黄河流域水文干旱时空特征研究

2023-07-21黄星怡张佳乐杨肖丽胡鹏宇高琳霞

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2023年3期

黄星怡, 张佳乐, 杨肖丽, 胡鹏宇, 高琳霞

(河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098)

黄河流域是我国的生态屏障,在我国经济发展和生态安全方面具有重要作用,黄河流域生态保护和高质量发展被列为五大国家战略之一。随着气候变化以及人类引水量和净用水量的剧增,自20世纪80年代以来,黄河流域极端干旱和干旱的发生频次均有增加的趋势,对流域水资源安全和能源、粮食、生态安全保障带来了极大风险[1-2]。黄河流域在年内和年际尺度上的干旱化趋势都很显著,并且流域各分区呈现不同的突变类型[3],多种不同气候系统影响下各分区的干湿变化的周期性存在时间和空间尺度的差异性[4]。此外,人类活动对径流产生显著影响,水库调度时蓄水量的变化和人类用水量的增加导致了黄河流域水储量和径流的改变,部分子流域内水库调度对水储量变化的影响超过气候变化对水储量变化的影响作用[5-6]。据统计,全流域水资源总量利用率高达84.0%,水资源净消耗率达53.3%,水资源供需矛盾突出。因此,需要采用有效的方式、方法进行有关黄河流域水文干旱情况的研究,揭示人类活动影响下的水文干旱和时空特征。

干旱指数是国内外对于干旱研究中进行干旱评估的常用参数,如帕默尔干旱指数(Palmer Drought Severity Index,PDSI)、标准化降水指数(Standardized Precipitation Index,SPI)、河川径流干旱指数(Streamflow Drought Index,SDI)、标准化径流指数(Standardized Streamflow Index,SSI)[7-10]。干旱指数类型较多,计算方法和所需资料不同,需要选择合适的干旱指数进行相关研究。SHUKLA S等[11]参照标准化降水指数(SPI)这一概念在2008年提出了标准化径流指数(Standardized Runoff Index,SRI),并给出了其计算思路。孙浚凱[12]、李峥嵘等[13]、郑丽虹等[14]采用SRI指标分别研究了浑河流域、长江中下游、黄河流域水文干旱时空分布特征。标准化径流指数(SRI)虽然能表征河流水文干旱状况,却无法评估流域对水文干旱的响应情况。近年来发展的风险指标,如可靠性、弹性和脆弱性(RRV),为定量评估干旱从发生到结束流域状态的变化、确定干旱事件对流域的持续影响和干旱应对能力提供了有效工具。如SADEGHI S H等[15]、HAZBAVI Z等[16]、HOQUE Y M等[17]尝试利用降水、径流量、水质等数据扩展RRV框架的概念范围,评估了流域水资源的可持续性。目前,国内已有的研究成果多采用干旱指数表征干旱情况,将风险指标与干旱指数结合起来进行研究的相对较少。已有的研究成果中,王利平等采用SERV模型只是定量评估了河南省水资源系统的脆弱性[18]。鉴于此,本文拟基于PCR-GLOBWB模型模拟结果,耦合水文干旱指标SRI和风险指标,构建黄河流域水文干旱时空演变特征评估指标(SRI-RRV),定量分析黄河流域水文干旱的时空分布特征和影响机制,基于风险指标评估人类活动对黄河流域水文干旱状态时空演变特征的影响程度。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况

黄河流域流经9个省份,面积约79.5万km2,处于中纬度地带,气候分布差异显著,包含干旱、半干旱和半湿润地区,海拔自西北向东南逐渐降低。流域横跨青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和黄淮海平原4个地貌单元,上游以山地为主,下游以平原、丘陵为主。黄河流域人口众多,人口的分布总体呈现东密西疏、南多北少的特征,人口数量和密度仍在持续增加[19]。黄河流域大、中型水库1998年共153座,2016年217座,其中大型水库从19 座增加到33座。地表水利用方面,1998年全河取水量370 亿m3,其中农业取水量为334.6 亿m3,占90.4%;2016年地表水取水量为392.89 亿m3,其中农田灌溉取水量为286.46 亿m3,占73.0%。黄河流域自20世纪80年代以来气象干旱面积占全流域总面积的一半以上[20]。

1.2 研究数据

将黄河流域1961—2016年日降水量和气温数据作为输入数据(这些数据来源于中国气象数据网http://data.cma.cn/),头道拐、龙门、三门峡、花园口、兰州5个水文站1961—2016年的日径流量为观测数据。PCR-GLOBWB模型中的背景参数、植被参数、土壤参数和地下水参数通过全球共享数据来确定。其中,背景参数根据DEM确定,植被参数采用Global Land Cover Characteristics Data (GLCC)v2.0 map数据确定,土壤参数根据联合国粮农组织(FAO)10 km分辨率的土壤类型图及土壤特性表确定,地下水参数基于美国地质调查局1 km分辨率的Hydro1k数据库确定。黄河流域二级子流域取水量(包括农田灌溉、林牧渔畜、工业、城镇公共、居民生活、生态环境)、耗水量、黄河流域年降水量、水资源总量、水库数量等数据均来自2003—2016年《黄河水资源公报》(http://yrcc.gov.cn/)。按照该《黄河水资源公报》进行子流域划分,如图1所示,黄河流域共有8个水资源二级分区(对于内流区本文不作讨论)。

图1 黄河流域水文站及二级子流域分布图

2 研究方法

2.1 PCR-GLOBWB模型

PCR-GLOBWB模型通过5个主要模块,即气象驱动、地表、地下水、汇流、灌溉和用水模块,对水资源进行较为全面的模拟,其中灌溉和用水模块充分考虑人类用水情况[22]。PCR-GLOBWB模型具有灵活的模块化结构,可以基于气象驱动数据模拟自然状态下的水文过程,也可以启动灌溉和用水模块。在人类活动情景模拟中驱动灌溉和用水模块可以充分考虑人类取用水和水库调节等人类活动的影响。自然情景模拟中关闭该模块,仅考虑降水和气温变化的影响。模型中人类活动影响由灌溉和用水模块直接体现,包括灌溉用水和非灌溉用水(工业、家庭、牲畜)。灌溉需水量根据作物组成和每个单元的灌溉面积计算,非灌溉用水量参考文献[23]的计算方法计算得到。

基于黄河流域5个水文站1971—1989年的观测流量,采用纳什系数(NSE)和相关系数(R)验证模型模拟的精度,结果见表1。表1中的结果表明,考虑人类活动影响的PCR-GLOBWB模型在黄河流域的模拟效果较好,纳什系数均大于0.52,相关系数均高于0.81,表明该模型结果能进一步分析黄河流域水文干旱特征和水文干旱状态的时空分布。

表1 表黄河流域5个水文站月径流量人类活动情景下模拟值的NSE和R值

2.2 标准化径流指数

标准化径流指数(SRI)值是基于长时间系列径流资料得到的[24]。将给定时间尺度的累积径流量的分布通过等概率变换转化为标准正态分布,具体计算方法如下:

1)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均为参数,α>0,β>0,用极大似然法对其进行估算。

对各项的累积频率F(x)进行正态标准化即得到相应的SRI:

(2)

(3)

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。

根据SRI值并参照《气象干旱等级》(GB/T 20481—2006)[25]规定的干旱分级标准,将水文干旱分为无旱(SRI>-0.5)、轻旱(-1.0>SRI≤-0.5)、中旱(-1.5>SRI≤-1.0)、重旱(-2.0>SRI≤-1.5)和特旱(SRI≤-2.0)5个等级。在此基础上,采用游程理论[26]来识别轻旱及以上干旱(SRI≤-0.5)的水文干旱事件的特征(干旱历时、频次和强度)。

2.3 水文干旱时空演变特征评估指标

可靠性、弹性和脆弱性[27-28]将流域内的河网视为一个系统,任何位置都可以在任何给定时间以“满意状态”或“不满意状态”存在。可靠性为系统处于“满意状态”下的概率;弹性为系统处于“不满意状态”后恢复到令人满意状态的速度;脆弱性则表示“不满意状态”对系统造成的损坏程度。

基于模型模拟结果的SRI值,进一步计算可靠性(Rel)、弹性(Res)、脆弱性(Vul)的值。

(4)

(5)

(6)

式中:M是“不满意状态”的数量(SRI值低于阈值的月数);d(j)是第j次“不满意状态”的持续时间;T是时间间隔的总数;Lobs(i)是第i个时间步的SRI值;Lstd(i)是相应的SRI阈值;H是Heaviside函数,该函数可确保公式(6)中的脆弱性计算仅涉及“不满意状态”。Heaviside函数是一个数学上的不连续函数[29];对于负自变量,H=0;对于正自变量,H=1。

为了使Rel、Res和Vul这3个指标保持一致,对RRV值具有积极影响的Rel和Res指标值使用式(7)进行标准化,对RRV具有负面影响的Vul值使用式(8)标准化,Rel、Res和Vul这3个指标值标准化后的值域均为0～1。

(7)

(8)

式中:Y是每个单项指标的标准值;Xi是标准化前各单项指标的值;Xmin和Xmax分别是标准化前各单项指标的最小值和最大值[16,30]。

根据计算所得两种情景下的SRI值和对应的Rel、Res、Vul 3个指标的值计算出两种情景下的RRV综合指数值,即SRI-RRV的值。计算公式如下:

(9)

将SRI-RRV指数值标准化后的结果分为差[0.0,0.20)、较差[0.20,0.40)、一般[0.40,0.60)、较好[0.60,0.80)、好[0.80,1.00]5个等级,用于评定流域的水文干旱状态,分析黄河流域水文干旱风险的时空特征[31]。

3 结果与分析

3.1 黄河流域水文干旱特征时空分布

3.1.1 水文干旱历时时空分布

自然情景和人类活动情景下黄河流域1961—2016年年代际水文干旱平均历时和最大历时箱线如图2所示。

图2 自然和人类活动情景下黄河流域1961—2016年年代际水文干旱平均历时和最大历时箱线图

图2(a)表明:各子流域的水文干旱平均历时年代际变化较小,人类活动延长了水文干旱平均历时;各子流域水文干旱平均历时长短差异大且年代际变化幅度不同;人类活动显著加长了龙羊峡至兰州和花园口以下流域的水文干旱平均历时;龙羊峡至兰州流域1961—1970年自然情景下主要水文干旱平均历时(2.0个月)短于人类活动情景下的(3.6个月),2001—2010年间自然情景下干旱平均历时保持平稳,而人类活动情景下的则长达4.0个月;花园口以下流域人类活动情景下的水文干旱平均历时比自然情景下的长1.0个月。

图2(b)表明:各子流域水文干旱最长历时在各年代际基本无变化;龙羊峡以上区域两种情景下的水文干旱最长历时相近且有改善的趋势,其他子流域的人类活动均加长了水文干旱最大历时;龙羊峡至龙门流域的水文干旱最长历时波动范围较大(1.0～9.0个月),龙羊峡至兰州流域1991—2000年部分地区最长干旱历时高达19.0个月;人类活动情景下龙羊峡到花园口以下所有子流域最长干旱历时的数值范围、均值和中位数均大于自然情景下的;人类活动对黄河流域的各个子流域的水文干旱最长历时的影响显著,尤其是龙羊峡至兰州和花园口以下流域;在龙门至花园口以下这段流域内各年代际自然情景下水文干旱最长历时极值大于人类活动情景下的。2010年年末,黄河流域龙门至花园口以下大中型水库蓄水总量为83.27 亿m3,这可能是中下游水库和闸坝等水利工程对水资源起到了时空调配的作用,缩短了下游极端干旱事件的历时。彭少明等以2014年黄河重旱为例进行分析,发现:黄河流域通过水库群的协同调度能将年度缺水率控制在4.9%～5.7%,将农业缺水率控制在7.0%～11.0%[32]。这些研究结果与本文研究结果一致。

3.1.2 水文干旱强度和频次时空分布

图3是自然和人类活动情景下黄河流域1961—2016年年代际水文干旱平均强度、最大强度和干旱频次统计结果。由图3可以看出:1961—2016年,两种情景下各子流域的水文干旱平均强度和最大强度空间差异性显著;龙羊峡以上和兰州至头道拐流域发生干旱事件的平均强度较弱,其他子流域在1961—2016年都主要发生强度约为2的干旱,且易发生强度更大的干旱事件;龙羊峡以上流域除外,其他子流域在人类活动情景下的干旱平均强度和最大强度都大于自然情景下的。

图3 自然和人类活动情景下黄河流域1961—2016年年代际水文干旱平均强度、最大强度、频次箱线图

黄河流域2003—2016年平均降水量、水资源总量及各子流域地表水和地下水取水量如图4所示。由图4可知,花园口以下流域地表水取水量大且增加迅速,龙门至三门峡流域地表水取水量较大且地下水取水量远大于其他子流域的,由于黄河流域水资源时空分布不均,人类取用水活动可能导致黄河流域水文干旱强度增加。

图4 黄河流域2003—2016年平均降水量、水资源总量及各子流域地表水和地下水取水量

黄河流域各子流域的水文干旱频次各年代际空间分布上差异性显著。龙羊峡以上流域的干旱频次基本都为10次/(10年),且流域间差异小,其他子流域的干旱频次变化范围较大,流域间干旱频次差异明显,龙羊峡至兰州流域2001—2010年间人类活动情景下的干旱频次是0～14次,兰州至头道拐流域2001—2010年人类活动情景下的干旱频次为0～22次,兰州至花园口以下流域人类活动情景的频次均明显大于自然情景下的。人类活动情景下,1961—2016年龙羊峡以上流域总的干旱次数平均为50次,大于龙羊峡至龙门流域的,兰州至头道拐流域的平均干旱频次范围较小,但部分地区能达到100次以上。结合干旱历时和强度可知,龙羊峡以上流域发生干旱的次数多而程度轻,兰州至头道拐流域易出现强度大、历时长的严重干旱。

3.2 黄河流域水文干旱状态时空演变特征

在对SRI-RRV综合指数计算的3个变量中,可靠性指标与水文干旱的次数有关,弹性指标与水文干旱的持续时间有关,脆弱性指标与水文干旱的严重程度有关[26]。两种情景下黄河子流域的可靠性、弹性和脆弱性分布如图5所示。

图5 人类活动情景和自然情景下黄河流域子流域可靠性(Rel)、弹性(Res)、脆弱性(Vul)变化对比图

图5表明:①人类活动情景下,黄河流域的整体可靠性较好,龙羊峡至兰州流域和头道拐至龙门流域的弹性较差,其他子流域的弹性较好;兰州至头道拐流域的可靠性和弹性最大,但脆弱性远小于其他子流域的。②两种情景下,龙羊峡以上流域和龙羊峡至兰州流域的这3个指标值均差别不大。③人类活动情景下,兰州到花园口以下这段流域的可靠性和弹性指标值都大于自然情景下的,兰州至三门峡流域的脆弱性值小于自然情景下的,三门峡至花园口以下流域的脆弱性值大于自然情景下的。表明人类活动显著影响黄河中下游水文干旱情况,降低黄河中下游发生水文干旱的概率,加快中下游发生水文干旱后恢复的速度,减轻下游水文干旱的破坏程度。这可能是水库径流调节的结果。与此同时,人类活动会增加水文干旱对黄河中游的破坏程度。

人类活动和自然情景下的黄河流域年代际SRI-RRV综合指数值空间分布如图6所示。由图6可以看出:黄河流域大部分区域水文干旱状态处于一般及以上的情况,且各年代际差异较小;两种情景下,水文干旱状态较差的地区主要分布在流域上中游地区,如龙羊峡以上西部和头道拐至龙门中部,但自然情景下水文干旱状态较差的区域明显少于人类活动情景下的。

图6 人类活动和自然情景下黄河流域年代际SRI-RRV综合指数值空间分布

人类活动和自然情景下黄河流域各子流域SRI-RRV综合指数平均值如图7所示。

由图7可以看出:

1)人类活动情景下,流域水文干旱状态空间差异性大,龙羊峡至花园口以下流域的SRI-RRV指数值明显小于自然情景下的,且除龙羊峡以上流域的其他子流域的SRI-RRV指数均值要远小于自然情景下的,表明人类活动导致了这些地区水文干旱状态的恶化。

2)人类活动情景下,各子流域SRI-RRV指数均值在1961—2010年这个时段变化幅度较小,人类活动情景下龙门至三门峡流域的水文干旱状态一般、较好和好的区域面积都较大,但自然情景下该区域健康状态好的区域明显大于人类活动情景下的,这可能是该区域灌区较多、灌溉面积大、需水量大(图4),导致部分区域水文干旱状态恶化。