基于SDI 的石羊河流域中游水文干旱特征研究

卢泰山，李玲萍

（1.武威市凉州区水务局金塔河水利管理处，甘肃武威733000；2.中国气象局兰州干旱气象研究所/ 甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，甘肃兰州730020；3.甘肃省武威市气象局，甘肃武威733000）

石羊河流域是我国水资源开发程度最高的内陆河流域之一，也是干旱区典型的水资源脆弱带。石羊河流域中游即武威绿洲近年来由于开发力度加大，用水量迅速增加，导致石羊河流入下游的地表水量逐年减少，引发了水资源短缺、用水矛盾激化、植被退化、生态恶化等一系列生态环境问题。本文利用石羊河流域中游3 条河流1961—2017 年的逐月流量资料，采用标准化流量指数计算比较符合当地实际的水文干旱定量指标，揭示气候变化背景下石羊河流域中游的水文干旱特征，进一步平衡和完善水文干旱评价系统，为石羊河流域中游干旱的客观评估和准确预测提供参考依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本文利用石羊河流域中游3 条河流的3 个水文代表站（四沟嘴、南营水库、杂木寺）1961—2017 年逐月实测的流量数据资料，从统计意义上看，这样长的时间序列足够获得比较可信的趋势分析结果。

1.2 研究方法

采用标准化流量指数SDI、游程理论来获得干旱事件的特征指标，标准化流量指数SDI 计算的基础资料是水文监测断面的历史月流量，计算方法类同于标准化降水指数SPI，分析石羊河流域中游的水文干旱特征。SDI 具有多时间尺度的特征，本文选用3 个月和12 个月时间尺度的SDI 作为研究尺度，SDI3 反应年内短期干旱特征，SDI12 反映长期的干旱变化特征。用3—5 月、6—8 月、9—11 月、12 月至翌年2 月分别代表春季、夏季、秋季、冬季，年尺度为1—12 月。

参考变化环境下无定河流域水文干旱演变规律及驱动机制分析[1]，用3 种分类标准对石羊河流域实测流量资料进行等级划分，然后求取其平均值作为石羊河流域中游各干旱等级出现情况的百分比，最后利用累计频率确定的石羊河流域以SDI 为干旱指数的水文干旱事件干旱等级划分标准见表1。

表1 标准化流量指数（SDI）干旱分级

干旱一般可以用干旱持续时间、干旱程度和干旱强度3 个特征来表示，而这些特征可以用游程理论来得到[2，3]。根据表1 所示的水文干旱划分等级，将SDI 值小于1.21 的月份记为发生一次干旱事件。

2 石羊河流域中游水文干旱演变特征

2.1 水文干旱历时、烈度和强度演变特征

从图1 可知，流域中部1961—2017 年平均干旱历时为10.6 个月，各年代干旱历时最长出现在20世纪70 年代，平均持续时间是12 个月，干旱历时最短出现在20 世纪60 年代，持续时间为9 个月；平均干旱烈度为7.40，最强出现在1992 年为21.52,1989年未出现干旱，20 世纪90 年代最强为10.41，20 世纪80 年代最弱为5；平均干旱强度为0.68，最强出现在1992 年为1.79，最强出现在20 世纪90 年代为0.91，20 世纪80 年代最弱为0.49。

2.2 水文干旱时序演变特征

从图2 可知，石羊河流域中游年SDI 在波动中呈增加趋势，变化倾向率为0.035/10 a，未通过P＜0.05 的显著性信度水平，无旱年有7 年。1991 年、1965 年、1962 年和2013 年属重旱年份，SDI 值分别为-2.19、-1.72、-1.66 和-1.57。通过分析发现，石羊河流域中游年SDI 变化总体上表现为在波动中呈增加趋势，但增加幅度很小。

2.3 水文干旱频率演变特征

从图3 可知，石羊河流域中游中旱和重旱频次最高，年、春季、夏季、秋季、冬季的中旱、重旱和特旱发生频率之和分别达75%、72%、74%、72%和72%。通过分析发现，石羊河流域中游水文干旱发生的概率很高，年水文干旱发生的频率高于四季水文干旱发生的频率，四季水文干旱发生频率最高的是夏季。

3 结论

从干旱历时、干旱烈度和干旱强度分析，石羊河流域中游干旱历时20 世纪70 年代最长，20 世纪60年代最短；干旱烈度和强度都是20 世纪90 年代最强，最弱出现在20 世纪80 年代。

从干旱时序分析，石羊河流域中游年SDI 变化总体上表现为在波动中呈增加趋势，但增加幅度很小。

从干旱频率分析，石羊河流域中游水文干旱发生的概率很高，年水文干旱发生的频率高于四季水文干旱发生的频率，四季水文干旱发生频率最高的是夏季。