一種度量引水灌溉地區(qū)干旱程度的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及水資源管理和災害管理領域，更具體的，涉及一種進行干旱度量、旱情 監(jiān)測以及指導抗旱減災的方法。
【背景技術】
[0002] 我國是一個農業(yè)大國，糧食安全是社會經濟穩(wěn)定和發(fā)展的重要保障。特定的季風 氣候和自然地理環(huán)境導致了我國干旱頻發(fā)、旱災損失嚴重，干旱嚴重威脅著我國的糧食安 全。各大引水灌區(qū)是我國的糧食主產區(qū)，灌區(qū)的抗旱對于保障糧食生產和促進農田節(jié)水灌 溉有著重要的意義。
[0003] 干旱是較大范圍內水分條件較當地正常情況持續(xù)性偏少的一種自然現象。干 旱指標是對異常缺水程度的度量，它是進行干旱度量、旱情監(jiān)測和預報的基礎。由于干 旱影響因子眾多，當前有數以百計的干旱指標，根據關注的因素不同，通?？梢苑譃闅庀?干旱指標、水文干旱指標和農業(yè)干旱指標等，其中標準化化降水指標SPI(Standardized PrecipitationIndex)和Palmer干旱指標]^SI(PalmerDroughtSeverityIndex)最為 常用。區(qū)域的旱情通常是不同類型干旱相互疊加的影響，而當前大部分的干旱指標往往針 對某一類型的干旱，缺乏綜合多因素的干旱指標。引水灌區(qū)的干旱特征更加獨特，它的旱情 取決于當地的降水以及可灌溉水量的供給情況。灌區(qū)的當地降水和灌溉水源之間存在著復 雜的豐枯遭遇關系，而且它們之間往往通過大氣水文循環(huán)而具有相關性。當前的單一因素 指標無法反映多種因素對灌區(qū)干旱的影響；綜合多種指標的多因素指標無法反映不同因素 之間的相關性及其對灌區(qū)的影響。因此，灌區(qū)的干旱度量、旱情監(jiān)測和預報中迫切地需要一 種能夠綜合當地降水干旱（水文干旱）和灌溉水源干旱（水文干旱）的水文-氣象綜合干 旱指標。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的一個目的，是提供一種能夠綜合度量當地降水和灌溉來水對灌區(qū)干旱程 度的方法。
[0005] 本發(fā)明的另一個目的，是提供一種能夠綜合考慮當地降水和灌溉來水對灌區(qū)干旱 影響的水文-氣象綜合干旱指標。
[0006] 為實現上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：
[0007] 步驟1，獲取灌區(qū)本地的歷史降水量和可用灌溉來水的歷史徑流量；
[0008] 步驟2,確定灌區(qū)本地的累積降水量和可用灌溉來水的累積徑流量；
[0009] 步驟3,分別擬合累積降水量的概率分布、累積徑流量的概率分布；
[0010] 步驟4,確定累積降水量和累積徑流量的相關性結構，并建立它們的聯合概率分布 函數；
[0011] 步驟5,基于累積降水和累積徑流的單變量概率分布函數和雙變量聯合概率分布 函數，根據兩者的豐枯遭遇情況，將相應的累積概率轉化為標準正態(tài)分布相應分位數作為 水文-氣象綜合干旱指標值，實現對引水灌溉區(qū)干旱情勢的度量。
[0012] 優(yōu)選的，在步驟2中，根據所獲取的歷史降水量和歷史徑流量，依據如下計算公式 (la)和（lb)計算得到累積降水Pl和累積徑流q1:
Oa) (lb)
[0013] 其中，tP和％分別為所選取的預設累積降水和累積徑流的時間步長，Pji= 1，2，···，η)為灌區(qū)當地降水序列，(^α= 1，2，···，η)為徑流量序列。
[0014] 優(yōu)選的，在步驟3中依據如公式（2a)和（2b)所示的累積概率分布函數，采用皮爾 遜III型分布分別擬合累積降水量的的概率分布Fp和累積徑流量的概率分布Fq:
輔 (2b)
[0015] 其中，F(x)為PIII累積概率分布函數，ξ為位置參數，α為形狀，β為尺度參數， Cs為偏態(tài)系數。
[0016] 優(yōu)選的，在步驟4中基于如下公式（3)建立累積降水和累積徑流的聯合概率分 布：
[0017] 建立基于JoeCopula函數的累積降水和累積徑流聯合概率分布，如公式所示，
(3)
[0018] 其中C為JoeCopula函數，Fp和Fq分別累積降水和累積徑流的累積概率，Θ為 Copula函數參數。
[0019] 優(yōu)選的，步驟5中，根據灌區(qū)累積降水和累積徑流的旱澇遭遇情況，將累積概率轉 化為標準正態(tài)分布相應分位數得到指標值（CHMI):
[0020] 對于灌區(qū)當地降水和灌溉水源的某一實際情況（p。，q。），它們同時小于多年平均狀 況（中位數）時，采用公式（4a);當灌區(qū)當地降水和灌溉水源同時大于多年平均狀況（中 位數）時，采用公式（4b);當灌區(qū)當地降水和灌溉水源一豐一枯時，采用公式（4c)，
[0021] 其中，賢―1為標準正態(tài)分布的分位數函數，C為JoeCopula函數，（p。，q。）為灌區(qū)降 水和灌溉水量的某一組合的情況。Pro(p<Ρ(]Λq<q。）為累積降水和累積徑流同時小于 (P。，q。）的概率，Pr〇(p彡ρ〇Λq彡q。）為累積降水和累積徑流同時大于（p。，q。）的概率。
[0022] 本發(fā)明還提出一種指標，該指標為從前述方法中所得到的指標。
[0023] 本發(fā)明還提出上述指標在干旱度量中的應用。
[0024] 優(yōu)選的，上述指標在引水灌區(qū)的干旱度量中的應用。
[0025] 本發(fā)明由于采用以上技術方案，具有以下優(yōu)點：
[0026] (1)指標具有概率意義，時空可比性好；
[0027] (2)需要的數據量少，計算過程簡單；
[0028] (3)考慮灌區(qū)本地降水和灌溉來水之間的相關性，能夠綜合反映本地氣象干旱和 水文干旱對灌區(qū)旱情的綜合影響；
[0029] (4)累積降水量反映了累積降水匱乏對灌區(qū)干旱的影響，累積徑流量能夠反映流 域水庫調節(jié)能力對灌區(qū)干旱的影響。
【附圖說明】
[0030] 圖1為干旱指標的計算步驟示意圖。
[0031] 圖2為引水灌區(qū)水文-水文氣象綜合干旱指標計算原理示意圖，其中不同的區(qū)域 代表灌區(qū)當地降水和灌溉來水的豐枯遭遇情況：左下角深色區(qū)域代表水文和氣象同時干 旱，右上角淺色區(qū)域代表同時洪澇，左上和右下區(qū)域代表一旱一澇。
[0032] 圖3為山東省位山引黃灌區(qū)的地理區(qū)位圖。
[0033] 圖4為位山引黃灌區(qū)單因素干旱指標（水文指標SQI、氣象指標SPI)與水文-氣 象綜合干旱指標（CHMI)之間的對比（如：2002年下半年為氣象和水文同時干旱，2003年下 半年為氣象和水文同時偏澇，2003年上半年為氣象和水文一旱一澇）。
【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖和實例對本發(fā)明進行詳細的描述。
[0035] 本發(fā)明方法可以概括為：首先計算累積徑流量和累積灌溉來水量，并分別擬合其 概率分布。然后，建立兩者的聯合概率分布函數。最后，基于單變量概率分布函數和聯合 概率分布函數，根據灌區(qū)當地降水和灌溉來水的豐枯遭遇情況（如圖1所示），將累積概率 轉化為正態(tài)分布相應分位數即為引水灌區(qū)水文-氣象綜合干旱指標，為表達方便起見記為 CHMI(CombinedHydrological-MeteorologicalIndex)〇
[0036] 本發(fā)明所構建的利用引水灌區(qū)水文-氣象綜合干旱指標CHMI度量引水灌區(qū)的干 旱程度的方法的步驟如下：
[0037] 步驟（1)、獲取灌區(qū)本地/灌區(qū)當地的歷史降水量和可用灌溉來水的歷史徑流量。
[0038] 優(yōu)選的，可獲取預定時間段內的灌區(qū)本地的歷史降水量和可用灌溉來水的歷史徑 流量。
[0039] 步驟（2)、根據歷史數據，計算累積降水和累積徑流：
[0040] 分別選取合適的累積時間步長tP和％，對灌區(qū)降水序列Pji= 1，2,…，η)和徑流 序列％(i= 1，2,…，η)，累積降水Pi和累積徑流qi分別為： I ι
(lb)
[0041] 降水和徑流的時間尺度可以是日、周、旬、月、季、年等，可根據實際情況選取。累積 降水反映了灌區(qū)前期降水量對當前時刻旱澇的影響，累積徑流則反映了流域中上游水庫對 徑流的調節(jié)能力。累積時間步長可根據實際情況靈活選取，一般的常用累積時間步長可取 3個月。
[0042] 步驟（3)、分別擬合得到累積降水的概率分布和累積徑流的概率分布：
[0043] 在水文頻率分析中，一般認為