基于标准径流指数法的汾河上游水文干旱等级划分研究

以汾河上游为例,选取标准径流指数（SRI）为研究指标,分析上静游、汾河水库和兰村三座水文站1956～2000年实测年径流丰枯变化情况,基于SRI划分无旱、轻旱、中旱、重旱、特旱五个等级并获得了等级间的界限值,进而对汾河上游水文干旱等级进行了划分。结果表明,基于SRI的等级划分能够很好地反映汾河上游径流量的正偏性,在不同时间尺度下具有明显的一致性;中旱、重旱在汾河上游发生的概率较大,未来抗旱措施应主要集中在重旱区。

变化环境下时变标准化径流指数的构建与应用

变化环境下,干旱指数可能表现出非一致性特征。本文假设径流序列为二阶非平稳序列,建立以时间为协变量的时变矩GAMLSS模型,该模型采用非一致性Gamma分布拟合实测径流序列,并基于该模型计算出的时变标准化径流指数SRIt,与传统指数SRI进行对比分析,以验证其合理性与必要性。结果表明:基于时变矩模型的时变标准化径流指数SRIt更适应于潘家口水库流域变化环境下水文干旱的评价。时变标准化径流指数SRIt的值整体上比基于一致性模型的指数SRI偏小,即所表示的干旱程度更加严重,主要是因为时变矩GAMLSS模型能够反映出变化环境下径流序列的变化趋势,该趋势是影响径流的一系列因素共同导致的,如气候变化,人类活动等。而在受这些因素的影响下,潘家口水库流域的水文干旱事件频率增加,严重程度增强。

基于标准化径流指数的区域水文干旱指数构建与识别

为了进一步探讨应用标准化径流指数(Standardized Runoff Index,SRI),进行水文干旱识别时存在的干旱等级划分及其临界值如何确定问题,构建了新的区域水文干旱指数,并应用于典型区水文干旱识别。即以东南沿海晋江流域为研究区,利用该流域2个水文站和3个气象站1960—2006年逐月径流和降水数据,结合径流距平百分比和降水距平百分比,构建了区域水文干旱指数SHI(Standardized Hydrology Index),获得了相应的干旱等级发生频率,进而以SHI累计频率确定了区域水文干旱指数SHI各干旱等级临界值。结果表明,基于SRI和区域水文干旱指数SHI,可以较好地识别过去47 a中晋江流域发生的主要水文干旱事件,且SHI临界值较SPI(Standardized Precipitation Index)临界值对重要水文干旱事件识别更为敏感,结果更为合理。

标准化径流指数计算的新方法及其应用

为了补充和完善水文干旱的监测与评价方法,以一种新的思路推导出了标准化径流指数的计算方法,并分析了不同气候区旱涝的分布及其变化规律。结果表明:标准化径流指数和径流Z指数对旱涝的评价结果具有较好的一致性;标准化径流指数在不同气候区均具有一定的适用性;不同时间尺度下肯斯瓦特地区在不同时期均是增湿的,而监利地区的增湿情况则是不同的;不同时间尺度下监利地区和肯斯瓦特地区分别有在各个时期旱涝变化的剧烈程度不同且均具有一定的周期性和交替变化的特征。研究推导出的标准化径流指数是合理的,将其用于旱涝的分布及其变化规律的研究具有较好的实用效果。

基于标准化径流指数的水文干旱特征分析:以塔里木河为例

运用标准化径流指数(standardized runoff index,SRI)和标准化降雨指数(standardized precipitation index,SPI)对塔里木河源流区月径流量和月降水量进行了全面系统的分析,结合历史干旱资料和游程理论分析干旱指数适用性和干旱变化特征,结果表明:1)3个月尺度的SPI和SRI均能够较好地反映塔河流域干旱特征,阿克苏河流域和开都河流域山区气象站SPI3和SRI3的相关性高于其他流域;2)和田河流域和叶尔羌河流域的干旱发生频率大于阿克苏河流域和开都河流域,但其干旱历时小于阿克苏河流域和开都河流域;3)1987年以后源流区的轻度干旱年均干旱次数少于1987年以前,主要是因为降雨、气温的增加和水利工程设施的修建.耕地面积迅速增加是1987年以后的极端干旱的干旱历时和干旱烈度大于1987年以前的主要原因.

滇中引水工程水源区与受水区径流丰枯遭遇及水文干旱研究

滇中引水工程水源区为金沙江虎跳峡河段,受水区为云南滇中高原区,研究两者径流丰枯遭遇及水文干旱变化趋势,可为滇中引水工程的水资源调度和区域水旱灾害防御提供理论指导。通过多元Copula函数描述径流系列的独立结构,运用游程理论基于标准化径流指数分析水源区和受水区的水文干旱历时、烈度和重现期,用于定量评估滇中引水工程水源区和受水区径流丰枯遭遇情况及其对水文干旱的影响。结果表明,滇中引水工程供水后,水源区标准化径流指数变幅较小,其识别的水文干旱事件历时、烈度和重现期也相对平稳;受水区标准化径流指数变幅较大,其识别的水文干旱事件历时变短、烈度减弱、重现期增大,特别是严重干旱、多年干旱事件。这说明实施滇中引水工程可有效增加受水区水资源量,显著提高受水区水旱灾害防御能力。

新安江流域气象干旱和水文干旱特征及两者之间的关系研究

新安江流域是传统丰水区,对该区域进行干旱演变规律以及气象-水文干旱传播特征及其响应关系的研究,对于流域水资源的调度和管理具有重要科学意义。基于新安江流域近63 a的降水和径流数据,利用标准化降水指数(Standardized Precipitation Index,SPI)和标准化径流指数(Standardized Runoff Index,SRI),研究不同时间尺度的新安江气象干旱和水文干旱的演变规律,并分析流域水文干旱对气象干旱的时滞效应。结果表明:(1)1960—2022年新安江流域的气象干旱和水文干旱主要发生在20世纪60年代、70年代末到80年代中期以及21世纪初,2010年至今新安江整体处于水资源丰盈状态,其余时段则干旱与湿润交替发生。(2)近63 a的数据显示,新安江流域总体呈现变湿趋势,干旱事件有所减少。其中冬季和夏季变湿最为明显,且水文角度变湿趋势比气象角度更为明显。(3)新安江流域的水文干旱与气象干旱显著相关,通常在气象干旱发生后1~3个月出现。水文干旱对气象干旱在汛期的相关性和响应速度均高于非汛期。因此,应更加关注汛期的流域干旱并采取针对性措施。

基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法

为了科学评估自然-社会系统影响下非平稳水文干旱,考虑气候变化(降水、气温)和人类活动(取用水、水库)四元要素的影响,通过基于四元驱动的GAMLSS模型构建非平稳标准化径流指数(NSRI),提出了基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法。黄河流域非平稳水文干旱实例评估结果表明:黄河流域花园口站径流序列呈现出明显的非平稳特征,径流量1961—2020年发生显著下降,并在1990年发生突变;基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法能够更好地对径流数据进行非平稳概率分布拟合;对于历史干旱事件的识别,NSRI识别的干旱过程与实际更加接近,NSRI比标准化径流指数(SRI)识别效果更好,可以更好地反映变化环境下的水文干旱演变趋势。

黄河上游径流丰枯空间分布特征及其影响因素

针对目前青藏高原背景下的区域径流丰枯空间分布特征与其影响因素之间的联系仍不清楚,以及单站点或多站点平均的丰枯指标难以反映区域径流空间分布特征的问题,采用不同时间尺度的标准径流指数,结合经验正交函数、奇异值分解等方法分析了黄河上游1969—2012年径流丰枯的空间分布特征及其与青藏高原降水、气温和积雪3种气象因子的关系。结果表明:黄河上游径流丰枯情况具有区域一致的主要空间分布模态(主要受气象因子的影响)和东北—西南反位相分布的次要空间分布模态(主要受人类活动的影响);夏、秋季比冬、春季更可能出现多年径流量偏丰或偏枯的情形;青藏高原降水、气温和积雪是影响黄河上游径流丰枯空间分布的主要气象因子,降水对径流丰枯变化起主控作用,积雪和气温的季节性影响较明显;青藏高原东北部、东部、北部是影响径流丰枯变化的关键区。

西南地区短期/长期综合干旱指数的构建与应用

西南地区雨水充沛、气候湿润,但近年来,该地区严重干旱频发,造成了难以估量的经济和社会损失。干旱评估作为干旱灾害监测与防御的一个重要方面,如何准确评价并预测研究区域的旱情是当前研究的热点和难点。以西南地区南盘江小龙潭以上流域为研究区域,基于日降水、日蒸发、日均气温等水文气象资料,采用栅格化的新安江模型,对研究流域进行日尺度模拟,根据模型计算的栅格土壤含水量以及栅格产水量分别计算土壤相对湿度指数和标准化径流干旱指数,综合改进的帕默尔指数、帕默尔水文干旱指数、帕默尔水分距平指数、不同时间尺度的标准化降水蒸散发指数,利用主成分分析方法,分别研制基于新安江水文模型的短期/长期综合干旱指数并探讨了其在南盘江流域的适用性。结果表明:短期综合干旱指数和长期干旱指数均能很好识别并评价南盘江流域的历史干旱。该研究成果可为西南地区及其他地区建立和健全干旱监测与预警系统提供重要参考。

资水流域短期/长期综合干旱指数的构建与应用

干旱评估作为干旱灾害监测与防御的一个重要方面,如何准确评价并预测研究区域的旱情是当前研究的热点和难点。基于资水罗家庙以上流域的水文、气象资料,分别计算具有不同时间尺度的干旱指数值,利用主成分分析方法,分别研制基于水文模型的短期/长期综合干旱指数并探讨了其在资水流域的适用性。研究结果表明:短期综合干旱指数和长期干旱指数均能很好识别并评价资水流域的历史干旱。研究成果可为长江流域及其他流域建立和健全干旱监测与预警系统提供重要参考。

古宜河上游气象干旱和水文干旱演变特征及关系研究

本研究基于古宜河上游1973—2022年的逐月降水和径流数据,计算了不同时间尺度的标准化降水指数和标准化径流指数,分析了气象干旱和水文干旱的演变规律,并探讨了水文干旱对气象干旱的响应特征。结果表明:年尺度下,近50年间古宜河上游气象和水文干旱程度均逐渐减轻;研究区内气象干旱的发生频率范围为25%~40%,高值中心普遍分布在西南部地区;3个月尺度下,水文干旱对气象干旱响应的时间为0~1个月。

三种干旱指数在西南地区的应用及相关性分析

基于西南地区实测的降水、气温及水文模型模拟的土壤含水率和径流资料,分别选取反映气象、农业、水文干旱的标准化降水蒸散指数(SPEI)、土壤含水率距平指数(SMAPI)和标准化径流指数(SRI),分析了三者之间的时空相关关系及其对干旱过程的反映特征,探讨了三种类型干旱指数的联系与差别。结果表明,SPEI对干旱识别敏感,干旱过程等级变化频繁,SMAPI对干旱过程刻画稳定,起止时间合理,SRI过程最为平缓,表现出水文干旱滞后于气象、农业干旱的特性;SPEI揭示的干旱等级和范围较SMAPI、SRI大,表明气象干旱的发展较农业、水文干旱严重,不同时间尺度的SPEI或SRI的干旱空间分布存在差异;三种指数之间具有较好的相关性,SMAPI与SPEI3和SRI3相关性最高,表明其具有3个月时间尺度的特征。

典型干旱指数在干旱内陆河流域的适用性分析

以中国西北内陆开都-孔雀河流域(以下简称开孔河流域)为研究区,采用1979~2016年该流域的逐日气象观测资料和逐月径流数据,计算了5种气象水文干旱指数:温度降水均一化指标(TPI)、标准化降水蒸散发指数(SPEI)、径流距平百分比(Ra)、水文干湿指数(d_(i))和标准化径流指数(SRI),在比较了干旱指数评价效果的基础上,分析了不同时间尺度下该流域干旱的特征及气象干旱与水文干旱的关系。结果表明:SPEI反映的气象干旱情况比TPI更为接近实际;与Ra、di相比,SRI的评价结果与历史水文干旱情况更加吻合;SPEI与SRI间的相关性随着时间尺度的增大而先增加后略降低,在12个月时间尺度下达到最大;开孔河流域不同等级水文干旱出现的频率具有一定的稳定性,它不随SRI在不同时间尺度下的变化而显著变化。

气候变化和人类活动对玛纳斯河流域径流及干旱的影响

基于1956—2020年玛纳斯河流域逐月降水和径流资料,运用Mann-Kendall非参数检验法、双累积曲线法和标准化径流指数(standardized runoff index,SRI)揭示了流域径流量的年际变化趋势,定量描述了气候变化和人类活动对流域径流变化的贡献比例,同时探究了气候变化和人类活动影响下流域季节尺度的干旱变化特征。结果表明:①玛纳斯河流域年径流量呈上升趋势,并在1995年发生了显著性突变;②气候变化是导致玛纳斯河流域径流量增加的主要因素,气候变化和人类活动对流域径流量增加的贡献率分别为56.73%、43.37%;③从季节尺度上看,相较于受气候变化的影响,人类活动降低了流域干旱事件发生的频率,改善了流域冬季的干旱状况,但同时春季农田灌溉需要消耗大量的水资源,使得流域春季呈现出干旱化趋势。

珠江流域1981—2020年水文干旱时空特征分析

基于VIC模型和汇流模型生成的1981—2020年5 km×5 km网格模拟流量数据,构建了长历时、网格化的标准化径流干旱指数(SRDI),对珠江流域水文干旱时空演变特征进行了评估。结果表明:基于模拟流量构建的网格化SRDI能够较好地模拟珠江流域干旱时空演变过程;珠江流域水文干旱的时间演变特征明显,干旱集中发生在夏季,秋季可能发生大范围的水文干旱,季节尺度上一年四季均有可能发生极端干旱;珠江流域水文干旱在空间格局上呈现为自东向西由干旱高频区向干旱长历时、高烈度区过渡分布。

基于Pair-copula函数和标准化径流指数的水文干旱频率分析——以南盘江流域为例

选取南盘江流域3个水文站52a(1961~2012年)的逐月径流资料,联合两个相邻站点,分别计算标准化径流指数(SSFI),运用游程理论识别52a来不同站点干旱特征,并用Pair-copula函数计算不同站点的联合重现期。结果表明:(1)52a来3个站点干旱特征值的最大值都出现在2011~2012年;从单个站点看,52a来沾益站的干旱次数、最大干旱历时、最大干旱烈度均大于高谷马站和江边街站,最大干旱峰值出现在江边街站;从联合站点看,中游以上高谷马站和沾益站的干旱特征值均大于中游以下高谷马站和江边街站,3个站点联合识别的干旱特征值大于中下游站点联合识别干旱特征值,小于中上游站点联合识别干旱特征值,上游干旱更严重;(2)Frank Pair-copula函数的RMSE、AIC和BIC值最小,拟合程度最高,适合运用于南盘江流域干旱频率分析中;(3)运用Frank Paircopula函数计算得到3个水文站点2009~2012年的连续干旱重现期都在100~200a,是52a来最严重的一次干旱。

干旱荒漠草原型流域水文干旱和气象干旱关系

为了合理评估干旱对荒漠草原流域的影响程度,准确判断气象干旱与水文干旱之间的传播特征,以艾不盖河流域作为典型研究区,基于1965—2021年共57年的月降水和径流资料,计算3种不同时间尺度的标准化降水指数(SPI)和标准化径流指数(SRI),分析了气象干旱和水文干旱的演变过程、趋势特征及相关性。结果表明:应用SPI和SRI能够很好地反映气象干旱和水文干旱变化状况;SPI值和SRI值对降水量和径流量的敏感性随着时间尺度的增加而降低,时间尺度越大,发生高等级气象干旱事件和水文干旱事件的频数越高;发生气象干旱事件和水文干旱事件的趋势增强,且发生水文干旱的程度和可能性较气象干旱更重;时间尺度越大,水文干旱与气象干旱相关性越好,同时水文干旱要滞后于气象干旱,滞时为0~1月。研究成果为荒漠草原流域抗旱减灾提供了有效的理论支撑。

遥感降水产品对黄河源区水文干旱特征的模拟性能分析

遥感降水产品为稀缺资料地区水文气象灾害机理与预警研究提供了重要的数据资料,但不同遥感降水产品的性能存在较大区域异质性。利用遥感降水产品开展水文气象相关的研究和应用前,需要对其性能进行综合评估。基于此,以稀缺资料的黄河源区为研究区,利用1983—2018年的观测降水数据(CMA)驱动并率定ABCD水文模型,并利用标准化径流指数(SRI),评估3套典型遥感降水产品(PERSIANN-CDR、CHIRPS v2.0、MSWEP v2.0)对水文干旱的模拟性能。利用游程理论识别水文干旱事件,阐明遥感降水对水文干旱特征的捕捉能力。结果表明:(1)3套遥感降水产品均能较好地捕获CMA多年均值的时空分布格局。CHIRPS产品的水文模拟性能(纳什效率系数NSE=0.72)高于其他2套产品。(2)CMA和降水产品模拟的4个尺度的SRI(SRI1、SRI3、SRI6和SRI12)均呈显著增加趋势(P<0.01),表明近36 a源区河川径流增加,水文干旱趋缓,但降水产品均高估了SRI,表明对黄河源区降水产品的偏差校正有待开展。基本统计指标方面,MSWEP产品计算的SRI与CMA的最为一致,性能最佳,但在年尺度(SRI12)上,PERSIANN表现最优。(3)3套产品均高估了SRI1和SRI3的干旱历时和烈度,MSWEP产品对SRI6的模拟性能最优,PERSIANN对SRI12的模拟性能最优。研究结果可为黄河源区水文干旱研究的降水产品数据的选择提供科学决策支持。

基于时变参数和阈值的非平稳水文干旱评估方法构建

变化环境下,气候变化和人类活动的双重影响导致径流过程出现非平稳特征,需构建非平稳水文干旱评估方法。选取渭河流域为研究区,基于平稳性、突变性和趋势性分析方法,分析径流过程非平稳特征;分别采用基于位置、尺度和形状参数的广义可加模型和完全自适应噪声集合经验模态分解法,构建考虑径流过程非平稳变化的时变参数标准化径流指数和时变阈值法,开展非平稳水文干旱事件评估;结合标准化降水指数和历史记载干旱事件验证两种非平稳干旱评估方法的合理性。结果表明:渭河流域年径流序列突变点出现在1990年前后,且径流序列在突变点后(1991—2020年)呈显著(α<0.05)上升趋势;不同设计方案间的对比结果表明,时变参数标准化径流指数和时变阈值法具备更强的稳健性,可合理刻画出径流过程的旱涝动态变化;构建的两类非平稳评估方法与标准化降水指数及历史记载干旱事件表征的旱涝过程有较高的一致性,更适应于变化环境下的水文干旱评估。