2022年鄱阳湖流域干旱综合评估及成因分析

2023-03-06贾建伟，王栋，徐伟峰，刘昕

人民长江 2023年2期

贾建伟，王栋，徐伟峰，刘昕

(长江水利委员会水文局，湖北武汉 430010)

0 引言

干旱是中国发生最频繁、波及范围最广泛、造成损失最严重的自然灾害之一[1-2]。学者们对于干旱尤其是气象水文干旱评估开展了大量的研究，提出了帕尔默干旱指数(Palmer Drought Severity Index，PDSI)、标准化降水指数(Standardized Precipitation Index，SPI)、标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)、径流干旱指数(Streamflow Drought Index，SDI)、标准化径流指数(Standardized Runoff Index，SRI)等方法[3-6]。通过流域水系干旱综合评估，可以进一步准确掌握流域水资源短缺状态和干旱时空分布情况，对于指导流域水资源综合配置和经济社会发展具有重要意义[7-8]。

鄱阳湖作为中国第一大淡水湖，在供水、调洪、涵养水源、维持生物多样性等方面具有重要作用[9]。然而，随着气候变化的影响，鄱阳湖流域气温呈现出上升趋势，降水的时空分布更加不均匀，增加了干旱发生的风险[10]。21世纪以来，鄱阳湖流域干旱的频率和强度均趋于增加，2003，2006，2007，2009年和2011年等均发生了较为严重的旱情。针对鄱阳湖流域干旱情况，谢坤等[11]采用SPEI指数分析了60 a干旱时空变化特征，结果表明，鄱阳湖流域存在南湿北干的空间特征，且季节差异较为明显，并发现鄱阳湖流域的干湿变化与EI Nino/La Nina事件之间存在着一定的相关性。郑金丽等[12]构建了综合气象干旱指数进行分析，研究表明，鄱阳湖流域干旱时空分布存在一定差异，未来春秋季干旱存在上升的趋势。许斌等[13]通过对鄱阳湖流域非一致性干旱频率分析发现，湖口站2003年后干旱历时和强度均表现出较大幅度增加的趋势。胡振鹏等[14]阐述了2011年春夏季鄱阳湖干旱情况，并从历史同期、严重干旱年和连续枯水年分析了旱灾成因。刘元波等[15]分析了2000～2010年鄱阳湖区干旱变化特征，从流域降水、蒸发及出湖径流等方面剖析了鄱阳湖区极端干旱事件频发原因。刘卫林等[16]分析了鄱阳湖流域61 a干旱演变趋势和周期变化规律，讨论了干旱特征与ENSO指数的关系。通过以往研究可以发现，鄱阳湖流域干旱灾害频发，且存在明显的时空分布差异。然而，对于鄱阳湖干旱的研究多从流域整体角度出发或针对历史旱情进行分析，对于赣江、抚河、信江、饶河、修水等“五河”流域和湖区之间的时空差异未曾细化，也缺少对2022年干旱形势的分析。

2022年鄱阳湖流域发生了严重旱情，降水量稀少，湖区水位持续偏低，湖区水面面积急速缩减，对区域经济社会发展和生态多样性带来了严重影响[17]。在此背景下，本文将鄱阳湖流域划分为赣江、抚河、信江、饶河、修水及湖区6个分区，采用SPI和SRI指标分别评估2022年鄱阳湖流域不同分区的气象干旱和水文干旱情况，综合分析了干旱的时空分布特征及成因，可为探究鄱阳湖流域旱情变化规律、开展流域抗旱保供水工作提供技术支撑，促进区域水利高质量发展。

1 研究数据和方法

1.1 研究流域和数据

鄱阳湖流域地处长江中下游南岸，集水面积约16.2万km2，主要位于江西省境内。鄱阳湖南面承接赣江、抚河、信江、饶河、修水等“五河”来水，北面与长江天然联通，是长江流域重要的调蓄湖泊。根据鄱阳湖流域河流水系及水文站点分布情况，将流域划分为赣江、抚河、信江、饶河、修水及湖区6个分区，如图1所示。本次收集了6个分区内降水、径流、主要水库运行资料，并根据站点实测资料，考虑上游水库调蓄影响，计算6个分区1960年1月至2022年10月天然逐月径流量。

图1 鄱阳湖流域分区及水文站点分布Fig.1 Division of Poyang Lake Basin and distribution of hydrological stations

(1) 降水数据：流域内雨量站1960～2021年逐月降水量资料，来源于长江流域水文年鉴；2022年1～10月逐月降水量，来源于长江流域防汛预报调度系统。采用泰森多边形法，计算各分区1960～2022年逐月降水量。

(2) 水文数据：外洲、李家渡、梅港、虎山、渡峰坑、虬津、万家埠、湖口站1960年1月至2022年10月月径流量资料，星子站1960年1月至2022年10月逐日平均水位资料。1960～2021年数据来源于长江流域水文年鉴，2022年数据来源于长江流域防汛预报调度系统。

(3) 水库运行数据：赣江万安、峡江水库和修水柘林水库坝前逐日水位、水位库容曲线，来源于长江流域防汛预报调度系统。

1.2 研究方法

分别采用SPI和SRI指标表征流域各分区气象干旱和水文干旱的程度。流域降水量一般服从偏态分布，SPI指标采用Γ分布作为某时段降水量的概率密度函数，确定概率密度函数相关参数后将累计概率标准化即为SPI值[18]。SRI指标计算方法与SPI指标相同，选用与SPI指标相同的Γ分布，输入为各分区代表站多年的月平均流量序列[19]。SPI和SRI指标可以反映长时间尺度的降水演变和水资源盈亏状况，在干旱评估方面应用广泛[20]。

根据GB/T 20481-2017《气象干旱等级》和相关研究[21-23]，气象和水文干旱等级均可划分为无旱、轻旱、中旱、重旱和特旱5个等级，如表1所列。

表1 干旱等级划分标准Tab.1 Classification criteria of drought grade

2 结果分析

2.1 水文特性

1960～2022年鄱阳湖流域各分区7～10月累计降水量如图2所示。2022年7～10月，赣江、抚河、信江、饶河、修水、湖区累计降水量分别为156，91，134，121，167，112 mm，较历史同期均值偏少63%～78%。其中，赣江、抚河、饶河、修水、湖区7～10月累计降水量为历史同期最少，信江流域7～10月累计降水量为历史同期第二少、仅高于1967年。分月来看，各分区8月和9月降水基本属于63 a实测记录以来最枯的前3位，10月在前10位以内(见表2)。

图2 鄱阳湖流域各分区历年7～10月累计降水量Fig.2 Cumulative precipitation in each division of Poyang Lake Basin from July to October in recent 63 years

表2 鄱阳湖流域各分区7～10月降水量63 a来排位Tab.2 Accumulative precipitation ranking in each division of Poyang Lake Basin from July to October in recent 63 years

1960～2022年7～10月鄱阳湖湖区星子站平均水位变化如图3所示。该站2022年7～10月平均水位10.30 m为历史同期最低值，较同期均值偏低25%；8～10月平均水位也均为有记录以来的最低值，日平均水位更是多次刷新同期最低记录。

图3 鄱阳湖星子站历年7～10月平均水位Fig.3 Average water level of Xingzi Station in Poyang Lake from July to October in recent 63 years

1960～2022年鄱阳湖流域各分区7～10月径流量如图4所示。受降水影响，2022年赣江、抚河、信江、饶河、修水、湖区7～10月径流量分别为105.0亿，12.4亿，13.0亿，9.4亿，16.8亿，20.1亿m3，较历史同期均值偏少29%～70%。将1960～2022年63 a径流量降序排列，赣江、抚河、信江、饶河、修水、湖区2022年7～10月径流量分列历史同期第56，59，60，59，54，58位；各月排位存在一定差异，7月来水量偏枯，8，9，10月基本属于最枯的前3位(见表3)。

图4 鄱阳湖流域各分区历年7～10月径流量Fig.4 Runoff of Poyang Lake Basin from July to October in recent 63 years

表3 鄱阳湖流域各分区7～10月径流量63 a来排位Tab.3 Runoff ranking in each division of Poyang Lake Basin from July to October in recent 63 years

2.2 SPI和SRI指标分析

2022年1～10月鄱阳湖流域各分区SPI指标如图5所示。由图5可知，2022年各分区SPI指标呈现出下降的趋势，1～6月各分区多呈现出无旱的状态，仅信江流域4月和修水流域5月分别表现为轻旱和中旱；7～10月各分区旱情加剧，陆续出现重旱和特旱。鄱阳湖流域各分区7～10月SPI指标如表4所列，从8月起全流域表现为中旱以上，绝大部分区域表现为重旱以上，部分区域表现为特旱。流域旱情以9月最为严重，各分区均表现为特旱。

图5 鄱阳湖流域各分区2022年1～10月SPI指标Fig.5 SPI in each division of Poyang Lake Basin from January to October in 2022

2022年1～10月鄱阳湖流域各分区SRI指标如图6所示。2022年各分区SRI指标和SPI指标表现出相似的趋势，1～6月仅部分区域部分时段表现为轻旱，多数时段表现为无旱，亦有部分区域表现为湿润的特征；7月起水文干旱程度逐渐加重，全流域整体干旱程度在10月达到最大。由表4可知，鄱阳湖流域从8月起绝大部分区域表现为中旱以上，部分区域表现为重旱和特旱。通过SPI指数和SRI指数综合分析，2022年鄱阳湖流域气象干旱和水文干旱程度均较高，且表现为全流域干旱。

图6 鄱阳湖流域各分区2022年1～10月SRI指标Fig.6 SRI in each division of Poyang Lake Basin from January to October in 2022

表4 鄱阳湖流域各分区7～10月SPI和SRI指标值Tab.4 SPI and SRI values in each division of Poyang Lake Basin from July to October

鄱阳湖流域各分区2022年7～10月气象、水文干旱程度空间分布如图7和图8所示。气象、水文干旱7～10月的逐月变化过程具有较好的一致性，在同一分区对干旱相对程度的表征趋于一致。截止2022年10月，气象和水文干旱程度分别在9月和10月达到最大值，水文干旱略迟于气象干旱。鄱阳湖流域各分区干旱程度整体较高，其中8月和9月全流域气象干旱程度均为重旱或特旱，9月和10月全流域水文干旱程度均为重旱或特旱。

图7 鄱阳湖流域各分区2022年7～10月气象干旱程度Fig.7 Meteorological drought degree of Poyang Lake Basin from July to October in 2022

图8 鄱阳湖流域各分区2022年7～10月水文干旱程度Fig.8 Hydrologic drought degree of Poyang Lake Basin from July to October in 2022

2022年7～10月鄱阳湖流域主要水库库容变化如表5所列。结合各分区水文干旱程度可以发现，水库调度策略随水文干旱程度的不同而发生相应改变，侧面验证了本研究干旱评估的合理性：流域旱情较轻时(例如赣江7～8月及抚河、修水7月)，水库常规调度进行蓄水；流域旱情严重时(例如赣江、抚河、饶河9～10月及修水8～10月)，水库结合旱情加大泄量以保障下游用水安全。流域发生重旱及以上旱情时，赣江、抚河、饶河和修水主要水库月均补水量分别达2.81亿，0.91亿，0.16亿，2.33亿m3。同时，对比鄱阳湖流域各分区SPI指标和SRI指标最值可以发现，水文干旱在量级上通常低于气象干旱，表明水利工程调蓄措施可以一定程度上缓解旱情，减少干旱造成的损失。

表5 2022年鄱阳湖流域主要水库蓄水量统计Tab.5 Water storage of main reservoirs in Poyang Lake Basin in 2022 亿m3

2.3 干旱响应关系

一般来说，干旱是长期(大于1个月)缺水引起的，径流减少、土壤缺水通常由降水的长期短缺导致，因此水文干旱一般滞后于气象干旱。为进一步探求气象干旱和水文干旱间的响应关系，本文计算了1960年1月至2022年10月鄱阳湖流域各分区不同时间尺度的SPI和SRI指标，并分析不同时间尺度SPI指标(SPI-1、SPI-3、SPI-6)和月尺度SRI指标(SRI-1)的Pearson相关系数，如表6所列。结果表明，气象干旱和水文干旱具有相关关系，且存在地区差异。其中，赣江、抚河、信江、饶河和修水月尺度SRI指标与3个月尺度SPI-3指标相关性最大，相关系数分别为0.812 9，0.808 3，0.783 7，0.778 8和0.709 0，湖区月尺度SRI指标与月尺度SPI-1指标相关性最大，相关系数为0.729 6。“五河”流域水文干旱与气象干旱间存在较为明显的滞后期，约为2～3个月，湖区水文干旱与气象干旱间无明显滞后期。分析原因，滞后期长短通常与流域的降水产流关系、蒸散发和下垫面因素等有关，由于湖区水面占比较“五河”流域大，因此其无明显滞后期是合理的。

表6 鄱阳湖流域各分区气象干旱与水文干旱相关系数Tab.6 Correlation coefficient of meteorology and hydrology drought in each division of Poyang Lake Basin

2022年鄱阳湖流域各分区不同时间尺度气象、水文干旱指标如表7所列，各分区重旱和特旱主要发生在8～10月，与月尺度SPI和SRI指标评估结果一致。从气象干旱与水文干旱响应关系分析，2022年2～4月、5～7月和5～10月气象干旱程度较弱，8～10月气象干旱程度最强，而10月水文干旱程度最强，表明10月水文干旱与8～10月气象干旱相关性最强，是气象干旱长期累积的结果，与1960年1月至2022年10月长系列研究结果较为一致。

表7 2022年鄱阳湖流域各分区不同时间尺度SPI和SRI指标Tab.7 SPI and SRI in each division of Poyang Lake Basin for different time scales in 2022

2.4 成因分析

大气环流过程与水文过程密切相关，海-气关系是气候系统内部振动的一个因素，与大陆相比，海洋的作用往往更为重要。已有研究表明，北太平洋海温冷暖变化对全球大气环流影响作用巨大，大气环流的异常将导致水文过程发生不同程度的变化。北太平洋海温冷暖变化对大气环流影响较大的是EI Nino和La Nina事件，构建鄱阳湖流域各分区1960～2022年7～10月SPI-1系列与其前期5个月NINO Z区平均海表温度的相关关系，如表8所列。分析表明，7～10月SPI-1指标与前期海温场关系较好，表现出正相关关系，即当海温场较高时(EI Nino事件)，鄱阳湖流域各分区不容易发生干旱，当海温场较低时(La Nina事件)，容易发生旱情。

表8 鄱阳湖流域各分区SPI-1指标与海温场相关关系Tab.8 Relationship between SPI-1 in each division of Poyang Lake Basin and sea surface temperature indexes

西太平洋副热带高压(以下简称“副高”)的南北、西伸位置变化及强度变化在很大程度上决定了季节雨带的变化，构建鄱阳湖流域各分区1960～2022年7～10月SPI-1系列与同期副高面积、强度、脊线、西伸脊点的相关关系，如表9所列。研究表明，SPI-1指标与副高面积、副高强度表现出正相关，与副高脊线、西伸脊点表现出负相关，即当副高面积较大、强度较强，副高脊线和西伸脊点位置较大时，鄱阳湖流域容易出现旱情。

表9 鄱阳湖流域各分区SPI-1指标与大气环流场相关关系Tab.9 Relationship between SPI-1 in each division of Poyang Lake Basin and atmospheric circulation indexes

根据国家气候中心发布的大气环流指标，2020～2021年发生了明显的La Nina事件，受其影响，2022年7月以来，副高持续性西伸加强，7～9月长期笼罩在长江流域，其面积、强度都较往年偏大偏强。在副高控制之下，盛行下沉气流，天气持续晴好，致使降水急剧减少、连续无雨、高温频发，造成鄱阳湖流域发生持续高温干旱事件。此外，2022年7月以来，国内冷空气活动明显减少，从而导致流域内降水较往年明显偏少。在这种环流形势影响之下，鄱阳湖流域高温少雨，水位持续降低，出现“汛期反枯”现象。

2022年鄱阳湖流域旱情发生以来，通过调度流域内大中型水库实施精准补水，极大程度上缓解了旱情。为应对后续可能出现的旱情，应加强流域内水工程联合调度，完善联合调度协作机制，统筹发电、供水、航运等不同行业需求，实现流域水库群调度效用“帕累托最优”。鉴于水文干旱一般滞后于气象干旱，可以加强预报预警，强化预演预练，科学落实抗旱保供水预案，尽可能将旱情影响降到最低。