一种水资源干旱评价系统技术方案

本发明专利技术公开了一种水资源干旱评价系统，方法步骤如下：计算广义供水量；计算广义需水量；构建基于水资源系统的干旱评价指标；指标验证，计算的干旱评价指标值与典型场次的实际旱情相对照，以验证指标的合理性。与现有技术相比，本发明专利技术方法从水资源系统的角度构建干旱评价指标，解决了长期以来干旱评价的问题，实现了气象、水文、农业、社会经济干旱的统一评价，科学全面的反映干旱事件的特征。本发明专利技术可广泛应用于受人类活动影响大的流域或者区域的干旱评价，特别适用于东辽河流域干旱定量化评价。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及干旱监控
，尤其涉及一种水资源干旱评价系统。
技术介绍
在气候变化和人类活动影响下，世界范围内的干旱总体呈现出频发、多发、连发和并发态势。自1900年以来，全球干旱灾害已导致1100多万人死亡，20亿余人受到影响。近50年来，我国气象灾害损失占全部自然灾害损失的61％，而干旱灾害损失占气象灾害损失的55％。干旱不仅发生在水资源相对匮乏的北方地区，在水资源相对丰富的南方地区也频繁发生。近年来，西南和长江中下游地区均发生了大面积、长时段的干旱事件。1950-2010年我国年均干旱灾害受灾面积和成灾面积分别为21.56×104km2和9.61×104km2，是同期年均雨涝受灾面积和成灾面积的2.19倍和1.77倍。随着以增温为主要特征的气候变化影响的深入，气候系统的稳定性降低，使得干旱等极端气象水文事件发生的概率及其影响将进一步增加。2011年UN-IPCC特别报告表明，未来全球大部分地区因蒸发量增加和土壤水分减少，干旱化趋势明显；持续干旱将对美国、南欧、东南亚、巴西、智利、澳大利亚和非洲等国家和地区造成严重影响。自1900年以来，干旱指标大致经历了萌芽期、成长期和发展期三个发展阶段。萌芽期(1900s～1960s)：该阶段的干旱指标主要包括4种类型，一是以降雨量为干旱表征因子，如Munger指标、Kincer指标、Blumenstock指标、标准差指标、前期降水指标等；二是以蒸发量为干旱表征因子，如湿度适足指数；三是以降水量和气温为干旱表征因子，如Marcovitch指标、Demartonne指数；四是以降水量和蒸发量为干旱表征因子，如干燥度指数。该阶段干旱指标的特点是以单因子或者双因子为表征，根据某一地区的特点建立的，虽计算简单，但普适性不强，且缺乏机理性。成长期(1960s～1990s)：该阶段的干旱指标包括4种类型，一是以降水量为表征因子，如Decile指标、降水量距平百分率、BMDI干旱指数、正负距平指标；二是以径流量为表征因子，如水文干旱强度指标、地表水供给指数(SWSI)；三是考虑地表状况的干旱指标，如Keetch-Byrum干旱指数、土壤热惯量模型；四是以土壤水分平衡原理为基础的干旱指标，如Palmer干旱程度指数、Palmer水分距平指数。该阶段提出的干旱指标以多因子表征为主，且一定程度上考虑了水循环要素与过程，有一定的物理机制。发展期(1990s至今)：随着计算机和水文模型的不断发展，该阶段的干旱指标除了考虑多表征因子的结合，更多的是多干旱指标的综合，以及评价内容的多样化。同时，计算的时空尺度也更为精细，甚至是不同时间尺度的量化，如SPI指数。该阶段的干旱指标主要包括3种类型：一是多个干旱指标的综合，如综合干旱指数(CI)、气象干旱指数(DI)；二是以分布式水文模型为基础的干旱指标，如GBHM-PDSI模型；三是基于遥感的干旱指标，如植被温度状态指数(VTCI)、温度植被干旱指数(TVDI)、植被供水指数(VSWI)、垂直干旱指数(PDI)、标准植被指数(SVI)、短波红外垂直失水指数(SPSI)等。这些方法的主要不足是基于水循环的单一或几个环节进行评价，割裂了水循环的整体性，难以体现干旱的自然和社会属性，难以表征干旱的随机性与确定性的双重特性。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于提供一种解决上述问题，从水资源系统的角度构建干旱评价指标，解决了长期以来干旱评价的问题，实现了气象、水文、农业、社会经济干旱的统一评价的水资源干旱评价系统；为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种水资源干旱评价系统，方法步骤如下：(1)计算广义供水量广义水资源包括径流性水资源和生态系统利用的有效降水，其来源为大气降水，赋存形态为地表水、土壤水和地下水，可表示为：W广义＝∑P有效＝P-∑P无效＝W狭义+W土壤(1)式中：W广义为广义水资源量；P有效为有效降水通量；P无效为无效降水通量；W狭义狭义水资源量；W土壤为土壤水资源量。其中，狭义水资源量可表示为：W狭义＝RS+Rg(2)式中：RS为地表水资源量，可由计算单元的地表径流、地下水出流及壤中径流简单相加得出；Rg为不重复地下水水资源量，可由潜水蒸发量、地下潜流量及开采净消耗量相加得到。土壤水资源，是指赋存于土壤包气带中，具有更新能力，并能被人类生产和生活直接和间接利用(包括人类对生态环境的维持)的土壤水量和对维持天然生态环境具有一定作用的土壤水量。由于土壤水资源是一个动态转化的过程量，在其接受补给的同时也在进行消耗，在一定的时段内，是消耗利用量和未被利用量之和，可表示为：W土壤＝ET+ES+ΔW(3)式中：ET为植被蒸腾通量；ES土壤蒸发通量；ΔW为时段土壤水蓄变量，可认为是土壤水资源未被利用量。根据蒸发蒸腾机理不同，流域水资源蒸发蒸腾可根据下垫面条件的不同在水平向共分八大类：灌溉农田蒸发、非灌溉农田蒸发、林地蒸发、草地蒸发、水域蒸发、居工地蒸发(包括城镇用地、农村居民点和其它建设用地)、裸土蒸发以及裸岩蒸发；在垂向结构分五类：植物的冠层截留蒸发量、植被蒸腾量、地表截留蒸发量、土壤水蒸发、水面蒸发。由于蒸发蒸腾在人类社会中的作用不同，同时由于水资源的稀缺性，因此，产生了有效和无效之分。对于耕地、林地和草地来说，冠层截留蒸发可直接降低植物表面和体内的温度，对维护植物正常生理是有益的，属于有效蒸发；植被蒸腾量直接参与生物量的生产，属于有效蒸发；土壤棵间蒸发和土壤填洼蒸发，均通过调节植被生长的小气候而间接作用于植被，本文认为其为有效蒸发。河渠、湖泊及水库坑塘等水域及沼泽地、滩涂属于湿地系统，其在提供生物多样性、风景和娱乐、渔业和野生动植物产品，以及在防洪等方面提供的价值，本文认为其是有效蒸发。居工地是人类居住和活动的集散地，绿地、路面和建筑物等各类下垫面上的蒸发均可以起到降温湿润等直接的改善环境作用，本文认为是有效蒸发。天然状态中的难利用土地、裸土和裸岩以及天然水域等的蒸发量，尽管在维持生态环境方面发挥了重要的作用，但是由于远离人类生产和生活，其发挥的作用极其微小，本文认为是无效蒸发。对于社会水循环——“输水-用水-排水-回归”过程中的水面蒸发量(无论是输水管道渗漏水量形成的蒸发量，还是用水过程的渠系蒸发以及排水过程的排水管网中渗漏水量形成的蒸发量)，尽管均在生产环境方面发挥了积极作用，但是与用水的初衷——增加社会用水量而言却是一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水资源干旱评价系统，其特征在于：方法步骤如下，(1)计算广义供水量广义水资源包括径流性水资源和生态系统利用的有效降水，其来源为大气降水，赋存形态为地表水、土壤水和地下水，可表示为：W广义＝∑P有效＝P‑∑P无效＝W狭义+W土壤  (1)式中：W广义为广义水资源量；P有效为有效降水通量；P无效为无效降水通量；W狡义狭义水资源量；W土壤为土壤水资源量；由于蒸发蒸腾在人类社会中的作用不同，同时由于水资源的稀缺性，因此，产生了有效和无效之分，因此，广义水资源量为：W广义＝RS+Rg+Ei+Et+Es+Eo+Ew+Ec  (4)式中：Ei冠层截留蒸发量；Et植被蒸腾量；Es植被棵间土壤有效蒸发量；Eo植被棵间地表截留有效蒸发量；Ew水面蒸发量，包括滩涂、滩地、沼泽地等未包含在狭义水资源量中的水面蒸发量；Ec居工地蒸发量；RS为地表水资源量，可由计算单元的地表径流、地下水出流及壤中径流简单相加得出；Rg为不重复地下水水资源量，可由潜水蒸发量、地下潜流量及开采净消耗量相加得到；干旱评价指标中的广义供水量采用广义水资源量的计算结果，即：SW＝W广义  (5)(2)计算广义需水量干旱评价中的广义需水量采用评价单元的实际需水量，包括国民经济需水量和生态环境需水量两大部分，其中，国民经济需水又分为生活需水、第二产业、第三产业需水和农业需水四部分，评价单元的广义需水量DW可表示为：DW＝Lw+Iw+Fw+Ew  (6)式中：Lw为生活需水量；Iw为第二产业、第三产业需水量；Fw为农业需水量；Ew为生态环境需水量；(3)构建基于水资源系统的干旱评价指标1)计算水资源短缺量水资源短缺量D指的是评价单元内广义供水量与广义需水量的差值：D＝SW‑DW  (7)2)计算水资源短缺指数为保证干旱评价指标在不同评价单元不同时期具有普适性，修正D，得到水资源短缺指数Z：Z＝K×D  (8)其中：K为水资源短缺量的修正系数，其值与需水量和供水量有关；3)构建干旱评价指标以旬为时间尺度，计算得到长序列的Z值，从中选取各种时间间隔中负的旬指标累积值∑Z，绘制∑Z～t图，得到回归直线；回归直线它表示在各种长度的极干期中，Z值以所观察到的近似最大速率累积的累计值，因此这条直线可以表示极端干旱，令干旱评价指标值为DI1，将纵坐标从正常到极端分成四等份，还可以绘制三条直线，这些直线依指标的绝对值大小分别表示重度干旱、中度干旱和轻度干旱，并且令它们的干旱评价指标值分别为DI2、DI3和DI4；由此得到第i个旬的干旱评价指标DIi为：DIi=Σt=1iZt/(at+b)---(9)]]>式中：a和b为待定系数，根据∑Z～t图中极端干旱直线确定；因为在较长的干旱期中，仅仅一个湿旬往往对持续着的干旱的严重程度影响不大，因此使时期因子间接地成为各旬对干旱严重程度贡献的累积结果；为了估计每个旬的贡献，在式(9)中令i＝1，t＝1，因此得到DI1＝Z1/(a+b)      (10)即：DI1‑DI0＝ΔDI1＝Z1/(a+b)       (11)对于一次极端干旱，如果在其后来的旬中都属于正常天气，则这一次的极端干旱也是无法维持的；为了保持DI为一恒定值(ΔDI＝0)，指数Z必须以某个速率增加，因此，式(9)中需增加一个附加项c，即：ΔDIi＝Zi/(a+b)+cDIi‑1        (12)式中：ΔDIi＝DIi‑DIi‑1；通过任意两个DIi‑1等于DIi的值和任意两个t值所计算的Z值，可确定c值；式(12)可用来计算各旬对干旱严重程度的贡献，这些增加量的总和，为干旱严重程度本身，即：DIi＝(1+c)DIi‑1+Zi/(a+b)        (13)其中，系数a、b、c、K在不同流域取不同的值；(4)指标验证利用式(13)计算的干旱评价指标值与典型场次的实际旱情相对照，以验证指标的合理性。...

【技术特征摘要】
1.一种水资源干旱评价系统，其特征在于：方法步骤如下，
(1)计算广义供水量
广义水资源包括径流性水资源和生态系统利用的有效降水，其来源为大气
降水，赋存形态为地表水、土壤水和地下水，可表示为：
W广义＝∑P有效＝P-∑P无效＝W狭义+W土壤(1)
式中：W广义为广义水资源量；P有效为有效降水通量；P无效为无效降水通量；W狡义狭义水资源量；W土壤为土壤水资源量；
由于蒸发蒸腾在人类社会中的作用不同，同时由于水资源的稀缺性，因此，
产生了有效和无效之分，因此，广义水资源量为：
W广义＝RS+Rg+Ei+Et+Es+Eo+Ew+Ec(4)
式中：Ei冠层截留蒸发量；Et植被蒸腾量；Es植被棵间土壤有效蒸发量；Eo植被棵间地表截留有效蒸发量；Ew水面蒸发量，包括滩涂、滩地、沼泽地等未
包含在狭义水资源量中的水面蒸发量；Ec居工地蒸发量；RS为地表水资源量，
可由计算单元的地表径流、地下水出流及壤中径流简单相加得出；Rg为不重复
地下水水资源量，可由潜水蒸发量、地下潜流量及开采净消耗量相加得到；
干旱评价指标中的广义供水量采用广义水资源量的计算结果，即：
SW＝W广义(5)
(2)计算广义需水量
干旱评价中的广义需水量采用评价单元的实际需水量，包括国民经济需水
量和生态环境需水量两大部分，其中，国民经济需水又分为生活需水、第二产
业、第三产业需水和农业需水四部分，评价单元的广义需水量DW可表示为：
DW＝Lw+Iw+Fw+Ew(6)
式中：Lw为生活需水量；Iw为第二产业、第三产业需水量；Fw为农业需水

\t量；Ew为生态环境需水量；
(3)构建基于水资源系统的干旱评价指标
1)计算水资源短缺量
水资源短缺量D指的是评价单元内广义供水量与广义需水量的差值：
D＝SW-DW(7)
2)计算水资源短缺指数
为保证干旱评价指标在不同评价单元不同时期具有普适性，修正D，得到
水资源短缺指数Z：
Z＝K×D(8)
其中：K为水资源短缺量的修正系数，其值与需水量和供水量有关；
3)构建干旱评价指标
以旬为时间尺度，计算得到长序列的Z值，从中选取各种时间间隔中负的旬
指标累积值∑Z，绘制∑Z～t图，得到回归直线；回归直线它表示在各种长度的
极干期中，Z值以所观察到的近似最大速率累积的累计值，因此这条直线可以表
示极端干旱，令干旱评价指标值为DI1，将纵坐标从正常到极端分成四等份，还
可以绘制三条直线，这些直线依指标的绝对值大小分别表示重度干旱、中度干
旱和轻度干旱，并且令它们的干旱评价指标值分别为...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁白莎，严登华，王浩，刘家宏，杨志勇，邵薇薇，冯杰，刘行刚，于赢东，刘鑫鑫，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11