生干旱灾害 （ 简称旱灾 ） ， 给经济社会造成巨大损失 。 干旱频率分析是从水文气象要素 随机性入手 ， 选择合适的干旱指标 ， 基于干旱指标准确识别干旱过程 ， 提取表征干旱事件的特征变 量 ， 对干 旱历时 、 强度和影响面积等特性进行概率

4、描述 ， 是旱灾风险管理研究的重要基础性工作 ， 对于抗旱规划 、 水库管理和污染控制等方面具有重 要意义 ， 受到国内外学者 的广泛关注 ， - 。 当前干旱频率分析多基于 降水量 、 径流量 ， - 等干旱指标进行干旱 识别和特征变量提取 ， 以适线法等方法确定干旱历时和干旱烈 度等单个干旱特征变量的分布曲 线 ， 在此基础上利用 函数计算特征变量间的联合概率分布 。 吴冬 平等 在 理论计算联合概率分布方 法的基础上 ， 提出用干旱历时重现期与干旱烈度重现期中的最大 值近似估计干旱事件联合重现期的简化方法 。 在干旱频率分析技术中 ， 干旱指标的选择是确切描述一场干旱事件的关键 ， 纵观

5、现有干旱频率分析 的研究成果 ， 干旱指标多局限于气象或水文等自然指标 ， 没有反映研究区域水循环过程中各种实际水 利条件 的影响 ， 应从多角度分析区域干旱现象 ， 干旱频率分析方法未考虑到气象条件与现有水利条件的差异及 其关系 。 当降雨无法满足用水需求时 ， 水利工程 、 地下水可以增加供水以缓解用水压力 ， 所以 ， 此时 基于农 业 用水量距平百分率 （ ， ） 识别出的干旱特征变量将小 于基于降雨量距平百分率 （ ， ） 识别出的干旱特征变量 ， 前者更能反映实 际农业干旱特征 。 基于此 ， 本文构建基于农业用水量的干旱指标 ， 提出基于 的干旱事件重现期 的计算方法 ， 建立基

6、 收稿日期 ： - - ； 网络出版时间 ： - - 网络出版地址 ： ： 基金项目 ： 国家自然科学基金资助项目 （ ； ） 作者简介 ： 张宇亮 （ ） ， 男 ， 安徽肥东人 ， 博士研究生 ， 主要从事水资源系统工程研究 。 -： 通信作者 ： 金菊良 ， -： 万方数据 （ ， ， ， ， ， ， ， ） ， ， （ ） （ ） ， ， ， ， ， ， （ ） ， 水 科 学 进 展 第 卷 于 干旱事件的重现期 与 的定量关系式 ， 作为 的估算公式 ， 以便更易推广应用于实际防旱减灾实 践中 。 基于农业用水量距平百分率 的干旱重现期 计算方法 . 干旱指标 的构建 农业用水量

7、包括有效降雨量 ， 、 地下水利用量 ， ， 、 农业灌溉水量 ， 所以农业用水量可按式 （） 计算 ： 式中 ： 为第 月的农业用水量 ， ； ， 为第 月的有效降雨量 ， ； ， ， 为第 种作物 （ 本次研究包括 小麦 、 玉米和大豆 种主要农作物 ） 第 月的播种面积 ， ； ， ， 为第 种作物第 月的地下水利用量 ， ； 为单位转换系数 ， 取为 ； 为第 月的农业灌溉水量 ， 。 为反映区域水循环过程中各种实际水利条 件对区域农业用水量的影响 ， 使以 为干旱指标识别的干旱 结果与以 为干旱指标识别的干旱结果具有可比 性 ， 结合 计算方法 ， 用式 （） 计算农业用水量相对多年

8、 月平均降雨量的距平百分率 ， 作为干旱指标 ： ， 式中 ： ， 为第 月农业用水量相对第 月多年平均降雨量的距平百分率 ； 为第 月降雨量的多年平均 值 ， 。 . . 有效降雨量 有效降雨量是总降雨量中能够保存在作物根系层中用于满足作物蒸发蒸腾需要的水量 ， 不包括地 表径流 和渗漏至作物根系吸水层以下的水量 ， 常采用下列简化方法计算有效降雨量 ： ， （ ） 式中 ： ， 为第 旬有效降雨量 ， ； 为第 旬降 雨总量 ， ； 为降雨有效利用系数 ， 其与降雨总量 、 降雨强度 、 降雨延续时间 、 土壤性质 、 作物生长 、 地面覆盖和计划湿润层深度等因素有关 ， 本文由安徽 省水

9、利部淮河水利委员会水利科学研究院新马桥农水综合试验站研究成果来确定 。 . . 地下水利用量 地下水利用量是作物生长条件下潜 水向包气带输送的水分 ， 这其中一部分用于作物蒸腾 ， 一部分用 于棵间蒸发 。 借鉴潜水蒸发公式中应用最为广泛的阿维里扬诺夫公式 ， 构建式 （ ） 来计算作物的地下 水利 用量 ： ， ， ， ， ， （ ） 式中 ： ， ， 为第 种作物第 天的地下水利用 量 ， ； ， ， 为第 种作物第 天的潜在腾发量 ， ； ， ， 为第 种作物第 月的作物系数 ； ， 为第 天参考作物潜在 腾发量 ， ， 采用 年联合国粮农 组织提出的最新修正的彭曼 -蒙特斯 （ -）

10、公式计算 ； ， 为第 种作 物第 天的地下水埋深 ， ； ， 为第 种作物在地下水利用量为 时的极限地下水埋深 ， ； ， 为第 种作物第 个生育期的经验常数 。 本文实例中小麦 ， 取为 ， 大豆 ， 取为 ， 玉米 ， 取为 ， 经验 常数根据安徽省水利部 淮河水利委员会水利科学研究院相关试验数据运用加速遗传算法率定确定 。 将作物系数乘以参照作物潜在腾发量 ， 可得作物潜在腾发量 ， ， ： 万方数据 （ ） （ ） （ ） （ ） 第 期 张宇亮 ， 等 ： 基于区域农业用水量的干旱重现期计算方法 . 的计算 识别干旱事件 ， 确定出干旱事件发生 的时间 ， 在此基础上 ， 提取干旱

11、事件特征变量 ， 并借助基于 的 干旱事件特征变量频率分布曲线计算干旱事件重现期 。 . . 干旱事件识别 为使基于 的干旱事件重现期 与基于 的干旱事件重现期 相互对应并建立 与 的数量关系 ， 需要 先以 为干旱指标结合干旱指标阈值来识别干旱事件 。 干旱指标阈值包括 、 和 （ 参见图 ） ， 其 中 主要用来判别干旱烈度较大的干 旱事件 ， 主要用来判别干旱烈度较小的干旱事件 ， 主要用来合并 干旱事件 。 在确定这些干旱指标阈值时 ， 为使干旱事件的识别结果符合实际 ， 应使识别出的干旱事件 发生频 次与研究区域的旱情发生频次相接近 ， 且识别出的较 大干旱重现期所对 应的干旱事件历

12、时与文献 记录相 一致 。 为此 ， 采用试错法确定 、 和 ， 不断试验不 同的干旱阈值 ， 使得识别的干旱事件与实际干旱事件能 够相互对应 。 以月为时段 单元 ， 以 作为干旱指标 ， 采 用游程理论识别干旱事 件 ， 具体的识别方法为 ： 若干 旱指标 连续小于 ， 则判定对应时段为一次干旱事件 （ 如图 中 事件和 事件 ） ； 若干旱指标小于 且大于 图 干旱识别过程 、 对应时段大于 ， 则判定 为一次干旱事件 （ 如图 中 事件 ） ， 否则不判定为干旱事件 （ 如图 中 事件 ） ； 若 所判定的两次干旱事件时间间隔小于 （ 如 ） ， 且时间间隔期的干旱指标小于 ， 则两次

13、干旱事件合并 为一次干旱事件 （ 如图 中 事件和 事件合并为一次干旱事件 ） 。 . . 干旱事件特征变量提取 为建立相同干旱事件下 与 的对应关系 ， 基于 的干旱事件特征变量需要在基于 的干旱事件相同 历时范围内进行提取 。 干旱事件的特征变量包括 干旱烈 度和干旱历时 。 基于 的干旱事件烈度 是在基于 识别出的单场干旱事件历时的范围内各时段阈值 与 差值的累积和 ， 当 大于阈 值 时 ， 阈值 与 的差值将不累积到该场干旱事件烈度中 ， 若式 （） 计算出的 越小 ， 则反映出的干旱烈度越 大 。 基于 的干 旱事件历时 是单场干旱事件内 小于阈值 的时间长度 ， 若式 （） 计算

14、出的 小于 的时段越长 ， 则干旱历时将越长 。 . . 干旱重现期计算 基于 的干旱特征变量频率分布曲线计 算 。 提取出基于 的干旱特征变量 ， 包括干旱烈度 和干 旱历时 ， 这些特征变量假设服从 - 型分布 （ ） ， - ， 在基于矩法初估参数的基础上 ， 通过目估适线 法调整干旱特征变量分布函数的期望 、 离差系数 、 变差系数 等参数值 ， 以保证计算结果的合理性 ， 从而得到干旱烈度和干旱历时的频率分布曲线 （ ） 与 （ ） 。 的计算 。 根据 和式 （） 可算得基于 的干旱事件烈度重现期 ， 。 同理 ， 根据 和式 （） 可算得基于 的干旱事件历时重现期 ， 。 为便于

15、干旱 事件重现期计算的推广应用 ， 取 （ ， ， ， ） 作为 基于 的干旱事件联合重现期 。 的计算 。 为便 于比 较 与 ， 需要采用基于 的干旱重现期来度量 ， 即 需要在基于 的干旱特征变量频率分布曲线 基础上进行计算 。 根据 和式 （） 可算得基于 的干旱事件烈度重现期 。 同理 ， 根据 和式 （） 可算得基 于 的干旱事件历时重现期 。 取 （ ， ） 作为基于 的干旱事件联合重现期 。 ， ， 万方数据 （ ） （ ） （ ） （ ） 水 科 学 进 展 第 卷 式中 ： 为统计所有干旱事件总的时间跨度 （ 样本长 度 ） ， ； 为 年内发生的干旱次数 ； （ ） 表示

16、干旱 历时 的超越概率 ； （ ） 表示干旱烈度 的超越概率 。 . 与 关系构建 通过回归分析 ， 构建 与 的定量关系式 ， 作为 的估算公式 。 的计算流程详见图 。 图 基于农业用水量距平百分率 的农业干旱重现期 估算方法流程 实例分析 . 研究区概况 亳州市位于中国南北方气候交界地带 ， 属于安徽省淮北平原中部 ， 全市属暖温带半湿润气候区 ， 主要表 现为季风明显 ， 气候温和 ， 光照 充足 ， 冬长且干 ， 雨量适中 ， 但降雨时空分布不均匀 。 亳州市常见的灾 害性天气中 ， 旱灾被列为首位 。 近年来 ， 亳州市干旱有加重趋 势 ， 如 年 月下旬至 月上旬 ， 全市 平均

17、降雨量仅 ， 较常 年同期偏少 以上 ， 发生较大面积旱灾 ， 造成农作物减产 ， 部分绝收 。 由于亳州市是中国重要的生产粮基地 ， 为减少干旱对当地粮食产量的影响 ， 急需对当地干旱进行研 究 ， 为抗 旱工作提供理论依据和技术支持 。 . 数据获取 研究的基础数据主要涉及降雨量 、 作物播种面积 、 地下水埋深和气象数据 。 降雨量数据主要采用 蒙城县 和亳县闸两个测站记录的 年逐日降雨 数据 。 作物播种面积来自 安徽省统计年鉴 。 地下水 埋深数据来自亳州市的五马站 。 气象数据 包括亳州市 年逐日最高最低气温 、 平均相对湿度 、 平 均日照时数和平均风速 ， 均来自于中国气象数据

18、网 （ ： ） 。 . 计算结果 . . 与 根据蒙城县和亳县闸处记录的 年逐 日降雨数据计算逐月降雨距平百分率 。 亳州市旬时段旱 作物降雨有效利用系数根据试验研究成果确定 ， 详见表 ， 亳州 市主要作物包括大豆 、 小麦和玉米 ， 其作物 系数 见表 。 通过查阅资料并计算得到地下水利用量 、 有效降雨量和 农业灌溉水量 ， 在 ， ， ， ， ， ， ， 时 ， 第 月农业用水量 就是第 月小麦作物的用水量 ， ； 在 ， ， ， 时 ， 第 月农业用水量 ， ， 就是第 月大豆作 物的用水量 ， 和第 月玉米作物的用水量 ， 之和 。 依据 万方数据 重现期 重现现期 重现期 ， 历

19、时重现期 ， 期 ， ， 烈度重现期 期 简化方法重第 期 张宇亮 ， 等 ： 基于区域农业用水量的干旱重现期计算方法 式 （） 计算得到逐月的 。 表 安徽省亳州市旬时段作物降雨有效利用系数 旬雨量 作物降雨有效利用系数 表 安徽省亳州市不同作物的作物系数 作物 生育时期 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 大豆 - - 小麦 - - 玉米 - - . . 干旱事件的识别及其重现期计算 采用游程理论识别基于 的干旱事件时 ， 首先采用试错法 ， 将不同阈值情况下识别出的干旱事件与实 际干旱事件 比对 ， 包括 较 大 干 旱 事 件 的 时 间 和 干 旱 事 件 的 总 数 ，

20、 例 如 ， 查 阅 中 国 气 象 灾 害 大 典 安 徽 卷 ， 在 “ 公元 年干旱灾 害 ” 一节中 ， 就提到 年 月至 年 月及 年旱情严 重 ， 调整阈值时需要使得这两年能 够识别出较严重的干 旱 。 同时结合专家意见 ， 可得到合理的干旱指标阈 值 ： 对雨季 （ 月 ） ， ， ， ， 对非雨季 （ 月 ） ， ， ， 。 根据干旱过程识别准则可得到亳州市 年基 于 的 场干旱事件 （ 见表 ） 。 基于这 场干 旱事件的干旱烈度和干旱历时 ， 结合 - 型分布曲线对其概率分布进行参数估计和适线调整 ， 适线结果见 图 、 图 ， 得到干旱烈度的统计特征值 ： 均值 、 离差

21、系数 、 偏态系数 ， 干 旱历时的统计特征值 ： 均值 、 离差系数 、 偏态系数 ， 并根据干旱烈度的 - 型 分布曲线和式 （ ） 计算出基于 的各次干旱事件烈度的重现期 （ 见表 中 ， 栏 ） ， 根据干旱历时的 - 型 分布曲线和式 （） 计算出基于 的各次干旱事件历时的重现期 （ 见表 中 ， 栏 ） ， 取干旱烈度重现期 ， 和 干旱历时重现期 ， 的最大值 （ ， ， ， ） 作为 （ 见表 中 栏 ） ， 并与 方法计算的联合重现期 ， 比较 （ 见表 中 ， 栏 ） 。 表 基于降雨量距平百分率 或农业用水量距平百分率 的干旱事件重现期 干旱 事件 序号 起始时间 终止时

22、间 基于降雨量距平百分率 的重现期 基于农业用水量距平百分率 的重现期 烈度重现 简化方法 历时重现 期 ， - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 万方数据 重现期 重现现期 重现期 ， 历时重现期 ， 期 ， ， 烈度重现期 期 简化方法重 续表 干旱 事件 起始时间 终止时间 序号 水 科 学 进 展 第 卷 基于降雨量距平百分率 的重现期 基于农业用水量距平百分率 的重现期 烈度重现 简化方法 历时重现 期 ， - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -