金沙江流域近50年气象水文干旱时空变化特征

(武汉大学 水资源与水电工程国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

1 研究背景

在全球气候变化影响下，我国干旱事件的时空分布发生了深刻的变化[1]，极端干旱事件日益频发，比如2010年西南地区秋冬春连旱，为近60 a来最严重的干旱[2]。2017年中国水旱灾害公报显示，1950～2017年,我国平均每年因干旱导致的受灾面积为20 50.217万hm2，直接经济损失为882.31亿元[3]。

干旱是指在较大范围内水分持续性短缺的一种自然现象[1]，一般分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱等4个类型[4]。干旱的严重程度一般通过干旱指标予以评价，比如气象干旱指标有标准化降水指数SPI(Standard Precipitation Index)[5]、标准化降水蒸散指数SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)[6]；水文干旱指标有标准化径流指数SRI(Standardized Runoff Index)[7]等。同时，基于物理机制的水文模型通过模拟可以得到径流等水文要素，也可以从融雪等方面补充现有气象水文信息，这样能更客观地反映干旱产生的机理，从而提高干旱评估的准确性[7]。结合分布式水文模型进行干旱研究，已成为近年来一个重要的研究方向。

金沙江流域位于长江上游，水能资源达1.124亿kW，约占全国的16.7%，是我国规划的最大水电基地[8]。流域气候时空差异显著，易受气候变化的影响，且近年来干旱灾害频发，对当地经济社会发展造成了巨大损失。但对该流域干旱的认识仍不足，干旱管理和预报的能力还较弱。因此，开展对金沙江流域干旱时空变化特征的研究，对于加强流域干旱预防和管理显得尤为重要。

本文选取金沙江流域作为研究区域，以子流域为研究单元，采用小波分析、Mann-Kendall趋势检验、游程理论与分布式SWAT模型等方法，对流域气象水文干旱的时空变化情况进行研究，从而为该流域的干旱预测和干旱管理提供科学依据。

2 研究区域与数据

2.1 研究区域概况

金沙江全长2 316 km[9]，流域面积达45.6万km2(见图1)，多年平均年降水约为710 mm，主要集中在6～10月；年平均径流量为4 750 m3/s，径流补给主要来源为降水[10]。金沙江流域地形极为复杂，气候时空变化大[11]。为便于分析说明，本文依照SWAT模型子流域划分的结果，同时根据通天河、金沙江、雅砻江上中下段的划分和各区域出口的水文控制站，将金沙江流域分为10个区域(见表1)。

图1 金沙江流域各子流域及气象水文站点分布Fig.1 Sketch of the Jinsha River Basin

区域名子流域编号面积/km2长江源区119777.68231888.52通天河上段335355.08420954.96通天河下段532749.36直门达-巴塘646747.44巴塘-石鼓77152.76812306.80910246.68石鼓-攀枝花(金沙江中段)106078.281113899.321224748.20雅砻江上段1366665.32雅砻江中段1416366.52156375.041619092.16雅砻江下段1719772.40攀枝花-屏山(金沙江下段)1837334.88194550.002012637.242111022.92

2.2 研究数据

本文研究采用的数据有：数字高程数据(DEM)、土壤数据、土地利用数据、气象数据和水文数据。其中，气象数据包括降水、最高气温、最低气温、平均气温、相对湿度、日照时数和平均风速等。1980年和2015年的土地利用数据分别用于SWAT模型的率定期和检验期。数据情况说明如表2所示。

表2 本文使用的数据资料Tab.2 Research data and the sources

注：直门达、巴塘、泸宁和华弹4个水文站的径流数据有少量缺测，但不影响分布式SWAT模型的运行。另外，华弹站2015年8月之后使用白鹤滩站径流数据，屏山站2012年1月之后使用向家坝站径流数据。

3 研究方法

3.1 干旱指标

本文采用的干旱指标为标准化降水指数SPI、标准化降水蒸散指数SPEI和标准化径流指数SRI。用Γ分布拟合降水序列，求其累积概率并转化成标准正态分布，即得到SPI值[12]；采用Penman-Monteith法计算潜在蒸散发(即充分供水条件下区域的蒸散发能力)后[1]，用3参数log-logistic概率分布函数拟合降水蒸散差值序列，求其累积概率并正态标准化得到SPEI值[13]；用P-Ⅲ型分布拟合时段平均径流序列，求其累积概率并正态标准化，得到SRI值[14]。3种指标的具体计算方法见对应的参考文献。SPI、SPEI和SRI干旱等级划分标准如表3所示[12-14]。

表3 SPI、SPEI和SRI干旱等级划分标准Tab.3 Classification standard of SPI、SPEI and SRI

由于3个月的时间尺度能够反映水文过程的季节性特征[1,15]，本文后续基于3个月尺度的气象干旱指标SPI3、SPEI3和水文干旱指标SRI3序列进行分析。

3.2 水文模型

本文使用SWAT模型对金沙江流域7个水文站的月径流量进行参数率定[16-18]。率定结果(见表4)表明，SWAT模型模拟效果较好，能够用于金沙江流域的径流模拟。然后将1968～2017年金沙江流域31个气象站点的逐日数据输入SWAT模型进行流域径流模拟，从而得到21个子流域的径流序列。同时，选取子流域输出文件中的降水、实际蒸散发(一定时期内区域的实际蒸散发量)、潜在蒸散发等的月数据序列进行后续计算分析。

表4 金沙江流域7个水文站SWAT月径流模拟结果Tab.4 SWAT monthly runoff simulation results of 7hydrological stations in the Jinsha River Basin

3.3 干旱特征分析方法

本文采用Morlet小波分析方法进行周期分析[16-19]，运用Mann-Kendall秩相关检验方法进行趋势分析[21-25]，显著性水平均取为α=0.05。本文利用游程理论方法[1,26]，对水文干旱指标SRI3序列进行干旱事件识别，其中指标阈值取为-1。水文干旱被认为是最彻底的干旱，因此，基于SRI3得到的水文干旱更能全面地反映流域的干旱情况[27]。

1968～2017年，金沙江流域各子流域的水文干旱事件发生次数仅17～28场，数量太少，难以较好地进行概率分布函数拟合，故不再分析其重现期[1]。因此，本文基于各子流域的SRI3序列，以-1为阈值，用小于阈值的SRI3的绝对值之和(∑|SRI3|)表示干旱的严重程度，通过分析∑|SRI3|的时空变化情况和干旱事件起始时间的季节分布，刻画50 a间金沙江流域水文干旱的时空变化特征。

4 气象干旱时空变化特征

4.1 年降水和年实际蒸散发变化趋势分析

对于金沙江流域面平均年降水和年实际蒸散发序列，通过以子流域面积为权重求加权平均值的方法得到。分析二者变化趋势可知：1968～2017年，金沙江流域面平均年降水和年实际蒸散发呈显著增加的趋势(p值分别为0.017和0.045，趋势率分别为1.26 mm/a和0.33 mm/a)。

对各子流域的年降水和年实际蒸散发序列进行50 a趋势分析(见图2)可知，1968～2017年，金沙江流域21个子流域中，17个子流域的年降水无显著变化，而长江源区和通天河上段4个子流域呈显著增加的趋势；10个子流域年实际蒸散发无显著变化，9个子流域年实际蒸散发呈显著增加趋势，仅2个子流域呈显著减少的趋势。

注：斜线表示通过α=0.05显著性检验，趋势显著，下同图2 金沙江流域1968～2017年各子流域年降水和实际蒸散发变化趋势Fig.2 Trends of annual precipitation and evapotranspirationin 21 sub-basins of the Jinsha River Basin from 1968 to 2017

4.2 气象干旱指标变化周期和趋势分析

对金沙江流域1968～2017年各子流域的气象干旱指标SPI3和SPEI3序列进行了周期性分析(见表5)。

表5 金沙江流域1968～2017年各子流域SPI3、SPEI3和SRI3指标序列Morlet小波分析得到的第一主周期(a)Tab.5 The first main period obtained by Morlet Wavelet Analysisof SPI3, SPEI3 and SRI3 sequences in 21 sub-basins ofthe Jinsha River Basin from 1968 to 2017 (year)

注：*表示通过α=0.05显著性检验，周期显著；(20)等表示无法将该周期确定为可靠周期

从表5得到：50 a间，金沙江流域不同区域的SPI3和SPEI3大致都有中心约为4，9 a或12 a的主周期，与陈媛等和岑思弦等所得关于金沙江流域径流周期性研究的结论相一致[10,28]，但均未通过α=0.05显著性检验，即SPI3和SPEI3的周期性并不显著。

对SPI3和SPEI3序列进行趋势分析(见图3)发现：1968～2017年，金沙江流域21个子流域中，有10个子流域的SPI3呈显著增大的趋势，均位于攀枝花以上区域。12个子流域的SPEI3呈显著增大的趋势，均位于金沙江与雅砻江流经的地区；仅3个子流域(子流域9，10，16)的SPEI3呈显著减小的趋势。

图3 金沙江流域1968～2017年各子流域SPI3和SPEI3变化趋势Fig.3 Trends of SPI3 and SPEI3 in 21 sub-basinsof the Jinsha River Basin from 1968 to 2017

5 水文干旱时空变化特征

5.1 年径流量变化趋势分析

由金沙江流域总出口屏山站年径流量变化趋势可知，金沙江流域年径流量无显著变化(p值为0.700)。而由各子流域年径流量变化趋势(见图4)可知：6个子流域的年径流无显著变化，15个子流域的年径流呈显著增加的趋势，且都集中在通天河、金沙江和雅砻江流经的子流域。

5.2 水文干旱指标变化周期和趋势分析

对金沙江流域1968～2017年各子流域的水文干旱指标SRI3序列进行了周期性分析(见表5)，从而得到：50 a间，金沙江流域各子流域SRI3指标均未通过α=0.05显著性检验，其周期性并不显著。

对SRI序列进行趋势分析(见图5)可知：50 a间，金沙江流域19个子流域的SRI3呈显著增大的趋势，仅1个子流域(子流域16)呈显著减小的趋势。

5.3 水文干旱事件时空变化分析

1968～2017年间，金沙江流域21个子流域不同历时和强度的水文干旱事件(本小节以下简称“干旱事件”)总数如表6所示。可见，50 a间金沙江流域干旱事件总数很大，共479次，其中历时小于3个月、强度小于0.25的干旱事件占总数的59.3%；历时越长或强度越大的干旱事件次数越少，历时6个月或12个月及以上的干旱事件分别占总数的18.0%和4.2%，而强度大于等于0.50或0.75的干旱事件分别占29.2%和12.5%；干旱历时长、强度大的干旱事件非常少，历时12个月及以上、强度大于等于0.75的干旱事件仅占2.3%。

图4 金沙江流域1968～2017年各子流域年径流变化趋势Fig.4 Trends of annual runoff in 21 sub-basins of theJinsha River Basin from 1968 to 2017

图5 金沙江流域1968～2017年各子流域SRI3变化趋势Fig.5 Trends of SRI3 in 21 sub-basins of the JinshaRiver Basin from 1968 to 2017

由金沙江流域1968～2017年干旱时期(SRI3<-1)∑|SRI3|的时空分布(见图6)可知：1968～1977年，是金沙江流域50 a间干旱最严重的时期，全流域∑|SRI3|的平均值为56.6，大于其他4个时段的25.9(1978～1987年)、18.9(1988～1997年)、13.6(1998～2007年)和21.0(2008～2017年)；其中金沙江干流全河段以及雅砻江中上段是流域干旱最严重的区域。这与卓嘎等以及杨烨等得到的20世纪70年代金沙江流域偏枯的研究成果相一致[8,29]。50 a间，流域干旱呈先减缓后加重的趋势，且干旱有自金沙江干流段向雅砻江流域、自西向东转移的趋势。

表6 金沙江流域1968～2017年不同历时和强度的水文干旱事件总数Tab.6 Total number of hydrological drought events ofdifferent durations and intensities in theJinsha River Basin from 1968 to 2017 次

注：D为干旱历时(月)；I为干旱强度

图6 金沙江流域1968～2017年干旱时期(SRI3<-1)∑|SRI3|的时空分布Fig.6 Spatiotemporal distribution of ∑|SRI3| in the dry period (SRI3<-1) in the Jinsha River Basin from 1968 to 2017

由金沙江流域1968～2017年干旱时期(SRI3<-1)Σ|SRI3|的季节分布(见图7)可知：50 a间，金沙江流域秋季干旱相对较为严重，全流域Σ|SRI3|的平均值为36.5，大于春季的33.1、夏季的32.4和冬季的33.9。即金沙江流域50 a间干旱的季节分布不均匀，从春季经夏秋到冬季，干旱程度有变严重的趋势，且金沙江干流全段和雅砻江中上段比其他区域更为严重。

由金沙江流域1968～2017年479场干旱事件起始时间的季节分布(见图8)可知： 50 a间，金沙江流域在春季发生的干旱事件最少，共67场，占总数的14.0%；夏季最多，占总数的38.4%，是1 a中全流域最易发生干旱事件的季节；秋季和冬季各占27.1%和20.5%。

综上可知，金沙江流域50 a间干旱的季节分布不均匀，夏秋季节易于发生干旱，且在秋冬季节最为严重。《中国气象灾害年鉴：2011》记载：2009年9月至2010年3月中旬，西南地区发生了历史罕见的秋冬春特大干旱[2]。西南地区包括金沙江流域部分地区，此次干旱事件也基本符合本文研究所得金沙江流域干旱的季节分布规律。

图7 金沙江流域1968～2017年干旱时期(SRI3<-1)∑|SRI3|的季节分布Fig.7 Seasonal distribution of ∑|SRI3| in the dryperiod (SRI3<-1) of the JinshaRiver Basin from 1968 to 2017

图8 金沙江流域1968～2017年干旱事件起始时间的季节分布Fig.8 Seasonal distribution of the onset of drought eventsin the Jinsha River Basin from 1968 to 2017

6 结 论

(1) 1968～2017年，金沙江流域面平均年降水和年实际蒸散发呈显著增加的趋势。21个子流域中，分别有17个子流域的年降水和10个子流域的年实际蒸散发在总体上无显著变化的趋势。50 a间,各子流域气象干旱指标SPI3和SPEI3的周期性均不显著，而分别有10个子流域的SPI3和12个子流域的SPEI3序列呈显著增大的趋势。

(2) 1968～2017年,金沙江流域年径流量无显著变化。21个子流域中，有15个子流域的年径流显著增加，均集中在通天河、金沙江和雅砻江流经的地区。50 a间,各子流域的SRI3指标周期性均不显著，而有19个子流域的SRI3序列呈显著增大的趋势，即这些子流域50 a间在总体上呈显著变湿的趋势。

(3) 金沙江流域1968～2017年间的水文干旱事件总数很多，共计479次，但多数历时较短、强度较小，干旱历时小于3个月、强度小于0.25的水文干旱事件占总干旱次数的59.3%，而历时较长或强度较大的水文干旱事件发生的次数较少，12个月及以上干旱历时、强度大于等于0.75的干旱事件仅占2.3%。

(4) 50 a间,金沙江全流域水文干旱最严重的时期为1968～1977年，最轻的时期为1998～2007年，表现出先减缓后加重的趋势，且其年内分布不均匀，夏秋季节易于发生水文干旱并在秋冬季节最为严重，其中金沙江干流全段和雅砻江中上段的干旱情势相比其他区域更为严重。