淮河流域临涣集小区域干旱特征分析

，江苏南京(210098)E-mail：[e-mail]摘要：本文利用MODFLOW2005对淮河流域临涣集小区域进行地下水数值模拟，给出了两种计算干旱的方法，采用TLM方法对该地区十年流量和地下水观测站点水位资料进行干旱计算，并通过对比分析，说明了该地区干旱特征，为预测该地区干旱的发生提供了依据。关键词：干旱；地下水数值模拟；干旱定义1．引言干旱是普遍性的自然灾害，相比洪水，暴雨等灾害，干旱通常形成比较缓慢。因此，人们在干旱初期并没有及时意识到干旱的发生，也就不会采取相应的应对措施。当干旱已经发生以后，会引起很多社会经济方面的问题，如火灾引发的森林面积减少，农作物减产，不仅农业受灾，严重的还影响到工业生产、城市供水和生态环境[1]。干旱问题在我国非常突出，它具有多发性、地区性、季节性和持续性等特点。其实这在很大程度上也是干旱现象的普遍规律，只是在不同地区其表现程度有所差异。为了阻止或减少干旱造成的危害，及早知道干旱何时何地发生，对于研究水文干旱具有重要的意义。2．水文干旱定义由于对干旱理解的不同，行业不同，考虑的角度和地区不同，对干旱的分类亦不同，一般来说，主要把干旱分为气象干旱、农业干旱、水文干旱、社会经济干旱[2]。随着水资源危机或潜在危机的出现，水文干旱问题的研究，更加引起了人们的广泛注意。水文干旱通常是指河川径流量小于某特定值(或某截取水平),从而导致供水不足或为维持正常供水而超量开采地下水而导致地下水位持续下降的现象[3]。研究干旱的关键在于如何定义干旱。水文干旱开始是以河川径流量为研究对象，以时段径流量小于某临界值来定义干旱，因而对水文干旱的识别主要采用游程理论。最初把游程理论用于水文干旱识别的是Herbst等人(1966)，他们是基于月降雨或月径流系列对干旱情况进行检验分析[4]。Hisdal等[5]人指出了两种定义干旱的方法，TLM(Thresholdlevelmethod)和SPA(Sequentpeakalgorithm)。3．干旱分析方法3.1TLMTLM(Thresholdlevelmethod)是目前使用最为广泛的一种定义干旱起止时间的方法（见图1[6]）。该方法要确定一个关键性的变量，即截取水平Q0（h0）。根据所选择的截取水平来分析已有的流量序列（水位序列）。对于一个流量或水位时间系列，当小于给定的截取水平值时，即发生干旱，每个干旱事件主要特征包括：干旱历时di，干旱最大缺水量si，发生时间ti，干旱最小流量或水位Qmin或hmin[7]。缺水量Vd可以表示为：Vd＝∑Q0-Qt（1）其中，Q0为截取水平，Qt为t时刻的流量。。Tallaksen等人[8](1997)认为干旱总缺水量可以表示干旱程度；Peters(2003)[9]认为干旱历时(d)或强度(I)能表征干旱程度，其中强度(I)等于干旱缺水量与干旱历时的比值。本文以流量和水位为研究对象。对于流量，干旱缺水采用上述方法来识别，对于水位则采用另外的方法来识别(图2)。地下水位属于状态变量，其描述了地下水库的特征，故干旱历时只计算到最低水位的时刻，因此以水位为对象的干旱识别，其缺水量等于截取水平与最低地下水位之间的差值。这种衍生的干旱历时计算方法并不总是与图1所示方法的计算结果相背离，但在某些情况下差别还是相当大的。截取水平的选择对于多数常年河流，截取水平选取Q90比较合适。Q90表示大于或等于该流量的概率为90。该流量可以为满足供水需要的流量，或者生态最小需水量。对于季节性河流来说，Q90则是0，应该选择发生概率更小的流量作为截取水平。，会得到历时较长以及历时很短的干旱事件。部分干旱事件之间是互相影响的，这种情况在历时较长的干旱事件过程中更为常见。同时由于流量序列波动比较大，持续的低流量系列过程中也会有较短时间大于截取水平的流量。为了避免一个历时较长的干旱被分成几个历时较短的干旱事件，需要定义一种合并方法。对于两个连续干旱事件，如果间隔时间τi小于给定的间隔时间标准tc，或大于截取水平的水量vi小于给定的水量标准vc，则这两个干旱事件被视为是非独立事件，应合并为一个干旱事件，合并以后其干旱特征也要发生变化：dpool=di+di+1-1（2）Spool=Si+Si+1-vi（3）dpool，Spool分别为合并以后的干旱历时和干旱缺水量。另外，历时较短，缺水量较小的干旱事件在研究过程中也需要从系列中去除掉。3.2.2合并方法通常我们考虑干旱间隔时间和干旱最短历时，只要间隔时间和历时小于给定的标准就要合并，采用的标准是tc＝5或6天；小干旱事件的判定标准是干旱历时dmin＝3天。另一种方法是对流量序列采用计算平均值，选择五天或十天的平均值，会平缓原流量系列，采用这种方法跟上述的合并方法都可以把较短历时的流量超过截取水平的序列以及短历时干旱去掉。3.3SPASPA是另外一种定义干旱的方法(图3)，它基于贮水层的储水量概念而建立。该方法也需要确立截取水平，干旱程度根据截取水平的不同而不同。干旱程度si为最大缺水量，干旱历时dmax为干旱起始时间τ0至达到最大缺水量时的时间τmax,di=τmax－τ0+1。总干旱历时dtotal为干旱起始时间直到缺水量为0的时间。采用TLM方法对临涣集流量以及各地下水位观测站点进行干旱分析，由于水位属于状态变量，只能用TLM方法。图3SPA方法定义下的干旱特征，SPA只能用于计算流量。另外，SPA计算得到的干旱数量通常会小于TLM方法。4．应用实例4.1研究区概况临涣集小流域位于淮河流域北部，上游处于废黄河南部的黄泛区，下游处于淮北平原区，总面积2560km2，为半湿润、半干旱地区，多年平均降雨量713mm(1986～1995)。降雨年内分配不均匀，6～9月份降雨量占全年60～70％，多年平均水面蒸发量为960mm。本地区地下水位与地形总趋势及微地貌变化基本一致，地下水位由北部的45m,逐步递减到南部的28m，地下水埋深北部约7-8m，南部在2m左右，地下水位年季变化1～2m。本计算采用1986～1995年共十年日降雨、水面蒸发、5日地下水位(埋深)、临涣集出口断面流量资料。统计结果表明，降雨量分布极不均匀，多年平均降水量北部为631mm，南部为749mm。土壤特性北部主要为亚砂土，南部为亚砂土和亚粘土互层。含水层北部松散岩富水程度中等，南部松散岩富水程度弱，南部小部分地区夹带富水程度中等碳酸岩层。4.2应用采用地下水数值模拟软件MODFLOW模拟的1986-1995年连续十年的月平均水位资料和日流量资料。图4为研究区用MODFLOW计算时的网格划分，各观测站点和流量站的位置。图4各观测站点和一个出口断面流量站点4.3流量干旱定义选择TLM方法来计算，间隔时间tc＝3天，最短历时dmin＝5天，选择流量截取水平为80％，则表示为TLM_3_5_80，依此类推。不同频率定义下的干旱数量见表1。，根据计算结果选定最合适的干旱定义来衡量该区域的干旱情况。采用不同截取水平，不同的干旱合并方法，即不同干旱定义下的干旱数量差别明显。与TLM_0_5各频率的干旱数量相比，TLM_3_0定义下的干旱数量与TLM_3_5定义下的干旱数量差别比较明显，表明历时小于5天的干旱事件在该定义下都从系列中去除掉了。历时dmin＜5天的干旱数量大于间隔时间tc＜3天的干旱数量。历时较短的干旱会影响干旱平均历时的计算结果，鉴于此，最后采用干旱定义为TLM_3_5来计算各截取水平下的干旱平均历时。干旱平均历时等于各干旱的历时之和与总干旱数量的比值[10]，由此得出各频率干旱的平均历时见表2。表2不同定义下的流量以及干旱平均历时频率流量/m3s-1定义平均历时/d700.73TLM_3_5_7016750.65TLM_3_5_7516.52800.57TLM_3_5_8015.33850.5TLM_3_5_8513.84900.4TLM_3_5_9013.54950.29TLM_3_5_9512.61总体上随着干旱截取水平的提高，干旱历时增大。4.4水位表3为不同频率的水位计算，各站不同截取水平下的干旱总历时见图5。表3不同截取水平下各站水位统计观测站70％75％80％85％90％95％OB04＃(m)31.5831.4531.3331.1931.0430.85OB13＃(m)32.6432.5632.3632.2432.1732.09OB16＃(m)31.7931.7631.6431.4731.3831.29OB45＃(m)28.7928.7128.6228.5928.5528.20OB01＃(m)34.2434.1733.9733.7933.6633.57OB29＃(m)42.3941.8541.6041.3841.1640.31OB35＃(m)39.4439.4139.3039.1739.1038.712104＃(m)26.8026.4225.7325.5925.5925.592501＃(m)26.7726.5226.2625.7625.6125.292509＃(m)29.9029.8529.8029.7229.6329.542514＃(m)28.7328.6528.4528.3427.9627.50(month)70%75%80%85%90%图5不同截取水平干旱总历时由于水位计算采用各观测站点的月平均水位值，因此不再采用合并方法计算干旱，各站点的干旱持续时间在同一截取水平下的持续时间比较接近。由此说明全流域的干旱起始时间是一致的，跟实际情况较符合。5．结论本文通过对临涣集小区域流量和各地下水位观测站点月平均水位十年的观测资料进行了干旱分析计算，采用了TLM方法，分析了该流域干旱出现时间以及平均历时。对流量来说，干旱分析结果采用合并方法，即间隔时间小于3天，干旱历时小于5天的都从系列中剔除掉，水位采用月平均值，各观测站点的干旱出现时间在全流域上具有一致性。参考文献[1]王维第．水文干旱研究的进展和展望［J］．水文，1993，5．[2]耿鸿江，沈必成．水文干旱的定义及其意义［J］．干旱地区农业研究，1992，10（4）．[3]冯平．干旱灾害的识别途径［J］．自然灾害学报，1997，3[4]冯平,贾湖．供水系统水文干旱预测模型的