海河流域近20年氣象干旱和水資源形勢研究

周根富，解文靜

（1.江蘇省水利防汛物資儲備中心，江蘇 南京 210029；2.水利部海河水利委員會，天津 300170）

干旱是頻繁出現的自然災害，影響范圍廣，造成的損失重，海河流域是我國旱災頻發流域，素有“十年九旱”之稱。一些研究[1-3]表明，近60年來，海河流域年平均氣溫總體上升趨勢明顯，大部分地區溫差逐年縮小，多處降水量減少，氣候向暖干化方向發展。海河流域干旱情況和水資源態勢成為高度關注的熱點。嚴登華等[4]研究了1961年以來海河流域干旱時空變化特征，發現海河流域年降水量呈現出顯著減少的趨勢，流域干旱形勢愈發嚴峻。丁相毅等[5]利用WEP-L模擬了海河流域未來30年（2021—2050年）降水、蒸發、徑流等主要水循環要素的變化規律，研究結果表明，流域未來干旱情況更趨嚴重，水資源管理將面臨更加嚴峻的挑戰。

流域干旱頻發和水資源短缺的現狀，與人口和耕地分布、生產力布局等極不匹配，水問題成為需要密切關注的問題。進入21世紀，海河流域經濟社會高速發展，干旱的危害和水資源短缺的制約作用越來越明顯。因此，評估近年來流域干旱情況和發生干旱時水資源面臨的形勢，具有十分重要的現實需求。

干旱類型通常分為氣象干旱、水文干旱、農業干旱和經濟社會干旱。其中氣象干旱是影響最直接的干旱，也是其他類型干旱發生的主要原因。干旱監測指數的研究，經歷了漫長的發展過程，目前判別氣象干旱的方法較多，諸如Palmer指數、Z指數、SPI指數等均廣泛應用[6]。鑒于干旱自身的復雜性，在不同地區有其獨有的特征，各地還根據本地的特點，研究出了不同的干旱指數。例如，廣東省根據土壤有效含水量研制的干旱指數、甘肅省基于降水和蒸發研制的K干旱指數，在當地都得到了很好的應用。在表征氣象干旱的指數中，SPI指數為標準化降水指數，反映一個時段內降水量出現的概率多少，適用于月以上時間尺度與當地氣象情況相比較的干旱評估。SPI指數具有多時間尺度特性，其中12個月SPI指數表征長期干旱情況，可以反映水文學和包括地下水、徑流量和水庫蓄水量變化在內的水資源供給側引起的干旱[7]，且SPI可以很好地反映海河流域的干旱變化特征[8]。

本文采用Mann-Kendall檢驗方法，對2000—2019年海河流域降水量和水資源量的變化趨勢進行分析，采用SPI指數[9]對氣象干旱總體情況進行識別，并對干旱情況下流域水資源所受影響進行分析，提出了相應的應對措施。

1 研究區概況

海河流域屬于半干旱、半濕潤溫帶大陸性季風氣候，多年平均年降水量535 mm（1956—2000年系列），時空分布不均，夏季暴雨集中，冬春雨雪稀少，具有春旱、秋澇、晚秋又旱的特點。局部干旱災害易發多發，存在連續豐枯的變化規律。

海河流域多年來平均水資源總量370億 m3（1956—2000年系列），人均水資源量不足240 m3，人多水少矛盾非常突出。20世紀80年代以來，流域水資源開發利用程度一直處于較高狀態。據統計，1980—2016年，當地水資源開發利用程度高達106%，嚴重超出了水資源承載力，水資源供需形勢日益嚴峻。干旱發生時，經常采取應急調水、加大地下水供水量、啟用備用水源等應急措施應對水資源短缺，甚至被迫限制用水，對生活、生產造成了極大影響。

2 方法和數據

2.1 趨勢性分析——Mann-Kendall檢驗方法

在諸多時間序列趨勢分析方法中，Mann-Kendall檢驗法是世界氣象組織推薦的非參數檢驗方法，適用于水文、氣象等隨機分布數據的趨勢性檢驗，在我國普遍應用。在該方法中，原假設X0=(x1，x2，…，xn)是n個獨立的隨機變量，其備擇假設為雙邊檢驗，檢驗的統計變量S計算方法如下。

當n＞8時，實測數據的統計量S服從正態分布，其均值E（S）和方差VAR（S）為：

標準的正態統計變量Z為：

Z大于0時序列數據呈上升趨勢，反之呈下降趨勢。在雙邊的趨勢檢驗中，在給定的α置信水平上，如果Z的絕對值大于標準正態分布的統計量Z1-α/2，則可判定序列數據存在顯著的上升或下降趨勢，反之則趨勢性不顯著。本文置信水平取95%。

2.2 氣象干旱識別——SPI指數法

SPI指數法采用Γ分布描述降水量的變化，在計算出降水量的Γ分布概率后再進行正態標準化處理，最終用標準化降水累積頻率分布劃分干旱等級。假定某時段降水量x的概率密度函數為：

式中，β和γ分別為尺度和形狀參數，均為正值，采用極大似然估計方法計算。

對于某一年的降水量xi，采用數值積分計算降水量x小于xi事件的概率F（x＜xi）：

對Γ分布概率正態標準化處理后，近似求解SPI指數：

式中，c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。當F（x＜xi)＞0.5時，F(x＜xi） 值 取 1.0-F（x＜xi），S=1； 否 則，S=-1。

年降水量采用2000—2019年海河流域水資源公報中統計的流域年降水量數據。各年氣象干旱等級按照《氣象干旱等級》標準[9]判定為：SPI＞-0.5時，干旱等級為1級，類型為無旱；-1.0＜SPI≤-0.5時，干旱等級為2級，類型為輕旱；-1.5＜SPI≤-1.0時，干旱等級為3級，類型為中旱；-2.0＜SPI≤-1.5時，干旱等級為4級，類型為重旱；SPI≤-2.0時，干旱等級為5級，類型為特旱。

2.3 水資源情況分析

分析干旱年度流域水資源總量、地表水資源量、地下水資源量與多年平均水平相比的情況，以及降水形成水資源比例的情況，在此基礎上分析氣象干旱對流域水資源條件的影響。水資源總量、地表水資源量、地下水資源量、降雨形成水資源的比例以及多年平均值等數據采用2000—2019年海河流域水資源公報中的數據。

3 結果分析

3.1 降水量和水資源量的趨勢性分析

置信水平95%下的統計量Z1-α/2為1.96。海河流域近20年來降水量時間序列計算得到的統計變量Z值為1.14，表明近20年來流域降水量具有上升趨勢。但該統計變量小于置信水平95%下的統計量Z1-α/2（1.96），說明降水量的上升趨勢不明顯。而水資源量總量、地表水資源量、地下水資源量時間序列計算得到的統計變量Z值分別為1.36、1.59、1.13，表明近20年來流域水資源總量、地表水資源量、地下水資源量具有上升趨勢。與降水量類似，水資源總量、地表水資源量和地下水資源量的統計變量小于Z1-α/2，說明三者的上升趨勢不明顯。

3.2 氣象干旱情況分析

流域近20年來的氣象干旱指標計算結果見表1。

表1 海河流域2000—2019年的年尺度氣象干旱情況

出現干旱的年份為2001、2002、2006、2014年，共4年，出現的頻率為20%，平均每5年發生一次流域總體性氣象干旱。因此，流域總體性氣象干旱發生的概率較大，干旱形勢較為緊張。發生氣象干旱的4年中，2001、2006、2014年的干旱等級為2級，輕旱。2002年干旱等級為3，中旱，且為緊隨2001年發生的干旱。因此，20年中海河流域發生氣象干旱類型以輕旱為主，同時出現了時間上連續、干旱程度較重的情況。流域干旱情況需要引起高度重視。

3.3 氣象干旱對水資源狀況的影響

降水量是影響海河流域水資源條件的關鍵因素。海河流域發生氣象干旱年度里的水資源總量、地表水資源量、地下水資源量距平百分率如表2所示。

表2 海河流域氣象干旱年度水資源情況 單位：%

在氣象干旱年份，流域水資源總量較多年平均水平明顯減少，減少幅度在40%以上；中旱年份的2002年減少幅度更大，為57.27%。地表水資源量的減少更為明顯，減少幅度在50%以上，中旱年份的2002年減少幅度高達70.71%。相對于地表水資源量而言，地下水資源量的減少幅度相對較小，但仍在18%以上，中旱年份的2002年減少幅度更為明顯，為37.74%。

20年海河流域降水形成水資源的比例情況如圖1所示。

圖1 20年海河流域降水形成水資源的比例

發生氣象干旱時，降水形成水資源的比例明顯下降，從正常年份的16%～22%下降至15%左右，其中在中旱年份的2002年，僅為12%。由此可見，氣象干旱對水資源形成的過程產生了比較明顯的影響，消耗于蒸騰蒸發的降水量明顯增加。

3.4 對策措施

以上分析表明，氣象干旱對于海河流域水資源的影響十分明顯，需要制定應對措施，防范水資源短缺造成的影響，重點做好以下工作。一是提高降水預報精度，特別是中長期降水預報精度，超前防范氣象干旱對水資源造成的影響。二是開展降雨產流機理分析，科學預判水資源變化，提前合理配置地表水和地下水資源利用量，盡量降低由于氣象干旱導致的水資源短缺帶來的損失。三是建立統一的外調水、當地水資源調配體系，形成資源互補格局，降低因水資源短缺造成的經濟損失。四是鑒于海河流域降水集中在汛期的特點，開展雨洪資源化工作，把洪水當作水資源，通過科學的洪水調度，增大雨洪資源轉化率。五是制定應急方案，特別是干旱年份水資源供給的應急措施，遇干旱年份及早謀劃調水抗旱。

4 結語

盡管20年來海河流域降水量總體呈不顯著的上升趨勢，但流域發生氣象干旱的頻率仍較高，類型以輕旱為主，且有連續干旱的情況發生。氣象干旱對流域水資源的影響較為明顯，特別是對地表水的影響更為顯著，海河流域應對干旱的形勢十分嚴峻。

本文對海河流域干旱的分析是在年尺度和流域總體的空間尺度上進行的，對于農業生產等影響較為明顯的季尺度和干旱空間分布的分析有待進一步探討。但從流域整體的角度來看，海河流域需要加強水資源綜合管理，逐步建立適應氣象干旱的管理體系，以應對頻繁發生的干旱和由此帶來的水資源問題。