基于SDI 的石羊河流域中游水文干旱特征研究

盧泰山，李玲萍

（1.武威市涼州區(qū)水務局金塔河水利管理處，甘肅武威733000；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所/ 甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室/中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室，甘肅蘭州730020；3.甘肅省武威市氣象局，甘肅武威733000）

石羊河流域是我國水資源開發(fā)程度最高的內(nèi)陸河流域之一，也是干旱區(qū)典型的水資源脆弱帶。石羊河流域中游即武威綠洲近年來由于開發(fā)力度加大，用水量迅速增加，導致石羊河流入下游的地表水量逐年減少，引發(fā)了水資源短缺、用水矛盾激化、植被退化、生態(tài)惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題。本文利用石羊河流域中游3 條河流1961—2017 年的逐月流量資料，采用標準化流量指數(shù)計算比較符合當?shù)貙嶋H的水文干旱定量指標，揭示氣候變化背景下石羊河流域中游的水文干旱特征，進一步平衡和完善水文干旱評價系統(tǒng)，為石羊河流域中游干旱的客觀評估和準確預測提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文利用石羊河流域中游3 條河流的3 個水文代表站（四溝嘴、南營水庫、雜木寺）1961—2017 年逐月實測的流量數(shù)據(jù)資料，從統(tǒng)計意義上看，這樣長的時間序列足夠獲得比較可信的趨勢分析結(jié)果。

1.2 研究方法

采用標準化流量指數(shù)SDI、游程理論來獲得干旱事件的特征指標，標準化流量指數(shù)SDI 計算的基礎(chǔ)資料是水文監(jiān)測斷面的歷史月流量，計算方法類同于標準化降水指數(shù)SPI，分析石羊河流域中游的水文干旱特征。SDI 具有多時間尺度的特征，本文選用3 個月和12 個月時間尺度的SDI 作為研究尺度，SDI3 反應年內(nèi)短期干旱特征，SDI12 反映長期的干旱變化特征。用3—5 月、6—8 月、9—11 月、12 月至翌年2 月分別代表春季、夏季、秋季、冬季，年尺度為1—12 月。

參考變化環(huán)境下無定河流域水文干旱演變規(guī)律及驅(qū)動機制分析[1]，用3 種分類標準對石羊河流域?qū)崪y流量資料進行等級劃分，然后求取其平均值作為石羊河流域中游各干旱等級出現(xiàn)情況的百分比，最后利用累計頻率確定的石羊河流域以SDI 為干旱指數(shù)的水文干旱事件干旱等級劃分標準見表1。

表1 標準化流量指數(shù)（SDI）干旱分級

干旱一般可以用干旱持續(xù)時間、干旱程度和干旱強度3 個特征來表示，而這些特征可以用游程理論來得到[2，3]。根據(jù)表1 所示的水文干旱劃分等級，將SDI 值小于1.21 的月份記為發(fā)生一次干旱事件。

2 石羊河流域中游水文干旱演變特征

2.1 水文干旱歷時、烈度和強度演變特征

從圖1 可知，流域中部1961—2017 年平均干旱歷時為10.6 個月，各年代干旱歷時最長出現(xiàn)在20世紀70 年代，平均持續(xù)時間是12 個月，干旱歷時最短出現(xiàn)在20 世紀60 年代，持續(xù)時間為9 個月；平均干旱烈度為7.40，最強出現(xiàn)在1992 年為21.52,1989年未出現(xiàn)干旱，20 世紀90 年代最強為10.41，20 世紀80 年代最弱為5；平均干旱強度為0.68，最強出現(xiàn)在1992 年為1.79，最強出現(xiàn)在20 世紀90 年代為0.91，20 世紀80 年代最弱為0.49。

2.2 水文干旱時序演變特征

從圖2 可知，石羊河流域中游年SDI 在波動中呈增加趨勢，變化傾向率為0.035/10 a，未通過P＜0.05 的顯著性信度水平，無旱年有7 年。1991 年、1965 年、1962 年和2013 年屬重旱年份，SDI 值分別為-2.19、-1.72、-1.66 和-1.57。通過分析發(fā)現(xiàn)，石羊河流域中游年SDI 變化總體上表現(xiàn)為在波動中呈增加趨勢，但增加幅度很小。

2.3 水文干旱頻率演變特征

從圖3 可知，石羊河流域中游中旱和重旱頻次最高，年、春季、夏季、秋季、冬季的中旱、重旱和特旱發(fā)生頻率之和分別達75%、72%、74%、72%和72%。通過分析發(fā)現(xiàn)，石羊河流域中游水文干旱發(fā)生的概率很高，年水文干旱發(fā)生的頻率高于四季水文干旱發(fā)生的頻率，四季水文干旱發(fā)生頻率最高的是夏季。

3 結(jié)論

從干旱歷時、干旱烈度和干旱強度分析，石羊河流域中游干旱歷時20 世紀70 年代最長，20 世紀60年代最短；干旱烈度和強度都是20 世紀90 年代最強，最弱出現(xiàn)在20 世紀80 年代。

從干旱時序分析，石羊河流域中游年SDI 變化總體上表現(xiàn)為在波動中呈增加趨勢，但增加幅度很小。

從干旱頻率分析，石羊河流域中游水文干旱發(fā)生的概率很高，年水文干旱發(fā)生的頻率高于四季水文干旱發(fā)生的頻率，四季水文干旱發(fā)生頻率最高的是夏季。