基于水文-作物耦合模型和CWAPI指数的农业干旱评估

基于模拟土壤含水量构建的干旱指数可反映农业干旱的时空发展过程,已被广泛用于大范围农业干旱评估中。当前模拟用于干旱评估的土壤含水量时,常采用水文模型进行模拟。然而,水文模型常过于简化作物模块甚至缺少作物模拟方案,无法模拟作物需水量,因此仅基于土壤含水量构建的土壤干旱指数因忽略作物需水而难以准确评估实际的农业干旱情况。研究构建了考虑灌溉过程影响的水文-作物耦合模型VIC-EPIC（Variable Infiltration Capacity-Environmental Policy Integrated Climate）,提出了基于VIC-EPIC模拟作物需耗水过程的作物缺水距平指数CWAPI（Crop Water Anomaly Percentage Index）,在青口河流域开展了区域农业干旱评估方法研究。验证分析表明,构建的CWAPI因考虑作物需水影响可直接反映作物的缺水状态和缺水对作物生长的累积影响;由于在干旱评估中引入了作物种植比例、轮作类型和灌溉的影响,CWAPI能够较SMAPI（Soil Moisture Anomaly Percentage Index）更客观地反映区域作物旱情。因此评估农业干旱时,需要考虑作物种植比例、轮作和灌溉过程的影响。     

基于三种干旱指数在东北地区的应用及相关性探析

结合东北地区水文模型的土壤含水率和径流以及实测气温、降水等资料,文章分别选取了能够表征水文干旱、农业、气象的标准化径流指数SRI、降雨蒸散发指数SPEI和土壤含水率距平指数SMAPI,然后对3种干旱指数之间的时空关联性和干旱过程反映特征进行研究分析。研究表明:对干旱识别较为敏感的指数为SPEI,而SMAPI对干旱过程的刻画较为稳定,SRI对水文干旱变化较为平缓;相对于SMAPI和SRI指数,SPEI指数所反映的干旱范围和等级较大,相对于水文和农业干旱,气象干旱的发展较为严重,SMAPI和SRI指数在不同时间尺度上的空间分布状况存在明显的差异;3种干旱指数之间具有密切的相关性,其中SMAPI与其他两个指数的相关性最高。     

基于供水水源的干旱指数及在昆明干旱频率分析中应用

在分析昆明需水量主要供水水源的基础上,以土壤含水量和径流量分别表示作物蒸散和各用途取水的供水水源,参照综合气象干旱指数的构造方式,构建了基于标准化土壤含水量指数和标准化径流指数的综合水文干旱指数。采用阈值法识别基于综合水文干旱指数的干旱过程,通过区域旱情频次确定干旱发生阈值,并分别以干旱过程中指标值小于干旱发生阈值的时段数和时段内干旱发生阈值与指标值之差的累积和为干旱历时和干旱烈度。在采用适线法确定干旱历时、干旱烈度边缘分布的基础上,利用GH Copula函数构建了两者的联合分布,计算了昆明1956—2011年干旱事件的重现期。与昆明实际旱情及由标准化土壤含水量指数、标准化径流指数识别干旱过程比较,综合水文干旱指数适用于昆明干旱过程识别及其重现期计算,相比于气象干旱指标能更直接地反映区域旱情,而相比于土壤含水量或径流量单水文干旱指标能更全面地反映区域干旱的驱动因素。     

Construction of an optimized comprehensive drought index for agricultural watersheds in cold regions and its applicability analysisEI北大核心CSCD

以挠力河流域为寒区农业流域典型区,构建融合多源信息的综合干旱指数用于寒区农业流域干旱特征的评估,并分析其适用性。基于构建的SWAT模型模拟挠力河流域水文气象要素,计算单一的标准化降水蒸散发指数(SPEI)、标准化土壤湿度指数(SSI)和标准化径流指数(SRI),运用主成分分析法和熵权法分别对3种单一干旱指数赋权,通过最小偏差法计算最优组合权重,构建融合气象干旱、农业干旱和水文干旱信息的综合干旱指数(OCDI)。结果表明:OCDI的干旱事件监测结果与历史干旱事件吻合度较高,综合考虑多时间尺度下的OCDI对于挠力河流域干旱状况描述更为准确和全面;3种单一干旱指数监测的干旱程度空间分布差异明显,融合多源信息的OCDI能够从气象干旱、农业干旱和水文干旱多角度揭示挠力河流域综合干旱特征;OCDI与不同类型单一干旱指数均有较高的相关性,在挠力河流域上游对于干旱的综合表征能力更优且年尺度的OCDI综合表征能力优于季尺度和月尺度;OCDI能够较好地识别和区分该流域的综合干旱程度,随着OCDI所识别综合干旱程度的加重,流域实际受旱面积相应增大。     

干旱预报模型分析

干旱模拟模型密切结合农业干旱特点,通过把降水、土含变化、作物需水、地下水变化等多种因素联系起来,对干旱的发生、发展过程进行模拟计算,从而得到一系列包括缺水的时间过程、量及变化等多项指标来反映作物缺水情况．并通过综合分析来确定干旱的年、季和作物关键生长期的旱情指标及相应的旱情等级,提供干旱信息,为干旱的规划、监测和预报提供依据。     

应对干旱的黄河干流骨干水库群联合调度研究

黄河流域水资源贫乏,干旱枯水年份水资源供需矛盾尖锐,农田灌溉缺水问题突出,科学调度黄河干流梯级水库群对于有序应对黄河干旱、提高水库群抗旱减灾效果具有重要作用。针对黄河流域农业旱情形势及旱情分布,分析干旱枯水年份黄河来水与农业旱情需水间的响应关系,构建了以流域综合缺水量最小为目标的黄河干流骨干水库群联合调度模型。选取黄河流域发生重旱的1994年作为典型年进行调度分析,提出了汛期(7—10月)、凌汛期(12月—次年2月)、用水高峰期(3—6月)黄河干流骨干水库群的蓄补水量方案,全年黄河干流骨干水库群联合补水量为37.8亿m~3,通过判别供水重要性,保证了农业用水户作物灌溉关键期供水,减轻了农业缺水程度,控制上中下游农业缺水率基本在25%左右,减轻了流域旱情。结果表明:通过黄河干流骨干水库群联合调度,减轻了黄河上中下游不同地区的缺水程度,实现了黄河上中下游地区缺水均衡,提高了流域抗旱能力。     

基于土壤含水量模拟的干旱监测指数研究

以山西省汾河流域为例,采用水量和能量平衡原理的VIC模型模拟了区域内径流和土壤含水量的变化过程,并构建了土壤干旱指数进行实例研究。结果表明:建立的VIC模型能够较好地模拟研究区站点的径流和土壤含水量的变化过程,基于土壤含水量模拟的土壤干旱指数与实际干旱的发生具有较好的相关性,土壤干旱指数物理意义清晰,能较好地刻画区域干旱在时空上的发生、发展及结束过程,对区域干旱监测具有一定的应用价值。     

基于VIC模型的滦河流域综合干旱指数的构建与应用

干旱频发已成为严重制约社会经济可持续发展的重要因素,但由于干旱形成机理复杂,影响因素众多,目前尚无公认普遍适用的干旱指数,因此寻找并构建适用于研究区的综合干旱指数成为当前研究的热点和重点。本文以滦河流域为研究对象,选取1960-1979年为研究期,通过对降水距平百分数、相对湿润度和由VIC模型的中间变量-土壤含水量计算得到的土壤相对湿度指数进行主成分分析,构建了适用于该流域的综合干旱指数,对研究期的旱情进行了评价,并与标准化降水指数(SPI)、帕默尔指数(PDSI)的评价结果进行比较,验证其适用性。结果表明:基于VIC模型的综合干旱指数能较好地评价滦河流域历史旱情。该研究在提升海河流域干旱监测和评价能力方面具有一定的理论与实用价值,也为其它流域的干旱评价具有参考价值。     

2022年鄱阳湖流域干旱综合评估及成因分析

2022年鄱阳湖流域发生了极端的干旱事件,综合评估其干旱程度对于探究流域旱情变化规律、开展抗旱保供水工作具有重要意义。基于鄱阳湖“五河”和湖区1960～2022年逐月降水、径流数据,采用标准化降水指数(SPI)和标准化径流指数(SRI)指标评估鄱阳湖各分区干旱程度,分析了干旱时空演变特征,结合大气环流指数初探了旱情成因。结果表明：2022年7～10月鄱阳湖流域降水和径流相比历史同期明显减少,不同分区累计降水量偏少63%～78%、径流量偏少29%～70%;2022年7～10月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;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。根据大气环流资料分析,在2020～2021年La Nina事件影响下,2022年夏秋季西太平洋副热带高压偏北,致使流域内降水偏少、高温频发,发生持续高温干旱事件,出现“汛期反枯”现象。研究成果可为鄱阳湖流域抗旱保水工作提供技术支撑。     

基于土壤含水量距平指数的塔里木流域时空演变特征

选取GLDAS产品的3层土壤水分数据,计算土壤含水量距平指数(Soil Moisture Anomaly Percentage Index,SMAPI),分析其在年际、季节和生长季的时空变化,并基于M-K方法对塔里木流域时间序列进行突变检验,以此来评估塔里木流域农业干旱时空演变特征.     

基于动态权重系数法的区域综合干旱指标研究

为揭示区域总体干旱程度及其变化特征,以长株潭地区为研究区,在标准化降水指数(SPI)、标准化水位指数(SZI)、标准化区域水资源短缺指数(SSDI)基础上,利用动态权重系数法构建区域干旱综合指标MIDI,结合历史受旱面积率、因旱减少供水量等旱情统计资料,对MIDI的适用性进行分析验证。以长株潭地区11个气象站、12个水文站近几十年实测资料为例,分别采用游程理论和Copula函数法识别干旱事件,并计算其发生频率,采用多尺度统计分析法,对区域综合干旱的演变特征进行分析。研究结果表明:SPI、SZI、SSDI对于不同水源、行业类型干旱评价各具优势,SPI、SSDI年干旱累积烈度与长株潭地区农业受旱面积率相关性相对较高;SZI年干旱累积烈度与城镇因旱减少供水量相关性较高,更适用于依靠地表径流为主要供水水源的城镇干旱地区评价。本研究提出的动态权重系数法,综合考虑了区域产业结构的年际变化、产业需水规律的季节性变化等因素,可反映不同阶段各单项指标干旱对于旱情的主导作用,适用于多种水源和产业类型的区域旱情综合评价;从月、季和年3种时间尺度,分析了长株潭地区MIDI综合干旱的变化特征,结果表明长株潭地区近20 a来极端干旱发生频次呈现波动增加趋势。     

Comparison of soil moisture at different depths for drought monitoring based on improved soil moisture anomaly percentage index

To better understand the characteristics and mechanisms of droughts at different drought stages, this study selected the Xiangjiang River Basin in China as the study area, and evaluated soil moisture (SM) at different depths for drought monitoring, through SM data simulated with the variable infiltration capacity (VIC) model. To solve the problem of unreasonable drought/wetness classifications based on the soil moisture anomaly percentage index (SMAPI), an improved soil moisture anomaly percentage index (ISMAPI) was developed by introducing the Box–Cox transformation. The drought/wetness frequency generated by ISMAPI demonstrated preferable spatial comparability in comparison with those from SMAPI. The lag time of ISMAPI relative to the standardized precipitation evapotranspiration index was closely related to soil depth, and was characterized by a fast response in shallow soil layers and a relatively slow response in deep soil layers. SM in shallow soil layers provided a measure for monitoring short-term droughts, whereas SM in deep soil layers provided a better measure for long-term persistent drought events. Furthermore, the occurrence and mitigation time of drought events identified by SM in deep soil layers usually lagged behind that identified by SM in shallow soil layers. Compared with deep SM, SM in shallow soil layers responded faster to meteorological anomalies, thereby resulting in shorter periods of SM persistence in shallow soil layers than in deep soil layers. This can explain the differences of SM at different depths in drought monitoring.     

模糊综合法在区域干旱评价中的应用

以西安市为典型研究区域,选择连续无降水天数、降水量距平百分比、相对湿润度指数、标准化降水指数、作物缺水率为干旱指标,对研究区域进行单指标、多指标综合和区域综合干旱评价。评价结果表明:模糊综合法较好地解决了各单指标评价结果差异较大的问题;区域综合干旱评价结果与实际干旱状况基本吻合,模糊综合法在区域干旱评价中具有一定的可信度。     

基于用水效益函数的城市干旱损失评估方法

为定量评价干旱对城镇地区缺水和产业损失的影响,选取以地表径流为供水水源的湘江干流株洲段为研究区,基于水量平衡原理构建城市干旱指标(CWSI),以月为尺度,计算不同来水频率下区域可供水量、不同产业类型需水量。分别从水量短缺、水位取水困难两种角度,计算湘江株洲段1960—2018年历史来水情景下月尺度区域缺水量和干旱指数(CWSI)。采用经济学领域HARA函数反映经济效益随用水量的变化关系,进而得到缺水量-干旱损失响应关系。在此基础上,构建基于效益最优的缺水量配置动态优化模型,计算不同干旱程度下不同类型产业缺水配置规模,并采用抗旱定额法对配置成果进行验证,进而计算缺水量对应的干旱损失。依据CWSI指数变化,计算不同干旱等级下不同类型产业缺水损失;在多年平均缺水损失曲线基础上,依据当前月来水变化和前期来水亏缺,绘制典型年干旱动态损失变化曲线。研究结果表明:城市干旱具有边际损失高、发生频率低的特点,符合基于HARA用水效益函数构建的缺水损失变化规律,研究成果可为城市干旱风险评价、预警及抗旱定额管理提供理论依据。     

Probability Analysis of Crop Water Stress Index: An Application of Double Bounded Density Function (DB-CDF)

Soil moisture is an uncertain variable due to rainfall randomness. Furthermore, its density function is hybrid in nature, with spikes at maximum and minimum soil moisture (saturation and field capacity). Both of these properties are also considered for crop water stress index. The crop water stress index can be used to show the sensitivity of a crop to deficit irrigation. In this paper, a new methodology is proposed to probability analysis of water stress index using Double Bounded Density Function (DB-CDF) and moment analysis of crop water stress index. For this purpose, two equations were developed for the first and second moments of water stress index. To find out the value of the proposed moment equations, they are used as constraints in a stochastic model of crop water allocation as developed previously by Ganji and Shekarrizfard (Water Resour Manage 25:547–561, 2010). After verification of the model, the DB-CDF of soil moisture stress index was estimated using the value of proposed moments in the growing periods. The results show that in case of deficit irrigation, the probability of crop water stress occurrence is high and as a consequence, any unpredictable water shortage leads to yield reduction. The application of the proposed methodology is novel and has not been reported in the literature to date.     

黄河流域农业干旱特征研究

本文以作物根系层土壤含水率为基础建立了作物干旱指标模型，并综合考虑作物不同生育阶段水分条件对作物的影响，引进敏感系数，建立了干旱等级模型，研究了黄河流域干旱的地域性，季节性，持续性等特征，并对黄河流域区域干旱进行了分析。