冀连华

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

水文干旱是指河川径流低于其正常值或含水层水位降低的现象，其主要特征是在特定面积、特定时段内可利用水量的短缺。传统的水文干旱识别观点认为，如果在一段时期内，流量持续低于某一特定的阀值，则发生了水文干旱，其中阀值的选择可以依据流量的变化特征，或者根据水需求量来确定；目前，基于该观点已经衍生了诸多的水文干旱判断指标，如地表供水指数(SWSI)、标准干旱严重指数(SWDSI)、标准径流指数(SRI)、Parlmer水文干旱强度指数(pHD)等。由以上定义与指标原理可知，传统判别方法是以流量为单一依据，没有考虑地下水的影响。在全球气候变化与人类活动的影响下，地下水在区域供水水源中的比重不断提高，传统的水文干旱识别方法已经无法真实反映区域水文干旱情况。针对该问题，翟家齐等人构建了一个能够反映流域地表水和地下水资源变化的干旱指标，即标准水资源指数(SWRI)，并成功应用该方法评估了海河北系的流域水文干旱特征及其演变规律。以行政区划为水文干旱研究单元更有利于各地区水资源管理与干旱应对方案的制定，但目前SWRI指数多应用于流域尺度，本文以朝阳市为例，基于SWRI指数对全市各区划的水文干旱进行识别与特征分析。

1 分析方法

1.1 研究区水资源概况

朝阳市位于辽宁省的西部，属北温带大陆季风气候区，为半干旱半湿润易旱地区。全市多年平均降水量96.35亿m3，地表水资源量14.71亿m3，地下水资源量7.13亿m3，水资源总量14.92亿m3。以行政分区划分：朝阳县的水资源总量最大，占全市的23.8%，龙城区、北票市、建平县、凌源市、喀左县的水资源总量所占全市的比重依次为3.3%、21.1%、13.2%、23.3%、12.7%；双塔区的水资源总量最小，仅占全市的2.6%。由于朝阳市的行政区划在历史上曾出现过变动，因此评估单元的划分均以当前状况为准。

1.2 水文模型

采用分布式水文模型输出的评价单元地表和地下水资源量月过程为基本输入值，构建水文干旱评价指标，即SWRI指数。本文主要采用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)，该模型是美国农业部农业研究局在CREAMS和SWRRB模型的基础上发展起来的，可依据DEM数据、土地利用数据、土壤数据等将研究区域划分为多个只包含一种土地利用类型和土壤类型的水文响应单元(HRU)，可模拟流域水循环中几乎所有的水文过程。赵安周等人应用SWAT模型结合Palmer干旱指数提出了干旱分析模型SWAT- PDI，对渭河流域干旱的时空演变规律和发生频率进行了分析。

1.3 SWRI指数

SWRI指数的确定是首先假设评价单元地表和地下水资源总量服从Γ分布，并计算其概率分布密度函数和概率，然后对概率函数进行正态标准化处理，处理后函数、即式(5)的形态参数Z值即为所求的SWRI值。该方法的主要控制方程包括。

图2 朝阳市各观测点地下水位实测与模拟值

xij=Wij

(1)

(2)

(3)

F(xij=0)=k/N

(4)

(5)

式中，wij—第i个评估单元第j月的地表和地下水资源总量；k、N—xij=0的样本数和总样本数；β和γ—概率分布密度函数的尺度参数和形状参数；f(xij)—随机变量xij的Γ分布密度函数；F(xij

SWRI值与干旱等级的划分标准可表示为：

(6)

2 分析结果

2.1 模型验证

分布式水文模型具有一定的不确定性，因此分别采用径流过程和地下水位对模型进行验证。

径流过程验证采用朝阳站1956～2014年间的径流量实测数据，结果见图1。由图1可知，SWAT模型可准确地模拟出朝阳地区径流量的变化过程趋势，数值量级也较为接近，实测的该时间段多年平均径流量值为72480.73万m3，模拟值为72512.65万m3，两者仅相差0.044%。在各年份中，最大误差出现于1995年，误差率为14.67%，即误差均控制在15%以内，满足精度要求。

图1 朝阳站年径流量实测与模拟值

地下水位验证采用朝阳地区西合当、西高杖子、郭杖子、太平庄、西湖台、和东营子6个观测点的地下水位数据，比较结果见图2。由图2可知，SWAT模型同样可准确地模拟出朝阳地区地下水位的变化过程趋势，数值量级也同样较为接近，各观测点的平均误差率分别为4.58%、4.27%、2.53%、4.10、5.45%、和5.01%；各观测点的最大误差率分别为9.79%、8.07%、5.00%、8.21%、9.94%、和9.87%，均低于10%，满足精度要求。

2.2 水文干旱识别

基于SWAT模型输出数据，利用MATLAB提供的函数包对公式组(1)～(5)进行求解，得到朝阳市双塔区、龙城区、北票市、凌源市、朝阳县、建平县、和喀左县在1956～2015年间的Z值，即SWRI指数值，再将结果按照年份分类汇总，结果见图3。

图3 朝阳市SWRI指数值

由图3可知，朝阳市各地区的SWRI指数值具有基本一致的变化趋势，约在1993年之前各地的SWRI指数值更为接近，之后则差异较大，主要因为近20年朝阳市社会经济发展迅速，剧烈的人类活动影响了水资源的自然分布状态。全市大部分SWRI值介于-0.5～-1.5之间，即干旱等级主要是轻旱和重旱，这与该地区为半干旱地区的特性相一致。总体来看，1981年朝阳市各地区的水文干旱SWRI值均较低，双塔区、龙城区、北票市、凌源市、朝阳县、建平县、喀左县的SWRI指数(等级)分别为-2.03(特旱)、-2.11(特旱)、-1.62(重旱)、-1.51(重旱)、-1.79(重旱)、-2.06(特旱)、-1.26(中旱)。据记载[8]，1981年朝阳地区发生春夏秋三季连旱，全区严重干旱18万hm2，绝收面积达16.67万hm2，与本文评估基本保持一致。综上，采用SWAT模型、基于SWRI指数所评估的水文干旱结果与事实较为相符，即该方法可合理地评估出城市尺度各区划的水文干旱情况。

2.3 水文干旱特征

基于表3数据对朝阳市的水文干旱特征进行分析，得到朝阳市水文干旱的特征值，结果列于表1。

根据表1结果可知，朝阳市各地区水文干旱最小SWRI指数的平均值为-2.05，其中最小的为-2.23、出现于北票市，干旱等级为“特旱”。水文干旱最大SWRI指数的平均值为3.47，其中最大的为3.95、出现于建平县，无水文干旱事件。全市的SWRI指数平均值为-0.44，略高于-0.50，因此干旱等级为“无旱”。采用各区划的平均SWRI指数值表征朝阳市各地区的干旱严重程度，按干旱程度由低到高排序分别为龙城区、双塔区、建平县、喀左县、北票市、凌源市、朝阳县。

表1 朝阳市水文干旱特征

变异系数可表示SWRI指数的时间变化过程离散程度，可由标准差与平均值的绝对值之比来表示，根据表1结果可知，朝阳全市的平均变异系数为2.71，其中龙城区的水文干旱程度离散度最高，为3.17，凌源市最低，为2.38。朝阳全市的SWRI指数倾向率平均值为-0.0255，即在1956～2015年间，全市的SWRI指数平均每年下降0.0255，其中下降最快的为朝阳县、其倾向率为-0.0272，最慢的为凌源市、其倾向率为-0.0237。

由表1数据可知，朝阳市各地区的SWRI指数倾向率均为负值，说明朝阳市各地区的水文干旱程度均呈加重趋势。在此情况下，应基于本文或其它有效方法积极加强朝阳市各地区的水文干旱特征分析，对旱情进行准确的预测预报，从而实现由被动抗旱向主动防旱抗旱的转变。此外，也应继续加强抗旱工程措施建设，水土保持生态环境建设和抗旱综合管理体系建设。

3 结论

采用SWAT模型模拟了朝阳市各区划的地表和地下水资源量变化过程，计算了各地区的SWRI指数，并以此分析了朝阳市的水文干旱特征，结果表明：SWAT模型可准确地模拟出朝阳地区径流量和地下水位的变化过程趋势，为SWRI指数的计算提供输入数据；SWRI指数可准确评估城市尺度各区划的水文干旱情况；朝阳市各地区按干旱程度由低到高排序分别为龙城区、双塔区、建平县、喀左县、北票市、凌源市、朝阳县；各地区的水文干旱程度均呈加重趋势，因此应积极采取合理的措施来应对新的水文干旱形势。

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