长江流域气候变化和
水库作用驱动的
非平稳水文干旱评估

Non-Stationary Hydrological Drought Assessment in Yangtze River Basin

研究背景与挑战

长江流域干旱威胁

  • 21世纪以来多次发生严重水文干旱(2011、2013、2019、2022年)
  • 2022年全流域干旱强度为1961年以来最强
  • 严重威胁水安全、粮食安全和经济发展

现有研究局限

  • 传统方法基于稳态假设,忽视非平稳特征
  • 大多仅考虑气候因子,忽视人类活动影响
  • 对水库调控作用关注不足

研究创新点

本研究创新性地将气候变化与水库调控效应共同引入GAMLSS模型框架,选取气温和降水作为气候变化因子,并基于水库特征参数构建水库指数,以表征人类活动对径流过程的调控影响,从而系统揭示长江流域非平稳水文干旱规律。

气候因子

气温和降水作为气候变化的直观反映

水库指数

基于水库特征参数表征人类活动影响

NSRI指数

非平稳标准化径流指数

GAMLSS模型框架

Generalized Additive Models for Location, Scale and Shape

GAMLSS模型通过引入时变参数,可有效反映各种驱动因素对水文过程的影响机制。本研究基于GAMLSS框架,将气温、降水和水库指数作为协变量嵌入位置参数和尺度参数的估计中,构建非平稳标准化径流指数(NSRI)。

位置参数

Location Parameter

反映分布中心位置的动态变化

尺度参数

Scale Parameter

刻画分布离散程度的时变特征

形状参数

Shape Parameter

描述分布偏度和峰度的变化

五大关键水文站点

寸滩站

上游代表站

汉口站

中游代表站

大通站

下游代表站

城陵矶站

洞庭湖流域

湖口站

鄱阳湖流域

水库指数(RI)

为反映水库对径流拦蓄的影响,本研究采用水库指数(Reservoir Index, RI)来表征大坝和水库对下游径流变化的影响程度。

计算公式:

RI = Σ(Aᵢ/Aₜ) × (Cᵢ/Cₜ)

其中:N为水库数量,Aᵢ为第i个水库控制流域面积,Aₜ为水文站控制流域面积,Cᵢ为第i个水库总库容,Cₜ为水文站多年平均径流量

水库指数意义

水库指数越大,表明上游水库群对径流的影响程度越大。长江流域是我国水库分布最为密集的区域之一,水库数量多、规模大、调控能力强。

研究方法体系

非平稳性诊断

  • M-K趋势检验:诊断径流序列变化趋势
  • Pettitt突变检验:确定径流序列突变点
  • 滑动T检验:对比修正突变点诊断

干旱识别与评估

  • 游程理论:识别干旱事件
  • 干旱历时:干旱持续时间
  • 干旱烈度:干旱累积强度

研究主要发现

Key Research Findings

发现①

非汛期(1-3月)

径流显著增加

汛期(9-10月)

径流显著减少

1-4月和9-11月存在显著突变

发现②

NSRI vs SRI

时间演变趋势基本一致

差异性

干旱强度表征存在差异

验证GAMLSS模型合理性

发现③

空间异质性

显著空间差异特征

中上游

干旱加剧

下游

湿润化现象

发现④

干旱频次

NSRI识别略高

平均历时

缩短2.80%~15.25%

对短期干旱敏感性高

核心优势

双重驱动

气候变化+水库作用

非平稳性

突破稳态假设局限

长时序

1961-2020年60年

全流域

上中下游系统分析