一种水资源干旱评价系统技术领域
本发明涉及干旱监控技术领域，尤其涉及一种水资源干旱评价系统。
背景技术
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。
发明内容
本发明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，本发明采用的技术方案是：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种无效的消耗，因此，本文
认为是无效蒸发。
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；其它符号同上。
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，若需
水量大于供水量，则评价单元内水分不足；若需水量小于供水量，则评价单元
内水分过剩；若需水量等于供水量，则评价单元内水分达到平衡。
D＝SW-DW(7)
2)计算水资源短缺指数
式(7)表示了评价单元中总需水量与总供水量的偏离，虽然该式表示出了评
价单元水分异常情况，但存在缺点，即同一个水资源短缺量在不同评价单元和
不同评价时期意义不同。该式可以比较同一评价单元相同时期不同年份的水资
源短缺，但是不能把不同时期的水资源短缺相提并论，也不能比较不同评价单
元的水资源短缺，除非事先确定了它们的可比较性。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
式(8)提供了一个可供时空对比的相对水资源异常指标。Z指不但可以表示
干旱期，也可以表示湿润期；在湿润期，Z值为正，表示评价单元内供水量大于
需水量，即显著的正异常；在干旱期，Z值为负，表示评价单元内供水量小于需
水量，即显著的负异常。但是Z还不是干旱评价指标，因为它不能表示干旱历时
和干旱程度，因此，还需要对它进行修正。
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。这条直线本身并不表示旬指标
值的累积速率，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。如
果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：
DI i = Σ t = 1 i Z t / ( a t + 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。
式(9)只是干旱评价指标DI的一个近似式，因为它仅是不同时期水资源短缺
指数Z的代数和。这样处理可能产生一些影响：譬如在长期干旱中的一个特别湿
的旬，即使在数年后也会直接反映在∑Z中，很显然，这是不实际的。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，
应排除直接考虑时期因子，而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，这个速率取决于所要保持的DI值的大小。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。干湿等级的规定如表1所
示。
表1干旱评价指标的干湿等级
(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。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明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。
附图说明
图1为本发明的指标构建流程框图；
图2为实施例中累积的水资源短缺指数和持续时间的关系；
图3为实施例中修正系数K的二级近似拟合；
图4为实施例中梨树县干旱评价指标计算结果与典型场次实际旱情比较
(1960～2010年)；(备注：图中灰色区域为实际旱情发生时间)
图5为实施例中公主岭市干旱评价指标计算结果与典型场次实际旱情比较
(1960～2010年)；(备注：图中灰色区域为实际旱情发生时间)
五、具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。
实施例一种水资源干旱评价系统，基于流域“自然-人工”二元水循环过程，
根据流域内的气象水文数据以及用水数据，利用流域二元水循环模型可实现对
不同评价单元不同情景下的供水与需水的模拟，从而明确流域的供水与需水情
况。基于水资源系统建立的干旱评价指标值受到两个因素的影响：前一时刻的
干旱情况和当前时刻的水资源短缺情况，因此，干旱评价指标是上述两个因素
的函数。
选取干旱事件频发的东辽河流域进行实证研究，具体步骤如下：
(1)计算广义供水量
东辽河流域干旱评价中的广义供水量SW等于地表有效蒸发蒸腾量Ee与狭
义水资源总量W之和，即：
SW＝W+Ee(1)
其中，地表水资源量包括坡面径流量(Ro)、壤中径流量(Rr)和河川基流
量(Rg)，地下水与地表水的不重复量为降水入渗补给地下水量减去地下水出流，
即Pr-Rg，则狭义水资源总量可表示为：
W＝Ro+Rr+Pr(2)
而地表有效蒸发蒸腾量Ee可表示为：
Ee＝Ei+Et+Eo+Es+Ew+Ec(3)
(2)计算广义需水量
东辽河流域是东北地区重要的商品粮生产基地，其耕地和林地面积占整个
流域面积的88.03％，本实施例主要以农业和生态系统为研究对象，则流域内干
旱评价中的广义需水量DW可表示为：
DW＝Fw+Ew(4)
其中，生态系统的需水量Ew主要考虑林地、草地、水域等的需水量，可表
示为：
E w = Σ i = 1 N f i E i - - - ( 5 ) ]]>
式中：i为生态系统类型(如林地、草地、水域等)；N为生态系统总分类
数；f为各种生态系统类型的面积率(％)；E为各种生态系统类型的需水量。
农业需水量Fw主要考虑玉米、水稻等作物的需水量，本文通过计算不同生
育阶段参考作物需水量来计算实际作物需水量，具体计算可表示为：
F w = Σ j = 1 M f j ET c j = Σ j = 1 M f j · K c j · K θ j · ET o j - - - ( 6 ) ]]>
式中：j为作物类型(如玉米、水稻等)；M为作物总分类数；f为各种作
物类型的面积率(％)；ETc为各种作物类型的实际需水量；ETo为各种作物类型
的参考作物需水量，本文采用联合国粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith
模型计算；Kc为各种作物类型的作物系数；Kθ为各种作物类型的土壤水分影响
函数。
(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
在计算了评价单元每旬的广义供水量和广义需水量之后，就可以求得二者
的差值，即水资源短缺量D：
D＝SW-DW(7)
2)计算水资源短缺指数
为了使D在不同地区和不同时期具有可比性，参考PDSI的思想，引入水资
源短缺量的修正系数K。Palmer发现，平均水分需要与平均水分供应的比值，
能够反映不同地区和不同时期的气候差异。同样的，干旱评价中平均需水量与
平均供水量的比值，亦可以反映不同地区和不同时期的水资源短缺差异，因此，
将这比值定义为水资源短缺修正系数k：
k = D W ‾ / S W ‾ - - - ( 8 ) ]]>
式中：k为K的一级近似；为旬平均需水量；为旬平均供水量。K只
是水资源短缺量的限制因子，为了使水资源短缺量在空间和时间上具有可比性，
从而得出可进行时空对比的水资源短缺指数Z：
Z＝k·D(9)
3)构建干旱评价指标
选取东辽河流域64个评价单元不同干旱持续时间t对应的累积水资源短缺
指数∑Z，绘制∑Z～t图(图2)，取(t，∑Z)点集的外包线，并假定这条外包线为
极端干旱的临界值，令干旱评价指标DI＝-4.0，该直线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。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严重
干旱、中度干旱和轻度干旱，并且令它们的干旱评价指标值DI分别为-3.0、-2.0
和-1.0。干湿等级的规定见表1。
假定历史资料中同一干旱持续时间对应的最大累积Z值为极端干旱，
DI≤-4.0，则可建立某旬干旱评价指标的模式：
D I ( i ) = Σ t = 1 i Z t / ( a t + b ) - - - ( 10 ) ]]>
式中a和b为待定系数。由图2可知，当t＝1个旬时，∑Z＝-100.0；t＝2个旬
时，∑Z＝-109.0，此时DI都等于-4.0，因此得到了干旱评价指标的近似方程：
D I ( i ) = Σ 1 = 1 i Z t / ( 2.25 t + 22.75 ) - - - ( 11 ) ]]>
式(11)只是干旱评价指标的近似式，因为对于同一个Z值，可能是出现在几
个较湿润的旬之后，也可能出现在几个较干旱的旬之后，则两者的干旱评价指
标值是不同的，因此，必须考虑每个旬的Z值对干旱评价指标DI的影响。
令i＝1，t＝1，则
DI(1)＝Z(1)/25.0(12)
设这个旬是干旱期的开始，则
DI(1)-DI(0)＝ΔDI(1)＝Z(1)/25.0(13)
如果要维持上一个旬的旱情，随着时间的增加，累积的水资源短缺指数也
必须要增加。但是每一次时间的增加值是恒定的，即每旬增加1，因此，维持上
个旬的干旱评价指标值所需要增加的Z值取决于DI值，故令
ΔDI(i)＝Z(i)/25.0+c·DI(i-1)，(14)
当t＝2，DI(i-1)＝DI(i)＝-1时，则c＝-0.09，可得干旱评价指标为：
DI(i)＝0.91DI(i-1)+Z(i)/25.0(15)
其中：DI(i)为第i个旬的干旱评价指标值；DI(i-1)为第i-1个旬的干旱评价
指标值；Z(i)为第i个旬的水资源短缺指数。
4)计算修正系数
虽然DI是用整个东辽河流域64个评价单元计算得到，但为使DI在空间上
具有比较性，还需进一步修正k值。前面介绍的k只是考虑的其与平均需水量和
平均供水量的关系，其实K还与水资源短缺量的绝对值平均成反比。
假设一年中每个旬DI＝-4.0，将t＝36代入式(11)得∑Z＝-415.0。因假设这36
个旬对于任何评价单元都表示极端干旱，所以当用-415.0除以某评价单元36个
最干旱旬的水资源短缺总和∑D时，就得到了该评价单元36个旬期间的极端干
旱平均修正系数绘制图(图3)，得到K′的回归
方程如下：
K ′ = 1.6 lg ( ( D W ‾ / S W ‾ + 2.8 ) / | D | ‾ ) + 0.5 - - - ( 16 ) ]]>
K′为修正系数K的二级近似。
接下来计算每个评价单元的如果K′从空间比较性的角度来说是合
理的，则每个评价单元的值应相等，但实际上并没有。因此，在上述计算
结果的基础上，求出64个评价单元的平均值329.37，修正K′值，得到水
资源短缺量的修正系数K为：
K = 329.37 × K ′ / Σ 1 36 ( | D | ‾ × K ′ ) - - - ( 17 ) ]]>
将式(16)和式(17)代入式(9)得到修正后的水资源短缺指数Z，则可以评价不
同地区的干旱。
(4)进行指标的验证
利用式(15)计算东辽河流域64个干旱评价单元逐年逐旬的干旱评价指标值。
下面将梨树县和公主岭市典型场次的实际旱情和计算的指标值相对照，以验证
模式的合理性。
梨树县：1994年4月18日至5月1日，玉米播种不匀，出苗不齐，5月28
日至6月25日，小苗白天萎缩，上部的叶子卷成管状，受旱程度30％；1996
年5月11日至6月12日，玉米遭受干旱，成灾面积14.87万公顷，部分地块缺
苗、断垅，减产10％；1997年4月21日至5月16日，成灾面积11.33万公顷，
占63％，7月8日至7月30日，成灾面积占88％；2000年6月1日至28日，
受灾面积24.4万公顷，80％玉米叶子凋萎，水田不能插秧，7月5日至8月9
日，减产70％。以上梨树县的实际旱情与干旱评价指标计算结果是较为一致的
(图4)。
公主岭市：1997年6月8日至7月30日，成灾面积12万公顷，绝收面积
3万公顷；2000年7月2日至20日，公主岭市受灾面积6.67万公顷，占70％。
以上公主岭市的实际旱情与干旱评价指标计算结果是较为一致的(图5)。
上述结论说明利用本发明提出的方法建立基于水资源系统的干旱评价指标
能够较准确地分析受人类活动影响较大的流域或区域的干旱情况，较符合实际
旱情，可为下一步的干旱风险评价和应对提供辅助支撑，可应用于实际的项目
分析中。
以上对本发明所提供的一种水资源干旱评价系统进行了详尽介绍，本文中
应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只
是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人
员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，对本
发明的变更和改进将是可能的，而不会超出附加权利要求所规定的构思和范围，
综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。