近200年來渭河流域干旱洪澇事件特征

劉引鴿, 胡浩楠, 周歡歡, 鄭潤禾, 龍 顏

(寶雞文理學院 地理與環(huán)境學院, 陜西省災害監(jiān)測與機理模擬重點實驗室, 陜西 寶雞 721013)

隨著全球變化速度加快，氣候變化研究成為國內外學者關注的焦點。歷史氣候、近百年氣候變化研究是國際氣候變率與可預報性計劃的重要內容之一，尤其是歷史時期及百年旱澇變化成為學者們研究的熱點問題，并取得了一定研究成果，如采用古環(huán)境信息提取氣候和水文要素資料對大興安嶺冬季的降水重建[1-2]，對扎曲河流域[3]、新疆烏魯木齊河山區(qū)流域[4-5]、黑河流域[6-7]、黃河一級支流湟水河及黃河上游[8-10]、陜西關中周邊[11-13]等地區(qū)的氣溫、降水及徑流重建，分析其變化特征。采用洞穴石筍的δ18O和δ13C對百年以來古氣候和古環(huán)境重建以反映季風強弱、降雨和溫度的變化[14]，采用沉積學及光釋光測年對漢江、千河洪水事件對氣候變化響應進行研究。這些研究主要針對東部地區(qū)、黃河流域以及新疆地區(qū)的氣候要素序列重建，并研究其氣候變化特征。近60 a來渭河流域降水量與徑流量的變化及其水文要素對氣候變化響應研究也取得了一定成果[15-17]。但是渭河流域百年尺度的氣候變化及其水文影響研究甚少。歷史氣候變化序列定量估計還處于發(fā)展探索階段，如何融合多源數據以得到高質量、長序列的歷史氣象資料，重建高精度和高分辨率的區(qū)域干旱、洪水事件等資料序列，定量分析百年尺度區(qū)域氣候變化及其對水文事件影響的時空變化格局，揭示過去氣候變化特征及人類的響應機理，顯得非常重要。渭河是黃河的最大支流，隨著氣候變暖以及人類活動影響，極端旱澇事件頻率和強度增大，對該流域水資源和區(qū)域經濟發(fā)展產生重大影響。為此，研究近200年來渭河流域旱澇事件的氣候變化特征，為認識過去、現在與將來區(qū)域氣候變化及預測，以及未來人類適應氣候變化提供科學依據，對區(qū)域水資源規(guī)劃管理及防災減災具有重要意義。

1 數據來源及方法

1.1 數據來源

渭河流域屬暖溫帶半干旱氣候區(qū)，受季風氣候影響，降水及徑流量季節(jié)變化明顯，多年平均降水量572 mm,徑流量75.7億m3，且時空分布不均，水旱災害危害嚴重。渭河為黃河最大支流發(fā)源于甘肅省定西市渭源縣，流經甘肅天水、陜西寶雞、咸陽、西安和渭南等地，至渭南市潼關入黃河。因此，本研究選取具有代表性的渭河干流流域的60個縣作為研究地區(qū)進行數據收集。1813—2017年旱澇災害歷史文獻數據信息來源于該區(qū)域有記載的旱澇災害記錄，包括《陜西省志水利志》[18]、《西北災荒史》[19]、《隴縣志》[20]、《中國氣象災害大典·甘肅卷》[21]、《中國氣象災害大典·陜西卷》[22]、《中國三千年氣象記錄總集》[23]、《陜西歷史自然災害簡要紀實》[24]、《鳳翔縣志》[25]、2000年以后的數據來源于各市做出的氣象觀測資料、氣候公報及當年的氣候影響評價。

1.2 旱澇序列重建依據及方法

1.2.1 旱澇等級重建依據 通過歷史文獻記載，采用典型用語，參考《氣象干旱等級》(GB/T 20481—2006)國家標準、《氣象災情收集上報調查和評估試行規(guī)定》、《中華人民共和國共和國水利行業(yè)標準—洪澇災情評估標準》(SL579～2012)，借鑒標準化降水指標SPI[26-27]，將定性的單站記載轉化為定量的旱澇等級，重建旱澇等級序列，本文采用7級劃分標準，具體標準見表1。

1.2.2 旱澇指數序列重建方法 在界定災害等級時，需要考慮單個站點水旱災害程度，還要結合渭河沿岸地區(qū)實際情況，同時要考慮同一研究區(qū)多個站點都發(fā)生同一種災害的情況。據此建立水旱災害指數計算公式：

式中：σ代表旱澇指數；a，b，c分別為研究區(qū)內重大水災、中度水災與輕度水災的站點數；d代表研究區(qū)內正常的站點數；e，f，g分別為研究區(qū)內輕度旱災、中度旱災、重大旱災的站點數；?為研究區(qū)內受災站點個數；t為正常無災等級值。采用此公式計算1813—2017年旱澇指數，建立旱澇指數序列。

小波分析是一種具有時頻多分辨功能的多尺度分析工具，適用于分析時間序列變化特性，因此，采用小波分析法判斷旱澇周期?；瑒觮檢驗可以通過兩組樣本平均值是否有顯著差異來判別是否存在突變，采用此方法檢測旱澇突變特征。運用Origin，Matlab，DPS，ArcGIS等軟件對數據進行處理，分析渭河流域的旱澇變化特征。

2 旱澇序列重建及變化特征

2.1 旱澇年變化序列重建及特征

根據旱澇災害等級標準(表1)建立了渭河流域旱澇等級序列(圖1)、旱澇指數序列(圖2)和旱澇年統(tǒng)計(表2)?？梢钥闯?，200年來，渭河流域共發(fā)生水旱災害111次，水災和旱災分別發(fā)生了55次和36次，其中發(fā)生最多的為輕度旱災，平均每7.1年一遇，發(fā)生次數最少的為重大澇災及重大旱災，分別為平均每28.6年和28.3年一遇，同一年內水旱災害交替出現計20次，平均9.7年一遇。1813—1833年由澇轉旱，尤其在1833年左右旱災較嚴重。1880年后曲線波動下降，在1880年出現最低，雖有旱災但程度較小，表明這一時期逐漸由旱轉澇。前100年渭河流域先旱后澇，而后100年表現為先澇后旱，尤其1921年、1937年、1979年水災指數最大，自1946年后渭河流域旱災發(fā)生頻率逐漸增多。旱澇發(fā)生頻率由高到低依次為：輕度旱災>中度旱災>輕度澇災>旱澇交替>中度澇災>重大澇災及重大旱災。1833—1880年、1914—1933年為中度和重大旱災的多發(fā)期，1894—1910年、1933—1939年為中度和重大澇災多發(fā)階段。1964年以后水旱交替顯著，水災旱災短期內交替發(fā)生。

為了分析不同階段渭河流域旱澇災害發(fā)生頻率，按30 a統(tǒng)計各類災害情況(圖3)?？梢钥闯?，1874—1903年、1934—1963年段發(fā)生旱澇的頻率較大，1844—1873年、1964—1983年發(fā)生旱澇的次數較少。而1984—2000年旱災發(fā)生的頻率最大，1874—1903年澇災發(fā)生次數最大，1813—1843年旱澇交替發(fā)生的次數最多，1903年后澇災發(fā)生的次數逐漸減少，旱災波動增加。

由中央氣象局氣象科學研究院主編的《中國近500年旱澇分布圖集》[28]可反映過去500年來我國旱澇災害變化，作為代用指標參考被廣泛引用。采用圖集中西安站旱澇等級序列與重建的西安旱澇等級序列做5 a滑動平均處理(圖4)。對比分析發(fā)現，兩曲線走向趨勢較吻合，呈現波峰/波谷與波峰/波谷相對，有很高的擬合程度，表明本方法建立的旱澇序列比較符合實際。

表1 旱澇災害等級標準劃分依據

2.2 旱澇季節(jié)特征

根據統(tǒng)計，1813—2017年史料水旱災害無季節(jié)記載的年份共計28 a，有明確記載的水旱災發(fā)生年份共計177年(某年發(fā)生水災、旱災或該年水旱災害均有記載)，按照季節(jié)統(tǒng)計渭河旱澇(圖5)。可以看出，渭河流域夏季旱澇發(fā)生最多分別為59，55次，其次為秋季，冬季最少。發(fā)生頻次依次為夏>秋>春>冬，連旱以春夏秋三季為主，連澇以夏秋兩季為主，春夏秋冬四季皆有旱災發(fā)生了2次。旱澇的這種季節(jié)特征與季風氣候的波動密切相關[29-30]。渭河流域地處西北地區(qū)東部邊緣，位于季風氣候向大陸氣候過渡地帶，夏季風變化影響使夏季旱澇災害發(fā)生較多。冬季受溫帶大陸氣團影響，氣候寒冷干燥，旱澇發(fā)生較少。春秋兩季處在冬夏季風交替的過渡期，致使春季迅速升溫，雨量減少，秋季降溫迅速陰雨連綿，使得關中地區(qū)成為秋季連陰雨較多的地區(qū)之一。

圖1 1813-2017年渭河流域旱澇災害等級序列

圖2 1813-2017年渭河流域旱澇災害指數序列

表2 渭河流域地區(qū)旱澇災害統(tǒng)計

2.3 旱澇空間特征

圖6為近200年渭河旱澇發(fā)生頻數空間分布，可以看出，該區(qū)域內渭南旱災發(fā)生頻率最高，達75次，西安、咸陽旱災發(fā)生頻率均在60次以上，天水和銅川次之，頻率在40～60次之間,而上游的渭源旱災頻率較低，僅發(fā)生了13次。澇災以西安、渭南發(fā)生頻率最高，分別為43次和50次,其次為天水、寶雞、咸陽，發(fā)生水災次數介于20～30之間,渭源和銅川水災發(fā)生頻次較少，次數均在10次以下。有研究指出，近200年來人類活動直接和間接對徑流造成影響，也使得徑流量顯著下降[31-34]，渭河流域潛在蒸發(fā)量增幅趨勢明顯[35]。渭河流域水旱災害在各地區(qū)分布不同，可能是渭河徑流年內分配不均，年際豐枯震蕩造成的。

圖3 渭河流域各階段旱澇發(fā)生頻次 圖4 圖集西安站點旱澇等級序列與渭河流域地區(qū)旱澇序列對比

圖5 渭河流域旱澇季節(jié)變化

2.4 旱澇周期及突變

運用MATLAB對旱澇序列進行小波分析(圖7)，從小波實部圖可以看出，大多正負值中心均分布于25 a頻域下方，說明渭河水旱災害周期變化以中小周期震動明顯，且水旱災害交替出現。小波方差圖可以用來確定水旱災害序列的主周期，反映出峰值分別在5～7 a，10～11 a，18～20 a，60 a和105～110 a出現，在110 a處左右的周期震蕩最強，為第一主周期，第二主周期60 a,第三主周期20 a。尤其是主周期與太陽活動周期[36]關系密切。有研究[37]提出黃河中游旱澇變化存在20～35 a，60～80 a，110～120 a等特征，說明渭河流域與黃河中游洪澇災害變化的步調基本一致。

圖6 渭河流域地區(qū)水旱災害空間分布

圖7 近200年來渭河流域旱澇小波分析實部及方差

為了分析渭河流域旱澇主要周期階段的變化特征，分別選擇20 a，60 a，105 a時間尺度，并在百年周期下進行旱澇災害突變對比分析。根據方差檢驗結果，給出小波系數(圖8)?？梢钥闯?，1813—1900年的近100年中，在100年時間尺度上經歷了1個周期水—旱變化，其中1819—1853年為水災階段，1853—1889年為旱災階段。在60年尺度上共經歷了2個周期水—旱變化，1827—1847年、1871—1890年為旱災階段，1813—1827年、1847—1870年為水災階段。在20年時間尺度上共經歷7.5個周期水—旱變化：1813—1816年、1820—1825年、1832—1837年、1844—1850年、1855—1860年、1863—1870年、1876—1881年、1889—1895年為旱災階段，其余為水災階段。

1900—2017年的100年中，在105年尺度上經歷了1.25個周期的水—旱變化，大致分布為1930—1969年、2008—2017年兩個旱災階段和1900—1929年、1970—2007年兩個水災階段。在60 年尺度上共經歷了3個周期水—旱變化：1911—1930年、1950—1967年、1985—2004年為旱災階段，1900—1911年、1931—1949年、2004—2017年為水災階段。在20 年時間尺度上共經歷了10個周期水—旱變化：1902—1908年、1914—1920年、1927—1933年、1939—1945年、1951—1954年、1959—1965年、1971—1977年、1982—1988年、1994—2001年、2008—2015年為旱災階段，其余為水災階段。隨時間尺度縮小，水旱災害突變顯得頻繁，波動頻率會增大。

使用DPS數據處理系統(tǒng)對近200年來渭河流域地區(qū)水旱災害數據進行滑動t檢驗，達到95%置信水平以上，分析渭河流域旱澇突變特征。由(圖9A)可以看出，在前100年尺度(1813—1900)有5個突變點，分別是1825年、1826年、1979年、1880年及1881年，共3個突變年代。由圖9B也可以看出，在后100多年尺度(1901—2017)，也存在5個突變點，分別是1913年、1914年、1915年、1933年及1982年，3個年代發(fā)生突變。結合圖8分析，可得到較為可信的突變年份，分別為1825年(旱→澇)、1881年(旱→澇)、1914年(澇→旱)、1933年(旱→澇)、1982年(澇→旱)。突變的發(fā)生與氣候環(huán)境變化可能相關。

圖8 近200年渭河流域旱澇不同尺度小波系數

圖9 1813-2017年渭河流域地區(qū)旱澇突變滑動t檢驗

3 結 論

(1) 渭河旱澇災害表現出年季變化特征和階段性特征。19世紀80年代以偏澇為主，19世紀后以偏旱為主。1860—1890年、2000—2017年澇災有上升趨勢，1964—2000年旱災有上升趨勢，水旱交替近200年來有下降趨勢。水旱災害發(fā)生頻率最高的是輕度旱災，發(fā)生頻率最低的是重大水災及重大旱災。旱災以夏季為主，澇災以夏秋為主，春夏秋連旱多發(fā)。

(2) 渭河流域旱澇具有長周期與短周期的變化特征。震蕩最強的周期為110 a，且中小周期震動明顯，在百年尺度、60 a尺度以及20 a尺度的旱澇周期不同。旱澇也具有突變性，在近200年存在5個顯著突變年份。

(3) 渭河流域旱澇空間差異明顯。在空間分布上，近200年以來渭河流域下游的渭南地區(qū)旱災和澇災發(fā)生頻率最高，上游的渭源地區(qū)旱災頻率最小，中游的西安、寶雞旱澇災發(fā)生頻率居中，其他區(qū)域旱澇發(fā)生頻率相對較少。