基于SRI的浑河流域水文干旱特征分析

孙浚凱

(辽宁省大伙房水库管理局有限责任公司，辽宁 抚顺 113000)

干旱是一种影响范围大、发生频率高、具有累积效应且危害严重的自然灾害，对社会经济特别是农业生产具有重大影响。近年来，由于全球气候变化和人类活动的影响，极端天气增多，导致旱灾和洪涝灾害造成的影响越来越大[1]。目前干旱指数是研究地区干旱动态特征，科学评估干旱风险的重要依据[2-8]，国内外干旱评价指标很多，根据分类标准和评价目的的不同，所采用的干旱评价指标也不相同。标准化径流指数(Standardized Runoff Index,SRI)[9]是常用于水文干旱监测评估的干旱指标，该方法基于样本独立同分布及时间序列的平稳性假设。SRI基于不同尺度月径流量建立，能够在不同时间尺度上计算，适用于不同气候区的干旱检测和变化特征分析，被广泛接受的一种水文干旱指数，近些年来得到了广泛应用。邵进等[10]以一种新的思路推导出了标准化径流指数的计算方法,并用于旱涝的分布及其变化规律的研究，具有较好的实用效果。任立良等[11]采用标准化径流指数剖析水文干旱时空演变特征，并提出多种SRI参数化方案，对比评定了各方案表征非平稳干旱的合理性以及环境变化对干旱演变的影响作用。郑嵛珍等[12]采用标准化径流指数分析环境变化前后荆南三口河系水文干旱演变特征。李敏等[13]研究了在变化环境下标准化径流指数和时变标准化径流指数对干旱事件描述识别的差异及影响因素。浑河流域大部属于温带半湿润半干旱的季风气候，降雨时空分布不均，易发生干旱事件，连续的干旱对浑河流域造成严重影响，使得农业供水紧张，甚至工业及城市用水得不到保证。基于此，本文采用SRI指标对浑河流域水文干旱时空演变特征进行分析，通过对旱涝区域分布及其变化规律的研究，以期为浑河流域合理开发利用水资源，促进流域经济社会可持续发展提供参考。

1 研究区概况

浑河发源于辽宁省清原县弯甸子乡境内的长白山支脉滚马岭，海拔高程750 m，全长415 km，流域面积11 481 km2。浑河流域跨东经112°20′至125°15′，北纬41°00′至42°15′，浑河流域大部属于温带半湿润半干旱的季风气候，冬季寒冷干燥， 降水稀少； 夏季炎热多雨。浑河中上游流域多年平均降水量780 mm，蒸发量为1 230 mm，浑河流域多年平均25.0亿m3，降雨主要集中在7、8月份，此间降雨约占全年降水的48.5%。浑河流经辽宁中部城市群，这里传统的重工业相对发达，也是浑河流域人口分布密集的区域。

2 数据及方法

2.1 研究数据

本文选取浑河流域(图1)北口前(二)、沈阳(三)和邢家窝棚3个水文站作为流量控制站，3个水文站来水均流入大辽河，集水面积分别为1 832、7 919、11 090 km2，至大辽河河口距离分别为311、174、57 km，北口前(二)、沈阳(三)和邢家窝棚3个水文站点分别代表浑河上、中、下游流域。本文基于3个水文站1975—2014年的逐月平均径流数据，对浑河流域的干旱特征进行分析、研究，数据摘自《中华人民共和国水文年鉴》第2卷辽河流域水文资料(第3册——浑河、太子河水系)。

图1 浑河流域

2.2 研究方法

2.2.1研究指标及等级划分

标准化径流指数SRI采用伽马分布概率来描述径流量的变化，对呈现偏态概率分布的径流量进行正态标准化处理得到标准化径流指数，具体计算方法[9]如下：假设某一时间尺度的径流量为x，则满足伽马分布的概率密度函数为：

(1)

式中α、β——参数，α>0、β>0，用极大似然法对参数进行估算。

一定时间尺度的径流量x的累积概率为：

(2)

对各项的累积频率F(x)进行正态标准化即得到相应的SRI：

(3)

(4)

式中c0=2.515 517；c1=0.802 853；c2=0.010 328；d1=1.432 788；d2=0.189 269；d3=0.001 308。

本文干旱等级参照GB/T 20481—2006《气象干旱等级》[14]规定的干旱分级标准对计算结果进行分级，见表1。

表1 标准化径流指数干旱分级

2.2.2游程理论及干旱识别

根据标准化径流指数(SRI)，采用游程理论[15]对干旱事件进行识别，设SRI0=-0.5,当SRI≤SRI0，呈现出干旱特征，从SRI值开始小于等于SRI0时刻(t1)起，至SRI值重新大于等于SRI0时刻(t2)止，作为一次干旱事件，游程总量S为干旱烈度，游程历时Dt2-t1为干旱历时。本文假设如果2次干旱过程中间有且只有1个月的SRI值大于SRI0且小于SRI1(SRI1=0)，认为这两次干旱是从属干旱，可合并成一次干旱过程，合并后的干旱历时D=D1+D2+D0，干旱烈度S=S1+S2。图2为干旱事件定义，图中D为干旱历时，其中D0=1,S为干旱烈度，L为干旱间隔。

图2 干旱事件定义

定义一次干旱事件的干旱烈度，计算公式如下：

(5)

式中t——某次干旱(即SRI≤-0.5)开始的时刻，t=1；T——本次干旱结束的时刻；D——某次干旱事件干旱总历时。

2.2.3干旱趋势性分析方法

Mann-Kendall趋势性检验法是一种非参数趋势检验方法，被广泛应用于降雨径流等水文气象的时间系列分析。具体计算过程[16]如下，对于一个有n个样本的时间系列x，构造秩系列：

(6)

式中 当xi

构造统计量U来进行无显著性趋势的假设检验：

(7)

(8)

给定显著性水平α，根据样本容量查表得临界值Uα/2，如果U>Uα/2，表明具有显著的增加趋势；U<-Uα/2，表明具有显著的减少趋势。

3 结果分析

3.1 浑河流域干旱年际变化趋势特征分析

分别计算浑河流域北口前(二)、沈阳(三)和邢家窝棚3个水文站12月尺度的SRI序列，并绘制SRI序列年际变化趋势和5年滑动平均线，见图3。由图3可知，浑河流域北口前(二)、沈阳(三)和邢家窝棚3个水文站SRI年际变化曲线波动较大，易出现重涝、重旱现象，且3个水文站SRI曲线形状具有较高的一致性。根据5年滑动平均线和趋势线可知，浑河流域1975—2014年40年来SRI序列整体呈现上升趋势，其中沈阳(三)和邢家窝棚站SRI序列变化趋势较显著，即流域干旱化趋势减弱，中、下游流域干旱化趋势减弱较显著。同时，5年滑动平均线表现出较好的周期性，平均每14～16年经历一次旱、涝过程。

a)北口前(二)站

b)沈阳(三)站

c)邢家窝棚站图3 代表站SRI序列年际变化趋势

根据标准化径流指数(SRI)，采用游程理论对干旱事件进行识别，得到场次干旱的干旱历时和干旱烈度特征值，然后按年代分别统计不同代表性水文站在各个时期的干旱次数、干旱历时和干旱烈度以及最长干旱历时和最大干旱烈度，见表2。

由表2可知，在1975—1984年，北口前(二)、沈阳(三)和邢家窝棚3个水文站发生干旱次数相差不大，但平均干旱历时、干旱强度、最大干旱烈度依次减小，表现为北口前(二)站所控制的上游区域场次干旱较为严重；在1985—1994年，北口前(二)、沈阳(三)和邢家窝棚3个水文站发生干旱次数依次增大，但平均干旱历时、干旱烈度、最大干旱历时和最大干旱烈度依次减小，表现为流域上游干旱发生次数少但场次干旱程度较重，下游干旱发生较频繁但程度较轻，总体从上游至下游干旱逐渐减弱；在1995—2004年，北口前(二)、沈阳(三)和邢家窝棚3个水文站发生干旱次数依次减少，最大干旱历时和最大干旱烈度也依次减小，平均干旱历时和平均干旱强度沈阳(三)站最大，表现为沈阳(三)站所控制的中游流域干旱较为严重；在2005—2014年，北口前(二)站发生干旱次数明显减少，3个水文站控制区域平均干旱历时、干旱强度、最大干旱历时和最大干旱烈度从大到小依次为沈阳(三)站、邢家窝棚站和北口前(二)站，表现为沈阳(三)站和邢家窝棚站所控制的中、下游流域干旱较为严重。

表2 1975—2014年浑河流域代表水文站干旱事件统计

分别绘制浑河流域北口前(二)、沈阳(三)和邢家窝棚3个水文站12月尺度的SRI序列和年降雨量年际变化，见图4。由图4可知，北口前(二)、沈阳(三)和邢家窝棚3个水文站SRI年际变化曲线与各自站年降雨量变化趋势具有较好的一致性，表明降水对流域水文干旱具有较大影响。

a)北口前(二)站

b)沈阳(三)站

c)邢家窝棚站图4 代表站SRI序列及降雨量年际变化

3.2 流域不同季节干旱年际变化特性分析

分别计算浑河流域北口前(二)、沈阳(三)和邢家窝棚3个水文站4个季节3月尺度的SRI(表3)，以分析流域干旱的季节性。本文春季取每年的3—5月，夏季取6—8月，秋季取9—11月，冬季取12月至次年2月。用Mann-Kendall方法检验3个水文站不同季节和年尺度SRI的趋势性，以α1=0.10作为具有轻微趋势的置信水平，α2=0.05作为具有较显著趋势的置信水平，查表得其临界值分别为Uα1/2=±1.645和Uα2/2=±1.960。

由表3可知，年尺度SRI序列的统计量U值均大于零，且邢家窝棚站统计量U值(1.748)大于1.645，表明三站干旱化趋势均减弱，其中邢家窝棚站趋势轻微显著，北口前(二)站、沈阳(三)站趋势不显著。春季3个水文站SRI序列的统计量U值均大于0，且沈阳(三)站和邢家窝棚站的统计量U值均大于1.960，即SRI序列有上升趋势，表明春季3个水文站所控制区域干旱化趋势均减弱，其中沈阳(三)站和邢家窝棚站干旱减弱趋势较显著；夏季3个水文站SRI序列的统计量U值均大于0，但3个水文站SRI序列的统计量U值均小于1.645，即SRI序列有不显著的上升趋势，表明夏季3个水文站所控制区域干旱均呈不显著减弱趋势；秋季北口前(二)站和沈阳(三)站SRI序列的统计量U值均接近于0，无明显变化趋势，邢家窝棚站SRI序列的统计量U值(-0.303)小于0但大于-1.645，表明秋季邢家窝棚站干旱呈不显著的增大趋势；冬季3个水文站SRI序列的统计量U值均大于0且均大于1.960，即SRI序列具有显著的上升趋势，表明冬季3个水文站所控制区域干旱均呈显著减弱趋势。

表3 不同季节SRI和年SRI序列的M-K检验结果

综上所述，流域在春、夏、冬季总体上干旱化趋势减弱，春、冬季呈现较显著的湿润化趋势；夏季呈现不显著的湿润化趋势；秋季呈现不显著的干旱化趋势。

分别绘制浑河流域四季北口前(二)、沈阳(三)和邢家窝棚3个水文站年降雨量年际变化，见图5。由图5可知，3个水文站点春、冬季降水量均呈增加趋势，夏季北口前(二)站点降水量呈减少趋势，沈阳(三)和邢家窝棚2个水文站降水量呈减少趋势，秋季3个水文站点降水量均呈减少趋势，流域降水分布及季节变化趋势与流域水文干旱分布及季节变化具有较高一致性，表明降水对流域不同季节水文干旱具有较大影响。

a)春季

b)夏季

c)秋季

d)冬季图5 代表站四季降水量年际变化

3.3 流域干旱空间分布特征分析

根据一个月尺度SRI序列及干旱等级划分标准，统计1975—2014年北口前(二)、沈阳(三)和邢家窝棚3个水文站不同干旱程度的发生月数，3个水文站发生干旱的频次依次为26.5%、46.0%和32.5%，表明浑河流域中游区域最容易发生干旱，其次是下游区域，上游发生干旱频次最小。统计3个水文站不同程度干旱数占总干旱数的比例，见表4。由表4可看出，3个水文站所控制区域均以轻旱为主，占全部干旱月数的69%～78%，其次是中旱，特旱发生频次最小。其中邢家窝棚站所控制区域发生重旱和特旱的频次高于北口前(二)站和沈阳(三)站所控制区域，干旱发生频次分别为8.3%、1.3%，在统计时间范围内北口前(二)站控制区域未发生重旱和特旱，沈阳(三)站控制区域未发生特旱，综上所述，浑河流域上游发生干旱的频次最小，且以轻旱和中旱为主；中游发生干旱的频次最大，以轻旱和中旱为主；下游发生干旱的频次较大，且较中上游更可能发生重旱和特旱。

表4 不同水文站不同程度干旱发生频次

根据浑河流域北口前(二)、沈阳(三)和邢家窝棚3个水文站4个季节3月尺度的SRI(表3)可知，春、冬季SRI序列的M-K检验统计量U值从上游(北口前(二)站)至下游(邢家窝棚站)依次增大，表明由上游至下游春、冬季干旱化趋势逐渐减弱；夏、秋季SRI序列的M-K检验统计量U值从上游(北口前(二)站)至下游(邢家窝棚站)依次减小，表明由上游至下游夏、秋季干旱化趋势逐渐增强。

4 结论

a) 浑河流域1975—2014年40年来干旱化呈减弱趋势，旱涝过程具有较好的周期性，平均每14～16年经历一次旱涝过程。

b) 浑河流域的干旱在时间上呈现季节特征，春、夏、冬季总体上干旱化趋势减弱，春、冬季呈现较显著的湿润化趋势，夏季呈现不显著的湿润化趋势，秋季呈现不显著的干旱化趋势，降水对流域水文干旱趋势和季节差异具有较大影响。

c) 浑河流域上游发生干旱的频次最小，以轻旱和中旱为主；中游发生干旱的频次最大，以轻旱和中旱为主；下游发生干旱的频次较大，且较中上游更可能发生重旱和特旱。总体上流域由上游至下游春、冬季干旱化趋势逐渐减弱，夏、秋季干旱化趋势逐渐增强。