三峡工程对长江流域干旱灾害演变过程的影响研究

近日，中国地质大学（武汉）国家地理信息系统工程技术研究中心张翔教授团队在水文学顶级期刊《Journal of Hydrology》上发表了题为“Drought propagation modification after the construction of the Three Gorges Dam in the Yangtze River Basin”的研究成果，提出了一种干旱演变过程解析的框架，定量分析了自2003年以来，三峡工程的实施给长江流域干旱演变过程，尤其是气象干旱向水文干旱以及气象干旱向土壤干旱的演变过程带来的影响。论文通讯作者为中国地质大学（武汉）国家地理信息系统工程技术研究中心张翔教授，第一作者为武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室黄舒哲博士生，论文合作者包括中国地质大学（武汉）国家GIS工程中心陈能成教授和许磊教授，武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室李柏延博士后和马宏亮博士生，以及美国德州大学奥斯汀分校Dev Niyogi教授等。

图1. 论文封面

随着全球气候变化，以干旱为代表的极端气候灾害加剧，严重地威胁着我国粮食安全和社会稳定，成为制约社会经济可持续发展的重要因素。广泛认为，干旱从孕育到开始再到成灾，有一个演进变化的过程，即在气候变化和人类活动影响下，干旱发生发展、干旱特征转变等核心时空信息在气象系统、水文系统、农业系统之间进行着复杂的物质与能量的转化联系。然而，目前有关干旱传播的研究大多停留在定性的阶段，但为了精确掌握干旱过程以实现有效的应对和预警，目前还迫切需要开展针对干旱演变过程的定量监测与分析。

本研究的总体方法框架如图2所示。分别采用标准化降水指数（SPI）、标准化径流指数（SRI）和标准化土壤水分指数（SSMI）来分别表征气象干旱、水文干旱以及土壤干旱。然后，基于游程理论识别长江流域1981年至2020年各类别干旱事件并计算相应的干旱特征值（干旱历时、干旱烈度）。在不同类别干旱事件匹配的基础之上，通过构建气象干旱特征值向水文干旱以及土壤干旱特征值的传播模型，分析三峡工程实施前后干旱特征传播过程的变化。与此同时，通过交叉小波变换以及计算不同类别干旱之间传播时间的方法，探究三峡工程的实施对于干旱传播时间的影响。最后，结合MK趋势分析方法，挖掘干旱传播过程变化的潜在影响因子，并基于Budyko假设方法，定量分析气候变化以及三峡工程在该变化过程中的贡献。

图2. 干旱传播定量分析方法框架

首先，根据游程理论识别出的各类型干旱事件特征值，采用七种线性与非线性模型，通过交叉验证选出了最优的气象干旱向水文与土壤干旱的特征传播模型（表1）。

表1. 气象干旱向水文干旱的特征传播模型

通过分析三峡工程运行前后干旱特征传播模型斜率变化，可以看到在三峡工程实施后，除了长江流域上游三个子流域（YLR、MR、WR），其余中下游子流域的水文干旱与土壤干旱的特征传播模型斜率有着明显增加（图3）。这意味着当给定相同气象干旱事件的干旱历时与干旱烈度，三峡工程建设后气象干旱转变为的水文与土壤干旱事件的历时和烈度都有一定程度的上升，并且这种影响在中游靠近三峡大坝的位置最为明显，随着与三峡大坝之间的距离增加而减小。

图3. 三峡工程建设前后气象干旱向水文干旱的干旱历时传播模型

此外，如图4所示，通过分析三峡工程运行前后不同类型干旱之间传播时间的变化，可以发现气象干旱向水文干旱的传播时间有一定程度的延长（上中下游传播时间分别延长0.5、1.67、2个月）。而土壤干旱的传播时间则呈现缩短的趋势，中下游平均缩短时间为1.67个月与1个月。换句话说，三峡工程的建设减缓了水文干旱的传播时间并加速了向土壤干旱的传播。

图4. 三峡工程运行前后气象干旱向土壤干旱传播时间变化

最后，通过分析长江流域三峡工程实施前后各气象因子的变化，本研究探究了影响气象干旱向水文与土壤干旱传播变化的潜在因子。与此同时，本研究结合Budyko假设，从侧面分析了气候变化与人类活动（三峡工程实施）在影响干旱传播变化过程中所起的主导作用（图5）。结果显示，三峡工程实施对于整个长江流域干旱传播变化的贡献率为56.75%，并且在中游区域贡献度最高，达到了66.54%。

图5. 长江流域各子流域人类活动与气候变化贡献率

论文信息：Huang, Shuzhe, Xiang Zhang*, Nengcheng Chen, Boyan Li, Hongliang Ma, Lei Xu, Ronghui Li, and Dev Niyogi. “Drought Propagation Modification after the Construction of the Three Gorges Dam in the Yangtze River Basin.” Journal of Hydrology, 2021, 603: 127138. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.127138.

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169421011884

黄舒哲，武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室2020级硕博连读生（2022级博士），研究方向为多源时空数据融合与干旱灾害应用。

E-mail: szhuang@whu.edu.cn

张翔，中国地质大学特任教授，博士生导师，“地大学者”青年拔尖人才，国家地理信息系统工程技术研究中心地理仿真决策所所长。主要从事灾害地理学、地理空间传感网和智慧城市的研究与应用。

E-mail: zhangxiang76@cug.edu.cn

http://grzy.cug.edu.cn/zhangxiang/zh_CN/index.htm

陈能成，中国地质大学二级教授、博士生导师，国家地理信息系统工程技术研究中心主任，入选国家级高层次人才和教育部新世纪优秀人才，科技部“对地观测传感网与智慧城市”重点领域创新团队负责人，ITU-T国际标准主编、《IET Smart Cities》编委。曾任武汉大学二级教授、武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室主任助理与GIS研究室主任。主要从事对地观测传感网、时空大数据智能、地理仿真决策、数字孪生、智慧城市及智慧流域等研究，主持国家重点研发计划项目、973课题、863项目和国家自然科学基金等科研项目多项，获国家科技进步奖2项，牵头获省部级一等奖3项，发表SCI论文百余篇。

E-mail: chennengcheng@cug.edu.cn

http://grzy.cug.edu.cn/chennengcheng/zh_CN/index.htm