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水 利 学 报

２０２３年 １２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 １２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）１２ － １５０７ － １２

基于时变参数和阈值的非平稳水文干旱评估方法构建

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王孟浩 ，江善虎 １，２，３ ，任立良 １，３ ，杨肖丽 ，方秀琴 ，严登华 ２
（１．河海大学 水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 ２１００９８；
２．中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 １０００３８；
３．河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 ２１００９８）

摘要：变化环境下，气候变化和人类活动的双重影响导致径流过程出现非平稳特征，需构建非平稳水文干旱评估
方法。选取渭河流域为研究区，基于平稳性、突变性和趋势性分析方法，分析径流过程非平稳特征；分别采用基
于位置、尺度和形状参数的广义可加模型和完全自适应噪声集合经验模态分解法，构建考虑径流过程非平稳变化
的时变参数标准化径流指数和时变阈值法，开展非平稳水文干旱事件评估；结合标准化降水指数和历史记载干旱
事件验证两种非平稳干旱评估方法的合理性。结果表明：渭河流域年径流序列突变点出现在 １９９０年前后，且径流
序列在突变点后（ １９９１—２０２０年）呈显著（ α＜０．０５）上升趋势；不同设计方案间的对比结果表明，时变参数标准化径
流指数和时变阈值法具备更强的稳健性，可合理刻画出径流过程的旱涝动态变化；构建的两类非平稳评估方法与标
准化降水指数及历史记载干旱事件表征的旱涝过程有较高的一致性，更适应于变化环境下的水文干旱评估。
关键词：变化环境；水文干旱；时变标准化径流指数；时变阈值法；渭河流域
中 图 分 类 号 ： Ｐ ３ ３ ９ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０２８３
文献标识码：Ａ

１ 研究背景

水文干旱，作为自然干旱的一种重要类型，通常是指地表水量或地下水量的异常偏少现象，常以
河川径流、地下水的亏损来衡量 ［１ － ３］ 。目前，国内外针对水文干旱提出的各种评估方法大致分为两
类 ［２，４］ 。第一类方法通常基于径流序列构建各种标准化指数，如标准化径流指数 ［５］ （ＳｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄＳｔｒｅ
ａｍｆｌｏｗＩｎｄｅｘ，ＳＳＩ）、 标 准 化 径 流 深 指 数 ［６］ （Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ ＲｕｎｏｆｆＩｎｄｅｘ， ＳＲＩ）和 径 流 干 旱 指 数 ［７］
（ＳｔｒｅａｍｆｌｏｗＤｒｏｕｇｈｔＩｎｄｅｘ，ＳＤＩ）等。此类方法的核心在于通过归一化或者标准化（依靠概率分布函数）
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将有量纲（ ｍ ?ｓ或 ｍｍ）的径流序列转化为无量纲的范围分布值。该方法不受量纲限制，能够对径流过
程进行旱涝等级划分，便于开展不同区域间的旱情比较，但无法提供干旱事件中具体的水分亏缺量。
第二类方法为阈值法，如定阈值法 ［８］ 、月变动阈值法 ［９］ 和瞬态可变阈值法 ［１０］ 等。此类方法根据实测
径流序列（依靠流量历时曲线）确定阈值，能够根据阈值计算出水资源管理者较为关心的干旱过程中的
水分亏缺量。阈值的选取也较为灵活，一般根据经验范围从流量历时曲线的 ７０％～９５％分位数内选
取 ［９］ ，也可依据河流具体的生态或水文健康保证流量选取 ［１１］ ，但由于阈值本身自带量纲，故无法直
接开展不同区域间的水文干旱比较。当然，大部分水文学者认为，不存在 “最佳” 水文干旱指数，每
种指数都侧重于水文循环的特定部分或使用特定方法，在特定应用中都有其优点，应使用多种指数来
量化干旱影响的多样性 ［４］ 。

收稿日期：２０２３ － ０５ － １５；网络首发日期：２０２３ － １２ － １５
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３１２１３．１５１５．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（Ｕ２２４３２０３，５１９７９０６９）；中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室开放
研究基金项目（ ＩＷＨＲ － ＳＫＬ － ＫＦ２０２３１２）
作者简介：王孟浩（ １９９５ － ），博士，主要从事水文物理规律模拟及水文预报研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｍｈｗａｎｇ＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：江善虎（１９８３ － ），博士，教授，主要从事变化环境下水文响应研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｈｉｋ０２１６＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

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