標準化徑流指數在阿克蘇河水文干旱特征識別中的應用

周洪華，王云倩，方功煥，葉朝霞，李衛紅

(中國科學院新疆生態與地理研究所 荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011)

1 研究背景

阿克蘇河位于絲綢之路經濟帶重要通道，是典型的中亞跨境河流，其豐富的水資源正成為沿岸各國爭奪的焦點[1]；同時，阿克蘇河也是西北干旱區最大內陸河——塔里木河的主要源流，占塔里木河地表徑流的約70%～80%[2]，不僅是維持塔里木河流域生態走廊的最重要水源，也維系著新疆最大灌區阿克蘇灌區的1000多萬畝農田和150萬人的生產和生活安全。目前，圍繞阿克蘇河流域洪水災害已進行了一系列的深入研究，且關于極端水文事件大多是從氣溫和降水角度進行研究[3-5]或從文史資料中尋獲[6]，而從徑流角度識別水文干旱及其變化特征的研究相對比較薄弱，這將不利于未來阿克蘇河的水資源評估、預測和管理。因為以徑流量為干旱指標的水文干旱，晚于氣象干旱和農業干旱，作為水文極值現象，是氣象、農業干旱的延續與發展，因此被認為是最徹底的干旱[7]；旱災還是影響阿克蘇地區農業產量的重要因素之一[8]，一旦發生將對水資源系統平衡和社會經濟造成不可估量的影響。由于標準化徑流指數(Standardized Runoff Index,SRI)具有可進行多時間尺度分析(1、3、6、12 個月等)、適用于資料缺乏、地形復雜的區域，且計算方法簡單等優點，廣泛被應用于國內外水文干旱識別研究[9-16]。因此，本文采用SRI指數分析阿克蘇河有連續徑流監測數據以來(1958-2015)的徑流豐枯演變過程，探尋采用SRI辨識阿克蘇河水文干旱事件的可能性，以期為阿克蘇河未來水資源評估和合理利用與管理提供科學方法和理論依據。

2 研究區概況和研究方法

2.1 研究區概況

阿克蘇河發源于天山中段西部南麓，由源自吉爾吉斯斯坦的托什干河和庫瑪力克河兩大支流在阿克蘇市境內西大橋匯合而成，干流總長132 km(圖1)。阿克蘇河由高山區冰川融水、積雪融水和降水共同補給，對氣候變化響應敏感，是中緯度高山區最具代表性的河流。阿克蘇河流域總面積約為5.0×104km2，其中國外面積為1.9×104km2，國內面積約為3.1×104km，地理坐標介于40°17′～42°27′N 、75°35′～80°59′E 之間[17]。該流域屬溫帶大陸性干旱氣候，多年平均氣溫為9.2～11.5℃，海拔4 100 m以上的區域終年在0℃以下；多年平均年降水量為64 mm，降水量隨海拔梯度增加，最大降水量在海拔2 300 m以上的中高山帶；多年平均潛在蒸發量為1 890 mm[17-19]。流域山地垂直地貌分帶明顯，地勢西北高、東南低。由于阿克蘇河徑流的產流區位于山區，受人類活動影響較少，徑流形成主要受山區復雜氣候條件如氣溫、降水和潛在蒸發的影響[18-19]。

圖1 研究區示意圖

2.2 數據來源與研究方法

本文所采用的阿克蘇河1958-2015年月徑流量為其兩源流匯合口-西大橋水文站的實測數據，由新疆塔里木河流域阿克蘇管理局提供。

采用標準化徑流指數(SRI)進行阿克蘇水文干旱識別。與標準化降水指數(Standardized Precipitation Index,SPI)計算方法類似，即確定一定時間內徑流適合的概率分布類型后，進行正態標準化得到SRI。計算方法如下[14]：

假設某一時間段的徑流量x滿足T分布概率密度函數f(x)：

(1)

式中：γ、β分別為形狀和尺度參數，x>0、γ>0、β>0，γ、β可用極大似然法計算。

一定時間尺度的徑流量x的累積率：

(2)

對T分布概率進行正態標準化得到：

(3)

當F>0.5時，S=1；當F≤0.5時，S=-1，其中c0= 2.515517，c1= 0.802853，c2= 0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

采用Mann-Kendall(M-K)非參數檢驗法檢驗時間序列值的突變[18]；采用小波分析檢驗時間序列值的變化周期[17]。

3 結果與分析

3.1 徑流特征與水文干旱等級臨界值劃分

基于阿克蘇河流域干流西大橋水文站的月徑流量數據，采用徑流距平和SRI分析阿克蘇河干流1958-2015年的年際間徑流時間序列變化(圖2(a))。近57年來，阿克蘇河干流徑流在時間序列上整體呈增加趨勢，其中以1994年為突變點，阿克蘇河年徑流出現了從偏枯到偏豐的顯著躍變，其中1957-1993年徑流量平均距平為-14.46×108m3，年徑流處于相對較枯階段，而1994-2015年徑流量平均距平為22.61×108m3，年徑流量處于相對較豐階段。阿克蘇河年徑流產生躍變的原因可能是其徑流的主要來源為冰川積雪和山區降水，由于近20年來氣候變化引發了流域高山區冰川積雪快速消融，導致了阿克蘇兩源流-托什干河和庫瑪拉克河年徑流的增加[17-18]，從而造成阿克蘇河干流近年來持續呈現偏豐現象。

阿克蘇河干流年內徑流分布變異較大，呈現單峰變化趨勢(圖2(b))，其中1-5月和10-12月徑流量均處于偏枯狀態，年內徑流量主要聚集分布在6-9月，年內徑流最大值出現在7-8月份，約占全年徑流量的47.90%。有研究表明7-8月也是阿克蘇河源區降水量最大的月份[18]，這證實阿克蘇河干流7-8月的徑流主要受中山帶降雨影響。同時，從圖2(b)也可看出，5-6月是年內徑流量增幅最大的月份，而有研究顯示此時期的山區年內氣溫增幅也最大且均超過0℃[18]，這表明5-6月的徑流增加主要是伴隨著氣溫的升高冰雪融水消融加快導致的。根據多年平均徑流量的豐枯等級分類標準[14]，對阿克蘇河干流1958-2015年間的徑流資料計算得到各等級所占百分比，根據計算結果，特旱、重旱、中旱、輕旱、正常、輕澇、中澇、中澇和重澇出現的概率分別2%、7%、10%、9%、41%、12%、9%、7%、3%，依次累加得到干旱等級的累積頻率為2%、9%、19%、28%、69%、81%、90%、97%和100%。基于SRI計算結果，繪制SRI序列頻率分布直方圖(圖3(a))，并擬合其正態分布情況 (K-S 檢驗結果為0.0102，P<0.01)，獲取SRI值序列累積頻率曲線(圖3(b))。結合徑流距平百分比的干旱等級累積頻率所對應的SRI值獲得SRI干旱等級臨界值(表1)。推導出的SRI旱澇等級劃分標準與目前在水文干旱監測與評價中應用比較廣泛的徑流Z指數(RZI)的符合度也非常高[13]，因此本文推導出的SRI旱澇分級標準具有合理性。

表1 SRI豐枯等級劃分臨界值

圖2 阿克蘇河干流1958-2015年年際徑流距平、徑流指數及徑流年內分布

圖3 SRI頻率分布圖和累積頻率分布曲線

3.2 SRI對水文干旱的識別

考慮到阿克蘇河流域干旱和洪澇事件的記載多有季節性，將阿克蘇河流域劃分為四個季節：春季3-5月，夏季6-8月，秋季9-11月，冬季12-次年2月。為此采用3個月時間尺度的SRI對阿克蘇河干流水文干旱情況進一步進行分析。分別將3個月時間尺度下的5、8、11月和次年2月SRI值作為春季、夏季、秋季和冬季的SRI序列值。根據SRI干旱等級臨界值，獲取阿克蘇河干流1958-2015年來春、夏、秋、冬四季干旱等級分布狀況(圖4)。從圖4可看出，1994年前，尤其是20世紀60年代和70年代，春季、夏季和秋季阿克蘇河干流的水文干旱較為頻繁，1964-1966年和1973-1977年甚至出現春季連旱，1961-1962年和1975-1977出現夏季連旱，1974-1976年出現秋季連旱。1958-1993年，春季、夏季、秋季和冬季發生水文干旱的頻率分別41.67%、44.44%、36.11%和8.33%，且重旱程度及其以上的干旱在春、夏、秋季發生的頻率均為8.33%，高于冬季的5.56%。1994-2015年，春、夏、秋、冬季發生水文干旱的頻率分別為13.64%、9.09%、22.73%和68.18%。從干旱發生的年份來看，春季發生重旱及其以上程度干旱的年份為1958、1964、1966和2014年，夏季發生重旱及其以上程度干旱的年份為1959、1963、1972和2014年，秋季發生重旱及其以上程度干旱的年份為1968、1974、1985和2014年，冬季發生重旱及其以上程度的干旱年份為1965、1985、2013和2014年。

進一步將SRI識別的重度及其以上干旱與《中國氣象災害大典(新疆卷)》記載的1958-2000年的實際干旱事件和《2014年新疆氣候公報及影響評價》以及網絡記載的干旱事件進行了比較(表2)。從表2中可以看出，文獻記載的經阿克蘇河流經區域的重大干旱事SRI都識別到了。但還有一些年份SRI識別為重度及其以上干旱的年份，文獻資料并未記載到，尤其是1963-1966年，這可能是由于干旱現象的復雜性及記載的干旱類別不明確，判別干旱事件的方法不同造成的。但從已識別到的干旱年份和等級來看，SRI對阿克蘇河的水文干旱識別還是具有一定的合理性。

圖4 1958-2015年不同季節干旱等級變化趨勢

3.3 阿克蘇河干流水文干旱趨勢分析

1958-2015年間阿克蘇河干流SRI序列值變化趨勢呈現由(-1,0)到(0,0.5)轉變，即由輕旱轉向正常至輕澇趨勢，突變時間在20世紀90年代；小波分析顯示，阿克蘇河干流SRI旱澇的主周期為9 a(圖5)。此SRI趨勢研究結果與氣候干旱指數計算分析得到的結果一致，如李思諾[20]以綜合氣象干旱指數(Copula函數)計算發現，阿克蘇河徑流形成區的山區近51年來干旱程度趨于緩解，近10年來，干旱程度亦有所緩解，阿克蘇市和烏什縣綠洲區內干旱形勢也有所緩解；張玉虎等[21]提出阿克蘇河流域南部干旱風險大于北部，以阿克蘇市為中心，經阿克蘇河(含兩源流)流經的縣市-包括阿合奇、烏什、阿克蘇、溫宿等，干旱風險均較小。這些研究結果證實了西北地區農業旱災集中在20世紀90年代前，以50、60、70和90年代最為典型，21世紀后西北氣候為偏澇期，干旱將有所減輕[22]這一結論。同時此SRI趨勢分析也與劉新華等[17]采用Z指數法分析阿克蘇河兩源流-托什干河和庫瑪力克河的豐枯變化趨勢基本一致。

圖5 1958-2015年阿克蘇河SRI變化趨勢和周期變化

進一步分解春季、夏季、秋季和冬季的SRI序列值可以看出(圖6)，春季、夏季和秋季阿克蘇河干流SRI均呈現增加的趨勢，尤其是春季和夏季SRI值由(-1，-0.5)向(0.5,1)轉變，表明徑流量在春季和夏季有從輕旱至輕澇轉變的趨勢；秋季SRI值由(-0.5，0)向(0,0.5)轉變，表明徑流量在秋季趨于正常，并略有趨于偏澇的趨勢。

春、夏、秋三季節的SRI序列值變化趨勢與年SRI序列值變化趨勢一致，均在由旱轉澇，轉變的時間都在20世紀90年代。這進一步驗證了阿克蘇河主要受氣溫和降水驅動，全球氣候變化導致了阿克蘇河源區降水和冰雪融水的增加，進而顯著增加了春、夏季徑流[18-19,22]。

表2 SRI水文干旱識別與實際重要干旱事件對比

然而，冬季SRI序列值變化趨勢與春、夏、秋季SRI正好相反，呈現明顯下降的趨勢，SRI值由(1，0)向(0，-1)轉變，表明徑流量在冬季有從輕澇轉變為輕旱的趨勢。冬季徑流的減少可能是因為山區冬季氣溫提前降低，托什干河冬季氣溫甚至以0.54℃/10a的趨勢下降，降水被雨雪取代，加之氣溫低于0℃，積雪不能融化導致的[18]。

阿克蘇河流域是全球氣候變化響應最敏感的區域之一，全球氣候變暖背景下，阿克蘇河山區的降水和冰川融雪格局將進一步改變[1，23]，這種春夏季洪水和冬季干旱的徑流差異將可能進一步增大，這可能將成為阿克蘇河在應對未來全球氣候變化下水資源管理面臨的一個新挑戰。

圖6 1958-2015年不同季節SRI變化趨勢

4 結 論

(1)基于標準化徑流指數(SRI)計算方法，結合徑流距平百分比，推導的阿克蘇河SRI干旱等級臨界值，所識別的水文干旱與實際干旱事件基本一致。表明SRI可以在阿克蘇河應用，SRI水文干旱等級臨界值的劃分是合理的，能有效地監測流域內水文干旱事件。

(2)阿克蘇河干流不同季節的SRI變化趨勢是不同的，在春季、夏季阿克蘇河干流呈現出明顯的增濕趨勢，秋季阿克蘇河干流呈現略增濕趨勢，而冬季阿克蘇河干流呈現明顯的增干趨勢。這些結果表明，阿克蘇河1993年后年徑流量的增加主要是因為春季冰川積雪融化和夏季降水增加所引起的，且未來會出現春、夏季洪水和冬旱現象的可能性在逐漸增大。在全球氣候變化背景下，阿克蘇河水資源季節差異可能還將逐漸增大，阿克蘇河流域水資源管理部門應及早提出相應管理措施和對策，以避免未來水資源調度不當阻礙流域社會-經濟和生態的有序發展。