滇中高原地區干旱特性及風險分析

收稿日期：2023-12-15；接受日期：2024-03-12

基金項目：國家重點研發計劃項目（2021YFC300205-06）；云南省高層次人才及創新團隊項目（2018HC024）

作者簡介：陳" 晶，女，高級工程師，碩士，主要從事水文水資源研究。E-mail：chenjingyn@qq.com

通信作者：張天力，男，高級工程師，碩士，主要從事水利規劃及河道治理研究。E-mail：358284710@qq.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 06-0114-08

引用本文：陳晶，張天力.

滇中高原地區干旱特性及風險分析

［J］.人民長江，2024，55（6）：114-121.

摘要：滇中高原地區是云南省社會經濟發展的核心區，也是遭受干旱災害最為嚴重的區域，研究該區域干旱特性及其風險對干旱災害防御具有重要意義。采用多元Copula函數構建綜合干旱指數MDI，識別出同時涵蓋氣象、水文、農業3類干旱特性的綜合干旱事件，據此分析區域干旱特性，進而基于自然災害風險理論提出干旱災害風險評價方法，根據危險度、種植率、受災率、缺水率4個因子劃分干旱風險等級，評估滇中引水工程供水前后對區域干旱情勢的影響。研究結果表明：① 滇中高原地區的總體干旱特征為干旱歷時1.90～5.10月、烈度2.80～4.50，二者的聯合重現期為2.45～3.14 a；干旱歷時、烈度、聯合重現期的地區分布規律均為中部楚雄、昆明、玉溪以及南部紅河等州市較長（強），西部大理、東部曲靖等州市較短（弱）；滇中引水工程建成通水后區域干旱呈現歷時變短、烈度減弱而聯合重現期增長的發展態勢。② 滇中引水工程通水前滇中高原區干旱風險等級為4～7級，工程建成通水后干旱風險等級較現狀普遍下降1～4級，干旱風險明顯降低，這表明通過實施滇中引水工程構建滇中高原水網可提高區域防御干旱災害的能力，有利于區域國民經濟的持續穩定發展。

關" 鍵" 詞： 氣象干旱； 水文干旱； 農業干旱； 干旱風險； Copula函數； 滇中引水工程； 滇中高原

中圖法分類號： TV213.9；P426.616

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.016

0" 引 言

云南省滇中高原地區包括昆明、玉溪、楚雄、曲靖、大理、紅河以及麗江7州（市）的50個縣（市、區），是云南省加快建設面向西南開放重要橋頭堡的主陣地，也是云南省重要的糧食主產區和精細蔬菜基地核心區。正在建設的滇中引水工程自金沙江石鼓斷面引水，將同步建成水源工程、輸配水工程、水廠及配水管網和田間工程，向占整個滇中高原地區總面積40%的區域供水，為緩解區域水資源供需矛盾、改善河道和高原湖泊的生態及水環境狀況服務［1］。然而，滇中高原地區干旱頻發［2］，近 30 a 來旱災成災面積、受災面積和絕收面積均呈增加趨勢，近10 a來增加趨勢顯著［3］，中東部旱情尤為嚴重［4］；滇中干旱一方面對區域農業生產影響顯著，另一方面也會影響滇中引水工程建成后的調度運行。

目前滇中高原區鮮有開展干旱特性和風險的研究，亦未開展過滇中引水工程供水后區域干旱風險變化研究。國內外常用的干旱特性分析方法通常從單一干旱指標入手，較少將不同干旱類型耦合進行綜合分析［5］；干旱風險分析多采用指標法獲取綜合風險指數，但指標的選擇及指標權重的確定受主觀影響較大、評價指標并沒有相對統一的標準［6］；干旱災害風險評價對防災減災能力、作物損失狀況等分析結果精度不夠［7］，對干旱強度、影響范圍、造成的損失等預測工作尚顯不足［8］。

為填補區域干旱特性研究的空白，分析區域干旱災害風險機理及發展趨勢，本文以滇中高原地區為分析對象，挖掘區域內涵蓋氣象、水文、農業3類干旱特性的綜合干旱事件，分析其影響范圍和重現期的時空變化特征。在此基礎上，基于自然災害風險理論提出干旱災害風險評價方法，并對比分析滇中引水工程引水前后區域干旱風險的變化情況，以期為區域干旱災害風險綜合應對，以及滇中引水工程的水資源配置和供水效益分析提供科學依據。

1" 研究區概況及數據資料

1.1" 研究區概況

滇中高原地區地處云南省中北部，地勢西北高、東南低，呈不均勻階梯狀逐級降低，分布有南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、南溫帶、中溫帶、北溫帶等6個氣候帶；降雨空間分布極為不均，年內分配亦不均勻，夏秋降水集中多洪澇，冬春干旱少雨缺水嚴重（圖1）。

區域處于滇中四大流域分水嶺地帶，北臨金沙江，南為紅河，東臨南盤江，西為瀾滄江，年徑流深大多數在150～300 mm之間，徑流的年內分配與降水年內分配過程基本對應，汛期和枯期的徑流量差別較大，汛期徑流量占全年的75%～85%，而枯期所占比例極少，區域內普遍呈資源型缺水，同時水質型、工程型缺水并存。

1.2" 數據資料

（1） 本次研究水文數據來源于滇中高原地區49個氣象站1960～2020年逐月降水（mm）數據，59個水文站點1960～2020年逐月天然徑流量（萬m3）數據（河流水系、站點分布見圖2），以及統計年鑒和史料文獻。需要說明的是，本文對代表性、一致性不足的站點資料進行了插補延長、還原計算等處理。

（2） 氣象數據來源于國家青藏高原科學數據中心數據集：中國1 km分辨率逐月平均氣溫數據集［9-13］，中國1 km分辨率月最高溫度數據集［10，13］，中國1 km

分辨率月最低溫度數據集［11，13］，中國716個氣象站太陽輻射日均值數據集［12，14］。

2" 研究方法

2.1" 干旱識別

干旱一般分為氣象、水文、農業3類，本次分別采用標準化降水指數（SPI）、標準化徑流指數（SRI）和干濕指數（Ia）作為3類干旱的輸入識別因子。其中，SPI通過降水量的Γ分布累積概率計算得到，表征某時段降水量出現的概率［15］；SRI由徑流量累積頻率所對應的標準正態分布分位數計算得到，表征某時段徑流量出現的概率［16-17］；Ia為參考作物騰發量（ET0）與同期降水量之比值［18］，ET0采用Penman Monteith方程計算［19］。

考慮到氣象、水文、農業干旱通常耦合發生，且之間存在著復雜的傳播關系，為了兼顧多種干旱類型的信息和特征，本文依托三元Gumbel Copula函數［20-21］構建氣象、水文、農業3類干旱識別因子的聯合分布函數C3，再由C3計算得到綜合干旱指數（MDI）。

C3（u1，u2，u3）=exp-［3m=1（-lnum）1/α］α（1）

MDI=Φ-1（C3（u1，u2，u3））（2）

式中：um分別為SPI、SRI、Ia的邊緣分布函數，m=1，2，3；參數α∈（0，1］，采用極大似然法［22-23］估計；Φ為標準正態分布函數［24］。

根據SPI、SRI、Ia、MDI這4種干旱識別因子，按游程理論［25-26］分別識別氣象、水文、農業3類干旱事件及綜合干旱事件，確定各次干旱事件的歷時D和烈度S兩個特征變量。由二元Gumbel Copula函數［27］構建D和S的聯合分布函數C2，進一步推求干旱歷時與烈度中任一變量超過其均值時的重現期［28］，即聯合重現期To。

C2（v1，v2）=exp-［（-lnv1）1/β+（-lnv2）1/β］β（3）

To=1/PD＞d∪S＞s=1/［1-C2v1（d），v2（s）］（4）

式中：v1、v2分別為D和S的邊緣分布函數；參數β∈（0，1］，采用極大似然法估計；d、s分別為D和S的均值；P為變量D或S大于給定值的概率。

2.2" 干旱風險

干旱災害風險是干旱事件對承災體造成損失的可能性［29］，從干旱災害風險形成機理來看，干旱災害風險R是危險性H、暴露度E、脆弱性V、抗旱能力RE這4個要素綜合作用的結果［30］。

R=H∩E∩V∩（1-RE）（5）

本文將上述要素分別進行具體化。其中，危險性H通過干旱歷時、烈度及歷時和烈度的聯合分布概率共同表征為危險度D·S·（1- C2）×100，暴露度E用種植率（種植面積與總面積之比）表示，脆弱性V用受災率（受災面積與灌溉面積之比）表示，（1-RE）用缺水率（缺水量與需水量之比）表示。定義干旱風險度為公式（6），據此分析區域干旱風險度，并制定分級標準，評價區域干旱風險等級。

干旱風險度=危險度×種植率×受災率×缺水率（6）

3" 結果分析

3.1" 干旱特征

3.1.1" 干旱識別

依據滇中高原地區各站1960～2020年歷年逐月數據分別計算SPI、SRI、Ia、MDI這4種干旱識別因子（圖3）。由圖3可知，4種干旱識別因子的走勢、變化

規律具有較好的一致性，其中SRI、Ia指數的走勢滯后于SPI指數，這是由于一般認為干旱始于降雨的持續缺乏，因此SPI指數對于捕捉干旱的開始時間非常靈敏［29-30］；由于流域產匯流及作物生態用水的機理復雜、過程耗時［31-32］，水文干旱和農業干旱對氣象干旱的響應存在一定的延遲［33-34］，也使得SRI、Ia指數能有效識別干旱的持續時段和結束時間；MDI指數由于既包含降雨信息，又包含徑流和作物騰發量信息，因此能夠將SPI、SRI、Ia指數所捕捉的干旱開始時間、持續時間、結束時間都涵括在內。

根據4種干旱識別因子，運用游程理論對滇中高原地區干旱事件進行識別（圖4（a））。結果表明：在1960～2020年的61 a時間內，識別出的滇中高原地區干旱事件數量為氣象干旱事件最多，綜合干旱事件次之，農業干旱事件再次，水文干旱事件最少，說明氣象干旱事件發生的頻率大于水文和農業干旱事件，而綜合干旱事件對各類干旱事件進行了共性歸納。

進一步分析識別的干旱歷時、烈度發現（圖4（b）、（c）），結果表明：總體上看，干旱歷時、烈度以水文干旱最長、最強，其次為農業干旱，再次為綜合干旱，氣象干旱最短、最弱；在空間分布上，滇中高原地區中部昆明、楚雄、曲靖等地的氣象干旱歷時較長、烈度較強，而區域南部紅河及西部大理等地的水文干旱歷時較長、烈度較強，農業干旱歷時和烈度的地區分布相對平均且相對而言中部楚雄地區稍長/強，綜合干旱歷時則能夠綜合反映氣象、水文、農業干旱歷時和烈度的地區分布規律，即呈現出紅河、大理等地歷時較長、烈度較強的情況，也反映了昆明、楚雄等地局部歷時較長、烈度較強的特點。

3.1.2" 區域干旱特征

經前述分析，由于綜合干旱能夠同時表征氣象、水文和農業干旱的特性和空間分布情況，因此，基于綜合干旱分析區域干旱特性。將各站點的綜合干旱特征均

值用克里金法插值后，得到滇中高原地區干旱特征的區域分布，見圖5（a）、（b）。進一步推求干旱歷時與烈度中任一變量超過其均值時的聯合重現期，見圖5（c）。

從圖5中可以看出，滇中高原地區干旱歷時均值為1.90～5.10月、烈度均值為2.80～4.50，二者的聯合重現期為2.45～3.14 a。其中，中部楚雄、昆明、玉溪以及南部紅河等州市的干旱歷時/烈度均值較長/強，這些地區發生干旱歷時或烈度超過其均值的事件重現期也較長；西部大理、東部曲靖等州市的干旱歷時/烈度均值較短/弱，這些地區發生干旱歷時或烈度超過其均值的事件重現期也較短。

根據有關資料，滇中引水工程建成后，投產年年引

水量26.22億m3，各州（市）受水區水量分配為：大理

3.03億m3，麗江0.21億m3，楚雄3.40億m3，昆明11.99億m3，玉溪3.63億m3，紅河3.96億m3；達產年年引水量34.04億m3，各州（市）受水區水量分配為：大理3.42億m3，麗江0.22億m3，楚雄3.75億m3，昆明16.70億m3，玉溪5.03億m3，紅河4.92億m3；各受水區的多年平均徑流模數在投產年將增加1.09～1.73倍，達產年將增加1.09～1.96倍，增幅以供水量大的昆明、玉溪及紅河受水區最為明顯。結合滇中引水工程供水對受水區徑流的影響，采用上述方法，分析滇中引水工程供水后受水區投產年、達產年綜合干旱事件的特征，并與現狀相較的變化情況，見表1。

可以看出，供水后與供水前相比較，同一聯合重現期所對應的干旱歷時和烈度減小，相同干旱歷時和烈度所對應的重現期變大，說明供水后受水區的干旱向

著歷時變短、烈度減弱、重現期增長的情勢轉變，供水對受水區的水文干旱情勢呈有利影響，且影響程度較大；預計工程供水后，各受水區投產年的干旱歷時將縮短0.91～12.70月、烈度將減弱0.602～4.060、重現期將增長0.219～3.630 a，達產年的干旱歷時將縮短1.22～13.10月、烈度將減弱0.672～4.110、重現期將增長0.220～4.030 a。

3.2" 干旱風險分析

滇中引水工程受水區細化到鄉鎮，計劃分為93個受水小區。按照前述干旱風險度分析方法，分別對工程供水前后各受水小區現狀年、投產年、達產年的干旱危險度、種植率、受災率、缺水率進行計算，從而對比分析滇中引水工程供水前后區域干旱風險的變化情況，研究工程供水對區域干旱風險的影響程度。

3.2.1" 干旱風險具體化

（1） 危險度。

將現狀年、投產年、達產年綜合干旱事件的歷時D、烈度S及聯合分布C2，表征為危險度D·S·（1- C2）×100，并結合干旱空間分布情況推求得到各受水小區內的平均危險度，成果見圖6。圖中現狀情景危險度分布情況與基于干旱頻率和干旱強度分析得到的云南省危險性指標分布規律［35］基本一致，而本文依托的分析因子更為全面。

從圖6中可以看出，現狀年，位于昆明西北部、紅河東南部、楚雄東北部的受水區干旱危險程度較高，而位于大理南部、楚雄西南部、玉溪東部的受水區干旱危險程度相對較低，整個滇中受水區的干旱事件分布呈現出中部和南部高危險、西北部中危險、西南和東部低危險的分布格局；滇中引水工程供水后，區域干旱危險性的空間分布格局不變，但各受水小區的干旱危險度均顯著下降，投產年危險度下降2.25～84.75，達產年供水后危險度下降6.20～89.25，降幅最大的受水小區位于昆明，降幅最小的位于大理。

（2） 種植率。

根據統計年鑒，結合空間分析和趨勢預測，得到各受水小區現狀年、投產年、達產年的種植面積，再由種植面積除以總面積計算種植率，以此描述各受水小區的暴露度E，種植率高表明暴露程度高、遭受干旱的風險性大，反之風險性小。從圖7中可以看出，隨著區域經濟社會的發展，除了昆明晉寧昆陽片、晉寧六街片、滇池片3個受水小區種植率稍有下降外，其余受水小區種植率增大0.16%～0.99%，其中楚雄的元謀元馬片增長最大。

（3） 受災率。

根據統計年鑒，結合空間分析和趨勢預測，得到各受水小區現狀年、投產年、達產年的灌溉面積和受災面積，分別計算得到各受水小區現狀年、投產年、達產年的受災率（受災面積與灌溉面積之比）。從圖8中可見，滇中中部楚雄、西部大理等地的受水區受災率高，遭受干旱的危險性大；而南部紅河等地的受水小區，受災率相對較低。由現狀年與投產年、達產年對比可以看出，大理麗江、楚雄、紅河等地的受水小區受災率變化不明顯，昆明、玉溪的受水小區受災率呈現出下降的發展態勢。

（4） 缺水率。

建立滇中受水區內水源工程的水資源統一配置模型［36］，通過受水區生產生活用水供需平衡分析得出：現狀年受水區總的缺水率為35%，滇中引水工程供水后，投產年、達產年受水區總的缺水率將分別降低至3.5%和3.6%。從圖9中可以看出，現狀年滇中西部、中部、南部地區缺水嚴重，尤其以楚雄雙柏妥甸片受水小區最為嚴重；滇中引水工程供水后，投產年、達產年除了嵩明嵩陽片、官渡小哨片因用水量增幅較大導致缺水率較現狀分別上升3.67%～5.05%和2.40%～5.65%以外，其余受水小區缺水率下降0.04%～62.08%和0.01%～62.41%，其中昆明安寧連然片受水小區降幅最大。

3.2.2" 干旱風險度及干旱風險等級

基于滇中各受水小區的干旱危險度、種植率、受災率、缺水率4個要素計算成果，分析各要素的上下限，據此按相等間隔劃分出10個級別，得到1～10級分別對應的各要素劃分界限值。將各要素劃分界限值求積，即可得到干旱風險度的1～10級劃分界限值。1～10級干旱風險分級成果見表2，等級越高，代表干旱風

險越大。滇中各受水小區的干旱危險度、種植率、受災率、缺水率4個要素成果之積，即為各受水小區的干旱風險度；結合分級表，可進一步對照干旱風險度成果進行等級劃分，確定各受水小區的干旱風險等級。

基于干旱風險度及分級表，即可得到滇中引水工程供水前后現狀年、投產年、達產年各受水小區的干旱風險等級變化情況（圖10）。圖中的現狀干旱災害風險評價結果在空間分布上與基于氣象、農業干旱等影響因子的研究結果基本一致［35，37］，均表明滇中旱災較為嚴重的地區主要分布在楚雄、大理、昆明、紅河、玉溪，說明本文構建的干早災害風險評價模型總體能反映云南省滇中地區的干旱災害風險水平。

圖10中，現狀年受水區內干旱風險等級僅有昆明官渡小哨片為1級，大理市鳳儀片、喜洲片、下關片、挖色片為2級，以及昆明西山谷律西翥片、團結片為3級，其余受水小區皆在4級以上，最高為楚雄鹿城片，達到了7級。工程供水后，各受水小區投產年、達產年的干旱風險等級普遍下降1～4級，最高的永勝太陽平山片角片、杞麓湖片下降了5級，說明工程供水后能夠有效緩解、降低區域干旱風險程度。

從圖10中也可以看到，部分受水小區投產年、達產年較現狀年干旱風險等級沒有變化：大理市鳳儀片、喜洲片、下關片、挖色片仍為2級，大理祥云祥城片、下莊片仍為5級，楚雄雙柏妥甸片、昆明嵩明嵩陽片仍為6級，主要是由于這些受水小區灌溉面積增加量大所致；此外，昆明官渡小哨片由于灌溉面積顯著增加、缺水量顯著增大，導致投產年和達產年較現狀年干旱風險等級由1級升為3級。在滇中引水工程供水條件下，上述受水小區未來的干旱風險仍未能得到緩解，因此在后續水利規劃中，應對這些地區予以重點關注。

4" 結 論

本文通過構建綜合干旱指數識別綜合干旱事件，分析滇中高原地區的總體干旱特征，結果顯示：滇中高原地區干旱歷時均值為1.90～5.10月，烈度均值為2.80～4.50，二者的聯合重現期為2.45～3.14 a；區域中部、南部的干旱歷時/烈度均值較長/強，聯合重現期也較長，西部干旱歷時/烈度均值較短/弱，聯合重現期也較短。在區域干旱特征分析的基礎上，通過危險度、種植率、受災率、缺水率4個因素定義干旱風險度、劃分干旱風險等級，研究滇中引水工程供水前后滇中高原各受水小區的干旱風險變化情況發現，各受水小區現狀年的干旱風險等級一般高達4～7級，待滇中引水工程供水后，投產年、達產年的干旱風險等級將普遍下降1～4級，但個別受水小區受灌溉面積、缺水量顯著增長的影響，干旱風險未能降低，這些地區應當受到后續水利規劃的著重考慮。研究表明，滇中引水工程能夠有效解決受水區缺水問題，明顯緩解區域干旱風險，進一步增強地區抵御自然災害的能力，有利于滇中乃至云南省未來國民經濟的持續穩定發展。本文所進行的區域干旱特性分析及干旱災害風險評價工作，一定程度上可為區域干旱災害風險應對提供技術支撐，亦對區域水資源配置具有一定借鑒意義。

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（編輯：謝玲嫻）

Analysis of drought characteristics and risks in Central Yunnan Plateau region

CHEN Jing，ZHANG Tianli

（Yunnan Water Conservancy and Hydroelectric Survey Design and Research Institute，Kunming 650021，China）

Abstract：

The Central Yunnan Plateau region is a key area for the social and economic development of Yunnan Province，but it is also the region most prone to drought disasters.Investigating the drought characteristics and risks in this region is crucial for regional drought defense.A comprehensive drought index MDI was constructed using the multivariate Copula function to identify comprehensive drought events that contain meteorological，hydrological，and agricultural drought characteristics，and to determine the overall drought characteristics of the Central Yunnan Plateau region.Based on the drought characteristics analysis，a risk assessment method for drought disasters was proposed based on natural disaster risk theory.The drought risk levels were divided into four categories based on the level of danger，implantation rate，affected rate，and water shortage rate，and the impact of the Central Yunnan Water Transfer Project on regional drought was evaluated.The results reflected：① The overall drought characteristics of the Central Yunnan Plateau are that the drought duration was 1.90～5.10 months，the intensity was 2.80～4.50，and the joint return period was 2.45～3.14 years.The regional distribution of drought duration，intensity，and joint return period were longer/stronger in Chuxiong，Kunming，and Yuxi that were in the central area，and Honghe in the south，while they were shorter/weaker in Dali in the west and Qujing in the east.After the completion of the Central Yunnan Water Transfer Project，the regional drought showed a development trend of shorting in duration，weakening in intensity，and prolonging in joint return period.② Before the Central Yunnan Water Transfer Project，the drought risk level in the central plateau region was generally 4～7 levels.After the completion of the project，the drought risk level generally decreased by 1～4 levels，resulting in a significant reduction in drought risk.This suggests that by building a water network in the Central Yunnan Plateau region through the Central Yunnan Water Transfer Project，the region′s ability to defend against drought disasters can be improved，which is beneficial to the sustainable and stable development of the regional economy.

Key words：

meteorological drought; hydrological drought; agricultural drought; drought risk; Copula function; Central Yunnan Water Transfer Project; Central Yunnan Plateau