基于SWAT模型的沁河流域短中长期综合干旱指数构建及适用性分析

许拯民，林 睿，左向菊，李 想

（1.华北水利水电大学水利学院，郑州 450046；2.河海大学水文与水资源学院，南京 210098）

0 引 言

干旱是自然灾害中常见的一种，在时空上有着深远且广泛的效应，它制约着人类的发展，甚至会造成严重的经济损失［1-3］。气象灾害目前是对人类造成损害最频繁的灾害，在全球范围内有70%的自然灾害为气象灾害，而在气象灾害中最为常见的就是干旱，比重达到一半以上［4］。干旱成因复杂，且不同地区的自然环境和社会经济条件也明显不同，因此很难给以统一定义［5］。干旱指数的构建可为干旱研究提供依据，可监测并分析干旱的时空特征，因此研究干旱指数具有重要意义［6，7］。

干旱指数是评估干旱的重要依据，但由于干旱的复杂性与干旱影响的广泛性等特点，导致干旱指数种类繁多且各有侧重，单一的干旱指数主要包括气象干旱指数、农业干旱指数、水文干旱指数、社会经济干旱指数等［8］。标准化降水蒸散发指数SPEI由标准化降水指数SPI演变而来，同时纳入蒸散发的影响［9］，且可以描述不同时间尺度的干旱情况，受到众多学者青睐，常用于表征气象干旱，并被运用到干旱研究的多个领域，如干旱时空变化［10］、干旱监测［11，12］、干旱风险分析［13，14］等。常用的水文干旱指数主要为标准化径流干旱指数（Standardized runoff Index，SRI），华悦［15］等人采用SRI研究研究嫩江下游水文干旱特征。农业干旱指数主要包括土壤湿度亏缺指数（Soil Moisture Drought Index，SMDI）［16］、基于历史土壤湿度时间序列构建的标准化土壤含水量指数（Standardized Soil Moisture Index，SSMI）［17］、参照标准化降水指数概念和基于土壤水分构建的标准化土壤湿度指数SSI［18，19］等。夏传花等［20］基于MODIS植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）和地表温度LST数据，构建农业干旱评价指标，分析2006-2015年贵州省粮食生长季的农业干旱时空变化特征，研究农业干旱分布对粮食产量的影响。郭晓萌等［21］基于SPEI指数分析内蒙古近55年的干旱时空变化特征。水文干旱指因降水量长期短缺而造成某段时间内地表水或地下水收支不平衡现象，李昱等［22］研究气候变化对澜湄流域水文干旱时空特性的影响，结果表明不同气象站点水文干旱差异显著，水文干旱具有明显的空间异质性。赵兰兰等［23］利用土壤距平百分率对东北农业干旱进行分析。

由于干旱的时空演变过程复杂多样，单一的干旱指数往往不能完全反映干旱的多类型、多尺度特征，因此，融合多源信息构建的综合干旱指数逐渐成为干旱监测的重要组成部分［24，25］。目前，综合干旱指数的构建方法主要包括主成分分析法［26］、权重组合方法［27-29］、多变量联合分布方法［30］、机器学习方法［31］等。本文基于SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型模拟结果计算沁河3 种干旱类型指数：标准化降水蒸散发指数SPEI、标准化径流指数SRI、标准化土壤湿度指数SSI，将3种干旱指数通过主成分分析方法相结合，构建沁河流域短/中/长期综合干旱指数，全面评价沁河流域的干旱事件，为研究区的抗旱研究提供理论支持。

1 研究区域概况

沁河是黄河一级支流，发源于山西省沁源县太岳山区东部，自北向南流经山西、河南两省，于武陟县注入黄河。沁河全长485.1 km，流域面积13 532 km2，介于北纬34°54′～36°59′、东经111°56′～113°49′之间，地势整体呈北高南低，其最大支流为丹河。流域属大陆性气候，年平均气温10～14 ℃，降水量从南到北递减，上中游平均为617 mm，下游600～720 mm，径流的年际变化及年内分配不均衡，沁河流域的河道及水文与气象站点见图1。

图1 沁河流域区域概况Fig.1 Regional overview of the Qinhe River Basin

2 数据来源与研究方法

2.1 数据收集

构建流域SWAT 模型之需要数据主要包括地理信息数据、土地利用、土壤类型数据，属性文件包括有土地利用和土壤类型对应的索引表，以及土壤数据库、各类日尺度气象数据文本文件及其对应的索引表。其中DEM 数据来自地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn），分辨率为90 m×90 m；土地利用类型来源于中国科学院资源环境科学数据中心；土壤数据来源于南京土壤所第二次全国土地调查的1∶100 万土壤数据；气象资料数据来自中国气象数据共享服务网（http：//data.cma.cn）；水文数据为沁河流域河流出口武陟水文站的1999-2016年月径流数据，来自水文年鉴《黄河流域水文资料下游区（沁河水系）》。

2.2 模型构建

2.2.1 研究区的DEM

本研究在地理空间数据云平台下载沁河流域及其附近的90 m×90 m 分辨率数字高程数据，经拼接后水文计算、插入控制点、设置提取精度、提取出流域和掩膜数据，得到沁河流域的DEM数据。

2.2.2 土地利用重分类

根据2015年全国土地利用数据和沁河流域边界剪切得到沁河流域的土地利用栅格数据，该地区有22 种土地利用类型。SWAT模型可识别的土地利用数据是基于美国土地利用类型的覆被数据，因此将流域内的土地利用类型重新分为6类，并建立索引表。通过土地利用类型重新分类得到沁河流域土地利用类型如图2（a）所示。

SWAT 模型主要应用于大时间尺度的研究，需要长系列的气象数据。根据基础气象资料，主要筛选了气象数据中心的V3.0 数据集中有关沁河流域的4 个气象站点1978-2016年的日实测数据。计算得到月尺度的气温、气温标准差、降水、降水标准差、降水偏态系数、平均降水天数、太阳辐射、平均露点温度、平均风速等数据，整合输入到SWAT 模型中的数据库userwgen库中，进行模拟计算。

对于土壤类型数据的处理后得到沁河流域的土壤类型图，一共检索到沁河流域38 种土壤类型，如图2（b）所示。提取完流域土壤类型图后，建立土壤物理数据库以匹配该地区的土壤属性，主要包括：土壤水文学分组HYDGRP、土壤湿密度SOL_BD、土壤层有效持水量SOL_AWC、饱和导水率SOL_K、土壤层中有机碳含量SOL_CBN、黏土含量CLAY、壤土含量SILT、沙土含量SAND、土壤侵蚀力因子USLE_K、上层有机物Organic Matter等。

图2 沁河流域SWAT模型构建Fig.2 Construction of SWAT model in Qinhe River Basin

2.2.4 气象数据处理

2.2.3 土壤属性数据

构建沁河流域SWAT 模型，设定预热期为1997-1998年，率定期为1999-2013年，验证期为2014-2016年。利用SWAT-cup软件中选择上述所有参数以及与土壤含水量有关的参数，在自动率定基础上，结合手动率定，最终得到19 个较好的参数取值结果，见表2。

导入研究区DEM 数据进行河网定义和提取，生成流域边界；将河网数据叠加到DEM 中，以便改善水文划分及子流域提取。其次选择流域下游最后一个出水口为流域的总出水口，最后计算子流域参数，本研究一共将沁河流域划分出21 个子流域。

目前我国地方性院校的人才培养主要以服务于地方区域经济发展为主要目标，其师资配置也主要是以服务于这一目标的师资水平。从事国际贸易实务教学的教师接触实践的机会本身并不多，而同时又具有法律英语实践经验的教师更少。教师本身就缺少法律英语实践经验，不仅严重削弱教学质量，而且也很难传授实践经验给学生。即便是已经开设了法律英语课程教学的院校，其法律英语教学活动也缺少有效的实践性环节的安排，实践教学活动基本流于形式，学生在学习过程中不能获取相关的国际贸易法律实务技能训练，毕业后也很难胜任跨国的贸易纠纷处理实务。

主成分分析法（PCA）通过分析变量之间的关系，采用降维技术减少变量个数并尽量保存原有变量所表达的信息，并按照新变量描述原始信息的能力进行权重分配。PCA 能有效降低旱情分级分类的难度，分别以月尺度、季尺度及年尺度构建不同主成分的线性组合来计算相应的综合干旱指数数值PCAprs，且将不同主成分对应的特征值作为线性组合中不同主成分对应的线性系数，构建短、中、长期的综合干旱指数的计算如下：

加快实施水资源保护和水生态修复。编制完成流域水生态保护与修复实施意见，流域水资源保护、水土保持、河湖渠系沟通等规划编制工作有效推进。进一步加强了入河排污口监管，完成2013年滦河、永定河上游、漳卫南运河水系共306个入河排污口监督检查和监测工作。推进引滦水资源保护，完成潘、大水库周边水源地保护综合治理工程项目建议书。有效应对浊漳河突发水污染事件，保障邯郸、安阳两市供水安全。实施流域水土流失动态监测和黄泛平原风沙区等试验示范项目，加快流域水土保持生态建设推广步伐。

2.2.6 模型参数的验证

部分建筑单位在工程建设过程中，没有注重对于施工成本的管控问题，他们对于施工成本的管理手段不够科学，这并不能为施工单位节约资金，对于施工单位的经济效益造成了影响。施工单位对于预算管理制度建立不够科学，他们对于预算没有进行科学的管控，只好在施工结束后对成本进行核算，而对于整个施工过程的成本问题却没有引起重视，以至于发生浪费、腐败现象都不清楚。

其中，R为广播半径，为一个固定常量.di（t）表示t时刻发送节点与一跳邻居节点的距离.通过评估节点间相对位移的变化量，可以知道变化量越小，那么链路就越稳定.

使用SWAT-CUP 软件对研究区进行参数敏感性分析，选用SUFI-2算法进行迭代运算确定最优参数。设置模型的预热期、率定期及验证期，采用月尺度径流对模型进行率定和验证。通过阅读相关文献并结合本流域的实际情况，最终选择19个参数进行敏感度分析，通过上万次的迭代模拟，不断调整参数范围后，最终确定了沁河流域月径流模拟结果达到较好效果的19个参数的最优取值。选用纳什系数Ens、相关系数R2评价模型的适用性，Ens和R2表达式分别为：

为加快学校教育教学事业发展，2010年我系组建了一支由药学专业教师和我省医药行业企业专家共同参与的药学教学团队。随着药学专业教学改革的深入，我系药学教学团队骨干教师培育以及教科研一体化建设走上了内涵发展的快车道，取得了一定成绩，但也存在一些不足。现就我系药学教学团队骨干教师培育情况总结如下。

式中：Qsim、Qobs分别为模拟径流和实测径流；Qavg为径流平均值；n为时间序列长度。

2.3 干旱指标的选取

2.3.1 单一指标干旱指数

本研究基于SWAT 模型模拟的水文气象要素，采用标准化降水蒸发指数SPEI、标准化径流指数SRI、标准化土壤湿润指数SSI表征气象干旱、水文干旱与农业干旱。具体计算方法见文献［19，32，33］，根据国家气象干旱等级标准，3 个指数的干旱划分等级见表1。

表1 干旱等级划分标准Tab.1 Standards for the classification of drought levels

2.3.2 综合干旱指数构建

对划分子流域后的研究流域域进行水文响应单元的划分（HRU），加载土地利用类型栅格数据后，选择对应的索引表，进行土地利用类型的重分类；然后定义土壤类型，并完成土壤类型的重分类；最后对坡度进行定义，土地利用阈值、土壤类型阈值、坡度阈值分别设置为5%、2%、5%，让较小的土地利用和土壤类型数据在划分时归置到相似的类型中，本研究区共划分1 196个水文响应单元。

2.3.3 游程理论

PCAprs的干旱等级划分构建方法如下［34］：计算沁河流域的各干旱指数对应不同等级的干旱事件发生频率，将各干旱累计频率通过主成分分析结果合并作为综合干旱指数的干旱频率，反推构建的PCAprs指数的干旱等级划分。

式中：S_PCAprs-i、M_PCAprs-i和L_PCAprs-i分别为短、中、长期综合干旱指数；XS/M/L和VS/M/L为标准化后的短、中、长期干旱指标数据矩阵及特征向量；γj为第j个主成分特征值；k的取值取决于主成分的累计贡献率（本研究取90%以上）。

游程理论通常用于识别灾害事件，图3展示了基于游程理论识别事件的概念图。当灾害指数低于某一阈值时，且持续时间超过一定长度时则认为灾害事件发生。其中灾害事件的持续时间就是灾害事件持续时间，灾害事件持续时间内灾害指数之和就是灾害事件的严重性，灾害严重性除以灾害持续时间就是灾害强度。需要注意的是，在相邻的两个干旱事件之间，常会出现该间隔时间内灾害指数未超过设定的阈值的情况，然而在这种情况下，通常认为这两个相邻干旱事件之间存在联系，应将它们合并为一个干旱事件［35］。判定条件如下：

曲干事欲言又止,只好退到一边,习惯性地从兜里掏出一支已经被雨淋湿的烟,刚举到唇边,又想起了什么,将烟揣回兜里。

图3 游程理论示意图Fig.3 Schematic diagram of run theory

各描述量以如下原则进行融合：

式中：t表示需融合的干旱事件的间隔时间；SC为融合后干旱烈度；｛Ti，Ti+1｝为两个相邻的干旱事件；SO为待合并微干旱烈度；TC融合后干旱历时。

反之若某一干旱事件Si≤0.3-Si或Ti≤0.3-Ti，则剔除该干旱事件。

完成参数的率定与验证后，选取纳什效率系数（ENS）、相关系数R2评估SWAT 模型在沁河流域径流模拟的适用性。率定期和验证期的实测模拟月径流结果图4所示，径流序列的峰度及基流拟合较为吻合。率定期纳什系数ENS和相关系数R2分别为0.75 和0.80，验证期纳什系数ENS和相关系数R2分别为0.72和0.85，均大于0.7，说明模拟结果较佳，率定结果可用于描述研究区域的水文过程。

观察组治疗后，血流变学指标和血小板参数变化各项指标明显优于治疗前，治疗前后对比差异具有统计学意义（P＜0.05），见表3。

3 结果分析

3.1 SWAT模型率定分析

2.2.5 子流域划分

表2 SWAT模型最优参数取值表Tab.2 The optimal parameter value table of SWAT model

粘贴加固方法主要是在钢板与混凝土表面之间加垫款，再采用环氧树脂胶泥对周边进行有效的封闭，使混凝土与钢板形成封闭的空腔，同时对每片钢板最低点实施注胶，这在较大程度上有利于注胶内空气的排出。对钢板采用粘贴加固方法时，首先对混凝土松散层进行清理至平整为止，在此基础上对钢板粘接面采用工具清理干净，再用专业的工具在钢板中涂抹结构胶，最后将钢板粘贴到预定的位置，同时对其进行钻孔固定。

图4 SWAT径流模拟效果Fig.4 SWAT runoff simulation effect

3.2 综合干旱指数构建

计算沁河流域的SPEI、SRI与SSI指数，基于上文方法构建短、中、长期综合干旱指数，其计算的特征值及对应特征向量结果见表3、4。

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表3 沁河流域综合干旱指数主成分分析特征值Tab.3 PCAprs in Qinhe River Basin

表4 沁河流域主成分特征值对应特征向量Tab.4 The corresponding eigenvectors of the principal component eigenvalues in the Qinhe River Basin

参照2.3.2中的综合干旱划分方法，对短、中、长期综合干旱指数进行划分，其划分结果见表5。

表5 综合干旱指数等级划分Tab.5 Classification of PCAprs

3.3 综合干旱指数适应性分析

由图5可见，构建综合干旱指数与SPEI、SRI、SSI变化趋势基本一致，且历时较短的指数波动较大。结合《中国气象灾害大典：山西卷》［36］对于一些典型干旱的记载，如1996年遭遇的春旱，1997-1999年的连续严重干旱等典型干旱事件，SPEI、SRI、SSI与综合干旱指数在对历史典型干旱的识别下均能较准确识别，但在隶属于同一场典型干旱事件，不同干旱指数所识别典型干旱的干旱程度却存在差异。这主要由于典型干旱事件是气象干旱事件、水文干旱事件及农业干旱事件互相影响交织形成的综合干旱事件造成的结果，单一的干旱指标只考虑特定的气候要素，具有一定的局限性，而综合干旱由于融合了三种干旱所表述的信息，对流域的旱情描述更加全面。

图5 沁河流域短中长期综合干旱指数对比Fig.5 Comparison of S_PCAprs-i、M_PCAprs-i and L_PCAprs-i in the Qinhe River Basin

3.3.1 时间尺度适应性分析

系统性是初中体育高效课堂的基本特征之一，主要指的是体育教师在设计课堂教学活动时，需要将系统论作为教学设计的指导思想，使整个课堂成为一个有机的整体。初中体育高效课堂其本身就是一个有效的教学系统，包括教材与学情、指导思想、教学目标与教学方法、教学重难点以及教学评价等等。所以，在打造初中体育高效课堂时，要坚持以系统观点，对课堂教学的各个要素进行全面分析，例如，创设教学情境，激发学生参与积极性，确保教学活动能够有序开展。

不同监测时长的干旱指数对同一场干旱的监测结果也存在着差异。如表6所示，选取了三场典型干旱作为代表，短期综合干旱指数对长历时的典型干旱事件的识别烈度普遍较低，这是由于短期综合干旱指数的监测时长只有一个月，对于一些历时较短的干旱事件识别效果较好，而对一些干旱强度不高但历时较长的干旱事件容易造成识别强度较低的结果；长历时的综合干旱指数由于监测时间长，能充分地考虑土壤含水量及径流对降水短缺的滞后性，对这类历时长的干旱具有较好的表征能力。而实际干旱事件通常情况下持续时间长达数月，因此中/长期综合干旱指数对沁河流域的绝大部分干旱事件的识别较为准确。

表6 沁河流域典型干旱识别Tab.6 Identification of typical droughts in the Qinhe River Basin

但由于长期综合干旱指数监测时长较长，对于干旱事件通常只能做出识别，如1997-1999年在沁河流域历史上属于重旱年份，但不能对年内旱情的变化过程做出判断，而短中期综合干旱指数则可以对本次干旱事件的旱情发展过程做出描述，因此二者结合分析对流域的干旱事件评价更为全面。

3.3.2 空间尺度适应性分析

图6是沁河流域1998年9月、1996年春季和1999年全年3场不同历时的典型干旱事件下不同时间尺度的SPEI、SRI、SSI和综合干旱指数的干旱程度空间分布情况。由图可知，1998年9月SPEI监测到的气象干旱强度明显重于于SRI监测的水文干旱与SSI监测的农业干旱，18个子流域中有近一半为中旱，且大部分干旱发生地区为流域北部；SRI监测到的流域水文干旱程度较低，包括轻旱和无旱；SSI监测到的流域农业干旱仅8号、12号子流域为中旱，其余全为轻旱和无旱；证明此次干旱事件是以气象因素为主导的干旱事件，向水文及农业干旱的传播具有滞后性，短期SRI与SSI对气象干旱事件的灵敏度不高，而综合干旱指数较为准确的监测出了该干旱事件的强度及范围。1996年春季SPEI监测到18 号子流域为轻旱，8 号、9 号、10 号、12 号子流域为无旱，其余子流域均为重旱；SRI和SSI监测的干旱程度较轻，SRI监测到流域的干旱程度仅包括中旱和轻旱，SSI监测到的农业干旱的等级为中旱、轻旱和无旱；该年春季流域整体西部的干旱程度明显高于东部地区；与中期综合干旱指数的监测结果一致，且8 号、9 号、10 号及11 号子流域发生了干旱事件，SPEI与SSI均未识别，而综合干旱识别出了该水文干旱事件，因此认为综合干旱的识别能力较强。1999年全年在流域北部发生了特大的农业干旱事件，但SPEI与SRI监测的干旱等级较低，对流域的干旱表征能力不足，而长期综合干旱综合准确识别了该干旱事件的强度。综上三个研究时段的旱情特点可以看出，不同单一干旱指数在同一区域的干旱识别程度有差异，证明了单一干旱指数不能完全反映该区域的全部干旱特征，而综合干旱指数充分考虑了沁河流域的降水、蒸散发、径流和土壤等多方面因素，可同时表征气象、水文与农业干旱，与流域的配适度较高，可从多角度描述流域的干旱特性。

党的十九大报告提出，要优先发展教育事业，加快一流大学和一流学科建设。这就内在地要求中国高等教育发展应从过去以“规模扩张”为特征的“外延式发展”向以“高质量与结构优化”为特征的“内涵式发展”转变。为了适应新时代要求，高校绩效评估也应适时地进行范式转换和路径优化。

图6 沁河流域典型干旱空间分析Fig.6 Spatial analysis of typical drought in Qinhe River Basin

4 结 论

干旱成因复杂，以往研究的单一干旱指数无法全面准确的表征干旱的全部特征［37］，因此本文融合了气象、水文及农业干旱指数构建了综合干旱指数，将构建的综合干旱指数与单一干旱指数在空间尺度上做对比分析，发现综合干旱可以识别单一干旱指数识别不到的区域，对流域的旱情描述更加全面；往期研究［34］还发现单历时的干旱指数难以应对历时多变的干旱事件，为了使干旱监测更加全面，本文构建了短/中/长期综合干旱指数，中长期的干旱用于评价研究区的干旱发展趋势，而短期的干旱指数可以用于监测旱情的实时变化，二者结合能更准确的描述长系列旱情。本文主要结论如下：

（1）构建的沁河流域SWAT 模型模拟的月径流与实测径流率定结果较好，率定期及验证期的纳什系数ENS和相关系数R2均高于0.7，证明SWAT 模型在该流域的适用性较好，模型模拟的结果可用于今后开展的各项研究。

（2）构建的短中长期的综合干旱指数与同历时的SPEI、SRI、SSI指数的波动趋势基本一致；对比记录的典型干旱事件，发现综合干旱指数对干旱的监测结果与记载的实际干旱事件基本吻合，表明构建的沁河流域综合干旱指数可用于研究区域的干旱监测，可为该流域的抗旱研究提供理论支持。

（3）对比单变量干旱指数SPEI、SRI、SSI与综合干旱指数，由于综合了降水、蒸散发、径流及土壤湿度等多方面因素，综合干旱指数对干旱事件的描述与实际的干旱进程更为吻合，弥补了单一干旱指数对实际中发生的综合干旱事件识别的局限性，评价更为全面。

《战狼Ⅱ》和《红海行动》就顺应了上述“返英雄化”趋势,展现了全球化时代走向世界的中国军人具有的英雄特质，取得了高票房和好口碑。影片将英雄身份设定为军人形象,本身就已经限定了英雄内在的崇高性质;又将故事放置在国外的战乱环境下进行救援行动,主人公被赋予的角色设定显然不可能出现娱乐化倾向。从人物身份设定到影片的特殊背景以及艺术审美效果的呈现,影片力图表达国产主流电影要改变当今戏仿英雄现象的强烈意愿,以及重塑个性丰满的民族英雄形象的强烈愿望。通过影片的广泛传播,对观众极大地发挥了影响作用,有助于重新唤起对民族英雄的崇拜信仰,提振民族自信心,凝聚起实现中国梦的磅礴力量。

（4）由于干旱事件历时的不确定性，构建了短中长期综合干旱指数，对不同历时的干旱识别任务具有较强的针对性；短中期综合干旱指数对一些历时短烈度大的干旱事件敏感性较高，可用于监测研究区域干旱的相对实时变化情况；而长期综合干旱指数对一些历时较长甚至是多年连续干旱的监测能力较好，更适合描述一个地区长期的干旱发展趋势，二者综合分析可使干旱评价更加全面。