大辽河流域灌区干旱预警指标探析

李晓军，刘恩鹏，周 双，刘鸿涛

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.中国灌溉排水发展中心，北京 100054；3.长春工程学院，吉林 长春 130021）

1 概述

大辽河由浑河、太子河汇流而成，自汇流处经鞍山市、营口市、盘锦市流入大海，汇流处至入海口全长约97 km，是沿途大中型灌区的主要地表水源，担负两岸盘锦、营口等6 个县（区）约9 万hm2水田灌溉任务，流域面积约1 962 km2，地处辽宁省中部沿海地区。近年来，由于气候形势变化，该地区降水时空分布与水稻生长季匹配性差，在2014—2015 和2017—2019 年，辽宁省中部地区接连发生严重干旱，对大辽河流域农业生产影响极大。因此，探求该地区水田干旱时空分布特征问题具有重要的现实意义，及时有效解决水田干旱应急补水，制定科学有效的水田干旱预警指标系统尤为重要。

水田干旱指标是旱情监测、分析的基础，是应急补水的依据，该指标的准确性是旱情研究的前提。现有的GB/T 20481—2006《气象干旱等级》[1]、SL 424—2008《旱情等级标准》[2]、GB/T 32135—2015《区域旱情等级》[3]和GB/T 32136—2015《农业干旱等级》[4]等标准分别代表了气象、水文、农业等方面干旱等级标准，同时也衍生出各自行业内特定干旱指标。农业干旱的描述主要以作物需水量程度状况、作物冠层温度情况，以及土壤、大气各因素共同作用的一类旱情指标；气象干旱的描述主要以降水量距平百分率、相对湿润指数、标准化降水指数及土壤相对湿度为特征的一类旱情指标；水文干旱主要以水库蓄水量距平百分率、河道来水量低于一定供水阈值要求及地下水埋深下降值等为特征的一类指标；经济干旱主要以人类社会经济活动所需的水资源量与水资源分配不平衡的一类干旱指标[5]。

水田干旱源出于农业干旱，但又不完全等同于农业干旱[6]。我国农业干旱监测多以小麦、玉米为研究对象[7]，气候学及农业气象学研究的指标包括降水量、降水量距平、相对蒸散量、作物冠层温度、气温差等，这些指标对水田作物旱情定义表述不够确切,因此不能作为标准的水田干旱指标应用实践。近年来，针对水田干旱指标的研究，国内外学者开展了大量实验，建立了一系列包括气象、土壤墒情、作物生理及其它综合监测指标等[7]。如王明田等利用相对湿润度指数对西南地区水稻季节性干旱时空分布特征进行了研究；王婷等利用降雨距平百分率和相对湿润度指数相结合的方法对四川水稻干旱风险进行了研究[7]。目前，国内针对水稻的干旱监测较少，因此，本文综合现有的旱情等级标准，兼顾考虑各类指标，提出大辽河水田干旱预警指标。该预警指标为抗旱应急补水提供科学依据，起到预估、预判、预警作用。根据气象干旱等级标准，降水是影响干旱程度的直接因素，降水量距平能够客观反映某时段内降水与多年同期的偏差程度，加之我国大部分地区降水观测站点分布均匀、资料系列长、精度高等特点，因此在干旱分析研究中应用较多。参考以上标准，选择气象、农业、水文三大类中操作性较强的5 个代表指标建立大辽河流域灌区旱情预警指标，即降水距平百分率(Pa)、湿润指数距平率(Mp)[8]、标准化降水指数(SPI)、连续无雨日、断水天数，以此确定大辽河流域灌区旱情预警指标。

2 干旱预警指标

2.1 降水量距平百分率

降水量距平百分率用于表征某时期内实际降水量与同期的多年平均降水量的偏差程度，能直观体现降水变化引起的干旱程度，适用于平均气温高于10 ℃的半湿润、半干旱地区的旱情监测及评估，反映了某时期内降水与其多年均值相对多少的定量关系。可直观反映某时期内降水的相对多少，但不能单一作为农作物干旱指标应用实践。由于降水量距平百分率指标具有易于理解、便于计算、资料获得容易、直观性好等特点，目前在农业生产实际中应用较广。降水量距平百分率计算公式：

式中：Pa表示某时段降水量距平百分率；P表示某时段降水量，mm；Pˉ表示计算时段同期平均降水量，mm。

气象干旱等级划分的国家标准中时间尺度为年、季、月（见表1），此次分析了大辽河地区30 年降水量资料，研究并初步提出该地区降水量距平百分率旬尺度干旱等级，见表1。

表1 降水量距平百分率干旱等级划分表

2.2 湿润指数距平率[8]

相对湿润度指数是表征某时段降水量与作物蒸散量之间平衡的指标之一，而湿润指数距平率是反映偏离多年同期平均相对湿润度指数值的变化差异程度。此次研究以Mp表示作物田间水分变化状态情况。其计算公式：

式中：M表示某时段的相对湿润度指数；Ea表示作物实际蒸散量，mm，可根据作物系数修正参考作物蒸散量的方法获得；Mˉ表示某时段多年平均相对湿润度指数。当M≥0 或M≥Mˉ，表示该时段降雨量多于多年平均状态时，作物不受干旱影响。

张凤怡[9]等人利用SIMETAW 模型对辽宁主要粮食作物需水及其与降水耦合规律进行研究。该研究采用辽宁省33 个气象站点61 年（1957—2017 年）逐日气象数据，计算出日参考作物蒸散量，并根据辽宁地区水稻需水相关试验，确定了水稻各阶段作物系数(Kc)，最终给出了辽宁省水稻4 个生长阶段作物需水量结果，见表2。

表2 辽宁省水稻各生长阶段作物需水量

利用湿润指数距平率公式，计算研究区域内各站点1960—2020 年水稻各生长期湿润指数距平率，综合分析研究区旱情资料并结合典型干旱发生年等特点建立水稻干旱等级指标，见表3。

表3 水稻湿润指数距平率干旱等级指标

2.3 标准化降水指数

标准化降水指数是反映某时段降水量出现概率多少的指标，对于某地区月尺度以上干旱的监测与评估可采用该指标研究，标准化降水指数干旱等级划分见表4，计算公式：

表4 标准化降水指数干旱等级划分表

式中：Z表示标准化降水指数值，即SPI；S，t表示降水量为0 时的事件概率相关参数；c0，c1，c2，d1，d2，d3为计算公式常量，取值分别为c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

其中

式中：F为降水量为0 时的事件概率。

式中：m为降水量为0 的样本数；n为总的样本数。当F＞0.5 时，S=1；F≤0.5 时，S=-1。

2.4 连续无雨日

连续无雨日数是指在一定时期内连续无有效降水（日降水量小于5 mm）的天数。干旱等级划分见表5。

表5 连续无有效降雨日数干旱等级划分表

2.5 断水天数

断水天数是指水稻生长期，水田无可见水面持续的天数。旱情等级划分见表6。

表6 断水天数干旱等级划分表

3 干旱指标确定与等级划分

影响干旱的因素很多，造成干旱的原因也不尽相同，地理位置及气候差异起到主要因素，因此，难以采用统一的标准来评判干旱情况、确定干旱等级。依据以上标准，综合分析大辽河流域地区气候、地形、水田耕作特征，提出兼顾降水量距平百分率、湿润指数距平率、标准化降水指数、连续无雨日、断水天数等单项，综合统筹的方式确定预警指标及干旱等级。具体为：1）以国标等级划分数据为准，单项指标满足“轻旱”标准则发布干旱预警信息。2）综合以上5种类型干旱指标，对每项干旱等级进行综合评价，最终得出平均干旱等级。

4 预警指标合理性验证

分析大辽河流域盘锦、营口灌区2019，2020 年典型干旱年灌溉期防汛抗旱应急补水数据，以此验证预警指标的合理性。盘锦以大洼灌区为研究目标，选用大洼灌区16 个雨量站、营口灌区14 个雨量站1960—2020 年6，7 月各旬数据计算区域平均降水量；采用泰森多边形法以旬尺度为单位计算该地区多年平均降水量均值、降水量距平值及湿润指数距平率。SPI的计算同样采用两个灌区选用的雨量站1960—2020 年各月降水量数据计算。连续无雨日及断水天数采用2019，2020 年两个典型年6，7 月日降水量数据及灌区监测数据进行分析。分析成果见表7。

表7 典型干旱年盘锦营口灌区干旱等级及补水措施

通过分析大辽河流域灌区典型干旱年2019，2020 年灌溉期5 个代表指标计算成果，并结合防汛抗旱补水数据进行验证。从表7 可以看出，2019年盘锦、营口地区灌溉期分别出现轻旱、中旱等级旱情，2020 年两地均出现中旱等级旱情，时间上与调度补水相互吻合，调度补水水量及次数也进一步验证了旱情等级上的不同。

5 结语

综上所述，以上确定的盘锦、营口地区灌溉期干旱预警指标满足生产实践要求，结合典型干旱年数据对比分析，能够准确地对该地区旱情作出预警、预判，对该地区水田应急抗旱补水有重要指导意义。

大辽河流域水田旱情预警指标的提出，填补了该地区水田旱情研究的空白，为水田旱情评估提供了依据。该指标主要以气象、农业、水文三大类5 个指标为研究基础，实现了旱情信息的多角度综合分析。各指标概念明确，考虑因素多，具有广泛的理论和实用价值。未来将结合实时雨水情数据库、水文数据库、旱情数据库等，采用跨平台的开发语言，开发旱情实时监控预警预报系统，以此弥补预警指标分析时效性的不足，提高预警指标的自动化分析能力，更好地满足生产实践要求。