CN115907286A - 一种社会经济干旱评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种社会经济干旱评估方法，涉及干旱评估领域，包括以下步骤：S1：根据流域水资源的供水和需水关系，计算流域水资源供需可靠性指数WSDRI；S2：采用对数Logistic分布函数对水资源供需可靠性指数WSDRI拟合后进行标准化转换，得到标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI；S3：采用游程理论提取社会经济干旱事件，识别社会经济干旱属性，得到干旱历时和干旱烈度；S4：通过Copula函数，模拟干旱历时和干旱烈度的联合分布，计算联合超越概率；S5：基于干旱历时和干旱烈度的联合超越概率，划分社会经济干旱等级。本发明从天然情形出发，考虑到不同流域干旱缺水时的严重程度，为流域干旱评估和水资源风险管理提供技术支撑。

Description

一种社会经济干旱评估方法

技术领域

本发明涉及干旱评估领域，特别涉及一种社会经济干旱评估方法。

背景技术

干旱一般分为气象干旱、水文干旱、农业干旱、社会经济干旱。社会经济干旱是由于供水满足不了需水从而造成人类社会经济、环境的破坏，社会经济干旱相对于其余三种干旱与人类社会联系的更为紧密，并且随着城市和工业快速发展，区域的供水不能满足它们所需要的需水，所以社会经济干旱成为许多区域关心的问题。但是相比于其余三种干旱，社会经济干旱目前研究较少，而随着气候变化，社会经济干旱在未来会更为频繁的发生，并且一旦发生社会经济干旱，人类社会经济、环境等会有巨大影响，而建立一套综合评估社会经济干旱特征的框架可以更好的进行干旱管理与决策。

社会经济干旱特征的评估依赖于在河流中的水量是否满足人类社会的需水。结合自上而下和自下而上的方法，选取可靠性和恢复性分别构造了入流-需水可靠性指标IDR和储水恢复性指标WSR，进一步结合标准正态分布转换方法提出了多变量标准可靠性与复原性指数MSRRI。

社会经济干旱指数SEDI通过累计干旱赤字和干旱历时去识别社会经济干旱的等级。标准供需指数SWSDI结合传统标准降水指数SPI的构建方法，通过理论分布的拟合以及标准正态分布转换表达了流域的社会经济干旱特征。干旱等级不仅可以使用指数不同的分位数范围来划分，也能使用游程理论提取干旱事件并使用单变量拟合确定干旱事件中干旱特征的范围来划分。

现有技术公开了一种气候变化情景下的干旱社会经济暴露度评估方法，包括S1.采集研究区域的M个全球气候模式输出数据，其中M＞1；S2.基于所述全球气候模式输出数据，利用分位数偏差校正方法获得M组气候变化情景下的气象模拟系列；S3.基于所述气候变化情景下的气象模拟系列，利用彭曼公式计算各栅格的蒸散发系列，推求干旱指标长序列，并通过游程理论提取对应的干旱历时与干旱烈度特征值；S4.基于Copula函数构建各栅格不同时期干旱历时和烈度的联合分布函数，并基于最可能组合法获取重现期对应的干旱历时和烈度；S5.确定给定重现期下干旱历时和干旱烈度的最可能组合情景，识别干旱潜在风险增加区域，进而评估气候变化影响下干旱风险增加的社会经济暴露度。现有技术不足之处在于没有考虑水资源供需关系对于社会经济干旱的影响。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中没有考虑到水资源供需关系对于社会经济干旱的影响，提出了一种社会经济干旱评估方法，通过对影响水资源供需关系的相关因素的计算，对社会经济干旱进行判断与等级划分。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种社会经济干旱评估方法，包括以下步骤：

S1：根据流域水资源的供水和需水关系，计算流域水资源供需可靠性指数WSDRI；

S2：采用对数Logistic分布函数对水资源供需可靠性指数WSDRI拟合后进行标准化转换，得到标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI；

S3：采用游程理论提取社会经济干旱事件，识别社会经济干旱属性，得到干旱历时和干旱烈度；

S4：通过Copula函数，模拟干旱历时和干旱烈度的联合分布，计算联合超越概率；

S5：基于干旱历时和干旱烈度的联合超越概率，划分社会经济干旱等级。

本发明的工作原理如下：

通过考虑影响流域内水资源供需关系的相关因素，分析流域水资源平衡，计算流域水资源供需可靠性指数WSDRI，拟合标准化后得到标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI，通过游程理论提取社会经济干旱多维属性，进一步通过copula函数拟合社会经济干旱多维属性的联合分布，最后基于联合超越概率划分社会经济干旱等级。

流域水资源的供水来源为天然径流，天然径流是未受人类活动影响的流域的径流，所述天然径流的计算包括流域内水库调节的径流、流域内耗水、流域间调水、基于流域出口的实测径流；

满足需水要求要保证河道内最小流量，所述的河道内最小流量包括河道内需水和河道外需水。

进一步地，所述的天然径流的计算方式如下：

Q_N(t)＝Q_O(t)+ΔQ_R(t)+ΔQW(t)+ΔQ_T(t)+ΔQ_F(t)

式中，t的范围是1到N，N为数据的时间序列长度；Q_N(t)表示t时刻流域出口的天然径流；_O(t)表示t时刻流域出口的实测径流；ΔQ_R(t)为t时刻流域出口因水库调节而变化的流量；ΔQ_W(t)表示t时刻流域出口因流域内耗水而变化的流量；ΔQ_T(t)表示t时刻流域出口因流域间调水而变化的流量；ΔQ_F(t)表示t时刻流域出口因为其他因素而变化的流量。

进一步地，所述的水资源供需可靠性指数WSDRI的构建方式如下：

式中，Q_D(t)表示t时刻河道内需水和河道外需水。

进一步地，S2的具体步骤如下：

S201：先对WSDRI序列进行三参数对数逻辑分布函数概率拟合，得到累计概率分布；

S202：将拟合得到的累计概率分布通过标准化变化得到标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI。

更进一步地，S201的方法如下：

对WSDRI序列进行三参数对数逻辑分布函数概率拟合：

式中，F(x)是对数逻辑函数的累积概率分布，x是水资源供需可靠性指数WSDRI序列；α、β、y都是参数，采用线性矩法进行估计，方法如下：

式中，Γ(.)是Gamma函数，w₀、w₁、w₂为x的概率权重距，计算方法如下：

式中，m的值为0、1、2；x_t是t时刻WSDRI的值；F_i是x_t的累积概率。

更进一步地，对拟合后得到的累计概率分布进行标准化转换，得到标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI的方法如下：

式中，C₀＝2.515517，C₁＝0.802853，C₂＝0.010328，d₁＝1.432788，d₂＝0.189269，d₃＝0.001308。

更进一步地，获得所述的干旱历时和干旱烈度的方法如下：

当水资源供需可靠性指数WSDRI的值为0时，所计算标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI的值设为阈值，根据游程理论提取标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI小于阈值的社会经济干旱事件，根据干旱事件的起始点和终止点确定干旱历时，根据干旱历时期间的阈值与标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI差值累计和确定干旱烈度；

更进一步地，所述的干旱历时和干旱烈度的联合分布的模拟方法如下：

设干旱历时和干旱烈度分别为变量D，S：

C(u,v)＝C(F(d),F(s))＝p(D≤d，S≤s)

式中，C(u,v)为基于Copula函数拟合的联合分布累积概率，u＝F(d)为变量D的累积概率，v＝F(s)为变量S的累积概率。

更进一步地，所述的联合超越概率的计算方法如下：

式中，

为联合超越概率。

更进一步地，根据联合超越概率的大小划分社会经济干旱等级，联合超越概率小于0.1认为是极度干旱；联合超越概率大于等于0.1小于0.25认为是严重干旱；大于等于0.25小于0.5认为是中度干旱；大于等于0.5认为是轻度干旱。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过构建的标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI，评估流域社会经济干旱多维特征，基于联合超越概率划分社会经济干旱等级，为流域干旱评估和水资源风险管理提供技术支撑；构建了一个分析天然情况下的社会经济干旱的框架，利用相对缺水的概念提出反映当供水满足不了需水时干旱的严重程度的指数，引入Copula函数划分干旱等级描述了多变量干旱特征的相关关系。

附图说明

图1为本发明所述的一种社会经济干旱评估方法的流程示意图。

图2为实施例中流域内供水和需水的数据图。

图3为实施例中天然径流和水资源供需可靠性指数WSDRI的数据图。

图4为实施例中所述的标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI的数据图。

图5为实施例中所述的干旱历时和干旱烈度的数据图。

图6为实施例中所述的干旱历时和干旱烈度的边缘分布拟合优度检验数据结果图。

图7为实施例中所述的干旱历时和干旱烈度的联合分布拟合优度检验数据结果图。

图8为实施例中所述的干旱历时和干旱烈度的联合分布特征图。

图9为实施例中社会经济干旱等级分类图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

在本实施例中，一种社会经济干旱评估方法，包括以下步骤：

S1：根据流域水资源的供水和需水关系，计算流域水资源供需可靠性指数WSDRI；

S2：采用对数Logistic分布函数对水资源供需可靠性指数WSDRI拟合后进行标准化转换，得到标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI；

S3：采用游程理论提取社会经济干旱事件，识别社会经济干旱属性，得到干旱历时和干旱烈度；

S4：通过Copula函数，模拟干旱历时和干旱烈度的联合分布，计算联合超越概率；

S5：基于干旱历时和干旱烈度的联合超越概率，划分社会经济干旱等级。

更具体的，流域水资源的供水来源为天然径流，天然径流是未受人类活动影响的流域的径流，所述天然径流的计算包括流域内水库调节的径流、流域内耗水、流域间调水、基于流域出口的实测径流；

满足需水要求要保证河道内最小流量，所述的河道内最小流量包括河道内需水和河道外需水。

更具体的，基于流域出口的实测径流数据、流域内水库出入流数据、流域内水库耗水数据、流域间调水数据等进行流域出口的天然径流重构；所述的天然径流的计算方式如下：

Q_N(t)＝Q_O(t)+ΔQ_R(t)+ΔQ_W(t)+ΔQ_T(t)+ΔQ_F(t)

式中，t的范围是1到N，N为数据的时间序列长度；Q_N(t)表示t时刻流域出口的天然径流；Q_O(t)表示t时刻流域出口的实测径流；ΔQ_R(t)为t时刻流域出口因水库调节而变化的流量；ΔQ_W(t)表示t时刻流域出口因流域内耗水而变化的流量；ΔQ_T(t)表示t时刻流域出口因流域间调水而变化的流量；ΔQ_F(t)表示t时刻流域出口因为其他因素而变化的流量。

更具体的，收集流域下游河道内外需水Q_D数据资料并联合天然径流计算天然情况下的水资源供需可靠性指数WSDRI，所述的水资源供需可靠性指数WSDRI的构建方式如下：

式中，Q_D(t)表示t时刻河道内需水和河道外需水。

实施例2

基于实施例1所述的一种社会经济干旱评估方法，在本实施例中，S2的具体步骤如下：

S201：先对WSDRI序列进行三参数对数逻辑分布函数概率拟合，得到累计概率分布；

S202：将拟合得到的累计概率分布通过标准化变化得到标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI。

S201的方法如下：

对WSDRI序列进行三参数对数逻辑分布函数概率拟合：

式中，F(x)是对数逻辑函数的累积概率分布，x是水资源供需可靠性指数WSDRI序列；α、β、y都是参数，采用线性矩法进行估计，方法如下：

式中，Γ(.)是Gamma函数，w₀、w₁、w₂为x的概率权重距，计算方法如下：

式中，m的值为0、1、2；x_t是t时刻WSDRI的值；F_i是x_t的累积概率。

更具体的，对拟合后得到的累计概率分布进行标准化转换，得到标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI的方法如下：

式中，C₀＝2.515517，C₁＝0.802853，C₂＝0.010328，d₁＝1.432788，d₂＝0.189269，d₃＝0.001308。

更具体的，获得所述的干旱历时和干旱烈度的方法如下：

当水资源供需可靠性指数WSDRI的值为0时，所计算标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI的值设为阈值，根据游程理论提取标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI小于阈值的社会经济干旱事件，根据干旱事件的起始点和终止点确定干旱历时，根据干旱历时期间的阈值与标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI差值累计和确定干旱烈度；根据干旱事件属性特征，对干旱事件进行融合和剔除。

更具体的，所述的干旱历时和干旱烈度的联合分布的模拟方法如下：

设干旱历时和干旱烈度分别为变量D，S：

C(u,v)＝C(F(d),F(s))＝p(D≤d，S≤s)

式中，C(u,v)为基于Copula函数拟合的联合分布累积概率，u＝F(d)为变量D的累积概率，v＝F(s)为变量S的累积概率。

更具体的，将提取得到的干旱历时和干旱烈度作单变量和双变量拟合优度检验，将优选后的理论分布进行拟合，进一步计算联合超越概率，所述的联合超越概率的计算方法如下：

式中，

为联合超越概率。

更具体的，根据联合超越概率的大小划分社会经济干旱等级，联合超越概率小于0.1认为是极度干旱；联合超越概率大于等于0.1小于0.25认为是严重干旱；大于等于0.25小于0.5认为是中度干旱；大于等于0.5认为是轻度干旱。

实施例3

基于实施例1和实施例2所述的一种社会经济干旱评估方法，包括以下步骤：

S1：根据流域水资源的供水和需水关系，计算流域水资源供需可靠性指数WSDRI；

S2：采用对数Logistic分布函数对水资源供需可靠性指数WSDRI拟合后进行标准化转换，得到标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI；

S3：采用游程理论提取社会经济干旱事件，识别社会经济干旱属性，得到干旱历时和干旱烈度；

S4：通过Copula函数，模拟干旱历时和干旱烈度的联合分布，计算联合超越概率；

S5：基于干旱历时和干旱烈度的联合超越概率，划分社会经济干旱等级。

在本实施例中，以某流域为例，具体分析步骤如下：

收集该流域控制站1954年4月-2020年3月共792个月的实测径流Q_O、耗水ΔQ_W、水库调节量ΔQ_R、需水Q_D数据，由于流域出口的径流受到流域间调水和其他因素所改变的径流较小，所以在本实施例中没有将这两项因素加入到计算中；由于篇幅限制，实施例中只展示了部分数据，如图2所示，选用了其中1962年4月-1965年3月共36个月的数据；

在需水没有变化的情况下，对社会经济干旱的影响在于供水的变化；

如图3所示，将收集到的数据带入计算得到天然径流Q_N和水资源供需可靠性指数WSDRI。

如图4所示，采用对数Logistic分布函数对水资源供需可靠性指数WSDRI拟合后进行标准化转换，得到标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI；

如图5所示，当水资源供需可靠性指数WSDRI的值为0时，标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI的值为-0.72；将-0.72设为阈值，通过游程理论提取社会经济干旱事件，获得干旱历时和干旱烈度。

如图6、图7所示，基于常用的单变量统计分布模型：Normal(NORM)，Lognormal(LOGN)、Gamma(GAMA)、Generalized Extreme Value(GEV)、Loglogistic(LOGL)、Weibull(WBL)分布和两变量联合分布模型Archimedean Copula：Clayton，Frank，Gumbel函数，模拟干旱历时和干旱烈度的边缘分布和联合分布，采用K-S拟合优度检验最终优选出干旱历时和干旱烈度的边缘分布函数为WBL，联合分布函数为Frank。

如图8所示，根据优选出的边缘分布函数WBL和联合分布函数Frank，得到干旱历时和干旱烈度的联合分布特征。

如图9所示，计算联合超越概率，根据联合超越概率判断社会经济干旱等级，对社会经济干旱等级进行划分。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种社会经济干旱评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据流域水资源的供水和需水关系，计算流域水资源供需可靠性指数WSDRI；

S2：采用对数Logistic分布函数对水资源供需可靠性指数WSDRI拟合后进行标准化转换，得到标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI；

S3：采用游程理论提取社会经济干旱事件，识别社会经济干旱属性，得到干旱历时和干旱烈度；

S4：通过Copula函数，模拟干旱历时和干旱烈度的联合分布，计算联合超越概率；

S5：基于干旱历时和干旱烈度的联合超越概率，划分社会经济干旱等级。

2.根据权利要求1所述的一种社会经济干旱评估方法，其特征在于，流域水资源的供水来源为天然径流，天然径流是未受人类活动影响的流域的径流，所述天然径流的计算包括流域内水库调节径流、流域内耗水、流域间调水、基于流域出口的实测径流；

满足需水要求要保证河道内最小流量，所述的河道内最小流量包括河道内需水和河道外需水。

3.根据权利要求2所述的一种社会经济干旱评估方法，其特征在于，所述的天然径流的计算方式如下：

Q_N(t)＝Q_O(t)+ΔQ_R(t)+ΔQ_W(t)+ΔQ_T(t)+ΔQ_F(t)

式中，t的范围是1到N，N为数据的时间序列长度；Q_N(t)表示t时刻流域出口的天然径流；Q_O(t)表示t时刻流域出口的实测径流；ΔQ_R(t)为t时刻流域出口因水库调节而变化的流量；ΔQ_W(t)表示t时刻流域出口因流域内耗水而变化的流量；ΔQ_T(t)表示t时刻流域出口因流域间调水而变化的流量；ΔQ_F(t)表示t时刻流域出口因为其他因素而变化的流量。

4.根据权利要求3所述的一种社会经济干旱评估方法，其特征在于，所述的水资源供需可靠性指数WSDRI的构建方式如下：

式中，Q_D(t)表示t时刻河道内需水和河道外需水。

5.根据权利要求4所述的一种社会经济干旱评估方法，其特征在于，S2的具体步骤如下：

S201：先对WSDRI序列进行三参数对数逻辑分布函数概率拟合，得到累计概率分布；

S202：将拟合得到的累计概率分布通过标准化变化得到标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI。

6.根据权利要求5所述的一种社会经济干旱评估方法，其特征在于，S201的方法如下：

对WSDRI序列进行三参数对数逻辑分布函数概率拟合：

式中，F(x)是对数逻辑函数的累积概率分布，x是水资源供需可靠性指数WSDRI序列；α、β、y都是参数，采用线性矩法进行估计，方法如下：

式中，Γ(.)是Gamma函数，w₀、w₁、w₂为x的概率权重距，计算方法如下：

式中，m的值为0、1、2；x_t是t时刻WSDRI的值；F_i是x_t的累积概率。

7.根据权利要求6所述的一种社会经济干旱评估方法，其特征在于，对拟合后得到的累计概率分布进行标准化转换，得到标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI的方法如下：

式中，C₀＝2.515517，C₁＝0.802853，C₂＝0.010328，d₁＝1.432788，d₂＝0.189269，d₃＝0.001308。

8.根据权利要求7所述的一种社会经济干旱评估方法，其特征在于，获得所述的干旱历时和干旱烈度的方法如下：

当水资源供需可靠性指数WSDRI的值为0时，所计算标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI的值设为阈值，根据游程理论提取标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI小于阈值的社会经济干旱事件，根据干旱事件的起始点和终止点确定干旱历时，根据干旱历时期间的阈值与标准化水资源供需可靠性指数SWSDRI差值累计和确定干旱烈度；

所述的干旱历时和干旱烈度的联合分布的模拟方法如下：

设干旱历时和干旱烈度分别为变量D，S：

C(u，v)＝C(F(d)，F(s))＝P(D≤d，S≤s)

式中，C(u，v)为基于Copula函数拟合的联合分布累积概率，u＝F(d)为变量D的累积概率，v＝F(s)为变量S的累积概率。

9.根据权利要求8所述的一种社会经济干旱评估方法，其特征在于，所述的联合超越概率的计算方法如下：

式中，

为联合超越概率。

10.根据权利要求9所述的一种社会经济干旱评估方法，其特征在于，根据联合超越概率的大小划分社会经济干旱等级，联合超越概率小于0.1认为是极度干旱；联合超越概率大于等于0.1小于0.25认为是严重干旱；大于等于0.25小于0.5认为是中度干旱；大于等于0.5认为是轻度干旱。

Images