本發(fā)明涉及一種統(tǒng)計水文分析領(lǐng)域，尤其涉及一種冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法。

背景技術(shù)：

IPCC第五次氣候變化評估報告指出：自上世紀(jì)以來，全球大部分地區(qū)都經(jīng)歷了以升溫為主要特征的氣候變化過程。氣溫的增加將加速大氣環(huán)流和水文循環(huán)過程，因而水資源的存量減少，通量增加，導(dǎo)致極端氣候事件呈現(xiàn)出廣發(fā)、頻發(fā)的態(tài)勢。我國西北干旱區(qū)地處中緯度地帶的歐亞大陸腹地，是全球氣候變化下的敏感地區(qū)。這里水資源環(huán)境特殊，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，地下水與地表水交換頻繁，水資源成為制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、影響生態(tài)安全的關(guān)鍵要素，對未來經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。在氣候變化的影響下，西北干旱區(qū)以山區(qū)降水和冰雪融水補(bǔ)給為基礎(chǔ)的水資源系統(tǒng)更為脆弱，極端水文事件增加、干旱頻率變化也呈現(xiàn)出明顯的地區(qū)差異和時間差異。因此，評估和預(yù)估干旱發(fā)展的變化可為風(fēng)險應(yīng)對與管理提供支撐。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于提供一種解決了上述問題，從水資源系統(tǒng)的角度出發(fā)，綜合考慮了供水和需水之間的關(guān)系和監(jiān)測數(shù)據(jù)，所構(gòu)建的冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法，方法步驟如下：

步驟1、建立數(shù)據(jù)庫：獲取一定時期內(nèi)區(qū)域歷史氣象、水文資料，下墊面信息；

步驟2、構(gòu)建干旱評價模型：獲取一定時期內(nèi)所述研究區(qū)水資源供水量和需水量，構(gòu)建水資源短缺量與干旱指數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，建立水資源干旱評估指標(biāo)；

步驟3、預(yù)測預(yù)見期氣溫變化：根據(jù)平均氣溫，建立統(tǒng)計預(yù)測模型，對預(yù)見期內(nèi)氣溫進(jìn)行預(yù)測；

步驟4、判定預(yù)見期內(nèi)旱情：根據(jù)上述一定時期內(nèi)的氣溫、供水量、需水量，分別建立氣溫與供水量、氣溫與用水量之間的函數(shù)關(guān)系；

利用所述預(yù)見期內(nèi)的氣溫，結(jié)合所述氣溫與供水量、氣溫與用水量之間的函數(shù)關(guān)系，預(yù)測所述的預(yù)見期內(nèi)的水資源短缺量；

結(jié)合所述的干旱評價模型，預(yù)測所述的預(yù)見期內(nèi)旱情。

作為優(yōu)選，步驟2中所述的供水量為廣義水資源量，即可被生態(tài)系統(tǒng)有效利用的大氣降水以及水利工程供水等徑流性水資源量之和，可認(rèn)為是有效降水量，采用如下公式計算：

P_有效＝αP

式中，P_有效為有效降水量；α降水有效利用系數(shù)，P某次實測降水量。

所述的需水量為農(nóng)業(yè)需水量，即主要參考作物的實際蒸散發(fā)量，采用如下公式計算：

式中：i為作物類型(如棉花、小麥等)；n為作物總分類數(shù)；f_i為各種作物類型面積百分率(％)；ET_ci是各種作物類型的實際需水量；ET_0i為各種作物類型的參考作物需水量，可采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith模型計算；K_ci是研究區(qū)主要作物的作物系數(shù)；K_θi為各種作物類型的土壤水分影響函數(shù)。

作為優(yōu)選，所述步驟2中所述的水資源短缺量只是從數(shù)值角度表征了研究區(qū)內(nèi)缺水的既定事實，并不能滿足在干旱分析中對于時空對比的要求，因此，需引入水資源短缺量修正系數(shù)K，反映不同時空背景下的水資源短缺差異：

式中，k是K的一階近似值；為月平均需水量；為月平均供水量。

在此基礎(chǔ)上可得到可進(jìn)行時空對比的水資源短缺指數(shù)Z：

Z＝K×D

式中：D為水資源短缺量。

所述的水資源短缺量僅是干旱發(fā)生的原因之一，但同時它還要受到水資源累積短缺量的影響，因此需進(jìn)一步修正所述水資源短缺指數(shù)Z，使其可以表達(dá)干旱歷時與干旱程度的關(guān)系。以月為時間尺度，從長序列水資源短缺指數(shù)中選取值為負(fù)的序列，繪制∑Z～t圖。取(t，∑Z)點(diǎn)集外包線，假定這條外包線為極端干旱的臨界值，可令其干旱評估指標(biāo)DI＝-4，該直線則表示在各種長度的極干期內(nèi)，Z值以所觀察到的近似最大速率累積的累計值。將縱坐標(biāo)從正常到極端四等分，還可以繪制3條直線，這些直線可依次表示嚴(yán)重干旱、中度干旱和輕度干旱。令其干旱評估指標(biāo)分別為-3.0、-2.0和-1.0，由此得到第i個月干旱評估指標(biāo)DI_i為：

式中：a和b為待定系數(shù)，根據(jù)∑Z～t圖中極端干旱直線確定。

作為優(yōu)選，不同時期水資源短缺指數(shù)Z的代數(shù)和不能反映持續(xù)干旱與其中某一較濕潤月的關(guān)系，因此應(yīng)考慮將前期因子作為對干旱累積結(jié)果的間接因子，從而提高干旱指數(shù)評估精度。

當(dāng)i＝t＝1時，DI₁＝Z₁/(a+b)，令ΔDI₁＝DI₁-DI₀＝Z₁/(a+b)

對于一次極端干旱，若之后的月均為正常，則這一次的極端干旱將終止。因此，為了維持某一干旱程度，即為了保持DI為恒定值，則指數(shù)Z必須以某一速率增加，這個速率取決于所要保持的DI值的大小。因此，引入系數(shù)c，即

ΔDI_i＝Z_i/(a+b)+cDI_i-1

式中：ΔDI_i＝DI_i-DI_i-1。

上式可用來計算各旬對干旱程度的貢獻(xiàn)，這些增量的總和即為干旱嚴(yán)重程度，即：

DI_i＝(1+c)DI_i-1+Z_i/(a+b)

式中：a、b、c為系數(shù)。

作為優(yōu)選，所述的水資源短缺修正系數(shù)只考慮了平均供水量和平均需水量的關(guān)系，但在實際分析中水資源短缺修正系數(shù)還與水資源短缺量的絕對值成反比，為了保證干旱評估指標(biāo)DI在不同空間內(nèi)的可比性，仍需進(jìn)一步修正k值。

取評估單元內(nèi)最干旱12個月，假定這12個月對于任何評估單元都表示極端干旱，即DI＝-4.0，即可得到該評估單元累積水資源短缺指數(shù)，再除以該評估單元12個最干旱月的水資源短缺總量，即可得到該評估單元12個月期間極端干旱平均修正系數(shù)：

繪制得到K’的回歸方程，此時K’為K的二級近似。

如果此時的K’可以滿足干旱指數(shù)在不同空間的可對比性，那么每個評估單元應(yīng)該相等，但這種情況大部分時候并不能實現(xiàn)，若不相等，則需進(jìn)一步修正，才能得到水資源短缺量的修正系數(shù)K：

式中，α、β、γ為系數(shù)。

作為優(yōu)選，步驟3中所述的統(tǒng)計預(yù)測模型為灰色季節(jié)性指數(shù)自記憶模型，在建模之前，需先對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理：

式中，{x_t}，t＝1～n，為原始?xì)鉁匦蛄?，MA為滑動平均值，CMA為中心滑動平均值，Ra為季節(jié)性指數(shù)，T為時間序列的波動周期，取12(月)。將原始?xì)鉁匦蛄蟹謩e除以對應(yīng)月份的季節(jié)性指數(shù)，得到一組新的時間序列，作為模型構(gòu)建的輸入數(shù)據(jù)。

作為優(yōu)選，所述的預(yù)處理之后的氣溫數(shù)據(jù)的一次累加序列呈現(xiàn)出近似的指數(shù)增加規(guī)律，且變化較為平穩(wěn)，因此可應(yīng)用GM(1，1)模型對其建模：

設(shè)預(yù)處理之后的氣溫時間序列為：

一次累加生成的新序列為：

式中：

GM(1，1)模型的白化方程為：

將其寫成：

式中，參數(shù)α和μ可采用最小二乘法求得。

作為優(yōu)選，在所述的GM(1，1)模型的白化方程引入自記憶函數(shù)，應(yīng)用內(nèi)積運(yùn)算、分部積分和中值定理等數(shù)學(xué)方法，可構(gòu)建一種新的時間序列模型：

式中，p為回溯階數(shù)，代表預(yù)測值，代表初始值，代表回溯值，自記憶模型的參數(shù)a_-p～a₁可采用最小二乘法求得，將模型預(yù)測得到的數(shù)值進(jìn)行還原，并乘以所述的對應(yīng)月份的季節(jié)性指數(shù)，則得到預(yù)測的氣溫。

作為優(yōu)選，步驟4中所述的干旱預(yù)警指數(shù)(I_AEW)可表示為：

I_AEW＝Z(Q_取水，W_水庫，F(xiàn)W×S_{農(nóng)業(yè)})

式中，Q取水為流域可取水水量，W水庫為地區(qū)水庫可供水量，F(xiàn)_W為主要農(nóng)作物實際蒸散發(fā)量，S農(nóng)業(yè)為主要作物面積。

作為優(yōu)選，所述的取水量在冰川融水補(bǔ)給區(qū)與上游來水和下游氣溫之間存在一定的函數(shù)關(guān)系：

下游氣溫(T)與上游來水(Q_來水)之間的關(guān)系：

下游氣溫(T)與取水量(Q_取水)之間的關(guān)系：

式中，α₁、α₂、β₁、β₂、b、k、λ和T₀為參數(shù)。

由于根據(jù)所述的下游氣溫(T)與取水量(Q_取水)之間的關(guān)系，可將I_AEW進(jìn)一步寫成：

I_AEW＝Z(T，W_水庫，F(xiàn)W×S_{農(nóng)業(yè)})

由當(dāng)月水資源干旱指數(shù)DI推出當(dāng)月月缺水閾值，并根據(jù)干旱指數(shù)DI：-1、-2、-3、-4和干旱指標(biāo)I_AEW將干旱狀況分為無旱、輕度干旱、中度干旱、重度干旱、極度干旱五個等級。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明所構(gòu)建的干旱評價模型是從水資源系統(tǒng)的角度出發(fā)，綜合考慮了供水和需水之間的關(guān)系，且當(dāng)前的監(jiān)測數(shù)據(jù)能滿足建模需求，所構(gòu)建的干旱預(yù)警指標(biāo)，最終僅需要預(yù)測的氣溫來驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，適用于冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警?？蔀樵擃惖貐^(qū)干旱風(fēng)險應(yīng)對與管理提供技術(shù)支撐。

附圖說明

圖1為本發(fā)明原理框圖；

圖2為干旱預(yù)警指標(biāo)體系示意圖。

具體實施方式

下面將對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實施例：參見圖1，一種冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法，選取我國西北干旱區(qū)阿克蘇河流域為例，進(jìn)行干旱預(yù)警，方法步驟如下：

步驟1：獲取一定時期內(nèi)區(qū)域歷史氣象、水文資料，下墊面信息。

步驟2：構(gòu)建干旱評價模型：獲取一定時期內(nèi)所述研究區(qū)水資源供水量和需水量，構(gòu)建水資源短缺量與干旱指數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，建立水資源干旱評估指標(biāo)：

DI(i)＝0.75DI(i-1)+Z(i)/1.63

式中，DI為干旱指數(shù)，i表示時段，K為修正系數(shù)，為需水量平均值，為供水量平均值，為缺水量平均值。

步驟3：預(yù)測預(yù)見期氣溫變化：根據(jù)所述平均氣溫，建立統(tǒng)計預(yù)測模型，對預(yù)見期內(nèi)氣溫進(jìn)行預(yù)測：

模型參數(shù)

步驟4：判定預(yù)見期內(nèi)旱情：根據(jù)所述的一定時期內(nèi)氣溫、供水量、需水量，分別建立氣溫與供水量、氣溫與用水量之間的函數(shù)關(guān)系；利用所述的預(yù)見期內(nèi)氣溫，結(jié)合所述的氣溫與供水量、氣溫與用水量之間的函數(shù)關(guān)系，預(yù)測所述的預(yù)見期內(nèi)的水資源短缺量；結(jié)合所述的干旱評價模型，預(yù)測所述的預(yù)見期內(nèi)旱情。

其中，取水量與氣溫的統(tǒng)計關(guān)系為：

式中，Q取水為下游平原區(qū)取水量，億m³；T為月平均氣溫，℃。

需水量與氣溫的統(tǒng)計關(guān)系為：

根據(jù)干旱指數(shù)DI：-1、-2、-3、-4和干旱指標(biāo)I_AEW將干旱狀況分為無旱、輕度干旱、中度干旱、重度干旱、極度干旱五個等級。區(qū)域I對應(yīng)輕旱、區(qū)域II對應(yīng)中旱、區(qū)域III對應(yīng)重旱、區(qū)域IV對應(yīng)特旱。干旱預(yù)警指標(biāo)體系，見圖2

干旱預(yù)警指數(shù)

由此可見，本發(fā)明通過明細(xì)缺水程度與干旱之間的關(guān)系，闡明干旱形成的過程，以預(yù)見期缺水計算為目標(biāo)，構(gòu)建干旱預(yù)警指標(biāo)體系；預(yù)測預(yù)見期旱情。所述的方法物理過程明確，對冰川融水補(bǔ)給地區(qū)具有技術(shù)的通用性，為指導(dǎo)干旱應(yīng)對提供可靠的理論與技術(shù)支撐。

以上對本發(fā)明所提供的一種冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法進(jìn)行了詳盡介紹，本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進(jìn)行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，對本發(fā)明的變更和改進(jìn)將是可能的，而不會超出附加權(quán)利要求所規(guī)定的構(gòu)思和范圍，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。