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| 內容簡介： |
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《水文干旱变化特征及其驱动机制研究》系统地介绍了水文干旱时空变化规律及驱动机制的理论方法和应用方面的最新研究成果，对该领域国内外研究现状和进展进行了综述，构建了不同尺度水文干旱指数，提出了水文干旱等级划分方法，系统分析了水文干旱时空变化特征，采用统计方法和机器学习对水文干旱进行预测，通过Copula函数计算了不同的水文干旱频率，揭示了气候变化、土地利用/覆被变化对水文干旱的影响机理，并给出了大量实例说明理论方法的应用。《水文干旱变化特征及其驱动机制研究》介绍的理论方法具有一定的普遍性，可供其他流域、区域干旱变化规律分析或极端水文事件分析预测时参考。
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目录前言第1章 绪论 11.1 干旱的基本概念 11.2 干旱的研究意义 31.3 水文干旱研究现状 41.4 本书主要内容 9第2章 研究区概况 112.1 自然地理条件 112.2 水文气象特征 132.3 水利工程概况 142.4 社会经济概况 142.5 水旱灾害 152.6 数据资料及分析 15第3章 水文干旱指数构建及干旱等级划分 333.1 分布函数优选 333.2 点干旱指数构建 443.3 面干旱指数建立 513.4 综合干旱指数建立 533.5 水文干旱等级划分 63第4章 水文干旱时空演变及预测 734.1 水文干旱时间分布特征 734.2 水文干旱空间分布特征 964.3 水文干旱等级预测分析 1224.4 基于CEEMDAN￣LSSVM组合模型的SRI 预测 131第5章 水文干旱频率分析 1485.1 基于Copula函数的联合干旱频率理论 1485.2 基于月径流的水文干旱频率分析 1525.3 水文干旱频率的多时间尺度分析 160第6章 气候变化对水文干旱的影响 2026.1 区域气象要素对水文干旱的影响 2026.2 ENSO事件对水文干旱的影响 2106.3 北极涛动和北大西洋涛动对水文干旱的影响 2186.4 其他全球性大尺度气候模式对水文干旱的影响 2206.5 干旱对气候响应规律转变成因初探 232第7章 土地利用/覆被变化对水文干旱的影响 2367.1 研究区植被变化特征分析 2367.2 区域干旱指数与植被相关性分析 2437.3 不同时期土地利用覆被变化对水文干旱的影响性分析 253参考文献 258
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第1章绪论 21世纪以来，全球气候变化较为异常，极端事件频繁发生，并有不断加剧的趋势。据统计，世界范围内因干旱造成的损失达到了各类自然灾害造成总损失的42%。干旱具有持续时间长，影响范围大的特点，对供水、灌溉、水力发电和各种水资源项目都有负面影响。受全球增温、人类活动及许多其他因素的影响，世界各国都备受干旱的困扰。我国也深受其扰，每年因干旱造成的损失占自然灾害损失的三分之一。据水利部统计，2020年全国25省（自治区、直辖市）发生干旱灾害，作物受旱面积1526.844万hm2，西南、华北、东北和东南沿海地区先后发生区域性干旱，因旱受灾面积835.243万hm2，其中成灾面积408.099万hm2。因旱造成粮食损失123.04亿kg，造成了严重的经济财产损失。随着人类经济的发展和人口膨胀，水资源短缺现象日渐严重，干旱地区不断扩大，干旱程度一直加重。在气候变化和人类活动的双重作用下，干旱呈现出发生频率不断上升、损失不断增加的特点，已成为社会经济发展的制约因素之一。 虽然黄河的第二大支流——汾河流经山西，但山西仍是一个水资源非常紧缺的省份。汾河全流域曾在1979～1993年出现连续15年的枯水时段，平均径流量为10.90亿m3。而下游区在历史上还曾出现过长达17年的枯水时段（1977～1993年），平均每年的年径流量只有5.76亿m3。由此可见，山西的水资源十分有限。水资源短缺造成的干旱成为汾河流域的主要灾害之一。相对于汾河流域的洪水灾害来说，干旱发生面积更广，频率更高。汾河流域干旱的频繁发生对社会经济的发展有着极大的影响。因此及时准确地评估区域干旱状况具有重要的研究意义。准确的评估干旱及其影响，需要对其进行量化，构建合适的干旱指数。专家学者多从气象、水文、农业及社会经济四个方向建立干旱指数。对干旱的定量化研究，可以直观地了解区域干旱的发生、演变规律，影响因素等，对干旱的持续时间、发生区域、变化趋势等可以进行准确评估，可以科学地预测未来干旱的发生发展，以及时防治，减少干旱造成的损失，进而达到生态保护的目的，保证水资源的合理配置，实现可持续发展。 1.1干旱的基本概念 干旱分为四种类型，即气象干旱、水文干旱、农业干旱、社会经济干旱。从驱动源头看，气象干旱是基础，它表现为降水在特定时期（如月、季、年）显著且持续地低于该地区的长期气候平均值，通常由异常持久的高压系统、大气环流模式改变（如厄尔尼诺/拉尼娜事件）、季风减弱或路径偏移等因素引起，导致水分输入的根本性短缺。气象干旱是其他类型干旱的触发点和物理前提。当气象干旱持续发展，土壤中储存的有效水分逐渐消耗殆尽，无法满足农作物、牧草或其他植被在关键生长期的生理需水要求时，便演化为农业干旱或生态干旱。农业干旱关注土壤水分库的亏缺及其对植物生长、产量的直接影响，其发生不仅取决于降水的多寡，还与前期土壤湿度、气温、风速、日照、作物类型及其需水规律密切相关，对农业生产的威胁*为直接。水文干旱反映了整个陆地水循环系统中可用水资源总量的持续性、大规模减少。*后，当水资源供给的持续性短缺开始制约社会经济活动的正常运行，无法满足居民生活、工农业生产、能源供给、服务业等基本用水需求，并可能引发一系列连锁反应（如经济损失、社会矛盾、健康问题、人口迁移）时，便构成了社会经济干旱。这种干旱类型直接触及人类福祉和社会稳定，其界定高度依赖于社会的水资源管理能力、用水效率、经济结构以及社会对缺水的适应与脆弱性。值得注意的是，这四种干旱类型在时间上往往呈现递进和滞后的关系，在空间上相互关联、相互影响，共同构成了干旱事件的完整链条。 水文干旱是干旱链条中承上启下的关键环节，标志着水分亏缺已从大气层和表层土壤深入渗透到更稳定的水资源储存系统之中。水文干旱的本质是地表和地下水资源系统中水量的持续性、显著低于正常状态的短缺现象。这种短缺并非短暂或偶发的流量波动，而是表现为河流径流量、湖泊/水库水位、地下水位的持续性、显著且广泛的下降，并且这种低水状态持续足够长的时间（通常数月甚至数年），对依赖这些水源的自然生态系统和人类社会经济系统产生实质性影响。水文干旱的发生具有明显的滞后性。由于地表水体和地下水含水层具有巨大的蓄水容量，它们能够吸纳并缓冲前期降水亏缺的影响。因此，水文干旱通常在气象干旱开始后一段时间才变得明显，其持续时间也往往远长于触发它的气象干旱事件。即使气象条件改善、降水恢复，地表径流和地下水的补充与恢复也是一个相对缓慢的过程，这导致水文干旱的恢复期漫长。水文干旱的表现形式多样。对于河流系统，它表现为河川径流干旱，即河道中的流量持续低于保证特定生态或社会经济功能所需的关键阈值。这种低流量状态不仅影响水生生态，也直接威胁到水力发电、航运、工业和城市取水、农业灌溉引水等。对于湖泊和水库，水文干旱表现为水位的持续性、大幅度下降，导致有效库容锐减、取水口可能暴露、淹没区湿地退化、湖滨带生态改变，并严重影响其防洪、供水、灌溉、发电、旅游等综合效益。对于地下水系统，水文干旱表现为地下水干旱，即地下水位的持续下降，导致水井出水量减少甚至干涸、抽水成本剧增、地下水依赖型生态系统退化，以及可能引发地面沉降、海水入侵等次生地质灾害。水文干旱的发生和发展不仅受自然气候变异和流域下垫面条件的控制，人类活动的影响日益显著且复杂。大规模的水资源开发利用，如筑坝建库蓄水、跨流域调水、地表水和地下水的强力开采、土地利用变化等，改变了天然的水文循环过程和水资源的时空分布。水库的调节可以在一定程度上缓解下游的短期缺水，但也可能通过拦截原本补给下游或地下水的径流，改变天然的水文情势，甚至在特定情景下加剧或延长下游地区的水文干旱。同样，地下水的大规模超采会加速地下水位的下降，显著加深和延长地下水干旱。因此，现代水文干旱往往是自然气候驱动与高强度人类水资源干预共同作用的结果，其监测、评估和管理需要综合考虑自然水文过程和社会用水活动。水文干旱的监测依赖于长期、稳定的水文观测网络，关键指标包括河流断面的流量、湖泊/水库的水位与蓄水量、地下水监测井的水位等。识别和量化水文干旱通常采用统计学方法，如设定流量/水位的特定百分位数（如90%、95%）作为干旱阈值，或使用标准化指标来比较当前状态与历史同期的偏离程度。由于其固有的滞后性、持久性以及对水资源系统基流的深远影响，水文干旱往往对人类社会的水安全保障构成较大的威胁，其缓解也较为困难，需要长期的水资源综合规划与管理策略。 1.2干旱的研究意义 干旱已从一种周期性自然现象演变为21世纪复杂的全球性环境挑战，其影响深度和广度在气候变化背景下持续升级。根据经济合作与发展组织2025年发布的《全球干旱展望》报告，若无有效适应措施，到2035年全球干旱的经济损失将比当前水平增加35%以上。这一趋势的驱动因素复杂交织：一方面，1900～2020年全球受干旱影响的陆地面积翻倍，37%的陆地经历土壤湿度显著下降；另一方面，大气蒸发需求（潜在蒸散量）因升温加剧，自1981年以来导致全球干旱强度增加40%，2022年全球30%的陆地表层遭受中强度以上干旱，其中欧洲和东非尤为严重。干旱的连锁效应远超经济范畴，直击生态安全、粮食供应、能源稳定及社会公平。例如，农业作为*脆弱部门，极端干旱年份可导致作物减产22%，而2021年仅美国农业干旱损失就超11亿美元。 干旱的生态破坏性更凸显其研究的不可替代性。最新实验研究表明，极端干旱不仅减少生物量，更瓦解生态系统的稳定性：欧亚草原联网实验证实，生长季降雨减少66%～100%的干旱事件，显著降低地上净初级生产力的稳定性，但对地下部分影响有限。这种“地上-地下响应分异”源于植物群落结构重组与水分分配机制的失衡，最终威胁生物多样性和碳汇功能。尤为严峻的是，干旱的物理特性正在发生本质变化：现代干旱呈现“热驱动型干旱”特征，即高温与降水短缺协同作用，加速土壤水分耗竭。例如，意大利的多年干旱事件因阿尔卑斯山积雪减少和融雪提前，导致波河水量降至200年来*低，农业灌溉系统濒临崩溃。此类事件印证了干旱的“三增”趋势：持续时间增长、空间范围扩大、复合热浪频发。瑞士学者基于1980～2018年数据分析指出，*严重的多年干旱影响范围每年扩大约5万km2，且温带草原生态系统退化*为剧烈。 干旱的社会经济维度同样亟须科学响应。干旱虽仅占自然灾害的6%，却导致34%的灾害相关死亡，并引发大规模人口迁移，撒哈拉以南非洲的民生危机尤为突出。这种影响具有鲜明的“不平等性”：发展中国家承受更严重的饥饿与生计崩溃，而发达国家则面临基础设施失效与供应链中断的挑战。例如，干旱使内河贸易量下降40%、水电产能削减25%。因此，干旱研究不仅是气候科学的命题，更是水资源管理、灾害治理、地缘政治与国际合作的交叉领域。 汾河流域地处黄河中游，是山西省经济核心区与生态屏障，却面临“南湿北旱”的尖锐分异格局：基于作物缺水指数的监测显示，北部均值达0.75以上（特旱阈值），显著高于南部的0.68，且干旱程度随土地利用类型递变：林地<草地<耕地<城镇，城市化进程加剧了地表蒸散与产流减少的矛盾。水文干旱作为该流域的核心灾害类型，其研究意义*先体现为对水资源管理系统的直接支撑。汾河上游水文站数据显示，干旱在时间上呈“冬春连旱、夏秋缓解”的节律：月尺度干旱集中于1～2月及12月，季尺度以冬季*严重（重旱以上频率占48.55%），而年尺度自20世纪80年代以来干旱指数持续下降，表明干旱长期恶化趋势。这一规律与植被响应深度耦合：月尺度标准化径流指数与归一化植被指数显著相关，但滞后效应微弱，意味着春季干旱将直接抑制当季植被恢复，而冬季干旱则通过土壤储水亏缺间接威胁次年生态需水。因此，构建高精度水文干旱预测模型可提前预警水源短缺，保障太原等城市的供水安全。 综上，汾河流域研究不仅为区域“四水四定”（以水定城、以水定地、以水定人、以水定产）提供决策依据，其揭示的土地利用/覆被变化-水文干旱反馈机制，更可为全球半干旱区应对“更热、更广、更长”的干旱未来提供范式参考。 1.3水文干旱研究现状 1.3.1水文干旱指数研究进展 全球气候不断变暖，人类活动不断增加，干旱事件的发生频率也在逐渐加大。分析国内外的一些研究成果发现：干旱指数是分析干旱的基础，也是将干旱这一较为笼统的事件进行数字化的关键。指数的分类标准判断干旱是否发生，数值的大小量化了旱情的严重程度，并且将干旱事件的起始和终止时间定量化，之后通过对数量化干旱等级序列的分析，可预测未来一定时间段内旱情的发展趋势。由此可知干旱指数在干旱评价中发挥的作用之大。 国外较早就进行了干旱方面的研究，随着对干旱现象认识的逐步深入，干旱指数的研究在不断发展之中，由基于降水短缺的简单方法逐渐发展到针对具体问题的更为复杂的模式。对于干旱指数而言，就其考虑因素的多少，大致分为单因素、多因素、综合性因素等干旱评价指数。多因素和综合性的干旱指数比单因素指数在计算方面要复杂得多，且所需要的数据资料在收集的过程中具有一定难度，而对于不同种类的干旱指数来讲，气象干旱指数较为完善，普遍被大多数学者借鉴应用。以标准化降水指数（standardized precipitation index，SPI）为例，因计算简单、资料易收集、可以反映不同时间尺度旱情等特点，其在评价水文干旱相关研究中被广泛采用。SPI指数*先由McKee等（1993）提出，通过对分布函数的标准正态化，量化了多时间尺度的干旱特征，同时也可对不同地区的干旱情况进行比较。Guttman（1999）在对干旱指数的计算方法进行讨论时指出，尽管多因素的帕尔默干旱指数（Palmer drought severity index，PDSI）考虑了降水、蒸发、土壤湿度等因素，但单因素的SPI指数比PDSI在描述干湿程度方面更加具有代表性。然而，SPI指数的研究对象是降水，主要针对气象干旱。Mishra和Singh（2010）认为干旱指数应能准确反映
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