海河流域近20年气象干旱和水资源形势研究

周根富，解文静

（1.江苏省水利防汛物资储备中心，江苏 南京 210029；2.水利部海河水利委员会，天津 300170）

干旱是频繁出现的自然灾害，影响范围广，造成的损失重，海河流域是我国旱灾频发流域，素有“十年九旱”之称。一些研究[1-3]表明，近60年来，海河流域年平均气温总体上升趋势明显，大部分地区温差逐年缩小，多处降水量减少，气候向暖干化方向发展。海河流域干旱情况和水资源态势成为高度关注的热点。严登华等[4]研究了1961年以来海河流域干旱时空变化特征，发现海河流域年降水量呈现出显著减少的趋势，流域干旱形势愈发严峻。丁相毅等[5]利用WEP-L模拟了海河流域未来30年（2021—2050年）降水、蒸发、径流等主要水循环要素的变化规律，研究结果表明，流域未来干旱情况更趋严重，水资源管理将面临更加严峻的挑战。

流域干旱频发和水资源短缺的现状，与人口和耕地分布、生产力布局等极不匹配，水问题成为需要密切关注的问题。进入21世纪，海河流域经济社会高速发展，干旱的危害和水资源短缺的制约作用越来越明显。因此，评估近年来流域干旱情况和发生干旱时水资源面临的形势，具有十分重要的现实需求。

干旱类型通常分为气象干旱、水文干旱、农业干旱和经济社会干旱。其中气象干旱是影响最直接的干旱，也是其他类型干旱发生的主要原因。干旱监测指数的研究，经历了漫长的发展过程，目前判别气象干旱的方法较多，诸如Palmer指数、Z指数、SPI指数等均广泛应用[6]。鉴于干旱自身的复杂性，在不同地区有其独有的特征，各地还根据本地的特点，研究出了不同的干旱指数。例如，广东省根据土壤有效含水量研制的干旱指数、甘肃省基于降水和蒸发研制的K干旱指数，在当地都得到了很好的应用。在表征气象干旱的指数中，SPI指数为标准化降水指数，反映一个时段内降水量出现的概率多少，适用于月以上时间尺度与当地气象情况相比较的干旱评估。SPI指数具有多时间尺度特性，其中12个月SPI指数表征长期干旱情况，可以反映水文学和包括地下水、径流量和水库蓄水量变化在内的水资源供给侧引起的干旱[7]，且SPI可以很好地反映海河流域的干旱变化特征[8]。

本文采用Mann-Kendall检验方法，对2000—2019年海河流域降水量和水资源量的变化趋势进行分析，采用SPI指数[9]对气象干旱总体情况进行识别，并对干旱情况下流域水资源所受影响进行分析，提出了相应的应对措施。

1 研究区概况

海河流域属于半干旱、半湿润温带大陆性季风气候，多年平均年降水量535 mm（1956—2000年系列），时空分布不均，夏季暴雨集中，冬春雨雪稀少，具有春旱、秋涝、晚秋又旱的特点。局部干旱灾害易发多发，存在连续丰枯的变化规律。

海河流域多年来平均水资源总量370亿 m3（1956—2000年系列），人均水资源量不足240 m3，人多水少矛盾非常突出。20世纪80年代以来，流域水资源开发利用程度一直处于较高状态。据统计，1980—2016年，当地水资源开发利用程度高达106%，严重超出了水资源承载力，水资源供需形势日益严峻。干旱发生时，经常采取应急调水、加大地下水供水量、启用备用水源等应急措施应对水资源短缺，甚至被迫限制用水，对生活、生产造成了极大影响。

2 方法和数据

2.1 趋势性分析——Mann-Kendall检验方法

在诸多时间序列趋势分析方法中，Mann-Kendall检验法是世界气象组织推荐的非参数检验方法，适用于水文、气象等随机分布数据的趋势性检验，在我国普遍应用。在该方法中，原假设X0=(x1，x2，…，xn)是n个独立的随机变量，其备择假设为双边检验，检验的统计变量S计算方法如下。

当n＞8时，实测数据的统计量S服从正态分布，其均值E（S）和方差VAR（S）为：

标准的正态统计变量Z为：

Z大于0时序列数据呈上升趋势，反之呈下降趋势。在双边的趋势检验中，在给定的α置信水平上，如果Z的绝对值大于标准正态分布的统计量Z1-α/2，则可判定序列数据存在显著的上升或下降趋势，反之则趋势性不显著。本文置信水平取95%。

2.2 气象干旱识别——SPI指数法

SPI指数法采用Γ分布描述降水量的变化，在计算出降水量的Γ分布概率后再进行正态标准化处理，最终用标准化降水累积频率分布划分干旱等级。假定某时段降水量x的概率密度函数为：

式中，β和γ分别为尺度和形状参数，均为正值，采用极大似然估计方法计算。

对于某一年的降水量xi，采用数值积分计算降水量x小于xi事件的概率F（x＜xi）：

对Γ分布概率正态标准化处理后，近似求解SPI指数：

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

年降水量采用2000—2019年海河流域水资源公报中统计的流域年降水量数据。各年气象干旱等级按照《气象干旱等级》标准[9]判定为：SPI＞-0.5时，干旱等级为1级，类型为无旱；-1.0＜SPI≤-0.5时，干旱等级为2级，类型为轻旱；-1.5＜SPI≤-1.0时，干旱等级为3级，类型为中旱；-2.0＜SPI≤-1.5时，干旱等级为4级，类型为重旱；SPI≤-2.0时，干旱等级为5级，类型为特旱。

2.3 水资源情况分析

分析干旱年度流域水资源总量、地表水资源量、地下水资源量与多年平均水平相比的情况，以及降水形成水资源比例的情况，在此基础上分析气象干旱对流域水资源条件的影响。水资源总量、地表水资源量、地下水资源量、降雨形成水资源的比例以及多年平均值等数据采用2000—2019年海河流域水资源公报中的数据。

3 结果分析

3.1 降水量和水资源量的趋势性分析

置信水平95%下的统计量Z1-α/2为1.96。海河流域近20年来降水量时间序列计算得到的统计变量Z值为1.14，表明近20年来流域降水量具有上升趋势。但该统计变量小于置信水平95%下的统计量Z1-α/2（1.96），说明降水量的上升趋势不明显。而水资源量总量、地表水资源量、地下水资源量时间序列计算得到的统计变量Z值分别为1.36、1.59、1.13，表明近20年来流域水资源总量、地表水资源量、地下水资源量具有上升趋势。与降水量类似，水资源总量、地表水资源量和地下水资源量的统计变量小于Z1-α/2，说明三者的上升趋势不明显。

3.2 气象干旱情况分析

流域近20年来的气象干旱指标计算结果见表1。

表1 海河流域2000—2019年的年尺度气象干旱情况

出现干旱的年份为2001、2002、2006、2014年，共4年，出现的频率为20%，平均每5年发生一次流域总体性气象干旱。因此，流域总体性气象干旱发生的概率较大，干旱形势较为紧张。发生气象干旱的4年中，2001、2006、2014年的干旱等级为2级，轻旱。2002年干旱等级为3，中旱，且为紧随2001年发生的干旱。因此，20年中海河流域发生气象干旱类型以轻旱为主，同时出现了时间上连续、干旱程度较重的情况。流域干旱情况需要引起高度重视。

3.3 气象干旱对水资源状况的影响

降水量是影响海河流域水资源条件的关键因素。海河流域发生气象干旱年度里的水资源总量、地表水资源量、地下水资源量距平百分率如表2所示。

表2 海河流域气象干旱年度水资源情况 单位：%

在气象干旱年份，流域水资源总量较多年平均水平明显减少，减少幅度在40%以上；中旱年份的2002年减少幅度更大，为57.27%。地表水资源量的减少更为明显，减少幅度在50%以上，中旱年份的2002年减少幅度高达70.71%。相对于地表水资源量而言，地下水资源量的减少幅度相对较小，但仍在18%以上，中旱年份的2002年减少幅度更为明显，为37.74%。

20年海河流域降水形成水资源的比例情况如图1所示。

图1 20年海河流域降水形成水资源的比例

发生气象干旱时，降水形成水资源的比例明显下降，从正常年份的16%～22%下降至15%左右，其中在中旱年份的2002年，仅为12%。由此可见，气象干旱对水资源形成的过程产生了比较明显的影响，消耗于蒸腾蒸发的降水量明显增加。

3.4 对策措施

以上分析表明，气象干旱对于海河流域水资源的影响十分明显，需要制定应对措施，防范水资源短缺造成的影响，重点做好以下工作。一是提高降水预报精度，特别是中长期降水预报精度，超前防范气象干旱对水资源造成的影响。二是开展降雨产流机理分析，科学预判水资源变化，提前合理配置地表水和地下水资源利用量，尽量降低由于气象干旱导致的水资源短缺带来的损失。三是建立统一的外调水、当地水资源调配体系，形成资源互补格局，降低因水资源短缺造成的经济损失。四是鉴于海河流域降水集中在汛期的特点，开展雨洪资源化工作，把洪水当作水资源，通过科学的洪水调度，增大雨洪资源转化率。五是制定应急方案，特别是干旱年份水资源供给的应急措施，遇干旱年份及早谋划调水抗旱。

4 结语

尽管20年来海河流域降水量总体呈不显著的上升趋势，但流域发生气象干旱的频率仍较高，类型以轻旱为主，且有连续干旱的情况发生。气象干旱对流域水资源的影响较为明显，特别是对地表水的影响更为显著，海河流域应对干旱的形势十分严峻。

本文对海河流域干旱的分析是在年尺度和流域总体的空间尺度上进行的，对于农业生产等影响较为明显的季尺度和干旱空间分布的分析有待进一步探讨。但从流域整体的角度来看，海河流域需要加强水资源综合管理，逐步建立适应气象干旱的管理体系，以应对频繁发生的干旱和由此带来的水资源问题。