一種水資源干旱評(píng)價(jià)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及干旱監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種水資源干旱評(píng)價(jià)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響下，世界范圍內(nèi)的干旱總體呈現(xiàn)出頻發(fā)、多發(fā)、連發(fā)和 并發(fā)態(tài)勢(shì)。自1900年以來(lái)，全球干旱災(zāi)害已導(dǎo)致1100多萬(wàn)人死亡，20億余人受到影響。近50 年來(lái)，我國(guó)氣象災(zāi)害損失占全部自然災(zāi)害損失的61 %，而干旱災(zāi)害損失占?xì)庀鬄?zāi)害損失的 55%。干旱不僅發(fā)生在水資源相對(duì)匱乏的北方地區(qū)，在水資源相對(duì)豐富的南方地區(qū)也頻繁 發(fā)生。近年來(lái)，西南和長(zhǎng)江中下游地區(qū)均發(fā)生了大面積、長(zhǎng)時(shí)段的干旱事件。1950-2010年我 國(guó)年均干旱災(zāi)害受災(zāi)面積和成災(zāi)面積分別為21.56 X 104km2和9.61 X 104km2,是同期年均雨 澇受災(zāi)面積和成災(zāi)面積的2.19倍和1.77倍。隨著以增溫為主要特征的氣候變化影響的深 入，氣候系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，使得干旱等極端氣象水文事件發(fā)生的概率及其影響將進(jìn)一步 增加。2011年UN-IPCC特別報(bào)告表明，未來(lái)全球大部分地區(qū)因蒸發(fā)量增加和土壤水分減少， 干旱化趨勢(shì)明顯；持續(xù)干旱將對(duì)美國(guó)、南歐、東南亞、巴西、智利、澳大利亞和非洲等國(guó)家和 地區(qū)造成嚴(yán)重影響。
[0003] 自1900年以來(lái)，干旱指標(biāo)大致經(jīng)歷了萌芽期、成長(zhǎng)期和發(fā)展期三個(gè)發(fā)展階段。
[0004] 萌芽期（1900s~1960s):該階段的干旱指標(biāo)主要包括4種類(lèi)型，一是以降雨量為干 旱表征因子，如Munger指標(biāo)、Kincer指標(biāo)、Blumenstock指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)、前期降水指標(biāo)等； 二是以蒸發(fā)量為干旱表征因子，如濕度適足指數(shù);三是以降水量和氣溫為干旱表征因子，如 Marcovitch指標(biāo)、Demartonne指數(shù)；四是以降水量和蒸發(fā)量為干旱表征因子，如干燥度指 數(shù)。該階段干旱指標(biāo)的特點(diǎn)是以單因子或者雙因子為表征，根據(jù)某一地區(qū)的特點(diǎn)建立的，雖 計(jì)算簡(jiǎn)單，但普適性不強(qiáng)，且缺乏機(jī)理性。
[0005] 成長(zhǎng)期（1960s~1990s):該階段的干旱指標(biāo)包括4種類(lèi)型，一是以降水量為表征因 子，如Decile指標(biāo)、降水量距平百分率、BMDI干旱指數(shù)、正負(fù)距平指標(biāo);二是以徑流量為表征 因子，如水文干旱強(qiáng)度指標(biāo)、地表水供給指數(shù)（SWSI);三是考慮地表狀況的干旱指標(biāo)，如 Keetch-Byrum干旱指數(shù)、土壤熱慣量模型；四是以土壤水分平衡原理為基礎(chǔ)的干旱指標(biāo)，如 Palmer干旱程度指數(shù)、Palmer水分距平指數(shù)。該階段提出的干旱指標(biāo)以多因子表征為主，且 一定程度上考慮了水循環(huán)要素與過(guò)程，有一定的物理機(jī)制。
[0006] 發(fā)展期（1990s至今）：隨著計(jì)算機(jī)和水文模型的不斷發(fā)展，該階段的干旱指標(biāo)除了 考慮多表征因子的結(jié)合，更多的是多干旱指標(biāo)的綜合，以及評(píng)價(jià)內(nèi)容的多樣化。同時(shí)，計(jì)算 的時(shí)空尺度也更為精細(xì)，甚至是不同時(shí)間尺度的量化，如SPI指數(shù)。該階段的干旱指標(biāo)主要 包括3種類(lèi)型:一是多個(gè)干旱指標(biāo)的綜合，如綜合干旱指數(shù)(CI)、氣象干旱指數(shù)(DI);二是以 分布式水文模型為基礎(chǔ)的干旱指標(biāo)，如GBHM-PDSI模型；三是基于遙感的干旱指標(biāo)，如植被 溫度狀態(tài)指數(shù)（VTCI)、溫度植被干旱指數(shù)（TVDI)、植被供水指數(shù)（VSWI)、垂直干旱指數(shù) (PDI)、標(biāo)準(zhǔn)植被指數(shù)(SVI)、短波紅外垂直失水指數(shù)(SPSI)等。
[0007] 這些方法的主要不足是基于水循環(huán)的單一或幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià)，割裂了水循環(huán)的 整體性，難以體現(xiàn)干旱的自然和社會(huì)屬性，難以表征干旱的隨機(jī)性與確定性的雙重特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的就在于提供一種解決上述問(wèn)題，從水資源系統(tǒng)的角度構(gòu)建干旱評(píng)價(jià) 指標(biāo)，解決了長(zhǎng)期以來(lái)干旱評(píng)價(jià)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了氣象、水文、農(nóng)業(yè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱的統(tǒng)一評(píng)價(jià) 的水資源干旱評(píng)價(jià)系統(tǒng)；
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種水資源干旱評(píng)價(jià)系統(tǒng)，方法步 驟如下：
[0010] (1)計(jì)算廣義供水量
[0011] 廣義水資源包括徑流性水資源和生態(tài)系統(tǒng)利用的有效降水，其來(lái)源為大氣降水， 賦存形態(tài)為地表水、土壤水和地下水，可表示為：
[0012] W廣義=Σ Ρ||*=P- Σ P通=購(gòu)蟻+ff±* (1)
[0013] 式中:W廣義為廣義水資源量;為有效降水通量;為無(wú)效降水通量;WRX狹義水 資源量;Wd*為土壤水資源量。
[0014] 其中，狹義水資源量可表示為：
[0015] 購(gòu)蟻=Rs+Rg (2)
[0016] 式中：RS為地表水資源量，可由計(jì)算單元的地表徑流、地下水出流及壤中徑流簡(jiǎn)單 相加得出；Rg為不重復(fù)地下水水資源量，可由潛水蒸發(fā)量、地下潛流量及開(kāi)采凈消耗量相加 得到。
[0017] 土壤水資源，是指賦存于土壤包氣帶中，具有更新能力，并能被人類(lèi)生產(chǎn)和生活直 接和間接利用（包括人類(lèi)對(duì)生態(tài)環(huán)境的維持）的土壤水量和對(duì)維持天然生態(tài)環(huán)境具有一定 作用的土壤水量。由于土壤水資源是一個(gè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程量，在其接受補(bǔ)給的同時(shí)也在進(jìn) 行消耗，在一定的時(shí)段內(nèi)，是消耗利用量和未被利用量之和，可表不為：
[0018] ffd*=Ex+Es+Aff (3)
[0019] 式中：Ετ為植被蒸騰通量;Es土壤蒸發(fā)通量；AW為時(shí)段土壤水蓄變量，可認(rèn)為是土 壤水資源未被利用量。
[0020] 根據(jù)蒸發(fā)蒸騰機(jī)理不同，流域水資源蒸發(fā)蒸騰可根據(jù)下墊面條件的不同在水平向 共分八大類(lèi):灌溉農(nóng)田蒸發(fā)、非灌溉農(nóng)田蒸發(fā)、林地蒸發(fā)、草地蒸發(fā)、水域蒸發(fā)、居工地蒸發(fā) (包括城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其它建設(shè)用地）、裸土蒸發(fā)以及裸巖蒸發(fā)；在垂向結(jié)構(gòu)分五 類(lèi):植物的冠層截留蒸發(fā)量、植被蒸騰量、地表截留蒸發(fā)量、土壤水蒸發(fā)、水面蒸發(fā)。
[0021] 由于蒸發(fā)蒸騰在人類(lèi)社會(huì)中的作用不同，同時(shí)由于水資源的稀缺性，因此，產(chǎn)生了 有效和無(wú)效之分。
[0022] 對(duì)于耕地、林地和草地來(lái)說(shuō)，冠層截留蒸發(fā)可直接降低植物表面和體內(nèi)的溫度，對(duì) 維護(hù)植物正常生理是有益的，屬于有效蒸發(fā);植被蒸騰量直接參與生物量的生產(chǎn)，屬于有效 蒸發(fā);土壤棵間蒸發(fā)和土壤填洼蒸發(fā)，均通過(guò)調(diào)節(jié)植被生長(zhǎng)的小氣候而間接作用于植被，本 文認(rèn)為其為有效蒸發(fā)。
[0023] 河渠、湖泊及水庫(kù)坑塘等水域及沼澤地、灘涂屬于濕地系統(tǒng)，其在提供生物多樣 性、風(fēng)景和娛樂(lè)、漁業(yè)和野生動(dòng)植物產(chǎn)品，以及在防洪等方面提供的價(jià)值，本文認(rèn)為其是有 效蒸發(fā)。
[0024]居工地是人類(lèi)居住和活動(dòng)的集散地，綠地、路面和建筑物等各類(lèi)下墊面上的蒸發(fā) 均可以起到降溫濕潤(rùn)等直接的改善環(huán)境作用，本文認(rèn)為是有效蒸發(fā)。
[0025]天然狀態(tài)中的難利用土地、裸土和裸巖以及天然水域等的蒸發(fā)量，盡管在維持生 態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮了重要的作用，但是由于遠(yuǎn)離人類(lèi)生產(chǎn)和生活，其發(fā)揮的作用極其微小，本 文認(rèn)為是無(wú)效蒸發(fā)。
[0026]對(duì)于社會(huì)水循環(huán)一一"輸水-用水-排水-回歸"過(guò)程中的水面蒸發(fā)量(無(wú)論是輸水 管道滲漏水量形成的蒸發(fā)量，還是用水過(guò)程的渠系蒸發(fā)以及排水過(guò)程的排水管網(wǎng)中滲漏水 量形成的蒸發(fā)量），盡管均在生產(chǎn)環(huán)境方面發(fā)揮了積極作用，但是與用水的初衷一一增加社 會(huì)用水量而言卻是一種無(wú)效的消耗，因此，本文認(rèn)為是無(wú)效蒸發(fā)。
[0027]因此，廣義水資源量為：
[0028] ffrx=Rs+Rg+Ei+Et+Es+E〇+Ew+Ec (4)
[0029] 式中:Ei冠層截留蒸發(fā)量;Et植被蒸騰量;Es植被棵間土壤有效蒸發(fā)量;E。植被棵間 地表截留有效蒸發(fā)量;E W水面蒸發(fā)量(包括灘涂、灘地、沼澤地等未包含在狹義水資源量中 的水面蒸發(fā)量）；E。居工地蒸發(fā)量;其它符號(hào)同上。
[0030] 干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)中的廣義供水量采用廣義水資源量的計(jì)算結(jié)果，BP:
[0031] SW=W廣義(5)
[0032] (2)計(jì)算廣義需水量
[0033]干旱評(píng)價(jià)中的廣義需水量采用評(píng)價(jià)單元的實(shí)際需水量，包括國(guó)民經(jīng)濟(jì)需水量和生 態(tài)環(huán)境需水量?jī)纱蟛糠?，其中，?guó)民經(jīng)濟(jì)需水又分為生活需水、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)需水和 農(nóng)業(yè)需水四部分。
[0034]評(píng)價(jià)單元的廣義需水量DW可表示為：
[0035] Dff=Lw+1 w+F w+Ew (6)
[0036] 式中：Lw為生活需水量；Iw為第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)需水量;Fw為農(nóng)業(yè)需水量;Ew為生 態(tài)環(huán)境需水量。
[0037] (3)構(gòu)建基于水資源系統(tǒng)的干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)
[0038] 1)計(jì)算水資源短缺量
[0039] 水資源短缺量D指的是評(píng)價(jià)單元內(nèi)廣義供水量與廣義需水量的差值，若需水量大 于供水量，則評(píng)價(jià)單元內(nèi)水分不足;若需水量小于供水量，則評(píng)價(jià)單元內(nèi)水分過(guò)剩;若需水 量等于供水量，則評(píng)價(jià)單元內(nèi)水分達(dá)到平衡。
[0040] D = Sff-Dff (7)
[00411 2)計(jì)算水資源短缺指數(shù)
[0042] 式(7)表示了評(píng)價(jià)單元中總需水量與總供水量的偏離，雖然該式表示出了評(píng)價(jià)單 元水分異常情況，但存在缺點(diǎn)，即同一個(gè)水資源短缺量在不同評(píng)價(jià)單元和不同評(píng)價(jià)時(shí)期意 義不同。該式可以比較同一評(píng)價(jià)單元相同時(shí)期不同年份的水資源短缺，但是不能把不同時(shí) 期的水資源短缺相提并論，也不能比較不同評(píng)價(jià)單元的水資源短缺，除非事先確定了它們 的可比較性。為保證干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)在不同評(píng)價(jià)單元不同時(shí)期具有普適性，修正D，得到水資 源短缺指數(shù)Z:
[0043] Z=KXD (8)
[0044] 其中:K為水資源短缺量的修正系數(shù)，其值與需水量和供水量有關(guān)。
[0045] 3)構(gòu)建干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)
[0046] 式（8)提供了一個(gè)可供時(shí)空對(duì)比的相對(duì)水資源異常指標(biāo)。Z指不但可以表示干旱 期，也可以表示濕潤(rùn)期；在濕潤(rùn)期，Z值為正，表示評(píng)價(jià)單元內(nèi)供水量大于需水量，即顯