基于水文模型的土壤相对湿润度干旱指数构建及运用研究

2016-07-06关明皓辽宁省沈阳水文局辽宁沈阳110046

水利规划与设计 2016年1期

关明皓（辽宁省沈阳水文局，辽宁沈阳110046）

关明皓
（辽宁省沈阳水文局，辽宁沈阳110046）

本文构建基于水文模型的土壤相对湿润度干旱指数，以辽中地区大洋河流域为研究区域，运用该干旱指数对大洋河1954～2014年干旱进行评价。研究结果表明：1954～2014年大洋河流域发生重大干旱的频率较低，频率为1.2%；流域易发生中等程度干旱，频率为29.5%；流域在冬季发生干旱的频率最高，为57.3%；夏季发生干旱频率较低，为41.3%。研究成果可以为大洋河流域干旱预测预警提供重要的参考价值。

水文模型；土壤相对湿润度干旱指数；干旱评价；大洋河流域

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.013

1 引言

干旱指数是定量评价区域干旱程度的重要指标，土壤湿度是反映区域干旱程度的特征属性。当前，区域的干旱程度大都通过土壤水分测定，但是区域土壤墒情站点不能完全体现整个区域的干旱情况，特别是不能实现区域干旱逐日的动态监测。土壤湿润度干旱指数可结合区域土壤含水量对区域干旱进行评价，在国内被许多学者用于干旱评价，并取得一定的研究成果。冯建设结合山东省114个测墒站实测土壤湿度数据，构建土壤相对湿润度干旱指数，对山东省多个地区的干旱进行评价分析。董亚龙结合三种干旱指数对陕西区域干旱进行评价，研究结果表明土壤湿润度干旱指数评价结果好于其他两种干旱指数评价结果。王明田采用土壤相对湿润度干旱指数对我国西南地区的干旱进行定量评价，评价结果表明土壤相对湿润度干旱指数对西南地区的干旱评价结果和实际干旱情况吻合度较高。王春林采用基于模拟的动态土壤水分值，构建逐日的土壤相对湿润度干旱指数，并和其他三种干旱指数进行对比分析，研究结果表明基于土壤水分动态模拟的土壤相对湿润度干旱指数适合于广东地区的干旱监测和评价。综上结果表明，基于土壤湿润度的干旱指数，可较好的实现区域干旱评价和监测，和区域的实际干旱情况较为吻合，适合于区域的干旱评价。但当前大多数土壤相对湿润度干旱指数都是基于实测土壤墒情数据，而区域土壤墒情站较少，很难覆盖整个区域，不能整体显现整个区域的干旱情况。王春林的研究结果表明基于土壤水分动态模拟的土壤相对湿润度干旱指数可较好的实现整个区域的干旱监测。为此，本文基于水文模型动态模拟整个区域的土壤水分，基于模拟的土壤含水量构建相对湿润度干旱指数，以大洋河流域为研究实例，对大洋河流域的干旱进行评价。研究成果对于辽宁其他区域的干旱评价和区域干旱监测提供参考价值。

2 研究方法

土壤相对湿度是指土壤含水量与田间持水量的百分比，或相对于饱和水量的百分比等相对含水量表示。土壤相对湿度干旱指数是反映土壤含水量的指标之一，适合于某时刻土壤水分盈亏的监测。土壤相对湿度干旱指数的计算主要基于土壤含水量，而水文模型可模拟预测区域土壤含水量。因此本文中采用水文模型来预测区域土壤含水量，基于水文模型模拟的土壤含水量，作为土壤相对湿润度干旱土壤含水因子的输入，从而构建基于水文模型的土壤相对湿润度干旱指数，土壤相对湿润度干旱指数计算公式为：

式中：R—土壤相对湿度（%）；w—土壤重量含水率（%）；fc—土壤田间持水量（%）。

其中土壤重量含水率和土壤田间持水量均通过水文模型模拟预测，土壤相对湿度干旱指数划分干旱等级如表1，由于不同性质的土壤相对湿度存在一定差异，使用者可根据当地土壤性质，对等级划分范围做出适当调整。

表1 土壤相对湿度干旱等级划分表

3 实例分析

3.1 研究区域概况

大洋河主要位于辽宁省的东部区域，流域水系较为发达，其发源于辽宁鞍山岫岩县，为岫岩县境内最大河流。大洋河全长为230.2km，流域集水面积为1068.4km2，流域多年平均降水量为800～1000mm，区域气候属于中温带季风气候，区域多年平均气温为7.9℃。近些年来，受全球气候变暖影响，岫岩县出现干旱年份较多。为此，需要对岫岩区域干旱进行评价分析。

3.2 年尺度干旱评价

本文运用新安江模型动态模拟流域土壤含水量，基于前述土壤相对湿润度干旱指数计算方程，计算了大洋河流域1954～2014年干旱指数，见图1。结合土壤相对湿润度干旱指数划分等级，统计分析了大洋河流域1954～2014年不同干旱程度发生频率，结果见表2。

图1 大洋河流域1954～2012年干旱指数

表2 大洋河流域1954～2012年干旱频率统计

图1为运用土壤相对湿润度干旱指数计算的大洋河流域1954～2014年干旱指数，结合土壤相对湿润度干旱程度划分等级可以看出，大洋河流域主要在1959、1976、1977、1983年以及2013发生严重干旱事件。其中在1983年区域发生极端干旱事件，经过对实地区域调查走访和史志资料分析，运用土壤湿润度干旱指数评价的区域干旱情况和大洋河流域实际干旱情况吻合度较高。表2为统计不同干旱等级在大洋河流域发生的频率，从统计频率分析的结果可以看出，大洋河在1954～2012年发生干旱的频率为57.7%，区域发生干旱的频率较高。其中发生中等干旱的年份较多，发生中等干旱的频率为29.5%；其次为发生轻微干旱的年份也较多，频率为22.5%；发生极端干旱的年份较少，频率为1.2%。

3.3 季尺度干旱评价

考虑到季节性干旱给农作物需水和种植带来的影响，本文结合标准化干旱指数对大洋河流域的季节尺度的干旱情况进行了评价，评价结果见表3。

表3 大洋河流域季干旱月数频率统计

表3为采用基于水文模型的土壤相对湿润度干旱指数统计大洋河流域四个季节发生不同等级干旱的频率。从表3中可以看出，大洋河流域在冬季发生干旱的季节较多，发生干旱的频率为57.3%，在夏季发生干旱的频率低于其他三个季节，频率为41.3%。这主要是因为大洋河流域在冬季寒冷少雨，使得大洋河流域在冬季比较易发生干旱，且在冬季发生极端干旱的频率也远高于其他三个季节。而大洋河流域降水主要集中在夏季，降水量较多，使得大洋河流域在夏季发生干旱的频率较低。但是在夏季发生严重干旱的频率较多，这是因为有个别年份在夏季降水偏少，而在夏季蒸

发量较大，使得出现严重干旱的频率较高。从表3中还可以看出，在秋季发生中干旱程度的频率要高于其他三个季节，因此在秋季农作物种植时，应该提前做好抗旱准备。