西江流域水文干旱時空特征分析

吳志勇,林青霞

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京　210098; 2.河海大學水問題研究所,江蘇 南京　210098)

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西江流域水文干旱時空特征分析

吳志勇1, 2,林青霞1, 2

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098; 2.河海大學水問題研究所,江蘇 南京210098)

摘要：選取1951—2010年西江干、支流上5個典型水文站的實測日徑流資料,基于標準化徑流干旱指數(SRDI)研究了西江流域水文干旱的時空變化特征。結果表明:①1951—2010年西江流域的水文干旱主要發生在1950 s、1960 s和2000 s,1950 s冬季、1960 s春季、1980 s夏季和2000 s秋季是干旱頻發的時期;②西江年最大干旱日數在同一站點連續出現的時間不超過5年。流域內輕旱的發生范圍有擴大趨勢,而極旱則相反,多向區域發展。③西江流域的水文干旱具有區域性,4條支流同期的干旱發生水平差異較大,過去60年間只1963年、1989年、1991年、2009年和2010年4條支流同時發生了水文干旱。

關鍵詞：水文干旱;標準化徑流干旱指數;西江流域

西江流域降水時空分布不均,干旱是其主要災害性天氣之一[1-2]。該流域在1962—1963年經歷了嚴重干旱,1984—1992年出現了長達9年的連續干旱。近年來,極端干旱和長歷時多年連旱出現了頻發趨勢,2003年以來,流域內的廣西壯族自治區出現了3次特大干旱災害(2003/2004,2004/2005,2009/2010),對廣西的農業生產造成了極大影響[3-4],全球商業網絡咨詢公司(global business network,GBS)在《氣候突變的情景及其對美國國家安全的意義》的報告中甚至指出該地區在2010年前后可能進入10年的干旱期,氣候變化背景下極端水文事件的頻發不僅是政策制定者和公眾普遍關心的問題,也成為國內外科學研究的熱點問題[5-7]。

認識變化環境下水文干旱的時空變化特征,對合理調整農業種植結構、優化配置水資源方案和規避干旱災害風險起著重要的指導作用[8]。現階段國內外學者就此開展了一系列研究,但多數研究關注于氣溫、降水和徑流等要素在年代季尺度上的時空變化[9-10],忽略了水文氣象要素長期異常引發的水文干旱特征分析。近年來,西江流域極端水文干旱和多年連旱給廣西壯族自治區自然生態系統、農業種植系統和社會經濟系統帶來了多方位、多層次的負面影響,但針對極端水文干旱研究仍不足[11-12]。因此,本文研究的目的在于揭示1951—2010年西江流域一般水文干旱和極端水文干旱的時空變化特征,以期為制定有效防旱抗旱政策和設計防災減災工程提供科學依據。

圖1　西江流域重要河流水系及5個典型水文站點分布

1研究區概況及資料

西江發源于云南,流經貴州、廣西和廣東,在珠海市注入南海,干流長2 214 km,由南盤江、紅水河、黔江、潯江、西江等5個河段組成,主要支流有北盤江、柳江、郁江、桂江及賀江等,流域面積36萬km2。西江干流水流平緩、河床穩定,年平均徑流量僅次于長江,為黃河的5倍。流域橫跨中、南亞熱帶,氣候溫暖多雨,夏長冬短。流域西部為云貴高原,中部丘陵、盆地相間,東南部為三角洲沖積平原,地勢西北高,東南低。西江流域水資源量豐富,但區域分布不均,水資源量變化的總趨勢為從東南向西北遞減。

本文的基礎資料為西江干流高要水文站及主要支流紅水河、郁江、柳江和桂江上的4個典型代表站(遷江站、貴港站、柳州站和平樂站)1951—2010年實測日徑流資料,資料來源于國家水利部水信息中心。西江流域重要河流水系及5個典型水文站點分布見圖1。

2研究方法

干旱指數是監測、評價、研究干旱發生發展的基礎。近一個世紀以來,國內外學者提出了各種形式的干旱指數[13]。Zaidman等[14]為了監測水文干旱的變化情況,提出了標準化徑流干旱指數(SRDI)。將天然徑流序列以日為單位分成366個子序列,并采用對數正態分布擬合子序列,經過標準化得到徑流干旱指數,其數學表達公式如下:

(1)

根據式(1)計算西江流域5個典型代表站的SRDI系列,并驗證其是否滿足正態分布。QQPlot值用于直觀驗證一組數據是否來自某個指定分布,若序列X服從正態分布,則圖上經驗點排列成一條直線。以遷江站為例,SRDI能較好地服從于正態分布(圖2),可采用與SPI類似的干旱等級劃分標準[14]。

圖2　西江上游遷江站SRDI序列與標準正態分布的QQPlot圖

張世法等[15]依據我國各省的年受旱率、成災率,計算了干旱災害綜合指標。西江流域出口高要水文站的SRDI系列與以上干旱災害綜合指標(廣西省)的相關系數為0.66,體現出較好的相關性,表明SRDI能夠適用于西江流域水文干旱的研究。

3結果與分析

3.1　區域水文干旱時空變化的總體特征

干旱頻率常用以反映區域干旱在時間和空間上的發生頻繁程度,是抗旱工程規劃設計、旱災風險管理的重要統計參數。干旱的發生通常由氣象要素的長期異常引起,我國氣溫和降水均存在較明顯的年代際變化[9],隨之發生的干旱也表現出相應特征[17-18]。因此,全時段的干旱研究可能漏失局部變化。為此,本文按年代劃分了研究時期,統計分析了西江流域水文干旱頻率的季節分布(圖3)和空間分配(圖4),以明確過去60年水文干旱在不同年代的時空變化特征。圖3反映了各年代西江流域水文干旱的發生頻率存在差異。1950s冬季干旱發生頻率遠高于其他季節,輕、中旱頻率分別超過了同期平均的47.7%和53.3%,但重、極旱頻率低于夏季和春季。1960s和1970s干旱主要發生在春季,前者干旱多發體現在重旱和極旱上,而后者體現在輕、中旱上。1980s夏季干旱發生頻率高,超過同期季節平均的39%,且體現在中、重和極旱上,均超過了季節平均的44%,表明1980s的夏旱十分嚴重。1990s和2000s的干旱主要發生在秋季,前者主要體現于中旱,后者多體現于更為嚴重的干旱。其中,重旱頻率超過了平均水平的47.5%,極旱頻率更是高達平均水平的2倍,表明2000s的秋旱極為嚴重。總體而言,1950s、1960s和2000s是西江流域這60年的干旱頻發期,干旱頻率分別為34.6%,34.7%和35.2%。1950s主要體現為冬季中旱頻發,1960s主要體現為春季重旱和夏季極旱的頻發,2000s主要體現為秋季重極旱的頻發。

圖3　西江干流年代際不同等級干旱季節發生頻率統計

水文干旱的影響范圍廣、具有空間變異性。但是,受限于水文資料難以獲取以及河道間復雜的水力聯系,當前對西江流域水文干旱空間特征的研究仍不多見。為此,本文計算了1951—2010年各年代4條支流上不同等級水文干旱的干旱日數距平(圖4),以初步探究西江流域水文干旱在年代際上的空間分布特征。

圖4　西江4條支流不同等級水文干旱年代際發生水平的空間分布

圖4顯示各年代水文干旱發生水平的空間分布存在差異,1950s干旱主要集中在紅水河,較區域平均值偏高17d/a,郁江和桂江接近平均水平,而柳江偏低。紅水河以輕旱偏多最為顯著,重、極旱偏多的情況主要發生在桂江;1960s水文干旱在郁江和柳江分別偏多12d/a和11d/a,而紅水河和桂江偏少12d/a;1970s的水文干旱在桂江和柳江分別偏多18d/a和8d/a,郁江偏少26d/a;1980s紅水河和柳江分別偏多14d/a和10d/a,郁江偏少20d/a,但偏少主要體現在輕、中旱上;1990s的干旱在柳江雖僅偏多8d/a,但主要體現在重、極旱上,同時郁江的重、極旱亦偏多。相反地,桂江的重、極旱分別偏少9d/a和12d/a;2000s水文干旱在郁江和柳江分別偏多22d/a和14d/a,而紅水河與桂江的水文干旱相對較少,紅水河的偏少水平為27d/a,較桂江更為明顯。

3.2　極端水文干旱的時空變化特征

區域干旱要素的統計分析使筆者認識到了西江流域水文干旱在年代際上的一般變化規律。極端水文干旱引起的灌溉、供水等不足將給農業生產和社會經濟帶來更為嚴重的影響,值得加深對其的關注和研究。全流域年最大干旱日數及其出現位置(圖5)在一定程度上反映了干旱在時空上的發生水平和分布特征,可作為極端水文干旱研究的一項指標。掌握其變化規律有助于合理地調配西江流域不同地區間的水資源,科學改善當前區域水資源分配不均的現狀。

圖5　1951—2010年西江年最大水文干旱日數及相應站點統計

圖5顯示年最大干旱日數呈鋸齒狀波動,對應站點位置亦隨年份變化,未見周期規律。整體干旱的年最大干旱日數主要出現在西江上游紅水河(1950s, 1970s, 1980s),支流郁江(1970s, 1980s, 1990s)和柳江(1960s, 2000s)。其中,最大年干旱日數的極大值(≥250 d)多出現在柳江。相反,桂江只在1998年出現全流域最大值。西江干流因為綜合了各支流的豐枯特征,因此年干旱日數一般小于支流,僅2000和2007年出現全流域最大值。

圖6顯示了不同等級水文干旱極端值的空間分布(圖6)。4條支流均出現過流域年最大值,但各年代側重點不同。1950s和1980s多集中于紅水河、1960s多集中于柳江,1970s和1990s多發生在郁江,2000s多體現在柳江。年最大輕旱日數于1970s開始出現在桂江,該支流逐步發展為區域輕旱頻發中心。年最大中旱日數在1990s之前多集中于桂江和紅水河,之后多出現在郁江及柳江。1950s—1980s的30年中,桂江經歷了長期嚴重的水文干旱,有16年的流域年最大重旱日數出現在該支流。1970s之前年最大極旱日數主要出現在西江干流,之后依次出現在支流郁江(1970s)、紅水河(1980s)和柳江(1990s—2000s)。這一干流向支流的轉變反映了極端干旱影響范圍存在縮小趨勢。1970s—1980s中期西江流域的最大重、極旱日數多小于20 d,表明該時期水文干旱情勢良好。不同的是,2002—2006年流域年最大干旱日數連年出現在柳江,并隨年份持續增加,且同時體現在中、重和極旱上。不僅如此,1年—5年最大干旱日數仍連續在柳江出現,表明柳江在2010s初期遭遇了近60年以來全流域最為嚴重的水文干旱。

圖6　1951—2010年西江各等級干旱的年最大干旱日數及相應站點統計

近年來,西江流域的多年連旱對廣西壯族自治區經濟、社會產生了嚴重影響,因此,在研究流域年最大干旱日數變化規律的基礎上,還需進一步開展對多年連旱特征的分析研究(表1),為多年連旱的監測預測提供思路,為防御和減輕重大干旱災害造成的損失提供依據。

表1顯示西江流域最為嚴重的3個水文干旱年份為1963年,1989年和2007年。水文干旱期間,4條支流的干旱程度差異較大,60年間只1963年、1989年、1991年、2009年和2010年4條支流同時發生了水文干旱。西江流域內的多年連旱共有8場,其中6場干旱歷時2年,其余歷時分別為5年和9年。2年連旱中僅2009/2010年西江干流也表現出連旱過程,其余僅體現在支流上。歷時較長的兩場連旱中,2003—2007年的水文干旱主要發生在紅水河和郁江,兩者都經歷了長達4年及以上的連旱,而桂江和柳江情況較好。1984—1992年干旱期間,4條支流上都出現了3年及以上的多年連旱,各條支流開始出現干旱的年份表明,水文干旱由柳江、桂江開始(1984年),逐步發展到郁江(1987年),最后擴展到遷江(1988年),反映出流域內水文干旱經歷了由北向南、由東向西的發展。

4結論

a. 1951—2010年西江流域的水文干旱主要發生在1950s、1960s和2000s,1980s和1990s的干旱接近60年平均水平,1970 s的干旱遠低于各年代平均水平。其中,1950 s主要發生在紅水河,以輕旱偏多最為顯著。1960 s和2000 s郁江和柳江各等級干旱均偏多,紅水河與桂江偏少。1980 s的干旱主要以紅水河和柳江偏多,郁江偏少,但偏少主要體現在輕、中旱上。1990 s的水文干旱主要以柳江偏多,且多體現在重、極旱上。1970 s主要以桂江和柳江偏多,而在郁江偏少。1950 s冬季、1960 s春季、1980 s夏季和2000 s秋季整體干旱的發生頻率均達到了0.40以上,是西江干旱發生較頻繁的時期。

表1　西江流域多年連旱過程及干、支流水文干旱發生情況統計

注：“/”為非干旱。

b. 年最大干旱日數的統計結果表明,整體及各等級干旱的最大干旱日數在同一站點連續出現的時間均不超過5年,連續5年的情況出現在柳江,其在不同站點之間的轉移不具有普遍規律可循。1980 s以來,西江輕旱的影響范圍有擴大趨勢,相反,極旱的影響范圍有縮小趨勢,多向區域發展。因此,要注意全流域輕旱和局部重旱的發生。

c. 西江流域最為嚴重的3個水文干旱年份為1963年、1989年和2007年。在干旱發生等級上,4條支流同期差異較大,60年間只1963年、1989年、1991年、2009年和2010年各條支流同時發生了水文干旱。流域內的多年連旱多以歷時2年為主,歷時較長的2003—2007年干旱主要發生在流域西部和南部,1984—1992年多年連旱經歷了由北向南、由東向西的發展過程。

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Analysis on spatial and temporal characteristics of hydrological drought in Xijiang River Basin

WU Zhiyong1，2, LIN Qingxia1，2

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;

2.InstituteofWaterProblems,CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：Selecting data of daily runoff acquired from 5 typical hydrological stations along main stream and tributaries of Xijiang River over the past 60 years, the spatial and temporal characteristics of hydrological drought in Xijiang River basin are studied based on the standardized runoff drought index (SRDI). The results show that: (1) Hydrological droughts in Xijiang River Basin mainly occur in 1950s, 1960s and 2000s. Besides, the prone periods include 1950s’ winter, 1960s’ spring, 1980s’ summer and 2000s’ autumn. (2)The annual maximum droughts days continuously appear in any site are shorter than 5 years. The occurrence areas of light droughts have the tendency to expand, while the extreme droughts are likely to be more regionalized. (3) Hydrological droughts in Xijiang River Basin are of significant regional characteristic that drought severities of 4 tributaries are diverse during the same typical drought years. Statistically, the years when droughts are monitored in 4 tributaries simultaneously are only in 1963, 1989, 1991, 2009 and 2010.

Key words：hydrological drought; standardized runoff drought index (SRDI); Xijiang River Basin

(收稿日期：2015-10-29編輯：徐娟)

中圖分類號：S423

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)01-0051-06

作者簡介:吳志勇(1979—),男,教授,博士,主要從事水文水資源研究。E-mail: wuzhiyong_110@163.com

基金項目:全國優秀博士學位論文作者專項資金(201161);教育部新世紀優秀人才支持計劃(NCET-12-0842);水利部公益性行業科研專項(201301040);國家自然科學基金(51579065);江蘇省研究生科研創新計劃項目(2014B35014)