韓昊宇 ，丁文峰，許文濤，康靖羚

(1.長江科學院 水土保持研究所，武漢 430010； 2.水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

隨著全球氣候暖化加劇，干旱頻率和強度也逐漸增加。干旱作為一種復雜的自然災(zāi)害，可以持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年，嚴重的干旱事件會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟社會條件產(chǎn)生深遠影響[1-2]。水文、氣候、生態(tài)和社會系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系決定干旱特征是區(qū)域性的，這些復雜的聯(lián)系影響流域水儲量的空間分布，當水儲量在水文系統(tǒng)中低于正常水平，干旱事件就會發(fā)生。

由美國國家航空航天局(NASA)和德國航空中心(DLR)主導的GRACE太空任務(wù)于2002年啟動，GRACE衛(wèi)星以月為間隔測量地球重力場的時空變化，通過反演轉(zhuǎn)化可計算流域內(nèi)陸地水儲量變化(TWSC)。這種通過測量TWSC的方法為分析流域旱情提供了新思路，并已在部分地區(qū)旱情反演方面得到應(yīng)用[3-4]。Yirdaw等[5]采用源于GRACE的總儲量虧損指數(shù)(TSDI)描述加拿大大草原的干旱事件。Strassberg等[6]使用源于GRACE的陸地水儲量(TWS)與來自于GLDAS Noah的土壤水數(shù)據(jù)計算地下水儲量(GWS)，并與實測GWS進行對比，表明利用GRACE能很好地監(jiān)測美國中部High Plains的TWS和GWS，從而達到監(jiān)測干旱的目的。Thomas等[7]提出了一種基于GRACE推導的水儲量虧損(WSD)方法來監(jiān)測干旱程度、持續(xù)時間和嚴重程度，并應(yīng)用于亞馬遜流域等4個流域。隨著人類活動越來越頻繁，水庫蓄水量變化和居民用水量被認為是影響水儲量變化的重要因素。Yu等[8]認為三峽水庫的運行改變了長江下游干濕季節(jié)變化，水庫春冬蓄水水平增高，使得下游水文干旱加劇。許多研究證明GRACE數(shù)據(jù)有能力監(jiān)測水庫的蓄水變化，如長江三峽水庫[9]、黃河龍羊峽水庫[10]和漢江丹江口水庫[11]。因此，通過GRACE數(shù)據(jù)反演的陸地水儲量異常(TWSA)可以反映氣候變化和人類活動對流域干旱事件的綜合影響。監(jiān)測流域的陸地水儲量成為評價流域尺度干旱的有效方法之一[12]。

根據(jù)近年的研究，Van Loon等[13]，Bachmair等[14]認為干旱事件的發(fā)生不僅與氣候因素有關(guān)，人類活動(如地下水開采、水庫水渠工程的修建等)也在干旱過程中起重要作用，因此需要對人類活動在干旱事件中的影響進行研究。漢江是長江最長的支流，近年來由于氣候變化和人類活動的影響，水文情勢和水資源量等發(fā)生了很大變化，旱情也表現(xiàn)出與以往不同的特征，而以往的研究都是集中于降水、氣溫等氣象因素來分析干旱事件[15-17]，尚未綜合考慮氣候變化和人類活動對漢江流域旱情的影響。

本研究基于GRACE產(chǎn)品數(shù)據(jù)，采用水儲量虧損方法及區(qū)域水平衡方法建立模型反演漢江流域2004—2014年間的干旱事件，結(jié)合多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)、居民用水量和水庫蓄水數(shù)據(jù)，從趨勢性、相關(guān)性方面分析降雨、蒸發(fā)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)和人類活動等因素與TWSC的變化特征及響應(yīng)關(guān)系。通過定量分析，計算各因素的貢獻率指標來表征氣候變化與人類活動對漢江流域干旱事件的影響。

2 研究區(qū)域與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

漢江是長江最長的支流，發(fā)源于秦嶺南麓，流經(jīng)陜西省、河南省和湖北省，最終于武漢市注入長江，全長1 577 km。漢江流域面積約為1.59×105km2[16]，流域海拔呈現(xiàn)西北高、東南低的特點，地形起伏較大(圖1)。流域處于亞熱帶和暖溫帶的過渡地帶，年平均溫度15～17 ℃，亞熱帶季風氣候和復雜的下墊面條件導致了水資源時空分布呈現(xiàn)多樣性[15,18]。流域年平均降水量為700～1 300 mm，由北向南逐漸增大，全年降水分布不均勻，7—9月份降水量占全年降水量的70%左右，旱澇災(zāi)害時常發(fā)生。

圖1 長江流域和漢江流域示意圖Fig.1 Location of Yangtze River basin and Hanjiang River basin

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

2.2.1 GRACE數(shù)據(jù)

本文使用GRACE RL05 CSR mascon產(chǎn)品(來源于http://www2.csr.utexas.edu/grace/RL05_mascons.html)研究漢江流域TWS變化，并反演干旱事件。月CSR mascon數(shù)據(jù)為0.5°×0.5°等角網(wǎng)格，時間跨度為2004年1月至2014年12月。研究期間，有幾個月份數(shù)據(jù)丟失，這些缺失的數(shù)據(jù)通過相鄰月份的平均值進行插值填充[19]。另外，mascon解決方案得到的TWSA是相對于2004—2009年時間均值基線的異常，當與其他數(shù)據(jù)進行比較時，基線需保持一致。

為了對比由mascon解決方案得到的TWSA，使用全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)2.1版(GLDAS 2.1) Noah地表模型提取的TWS，通過與2004—2009年的基線平均值對比，將TWS原始值處理為TWSA，該產(chǎn)品具有0.25°×0.25°的空間分辨率，本研究中將其采樣為0.5°×0.5°。GLDAS Noah在長江流域數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，源于Noah的TWSA不包括地下水儲量的變化，能夠很好地反映TWSA的變化趨勢[20]。

2.2.2 氣候變化及植被變化數(shù)據(jù)

本文降水數(shù)據(jù)來源于中國國家氣象信息中心提供的分辨率為0.5°×0.5°的中國降水月值格點數(shù)據(jù)，時間跨度為2004—2014年。該數(shù)據(jù)是利用地面約2400個臺站觀測降水資料進行空間插值建立的，并考慮了高程對降水空間插值精度的影響[21]。

蒸散發(fā)(ET)數(shù)據(jù)來源于MOD16A3，該產(chǎn)品基于Penman-Monteith方程，包括輸入日氣象再分析數(shù)據(jù)及Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)遙感數(shù)據(jù)計算而成，具有0.5°×0.5°的空間分辨率，時間跨度為2004—2014年。流域的植被覆蓋度數(shù)據(jù)提取自MODIS NDVI (https://search.earthdata.nasa.gov/search)數(shù)據(jù)集(MOD13A3, version 6)，時間跨度為2004—2014年。在本研究中，提取的NDVI年平均值用于分析其和年際TWSC的動態(tài)關(guān)系。

2.2.3 人類活動數(shù)據(jù)

本研究使用漢江流域水庫的蓄水量變化和居民用水量代表人類活動數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)摘自長江水利委員會發(fā)布的 2004—2014年《長江流域及西南諸河水資源公報》。本研究的TWSA和TWSC以等效水高(mm)表示，而水資源公報的數(shù)據(jù)以億m3表示，為了統(tǒng)一比較，將水資源公報數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為等效水高[22]。等效水高正值表示流域內(nèi)水量增加，負值表示流域內(nèi)水量減少，故水庫蓄水量增加表示為正值，減少表示為負值；居民用水量均以負值表示。

2.3 研究方法

2.3.1 基于GRACE的干旱事件識別方法

WSD方法由Thomas等[7]提出，該方法基于陸地水儲量異常(TWSA)變化來反映干旱程度、持續(xù)時間和嚴重程度。Sun等[23]證實了WSD方法能夠有效識別長江流域干旱事件。WSD定義為GRACE TWSA的時間序列與TWSA月平均值之間的差值，具體為

WSDi,j=TWSAi,j-TWSAj。

(1)

式中：TWSAi,j為研究時段內(nèi)第i年第j個月的TWSA時間序列；TWSAj為同一月份(一年中的第j個月)TWSA的多年均值(2004—2014年)；WSDi,j用以量化第i年第j個月的TWSA偏離氣候?qū)W的程度。WSD為負代表陸地儲水不足，為正則代表土地儲水充足，若WSD持續(xù)3個月或6個月以上都為負值，則認為發(fā)生了干旱事件。為了更好地研究干旱事件成因，本文定義WSD持續(xù)6個月以上均為負值則發(fā)生干旱事件。此外，為了衡量干旱事件的影響，定義嚴重程度為

S(t)=M(t)×D(t)。

(2)

式中：S(t)為第t次干旱事件的嚴重程度；t表示干旱事件的數(shù)量，具體地區(qū)干旱事件的數(shù)量從1到n不等；M(t)為第t次干旱事件自水儲量虧損以來的平均赤字；D(t)是第t次干旱事件的持續(xù)時間。本文結(jié)合WSDi,j和S(t)來識別漢江流域干旱事件，并評估干旱的嚴重程度。

2.3.2 陸地水儲量變化因素指標

人類活動數(shù)據(jù)都為年尺度，為了研究人類活動對TWS的影響，定義

TWSCi=TWSAi-TWSAi-1。

(3)

式中TWSCi為i年陸地水儲量變化，即按第i年和第i-1年12月的TWSA計算。

由于GRACE可以監(jiān)測到受人類活動和氣候變異性影響的TWS變化[24]，氣候變化影響的TWSCC可以估計為

TWSCC=TWSCGRACE-TWSCHuman=

TWSCGRACE-(TWSCR-TWSCW) 。

(4)

式中：TWSCC是受氣候驅(qū)動的TWS變化，是本研究利用TWSCGRACE和TWSChuman的差值進行估計的結(jié)果；TWSCGRACE為GRACE衛(wèi)星的TWSA時間序列；人類活動TWSChuman主要包括水庫蓄水量(TWSCR)和居民用水量(TWSCW)兩部分人類活動引起的TWS變化。

使用Xie等[25]提出的基于TWSC的指標來表述氣候變化、居民用水量和水庫蓄水量對TWSC的定量貢獻率，定義如下：

(5)

(6)

式中：ηW，ηR，ηC分別代表居民用水量、水庫蓄水量和氣候變化對TWSC的貢獻，當η是一個正值，表示其對 TWSC變化產(chǎn)生積極的影響；相反，則對TWSC產(chǎn)生負面影響。

2.3.3 皮爾遜相關(guān)性分析

采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)(r)來評價TWSC與其他相關(guān)變量的相關(guān)性。r的取值在-1與1之間，取值為1時，表示兩個變量之間呈完全正相關(guān)關(guān)系；取值為-1時，表示兩個變量之間呈完全負相關(guān)關(guān)系；取值為0時，表示兩個隨機變量之間線性無關(guān)。另外，結(jié)合學生t檢驗對相關(guān)系數(shù)進行顯著性檢驗，p<0.05，表示此相關(guān)系數(shù)r在0.05顯著性水平下顯著。

3 結(jié)果與分析

3.1 漢江流域TWSA時間序列變化及干旱事件識別

圖2(a)為2004年1月份至2014年12月份GRACE的陸地水儲量異常和GLDAS-Noah陸地水儲量異常的月序列變化情況。從圖2(a)可以看出，從GLDAS-Noah中提取的TWSA變化范圍為-86.53～77.35 mm，從GLDAS提取的TWSA變化范圍為-68.15～91.91 mm，兩者之間的相關(guān)系數(shù)為0.72(p<0.05)，表明兩者有較強的一致性，故GRACE數(shù)據(jù)可以很好地反演漢江流域TWSA。TWSA與降雨量有較好的一致性，且隨季節(jié)變化表現(xiàn)出一定程度波動性。這主要是由于漢江流域氣候為亞熱帶季風氣候，雨量豐沛且雨熱同期，每年7—9月份降雨量占全年的70%。TWSA隨降雨季節(jié)性變化，雨季大于旱季且峰值表現(xiàn)出延滯性。2005年和2010年月平均降水量是2004—2014年中月平均降雨量最大的2個年份(分別為95.05 mm和90.01 mm)，相對于2004—2014年的月平均降雨量79.49 mm分別增加了19.57%和13.23%，這2個時期和TWSA的時間序列的峰值一致。2006年和2013年的月平均降雨量(分別為67.64 mm和68.48 mm)相對于2004—2014年的月平均降雨量分別下降了14.89%和13.83%。在雨季到來之前，在2007年5月份和2014年1月份分別監(jiān)測到了-69.962 mm和-71.362 mm的水儲量虧損(圖2(b))?；赪SD方法，漢江流域2004—2014年共監(jiān)測到4次干旱事件(表1)。其中事件1和事件4的干旱事件持續(xù)時間最長，為12個月；事件2的持續(xù)月份最短，平均虧損量最??；事件4的平均虧損量最大(-42.72 mm)，干旱程度最嚴重(-512.68 mm)。

圖2 漢江流域2004—2014年源于GRACE和GLDAS- Noah的TWSA和降雨及WSD月序列變化Fig.2 Time series of monthly total water storage anomalies (TWSA) from GRACE and GLDAS- Noah,precipitation, and water storage deficit (WSD) for the Hanjiang River Basin from 2004 to 2014

表1 基于WSD監(jiān)測的干旱事件Table 1 Summary of drought events based on WSD

漢江流域2004—2014年TWSA年際變化范圍為-21.98～16.69 mm，如圖3(a)所示，且近10 a呈不顯著的下降趨勢(虛線所示)，這與王松等[26]、Zhang等[27]對漢江流域的研究結(jié)果一致。圖3(b)顯示了漢江流域居民用水量分布及變化，從圖3(b)可以看出，隨著漢江流域經(jīng)濟的快速發(fā)展，整個流域的用水量在不斷增加。同時，漢江流域也是中國的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)和商品糧基地之一，農(nóng)業(yè)用水量近年來從69.04億m3增長到84.37億m3，漢江沿江散布著較多大規(guī)模的工業(yè)產(chǎn)業(yè)，工業(yè)用水量從35.85億m3增長到45.03億m3，分別增長了22%和29%。

3.2 漢江流域TWS變化原因

表2和圖4顯示在年尺度上P、ET沒有顯著(95%的置信區(qū)間)變化趨勢，TWSC與P呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.68，p<0.05)，TWSC與ET呈顯著負相關(guān)關(guān)系(r=-0.61，p<0.05)。Syed等[28]根據(jù)流域水量平衡方程對全球水儲量變化進行研究，結(jié)果表明大多數(shù)流域TWSC和P、ET之間普遍存在相關(guān)關(guān)系，這與本文的結(jié)果一致。

NDVI受氣候和人類活動的雙重影響，同時植

圖3 漢江流域TWSA年際變化和居民用水量組成及變化Fig.3 Annual variation of terrestrial water storage anomaly and components of total water use in Hanjiang River Basin

表2 P、ET、NDVI與TWSC年際變化的相關(guān)性分析Table 2 Coefficients of correlation between annual TWSC and P, ET, and NDVI

圖4 TWSC與降雨、蒸散發(fā)量、NDVI的關(guān)系Fig.4 Relations of annual TWSC against P, ET, and NDVI

物蒸騰作用的增強可能會使得土壤水儲量減少，從而使得TWS減少[29]。圖4(c)表明，近10 a間，漢江流域NDVI以每年0.003顯著上升，這與Liu等[30]的研究成果一致。這主要是由于漢江流域近年來開展了大規(guī)模的生態(tài)環(huán)境建設(shè)，特別是退耕還林項目的實施，極大提高了植被的覆蓋率，但本研究中NDVI與TWSC并不存在明顯的相關(guān)關(guān)系(r=0.38，p>0.05)。

表3和圖5顯示，居民用水量以1.96 mm/a顯著增長,達到了顯著性水平。漢江流域人類活動(水庫蓄水和居民用水量)和TWSC有顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.78，p<0.05)，同時水庫蓄水量和TWSC高度相關(guān)(r=0.82，p<0.05)，居民用水量和TWSC的相關(guān)性沒有通過顯著性檢驗。

表3 居民用水量、水庫蓄水量、人類活動與TWSC的 相關(guān)性分析Table 3 Coefficients of correlation between annual TWSC and water use, reservoir water storage changes and human activities

圖5 TWSC與居民用水量、水庫蓄水量、 人類活動的關(guān)系Fig.5 Relations of annual TWSC against water use, reservoir water storage change and human activities

3.3 氣候改變及人類活動對干旱事件的貢獻度分析

從表4和圖6可以看出，漢江流域居民用水量和氣候變化對TWSC的貢獻呈減小趨勢，水庫蓄水量對TWSC的貢獻呈增加趨勢。2010年之后氣候變化貢獻度<0.5。2006年、2013年降雨量是近10 a中最低的2個年份，其中2006年降雨量相對于平均降雨量960 mm下降15%，連續(xù)干旱15個月，干旱程度S達到了-384.06 mm。2006年7月降雨量為135 mm，而蒸散發(fā)量達到全年最高117 mm，降水量較少的同時蒸散發(fā)量增大，故流域發(fā)生了干旱事件，其中ηC=0.41。2007年7—9月份雨量充沛，僅3個月降雨達到了510 mm，緩解了2006年的嚴重干旱，由于9月份之后降雨迅速減少，2007年10月—2008年3月出現(xiàn)了6個月的干旱事件，平均虧損-5.54 mm，嚴重程度較輕(S=-33.23 mm)。2013年降雨量相對于平均降雨量下降14%。2013年人類活動對TWS變化貢獻率為0.64。2011年出現(xiàn)了長達8個月的春夏季干旱，平均虧損量-17.98 mm，S為-143.88 mm。2011年整體降水量充沛，但1—7月份降雨量均小于多年平均月降雨量。2011年漢江流域居民用水量達到近10 a最高，ηW=-0.46，ηR=0.19，ηC=0.36，2011和2013年的干旱事件中人類活動已經(jīng)起主導作用。

表4 人類活動和氣候變化對TWSC的貢獻Table 4 Contributions of human activities and climatic change to TWSC

圖6 2004—2014年人類活動和氣候變化對TWSC 的貢獻Fig.6 Contributions of human activities and climatic change to TWSC from 2004 to 2014

4 討 論

通過WSD方法，在漢江流域識別出4次干旱事件，分別發(fā)生在2006、2007、2011、2013年，這與長江流域發(fā)生干旱事件的時間基本一致[31-32]。本研究發(fā)現(xiàn)，漢江流域TWS變化是氣候變化和人類活動共同作用的結(jié)果，陸地水儲量變化與植被覆蓋沒有顯著相關(guān)性，與年降水量、年蒸散發(fā)量、人類活動有顯著的相關(guān)性。

漢江流域是我國防洪和供水的重要戰(zhàn)略區(qū)域，流域內(nèi)的丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程的核心水源地，大規(guī)模的生態(tài)建設(shè)使得植被覆蓋有明顯增長，但由于生態(tài)建設(shè)實施時間較短，研究期內(nèi)，植物對陸地水儲量變化的影響并不顯著。人類活動(居民用水量和水庫蓄水量之和)與陸地水儲量變化顯著相關(guān)。隨著漢江干流梯級水庫的建成以及南水北調(diào)工程調(diào)水項目的啟動，漢江流域水庫2014年開始蓄水，年蓄水量比2013年增加87.4 mm，與整個漢江流域居民用水量91.22 mm只相差11.82 mm，水庫通過合理調(diào)度，很好地補償了居民用水量帶來的陸地水儲量減少?？偟膩碚f，人類活動是影響漢江流域陸地水儲量的重要因素之一。

漢江流域氣候變化對干旱事件貢獻度在2010年后均<0.5，而2010年后人類活動對干旱事件的影響已經(jīng)起主導作用。根據(jù)班璇等[33]對漢江流域的研究得知：1990年、2008年是漢江流域的水文突變年。1990年前，水文情勢主要受氣候影響；1990—2008年，氣候影響有所減弱；2008年以后，漢江流域的水文情勢主要受人類活動的影響。水文突變年和貢獻度的變化時間較為一致；2009—2015年，漢江流域修建了包括南水北調(diào)中線工程、干流梯級開發(fā)工程、引江濟漢、引江補漢工程和引漢濟渭等工程，極大地影響了蒸散發(fā)、地表徑流和蓄水等水文過程，進而影響了干旱的發(fā)展。

基于GRACE衛(wèi)星的方法能夠有效識別流域的干旱事件，與傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測方法相比，該方法能夠結(jié)合區(qū)域水平衡原理討論氣象水文、人類活動等因素對干旱事件的表征能力。但由于缺少更精確時空尺度的人類活動數(shù)據(jù)，本研究僅在年尺度上進行分析，使得氣候和人類活動對干旱形成的共同作用并不能得到完全的探索。另外在水資源公報中，耗水量采用經(jīng)驗耗水率進行計算，暫時無法得到精確的耗水量數(shù)據(jù)進行計算，本文使用用水量進行代替，增加了不確定性。在人類活動類別方面只考慮了最重要的因素(居民用水量和水庫的蓄水量)，沒有考慮攔水措施，如梯田等工程對此的影響。GRACE的后續(xù)產(chǎn)品GRACE-FO在2018年發(fā)射，GRACE-FO產(chǎn)品具有更高的時空精度。隨著漢江流域內(nèi)的南水北調(diào)中線工程、引江濟漢工程等跨流域調(diào)水工程的實施和下游梯級水庫的修建，未來我們將結(jié)合更高精度的GRACE產(chǎn)品探索跨流域調(diào)水和梯級水庫的聯(lián)合運行，全面考慮人類活動對流域干旱事件的影響。

5 結(jié) 論

基于GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)，本文分析了漢江流域2004—2014年TWS的變化，采用WSD方法識別和評估了漢江流域的干旱事件，并結(jié)合降雨、蒸發(fā)、NDVI、水庫蓄水量和居民用水量數(shù)據(jù)，定量分析了氣候變化和人類活動對干旱事件的影響。主要結(jié)論如下：

(1)漢江流域2004—2014年間TWS呈不顯著的下降趨勢，通過WSD方法，監(jiān)測到4場干旱事件，其中2006年和2013年干旱持續(xù)時間最長，為12個月，2007年干旱事件持續(xù)時間最短，程度最輕，嚴重程度S為-33.23 mm。

(2)漢江流域降雨、蒸發(fā)量近10 a來沒有顯著變化，漢江流域生態(tài)建設(shè)的發(fā)展，使得NDVI有顯著上升趨勢。通過與TWSC進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，降雨量和蒸發(fā)量與TWSC有顯著相關(guān)性，NDVI與TWSC沒有顯著相關(guān)性。

(3)4場干旱事件的氣候變化貢獻度分別為0.41、0.43、0.36、0.36，人類活動貢獻度分別為0.59、0.57、0.65、0.64。總體來看，由于2009—2015年漢江進行了南水北調(diào)的工程建設(shè)及漢江干流梯級開發(fā)工程建設(shè)，人類活動使得漢江流域的水文情勢發(fā)生了巨大變化，在TWSC的貢獻度上，漢江流域居民用水量和氣候變化有減弱趨勢，水庫蓄水有增長趨勢，人類活動對干旱事件的影響不可忽視。