楊肖麗 崔周宇 任立良 吳凡 袁山水 江善虎 劉懿

摘要：氣候變化和人類活動(dòng)疊加影響下長江流域干旱情勢日益嚴(yán)重且復(fù)雜多變，嚴(yán)重威脅著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，亟需探究自然變率和人類活動(dòng)對長江流域水文干旱時(shí)空演變的作用機(jī)制，量化人類活動(dòng)對水文干旱事件發(fā)生頻次、破壞深度以及恢復(fù)速度的影響。本研究運(yùn)用可細(xì)化人類活動(dòng)影響的PCR-GLOBWB 2.0模型，耦合標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)（ISR）和可靠性-回彈性-脆弱性（RRV）框架，構(gòu)建長江流域水文干旱狀態(tài)的時(shí)空演變特征評估指標(biāo)（ISRI-RRV），揭示長江流域1966—2015年水文干旱狀態(tài)的時(shí)空變化規(guī)律，定量評估水庫調(diào)度和人類取用水等人類活動(dòng)對長江流域極端水文干旱事件發(fā)生頻率、持續(xù)時(shí)間和破壞深度的影響程度。結(jié)果表明：PCR-GLOBWB 2.0模型和ISRI-RRV可準(zhǔn)確表征長江流域水文干旱情勢，量化人類活動(dòng)對長江流域水文干旱狀態(tài)時(shí)空演變特征的影響;1966—2015年長江流域水文干旱狀態(tài)整體呈現(xiàn)惡化的趨勢，但人類活動(dòng)減少了1992年以來長江流域水文干旱面積占比;2006—2015年人類活動(dòng)情景下長江流域的ISRI-RRV明顯高于自然情景，以水庫調(diào)節(jié)為主的人類活動(dòng)對長江流域整體ISRI-RRV的提高貢獻(xiàn)率較大。

關(guān)鍵詞：水文干旱;可靠性-回彈性-脆弱性框架;PCR-GLOBWB 2.0模型;人類活動(dòng);長江流域

中圖分類號(hào)：P339

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-6791（2023）03-0349-11

收稿日期：2022-11-28;

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-05-23

網(wǎng)絡(luò)出版地址：https：∥kns.cnki.net/kcms2/detail/32.1309.P.20230523.0848.002.html

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（U2243203;52079036）

作者簡介：楊肖麗（1976—），女，河北邯鄲人，教授，博士，主要從事水文水資源研究。E-mail：yangxl@hhu.edu.cn

通信作者：任立良，RLL@hhu.edu.cn

干旱作為最復(fù)雜和頻繁發(fā)生的自然災(zāi)害之一，對人類的生存環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，據(jù)統(tǒng)計(jì)全球不同地區(qū)每年因干旱造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)60億～80億美元［1］。長江流域作為中國最大的流域，受氣候變化和人類活動(dòng)干擾，徑流量呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢，發(fā)生干旱的頻率、范圍和強(qiáng)度均呈增加的趨勢，造成了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)損失，對流域水資源、糧食和生態(tài)安全帶來了極大風(fēng)險(xiǎn)［2-3］。如2022年長江流域遭遇1961年有完整記錄以來最嚴(yán)重的干旱，耕地受旱面積達(dá)4.42萬km2，約500萬人用水困難［4］。隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的發(fā)展，流域取用水量的增加，水文干旱過程受人類活動(dòng)的影響逐漸加大［2-3，5-9］。因此，厘清氣候變化和人類活動(dòng)影響下長江流域水文干旱的時(shí)空演變特征，定量評估人類活動(dòng)對長江流域水文干旱時(shí)空演變狀態(tài)的影響，對于制定緩解極端干旱的措施及管理計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)長江大保護(hù)戰(zhàn)略具有重要的科學(xué)意義。

表征干旱事件特征常用的干旱事件發(fā)生頻次、歷時(shí)和強(qiáng)度，無法反映干旱事件從發(fā)生到結(jié)束期間流域健康狀態(tài)的變化，因此，無法確定干旱事件對流域的持續(xù)影響和干旱應(yīng)對能力。Hashimoto等［10］開發(fā)的可靠性-回彈性-脆弱性（Reliability-Resilience-Vulnerability，RRV）框架可以表征系統(tǒng)發(fā)生故障的頻率（可靠性，Rel）、系統(tǒng)發(fā)生故障后恢復(fù)到令人滿意狀態(tài)的速度（回彈性，Res）和“不滿意狀態(tài)”對系統(tǒng)造成破壞的嚴(yán)重程度（脆弱性，Vul）［11］，對量化風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)具有明顯的優(yōu)勢，為干旱事件影響的流域干旱狀態(tài)評估提供了工具［12］。近年來，Zeng等［11］、Hazbavi等［13］將RRV框架與標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）、標(biāo)準(zhǔn)化蒸散發(fā)指數(shù)（SPEI）相結(jié)合，定量評估了不同地區(qū)的流域氣象干旱的狀態(tài)。RRV框架通過流域應(yīng)對干旱的可靠性，經(jīng)歷干旱事件后的恢復(fù)能力以及應(yīng)對干旱的脆弱性［14］，定量評估流域干旱狀態(tài)的時(shí)空演變特征和流域或區(qū)域?qū)Ω珊档捻憫?yīng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)干旱指數(shù)的不足。但相關(guān)研究主要針對降水短缺的氣象干旱［11，13，15］或以土壤水短缺表征的農(nóng)業(yè)干旱［16］，對以徑流短缺為表現(xiàn)形式的水文干旱缺乏關(guān)注。

能充分考慮人類用水與其他水文變量之間相互作用的PCR-GLOBWB（PCRaster Global Water Balance）2.0模型，通過水庫調(diào)節(jié)、灌溉和用水模塊模擬人類活動(dòng)對產(chǎn)匯流的影響，可以量化人類活動(dòng)對流域極端水文事件的影響［17-19］。鑒于此，本研究耦合PCR-GLOBWB 2.0模型、標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)和可靠性-回彈性-脆弱性框架，構(gòu)建長江流域水文干旱評估指標(biāo)，綜合考量水文干旱的頻率、嚴(yán)重性和歷時(shí)，定量分析人類活動(dòng)對長江流域水文干旱狀態(tài)的時(shí)空特征變化及影響機(jī)制，探究長江流域水文干旱狀態(tài)的時(shí)空特征及歸因，以期為長江流域極端干旱事件的應(yīng)對和水資源規(guī)劃配置提供科學(xué)參考。

1?研究區(qū)與研究方法

1.1?研究區(qū)概況

長江流域位于24°30′N—30°45′N、90°33′E—122°25′E，總面積約180萬km2，橫跨中國西部、中部和東部三大經(jīng)濟(jì)區(qū)，流經(jīng)19個(gè)省、自治區(qū)、直轄市，國內(nèi)生產(chǎn)總值超過全國的40%。該流域處于亞洲季風(fēng)氣候區(qū)，水資源量較為豐富，多年平均徑流量約9 900億m3，多年平均年降水量約1 100 mm。降水量時(shí)空分布不均衡，60%集中在夏季，從西部的約500 mm到東部約2 500 mm。截至2020年，流域內(nèi)有大、中型水庫1 700多座，其中2003年建成的三峽水庫累計(jì)攔洪總量超過1 800億m3，補(bǔ)水總量為2 894億m3?；陂L江流域1∶25萬二級子流域分級數(shù)據(jù)集（http：∥www.geodata.cn），本研究將長江流域細(xì)分為長江干流流域、金沙江流域、岷江流域、烏江流域、嘉陵江流域、洞庭湖流域、漢江流域和鄱陽湖流域等8個(gè)子流域（圖1）。

1.2?數(shù)據(jù)與方法

1.2.1?數(shù)據(jù)

本研究所用到的數(shù)據(jù)包括1966—2015年日降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)（https：∥data.cma.cn/），長江流域9個(gè)水文站2006—2015年逐日徑流量數(shù)據(jù)，長江流域2006—2015年年用水量（居民生活用水、工業(yè)用水、牲畜用水和灌溉用水）和年末水庫蓄水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（2006—2015年長江流域及西南諸河水資源公報(bào)）。PCR-GLOBWB 2.0模型的參數(shù)主要包括氣象驅(qū)動(dòng)參數(shù)、土地覆蓋參數(shù)、土壤參數(shù)、每層土壤的根系分?jǐn)?shù)、地形參數(shù)、Arno方案（土壤水容量分布）指數(shù)、物候相關(guān)的參數(shù)、柵格土壤最大（最?。┬钏俊⒌叵滤畢?shù)和人類水管理參數(shù)［20］（如非灌溉用水需求，自然水體和非自然水體）。

1.2.2?PCR-GLOBWB 2.0模型

模型的空間分辨率為10 km×10 km，能充分考慮人類用水與其他水文變量之間的相互作用，通過水庫調(diào)節(jié)、灌溉和用水模塊模擬人類活動(dòng)對產(chǎn)匯流過程的影響［20-21］，極大地提高了季節(jié)性、極端性和正常狀態(tài)下的流量特性的捕捉能力，且能夠再現(xiàn)大多數(shù)河流總蓄水量的時(shí)空演變趨勢和季節(jié)性特征。

1.2.3?標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)

采用標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)（ISR），假設(shè)一定時(shí)間內(nèi)徑流量符合某一概率分布，通過對徑流進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化［22］，評估流域水文干旱［23］。基于ISR的水文干旱［24］可以分為輕旱（-0.5～>-1）、中旱（-1～>-1.5）、重旱（-1.5～>-2）和特旱（≤-2）等5個(gè)級別。本研究主要分析研究區(qū)干旱程度達(dá)到中旱及以上（ISR≤-1）的水文干旱事件。

1.2.4?ISRI-RRV評估指標(biāo)

基于模型模擬的ISR和能夠衡量流域系統(tǒng)性能的可靠性（IRel）、彈性（IRes）和脆弱性（IVul）的RRV框架，本研究構(gòu)建了長江流域的水文干旱評估指標(biāo)，綜合評價(jià)水文干旱事件發(fā)生頻次、破壞深度以及恢復(fù)速度，定量描述流域一定時(shí)間段內(nèi)水文干旱的狀態(tài)［25］。其中，RRV框架的計(jì)算過程如下［26］：

式中：N為分析的總時(shí)段數(shù);t為當(dāng)前時(shí)段;Zt為當(dāng)前時(shí)段的狀態(tài)，若當(dāng)前時(shí)段處于滿意狀態(tài)，則Zt=1，否則Zt=0;Wt記錄總時(shí)段內(nèi)處于滿意狀態(tài)遭到破壞的次數(shù)，若Zt=1且Zt+1=0，代表1次連續(xù)破壞的開始，則Wt=0，否則Wt=1;Lobs（t）為第t個(gè)時(shí)段的ISR，Lstd為相應(yīng)的ISR閾值。H（x）為Heaviside函數(shù)，x<0，H（x）=0;x≥0，H（x）=1，確保對脆弱性的計(jì)算僅限于不滿意狀態(tài)。

幾何平均數(shù)對個(gè)體變量的變化更敏感，可選擇其計(jì)算ISRI-RRV值［27］：

式中：ISRI-RRV為水文干旱評估指數(shù)，該指數(shù)越高，表明流域水文干旱狀態(tài)的健康度越好，即滿意度越高［28］，ISRI-RRV=1則表明某個(gè)時(shí)段該地區(qū)水文干旱狀態(tài)處于“好”的狀態(tài)。

2?結(jié)果與討論

2.1?模型精度評估

本研究采用百分比偏差（BP）和均方根誤差（ERMS）驗(yàn)證PCR-GLOBWB 2.0模型對人類取用水和水庫蓄水量的模擬精度，采用納什效率系數(shù)（ENS）和皮爾遜相關(guān)系數(shù)（R）驗(yàn)證人類活動(dòng)情景下徑流過程的模擬精度［29-30］。長江流域2006—2015年生活用水、工業(yè)用水、灌溉用水和水庫蓄水量模擬值與長江水資源公報(bào)統(tǒng)計(jì)值對比結(jié)果表明，BP均小于10%，工業(yè)用水模擬的ERMS稍差。生活用水和灌溉用水的模擬精度最好，BP分別為-0.71%和-0.42%，ERMS分別為15.97億m3/a和26.98億m3/a;工業(yè)用水的BP為-9.58%，ERMS為99.34億m3。2006—2015年年末水庫蓄水量模擬值與統(tǒng)計(jì)值的BP為6.9%，ERMS為264.39億m3/a。9個(gè)水文站2006—2015年的觀測值與人類活動(dòng)情景下模型模擬值的ENS和R（表1）表明，PCR-GLOBWB 2.0模型模擬的人類活動(dòng)情景下的月徑流的結(jié)果較好，ENS均達(dá)到0.6以上，九江站、螺山站和大通站ENS均大于0.8，R均大于0.9，其結(jié)果可用于進(jìn)一步分析長江流域水文干旱過程。

2.2?長江流域水文干旱的時(shí)空特征

1966—2015年長江及各二級子流域自然情景和人類活動(dòng)情景下每年干旱程度達(dá)到中旱及以上（ISR≤-1）水文干旱的面積在流域總面積中的占比對比圖（圖2）顯示，長江流域歷史時(shí)期極端干旱主要發(fā)生在1972年、1978年、1986年、2006年和2011年，這與《中國氣象災(zāi)害大典》和長江流域及西南諸河水資源公報(bào)記錄的長江流域歷史旱情記錄較為一致（表2），表明本研究所構(gòu)建的ISR能很好地識(shí)別長江流域的水文干旱。

1992年前自然情景下長江流域中度以上干旱發(fā)生面積小于人類活動(dòng)情景，而1992年后則高于人類活動(dòng)情景（圖2）。二級子流域都呈現(xiàn)類似的規(guī)律，但在突變時(shí)間上略有差異，鄱陽湖流域最早（1973年），金沙江流域最遲（2000年）。長江中下游地區(qū)的洞庭湖流域、長江干流流域和鄱陽湖流域，人類活動(dòng)對流域受旱面積的影響明顯高于其他二級子流域。這可能與各個(gè)子流域人類開發(fā)利用的開始時(shí)間和強(qiáng)度有關(guān)。

長江流域年代際水文干旱事件發(fā)生的頻率、平均歷時(shí)和強(qiáng)度時(shí)空差異性顯著（圖3）。2種情景下整個(gè)流域的水文干旱頻率較低，歷時(shí)多小于6個(gè)月，且以輕中度干旱為主。高頻率的水文干旱主要發(fā)生在2006—2015年長江干流流域的上游及烏江流域，平均歷時(shí)大于2個(gè)月，且多為平均干旱強(qiáng)度大于1的特旱。

2.3?長江流域干旱狀態(tài)時(shí)空演變特征

ISRI-RRV年代際變化特征的時(shí)空分布圖（圖4）表明，長江流域和二級子流域的干旱狀態(tài)的時(shí)空差異性顯著。2006—2015年自然情景和人類活動(dòng)情景下長江流域的ISRI-RRV比1966—1975年分別提升了4.91%和6.54%，但同期自然情景下部分二級子流域的ISRI-RRV均值均呈下降趨勢，如漢江流域下降了3.28%，嘉陵江流域下降了0.04%，烏江流域下降了11.98%。人類活動(dòng)改善了長江流域的水文干旱狀態(tài)，扭轉(zhuǎn)了自然狀態(tài)下長江流域干旱狀態(tài)的惡化趨勢。1966—1975年，長江流域人類活動(dòng)情景下的ISRI-RRV均值較自然情景低0.73%，僅有洞庭湖流域和長江干流流域人類活動(dòng)情景下的ISRI-RRV均值高于自然情景，但相差較?。?.33%和0.36%）;2006—2015年，人類活動(dòng)情景下的ISRI-RRV均值比自然情景高1.68%，8個(gè)二級子流域中，僅有嘉陵江流域的人類活動(dòng)加深了水文干旱狀態(tài)的惡化，但是相較于1966—1975年，ISRI-RRV均值的惡化幅度由2.11%縮小至0.05%。

圖5對比了8個(gè)子流域2種情景下IRel、IRes和IVul均值。人類活動(dòng)和自然情景下（圖5中分別用N、H表示）可靠性指標(biāo)在1966—1975年約為0.85和0.86，至2006—2015年分別提升了3.43%和1.99%，人類活動(dòng)提升了可靠性的改善趨勢。自然情景下各子流域的可靠性、回彈性和脆弱性變化趨勢差異顯著，漢江流域可靠性和回彈性指標(biāo)均值分別下降了3.01%和6.64%，烏江流域可靠性、回彈性和脆弱性指標(biāo)的均值依次下降了7.83%、23.45%和1.92%，其余的子流域則普遍呈上升趨勢。人類活動(dòng)對水文干旱的回彈性影響最為顯著，2006—2015年人類活動(dòng)情景下的回彈性均值比1966—1975年提高了近15.86%，而自然情景僅提升了9.20%。2種情景下水文干旱的脆弱性指標(biāo)變化最小，分別提升了0.75%和0.64%。

2.4?干旱狀態(tài)與人類活動(dòng)相關(guān)性評價(jià)

人類活動(dòng)主要通過水庫調(diào)度和取用水等影響河道徑流，進(jìn)而影響水文干旱的狀態(tài)。據(jù)長江水資源公報(bào)統(tǒng)計(jì)，2006—2015年期間，長江流域年均水資源總量為9 425.3億m3，總耗水量由820.2億m3增長至848.5億m3，水庫蓄水量由923.8億m3增至1 988.7億m3。因此，本研究采用2種情景下ISRI-RRV的差值及其與水庫蓄水量的相關(guān)分析，來計(jì)算人類活動(dòng)（水庫調(diào)節(jié)和人類取用水）對長江流域ISRI-RRV即水文干旱狀態(tài)的影響程度（圖6）。

2006—2015年長江流域整體的ISRI-RRV均值呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢，自然和人類活動(dòng)情景下年尺度ISRI-RRV均值分別提升了27.15%和18.09%。流域年末水庫蓄水量與2種情景ISRI-RRV均值差的相關(guān)系數(shù)R=-0.90，蓄水量與干旱狀態(tài)呈顯著的負(fù)相關(guān)。2種情景下ISRI-RRV均值差較大的年份的年末水庫蓄水量也偏少，水文干旱也較為嚴(yán)重，表明長江流域的水文干旱狀態(tài)受到水庫調(diào)蓄的影響。

三峽水庫2003年6月開始蓄水，2006年10月蓄水156 m，將1996—2015年三峽水庫下游的宜昌站的徑流過程劃分時(shí)段Ⅰ（1996年1月至2003年6月）和時(shí)段Ⅱ（2006年11月至2015年12月）進(jìn)行對比（圖7）。時(shí)段Ⅰ人類活動(dòng)對宜昌徑流的影響較小，人類活動(dòng)對月徑流的改變率為-0.81%～1.37%；時(shí)段Ⅱ內(nèi)人類活動(dòng)削減洪峰和補(bǔ)充枯水期徑流的能力提升顯著，水庫調(diào)節(jié)于4—7月削減徑流，使得6月削減徑流幅度最大，年均約2.31%，于10—2月補(bǔ)充徑流，12月補(bǔ)充徑流的幅度最大，年均約4.19%。Chai等［31］發(fā)現(xiàn)在三峽水庫2003年建成后出現(xiàn)了“旱季流量偏大，汛期流量偏小”的現(xiàn)象，2011年三峽水庫緩解水文干旱的能力明顯高于2006年。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年和2011年大旱中，三峽水庫分別向下游補(bǔ)水約35.8億m3和215億m3，有效緩解了長江中下游發(fā)生的旱情［32］，表明人類活動(dòng)（尤其是水庫調(diào)度）對水文干旱狀態(tài)有著顯著的影響。

3?結(jié)?論

本研究耦合考慮人類活動(dòng)對水文過程影響的PCR-GLOBWB 2.0模型和水文干旱評估指數(shù)，定量評估了長江流域水文干旱狀態(tài)的時(shí)空變化特征，探究了水庫調(diào)節(jié)和人類取用水等活動(dòng)對長江流域水文干旱事件發(fā)生頻次、破壞深度以及恢復(fù)速度的影響，主要結(jié)論如下：

（1） 人類活動(dòng)影響了長江流域水文干旱的時(shí)空變化特征，1966—1985年人類活動(dòng)情景下水文干旱事件的面積占比高于自然情景，1985—2015年人類活動(dòng)減少了長江流域水文干旱的面積占比。

（2） 長江流域的水文干旱狀態(tài)在自然情景下呈現(xiàn)惡化的趨勢，人類活動(dòng)小幅改善了干旱狀態(tài)，大幅提升了從不滿意狀態(tài)恢復(fù)的速率（回彈性）和減緩處于滿意狀態(tài)概率（可靠性）的下降趨勢。

（3） 2006—2015年，人類活動(dòng)情景下長江流域的水文干旱狀態(tài)明顯高于自然情景，水庫調(diào)度是長江流域水文干旱狀態(tài)改善的重要原因之一。

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Abstract：As one of the possible consequences of climate change and human activities，extreme drought becomes more frequent.This study investigates how human activities altered the hydrological droughts pattern in the Yangtze River basin from 1966 to 2015 by using the ISRI-RRV.ISRI-RRV is calculated based on the PCR-GLOBWB 2.0 model simulated ISR and Reliability-Resilience-Vulnerability （RRV）.The results show that the model simulated ISR can effectively reflect the hydrological drought situation of the Yangtze River basin.From 1966 to 2015，the hydrological drought in the Yangtze River basin showed an increasing trend and the human activities can reduce the proportion of the hydrological drought area in the Yangtze River basin after 1992.The ISRI-RRV of the Yangtze River basin under the human activity scenario from 2006 to 2015 is significantly higher than that under the natural scenario.The human water intake activities dominated by reservoir regulation have the largest contribution to the increase of ISRI-RRV of the Yangtze River basin.

Key words：hydrological drought;reliability-resilience-vulnerability framework;PCR-GLOBWB 2.0 model;human activity;the Yangtze River basin