CN113793228B - 现状防御条件下的不同干旱频率农业因旱减产率确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种现状防御条件下的不同干旱频率农业因旱减产率确定方法。以现状防御条件下农业因旱减产率为研究对象，通过水资源量频率计算选取干旱典型年，根据水资源规划或抗旱规划供、需水数据，确定现状防御条件下不同干旱频率的主导作物灌溉可供水量；通过计算典型年作物生育期有效降雨量，将灌溉可供水量按照作物各生育阶段缺水量比例分配到各生育阶段灌溉水量；采用简化的Jensen模型，模拟计算研究区域现状防御条件下遇到不同干旱频率历史典型年情况下的农业因旱减产率，为抗旱水源工程规划和抗旱实际调度提供科学依据和技术支撑。

Description

现状防御条件下的不同干旱频率农业因旱减产率确定方法

技术领域

本发明属于防旱减灾技术领域，特别是涉及一种现状防御条件下的不同干旱频率因旱减产率确定方法。

背景技术

干旱灾害影响是开展防旱减灾战略的核心内容之一，旱灾影响评估与干旱事件、社会经济及人类活动密切相关，由于干旱事件的复杂性及影响因素众多，目前干旱灾害损失的研究内容主要是针对农业旱灾损失。在现有研究及实际应用中，一般是通过对干旱灾害发生后的灾情及损失进行调查统计，存在灾情信息滞后的问题，数据的准确性及可靠性也受到统计口径及统计精度影响，且统计数据多为年度值；难以回答在现状水利工程及社会经济防御条件下，发生一场(如5年一遇)干旱会对农业产生多大影响？研究层面上，往往是通过构建模型、率定模型参数进行模拟计算，模型结构复杂，模型率定需要的专业技术性强，基层防旱抗旱人员操作困难。因此，亟需一种兼具科学性和可操作性的因旱减产率计算方法，来回答“在现状水利工程及社会经济防御条件下，发生一场(如5年一遇)干旱会对农业产生多大影响”。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，开发一种模型结构简单、可操作性强、准确性高的方法，本发明提出了一种现状防御条件下的不同干旱频率因旱减产率确定方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种现状防御条件下的不同干旱频率农业因旱减产率确定方法，包括步骤：

步骤1、不同干旱频率下的水资源量及干旱典型年的确定：根据研究区域水资源调查评价水资源量数据，进行水资源频率计算，进而确定2年一遇、5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇等不同干旱频率下的水资源量；确定研究区域的农业主导作物，并收集主导作物生育期、生育阶段需水量及降水量数据；按照水资源量相近原则，选取一定干旱频率下历史水资源量与之相近的多个年份，并从中选取主导作物生育期缺水最严重的年份确定为该干旱频率下的干旱典型年，从而确定不同干旱频率下的干旱典型年。

步骤2、不同干旱频率下的主导作物灌溉可供水量的确定：根据水资源规划或抗旱规划中现状水平年不同来水频率(50％、75％、90％、95％、97％等)的供、需水资料，采用农业需水量与总需水量的比值作为折算系数α，将不同干旱频率下区域可供水量S_供)折算为现状防御条件水平年不同干旱频率下农业可供水量S_农(p)；采用主导作物播种面积占作物播种面积的比值β，将S_农(p)折算为现状防御条件水平年不同干旱频率下的主导作物灌溉可供水量S_g(p)。

步骤3、现状防御条件下主导作物各生育阶段灌溉可供水量的确定：计算步骤1选取的不同干旱频率典型年的主导作物生育期内有效降水量，将步骤2确定的现状防御条件下主导作物灌溉可供水量，结合研究区灌溉试验站的作物生育期田间需水量数据，按照作物各生育阶段缺水量比例确定各生育阶段灌溉可供水量分配系数，将主导作物灌溉可供水量分配到各生育阶段灌溉可供水量，具体过程如下：

将步骤2确定的S_g(p)，分配到主导作物各生育阶段：

S_gi(p)＝S_g(p)·μ_i

其中，S_gi(p)为现状防御条件下不同干旱频率下的主导作物第i生育阶段灌溉可供水量；

式中，i＝1,2,…,n代表作物的不同生育阶段；n表示生育期内的生育阶段的总数；μ_i为作物在i生育阶段的缺水比例系数；D_i为第i生育阶段作物田间需水量；PE_i(p)为步骤1选取的不同干旱频率所对应典型年的主导作物生育期内第i生育阶段有效降水量，且D_i-PE_i(p)≥0；当D_i-PE_i≤0时，表示该生育阶段有效降水量可满足作物需水量，不需要额外补充灌溉，则此时的μ_i＝0。

步骤4，采用简化的Jensen模型模拟计算研究区域现状防御条件下遇到不同干旱频率典型年情况下的农业因旱减产率：以不同干旱频率所对应典型年的作物生育期内有效降雨量作为现状年的降水条件输入，结合现状防御条件下主导作物各生育阶段灌溉可供水量，以及作物生育期田间需水量，采用一种简化的Jensen模型，模拟计算研究区域现状防御条件下遇到不同干旱频率典型年情况下的农业因旱减产率。具体如下：

式中，_i为作物第i生育阶段的水分敏感系数，L_OSS(p)为研究区域现状防御条件下遇到不同干旱频率典型年情况下的农业因旱减产率。

进一步的，步骤1中水资源频率计算方法为：根据水资源调查评价水资源量，将逐年水资源量按照从大到小的顺序排序，再进行水资源频率计算：

式中，j表示水资源量的排序号，k表示总年数，p为来水频率；

确定来水频率的系列之后进行P-Ⅲ型曲线适线，确定不同来水频率下的水资源量，将来水频率转化为对应干旱频率进而确定不同干旱频率下的水资源量。

进一步的，步骤3中计算PE_i(p)：

式中，P_i(p)为选取的干旱频率所对应典型年的主导作物生育期内第i生育阶段的降雨量，mm。

本发明以现状防御条件下农业因旱减产率为研究对象，通过水资源量频率计算选取干旱典型年，根据水资源规划或抗旱规划供、需水数据，确定现状防御条件下不同干旱频率的主导作物灌溉可供水量；通过计算典型年作物生育期有效降雨量，将灌溉可供水量按照作物各生育阶段缺水量比例分配到各生育阶段灌溉水量；采用简化的Jensen模型，模拟计算研究区域现状防御条件下遇到不同干旱频率历史典型年情况下的农业因旱减产率，为抗旱水源工程规划和抗旱实际调度提供科学依据和技术支撑。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

现有研究及实际应用，一般是通过对灾后灾情进行调查统计，存在灾情信息滞后的问题，数据的准确性及可靠性也受到统计口径及统计精度影响，且统计数据多为年度值；难以回答在现状水利工程及社会经济防御条件下，发生一场历史干旱(如，5年一遇)会对农业产生多大影响？研究层面上，往往是通过构建模型、率定模型参数进行模拟计算，模型结构复杂，模型率定需要的专业技术性强，实际防旱抗旱工作中费时且操作困难。

本发明通过对水资源频率进行计算，确定不同干旱频率下的水资源量，按照水资源量相近、作物生育期缺水严重原则，选定不同干旱频率下的干旱典型年；考虑作物生理特性，总降雨量不能被田间作物完全利用，需要扣除深层渗漏量、作物截流量和径流量，保留在作物的根区、能被作物利用的水量才是有效的降雨量，即有效降雨量，因此，需要计算不同干旱频率的作物生育期内有效降水量。基于规划资料确定现状水平年作物的灌溉供水量，按照作物各生育阶段缺水量比例作为灌溉可供水量分配系数，将现状防御条件下作物灌溉可供水量分配到各生育阶段。在此基础上，采用一种简化的Jensen模型，基于作物生育期有效降雨量模拟计算现状防御条件下遇到不同干旱频率的农业因旱减产率。本发明方法相比于现有技术模型结构简单、可操作性强、准确性高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施方式所述方法的流程图；

图2是本发明实施例1岚山区水资源量P-Ⅲ型拟合曲线。

具体实施方式

如图1所示，一种现状防御条件下的不同干旱频率农业因旱减产率确定方法，包括步骤：

步骤1，不同干旱频率下的水资源量及干旱典型年的确定：根据研究区域第三次水资源调查评价水资源量成果，将逐年水资源量按照从大到小的顺序排序，采用公式(1)进行水资源频率(来水频率p)计算，对计算得出频率的水资源量系列，进行P-Ⅲ型曲线适线，进而可确定研究区域2年一遇(50％来水频率)、5年一遇(75％来水频率)、10年一遇(90％来水频率)、20年一遇(95％来水频率)、50年一遇(97％来水频率)等不同干旱频率下的水资源量。

式中，j表示水资源量的排序号，k表示总年数。

水资源量频率计算方法及P-Ⅲ曲线拟合属于已有技术，此处不再赘述。

选定研究区域的农业主导作物，根据主导作物生育期、生育阶段需水量及降水量数据，按照水资源量相近原则，重点选取主导作物生育期缺水严重的年份，确定不同干旱频率下的干旱典型年。

本发明中将50％来水频率定义为2年一遇干旱，75％来水频率定义为5年一遇干旱，90％来水频率定义为10年一遇干旱、95％来水频率定义为20年一遇干旱、97％来水频率定义为50年一遇干旱。

步骤2、不同干旱频率下的主导作物灌溉可供水量的确定：根据水资源规划或抗旱规划中现状水平年不同来水频率(50％、75％、90％、95％、97％等)的供、需水资料，将不同干旱频率下的总供水量S_供)按照一定的比例系数α折算为现状防御条件水平年不同干旱频率下农业可供水量S_农(p)：

S_农(p)＝α·S_供(p)

其中，

采用主导作物播种面积占作物播种面积的比值，将S_农(p)按照一定的比例系数β折算为现状防御条件水平年不同干旱频率下的主导作物灌溉可供水量S_g(p)。

S_g(p)＝β·S_农(p)

步骤3，现状防御条件下主导作物各生育阶段灌溉可供水量的确定：计算步骤1选取的不同干旱频率所对应典型年的主导作物生育期内第i生育阶段有效降水量PE_i(p)：

式中，P_i(p)为选取的干旱频率所对应典型年的主导作物生育期内第i生育阶段降雨量，mm，需要通过研究区域日降雨量数据统计。

将步骤2确定的现状防御条件干旱频率(对应来水频率为p)下的主导作物灌溉可供水量S_g(p)，结合研究区灌溉试验站的作物生育i阶段田间需水量D_i数据，按照作物各生育阶段缺水量比例作为各生育阶段灌溉可供水量分配系数，将S_g(p)分配到各生育阶段灌溉可供水量。

S_gi(p)＝S_g(p)·μ_i (5)

式中，i＝1,2,…,n代表作物的不同生育期；μ_i为作物在i生育期的缺水比例系数；D_i为第i生育阶段作物田间需水量；PE_i(p)为步骤1选取的不同干旱频率所对应典型年的主导作物生育期内第i生育阶段有效降水量，且D_i-PE_i(p)≥0；当D_i-PE_i≤0时，表示该生育阶段有效降水量可满足作物需水量，不需要额外补充灌溉，则此时的μ_i＝0。

步骤4，采用简化的Jensen模型模拟计算研究区域现状防御条件下遇到不同干旱频率典型年情况下的农业因旱减产率：以不同干旱频率所对应典型年的主导作物生育期内第i生育阶段有效降水量PE_i(p)作为现状年的降水条件输入，结合现状防御条件下不同干旱频率下的主导作物第i生育阶段灌溉可供水量s_gi(p)，以及作物第i生育阶段田间需水量D_i，采用一种简化的Jensen模型，模拟计算研究区域现状防御条件下遇到不同干旱频率(2年一遇、5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇)典型年情况下的农业因旱减产率，如公式(7)所示。

式中，PE_i(p)为不同干旱频率(对应的来水频率为p)所对应典型年的主导作物生育期内第i生育阶段有效降水量；_gi(p)为现状防御条件下不同干旱频率下的主导作物第i生育阶段灌溉可供水量，mm；_i为作物第i生育阶段的水分敏感系数，反映阶段缺水对产量影响程度，通常可通过当地的灌溉试验确定。

实施例1

本发明以山东省日照市岚山区为例，按照本发明描述方法，对现状防御条件下的不同干旱频率农业因旱减产率进行计算。

1、根据山东省日照市岚山区第三次水资源调查评价水资源量成果，将1956-2016逐年水资源量按从大到小的顺序排序，采用公式(1)计算各年水资源量的来水频率p，排序后的系列见表1。

表1岚山区1956-2016年水资源量系列排频

对计算得出频率的水资源量系列，进行P-Ⅲ曲线适线拟合，如图2所示。

由此可计算岚山区不同来水频率下的水资源量，再转化成不同干旱频率下的水资源量，如表2所示。

表2岚山区不同干旱频率下的水资源量

选定岚山区冬小麦作为主导作物，根据当地灌溉试验站资料，可分别获取主导作物生育期、生育阶段需水量，以及降水量数据，其生育期及需水量如表3所示。

以岚山区干旱频率5年一遇(75％来水频率)为例，按照水资源量相近原则，选取历史上水资源量与之相近的年份，分别为2011年、1988年、1996年；结合当地降雨量数据可知，1988年为作物生育期缺水最为严重的，即最不利年份。因此，可进一步确定5年一遇干旱频率(对应的来水频率为75％)的干旱典型年为1988年。

表3冬小麦生育期及需水量

2、本实施例中根据山东省抗旱规划可确定岚山区现状年不同来水频率的供、需水资料，如表4所示。通过查阅岚山区统计年鉴及文献资料，岚山区现状年冬小麦播种面积为20万亩，作物总播种面积为58.32万亩，据此采用公式(2)、(3)可计算岚山区现状年农业可供水量及冬小麦的灌溉可供水量，如表4所示。

表4岚山区现状年不同频率条件下的供、需水量及灌溉水量

3、采用研究区域日降雨量数据，采用公式(4)计算不同干旱频率(对应来水频率p)所对应典型年的主导作物生育期第i生育阶段内有效降水量PE_i(p)。如，岚山区干旱频率5年一遇(75％来水频率)对应的干旱典型年1988年冬小麦生育期的有效降雨量计算结果，如表5所示。

表5岚山区1988典型年冬小麦生育期有效降雨量

结合研究区灌溉试验站的作物生育期田间需水量数据(表3)，采用公式(5)、(6)计算1988典型年(5年一遇旱情)冬小麦各生育阶段缺水量比例系数μ_i(即灌溉水量分配系数)，以及各生育阶段灌溉可供水量S_gi(5年一遇)，如表6所示。

表6岚山区1988典型年(5年一遇)各生育阶段灌溉可供水量计算表

注：表中第(4)栏需水量是根据表3阶段需水量数据单位换算得到，1亩＝666.67m²。

4、以表5计算的有效降水量作为现状年的降水条件，表6计算的现状防御条件下冬小麦各生育阶段灌溉可供水量，以及作物生育期田间需水量作为模型输入，通过灌溉试验站资料确定冬小麦各生育阶段的水分敏感系数(如表6第(8栏)，采用基于简化的Jensen模型因旱减产率计算模型，公式(7)，可计算确定岚山区现状防御条件下遇到5年一遇(1988典型年)情况下的农业因旱减产率为13.16％。

同理，采用上述方法，可分别选取2年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇的干旱典型年，通过计算干旱典型年作物生育期的有效降雨量，现状防御条件不同干旱频率下的作物生育期灌溉供水量，进而可确定岚山区现状防御条件下不同干旱频率下的农业因旱减产率，如表7所示。

表7岚山区现状防御条件下的不同干旱频率农业因旱减产率

干旱频率	2年一遇	5年一遇	10年一遇	20年一遇	50年一遇
						农业因旱减产率(％)	6.59	13.16	17.14	20.52	21.56

通过查阅山东省《抗旱规划》，收集到岚山区部分典型年旱情及旱灾减产调查数据(表8所示)，期间2013年4月发生旱情，受灾面积为3.33千公顷，农作物播种面积37.57千公顷，农业因旱受灾率(因旱受灾面积/农作物播种面积)为8.86％，根据实施例中步骤1计算的岚山区2013年来水频率为51.61％，约2年一遇；1996年2-4月发生旱情，受灾面积为2.5千公顷，农作物播种面积17千公顷，农业因旱受灾率为15％，根据实施例中步骤1计算的岚山区1996年来水频率为74.19％，约5年一遇。

根据表7计算的岚山区现状防御条件下的2年一遇农业因旱减产率为6.59％，5年一遇农业因旱减产率为13.16％，分别与灾后调查统计的2013年(约2年一遇)、1996年(约5年一遇)的因旱受灾率较为相近，且同一干旱频率在现状防御条件下的因旱损失均小于当年灾后统计的数据，表明采用本发明的方法计算的农业因旱减产率是可行且合理的。

表8岚山区旱情及旱灾损失调查数据及因旱受灾率

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种现状防御条件下的不同干旱频率农业因旱减产率确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、不同干旱频率下的水资源量及干旱典型年的确定：根据研究区域水资源调查评价水资源量数据，进行水资源频率计算，进而确定不同干旱频率下的水资源量；确定研究区域的农业主导作物，并收集主导作物生育期、生育阶段需水量及降水量数据；按照水资源量相近原则，选取一定干旱频率下历史水资源量与之相近的多个年份，并从中选取主导作物生育期缺水最严重的年份确定为该干旱频率下的干旱典型年，从而确定不同干旱频率下的干旱典型年；

步骤2、不同干旱频率下的主导作物灌溉可供水量的确定：根据水资源规划或抗旱规划中现状水平年不同来水频率的供、需水资料，采用农业需水量与总需水量的比值作为折算系数α，将不同干旱频率下区域可供水量S_供(p)折算为现状防御条件水平年不同干旱频率下农业可供水量S_农(p)；采用主导作物播种面积占作物播种面积的比值β，将S_农(p)折算为现状防御条件水平年不同干旱频率下的主导作物灌溉可供水量S_g(p)，计算公式如下：

S_农(p)＝α·S_供(p)

其中，

S_g(p)＝β·S_农(p)

其中，

步骤3、现状防御条件下主导作物各生育阶段灌溉可供水量的确定：

将步骤2确定的S_g(p)，分配到主导作物各生育阶段：

S_gi(p)＝S_g(p)·μ_i (5)

其中，S_gi(p)为现状防御条件下不同干旱频率下的主导作物第i生育阶段灌溉可供水量；

式中，i＝1,2,…,n代表作物的不同生育阶段；n表示生育期内的生育阶段的总数；μ_i为作物在i生育阶段的缺水比例系数；D_i为第i生育阶段作物田间需水量；PE_i(p)为步骤1选取的不同干旱频率所对应典型年的主导作物生育期内第i生育阶段的有效降水量，且D_i-PE_i(p)≥0；

当D_i-PE_i≤0时，表示该生育阶段有效降水量可满足作物需水量，不需要额外补充灌溉，则此时的μ_i＝0；

步骤4、采用简化的Jensen模型模拟计算研究区域现状防御条件下遇到不同干旱频率典型年情况下的农业因旱减产率：如公式(7)所示：

式中，_i为作物第i生育阶段的水分敏感系数，L_OSS(p)为研究区域现状防御条件下遇到不同干旱频率典型年情况下的农业因旱减产率。

2.根据权利要求1所述的一种现状防御条件下的不同干旱频率农业因旱减产率确定方法，其特征在于：步骤1中水资源频率计算方法为：根据水资源调查评价水资源量，将逐年水资源量按照从大到小的顺序排序，采用公式(1)进行水资源频率计算：

式中，j表示水资源量的排序号，k表示总年数，p为来水频率；

确定来水频率的系列之后进行P-Ⅲ型曲线适线，确定不同来水频率下的水资源量，将来水频率转化为对应干旱频率进而确定不同干旱频率下的水资源量。

3.根据权利要求1所述的一种现状防御条件下的不同干旱频率农业因旱减产率确定方法，其特征在于：步骤3中采用公式(4)计算PE_i(p)：

式中，P_i(p)为选取的干旱频率所对应典型年的主导作物生育期内第i生育阶段的降雨量，mm。

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