一种自然-社会耦合的流域水文干旱评估方法及系统

本发明涉及水文干旱评估，尤其涉及一种自然社会耦合的流域水文干旱评估方法及系统。

背景技术：

1、干旱是一种水循环异常引起的水分持续亏缺的自然现象，通过相互关联的陆气系统与水循环过程进行传播，以水分亏缺为纽带在不同的水循环要素环节形成气象、水文、农业、社会经济4类干旱。干旱发展过程缓慢，通常始于降水异常偏少（气象干旱），由此引起的河川径流和湖库蓄水减少（水文干旱）则是干旱致灾的主要形式。

2、虽然人类社会各项活动主要受水文干旱影响，但是气象干旱是水文干旱发生的前兆，两者特征变量间存在紧密的内在联系。同时，长序列、高精度、高时空分辨率的气象数据易于获取，而且气象干旱研究相对成熟，被纳入干旱监测业务系统用于实时旱情监测的也以标准化降水指数（standardized precipitation index, spi）、帕尔默干旱强度指数（palmer drought severity index, pdsi）等气象干旱指数为主，利用气象干旱特征变量评估水文干旱是当前各国干旱管理的常用手段。

3、然而，受高强度人类活动的影响，流域水循环的驱动力、循环结构、循环参数呈现出二元演变的特征。因此，干旱的发生与发展受到“自然社会”二元耦合驱动，区域气候、水文条件、人类活动等多尺度因子共同控制，具有驱动因子多、驱动贡献时变等特点。修建水库按需调节河川径流时空分布是当前应对干旱的主要措施，但同时也干扰了水文干旱的形成和发展过程，进而改变气象干旱触发水文干旱的规律，使得自然条件下所建立的有关水文干旱的规律性认识不再适用。因此，探究自然社会耦合的流域水文干旱评估，对构建科学有效的干旱监测预警体系，实现抗旱减灾从注重“灾后救助”向注重“灾前预防”转变具有重要意义。

4、当前流域水文干旱评估方法存在三方面显著不足：1）干旱阈值要么从“自然中心”视角固定为常数（如标准化指数的0阈值），要么从“社会中心”视角定义为经验百分位数，均片面关注干旱的自然或社会单一维度，忽略了干旱作为自然社会耦合灾害的双重属性；2）现有研究大多聚焦于水文干旱对气象干旱的响应时间，对给定气象干旱触发水文干旱的概率和阈值的关注不足，且极少考虑水库调度等人类活动造成的径流非一致性对气象至水文干旱传播特征及copula相关函数参数的影响；3）已有基于copula相关函数的概率模型仅通过引入协变量修正的干旱指数来近似处理人为非一致性，未能从机理上刻画流域中气象干旱触发水文干旱的动态风险，导致评估结果难以真实反映实际干旱风险形势。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种自然社会耦合的流域水文干旱评估方法及系统，用以解决当前流域水文干旱评估方法在干旱阈值设置方面均片面关注干旱的自然或社会单一维度，忽略了干旱作为自然社会耦合灾害的双重属性，且极少考虑水库调度等人类活动造成的径流非一致性对气象至水文干旱传播特征及copula相关函数参数的影响，未能从机理上刻画流域中气象干旱触发水文干旱的动态风险，通过在确定干旱阈值时综合考虑流域气象水文自然条件和流域管理机构的水量管理要求，同时兼顾干旱的自然属性和社会维度，识别的干旱事件更贴合当前对干旱的定义；同步关注气象干旱触发水文干旱的响应时间、发生概率和触发阈值等关键指标，在计算过程中，通过引入协变量考虑气候变化和人类活动造成的径流非一致性及其对气象干旱触发水文干旱的影响，能够用于不同变化环境下流域水文干旱的评估，适用范围广；考虑到单个特征变量不能全面刻画气象干旱触发水文干旱的特征，通过构建水文干旱烈度与气象干旱特征变量（干旱历时、干旱烈度和干旱峰值）时间序列之间的联合条件概率分布，同时考虑干旱事件多个特征变量及其相互关系，更全面地描述气象水文干旱传播的动态关系，从机理上刻画流域中气象干旱触发水文干旱的动态风险，以真实反映实际干旱风险形势，实现在自然社会耦合视角下利用气象干旱特征变量估计流域水文干旱的发生概率。

2、第一个方面，本发明提供一种自然社会耦合的流域水文干旱评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、采集目标流域的降水观测数据和径流观测数据，对采集的目标流域的降水观测数据和径流观测数据进行控制断面降水径流关系变异诊断；

4、计算干旱指数，干旱指数包括气象干旱指数和考虑水库调度影响的水文干旱指数；

5、计算基于自然社会耦合的干旱阈值，基于自然社会耦合的干旱阈值包括标准化气象干旱阈值和标准化水文干旱阈值；

6、基于控制断面降水径流关系变异诊断结果，结合干旱指数，计算水文干旱对气象干旱的响应时间，根据基于自然社会耦合的干旱阈值，基于copula函数估计水文干旱发生的条件概率和传播阈值，基于水文干旱发生的条件概率和传播阈值评估流域干旱发生风险。

7、根据本发明提供的自然社会耦合的流域水文干旱评估方法，所述采集目标流域的降水观测数据和径流观测数据的方法包括：

8、采集目标流域水文站点的径流观测数据，得到控制断面的月径流序列；采集目标流域各气象站点的降水观测数据，采用插值技术对控制断面的径流区生成对应的月降水序列。

9、根据本发明提供的自然社会耦合的流域水文干旱评估方法，所述对采集的目标流域的降水观测数据和径流观测数据进行控制断面降水径流关系变异诊断，得到突变点的方法包括：

10、选择月降水序列和月径流序列的滑动步长和滑动窗口长度，采用copula函数依次计算各滑动窗口的降水径流相关系数；

11、依次确定各滑动窗口的最优copula函数，并得到随滑动步长滑动的降水径流相关系数序列；

12、对得到的降水径流相关系数序列进行变点诊断，得到突变点。

13、根据本发明提供的自然社会耦合的流域水文干旱评估方法，所述对得到的降水径流相关系数序列进行变点诊断，得到突变点的方法包括：

14、构造一个基于秩次的累积和统计量，量化降水径流相关系数序列中任意候选点前后两段降水径流相关系数的总体差异，得到所有变点对应的统计量绝对值；

15、计算变点统计量绝对值最大值出现的概率，并将变点统计量绝对值最大值出现的概率与预设的显著性水平阈值进行比较：若变点统计量绝对值最大值出现的概率值小于或等于预设的显著性水平阈值，则判定变点统计量绝对值最大值对应的时刻为突变点。

16、根据本发明提供的自然社会耦合的流域水文干旱评估方法，所述计算干旱指数的方法包括：

17、对月降水序列拟合得到月降水累积概率分布；

18、将月降水累积概率分布正态标准化转换后采用近似算法计算得到标准化降水指数spi，即气象干旱指数；

19、采用水库指数作为协变量，采用gamlss模型计算控制断面月径流累积概率分布，将月径流累积概率分布进行正态标准化处理得到非一致性标准化径流指数nssi，即考虑水库调度影响的水文干旱指数。

20、根据本发明提供的自然社会耦合的流域水文干旱评估方法，计算干旱指数中的考虑水库调度影响的水文干旱指数的方法包括以下子步骤：

21、确定径流概率分布模型和协变量的非一致性备选组合方案，概率分布参数包括位置参数、尺度参数和形状参数，位置参数和尺度参数至少有一个参数含有协变量，协变量包括水库指数；

22、将径流概率分布模型和协变量的非一致性备选组合方案以及各月份的累积径流序列输入gamlss模型，确定径流概率分布模型和协变量的非一致性最佳组合方案，得到控制断面月径流累积概率分布；

23、将控制断面月径流累积概率分布进行正态标准化处理得到非一致性标准化径流指数nssi，即考虑水库调度影响的水文干旱指数。

24、根据本发明提供的自然社会耦合的流域水文干旱评估方法，所述计算基于自然社会耦合的干旱阈值的方法包括：

25、将月降水累积概率分布的第一预设百分位数作为气象干旱阈值，并将气象干旱阈值转化为标准化气象干旱阈值；

26、将月径流累积概率分布中第二预设百分位数对应的流量作为水文干旱自然方面阈值；

27、采用控制断面最小下泄流量作为水文干旱社会方面阈值；

28、将水文干旱自然方面阈值和水文干旱社会方面阈值的外包线作为水文干旱阈值，将水文干旱阈值进行正态标准化转换后采用近似算法计算得到标准化水文干旱阈值。

29、根据本发明提供的自然社会耦合的流域水文干旱评估方法，所述基于控制断面降水径流关系变异诊断结果，结合干旱指数，计算水文干旱对气象干旱的响应时间的方法包括：

30、对于未诊断出降水径流关系突变点的控制断面，采用控制断面的气象干旱指数序列和水文干旱指数序列的整个序列进行因果分析，确定水文干旱对气象干旱的响应时间；

31、对于诊断出降水径流关系突变点的控制断面，以得到的突变点为界，将气象干旱指数和水文干旱指数划分为变点前和变点后两个时间段分别进行因果关系分析，确定变点前后水文干旱对气象干旱的响应时间。

32、根据本发明提供的自然社会耦合的流域水文干旱评估方法，所述进行因果关系分析的方法包括：

33、采用带滞时的收敛交叉映射算法（convergent cross mapping, ccm）计算气象干旱指数和水文干旱指数间的相关系数，并点绘在滞时相关系数平面坐标系中，将得到的散点图中最高点对应的横坐标作为水文干旱对气象干旱的响应时间。

34、根据本发明提供的自然社会耦合的流域水文干旱评估方法，所述根据基于自然社会耦合的干旱阈值，基于copula函数估计水文干旱发生的条件概率的方法包括：

35、将基于自然社会耦合的干旱阈值作为截断阈值，分别在干旱指数序列中提取气象干旱事件和水文干旱事件；

36、考虑水文干旱对气象干旱的响应时间，将提取的气象干旱事件和水文干旱事件进行匹配，得到气象水文干旱事件对，提取干旱事件对的相应干旱特征变量；

37、以匹配得到的干旱特征变量视为随机变量，拟合边缘概率分布参数，根据径流概率分布模型和协变量的非一致性最佳组合方案得到最合适的边缘概率分布；

38、采用vine copula函数处理干旱特征变量的多变量联合分布，通过将其分解为成对copula结构，干旱特征变量包括气象干旱历时、气象干旱烈度和气象干旱峰值以及水文干旱烈度，根据匹配得到的气象干旱烈度的累积概率，将水文干旱事件划分为轻度、中度、重度和极端四个等级，对于气象干旱特征变量超过预设阈值的情况，在指定阈值范围内的每个子区间内估计触发重度和极端水文干旱事件的条件概率。

39、第二个方面，本发明还提供一种自然社会耦合的流域水文干旱评估系统，用于实现本发明第一个方面及其任一可选实施方式提供的自然社会耦合的流域水文干旱评估方法，包括：

40、降水径流关系变异诊断模块，用于采集目标流域的降水观测数据和径流观测数据，对采集的目标流域的降水观测数据和径流观测数据进行控制断面降水径流关系变异诊断；

41、干旱指数计算模块，用于计算干旱指数，干旱指数包括气象干旱指数和考虑水库调度影响的水文干旱指数；

42、基于自然社会耦合的干旱阈值计算模块，用于计算基于自然社会耦合的干旱阈值，基于自然社会耦合的干旱阈值包括标准化气象干旱阈值和标准化水文干旱阈值；

43、流域干旱发生风险评估模块，用于基于控制断面降水径流关系变异诊断结果，结合干旱指数，计算水文干旱对气象干旱的响应时间，根据基于自然社会耦合的干旱阈值，基于copula函数估计水文干旱发生的条件概率和传播阈值，基于水文干旱发生的条件概率和传播阈值评估流域干旱发生风险。

44、第三个方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述自然社会耦合的流域水文干旱评估方法。

45、第四个方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述自然社会耦合的流域水文干旱评估方法。

46、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述自然社会耦合的流域水文干旱评估方法。

47、与现有技术相比，本发明有益效果如下：

48、（1）本发明采用滑动copula对控制断面的降水径流关系进行变点诊断，对于诊断出变点的断面，按变点前和变点后分段确定水文干旱对气象干旱的响应时间，匹配气象水文干旱事件对和拟合干旱特征变量边缘分布，以考虑水库调度等人类活动造成的径流非一致性对气象至水文干旱传播特征及copula相关函数参数的影响，进而更加准确地刻画流域中气象干旱触发水文干旱的动态风险；

49、（2）本发明确定干旱阈值的方法综合考虑流域气象水文自然条件和流域管理机构的水量管理要求，同时兼顾干旱的自然属性和社会维度，识别的干旱事件更贴合当前对干旱的定义；

50、（3）本发明同步关注气象干旱触发水文干旱的响应时间、发生概率和触发阈值等关键指标，在计算过程中，通过引入协变量考虑气候变化和人类活动造成的径流非一致性及其对气象干旱触发水文干旱的影响，能够用于变化环境下流域水文干旱的评估，适用范围广；

51、（4）考虑到单个特征变量不能全面刻画气象干旱触发水文干旱的特征，通过构建水文干旱烈度与气象干旱特征变量（干旱历时、干旱烈度和干旱峰值）时间序列之间的联合条件概率分布，同时考虑干旱事件多个特征变量及其相互关系，更全面地描述气象水文干旱传播的动态关系，从机理上刻画流域中气象干旱触发水文干旱的动态风险，以真实反映实际干旱风险形势。