图1 阿克苏绿洲位置图
孙可可1,2，陈青青1,2，陈超群3，冯 杰2
（1.河海大学，南京210098；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038；3.新疆兵团勘测设计院有限责任公司，乌鲁木齐830001）
摘 要：阿克苏绿洲地区干旱灾害频发，为对该地区干旱灾害进行预警，建立了以水资源干旱为基础的阿克苏绿洲干旱预警模式。在阿克苏绿洲水循环特征分析的基础上，以水资源干旱指标作为绿洲干旱指数的评估指标，识别了阿克苏绿洲干旱的主要控制因子，并在阿克苏绿洲供需水关系分析的基础上，建立了其与先导性气象要素的定量关系，将其转化为具有常规观测资料的气象要素，构建了以气温为核心的干旱预警指标。结果表明，应用该预警指标对阿克苏绿洲经行干旱预警，一个月预警准确率达到了86.8%，具有较高的精度。
关键词：阿克苏绿洲；水资源干旱；干旱预警模式；西北干旱区
干旱灾害是全球范围内造成经济损失最严重的自然灾害之一[1]，在全球气候变化背景下，降水时空分布更为不均，旱灾呈广发频发趋势[2-3]。为降低干旱灾害影响，国内外学者围绕干旱的评估、演变与预测开展了大量研究，从水循环的不同过程出发提出气象干旱、水文干旱、农业干旱、社会经济干旱等干旱类型，建立了包括SPI指数、Z指数、PDSI干旱指数多种干旱指标[4-6]。干旱预警模式是建立在综合指数基础之上，部分干旱预警模式建立在土壤水分遥感监测的基础之上，主要用空间土壤水分变化预警干旱发生趋势[7-8]。部分考虑了气候干旱指数、作物受旱率、土壤湿度、降水量等因子[9-11]。但是不同地区的地理环境、下垫面特征、水循环特性以及主要社会经济类型等因素的差异，应用一种统一的干旱评估与预警模式存在很大困难[12-13]。
阿克苏绿洲位于塔里木河主要源流阿克苏河的中下游，地处欧亚内陆，降水量小、蒸发量大、气候干热，干旱是当地的主要自然灾害之一，是阿克苏绿洲常发性自然灾害，发生频率高、多发春旱等特点，严重影响了当地农业生产。阿克苏河径流虽然总量较充足，但年内分布极不均匀，大部分都集中在夏季，汛期与非汛期水量差别很大，春季为灌溉用水高峰期，径流量仅占全年径流量的8%～18%，使得阿克苏绿洲春季和夏初经常发生干旱。由于阿克苏绿洲水资源补给源以冰川融雪为主，冬季的降水量少，常常会影响下一年的水量供给，因此常有冬、春、夏三季连旱的情况出现。干旱灾害是造成绿洲农业经济损失最严重的气象灾害，对绿洲区农业生产和生活造成极大的影响[14-15]。干旱预警对干旱期的水资源调配，减少干旱损失具有重大意义。在对阿克苏绿洲水循环与干旱特征分析的基础上，选择水资源指标作为绿洲干旱评估指标，识别水资源干旱的主要影响因子，建立其与前期气候因子的定量关系，构建阿克苏绿洲干旱预警模式，并基于历史资料对其适应性和精度进行验证。
阿克苏绿洲位于阿克苏河中下游（图1），以灌溉农业为主，农业经济是阿克苏地区的重要产业，农作物种类多样化，粮食作物主要有小麦、玉米、水稻、豆类等；经济作物主要有棉花、胡麻等；耕地面积自新中国成立以来总体呈增加趋势，年均增长率0.77%，近年来研究区耕地面积持续增大，至2013年耕地面积已达5 255.75 km2，耕地面积的扩大造成耗水量增大，使得流域需水压力一直居高不下，制约着当地社会经济的发展。1961―2011年期间，整个阿克苏绿洲多年平均降水量为164.6 mm，多年平均蒸发量为1 039.7 mm。灌溉水源为阿克苏河2条主要支流托什干河山区和库玛拉克河山区来水，根据1957―2012年水文资料，年径流量为76.29亿m³，绿洲区年均取水量为21.45亿m³，占绿洲总需水量90%以上。
图1 阿克苏绿洲位置图
阿克苏绿洲干旱分析表明绿洲主要水源不是由本地降水提供，上游山区冰雪消融产生的山区来水为其主要水源，山区来水量是其干旱主要影响因素。因此，传统的基于降水的SPI指数、Z指数、PDSI干旱指数，但在阿克苏绿洲区无法客观的反映绿洲当期的干旱特征。兹选用翁白莎等[16]建立的水资源干旱系统。该方法从水资源系统的角度构建干旱评价指标，解决阿克苏绿洲干旱评价的问题，实现了通过水资源角度预测阿克苏绿洲干旱的目的。
阿克苏绿洲水资源短缺量只是从数值角度表征了研究区内缺水的既定事实，并不能满足在干旱分析中对于时空对比的要求，因此参考PDSI的思想，引入水资源短缺量修正系数K，反映不同时空背景下的水资源短缺差异[10]：
式中：-D
为月平均需水量
为月平均供水量。
在此基础上即可得到可进行时空对比的水资源短缺指数Z：
预警月水资源干旱程度受到当前月水资源短缺量和前期水资源累计短缺量的共同影响，预警月水资源干旱指数DIi+1为：
式中：α与当前月水资源短缺量对预警月干旱的贡献程度相关；β为与先前水资源累积短缺量对预警月干旱贡献的程度相关，α与β可通过长序列水资源短缺指数推求；DIi为当前月月干旱指数；Zi+1为预警月缺水指数，由预警月可供水量和预警月需水量推求。
干旱预警指标确定后，需要筛选出阿克苏绿洲干旱主要控制因子。干旱的发生、发展与许多因素有关，如降水、蒸发、气温、土壤墒情、土壤质地、灌溉条件、农业种植结构、作物生育期的抗旱能力等关系非常密切。阿克苏绿洲可用水量与阿克苏河山区来水相关，阿克苏河山区出山口径流主要来源于冰川积雪融水，与冰川积雪覆盖面积、山区气温、降水直接相关。在冰川与积雪消融研究中，度日模型应用较为广泛，该模型是基于冰雪消融与气温，尤其是正积温之间的线性关系建立的[17-18]。兹采用度日法，融雪的发生和量级由温度控制[19]，融雪深M通过日气温T和阈值气温T0之间的差乘以度日因子DDF得到。山区径流量就可以由融雪深M乘以融雪面积A得到。
式中：T为山区日气温（℃）；T0为阈值气温（℃）；DDF为山区度日因子（mm/（d·℃））；A为融雪面积（m2）。
阿克苏绿洲以农业生产为主，需水量可以通过种植结构、作物系数、田间水利用系数、渠系水利用系数和参考作物蒸腾蒸发量等计算，考虑到预警时段有限可以合理假定种植结构、田间水利用系数、渠系水利用系数不变。参考作物蒸腾发量（ET0）采用FAO推荐的Penman-Monteith公式[20]计算。
以上分析表明，阿克苏绿洲干旱主要由气温T决定，温度T是其主要控制因子。
气温是阿克苏绿洲主要控制因子，出山口径流与上游山区正积温相关，正积温就可以作为先导性气象要素，通过正积温推求出山口径流量，再由出山口径流推求出区域可供水量。以1983年1月―2011年12月的阿克苏绿洲平原区气温和阿克苏流域山区积温资料为基础（图2），建立绿洲平原区平均气温和山区正积温的函数关系，根据此函数式由绿洲平原区平均气温推求出山区正积温。
图2 阿克苏站月气温与月正积温关系
统计分析表明，当阿克苏站月平均气温大于某一阈值时，山区月正积温与阿克苏站月平均气温近似符合幂函数关系，可以直接通过平原区气象站点月平均气温推求山区月正积温PDD：
式中：PDD为山区月正积温（℃）；Tm为平原区月平均气温（℃）；T0为阈值（℃）；a和b为拟合参数。各参数取值如表1所示。
表1 模拟参数
以阿克苏气象站在1983年1月—2011年12月的正积温数据和沙里桂兰克和协和拉站径流为基础（图3），建立正积温和出山口径流关系，即：
式中：Q为出山口径流（m3）；PDD为山区月正积温（℃）；c和d为拟合参数。各参数取值如表1所示。综合式（5）和式（6），建立可供水量与阿克苏站月平均气温的关系：
式中：e、f、g为与区域相关的参数；Tm为平原区月平均气温（℃）；T0为温度阈值（℃）。
图3 出山口径流与上游正积温关系
以1983年1月—2011年12月的气温径流数据建立出山口径流与阿克苏站月平均气温的关系，模拟参数取值如表1所示。
径流模拟结果见图4。由图4可知，模拟径流与实测径流有较高拟合度，该方法可以用来模拟阿克苏地区的径流量。
图4 阿克苏站月平均气温与出山口径流关系
阿克苏绿洲区需水以农业需水为主，需水量可由平原区蒸发能力推求，由阿克苏站月平均气温推求阿克苏绿洲蒸发能力。以1983年1月―2011年12月的气温和蒸发数据建立出山口径流与阿克苏站月平均气温的关系（图5）。其中Tm为月平均气温，各模拟参数取值如表2所示。
表2 阿克苏站月月平均气温与蒸发能力关系参数
式中：k、j、p、q为与区域相关的参数。
在阿克苏绿洲干旱预警指数构建的基础上，选择反映干旱特性的水资源干旱指数DI作为干旱评估指标[16]。
引入干旱预警指数（Drought Warning Index）IDW，IDW=DIi+1。定义为预警月缺水量的代表性指标，并根据干旱程度，设定干旱预警阈值，并分别发布绿色、黄色、橙色和红色干旱级别，具体见表3和图6。
图5 阿克苏绿洲月平均气温与作物腾发量关系
表3 干旱预警指数及其阈值
表4 干旱预警结果评价
图6 干旱预警指数
图7 预警IDW值与实测DI值对比
由月气温（Tm）分别推求预警月可供水量SW和需水量DW，再由此推求干旱指数DI，得到干旱预警指标（IDW）：
根据干旱预警指数IDW计算式，可计算预警月的干旱预警指数，并对其干旱等级进行预估。预警评估结果表明（表4和图7），在1～2个月预见期内，IDW具有较高的精度，预警期为1个月时，预警干旱等级与实际干旱等级一致的时段约占总统计时段的86.8%，预警干旱等级高于实际干旱情况的占总时段的5.2%，预警干旱等级低于实际干旱情况的占总时段的8.0%；当预警期为3个月时，干旱预警等级与实际干旱等级一致的时段占总统计时段的比例为79.6%。
1）水资源干旱指数综合反映了上游来水、本地降水及前期干旱的持续影响，符合阿克苏绿洲的水循环特征，适用于阿克苏绿洲及类似干旱区绿洲的干旱评估。
2）所建立的以气温为核心指标的干旱预警模式，较好地反映了区域预警期可用水量和需水量的变化，耦合了当前干旱程度对预警期干旱的影响，该模式适用于阿克苏绿洲及类似以冰雪消融产生的山区来水为主要水源、以灌溉农业为主要用户的区域。
3）所建立的预警模式在阿克苏绿洲的应用表明该指数在1～2个月预见期内具有较高精度，预见期为1个月时精度为86.8%，预见期为2个月时精度为79.6%，能够有效预警阿克苏绿洲干旱旱情。当预警期大于等于3个月时，预警精度不高，无法满足预警精度需求。在下一步的研究中，应进一步提高预警期长度，以期使水资源干旱预警系统更具有操作性和实际指导意义。
参考文献：
[1]何斌，吕爱锋，武建军等．中国干旱灾害评估与空间特征分析[J].地理学报（英文版），2011，21（2）：235-249．
[2]张翔，夏军，贾邵风．干旱期水安全及其风险评价研究[J].水利学报，2005，36（9）：1138-1142．
[3]刘琳，杨志勇，徐宗学.辽宁省农业干旱灾害风险评价及分区[J].水电能源科学，2013(1)：1-4．
[4]王燕，王润元，张凯等．干旱气候灾害及甘肃省干旱气候灾害研究综述[J].灾害学，2009，24(1)：117-121．
[5]李艳春，桑建人，舒志亮．用最长连续无降水日数建立宁夏的干旱预测概念模型[J].灾害学，2008，23(1)：10-13．
[6]李思诺，翁白莎．SPI和SPEI在阿克苏河流域的适用性分析[J]．水资源与水工程学报，2016，27(1)：101-107．
[7]HERBST P H,BREDENKAMP D B,BARKER H M G.A technique for the evaluation of drought from rainfall data[J].Journal of Hydrology,1966,4 (66):264-272.
[8]MCKEE T B，DOESKEN N J，KLEIST J．Drought monitoring with multiple time scales[C]//Ninth conference on applied climatology．Boston，MA：AMS，1995：233－236．
[9]王莺，李耀辉，胡田．基于SPI指数的甘肃省河东地区干旱时空特征分析[J].中国沙漠，2014，34(1)：244-253．
[10]陈昱潼，畅建霞，黄生志，等．基于PDSI的渭河流域干旱变化特征[J].自然灾害学报，2014(5)：29-37．
[11]张晓煜，杨晓光，韩颖娟．等.宁夏南部山区农业干旱预警模型[J].农业工程学报，2011，27(4)：41-47．
[12]冯平，王仁超．水文干旱的时间分形特征探讨[J].水利水电技术，1997，28(11)：48-51．
[13]蔡明科．关中地区水文、气象干旱特征对比研究[J].灌溉排水学报，2003，22(6)：33-37．
[14]温克刚．中国气象灾害大典（新疆卷）[M].北京：气象出版社，2006．
[15]新疆维吾尔自治区统计局．新疆统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2012．
[16]翁白莎，严登华，王浩,等．一种内陆河干旱绿洲区干旱评价系统：CN105930635A[P].2016-09-07．
[17]DANNY Marks,JAMES Domingo,DAVE Susong,et al.A spatially distributed energy balance snowmelt model for application in mountain basins[J]．Hydrological Processes，1999，13(12/13)：1 935-1 959．
[18]HOCK R.Temperature index melt modelling in mountain areas[J].Journal of Hydrology，2003，282(1-4)：104-115．
[19]HOCK R.A distributed temperature-index ice and snowmelt model including potential direct solar radiation[J].Journal of Glaciology，1999，45(149)：101-111．
[20]ALLEN R G，PEREIRAL S，RAES D，et al.Crop evapotranspiration:Guidelines for computing crop water requirements-Irrigation and Drainage Paper No 56[M].Food andAgriculture Organization of the United Nations.Rome,Italy.
ADrought Index-based Model and ItsApplication toAksu Oasis
SUN Keke1,2,CHEN Qingqing1,2,CHEN Chaoqun3,FENG Jie2
(1.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China)
Abstract:Drought occurs frequently in the oasis in Aksu,and a model was developed in this paper to provide warning of droughts in this region.The model was based on analysis of water circulation in oasis of Aksu.The drought index was used as the assessment index to identify the main factors that determine the occurrence of droughts in Aksu oasis,from which we established the quantitative relationship between some meteorological variables based on availability of and demand for water resource in this region.These factors were then related to meteorological data which can be directly measure dusing temperature as the key drought warning index.The results showed that the accuracy of the drought-warning model is 86.8%in monthly basis.
Key words:Aksu oasis;water resources drought;drought warning model;arid region of northwest China
中图分类号：S423
文献标志码：A
doi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.05.015
责任编辑：陆红飞
孙可可，杨志勇，陈青青，等.基于水资源干旱指数的阿克苏绿洲干旱预警模式及其应用[J].灌溉排水学报，2017，36（5）：84-89.
收稿日期：2016-10-04
基金项目：水利部公益性行业专项（201501060)；中国清洁发展机制基金赠款项目（2014110）；国家科技支撑计划项目（2013BAC10B01-03）
作者简介：孙可可（1990-），男。硕士研究生，研究方向为水文水资源。E-mail:sunke_hohai@163.com
通信作者：冯杰（1972-），男，山东聊城人。教高，博士，主要从事水文水资源、洪涝灾害研究。E-mail:fengjie@mwr.gov.cn
文章编号：1672–3317（2017）05-0084-06