基于SPI和SRI的马别河流域气象与水文干旱相关性分析

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　　摘要：利用马别河流域1982-2015年逐月降水量和径流量资料，采用标准化降雨指数（SPI）和标准化径流指数（ SRI）分析马别河流域气象与水文干旱特征，并探索气象与水文干旱之间的相关性。结果表明，1982-2015年，马别河流域每2-3年会出现1次不同程度的干旱，年尺度上，气象干旱变化趋势不显著;季尺度上，秋旱有显著加重趋势，春、夏、冬三季变化趋势不显著;年尺度上，水文干旱有显著加重的趋势，2000年后水文干旱频率明显增加，干旱年数占1982-2015年水文干旱年数的70%。马别河流域气象与水文干旱之间有紧密的相关性和一定的时滞性，1、3、6、12个月的时间尺度中，12个月尺度的SPI12与SRI12相关性最好，水文干旱滞后气象干旱1个月。
　　关键词：气象干旱;水文干旱;标准化降雨指数;标准化径流指数;马别河流域
　　中图分类号：P429;S423
　　文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（ 2020）12-0040-05
　　D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.12.008
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　干旱是指因降水减少或入境水量不足，造成工农业生产和城乡居民生活以及生态环境正常用水需求得不到满足的现象。干旱具有频率大、持续时间长、影响范围广等特点，对国民经济建设尤其是对农业生产造成严重危害，是许多国家和地区最常见的自然灾害之一。干旱分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱4种类型，其中气象干旱是旱情的预警，水文干旱预示旱情已出现，并有进一步发展为旱灾的可能。
　　干旱指标是用于研究和评定干旱情况的定量标准，据统计，目前有100多种不同的旱情指标，常用的气象干旱指标有降水距平指标、降水Z指数、帕尔默干旱指数（Palmer drought severity index，PDSI）、标准化降水指数（ Standardized precipitation index，SPI）等[1-4]，其中由世界气象组织’51推荐的标准降水指数计算数据简单，具有多尺度等特点，是采用较广泛的干旱指标，在干旱状况分析中应用较普遍。常用的水文干旱评价指标有径流量z指数[6]、地表供水指数[7]（Surface water supply index，SWSI）和标准化径流指数[8]（Standardized runoff index，SRI）等，其中SRI计算方法与SPI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，在水文干旱识别研究中应用较多[9，10]。
　　国内外在气象干旱与水文干旱的历时相关性上取得了一些研究成果。Vicente-Serrano等[11]在地中海沿岸的Aragon流域研究表明，该流域水文干旱比气象干旱滞后1-4个月;李运刚等[12]采用标准化降水蒸散指数（SPEI）和径流干旱指数（SDI）研究红河流域气象水文干旱演变关系，表明红河流域水文干旱滞后于气象干旱1-8个月;吴杰峰等[13]利用游程理论研究表明晋江流域水文干旱滞后气象干旱1.45个月。
　　本研究采用SPI和SRI，分析马别河流域气象和水文干旱特征及其发展趋势，并利用相关分析法探索气象干旱与水文干旱之间的相关性。本研究分析马别河流域干旱特征和变化规律对于指导其水资源规划和抗旱等工作具有一定的实用价值。
　　1 研究区概况与资料
　　马别河位于贵州省西南部，属于亚热带季风气候区，是珠江流域西江水系上源南盘江下游段的支流，发源于贵州省盘县老厂，流经普安县、兴义市、兴仁县，在安龙县汇人南盘江，全长142.5 km，流域面积2 924 km2，河口平均流量75.7m3/s。马别河流域多年平均降水量为l 200 mm，降水量年内分配不均，5-8月降水量约占全年的65.1%;降水年际变化也较大，最大年和最小年降水之比为4.8倍。由于降水时空分布不均匀，季节性差异较大，易形成旱灾。马别河流域地勢北高南低，河流穿行于山丘区，经济以农业为主。马别河流域水资源开发利用程度总体低，干流没有水库工程，仅在支流上建有幸福水库、隔界河水电站、石桥河一级水电站和石桥河二级水电站等4座径流式水电站，已建支流的水电站库容较小，调节能力有限。
　　本研究所用资料为1982-2015年地瓜、老厂、青山、楼下、马岭、顶效、枫塘等7个站点降水量和马岭站的径流量数据，该资料是无缺值的连续资料，在马别河流域相关研究分析中得到广泛的应用，其中马岭站控制集雨面积2 277 km2，占马别河流域面积的77.9%。本研究采用的马别河流域气象和水文站点地理位置如图1所示。
　　2 研究方法
　　2.1 标准化降雨指数
　　标准化降雨指数（SPI）由Mckee等于1993年提出，是世界气象组织（WMO）推荐的干旱评估指标。该指数计算数据简单，具有多尺度等特点，在干旱状况分析中应用较普遍，在中国已得到广泛的应用。
　　SPI是一个标准化指数，反映降雨量可能出现的机会率。SPI负值代表雨量偏少，而SPI正值则代表雨量偏多。干旱严重程度可根据相应SPI的负值大小来划分等级，SPI负值越大表示干旱越严重。
　　当F> 0.5时，S=1;当F≤0.5时，S=-1。其中，c0=2.515 517， cl=0.802 853， C2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。最终，通过式（4）计算的Z即为标准化降水指数的计算值。
　　根据《气象干旱等级》（GB /T20481-2017）中干旱的等级划分标准，对流域干旱等级进行划分，SPI>-0.5为无旱;-1.0
　　2.2 标准化径流指数 　　标准化径流指数（SRI）是Shukla等L81于2008年参照标准化降水指数这一概念提出的，反映河川径流量可能出现的机会率。SRI负值代表径流量偏少，SRI正值则代表径流量偏多。标准化径流指数计算方法与标准化降水指数类似，可以进行多时间尺度分析，目前在水文干旱研究中应用较多，通常将水文干旱等级划分为5等，SRI>-0.5为无旱;-1.0
　　2.3 相关分析法
　　利用线性相关分析法分析干旱变化趋势和气象与水文干旱之间的相关性。设直线方程的形式为：
　　y= ax+b
　　（6）
　　式中，x为自变量，y为倚变量;a为线性斜率，b为常数。a和b采用最小二乘法进行估计。若a>0，则说明x与y线性正相关;若a<0，则说明x与y线性负相关。x与y的相关性大小由线性相关系数r决定，r2≤1，r2越接近1，则x与y线性相关越强。
　　3 结果与分析
　　3.1 气象干旱
　　SPI可以适应各种时间尺度，如1、2、3、6、12个月（简称为SPI1、SPI2、SPI3、SPI6、SPI12），本研究分别利用3、12个月尺度的SPI指数来表示季节和年尺度的干旱特征。
　　3.1.1 年际变化采用12个月时间尺度的SPI12识别1982-2015年马别河流域年尺度的干旱情况，计算结果如图2所示，有5个不同长度的时段发生干旱，分别是1984年、1987-1989连续3年、1992年、2004-2005年连续2年、2009-2013连续5年，与《贵州水旱灾害》[14]和《兴仁县水利志》[15]中记录的干旱年份具有一致性，说明SPI指数能够客观反映实际干旱情况。年尺度的SPI序列拟合的趋势线线性斜率a为负数，但其线性斜率没有通过0.05的显著性检验，表明年尺度上，马别河流域干旱有加重趋势，但趋势不显著。2000年以后干旱的年份偏多，2001-2015年的15年中有7年发生干旱，占1982-2015年干旱年份的58%，表明2000年以后氣象干旱频率有所增加。
　　3.1.2 季节变化 贵州省农业冬旱发生在上年12月至本年2月，春旱发生在3-5月，夏旱发生在6-8月，秋旱发生在9-11月。本研究采用3个月尺度的SPI3识别不同季节的干旱情况，其中2月SPI3识别冬旱期，5月SPI3识别春早期，8月SPI3识别夏旱期，11月SPI3识别秋旱期。先计算7个雨量站点逐月的3个月尺度SPI3，再统计7个雨量站点2月SPI3.5月SPI3、8月SPI3和11月SPI3的均值，然后采用线性趋势线分析干旱变化趋势，计算成果见图3。由图3可知，2月SPI3、5月SP13、8月SPI3和11月SPI3序列分别表示1982-2015年冬旱、春旱、夏旱和秋旱的变化过程，4组SPI3序列拟合的线性斜率n均为负数，但只有秋季11月SPI3序列的线性斜率通过了0.05的显著性检验，说明秋旱有显著的加重趋势，其他季节加重的趋势不显著。
　　根据2、5、8、11月SPI3分别识别出马别河流域1982-2015年冬旱、春旱、夏旱和秋旱不同等级干旱年份，结果见表1。马别河流域8次重旱以上级别的干旱中有6次发生在2000年后，表明2000年后干旱发生等级有加大趋势;2000年后秋旱发生的比例占66.7%，说明秋旱发生频率有加大趋势。
　　3.2 水文干旱
　　采用12个月尺度的SRI12来分析1982-2015年马别河流域年尺度的水文干旱情况，结果如图4所示，有4个不同长度时段发生干旱，分别是1988-1989连续2年、1992年、2004-2005年连续2年、2009-2013年连续5年。年尺度的SRI序列拟合的趋势线线性斜率a为负数，且其线性斜率通过了0.05的显著性检验，说明水文干旱有显著加重的趋势。2000年以后干旱的年份明显偏多，2001-2015年的15年中有7年发生干旱，占1982-2015年水文干旱年数的70%，表明2000年后水文干旱频率明显增加。
　　3.3 气象与水文干旱的相关性
　　分别计算马别河流域不同时间尺度的SPI和SRI，并进行相关性分析，结果显示，1、3、6、12个月时间尺度的SPI与SRI的相关系数分别为0.58、0.71、0.79和0.89，以上相关系数均通过0.05的显著性水平检验，表明马别河流域气象干旱和水文干旱有明显的相关性，其中12个月时间尺度的相关系数最大，表明12个月时间尺度的相关性最好。
　　将12个月尺度的SPI和SRI进行对比分析，1982-2015年出现气象干旱141个月，出现水文干旱128个月，可见发生水文干旱的概率比气象干旱要小，且由图5可以看出，在气象干旱历时较短或强度较小的情况下，水文干旱不一定会出现，且水文干旱相对于气象干旱有一定的滞后性。为进一步探讨水文干旱与气象干旱的时滞性，分别对1982-2015年SPI12序列与同期、滞后1个月、滞后2个月……11个月的SRI12序列进行相关性分析，其中同期至滞后6个月的序列均通过了0.05的显著性水平检验，相关系数分别是0.85、0.87、0.79、0.69、0.60、0.52和0.43，可见，SPI12与滞后1个月的SRI12相关系数最大，表明马别河流域水文干旱滞后气象干旱1个月。
　　4 小结
　　本研究采用标准化降雨指数和标准化径流指数分析马别河流域气象和水文干旱的特征与变化趋势，并探讨水文与气象干旱的相关性，得出主要结论如下。
　　1） 1982-2015年，马别河流域在气象干旱方面，季尺度的秋旱有显著加重趋势;在水文干旱方面，年尺度的水文干旱有显著加重趋势;2000年后气象和水文干旱发生频率都有显著增加。
　　2）马别河流域气象与水文干旱之间有紧密的相关性和一定的时滞性，1、3、6、12个月的时间尺度中，12个月尺度的SPI12与SRI12相关性最好，水文干旱滞后气象干旱1个月。 　　由于SPI和SRI2项评价指标自身的局限性，其中SPI仅考虑了降水量，SRI仅考虑了径流量，而影响干旱的因素还包括气温、蒸散发量、地下水位和水库蓄水状态等，因此有待于进一步进行多因子综合研究。
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　　基金项目：贵州省农业攻关计划项目（黔科合支撑[2016]2561号）;贵州省水利厅科研项目（KT201606）
　　作者简介：曾碧球（1977-），男，湖南新化人，高级工程师，主要从事水资源调度和干旱预警预测研究工作，（电话）13560082265（电子信箱）15470846@qq.com。
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